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Bloque3.Metalurgiadelosmetalesnoférreos3.1MetalurgiadelAluminio

MetalurgiaySiderurgia

MaríaLuisaPaynoHerreraJesúsSe3énMarquínezDPTO.DECIENCIAEINGENIERÍADELTERRENOYDELOSMATERIALES

EstetemasepublicabajoLicencia:CreaLveCommonsBY‐NC‐SA3.0

http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/es/

Bloque3.Metalurgiadelosmetalesnoférreos.3.1MetalurgiadelAluminio


MaríaLuisaPaynoHerrera/JesúsSeLénMarquínez

Propiedades•  ElaluminioesunelementoquímicodúcLl,nosolubleenagua,yeselmetalmasabundantesobrelacortezaterrestre,yeltercerelementomasabundantedespuésdeloxígenoyelsilicio.

•  DestacaporsucapacidadderesisLrlacorrosiónyporsubajadensidad.

•  Eselmetalnoferrosomásusado.

•  EsuncomponentevitalenlaaeronáuLcaycohetescomoresultadodesurelacióndepesoyfuerza.




MENAS

•  EnlaactualidadlaúnicaMENAdealuminioqueseempleaeslabauxita,consLtuidaporóxidosdealuminiohidratados

•  SehanidenLficadotresóxidoshidratados:

  BOHEMITA(elalfamonohidrato)Al2O3.H2O(85,1%Al)  DIASPORO(elbetamonohidrato)Al2O3.H2O  GIBBSITAOLATERITA(elalfatrihidrato)Al2O3.3H2O(65,4%Al)




Mineralesasociadosconlabauxita

– Arcilla– Arena– Siderita– Limonita

– Pirita– Caolinita




Categoríasdebauxitas

•  Lasbauxitaspuedenser: lasbauxitasrojas:CuyocontenidoenhierroesbastanteelevadoyLenenpocasílice

 lasbauxitasblancas:QueconLenenpocohierroymuchasílice




Obtencióndelaalúmina

ProcesoBayer•  ElobjeLvodelprocedimientoBAYERes,separarloshidróxidos

dealuminiodelabauxita,delosóxidosdehierroydelasílicequelaimpurifican.

•  LareacciónfundamentalesladisolucióndeloshidróxidosporelNaOH

•  Al(OH)3+NaOH NaAl(OH)4 aluminatosódicosoluble




LareaccióndirectatranscurreadisLntatemperaturasegúnlamena

•  GIBBSITA.................100‐140ºC•  BOHEMITA.................240‐250ºC•  DIASPORO................1.000‐1.100ºC




Esquemabásicodelproceso:

ALÚMINA (Al2 O3)




ETAPASDELPROCESO

•  MANIPULACIÓNDELABAUXITA•  DIGESTIÓN•  DECANTACIÓNOSEPARACIÓNDESÓLIDOS•  PRECIPITACIÓN•  CALCINACIÓN




CONSUMOENERGÉTICODELAALUMINA

Vapordebaja(7Kg/cm2) elconsumoesde1,8toneladasenladigesLóny0,7toneladasenlaevaporación,eltotalesde2,5toneladasportoneladadealúmina. La energía eléctrica que se consume es de 180 a 250 Kw. portoneladadealúminay defuel‐oil400litrosportonelada.

VapordeAlta(52Kg/cm2)Losconsumosparaunaplantadealta: de2,8toneladasvaporportoneladadealúmina, el consumo de energía eléctrica es de 250 Kw/tonelada alúminaproducida.




PROCEDIMIENTOCOMBINADOALCOA

•  SedenominacombinadoporqueenélsecombinaunaoperacióndesinterizadoconelprocesotradicionalBayer

•  Poréstenuevométodopuederecuperarseunamayorproporcióndealúminaconunacpérdidamenordesosa,parLendodemineralesmáspobresqueenelBayerquesoperaconbauxitasricasyconunmayorcontenidoensílice(10‐18%)




Lasreaccionessonlassiguientes:

•  laalúminasetransformaenaluminatosódicosoluble Al2O3+Na2CO3 NaAlO2+CO SOLUBLE

•  Elóxidodehierroquedainsoluble Fe2O3+Na2CO3 Na2O.Fe2O3+CO2 INSOLUBLE

•  ElóxidodeLtaniodaunLtanatoinsoluble TiO2+Na2CO3 Na2O.TiO2+CO2 INSOLUBLE

•  Lasíliceensilicatocálcicoinsoluble•  SiO2+CaCO3 CaO.SiO2+CO2 INSOLUBLE




Obtencióndelaluminio

PROCESOHALL‐HEROULT

•  LaobtencióndelaluminiosehaceaparLrdelaalúmina(Al2O3)yporelectrólisisperonodeunadisolucióndealúminasinodeunamezclafundidadecriolita(5NaF.3AlF3)yalúmina.

•  Lasrazonesporlasquenosehagadirectamenteporlaelectrólisisdeladisoluciónacuosadealúminasonelpotencialdedeposicióndelaluminiosegúnlareacciónfundidayquela

temperaturadefusióndelaalúminaesdemasde2.000°C




Diagramabinariocriolita‐alúmina




Cubaelectrolí3ca

Estácompuestapor:

• cubadeacero•  refractario• cátododeantracita• ánododecarbóndecok• bañoelectrolíLco




REACCIONESLasreaccionesqueseproducendurantelaelectrolisisson:ÁNODO•  Al2O3+AlF63‐+8F‐ AlF63‐+AlF4‐+3/2O2+6e‐

 elAlF63‐ apareceenlosdosmiembrosporqueseregenera

CÁTODO•  2AlF4‐+6e‐ 8F‐+2Al depositándoseelAlenelfondodelacuba




ELECTRODOSENELPROCESOHALL‐HERAULT•  UnelectrododebedereunirlassiguientescaracterísLcas:

 exentodeimpurezas

 elevadaconducLvidadeléctrica oxidarselentamente bajaconducLvidadtérmicatenazyresistente

 Económico

•  SepuedenuLlizardosLposdeánodos:

 Precocidos,quesepreparanenuntalleraparte Söderberg,quesevancociendoenlamismacuba




VentajasdelosSödergerg

•  Nohayquereelaborarlosrestosqueseproducenenelcasodelosánodosprecocidos

•  Nosenecesitauntallerdeelaboracióndeelectrodosmenordensidaddecorriente

•  Menorespérdidastérmicasporradiación

•  Disminuyeneltrabajomanual




InconvenientesdelosSödergerg

•  Costomaselevadodeinversión

•  Mayordistanciaentreelectrodos

•  Mayorgastodecarbón•  Mayorproduccióndegasesymáscontaminaciónambiental

•  Reacciónmenosuniforme




CAUSASDELEFECTOANÓDICO

•  LacausadelefectoanódicoesquealempobrecerseelbañoenAl2O3(<1,5%)seproduceladescomposiciónelectrolíLcadelfluorurodealuminio(F3Al)yelfluorformadoreaccionaconelcarbóndelelectrododandolugaraltetrafluorurodecarbonoF4Cqueesungasquerodeaalelectrodoyatravésdelcualsaltalachispa

 F3Al F‐+Al+ 4F+C F4C(gas)




DENSIDADDECORRIENTE

•  Eslaintensidadquellegaaloselectrodosporunidaddesuperficie(A/m2)

•  Haytresparámetrosdediseñorelacionadosentresi: intensidaddecorriente distanciaentreelectrodos magnituddelascubas




TENSIÓNDEDESCOMPOSICIÓN

Eslatensiónquehayqueaplicaraloselectrodosparaqueseproduzcalareacción

Portérminomedioson4,1volLos,distribuidosasí

•  potencialdedeposiciónmástensióndepolarización...............1,7v

•  efectoanódico...........................................................................0,1v

•  perdidasdetensiónporresistenciadelbaño.............................1,5v•  perdidasdetensiónporresistenciaenelánodo........................0,3v

•  perdidasdetensiónporresistenciaenelcátodo.......................0,4v

•  perdidasdetensiónporresistenciaenconductor......................0,1v

Total4,1volLos




AFINODELALUMINIO

PROCESOHOOPES

•  ElaluminioobtenidoporelprocesoelectrolíLcoHall‐Heroult,Leneunapurezadeun99,7%,teniendocomoimpurezasSiyFe.Paramuchasaplicacionesessuficienteconestegradodepureza,peroparaotrasmásespeciales,senecesitaunafinoquesehaceporelectrólisisentrescapas,yquesedenominaprocesoHoopes.

•  ElprocesosedesarrollaenunacubaelectrolíLca.




•  Haytrescapasenlacuba:

  LadeabajoestacompuestaporunaaleaciónanódicafundidadeAl‑Cu,yesdondetenemoselAlquequeremosafinar.

  Ladelmedioestaformadaporelelectrolito,consLtuidoinicialmenteenelprocesoHoopesporfluorurodeAl(AlF3),fluorurobárico(BaF2),yfluorurosódico(NaF),yqueseestásusLtuyendoporbañosdefluorurocálcico(CaF2)óclorurodebario(BaCl2).

  Lasuperiorencontactoconloscátodos,estáformadaporelAlafinado.

•  PorsuposiciónenlatabladepotencialeselAlsevapasandodelánodoalcátodo,mientrasqueelrestodelasimpurezasquedanenladisoluciónanódica.

•  Cuandosevanconcentrandolasimpurezaspuedenllegarasuperarellimitedesolubilidad,siendoentoncesnecesarioreponerlasoluciónanódicaconsumida.

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