Fundición de aluminio

Proceso de extracción de aluminio de su óxido de alúmina.

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Fundición de aluminio Straumsvik, operada por Rio Tinto Alcan en Islandia.

La fundición de aluminio es el proceso de extracción de aluminio de su óxido, la alúmina , generalmente mediante el proceso Hall-Héroult . La alúmina se extrae del mineral bauxita mediante el proceso Bayer en una refinería de alúmina .

Este es un proceso electrolítico , por lo que una fundición de aluminio utiliza grandes cantidades de electricidad; Las fundiciones tienden a estar ubicadas cerca de grandes centrales eléctricas, a menudo hidroeléctricas , para reducir la huella de carbono general. Las fundiciones suelen estar ubicadas cerca de los puertos, ya que muchas fundiciones utilizan alúmina importada.

Disposición de una fundición de aluminio

El proceso de electrólisis de Hall-Héroult es la principal ruta de producción de aluminio primario. Una celda de electrólisis está hecha de una carcasa de acero con una serie de revestimientos aislantes de materiales refractarios. La celda consta de una carcasa exterior de acero revestida de ladrillos como contenedor y soporte. Dentro de la cáscara, los bloques de cátodos se cementan mediante pasta de apisonamiento. El revestimiento superior está en contacto con el metal fundido y actúa como cátodo. El electrolito fundido se mantiene a alta temperatura dentro de la celda. El ánodo precocido también está hecho de carbono en forma de grandes bloques sinterizados suspendidos en el electrolito. Un solo electrodo de Soderberg o varios bloques de carbón precocidos se utilizan como ánodo, mientras que la formulación principal y las reacciones fundamentales que ocurren en su superficie son las mismas.

Una fundición de aluminio consta de una gran cantidad de celdas (ollas) en las que tiene lugar la electrólisis. Una fundición típica contiene entre 300 y 720 ollas, cada una de las cuales produce alrededor de una tonelada de aluminio al día, aunque las fundiciones propuestas más grandes tienen hasta cinco veces esa capacidad. La fundición se realiza como un proceso por lotes, con el metal de aluminio depositado en el fondo de las ollas y periódicamente extraído por sifón. Particularmente en Australia, estas fundiciones se utilizan para controlar la demanda de la red eléctrica y, como resultado, se suministra energía a la fundición a un precio muy bajo. Sin embargo, el suministro eléctrico no debe interrumpirse durante más de 4 a 5 horas, ya que las macetas deben repararse a un costo significativo si el metal líquido se solidifica.

Principio

El aluminio se produce por reducción electrolítica de óxido de aluminio disuelto en criolita fundida .

${\displaystyle {\ce {Al^3+ + 3e- -> Al}}}$

Al mismo tiempo, el electrodo de carbono se oxida, inicialmente a monóxido de carbono.

${\displaystyle {\ce {C + 1/2O2 -> CO}}}$

Aunque la formación de monóxido de carbono (CO) se favorece termodinámicamente a la temperatura de reacción, la presencia de una sobretensión considerable (diferencia entre potenciales reversibles y de polarización) cambia el equilibrio termodinámico y una mezcla de CO y CO
2es producido. ^{[1] [2]} Por lo tanto, las reacciones generales idealizadas pueden escribirse como

${\displaystyle {\begin{cases}{\ce {Al2O3 + 3/2C <=> 2Al + 3/2CO2}}&:\Delta G\circ =(264460+3.75T\log T-92.52T)\ {\ce {cal}}\\{\ce {Al2O3 + 3C <=> 2Al + 3CO}}&:\Delta G^{\circ }=(325660+3.75T\log T-155.07T)\ {\ce {cal}}\end{cases}}}$

Al aumentar la densidad de corriente hasta 1 A / cm ² , la proporción de CO
2aumenta y el consumo de carbono disminuye. ^{[3] [4]}

Como se necesitan 3 electrones para producir cada átomo de aluminio, el proceso consume una gran cantidad de electricidad. Por esta razón, las fundiciones de aluminio están ubicadas cerca de fuentes de electricidad de bajo costo, como las hidroeléctricas .

Componentes de la celda

Electrolito: El electrolito es un baño fundido de criolita (Na ₃ AlF ₆ ) y alúmina disuelta. La criolita es un buen disolvente para la alúmina con un punto de fusión bajo, una viscosidad satisfactoria y una presión de vapor baja. Su densidad también es menor que la del aluminio líquido (2 vs 2,3 g / cm ³ ), lo que permite la separación natural del producto de la sal en el fondo de la celda. La relación de criolita (NaF / AlF ₃ ) en criolita pura es 3, con una temperatura de fusión de 1010 ° C, y forma un eutéctico con 11% de alúmina a 960 ° C. En las celdas industriales, la proporción de criolita se mantiene entre 2 y 3 para disminuir su temperatura de fusión a 940–980 ° C. ^{[5] [6]}

Cátodo: Los cátodos de carbono están hechos esencialmente de antracita, grafito y coque de petróleo, que se calcinan a alrededor de 1200 ° C y se trituran y tamizan antes de usarse en la fabricación de cátodos. Los agregados se mezclan con brea de alquitrán de hulla, se forman y se hornean. La pureza del carbono no es tan estricta como la del ánodo, porque la contaminación por metales del cátodo no es significativa. El cátodo de carbono debe tener la resistencia adecuada, buena conductividad eléctrica y alta resistencia al desgaste y la penetración de sodio. Los cátodos de antracita tienen una mayor resistencia al desgaste ^[7] y una fluencia más lenta con menor amplitud [15] que los cátodos de coque de petróleo grafíticos y grafitizados. En cambio, los cátodos densos con más orden grafítico tienen mayor conductividad eléctrica, menor consumo de energía [14] y menor hinchamiento debido a la penetración de sodio.^{[8] El} hinchamiento da como resultado un deterioro temprano y no uniforme de los bloques del cátodo.

Ánodo: Los ánodos de carbono tienen una situación específica en la fundición de aluminio y dependiendo del tipo de ánodo, la fundición de aluminio se divide en dos tecnologías diferentes; Ánodos “Soderberg” y “precocidos”. Los ánodos también están hechos de coque de petróleo, mezclado con brea de alquitrán de hulla, seguido de formación y horneado a temperaturas elevadas. La calidad del ánodo afecta los aspectos tecnológicos, económicos y medioambientales de la producción de aluminio. La eficiencia energética está relacionada con la naturaleza de los materiales de los ánodos, así como con la porosidad de los ánodos horneados. Aproximadamente el 10% de la energía de la celda se consume para superar la resistencia eléctrica del ánodo precocido (50–60 μΩm). ^[5]El carbono se consume más que el valor teórico debido a una baja eficiencia de corriente y al consumo no electrolítico. La calidad del ánodo no homogénea debido a la variación en las materias primas y los parámetros de producción también afecta su rendimiento y la estabilidad de la celda.

Los ánodos de carbono consumibles precocidos se dividen en tipos grafitizados y coque. Para la fabricación de ánodos grafitizados, se calcinan y clasifican la antracita y el coque de petróleo. Luego se mezclan con brea de alquitrán de hulla y se prensan. El ánodo verde prensado se cuece luego a 1200 ° C y se grafitiza. Los ánodos de coque están hechos de coque de petróleo calcinado, colillas de ánodo recicladas y brea de alquitrán de hulla (aglutinante). Los ánodos se fabrican mezclando agregados con brea de alquitrán de hulla para formar una pasta con una consistencia pastosa. Este material suele ser vibrocompactado, pero en algunas plantas se prensa. A continuación, se sinteriza el ánodo verdea 1100–1200 ° C durante 300–400 horas, sin grafitización, para aumentar su resistencia mediante la descomposición y carbonización del aglutinante. Las temperaturas de horneado más altas aumentan las propiedades mecánicas y la conductividad térmica y disminuyen la reactividad del aire y el CO ₂ . ^[9] La resistencia eléctrica específica de los ánodos de tipo coque es mayor que la de los grafitizados, pero tienen mayor resistencia a la compresión y menor porosidad. ^[10]

Los electrodos Soderberg (horneado in situ), utilizados por primera vez en 1923 en Noruega, están compuestos por una carcasa de acero y una masa carbonosa que se cuece por el calor que se escapa de la celda de electrólisis. Los materiales a base de carbono de Soderberg, como el coque y la antracita, se trituran, se tratan térmicamente y se clasifican. Estos agregados se mezclan con brea o aceite como aglutinante, se hacen briquetas y se cargan en la cáscara. La temperatura aumenta desde la parte inferior hasta la parte superior de la columna y el horneado in situ se lleva a cabo a medida que se baja el ánodo al baño. Durante el horneado se emite una cantidad significativa de hidrocarburos, lo que es una desventaja de este tipo de electrodos. La mayoría de las fundiciones modernas utilizan ánodos precocidos ya que el control del proceso es más fácil y se logra una eficiencia energética ligeramente mejor, en comparación con los ánodos de Soderberg.

Problemas ambientales de las fundiciones de aluminio

El proceso produce una cantidad de residuos de fluoruro : perfluorocarbonos y fluoruro de hidrógeno como gases, y fluoruros de sodio y aluminio y criolita no utilizada como partículas. Esto puede ser tan pequeño como 0,5 kg por tonelada de aluminio en las mejores plantas en 2007, hasta 4 kg por tonelada de aluminio en diseños más antiguos en 1974. A menos que se controlen cuidadosamente, los fluoruros de hidrógeno tienden a ser muy tóxicos para la vegetación alrededor de las plantas. Los gases perfluorocarbonos son gases de efecto invernadero fuertes con una vida útil prolongada.

El proceso de Soderberg, que hornea la mezcla de antracita / brea a medida que se consume el ánodo, produce emisiones significativas de hidrocarburos aromáticos policíclicos a medida que la brea se consume en la fundición.

Los revestimientos de las macetas terminan contaminados con materiales formadores de cianuro; Alcoa tiene un proceso para convertir los revestimientos usados en fluoruro de aluminio para su reutilización y arena sintética utilizable con fines de construcción y desechos inertes.

Uso de energía

La fundición de aluminio consume mucha energía y, en algunos países, solo es económica si existen fuentes de electricidad económicas. ^{[11] [12]} En algunos países, las fundiciones reciben exenciones a la política energética, como los objetivos de energía renovable . ^{[13] [14]}

Ejemplo de fundiciones de aluminio

• Fundición de aluminio Alcan Lynemouth , impulsada por la central eléctrica de carbón Lynemouth en el noreste de Inglaterra
• Anglesey Aluminium , propulsado por la central nuclear de Wylfa en el noroeste de Gales (cerrado el 30/09/09)
• La fundición de aluminio Valco en Ghana , impulsada por el Proyecto Hidroeléctrico Akosombo
• Fjarðaál en Islandia , impulsado por la central hidroeléctrica de Kárahnjúkar
• Jharsuguda en Orissa, India , que funcionará con su propia central eléctrica de carbón de 1.215 megavatios (1.629.000 hp).
• Aluminerie Alouette en Sept-Îles , Québec.
• Alba Smelter en Bahrein , impulsada por sus propias cuatro centrales eléctricas con una capacidad de generación total de 2.265 megavatios (3.037.000 CV).

Ver también

• Lista de fundiciones de aluminio
• Lista de refinerías de alúmina
• Fundición de plomo
• La energía nuclear
• Fundición de zinc
• Proceso Hall-Héroult de óxido sólido

Referencias

1. K. Grjotheim y C. Krohn, Electrólisis de aluminio: la química del proceso Hall-Heroult: Aluminium-Verlag GmbH, 1977.
2. F. Habashi, Manual de metalurgia extractiva vol. 2: Wiley-VCH, 1997.
3. Kuang, Z .; Thonstad, J .; Rolseth, S .; Sørlie, M. (abril de 1996). "Efecto de la temperatura de horneado y la densidad de corriente del ánodo sobre el consumo de carbono del ánodo". Metalúrgica y de Materiales Transacciones B . 27 (2): 177–183. doi : 10.1007 / BF02915043 .
4. Farr-Wharton, R .; Welch, BJ; Hannah, RC; Dorin, R .; Gardner, HJ (febrero de 1980). "Oxidación química y electroquímica de ánodos de carbono heterogéneos". Electrochimica Acta . 25 (2): 217–221. doi : 10.1016 / 0013-4686 (80) 80046-6 .
5. F. Habashi, "Metalurgia extractiva del aluminio", en Manual de aluminio: Volumen 2: Producción de aleaciones y fabricación de materiales. vol. 2, GE Totten y DS MacKenzie, Eds., Primera edición: Marcel Dekker, 2003, págs. 1-45
6. PA Foster, "Diagrama de fase de una parte del sistema Na ₃ AlF ₆ -AlF ₃ -Al ₂ O ₃ ", Revista de la Sociedad Americana de Cerámica, vol. 58, págs. 288-291, 1975
7. Welch, BJ; Hyland, MM; James, BJ (febrero de 2001). "Necesidades futuras de materiales para la producción de aluminio de alta intensidad energética". JOM . 53 (2): 13-18. Código bibliográfico : 2001JOM .... 53b..13W . doi : 10.1007 / s11837-001-0114-8 .
8. Brisson, P.-Y .; Darmstadt, H .; Fafard, M .; Adnot, A .; Sirviente, G .; Soucy, G. (julio de 2006). "Estudio de espectroscopia de fotoelectrones de rayos X de reacciones de sodio en bloques de cátodos de carbono de células de reducción de óxido de aluminio". Carbono . 44 (8): 1438-1447. doi : 10.1016 / j.carbon.2005.11.030 .
9. WK Fischer, et al., "Parámetros de horneado y la calidad del ánodo resultante", en Reunión anual de TMS, Denver, CO, EE.UU., 1993, págs. 683–689
10. MM Gasik y ML Gasik, "Fundición de aluminio", en Manual de aluminio: Volumen 2: Producción de aleaciones y fabricación de materiales. vol. 2, GE Totten y DS MacKenzie, Eds., Ed .: Marcel Dekker, 2003, págs. 47–79
11. "Aluminio mundial - intensidad energética de fundición de aluminio primario" .
12. "Hoja de datos de aluminio" . Geociencia Australia. Archivado desde el original el 23 de septiembre de 2015 . Consultado el 2 de septiembre de 2015 . Se consume una gran cantidad de energía durante el proceso de fundición; Se necesitan de 14 a 16 MWh de energía eléctrica para producir una tonelada de aluminio a partir de unas dos toneladas de alúmina. Por tanto, la disponibilidad de electricidad barata es fundamental para la producción económica.
13. "Mejores prácticas de eficiencia energética en la industria australiana del aluminio" (PDF) . Departamento de Industria, Ciencia y Recursos - Gobierno de Australia. Julio de 2000. Archivado desde el original (PDF) el 24 de septiembre de 2015 . Consultado el 2 de septiembre de 2015 .
14. "Consejo de aluminio australiano - presentación a la investigación de la Comisión de productividad sobre eficiencia energética" (PDF) .