EXTRACCION DEL ALUMINIO: La extracción de aluminio a partir de su mineral y el procesamiento posterior en productos

acabados se lleva a cabo en una serie de operaciones sucesivas, cada una en gran medida independiente de la otra. Generalmente los diversos procesos se llevan a cabo en los sitios de plantas diferentes. Un resumen de las etapas de producción de la mina de bauxita a través de fundición se muestra en la figura. 2,1.

Minería de bauxita

El aluminio comprende aproximadamente 8% de la corteza terrestre, por lo que es segundo sólo a silicio (27,7%). El hierro es tercero a aproximadamente 5%. Aluminio metálico no se encuentra en la naturaleza, se produce en forma de óxidos hidratados o silicatos (arcillas). El principal mineral del que se extrae el aluminio se llama bauxita después de la ciudad de Les Baux en el sur de Francia donde el mineral fue descubierto originalmente. La bauxita se produce principalmente en los trópicos y en algunos países mediterráneos. Hoy en día, los principales yacimientos mineros se encuentran en América Latina, Australia, India y África. La bauxita es una roca erosionada que contiene dos formas de óxido de aluminio hidratado, ya sea principalmente un monohidrato de AlO(OH) en la bauxita cáustica, o principalmente un trihidrato de Al(OH)3 en lateric bauxita. Además de estos compuestos, bauxita contienen óxido de hierro, que por lo general da un color marrón rojizo, así como silicatos (arcilla, cuarzo) y óxido de titanio. La estructura de cristal también contiene 12-20% en peso de agua. Los grados tropicales de monohidrato de bauxita ceden 35-55% Al2O3, sin duda, siguen siendo los minerales de aluminio más favorecidos por muchas décadas.

Las rocas lateritas similares a las de bauxita, pero con menor contenido de alúmina, están disponibles en grandes cantidades. Las arcillas se convirtieron en una fuente de alúmina en forma limitada en Alemania durante la Segunda Guerra Mundial. Además, muchos otros tipos de roca contienen cantidades considerables de alúmina, tal como caolín, nefelina, andalucita, leucita, labradorita, y alunita. La antigua Unión Soviética explota dichos minerales para mantener la autonomía parcial, pero estos minerales no juegan un papel significativo en la producción de aluminio de hoy. Capítulo 16 mostrará que los suministros mundiales de bauxita se garantizan en el futuro lejano.

La planta de alúmina

El material de partida para la fundición electrolítica de aluminio es aluminio puro, anhidro óxido (Al2O3) llamado alúmina. En el mundo occidental, el proceso Bayer1, inventado en el siglo 19, es con mucho el proceso más importante usado en la producción de aluminio óxido de bauxita. El proceso ha sido refinado y mejorado desde su creación.

La figura. 2,2 muestra que la producción de alúmina es un proceso químico complejo. la alúmina contenido de minerales de bauxita varía de un depósito a otro, y los métodos de tratamiento difieren en consecuencia (ver 16.1.2). Esto significa que cada planta de alúmina es casi hecho a medida para adaptarse a una bauxita particular. Los procesos son, sin embargo, básicamente similar, y un Descripción general está dada en la siguiente. La bauxita desde la mina se tritura y se suelo. Luego se mezcla con una solución de sosa cáustica y se bombea en autoclaves grandes. Allí, bajo presión y a una

temperatura de 110-270 ° C, la alúmina contenida en el mineral se disuelve para formar aluminato de sodio. La sílice en la bauxita y reacciona precipita de la solución como-sodio-silicato de aluminio. Hierro y óxido de titanio y otras impurezas no se ven afectados químicamente, y ser sólido, se asientan en la solución. Estos residuos material, conocido como lodo rojo, se separa de la solución de aluminato de sodio, se lavó para recuperar la sosa cáustica, y después se bombea a las zonas de disposición.

La eliminación de lodo rojo puede representar un problema ambiental, simplemente porque no es gran parte de ella. Desde unas pocas plantas de alúmina, lodo rojo se deposita en el fondo del mar bajo condiciones estrictamente controladas. Un método muy común para la disposición es contener la lodo en una zona rodeada por diques. Después de un intervalo de algunos años, estas áreas pueden cultivarse nuevamente para eliminar la "contaminación visual". Aunque una gran cantidad de esfuerzo tiene han puesto en el descubrimiento y desarrollo de los diversos usos de barro rojo, no es aplicable a granel de valor comercial se ha encontrado aún. Agregar el bicarbonato débil lavado del lodo rojo a la solución de aluminato de sodio diluye y enfría a aproximadamente 100 ° C. Con agitación y enfriamiento a 60 ° C, hidróxido de aluminio Al (OH) 3 (hidrargilita) precipita. Siembra el licor con cristales de un anterior ciclo ayuda a controlar la precipitación. Filtros de vacío separar el precipitado de hidróxido, que después se lava con agua pura. La calcinación en hornos rotatorios o en fluidizado camas a 1100 ° C a 1300 ° C finalmente convierte el hidróxido de un polvo seco blanco. Esta polvo de alúmina es pureza técnica, que contiene como impurezas en más 0.01-0.02% SiO2, 0,01-0,03% Fe2O3, y 0,3-0,6% NaO2.

El grado de la alúmina (tamaño de partícula, a-y g-Al2O3 contenido) puede ser influenciado por precipitación y calcinación condiciones, y es habitual diferenciar entre dos grandes grados, es decir, "harinoso" alúmina, que es altamente calcinado y contiene principalmente un-Al2O3, y "Arena" alúmina, que se calcinó en un grado menor con principalmente g-Al2O3 en la forma hidratada. La alúmina arenosa tiene una gran área de superficie activa, que lo hace adecuado para su uso en los sistemas de depurador en seco para el abatimiento de fluoruro en las plantas de reducción de aluminio. Hay una clara tendencia hacia la producción de mayores cantidades de alúmina de arena. En Rusia, debido a la falta de bauxita, un proceso que utiliza como alimento nefelina stock se ha utilizado para producir alúmina. Esencialmente, la técnica consiste en la sinterización de un mineral de nefelina, o concentrado, con piedra caliza. La sinterización torta resultante consiste en sodio y potasio aluminatos y silicato dicálcico. Este material es triturado, molido y lixiviado. Después lixiviación, el licor de aluminato se desilicated y se descompuso por carbonatación. Alúmina hidrato se separa del líquido y se calcina para obtener alúmina. Después de la evaporación y la cristalización, el bicarbonato de licor carbonato de potasa y rendimientos. Estos se centrifugan, se secó, y embalado para el envío. La piedra caliza se añade a la baba de sinterización lixiviación a producir cemento Portland en una etapa de calcinación segundo. Procesamiento unos 4-4.5 toneladas de nefelina mineral produce 1 tonelada de alúmina, 11.9 toneladas de cemento, 0.6-0.8 toneladas de sosa ceniza, y 0.2-0.3 toneladas de potasa.

Según el grado de la mena de bauxita, 2-3 toneladas de mineral de producir una tonelada de alúmina y alrededor de una tonelada de lodo rojo (peso seco). En el diseño de una planta de alúmina, los factores que no sea el tipo de mineral de bauxita para ser utilizado como material de alimentación y la forma de alúmina a ser producidos tienen que ser tomadas en consideración. Un alto contenido de sílice de la bauxita es indeseable porque insoluble sodio-aluminio-silicato se forman, causando pérdidas de sosa cáustica sosa y alúmina que aumenta los costos de insumos materiales. El consumo de energía es otro consideración. La operación económica del proceso Bayer requiere el racional el uso de energía para la generación de vapor y calcinación. Combustible económico es deseable porque el proceso requiere una gran cantidad de energía térmica. El producto final de la alúmina planta es un polvo blanco seco que es la materia prima para la fundición de aluminio.

Producción de aluminio primario

En todo el mundo, aluminio primario todavía se produce por electrólisis de alúmina en sal de fluoruro fundido. Esto es, en esencia, el proceso que Hall y Héroult inventado, y que lleva el nombre de ellos, pero su eficiencia se ha mejorado significativamente a lo largo de los años. La planta de la electrólisis de aluminio fundición necesita grandes cantidades de energía eléctrica. Por lo tanto, además de buenos servicios de transporte a granel, abundante baratas energía eléctrica es esencial. Debido a que la energía hidroeléctrica es relativamente barato y fuente limpia de energía, fundiciones de aluminio son en su mayoría construidas en países con fácil acceso energía hidroeléctrica, como Canadá, Noruega, Venezuela y Brasil, o en países con abundantes depósitos de carbón de bajo grado, como Australia o la República de Sudáfrica África (RSA). Por otra parte, las mismas regiones carecen de la industria local, a utilizar esta energía, y es impracticable para el transporte de energía eléctrica a través de distancias muy largas a los países industrializados regiones que lo puedan utilizar. Teniendo en cuenta su gran consumo de energía, el aluminio fundiciones son los principales clientes que garantizan una carga base estable y, por lo tanto, ayudan a reducir los costos de sus proveedores de energía "de la unidad. En la actualidad, las fuentes hidroeléctricas producen el de encendido durante aproximadamente dos tercios de la producción mundial de aluminio, aunque la colocación de una fundición junto a una planta de energía nuclear también puede ser económicamente atractivo, como en Dunkerque en Francia. La figura. 2.3 muestra una fundición de aluminio con sus potrooms largas y alúmina alto silos.

El proceso de electrólisis

En el proceso Hall-Héroult, el electrolito es de criolita fundida (Na3AlF6) en el que 2-8% de alúmina (Al2O3) se disuelve. Para bajar el punto de fusión, industriales criolita-alúmina mezclas también contienen diversas cantidades de otras sales, tales como fluoruro de aluminio (AlF3) y fluoruro de calcio (CaF2), a veces carbonato de litio (Li2CO3) está presente y, con menor frecuencia, fluoruro de magnesio (MgF2) se introduce. Estas adiciones también mejoran la actual la eficiencia

y reducir las pérdidas por evaporación. Por cada tonelada de aluminio producido, la proceso de fundición consume, además de energía eléctrica, a unos 1,95 toneladas de alúmina, 0,5 toneladas de coque de ánodo, y pequeñas cantidades de sales de fluoruro.

La célula de electrólisis, o "pot", se muestra esquemáticamente en la figura. 2,4, tiene la forma de un poco profunda cuenca rectangular. Se compone de una carcasa de acero con un revestimiento de ladrillo de arcilla refractaria para el aislamiento térmico, que es, a su vez, recubierta de ladrillos de carbono para mantener el electrolito de sal fundida. Acero barras de transportar la corriente eléctrica a través de los ladrillos aislantes en el suelo cátodo de carbono de la célula. Bloques de ánodos de carbono se suspenden en barras de acero, y la inmersión en el electrolito. Como la corriente eléctrica fluye a través del electrolito, se rompe la alúmina disuelta en sus elementos componentes como el aluminio metálico y gas oxígeno. el oxígeno reacciona con los ánodos de carbono, formando burbujas de gas CO y CO2. aluminio líquido deposita en el fondo de la celda, ya que es más denso (peso específico 2,3 a 960 ° C) que el electrolito (densidad 2,1). Periódicamente, este aluminio es desviado por vacío en crisoles. Para sustituir la alúmina consumida en la reacción, más alúmina debe estar añadido. Hoy en día, los dispositivos controlados por computadora llamado alimentadores puntuales automáticamente inyectar el polvo de alúmina a través de la corteza de la superficie superior de electrolito solidificado. Ollas pueden ser cada uno tienen dos o más alimentadores de punto, dependiendo de su tamaño.

En 4-4.5 voltios por celda, la tensión de funcionamiento es considerablemente mayor que la teórica descomposición tensión de óxido de aluminio. La diferencia se debe a las pérdidas de tensión diferentes, que son inevitables en condiciones industriales. El exceso de potencia resultante genera calor, que mantiene la temperatura del electrolito. Más calor proviene de la combustión lenta de los ánodos de carbono.

La celda es controlada principalmente por la regulación de la distancia ánodo / cátodo y directa la actual, que puede ser de hasta 300.000 A en las células modernas. En los modernos hornos de fundición, control de procesos ordenadores conectados a sensores remotos asegurar una operación óptima, siendo esta una de las principales razones de eficiencia actual de alta energía. Las células individuales se conectan en serie, con lo que la tensión de alimentación a más de 1000 V, que es el voltaje de funcionamiento óptima de fuentes de alimentación tiristores. Por lo tanto, un cubas moderna consiste típicamente de 264 células en serie, suministrados en 1150 barras de aluminio V. transportar la corriente de una célula a la siguiente.

Como se explicó anteriormente, el material del ánodo se consume en la clásica Hall-Héroult reacción. La mayoría utiliza las fundiciones precocido bloques de ánodos de carbono. Estos se fabrican por primera compactación manzanas de una pasta de coque de petróleo calcinado y brea de alquitrán. Previamente hecha por prensado, los bloques eran de densidad irregular, y tendía a fallar en servicio. Hoy en día, vibrando la pasta bajo carga, y a menudo bajo vacío, produce bloques de más uniforme densidad. Después de este proceso de compactación, los ánodos se precocido en un horno de calcinación

En lugar de ánodos precocido, algunos mayores fundiciones de uso Söderberg ánodos. Estos son continuamente formado in situ por la alimentación "verde" (en bruto) pega en la parte superior de una lámina de acero Shell sobre la celda. El calor del proceso cuece la pasta de ánodo a coque sólido. Hay dos variantes del procedimiento de Soderberg. Estos se conocen como sea vertical o horizontal o procedimientos, dependiendo de la posición de los pasadores de acero que entregar corriente eléctrica en el ánodo. Las desventajas de este proceso son: baja eficiencia de corriente de aproximadamente 86-90% (comparado con el 95% en fundiciones modernas de precocido) y las emisiones de gases más que con precocido ánodos. Estos gases crear problemas con la salud de los trabajadores. No más Söderberg

Las células se están construyendo, y los que existen están siendo progresivamente cerrado, convertido, o reemplazado. Lo que sigue sólo se ocupará de planta moderna, utilizando ánodos precocido. Los humos que salen de las células contienen principalmente CO2, CO, SO2 y si el coque contiene ánodo azufre, junto con cantidades más pequeñas de compuestos de flúor y el polvo. La mayor parte de la gaseosa flúor existe como fluoruro de hidrógeno HF, y el polvo es principalmente compuestos de flúor tal como criolita y fluoruro de aluminio, así como algunos de alúmina.

En condiciones desfavorables, las macetas pueden producir pequeñas cantidades de la fluorocarbono compuestos CF4 y C2F6, que son conocidos a participar en el "efecto invernadero" de la atmósfera superior. Sin embargo, esta emisión produce sólo durante la llamada "ánodo efecto ", que se produce cuando la concentración de alúmina cae por debajo de un umbral crítico.

Durante el efecto anódico, el voltaje de la pila sube desde los normales 4,5 voltios a más de 40 voltios. En macetas de electrólisis modernas, que están equipados con transporte neumático de alúmina y los sistemas de alimentación, la concentración de alúmina puede mantenerse a un nivel casi constante.

Con la ayuda del control moderno, la sala de cubas controlado por microprocesador, la frecuencia de los efectos de ánodo, y por tanto la emisión de fluorocarbonos, puede ser mucho reduced.3 Previamente, de aproximadamente uno por día y por célula, los efectos de ánodo ahora se puede reducir a una cada dos meses por la alimentación de alúmina automatizado.

Dado que las emisiones de compuestos de flúor, ya sea como gases o polvo, se puede dañar el medio ambiente, estos vapores son recogidos por capuchas sobre las células modernas. En un proceso llamado lavado seco, los fluoruros se unen a alúmina arenosa durante la mezcla intensiva. Esta fluoruro-cargado alúmina luego va a separadores de polvo y para filtros de polvo electrostáticos, y finalmente de nuevo el cubas como material de alimentación. El resto de fluoruro libre se expulsa a la atmósfera.

Aunque técnicamente difícil y requiere mucho capital, lavado seco se encuentra con el bajo nivel de emisiones límites exigidos para los modernos hornos de fundición. En la recuperación de pérdida de compuestos de flúor y reciclaje a la célula, lavado seco muestra que la protección del medio ambiente y la economía no son necesariamente opuestos, pero puede apuntar en la misma dirección (ver capítulo 16).

La industria del aluminio ha hecho considerables avances técnicos desde el Hall-Héroult proceso fue introducido y está trabajando en nuevas mejoras. Consumo específico de energía ha caído en los últimos 35 años de 21 a casi 13 kilovatios-hora por kilogramo de aluminio producido. Esto ha sido posible por control de computadora avanzado de todos los parámetros relevantes de la célula de electrólisis. El desarrollo de nuevas células de hoy implica ordenador modelar para optimizar química, eléctrica, magnetohidrodinámica, y térmica condiciones. La figura. 2,5 muestra una distribución de la temperatura calculada como un ejemplo de la asistido por ordenador de desarrollo de las células de electrólisis.

Anteriormente, la operación manual de las celdas necesarias rutas de acceso para los vehículos de ancho entre los crisoles, pero en la moderna fundición (Fig. 2.6) Grúas manipuladores realizar la mayoría de tareas. En A diferencia de la alineación longitudinal de las vigas de ánodo en series de cubas anteriores, los nuevos diseños tienen vigas de ánodo dispuesto transversal a la línea de células. Esta disposición tiene varias ventajas: mejor compensa los campos magnéticos en la célula, requiere menos planta espacio en la sala de cubas, y reduce la longitud de los conductores, lo que reduce la resistencia pérdidas. Modelado por ordenador ha demostrado que para reducir los campos magnéticos, eléctricos barras conexiones deben ser a través de la transversal "bandas" y no como anteriormente a través de los extremos de las vigas de ánodo.