PRODUCCION Y REFINACION DE

METALES.ALUMINIO Y TITANIO

POR:

YESID TAPIERO MARTINEZ.

Aluminio.

• El mineral del cual se extrae el aluminio, comúnmente llamado bauxita, es abundante y se encuentra principalmente en áreas tropicales y subtropicales: África, Antillas, América del Sur y Australia. Hay también algunas minas de bauxita en Europa. La bauxita se refina para obtener óxido de aluminio (alúmina) y luego a través de un proceso electrolítico ser reducida a aluminio metálico.

» Peso atómico 26.9

» Punto de fusión 660ºC

» Punto de ebullición

2.467ºC

» Estructura cristalina

red cúbica centrada en las

caras

» Radio atómico 1.43 Å

» Valencia 3

» Configuración electrónica

1s²2s² 2p^63s²3p^1

Diagrama de producción de Aluminio.

La Bauxita.

• Hay numerosos depósitos de bauxita, principalmente en las regiones tropicales y subtropicales, así como también en Europa. La bauxita es generalmente extraída por un sistema de minería a cielo abierto, aproximadamente a unos 4-6 metros de profundidad de la tierra.

La alúmina.

• La alúmina es un material de color blanco tiza de consistencia similar a la arena fina. La industria emplea el proceso Bayer para producir alúmina a partir de la bauxita. La alúmina es vital para la producción de aluminio–se requieren aproximadamente dos toneladas de alúmina para producir una tonelada de aluminio-.

• Además, la alúmina se utiliza de manera complementaria para:

1. Aislante térmico para la parte superior de las cubas electrolíticas.2. Revestimiento de protección para evitar la oxidación de los ánodos de carbón.3. Absorción de las emisiones provenientes de las cubas.

Producción de Alúmina.

El Proceso Bayer.

• El proceso para obtener alúmina pura de la bauxita ha cambiado muy poco desde finales del siglo XIX. El Proceso Bayer puede ser considerado en tres etapas:

• 1. Extracción:

• Las condiciones dentro del digestor (concentración, temperatura y presión) varían según las propiedades de la bauxita utilizada.

• Las plantas modernas operan entre unos 200 y 240° C y pueden implicar presiones de aproximadamente 30atm.2. Precipitación:

• Los cristales de hidrato son entonces clasificados en fracciones por tamaño e introducidos dentro de un horno de rotativo o un lecho fluidificado para su calcinación.

• 3 Calcinación:

LA ELECTROLISIS

• El proceso industrial de obtención de aluminio, denominado proceso Hall-Heroult, consiste en la electrólisis de alúmina (óxido de aluminio) disuelta en una mezcla de sales fundidas o baño electrolítico. Esta mezcla se mantiene permanentemente en estado líquido a una temperatura de 960°C.

• Reactor: celda o cuba de electrólisis.• Dimensiones generales: 4.5 m de ancho por 8.5 m de

largo por 1.5 m de altura, conformado por carbón y material refractario, soportados externamente por una rígida estructura de acero.

• Partes constituyentes:

ánodos de carbón (polo positivo); mezcla de sales fundidas; aluminio líquido y cátodos de carbón (polo negativo). En este sistema la corriente eléctrica continua circula desde el ánodo hacia el cátodo.

• La planta de Aluar cuenta a la fecha con un total de 712 cubas que le posibilitan a la empresa alcanzar una capacidad instalada de 410.000 toneladas anuales. Dicho número de cubas se distribuye en 8 naves o salas de electrólisis de aproximadamente 500 metros de longitud cada una. 

• Periódicamente, el aluminio obtenido en cada celda de electrólisis se extrae de la misma por succión, utilizando para el transporte recipientes térmicamente aislados de 6 toneladas de capacidad.

• Serie de Cubas: Las series de cubas más modernas, tienden a tener las cubas colocadas “lado a lado” y la mayoría de las tareas de mantenimiento se llevan a cabo usando puentes grúas multiuso, (algunas tareas deben realizarse regularmente), como por ejemplo el cambio de los ánodos, la remoción del producto terminado etc.

• Cuba: Un bloque de carbono el cuál se ha obtenido a partir de una mezcla de coque y brea. Este bloque actúa como ánodo (o electrodo positivo).2. El cátodo (o electrodo negativo) que comprende un cajón de acero rectangular asentado sobre hormigón, que contiene un crisol carbonoso sobre el cual descansa el aluminio líquido.

• El electrolitoEl electrolito usado es la criolita, que es el mejor solvente para la alúmina.

• El ánodoEl carbón o coque calcinado, utilizado para producir los ánodos que se consumen durante la electrólisis, es un subproducto de la refinación del petróleo.

• El cátodoEl cátodo consiste en un armazón de grafito incrustado en barras de acero para realizar la conexión eléctrica. Durante el proceso el aluminio líquido funciona como cátodo. Generalmente la vida útil de un cátodo es de 1.500 a 3.000 días.

• Densidad:

• Reacciones Electroquímicas.• Los cationes sodio son los encargados del transporte de

la corriente en la electrolisis de la alúmina y no experimentan reacción en el electrodo catódico.

• Reacción catódica.• Reacción Global:

• El exceso de iones F- desplazara el equilibrio hacia la izquierda pudiendo escribirse la reacción total como:

• Reacción Anódica.• Densidad de corrientes industriales es de 0,7 A.cm2 y es

del orden de 2%. Donde si x=3 entonces• Reacción global anódica.

• De la reacción de se utiliza la reacción catódica.

• La reacción anódica se produce con un sobre potencial importante. Mientras que el potencial de descomposición estándar para la reacción:

• Es 1,16V y 1010 ºC con el paso de corriente eléctrica, el potencial anódico medio con respecto a un electrodo de referencia de aluminio es de 1,4V a 1,8V.

• La reacción anódica sobre grafito:

Procesamiento.

• La mayoría de las aplicaciones del aluminio requieren que se lo combine con otros metales para formar aleaciones específicas para cada proceso de fabricación.

• Laminación: El aluminio se procesa en primera instancia en laminadores en caliente para luego ser transferido a laminadores en frío.

• Caliente: Previo al proceso de laminación, el aluminio tiene forma de un gran lingote o placa. Este lingote es calentado hasta unos 500ºC y pasado repetidas veces por este primer tipo de laminadores.

• Fríos: Hay una gran diversidad de laminadores en frío. Grande también es la gama de productos que se obtienen, que llegan hasta espesores de 0.05mm.

• Usos: en estructuras de aviones, vehículos militares y componentes estructurales de puentes y edificios. Aplicaciones eléctricas, y como componente en aislamientos térmicos.

• Aleaciones.

El rango de propiedades del aluminio es amplio y se potencia por la diversidad de aleaciones comercialmente disponibles.

• 1XXX Aluminio de pureza mínima de 99%• 2XXX Aleaciones de aluminio y cobre• 3XXX Aleaciones de aluminio y manganeso• 4XXX Aleaciones de aluminio y silicio• 5XXX Aleaciones de aluminio y magnesio• 6XXX Aleaciones de aluminio, magnesio y silicio• 7XXX Aleaciones de aluminio, zinc y magnesio• 8XXX Otras aleaciones

• Fundición:

Los productos fundidos y moldeados tienen una amplia variedad de aplicaciones:

•  Componentes livianos para vehículos, aeronaves, barcos y naves espaciales

• Componentes de máquinas productivas en las que el peso reducido y la resistencia a la corrosión son condiciones indispensables

• Bienes de alta tecnología para la oficina y el hogar.

• Extrusión:

Los productos extruidos de aluminio, conocidos como "perfiles", son confeccionados a partir de cilindros de aluminio llamados barrotes. Los barrotes se encuentran disponibles en variados tamaños, aleaciones, tratamientos térmicos y dimensiones, dependiendo de los requerimientos del usuario.

• AplicacionesLos productos extruidos son vastamente utilizados en el sector de la construcción , particularmente en ventanas y marcos de puertas, en casas prefabricadas y estructuras de edificios, en techos y cortinas. También son utilizados en automotores, trenes y aviones y en el sector de la náutica.

• Estos procesos pueden a su vez ser combinados con otros procesos industriales como el pintado, el anodizado, la soldadura, el forjado, entre otros. Además, una vez alcanzada su forma final, las propiedades del producto pueden ser modificadas mediante tratamientos térmicos.

La gran variedad de procesos industriales a los cuales es posible someter al aluminio explican la enorme cantidad de aplicaciones de este metal.

TITANIO

TITANIO.

• Se encuentra abundantemente en la naturaleza, ya que es uno de los componentes de casi todas las rocas de origen volcánico que contienen hierro. La extracción del titanio es un proceso complejo, lo que encarece extraordinariamente el producto final.

• Rutilio • Ilmenita.

• Características:•  Es un metal blanco plateado que resiste mejor la

oxidación y la corrosión que el acero inoxidable.

• Las propiedades mecánicas son análogas, e incluso superiores, a las del acero, pero tiene la ventaja de que las conserva hasta los 400 °C.

Método de Kroll

• Actualmente existen varios proyectos de refinado del titanio, como alternativa al método de Kroll, tradicionalmente utilizado desde 1937. El titanio no se encuentra libre en la Naturaleza. Los minerales que muestran una mayor concentración de este metal son el rutilo (TiO2) y la ilmenita (FeO·TiO2), además de la anatasa y la brookita (ambas son también TiO2).

• Pasos del proceso.• El proceso consta de los siguientes pasos:• Obtención de tetracloruro de titanio por cloración a

800°C, en presencia de carbono, mediante la reacción:

• Se purifica el tetracloruro de titanio mediante destilación fraccionada. Se reduce el TiCl4 con magnesio o sodio molido en una atmósfera inerte, con la reacción:

• El titanio forma una esponja en la pared del reactor, la cual se purifica por lixiviación con ácido clorhídrico diluido. El MgCl2 se recicla electrolíticamente.

• Se compacta la esponja resultante. Si se reduce el TiCl4 mediante sodio en lugar de magnesio, la esponja resultante es granular, lo que facilita el proceso de compactación. Se funde la esponja en un horno con un crisol de cobre refrigerado, mediante un arco eléctrico de electrodo consumible en una atmósfera inerte. Se realiza un primer procesado, en el cual los lingotes se convierten en productos generales de taller.

• Se realiza un segundo procesado, en el que se obtienen las formas acabadas de los productos realizados.

• Como una alternativa para paliar el alto precio que supone el refinado del titanio , ya se han realizado algunos estudios para acceder más fácilmente al uso del metal. En la Universidad de Cambridge, un grupo de investigadores liderados por Derek Fray estaban dedicados a purificar titanio metálico eliminando trazas de óxidos o rutilo, cuando observaron que este óxido se convertía de color blanco a gris metálico, generando una capa de titanio metálico. Ese fue el comienzo del nuevo proceso conocido como FFC de Cambridge. Este método ofrece innegables ventajas sobre el proceso Kroll que se utiliza tradicionalmente desde 1930 y que presenta serias limitaciones de operación que encarecen el costo de producción del titanio metálico.

• Bibliografía.• http://

cristianbachiller.blogspot.com/2009/06/metales-no-ferrosos.html.

• http://es.wikipedia.org/wiki/Método_de_Kroll• http://www.aluar.com.ar/es/index.asp.• Sancho J, Verdeja L, Ballester A. “Metalurgia extractiva.

Volumen II. Procesos de Obtención”. Editorial Síntesis S.A. Madrid España. Pp184-194.