Bloque3.Metalurgiadelosmetalesnoférreos3.1MetalurgiadelAluminio
MetalurgiaySiderurgia
MaríaLuisaPaynoHerreraJesúsSe3énMarquínezDPTO.DECIENCIAEINGENIERÍADELTERRENOYDELOSMATERIALES
EstetemasepublicabajoLicencia:CreaLveCommonsBY‐NC‐SA3.0
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Propiedades• ElaluminioesunelementoquímicodúcLl,nosolubleenagua,yeselmetalmasabundantesobrelacortezaterrestre,yeltercerelementomasabundantedespuésdeloxígenoyelsilicio.
• DestacaporsucapacidadderesisLrlacorrosiónyporsubajadensidad.
• Eselmetalnoferrosomásusado.
• EsuncomponentevitalenlaaeronáuLcaycohetescomoresultadodesurelacióndepesoyfuerza.
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MENAS
• EnlaactualidadlaúnicaMENAdealuminioqueseempleaeslabauxita,consLtuidaporóxidosdealuminiohidratados
• SehanidenLficadotresóxidoshidratados:
BOHEMITA(elalfamonohidrato)Al2O3.H2O(85,1%Al) DIASPORO(elbetamonohidrato)Al2O3.H2O GIBBSITAOLATERITA(elalfatrihidrato)Al2O3.3H2O(65,4%Al)
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Mineralesasociadosconlabauxita
– Arcilla– Arena– Siderita– Limonita
– Pirita– Caolinita
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Categoríasdebauxitas
• Lasbauxitaspuedenser: lasbauxitasrojas:CuyocontenidoenhierroesbastanteelevadoyLenenpocasílice
lasbauxitasblancas:QueconLenenpocohierroymuchasílice
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Obtencióndelaalúmina
ProcesoBayer• ElobjeLvodelprocedimientoBAYERes,separarloshidróxidos
dealuminiodelabauxita,delosóxidosdehierroydelasílicequelaimpurifican.
• LareacciónfundamentalesladisolucióndeloshidróxidosporelNaOH
• Al(OH)3+NaOH NaAl(OH)4 aluminatosódicosoluble
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LareaccióndirectatranscurreadisLntatemperaturasegúnlamena
• GIBBSITA.................100‐140ºC• BOHEMITA.................240‐250ºC• DIASPORO................1.000‐1.100ºC
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Esquemabásicodelproceso:
ALÚMINA (Al2 O3)
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ETAPASDELPROCESO
• MANIPULACIÓNDELABAUXITA• DIGESTIÓN• DECANTACIÓNOSEPARACIÓNDESÓLIDOS• PRECIPITACIÓN• CALCINACIÓN
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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.
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PROCEDIMIENTOCOMBINADOALCOA
• SedenominacombinadoporqueenélsecombinaunaoperacióndesinterizadoconelprocesotradicionalBayer
• Poréstenuevométodopuederecuperarseunamayorproporcióndealúminaconunacpérdidamenordesosa,parLendodemineralesmáspobresqueenelBayerquesoperaconbauxitasricasyconunmayorcontenidoensílice(10‐18%)
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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
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Obtencióndelaluminio
PROCESOHALL‐HEROULT
• LaobtencióndelaluminiosehaceaparLrdelaalúmina(Al2O3)yporelectrólisisperonodeunadisolucióndealúminasinodeunamezclafundidadecriolita(5NaF.3AlF3)yalúmina.
• Lasrazonesporlasquenosehagadirectamenteporlaelectrólisisdeladisoluciónacuosadealúminasonelpotencialdedeposicióndelaluminiosegúnlareacciónfundidayquela
temperaturadefusióndelaalúminaesdemasde2.000°C
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Diagramabinariocriolita‐alúmina
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Cubaelectrolí3ca
Estácompuestapor:
• cubadeacero• refractario• cátododeantracita• ánododecarbóndecok• bañoelectrolíLco
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REACCIONESLasreaccionesqueseproducendurantelaelectrolisisson:ÁNODO• Al2O3+AlF63‐+8F‐ AlF63‐+AlF4‐+3/2O2+6e‐
elAlF63‐ apareceenlosdosmiembrosporqueseregenera
CÁTODO• 2AlF4‐+6e‐ 8F‐+2Al depositándoseelAlenelfondodelacuba
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ELECTRODOSENELPROCESOHALL‐HERAULT• UnelectrododebedereunirlassiguientescaracterísLcas:
exentodeimpurezas
elevadaconducLvidadeléctrica oxidarselentamente bajaconducLvidadtérmicatenazyresistente
Económico
• SepuedenuLlizardosLposdeánodos:
Precocidos,quesepreparanenuntalleraparte Söderberg,quesevancociendoenlamismacuba
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VentajasdelosSödergerg
• Nohayquereelaborarlosrestosqueseproducenenelcasodelosánodosprecocidos
• Nosenecesitauntallerdeelaboracióndeelectrodosmenordensidaddecorriente
• Menorespérdidastérmicasporradiación
• Disminuyeneltrabajomanual
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InconvenientesdelosSödergerg
• Costomaselevadodeinversión
• Mayordistanciaentreelectrodos
• Mayorgastodecarbón• Mayorproduccióndegasesymáscontaminaciónambiental
• Reacciónmenosuniforme
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CAUSASDELEFECTOANÓDICO
• LacausadelefectoanódicoesquealempobrecerseelbañoenAl2O3(<1,5%)seproduceladescomposiciónelectrolíLcadelfluorurodealuminio(F3Al)yelfluorformadoreaccionaconelcarbóndelelectrododandolugaraltetrafluorurodecarbonoF4Cqueesungasquerodeaalelectrodoyatravésdelcualsaltalachispa
F3Al F‐+Al+ 4F+C F4C(gas)
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DENSIDADDECORRIENTE
• Eslaintensidadquellegaaloselectrodosporunidaddesuperficie(A/m2)
• Haytresparámetrosdediseñorelacionadosentresi: intensidaddecorriente distanciaentreelectrodos magnituddelascubas
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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
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AFINODELALUMINIO
PROCESOHOOPES
• ElaluminioobtenidoporelprocesoelectrolíLcoHall‐Heroult,Leneunapurezadeun99,7%,teniendocomoimpurezasSiyFe.Paramuchasaplicacionesessuficienteconestegradodepureza,peroparaotrasmásespeciales,senecesitaunafinoquesehaceporelectrólisisentrescapas,yquesedenominaprocesoHoopes.
• ElprocesosedesarrollaenunacubaelectrolíLca.
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• Haytrescapasenlacuba:
LadeabajoestacompuestaporunaaleaciónanódicafundidadeAl‑Cu,yesdondetenemoselAlquequeremosafinar.
Ladelmedioestaformadaporelelectrolito,consLtuidoinicialmenteenelprocesoHoopesporfluorurodeAl(AlF3),fluorurobárico(BaF2),yfluorurosódico(NaF),yqueseestásusLtuyendoporbañosdefluorurocálcico(CaF2)óclorurodebario(BaCl2).
Lasuperiorencontactoconloscátodos,estáformadaporelAlafinado.
• PorsuposiciónenlatabladepotencialeselAlsevapasandodelánodoalcátodo,mientrasqueelrestodelasimpurezasquedanenladisoluciónanódica.
• Cuandosevanconcentrandolasimpurezaspuedenllegarasuperarellimitedesolubilidad,siendoentoncesnecesarioreponerlasoluciónanódicaconsumida.