Metalurgia del aluminio
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LIXIVIACIÓN (Proceso Bayer)
El óxido de aluminio se encuentra como bauxita, que es la mena del aluminio (Al2(OH)3 hidróxido de aluminio), una forma impura de monohidratos o trihidratos de alúmina, que contiene de 45 a 65% de Al2O3, cuyas impurezas principales son: SiO2, Fe2O3, TiO2 (ganga). El SiO2 puede alcanzar un 12% y el Fe2O3 un 25%. El TiO2 va en proporciones hasta el 3% y el agua combinada varía del 14 al 36%. Lo que se pretende conseguir es quitar la ganga y quedarnos con los hidróxidos y luego conseguir quedarnos con el Al2O3.
La bauxita no puede lixiviarse en ácido sulfúrico porque una parte de las impurezas de hierro que contiene son también solubles, por ello se efectúa una lixiviación más selectiva con hidróxido de sodio que lleva la alúmina a la solución como aluminato de sodio:
Al2O3 + NaOH = 2NaAlO2 + H2O
Se usará como lixiviante sosa a alta temperatura. Los monohidratos de alúmina, Al2O3.H2O son menos solubles que los trihidratos Al2O3.3H2O, en las soluciones de hidróxido de sodio, por lo cual necesitarán unas condiciones de lixiviación más severas.
Al2O3.3H2O + 2NaOH à 2NaAlO2 + 4H2O
Al2O3.H2O + 2NaOH à 2NaAlO2 + 2H2O
En ambos casos se aplica la lixiviación a presión moderada después de triturar y moler el mineral a menos de 70 mallas (malla = nº de orificios de paso por unidad de superficie). El hidróxido de sodio y agua caliente se agregan a los molinos de bolas donde tiene lugar la molienda fina y el producto molido se extrae en forma de pulpa de consistencia controlada y se bombea a los tanques digestores. Esos tanques, de acero dulce, se instalan en posición horizontal y se agitan constantemente; además, se calientan por medio de chaquetas de vapor o inyectándoles vapor de agua a presión. Para que sea efectiva la lixiviación el tamaño de mallas debe ser de 1 mm.
Existen dos variaciones en la operación de la lixiviación:
Intermitente | 2-8 h | 199ºC | 400gNaOH/l | Monohidratos | Con tambor cerrado meto carga, la tengo un tiempo y sale |
Continuo | ½-1h | 143ºC | 170g NaOH/l | Trihidratos | Entra y sale por rebose, sólo se usa cuando sea fácil realizarlo |
En ambos procesos el residuo insoluble (lodo rojo) se separa de la solución preñada por medio de decantación y clarificación a contracorriente en espesadores y filtros de presión, después de lo cual se enfría el licor preñado hasta que se sobresaturay se le trata posteriormente para precipitar los valores.
El lodo rojo contiene Fe2O3, TiO2 y un silicato complejo de aluminio y sodio que presenta una pérdida en sosa como de alumina.
Los lodos rojos, cuando la mena de partida tiene menos de 8-12% de sílice, pasan directamente a pérdidas y si tiene más de 12% se les realiza un tratamiento.
Lo anterior se refiere únicamente a los minerales de bauxita que contengan menos de 8% de sílice para tratarlos por los procesos de lixiviación anteriores, siendo otros minerales con un límite superior de 15% de sílice los que se tratan por un proceso modificado.
En este proceso se sujeta la bauxita de alto contenido de sílice, 12 a 15%, a la lixiviación convencional con hidróxido de sodio, después de lo cual el lodo rojo, que se separa y que contiene el compuesto complejo de silicato de sodio y aluminio, se muele primero en un molino de bolas a menos de 200 mallas y luego se sinteriza en un horno giratorio con caliza y carbonato de sodio. El calcinado que sale del horno se enfría y se vuelve a moler en un molino de bolas con agua, y luego se hace pasar la pulpa producida por el molino a un filtro en vacío. La molienda con agua separa por lixiviación el aluminato de sodio soluble, el cual se vuelve a reciclar a los digestores después de su clarificación por filtración en vacío. Los sólidos que produce el filtrado a los que se conoce como lodos café, contienen la sílice en forma de silicato dicalcico, el cual tiene una composición similar al cemento portland y se desechan.
Se mezcla el residuo (lodos) con carbonato cálcico, se muele y se sinterizan.
Reacciones: Lodos Rojos + CaCO3 à molino à sinterizar
CaCO3 + Q à CaO + CO2
(CaO, esta cal sustituye en silicatos a la alúmina y sosa)
mSiO2.nAl2O3 + rCaO à mSiO2.rCaO + nAl2O3
pSiO2.qAl2O3 + sCaO à pSiO2.sCaO + qAl2O3Luego se lleva a decantación, filtración y precipitación.
Generalmente toda la lixiviación se hace en caliente por lo que se van a los filtros de caliente, siendo los más eficientes los filtros prensa. En los decantadores se clasifica a contracorriente.
Los lodos compactados que salen por debajo de los decantadores van a ir a unos filtros. La pulpa se mete por arriba y los claros rellenarán los canales de rebose y van al exterior.
Lo compactado por la parte de abajo va a pasar a los lodos y los claros por arriba a los filtros. Los lodos rojos cuando la mena de partida tiene 8-12% de sílice pasa directamente a pérdidas y si tiene más de 12% se hace como explicamos, con ese segundo tratamiento. Los rastrillos destruyen los grumos y las partículas con más densidad van al fondo. Primero se decantan arriba y luego abajo hay que compactarlos. Se pondrán varios decantadores en serie para ir disminuyendo la cantidad de residuos y así conseguiremos llegar a un último decantador en el que los claros pasan a filtros prensa para eliminar las últimas partículas sólidas.
Filtros prensa: Para eliminar en los líquidos las pocas partículas sólidas que tienen.
PRECIPITACIÓN
El óxido de aluminio disuelto de la bauxita por lixiviación a presión con solución de hidróxido de sodio, entra a la solución como aluminato de sodio 2NaAlO2. Esta solución se lleva a tanques de precipitación en los que se separa el aluminio de la solución preñada en forma de cristales de trihidrato de aluminio Al(OH)3:
2NaAlO2 + 4 H2O = 2NaOH + 2Al(OH)3
La precipitación se hace enfriando a 25ºC diluyendo y sembrando cristales finos de operaciones anteriores.
Primero se clarifica la solución preñada en una operación de dos pasos. El primero consiste en sedimentación y decantación a contracorriente en espesadores, en los que se separa la mayoría de los sólidos en suspensión y se obtiene como producto un líquido semicontaminado. A este líquido se le da una clarificación final en prensas de placa y bastidor, siendo el resultado un licor diluido, el cual se enfría para sobresaturarlo.
Después de esto se bombea a los tanques de precipitación (7,62x7,62 m), hechos de acero dulce y dotados de agitadores para separar los cristales de trihidrato de aluminio.
La precipitación se efectúa en presencia de cristales de trihidrato que actúan como semilla. Después, con la solución de aluminio de sodio hidrolizándose lentamente sobre la superficie de la semilla, se forman y crecen cristales más grandes de trihidrato de aluminio, hasta un tamaño mayor de 100 micras de diámetro y que pueden separarse fácilmente por filtración.
Al2O3.Na2O + 4H2O à Al2O3.3H2O + Na2O.H2O
El proceso de precipitación es lento, agitándose el líquido de los tanques durante 30h, al final de las cuales el hidrato precipitado pasa a un hidroseparador en el que se hace la separación entre partículas finas y gruesas. El producto interior de tamaño grueso que procede del hidroseparador se clasifica y filtra y es el producto final Al(OH)3 del proceso.
Los cristales pequeños quedan en suspensión porque el hidroseparado no puede separarlos.
El derrame del hidroseparador va a un espesador en el que se separa el licor caustico diluido de los cristales finos de trihidrato. Estos cristales, separados en el producto inferior del espesador, se regresan a los tanques de precipitación como semilla, mientras el derrame se alimenta a evaporadores que concentran la solución de hidróxido de sodio diluido para volver a usarla en el circuito de lixiviación. También se agrega algo de NaOH fresco de reposición para llevar esta solución reciclada a su concentración apropiada y compensar la porción del hidróxido que se pierde en el lodo rojo.
CALCINACIÓN
El trihidrato de aluminio Al2O3.3H2O es el material cristalizado grueso que se obtiene como producto interior del hidroseparador que sigue a la operación de precipitación en el circuito de precipitación.
El agua de combinación se separa por calcinación a una temperatura de 1000ºC para formar Al2O3, anhídrido de pureza 99,5% en base seca como se requiere para material de alimentación a la celda electrolítica para la reducción del aluminio. La calcinación se efectúa en hornos rotatorios, algunos de los cuales tienen precipitadores electrostáticos para recolectar el polvo de escape.
Al2O3.3H2O + Calor = Al2O3 + 3H2O
ELECTROLISIS
El óxido de aluminio (99,5% de Al2O3) se electroliza en un baño fundido de criolita (F6AlNa3) para dar como productos aluminio metálico de 99,5% de pureza en el cátodo y oxígeno gaseoso en el ánodo.
La celda para la reducción electrolítica conocida como celda Hall-Heroult, consiste en una caja de lámina de acero rectangular, con su parte superior abierta, de dimensiones 6,1 m de largo, 3m de ancho y 0,91 m de profundidad. Tienen un recubrimiento de carbón (cátodo) de 15 a 25 cm de espesor, respaldado por una capa de aislamiento refractario que cubre el fondo y los lados del casco de la lámina de acero. También hay barras de acero insertadas en la sección del fondo para transmitir la corriente a las barras principales de transmisión.
El recubrimiento de carbón puede formarse con bloques de carbón unidos por carbón aglomerado, con brea, o bien puede formarse un recubrimiento monolítico apisonando una pasta plástica en caliente de coque, alquitrán y brea mezclados y el casco de acero.
Cualquiera de estas dos formas deben durar 3 o 4 años antes de necesitar un cambio.
Las barras de corriente pueden ser metidas en la pasta carbonosa verticalmente, horizontalmente o semihorizontalmente.
La pasta carbonosa sufre el calentamiento del baño por la parte de abajo formándose una zona consolidada de carbono.
Al2O3 à 2Al3+ +3O2- Cátodo Al3+-3e- à Al0
Ánodo O2—2e-à1/2O2 (Gas)
Los ánodos precocidos o prehorneados (PB) están formados por bloques hechos de una pasta de carbón y cocidos en un horno antes de ser usados en la celda. Los bloques pueden pesar hasta 182 kg y se soportan individualmente en dos hileras iguales a toda su longitud. Las varillas de acero se introducen en un agujero que lleva en la parte superior cada bloque horneado terminado y se anclan en su lugar vaciando hierro fundido alrededor de la varilla. Estas varillas conducen corriente al ánodo a través de conexiones eléctricas atornilladas y también constituyen el método de soporte y posicionamiento de los ánodos en el baño. Cada bloque se levanta o baja en forma individual para su correcto acomodo y se cambia después que se ha consumido gradualmente a un régimen alrededor de 2,5 cm/día reaccionando con el oxígeno que desprende en el ánodo y formando con éste CO.
Los ánodos precocidos dan la óptima eficiencia eléctrica pero son más costosos que los tipos continuos Söderberg porque requieren instalaciones especiales para su fabricación que no necesitan en el otro.
El ánodo Söderberg consta de un gran bloque de carbón alojado dentro de una carcaza rectangular de lámina de aluminio con canales de acero perforados. A esta carcaza se cargan briquetas de coque de petróleo y brea mezclados, o de pasta de carbón y se transmite suficiente calor de la celda para fundir las briquetas, destilar los volátiles que haya y cocer finalmente la mezcla a una masa monolítica de carbón duro para cuando ha descendido.
Se consume del orden de 230 g de ánodo de carbón como CO por 454 g de aluminio metálico producido, y el ánodo se va consumiendo durante la electrolisis; el ánodo Söderberg se va bajando en el baño al régimen necesario para compensar dicho consumo. Se logra una fuente continua de ánodo sujetando una carcaza adicional de aluminio a la parte superior del casco del ánodo y cargándola con más briquetas para que se vayan fundiendo y cociendo a su turno. Una desventaja de cocer la pasta en su sitio es que se agregan materiales orgánicos (alquitranes) pesados a la salida.
La corriente se suministra a los electrodos Söderberg por espigas de acero que se introducen en la pasta del ánodo. Se introducen tres o cuatro hileras de espigas horizontalmente hacia abajo a cada lado del ánodo Söderberg de varillas horizontales y de dos a cuatro hileras de espigas verticalmente hacia abajo en el ánodo de varillas verticales. Estas varillas se conectan a las barreras principales de conducción en sus extremos libres y además de servir para conducir corriente, sirven como soportes al ánodo.