La fundición de aluminio es el proceso de extracción del aluminio a partir de su óxido, la alúmina , generalmente mediante el proceso Hall-Héroult . La alúmina se extrae del mineral de bauxita mediante el proceso Bayer en una refinería de alúmina .
Se trata de un proceso electrolítico , por lo que una fundición de aluminio utiliza enormes cantidades de energía eléctrica; las fundiciones suelen estar situadas cerca de grandes centrales eléctricas, a menudo hidroeléctricas , para mantener bajos los costes y reducir la huella de carbono general . Las fundiciones suelen estar situadas cerca de los puertos, ya que muchas utilizan alúmina importada.
El proceso de electrólisis Hall-Héroult es la principal vía de producción de aluminio primario. Una celda electrolítica 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 carcasa, los bloques del cátodo se cementan entre sí 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 una serie de bloques de carbono precocido 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 un gran número de celdas (crisoles) en las que se lleva a cabo la electrólisis. Una fundición típica contiene entre 300 y 720 crisoles, cada uno de los cuales produce alrededor de una tonelada de aluminio al día, aunque las fundiciones más grandes propuestas tienen hasta cinco veces esa capacidad. La fundición se realiza como un proceso por lotes, con el aluminio depositado en el fondo de los crisoles y periódicamente sifonado. En Australia, en particular, 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, no se debe interrumpir la energía durante más de 4 o 5 horas, ya que los crisoles deben repararse a un costo significativo si el metal líquido se solidifica.
El aluminio se produce por reducción electrolítica del óxido de aluminio disuelto en criolita fundida .
Al mismo tiempo, el electrodo de carbono se oxida, inicialmente a monóxido de carbono.
Aunque la formación de monóxido de carbono (CO) se favorece termodinámicamente a la temperatura de reacción, la presencia de un sobrevoltaje considerable (diferencia entre los potenciales reversibles y de polarización) cambia el equilibrio termodinámico y se produce una mezcla de CO y CO 2 . [1] [2] Por lo tanto, las reacciones generales idealizadas pueden escribirse como
Al aumentar la densidad de corriente hasta 1 A/cm 2 , aumenta la proporción de CO 2 y disminuye el consumo de carbono. [3] [4]
Como se necesitan tres electrones para producir cada átomo de aluminio, el proceso consume una gran cantidad de electricidad. Por este motivo, las fundiciones de aluminio se ubican cerca de fuentes de electricidad baratas, como las centrales hidroeléctricas .
Electrolito: El electrolito es un baño fundido de criolita (Na3AlF6 ) 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 frente a 2,3 g/cm3 ) , lo que permite la separación natural del producto de la sal en el fondo de la celda. La relación de criolita (NaF/AlF3 ) en la criolita pura es de 3, con una temperatura de fusión de 1010 °C, y forma un eutéctico con un 11% de alúmina a 960 °C. En las celdas industriales, la relación de criolita se mantiene entre 2 y 3 para disminuir su temperatura de fusión a 940–980 °C. [5] [6]
Cátodo: Los cátodos de carbón 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 ser utilizados en la fabricación de cátodos. Los agregados se mezclan con brea de hulla, se forman y se hornean. La pureza del carbón no es tan estricta como para el ánodo, porque la contaminación metálica del cátodo no es significativa. El cátodo de carbón debe tener una resistencia adecuada, buena conductividad eléctrica y alta resistencia al desgaste y a 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 grafítico y grafitizado. En cambio, los cátodos densos con un orden más grafítico tienen una mayor conductividad eléctrica, un menor consumo de energía [14] y un 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 hulla, seguido de un conformado y horneado a temperaturas elevadas. La calidad del ánodo afecta los aspectos tecnológicos, económicos y ambientales de la producción de aluminio. La eficiencia energética está relacionada con la naturaleza de los materiales del ánodo, así como con la porosidad de los ánodos horneados. Alrededor del 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 del valor teórico debido a una baja eficiencia de corriente y al consumo no electrolítico. La calidad no homogénea del ánodo 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 carbón consumibles precocidos se dividen en tipos grafitados y de coque. Para la fabricación de los ánodos grafitizados, se calcinan y clasifican antracita y coque de petróleo. Luego se mezclan con brea de alquitrán de hulla y se prensan. Luego, el ánodo verde prensado se hornea 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 se compacta por vibración con mayor frecuencia, pero en algunas plantas se prensa. Luego, el ánodo verde se sinteriza a 1100–1200 °C durante 300–400 horas, sin grafitización , para aumentar su resistencia a través de 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 CO2 . [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 (cocción in situ), utilizados por primera vez en 1923 en Noruega, están compuestos por una carcasa de acero y una masa carbonosa que se cuece mediante el calor que se escapa de la celda de electrólisis. Los materiales a base de carbono 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 carcasa. La temperatura aumenta desde la parte inferior hasta la parte superior de la columna y se produce la cocción in situ a medida que el ánodo se baja al baño. Durante la cocción se emite una cantidad significativa de hidrocarburos, lo que constituye 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 Soderberg.
El proceso produce una cantidad de residuos de fluoruro : perfluorocarbonos y fluoruro de hidrógeno en forma de gases, y fluoruros de sodio y aluminio y criolita no utilizada en forma de partículas. Esta cantidad puede ser tan pequeña como 0,5 kg por tonelada de aluminio en las mejores plantas en 2007, hasta 4 kg por tonelada de aluminio en los diseños más antiguos en 1974. A menos que se controlen cuidadosamente, los fluoruros de hidrógeno tienden a ser muy tóxicos para la vegetación que rodea a las plantas.
El proceso Soderberg, que cuece la mezcla de antracita y 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 ollas 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 para fines de construcción y residuos inertes.
Los ánodos inertes son alternativas sin carbono a los ánodos tradicionales utilizados durante la reducción de aluminio. Estos ánodos no reaccionan químicamente con el electrolito y, por lo tanto, no se consumen durante el proceso de reducción. Debido a que el ánodo no contiene carbono, no se produce dióxido de carbono. [11] A través de una revisión de la literatura, Haradlsson et al. descubrieron que los ánodos inertes redujeron las emisiones de gases de efecto invernadero del proceso de fundición de aluminio en aproximadamente 2 toneladas de CO2eq/tonelada de Al. [12]
Los materiales de los ánodos cerámicos incluyen óxidos basados en Ni-Fe, Sn y Ni-Li. [13] Estos ánodos son prometedores, ya que son extremadamente estables durante el proceso de reducción a temperaturas de funcionamiento normales (~1000 °C), lo que garantiza que el aluminio no se contamine. La estabilidad de estos ánodos también permite que se utilicen con una variedad de electrolitos. Sin embargo, los ánodos cerámicos sufren de una mala conductividad eléctrica y una baja resistencia mecánica. [13]
Alternativamente, los ánodos metálicos presentan una alta resistencia mecánica y conductividad, pero tienden a corroerse fácilmente durante el proceso de reducción. Algunos sistemas de materiales que se utilizan en ánodos metálicos inertes incluyen sistemas Al-Cu, Ni-Cu y Fe-Ni-Cu. [13] Se pueden incluir aditivos adicionales como Sn, Ag, V, Nb, Ir, Ru en estos sistemas para formar óxidos no reactivos en la superficie del ánodo, pero esto aumenta significativamente el costo y la energía incorporada del ánodo.
Los ánodos de cermet son una combinación de un ánodo de metal y de cerámica, y su objetivo es aprovechar las propiedades deseables de ambos: la conductividad eléctrica y la tenacidad del metal y la estabilidad de la cerámica. [13] Estos ánodos a menudo consisten en una combinación de los materiales metálicos y cerámicos anteriores. En la industria, Alcoa y Rio Tinto han formado una empresa conjunta, Elysis, para comercializar la tecnología de ánodo inerte desarrollada por Alcoa. [14] El ánodo inerte es un material cermet , una dispersión metálica de aleación de cobre en una matriz cerámica de ferrita de níquel. [15] Desafortunadamente, a medida que aumenta el número de componentes del ánodo, la estructura del ánodo se vuelve más inestable. Como resultado, los ánodos de cermet también sufren problemas de corrosión durante la reducción. [16]
La fundición de aluminio consume mucha energía y en algunos países solo es económica si hay fuentes de electricidad baratas. [17] [18] En algunos países, las fundiciones reciben exenciones a la política energética, como los objetivos de energía renovable . [19] [20]
Para reducir el costo energético del proceso de fundición, se están investigando electrolitos alternativos como Na3AlF6 que pueden operar a una temperatura más baja. [21] Sin embargo, cambiar el electrolito cambia la cinética del oxígeno liberado del mineral de Al2O3 . Este cambio en la formación de burbujas puede alterar la velocidad a la que el ánodo reacciona con el oxígeno o el electrolito y cambiar efectivamente la eficiencia del proceso de reducción. [22]
Los ánodos inertes, utilizados en conjunto con celdas de electrodos verticales, también pueden reducir el costo energético de la reducción de aluminio hasta en un 30% al disminuir el voltaje necesario para que se produzca la reducción. [13] La aplicación de estas dos tecnologías al mismo tiempo permite minimizar la distancia entre el ánodo y el cátodo, lo que disminuye las pérdidas por resistencia.
el proceso de fundición se consume una gran cantidad de energía; se necesitan entre 14 y 16 MWh de energía eléctrica para producir una tonelada de aluminio a partir de aproximadamente dos toneladas de alúmina. Por lo tanto, la disponibilidad de electricidad barata es esencial para la producción económica.
