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 tienden a ubicarse cerca de grandes centrales eléctricas, a menudo hidroeléctricas , para mantener bajos los costos y reducir la huella de carbono general . Las fundiciones suelen estar ubicadas cerca de los puertos, ya que muchas fundiciones utilizan alúmina importada.
El proceso de electrólisis Hall-Héroult es la principal ruta 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 que sirve de contenedor y soporte. Dentro de la carcasa, los bloques catódicos 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. Como ánodo se utiliza un solo electrodo de Soderberg o varios bloques de carbón precocidos, siendo la formulación principal y las reacciones fundamentales que ocurren en su superficie las mismas.
Una fundición de aluminio consta de un gran número de celdas (ollas) en las que se produce la electrólisis. Una fundición típica contiene entre 300 y 720 ollas, cada una de las 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, depositando el aluminio en el fondo de las ollas y extrayéndolo periódicamente. Particularmente en Australia, 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 electricidad durante más de 4 a 5 horas, ya que las ollas deben repararse con un coste considerable si el metal líquido se solidifica.
El aluminio se produce por reducción electrolítica de óxido de aluminio disuelto en criolita fundida .
Al mismo tiempo se oxida el electrodo de carbono, inicialmente a monóxido de carbono.
Aunque termodinámicamente se favorece la formación de monóxido de carbono (CO) a la temperatura de reacción, la presencia de una sobretensión considerable (diferencia entre los potenciales reversible 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 , la proporción de CO 2 aumenta y el consumo de carbono disminuye. [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 están situadas cerca de fuentes de electricidad económicas, como las hidroeléctricas .
Electrolito: El electrolito es un baño fundido de criolita (Na 3 AlF 6 ) 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/cm 3 ), lo que permite la separación natural del producto de la sal en el fondo de la celda. La relación de criolita (NaF/AlF 3 ) en la criolita pura es 3, con una temperatura de fusión de 1010 °C, y forma un eutéctico con 11% de alúmina a 960 °C. En las celdas industriales, la proporción de criolita se mantiene entre 2 y 3 para disminuir su temperatura de fusión a 940-980 °C. [5] [6]
Cátodo: Los cátodos de carbono están hechos esencialmente de antracita, grafito y coque de petróleo, que se calcinan a unos 1200 °C y se trituran y tamizan antes de usarse en la fabricación de cátodos. Los agregados se mezclan con brea de alquitrán de hulla, se les da forma y se hornean. La pureza del carbono no es tan estricta como la del ánodo, porque la contaminación del metal del cátodo no es significativa. El cátodo de carbono debe tener una resistencia adecuada, buena conductividad eléctrica y alta resistencia al desgaste y a la penetración de sodio. Los cátodos de antracita tienen mayor resistencia al desgaste [7] y una fluencia más lenta con menor amplitud [15] que los cátodos de grafito y coque de petróleo grafitizado. En cambio, los cátodos densos con más orden grafítico tienen mayor conductividad eléctrica, menor consumo de energía [14] y menor hinchamiento debido a la penetración de sodio. [8] La hinchazón produce un deterioro temprano y no uniforme de los bloques catódicos.
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 alquitrán de hulla, seguido de formación y horneado a temperaturas elevadas. La calidad del ánodo afecta a los aspectos tecnológicos, económicos y medioambientales de la producción de aluminio. La eficiencia energética está relacionada con la naturaleza de los materiales de los ánodos, 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 que el valor teórico debido a una baja eficiencia de corriente y un 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 grafitizados y de coque. Para la fabricación de los ánodos grafitados se calcinan y clasifican antracita y coque de petróleo. Luego se mezclan con brea de alquitrán de hulla y se prensan. A continuación, 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 áridos con brea de alquitrán de hulla para formar una pasta de consistencia pastosa. Este material suele ser vibrocompactado, 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 mediante 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 del CO2 . [9] La resistencia eléctrica específica de los ánodos tipo coque es mayor que la de los grafitados, pero tienen mayor resistencia a la compresión y menor porosidad. [10]
Los electrodos de 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 hornea mediante el calor que se escapa de la celda de electrólisis. Los materiales a base de carbono de 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 briquetan y se cargan en la cáscara. La temperatura aumenta desde abajo hasta la parte superior de la columna y el horneado in situ tiene lugar a medida que el ánodo desciende al baño. Durante el horneado se emite una cantidad importante 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 desechos de fluoruro : perfluorocarbonos y fluoruro de hidrógeno como gases, y fluoruros de sodio y aluminio y criolita no utilizada como partículas. Esto puede ser tan pequeño como 0,5 kg por tonelada de aluminio en las mejores plantas en 2007, hasta 4 kg por tonelada de aluminio en diseños más antiguos en 1974. A menos que se controlen cuidadosamente, los fluoruros de hidrógeno tienden a ser muy tóxicos para la vegetación alrededor de las plantas.
El proceso de Soderberg, que hornea la mezcla de antracita y brea a medida que se consume el ánodo, produce importantes emisiones 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 cuenta con un proceso para convertir revestimientos gastados 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 tanto, no se consumen durante el proceso de reducción. Como el ánodo no contiene carbono, no se produce dióxido de carbono. [11] A través de una revisión de la literatura, Haradlsson et al. descubrió que los ánodos inertes reducían 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 ánodo cerámico incluyen óxidos a base de 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 Al no esté contaminado. La estabilidad de estos ánodos también permite su uso con una variedad de electrolitos. Sin embargo, los ánodos cerámicos adolecen de una mala conductividad eléctrica y una baja resistencia mecánica. [13]
Alternativamente, los ánodos metálicos cuentan con 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] En estos sistemas se pueden incluir aditivos adicionales como Sn, Ag, V, Nb, Ir, Ru para formar óxidos no reactivos en la superficie del ánodo, pero esto aumenta significativamente el costo y la energía incorporada del ánodo.
Los ánodos Cermet son la combinación de un ánodo metálico y cerámico, 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 ánodos inertes desarrollada por Alcoa. [14] El ánodo inerte es un material cermet , una dispersión metálica de una 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. [dieciséis]
La fundición de aluminio consume mucha energía y, en algunos países, es económica sólo si existen fuentes de electricidad económicas. [17] [18] En algunos países, las fundiciones reciben exenciones a la política energética, como objetivos de energía renovable . [19] [20]
Para reducir el coste energético del proceso de fundición, se están investigando electrolitos alternativos como el Na3AlF6 que puedan funcionar a una temperatura más baja. [21] Sin embargo, cambiar el electrolito cambia la cinética del oxígeno liberado del mineral de Al 2 O 3 . 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 de energía de la reducción de aluminio hasta en un 30% al reducir el voltaje necesario para que se produzca la reducción. [13] La aplicación de estas dos tecnologías al mismo tiempo permite minimizar la distancia ánodo-cátodo, lo que disminuye las pérdidas por inquietud.
Durante 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 unas dos toneladas de alúmina. Por tanto, la disponibilidad de electricidad barata es esencial para la producción económica.
