Obtención de aluminio metálico

El paso final es la producción de aluminio metálico por algún proceso electrolítico desde la reducción de alúmina con carbón, pero esta es sólo posible a altas temperaturas y la reacción inversa ocurre sobre el enfriamiento. ²

Por la química del aluminio, el medio electrolítico no puede ser agua; de hecho, casi toda la producción comercial del aluminio durante los últimos 90 años ha sido un medio de criolita fundida, Na₃AlF₆

Los pasos que siguen en la producción de aluminio metálico son:

• Se instala o se reemplaza el recubrimiento de la celda
• Se manufacturan los ánodos de carbono y se usan en la celda ³
• Se prepara el baño de criolita y se controla su composición
• Se disuelve la alúmina en el baño de criolita fundida
• La solución de aluminio en la criolita fundida es electrolizada para formar aluminio metálico, que sirve como cátodo.
• El electrodo de carbono es oxidado por el oxigeno liberado
• El aluminio fundido se extrae de las celdas, aleado (si se desea), fundido en lingotes y enfriado.

Las celdas electrolíticas son contenedores gigantes de acero en forma de caja. Dentro de cada uno hay un compartimiento catódico recubierto con una mezcla apisonada de brea y carbón de antracita o coque, cocida ahí mismo por el paso de la corriente eléctrica, o con bloques catódicos precocidos pegados unos con otros. Esta cavidad del compartimiento catódico puede tener entre 30 y 50 cm. De profundidad, y hasta 3 de ancho 9 de largo, dependiendo del tipo de celda y de la carga para la que fue diseñada. El espesor del recubrimiento de la cavidad varía entre 15 y 25 cm en los lados, y entre 26 y 46 en el fondo, El aislamiento térmico, que consiste en ladrillos refractarios, bloques de asbesto, u otros materiales semejantes, se coloca entre el recubrimiento de la cavidad y la celda de acero. En el área del fondo del recubrimiento de la cavidad se empotran unas barras grandes, de acero, que sirven como colectores de corriente catódica, y continúan hacia fuera a través de unas aberturas en la coraza para conectarse con la barra del cátodo. Los recubrimientos de las celdas duran entre 2 y 4 años. Cuando ocurre una falla, por lo general es el resultado de la penetración del metal hacia los colectores catódicos, a los que disuelve, o de la penetración de metal hacia fuera de la coraza de acero, donde se escapa alrededor de los colectores. Todo el recubrimiento, el aislamiento y el conjunto colector, se reemplazan entonces. El nuevo recubrimiento de la celda constituye una parte apreciable de los gastos de producción, e incluye no sólo el costo de mano de obra, los colectores, el recubrimiento y los materiales aislantes, sino también la pérdida de materiales del electrolito, absorbidos por el recubrimiento gastado.

En el proceso Hall-Heroult se utilizan dos tipos de celdas, las que tienen ánodos múltiples precocidos, y las de ánodos autococidos o ánodo Soderberg. ⁴. En ambos tipos, los ánodos están suspendidos en una superestructura que se extiende sobre la cavidad de la celda, y están conectados a una barra colectora ánodica móvil, de modo que se puede ajustar su posición vertical. Los bloques de ánodos precocidos se fabrican a partir de una mezcla de coque de petróleo de baja ceniza, calcinado, y al alquitrán o brea; se forman en prensas hidráulicas y se cuecen hasta 1100 ^oC.

Las celdas anódicas de Soderberg tienen un solo ánodo grande que ocupa la mayor parte de la cavidad de celda. El ánodo está encerrado en una caja de acero, abierta con lados verticales a través de los cuales se sumerge en el electrolito. Normalmente, la distancia ánodo- cátodo es de más o menos 5 cm. El electrolito fundido consiste principalmente en criolita (3NaF AlF₃) además de algún exceso de AlF₃ de 6 a 10 % en peso, de CaF₂ y de 2 6 % de Al₂O₃.

El control de la composición del electrolito es una operación importante en el proceso de producción del aluminio. Ya que el punto de fusión de la criolita pura es de 1009 ^oC, el electrolito contiene espatoflúor (caf2) y algo de AlF₃ en exceso y, junto con la alúmina disuelta, reduce la temperatura de fusión lo suficiente para permitir que las celdas se operen en el intervalo de 940 a 980 ^oC. El exceso de AlF₃ mejora también la eficiencia de la celda. La relación en peso de NaF/AlF₃ en la criolita es de 1.50; el exceso de AlF₃ en el electrolito se ajusta para tener una relación NaF/AlF₃ en el intervalo 1.10 a 1.40. en las primeras semanas después de que se ha puesto en operación una celda recién recubierta, el electrolito se absorbe rápidamente en el recubrimiento y en el aislante, con marcada absorción preferente de una porción con alto contenido de sodio, que tiende al reducir la relación NaF/AlF₃ por debajo de lo deseado.

Esto se compensa añadiendo un material alcalino como carbonato de sodio:

3Na₂CO₃ + 4AlF₃ → 2(3Na x AlF₃) + Al₂O₃ + 3CO₂

Después de las primeras semanas de operación de las celdas, el electrolito tiende a agotarse en AlF₃, por la reacción con la sosa cáustica residual en la alúmina y por la hidrólisis a partir del aire o de materiales añadidos:

3Na₂O + 4AlF₄ → 2(3NaF x AlF₃) + Al₂O₃

3H₂O + 2AlF₃ → Al₂O₃ + 6HF

Los fluoruros volatilizados y el ácido fluorhídrico gaseoso se colectan, junto con otros gases desprendidos de las celdas, por medio de campanas colectoras de gas, o bien se hacen pasar por múltiples a lo largo de los ductos, hacia las instalaciones centrales de tratamiento de y de recuperación. Los lavadores secos recuperan partículas y hacen reaccionar el HF con Al₂O₃, lo que se alimenta entonces a la celda ⁵. Las pérdidas en el electrolito requieren adiciones periódicas de AlF₃ para mantener la composición deseada. El pequeño porcentaje de cal que aparece normalmente como impurezas en la alúmina basta para mantener la concentración deseada de espatoflúor a través de la reacción:

3CaO + 2AlF₃ → 3CaF₂ + Al₂O₃

Durante la operación de la celda se forma una costra congelada en la superficie del baño fundido. Se le añade alúmina encima de la costra, en donde se precalienta y elimina su agua absorbida mecánicamente. La costra se rompe periódicamente y la alúmina se agita dentro del baño para mantener una concentración de 2 a6 %. El requerimiento teórico es 1,89 Kg. Por Kg. de aluminio; en la práctica el número real es aproximadamente 1.91. cuando se agota la alúmina en el baño, ocurre el llamado efecto de ánodo en el cual se forma una película delgada de tetrafluoruro de carbono sobre el ánodo, de modo que el baño ya no moja su superficie, causando una abrupta elevación en el voltaje de la celda, lo que se inicia por una lámpara de señales o una campana derivada a través de la celda y que no opera con el voltaje normal de la celda. Cuando esto sucede se agita la alúmina dentro de la celda, aunque el tiempo no coincida con la adición rutinaria periódica de la alúmina, en el proceso de electrólisis así como el voltaje de la celda, vuelven a la normalidad. Es todavía incierto el mecanismo real, mediante el cual se disuelve la alúmina en el baño fundido y se descompone electroquímicamente. Los resultados finales son la liberación de oxigeno en el ánodo y el depósito de aluminio en el cátodo. Él oxigeno se combina con el ánodo de carbono para formar CO y CO₂, predominando el CO₂.

Procesos alternos

Debido a la gran cantidad de energía eléctrica utilizada en la preparación del aluminio, se están buscando activamente sistemas menos intensos para su preparación, pero todavía ninguno de ellos se encuentra en uso a gran escala. Una atención cuidadosa a los detalles de manufactura a reducido la energía requerida por el proceso Hall-Heroult en un 20%, pero se desea una reducción mayor.

Se han sugerido y probado la reducción con carbono (carbotérmica), con sodio (sodiotérmica), con manganeso (metalotérmica), reacciones especiales con trifluoruro de aluminio o AlCl₃, y electrólisis de AlCl₃ (que evita la costosa refinación Bayer de la bauxita). La reducción con carbono es práctica por razones que ya se han mencionado. La reducción con manganeso no está lo suficientemente probada para permitir una evaluación técnica o económica. La reducción con sodio tiene un costo muy alto.

El método del cloro, implica las siguientes reacciones, parecía tan prometedor que se construyó una planta que incluso funcionó.

AlCl_3(g) + 2Al 3AlCl_(g) 700-800°C

En la reacción se volatilizaba AlCl que era arrastrado fuera de la zona de reacción; la reacción se invertía a temperaturas inferiores liberando aluminio. El proyecto resultó ser impráctico debido a difíciles problemas de corrosión. Un proceso que muestra una reducción de 30% de energía respecto a las mejores celdas Hall-Heroult, es operado, en escala modesta, por Alcoa. En el proceso se utiliza un sistema cerrado y las reacciones:

2Al₂O₃ + 3C + 6Cl₂ → 4AlCl₃ + 3CO₂

2AlCl₃ 2Al + 3Cl₂

Los depósitos de bauxita de alto grado se están agotando rápidamente, y casi todos están fuera de E.E.U.U.. Por lo tanto, se está prestando atención a otras fuentes posibles. Estas no faltan, pero el problema está en la extracción económica de la alúmina suficientemente pura.

 

2. Es difícil reducir la alúmina con carbón debido a que se forma Al₄C₃, y una reacción inversa entre el vapor de Aluminio y el CO₂, en el condensador, reforma de nuevo y rápidamente el óxido de Aluminio.

Sin embargo en la práctica real se emplea algo de energía para llevar a los reactantes a la temperatura adecuada, y pierde algo en el calor sensible de los productos; se forma un poco de CO en la reacción. Esto aumenta la DH positiva, por lo tanto este metal no puede obtenerse en forma económica, a menos que se disponga de energía eléctrica barata.

3. Existen 2 tipos de ánodos de carbono los precocidos y los autococidos, estos últimos también llamados de Soderberg.

4. Los bloques de carbono precocidos tienen dimensiones aproximadas de 80 x 100 x 50 cm de profundidad. Los ánodos soderberg son uno por celda y tienen grandes dimenciones.

En ambos casos el ánodo es consumido y por tanto debe ser disminuida regularmente (app. 2cm/10), para mantener un intervalo constante ánodo-cátodo. Los ánodos soderberg fueron comunes a finales de los 40 y 50, porque ellos eliminaban el paso de manufactura del ánodo, y por tanto haciendo el proceso global más barato para operar. Los ánodos precocidos fueron usados antiguamente y son de nuevo utilizados casi universalmente porque ellos dan una mayor energía; pero hay problemas medio ambientales, ya que el cocimiento "Insitu" causa vapores los cuales son muy difíciles de controlar.

5. La recuperación de las partículas y del ácido fluorhídrico debe ser muy eficaz, ya que aún cantidades pequeñas de fluoruros en el aire dañan seriamente la vegetación.