, sin importar las muchas sílabas que use para decirlo, el aluminio es uno de los metales industriales más beneficiosos que tenemos. Ligero, fuerte, fácilmente aleado, altamente conductor, y fácil de máquina, moldear y extruir, el aluminio ha encontrado su camino en esencialmente todos los procesos industriales y productos comerciales imaginables.
La vida moderna sería imposible sin aluminio, y sin embargo, el metal plateado ha estado en uso generalizado solo durante los últimos 100 años. Hubo un tiempo que no había todo lo que hace mucho tiempo que la vajilla de aluminio era un símbolo de estado, y una vez fue literalmente vale mucho más que su peso en oro. La razón detrás de su rareza única se encuentra en el esfuerzo necesario para extraer el elemento abundante de las rocas que lo llevan, así como la energía para hacerlo. Las fuerzas que se alejaron de aluminio del uso humano hasta hace poco, se han superado recientemente, y la química y la ingeniería necesitadas para hacer lo que vale la pena analizar en nuestra próxima cuota de “minería y refinación”.
Pagar la suciedad
El aluminio es el único un montón de abundante elemento metálico en la corteza terrestre. Pero para algo que constituye un 8% en promedio del suelo debajo de sus pies, es muy difícil conseguir en su forma elemental. No hay corridas de entrada o venas de aluminio metálico a las mías; El aluminio casi siempre se encuentra en sus diversas formas de óxido, y debe liberarse químicamente para ser de cualquier uso como un metal industrial.
Mientras que las rocas de aluminio se distribuyen ampliamente, solo hay algunos depósitos económicamente significativos del mineral primario de aluminio: Bauxita. El contenido exacto de la bauxita varía, pero normalmente está compuesto de minerales de óxido de aluminio en asociación con hidróxidos de aluminio, arcillas, cuarzo y minerales con cojinete de hierro. Algunos de los depósitos más grandes y más ricos de la bauxita están ubicados en los trópicos, donde los períodos alternos de altas temperaturas y las precipitaciones abundantes son seguidas de largos períodos secos.
La intemperie química que estas condiciones favorecen es realmente el primer paso en el procesamiento de aluminio: rompe la bauxita, que ya es una roca muy suave, en trozos pequeños que se eliminan fácilmente. Una gran cantidad de bauxita se extrae con técnicas de minería de fundición abierta. El líder mundial actual en la producción de bauxita es Australia, que produce aproximadamente una cuarta parte de la producción mundial. China viene en segundo lugar, con la nación de África occidental de Guinea que viene en tercera. También hay grandes depósitos de bauxita en Brasil y el Caribe, generalmente en Jamaica.
Debido a que solo hay algunos lugares en el mundo donde se extrae la bauxita, el mineral con frecuencia se envía a largas distancias para procesar adicionalmente. Esto puede terminar siendo una proposición peligrosa cuando el mineral se envía a través del océano debido a la licuefacción y la separación dinámica. La bauxita típicamente consiste en una gran cantidad de arcilla, y cuando se expone a agua de lluvia, puede formar una suspensión similar a la y similar y que se comporta como un líquido. Cuando se carga en las retenciones de una nave portadora a granel, la bauxita demasiado húmeda puede solloh y, cuando se acoplan con la tendencia al agua en la suspensión para migrar hacia arriba, cambie el centro de gravedad del barco con resultados terribles.
Tan cerca pero tan lejos
El mineral de bauxita crudo debe tratarse químicamente para eliminar las impurezas y hacerlo listo para fundir el aluminio que contiene. El proceso de Bayer casi siempre se usa para lograr esto, y consiste en cocinar grandes lotes de bauxita triturada en un recipiente a presión con una opción de sosa cáustica, o hidróxido de sodio. A 150 ° a 200 ° C, los óxidos de aluminio y los hidróxidos, que generalmente son insolubles en agua, reaccionan con el sodio en el hidróxido de sodio para formar aluminato de sodio:
Esto solubiliza el aluminio en la bauxita, pero no las impurezas, que generalmente son óxidos de hierro. Los materiales insolubles, junto con el exceso de hidróxido de sodio, se filtran en un producto de desecho llamado “lodo rojo”. Las enormes cantidades de lodo rojo se producen en las plantas de procesamiento de bauxitas y se almacenan en lagunas, a menudo formadas por inundaciones que se reproducen los pozos de bauxita cuando el mineral se procesa cerca de donde se minó. Los óxidos en lodo rojo tienen valor económico, y se pueden recuperar para su uso en procesos industriales que incluyen la recuperación de las cantidades de rastreo de elementos de la Tierra rara que pueden estar presentes en los relaves. El lodo rojo también puede causar un desastre si no se maneja adecuadamente.
El paso final en el procesamiento de bauxita implica precipitar el aluminio en el filtrado y purificarlo. Esto se logra mediante la siembra de la opción que consiste en el aluminato de sodio con cristales altamente purificados de hidróxido de aluminio. Esto hace que los cristales de hidróxido de aluminio se formen y salgan de la solución supersaturada:
Los cristales de hidróxido de aluminio se recogen y se tratan en un horno rotatorio de alta temperatura. En un proceso llamado calcinación, el hidróxido de aluminio se descompone térmicamente en cristales blancos puros de óxido de aluminio:
Mejor fundición a través de la química
El siguiente paso del procesamiento es en realidad SDerrita el aluminio elemental de la alúmina. El proceso utilizado para lograr este es el proceso de Hall-Héroult, que lleva el nombre del químico estadounidense Charles Martin Hall y el científico francés e innovador Paul Héroult, quien desarrolló de forma independiente y casi simultáneamente el proceso en 1886. El proceso generalmente busca deshacer los procesos oxidativos de la naturaleza. que originalmente bloqueó el aluminio elemental en sus óxidos para formar bauxita. Lo hace de manera electrolítica, y como resultado, requiere acceso a cantidades masivas de energía eléctrica barata para ser económicamente viables; Esta es la razón por la cual las fundiciones de aluminio a menudo se encuentran cerca de las represas hidroeléctricas.
Para electrolizar el polvo de alúmina, primero tiene que ser licuado. Simplemente férrese, no es factible, teniendo en cuenta que tiene un punto de fusión escandalosamente alto (2,072 ° C). El crucial para el proceso Hall-Héroult fue el descubrimiento de la criolita, una sal de sodio, aluminio y flúor. La criolita reduce el punto de fusión de la alúmina a aproximadamente 900 ° C, lo que hace posible la electrólisis. La criolita se produce naturalmente, pero es muy rara, se encuentra en solo unos pocos lugares en la tierra. Casi todo el criolita utilizado para la fundición de aluminio ahora se produce sintéticamente.
A escala industrial, el proceso Hall-Héroult se lleva a cabo a niveles casi ridículos, con plantas de fundición tan grandes que se pueden ver desde el espacio. Cada celda de reacción de acero, llamada olla, está forrada con cerámica y tiene un cátodo de grafito en la parte inferior. La olla está cargada de polvo de alúmina y criolita, y se baja un ánodo compuesto masivo en la mezcla. El ánodo se realiza principalmente de coque fundido con un marco de cobre o acero para llevar a cabo la corriente necesaria, cientos de miles de amplificadores, para electrolizar la solución.
La reacción de la electrólisis hace que el aluminio metálico se forme en el ánodo de cada celda. El metal fundido es más denso que el electrolito, por lo que las gotitas se hunden hasta la parte inferior de la olla donde se acumulan en el cátodo. Las macetas se ejecutan continuamente, y se tarda entre uno a tres días para que se acumule suficiente aluminio fundido. El metal líquido se elimina con un sifón, los ánodos consumibles se cambian según sea necesario, y se agrega otra carga a la olla.
El aluminio que sale de la olla es de aproximadamente 99% de aluminio puro y normalmente se lanza en lingotes o barras para procesar adicionalmente. El aluminio a este nivel de pureza se usa principalmente para los contenedores de alimentos o como conductores eléctricos, como las líneas eléctricas aéreas. Si se desea un metal de pureza más alto, otro proceso electrolítico conocido como el proceso de Hoopes puede aportar la pureza hasta el nivel de “cuatro ninas” (99.99%). Todos los metales del 99% puro y superior se conocen como aluminio “1000 series”.
Sin embargo, el aluminio puro normalmente no es tan beneficioso, por lo que una gran cantidad de aluminio es aleado con otros metales para lograr otras características. Por ejemplo, la serie 2000 de aluminio se aleó principalmente con cobre para la fuerza y la resistencia, y se encuentra en la fabricación de aeronaves. Los metales de la serie 3000, como la aleación 3003 que se encuentran en los conductos y los utensilios de cocina, se alean con manganeso para la trabajabilidad. El silicio está aleado con aluminio para formar los metales de la serie 4000; Agregar resultados de magnesio en los metales de la serie 6000 como el popular 6061 y 6063 que se muestran en todo, desde extrusiones de aluminio hasta bloques de motor.