Proceso Bayer y Electrólisis: Obtención de Aluminio a partir de Bauxita
español con un tamaño de 13,83 KBMetalurgia del Aluminio
Lixiviación (Proceso Bayer)
La bauxita no puede lixiviarse en ácido sulfúrico puesto que parte de las impurezas de hierro que contiene son también solubles. Se realiza una lixiviación selectiva con hidróxido de sodio (sosa) que lleva la alúmina a la disolución como aluminato de sodio. Las reacciones que se producen son:
Al2O3·3H2O + Na2O·H2O → Al2O3·Na2O + 4H2O
Al2O3·H2O + Na2O·H2O → Al2O3·Na2O + 2H2O
Los monohidratos de alúmina son menos solubles, por lo que se necesitan condiciones de lixiviación más severas que con los trihidratos. Hay pequeñas variaciones en la operación de lixiviación.
- Monohidratos: Lixiviación intermitente, 2 a 8 h (en digestor), a 199 °C, 1447 kPa en solución de 400 g sosa/litro.
- Trihidratos: Proceso continuo durante 30-60 min a 143 °C, 413 kPa a una concentración de 170 g sosa/l.
En ambos casos, se aplica la lixiviación a presión moderada después de triturar y moler el mineral a menos de 70 mallas. El hidróxido de sodio (sosa) y agua caliente se agregan a los molinos de bolas donde está la mena. Al girar el molino, las bolas degradan el mineral, resultando en una molienda fina. Las bolas deben ser repuestas periódicamente debido al desgaste.
El producto molido se extrae en forma de pulpa de consistencia controlada y se bombea a los tanques digestores (de acero, en posición horizontal, agitados constantemente y calentados por chaquetas y serpentines de vapor).
A la salida del digestor, obtenemos una pulpa con el Al2O3 y residuo. Este residuo insoluble (conocido como lodo rojo) se separa de la solución preñada por medio de decantación y clasificación en decantadores y filtros de presión, respectivamente. Posteriormente, se enfría el licor preñado hasta que se sobresatura y se trata para precipitar los valores.
Decantadores
La pulpa va pasando de un tanque a otro, en cada uno de los cuales se produce una decantación. Los reboses se llaman "claros" y el resto será el residuo, llamado lodos rojos. Este residuo tiene exceso de sosa y se devuelve al primer decantador o a un departamento especial para ser filtrado. Con la decantación, obtenemos una solución limpia de sólidos de aluminato sódico. Posteriormente, la solución clarificada es filtrada en caliente en filtros prensa, los más eficientes para la separación sólido/líquido.
Filtración
- Disolución de Al2O3·Na2O (aluminato de sodio).
- Residuos sólidos (lodos rojos). Cuando los lodos rojos superan un 12% en sílice, requieren un segundo tratamiento; de lo contrario, van a desecho. Se debe quitar la sosa y quedarse únicamente con la alúmina.
Para ello, se lleva la disolución a los tanques de precipitación. La solución en caliente de aluminato sódico (Al2O3·Na2O) obtenida de los filtros prensa debe precipitarse. La operación tiene lugar en los tanques de precipitación. El licor diluido debe ser enfriado a temperatura ambiente.
Tanques de Precipitación
En los tanques de precipitación se realiza el enfriamiento a temperatura ambiente, la siembra de cristales de alúmina que hacen de núcleo de cristalización, y la dilución de sosa.
Al enfriar, obtenemos:
Al2O3·Na2O + 4H2O → Al2O3·3H2O + Na2O·H2O
Al2O3·Na2O + 2H2O → Al2O3·H2O + Na2O·H2O
El proceso de precipitación es lento, agitándose el líquido de los tanques durante 30 h. Al final, el trihidrato precipitado pasa a un hidroseparador.
Hidroseparador
En el hidroseparador se realiza la separación entre partículas finas y gruesas. Los cristales > 100 micras se destinan a metalurgia, y la suspensión de cristales va a un separador de licor cáustico y cristales (espesador). Los cristales en suspensión van a un espesador donde se separa el licor cáustico diluido de los cristales finos de trihidrato de aluminio. Estos cristales se devuelven a los tanques de precipitación como semilla, y el derrame de sosa vuelve al digestor o al molino de bolas precedente para reutilizarse en la lixiviación. Se agrega NaOH fresco de reposición para llevar la solución reciclada a su concentración apropiada y compensar la porción de hidróxido que pierde el lodo rojo.
Lodos Rojos
Los residuos del ataque son lodos rojos, que se llevan primero a un decantador y luego a un filtro. Estos lodos contienen silicato sódico y de aluminio, lo que supone pérdida de sosa y alúmina. Si la mena tiene menos de un 8% de SiO2, no es necesario tratar los lodos. Si tiene más, hay que tratar los residuos para recuperar la sosa y la alúmina. A los lodos pobres en Al y Na se les llama lodos café.
Tratamiento de los Lodos Rojos (Menas con contenido en SiO2 > 8%)
Los residuos se mezclan con carbonato cálcico (CaCO3), se muelen y se sinterizan (sometiendo el mineral a alta temperatura para aglomerar las partículas). Las reacciones que se producen son:
- Descomposición del carbonato: CaCO3 + Q → CaO + CO2
- Sustitución de la alúmina y la sosa por la cal:
mSiO2·nAl2O3 + rCaO → mSiO2·rCaO + nAl2O3
pSiO2·gNa2O + sCaO → pSiO2·sCaO + qNa2O
A continuación, se realiza la lixiviación en caliente, obteniendo lodos rojos + aluminato sódico en disolución, y se repite todo el proceso Bayer.
Precipitación
El óxido de aluminio disuelto de la bauxita por lixiviación a presión con solución de hidróxido de sodio entra en la solución como aluminato de sodio (2NaAlO2). Esta solución se lleva a tanques de precipitación donde se separa el aluminio en forma de cristales de trihidrato de aluminio [Al(OH)3]:
2NaAlO2 + 4H2O = 2NaOH + 2Al(OH)3
La precipitación se realiza enfriando a 25 °C, diluyendo y sembrando cristales finos de operaciones anteriores.
Primero se clarifica la solución preñada en dos pasos: sedimentación y decantación a contracorriente en espesadores (separando la mayoría de los sólidos en suspensión y obteniendo un líquido semicontaminado), y clarificación final en prensas de placa y bastidor (resultando en un licor diluido que se enfría para sobresaturarlo).
Después, se bombea a los tanques de precipitación (7,62 x 7,62 m), de acero dulce y con agitadores, para separar los cristales de trihidrato de aluminio. La precipitación se efectúa con cristales de trihidrato como semilla. Con la solución de aluminato de sodio hidrolizándose lentamente sobre la semilla, se forman y crecen cristales de trihidrato de aluminio (> 100 micras de diámetro), que se separan fácilmente por filtración.
Al2O3·Na2O + 4H2O → Al2O3·3H2O + Na2O·H2O
Al2O3·Na2O + 2H2O → Al2O3·H2O + Na2O·H2O
El proceso de precipitación es lento (30 h de agitación). El hidrato precipitado pasa a un hidroseparador para separar partículas finas y gruesas. El producto interior de tamaño grueso del hidroseparador se clasifica, filtra, y es el producto final [Al(OH)3]. Los cristales pequeños quedan en suspensión. El derrame del hidroseparador va a un espesador para separar el licor cáustico diluido de los cristales finos de trihidrato. Estos cristales se regresan a los tanques de precipitación como semilla, y el derrame se alimenta a evaporadores para concentrar la solución de hidróxido de sodio diluido y reutilizarla en la lixiviación. Se agrega NaOH fresco de reposición para compensar las pérdidas en el lodo rojo.
Calcinación
El trihidrato de aluminio (Al2O3·3H2O) es el material cristalizado grueso del hidroseparador. El agua de combinación se separa por calcinación a 1000 °C para formar Al2O3 (anhídrido con pureza del 99,5% en base seca), que se usa en la celda electrolítica para la reducción del aluminio. La calcinación se efectúa en hornos rotatorios, algunos con precipitadores electrostáticos para recolectar el polvo de escape.
Al2O3·3H2O + Calor = Al2O3 + 3H2O
Electrólisis
La extracción de la alúmina de la bauxita utiliza una condición no oxidante para separar selectivamente un óxido asociado con material de desecho difícil de separar por tratamiento pirometalúrgico. La alúmina es muy difícil de reducir y disolver.
Primero se realiza una calcinación:
Al2O3·3H2O + Q → Al2O3 + 3H2O
Al2O3·H2O + Q → Al2O3 + H2O
El Al2O3 (alúmina metalúrgica) resultante tiene una pureza del 99,5%.
La alúmina se reduce y disuelve a temperaturas muy altas (> 2000 °C) mediante electrólisis en un baño de criolita fundida (Na3AlF6) como electrolito.
La cuba de electrólisis (celda Hall-Héroult) es de acero inoxidable (6 x 3 x 1 m), revestido de carbono (pasta carbonosa por donde circula la corriente), y actúa como cátodo. Unas barras atraviesan la cuba y conducen la corriente. El ánodo (tipo Söderberg) es una carcasa de aluminio rectangular, más pequeña, llena de pasta carbonosa (carbono y material bituminoso) donde se introducen las barras. El fondo del ánodo es rígido. La pasta carbonosa se cuece, desprendiendo volátiles y consolidándose para evitar que caiga al baño. La criolita se añade fundida, y la alúmina se añade al baño por los laterales (6-10% de Al2O3).
Criolita + (6-10%) Al2O3 a 1000 °C
La alúmina se separa en iones:
Al2O3 → 2Al3+ + 3O2-
Cátodo: Al3+ + 3e- → Al0
Ánodo: O2- - 2e- → 1/2O2 (gas)
El oxígeno desprendido en el ánodo reacciona con el carbono:
C + O2 → CO2
2C + O2 → 2CO (50% aproximadamente de cada una)
Si el contenido de alúmina baja al 2% (efecto anódico), se produce menos O2 y Al, y el oxígeno reacciona con el carbono del ánodo formando principalmente CO, consumiendo más carbono y produciendo menos aluminio. La solución es añadir más alúmina.
Las barras de acero (10-15 cm de grosor, 4 m de longitud) se conectan a una fuente de corriente continua. A medida que se consume el ánodo, se baja para mantener 5 cm de distancia con la superficie del aluminio. La superficie solidificada sube, y se levantan las barras para evitar que se atasquen, introduciendo otra virola de aluminio (ánodo). El aluminio se extrae con un crisol de hierro fundido aislado (cuello de cisne y bomba de aspiración). Existen virolas con boquillas laterales.
También existen ánodos precocidos o prehorneados (bloques de pasta de carbón cocidos en horno), más pequeños (hasta 180 kg, 30 x 60 x 77,5 cm), soportados individualmente en dos hileras. Las varillas de acero se introducen en un agujero en la parte superior de cada bloque y se anclan con hierro fundido. Conducen la corriente y soportan los ánodos. Cada bloque se levanta o baja individualmente para colocarlo o cambiarlo. Ofrecen óptima eficiencia eléctrica, pero son más costosos. Permiten una mejor regulación y recogida de gases (el flúor es tóxico y corrosivo). El conjunto está en una campana de aspiración para depurar los gases.
Parámetros
- Distancia ánodo-superficie Al: 5 cm
- Tensión ánodo-cátodo: 5 V
- Densidad de corriente: 0,5-1,5 A/cm² de ánodo
- Densidad Al fundido: 2,3 g/cm³
- Densidad baño de criolita: 2,1 g/cm³
- Temperatura de operación: 950-1000 °C (mantenida por la corriente)
- Rendimiento de corriente: 90%
- Pureza: 99,95% Al
Cada línea tiene 30-40 celdas, que pueden funcionar continuamente durante 1 año.