LA INDUSTRIA DEL ALUMINIO Y SUS REFRACTARIOS

EMILIO MENENDEZ INITEC

RESUMEN

^® describe el proceso global de obtención de aluminio, tanto en la etapa inicial de obtención de la alúmina a partir de bauxitas, por el método Bayer, como su calcinación posterior y el proceso final de electrólisis. Se pone de manifiesto la importancia de los condicionamientos que el elevado consumo energético del proceso, inducen al requerir materiales refractarios aislantes de muy buenas características, al no ser tan críticas las temperaturas de trabajo.

SUMMARY

A description is made of the complete process for the obtention of Aluminium; from the initial stage of obtaining Alumina from Bauxites by the Bayer method, followed by a later calcination and the final electrolysis process. Clarification is made of the importance of the requirements imposed by the large energy consumption of the process using insulating refractory materials with very good characteristics, since working temperatures are not critical.

RESUME

On décrit le procès global d'obtention de l'aluminium, pendant l'étape initiale d'obtenir l'alumine à partir de bauxites, par la méthode Bayer, et aussi sa calcination postérieure et le procès final d'électrolyse. On met en évidence l'importance des conditionements que le hayt débit d'énergie du procès induit à réclamer des matériaux réfractaires isolants d'excellentes caractéristiques, puisque les températures de travail ne sont pas aussi critiques.

ZUSAMMENFASSUNG:

Beschreibung dès Gesamtverfahrens der Aluminiumdarstellung unter Einbeziehung der Asugansphase der Tonerdegewinnung, aus Bauxit nach dem Bayer-Verfahren, der anschliessenden Calcinierung (Entwässerung) und der abschliessenden Schmelzflussenlektrolyse. Es werden die besonderen Anforderungen des Verfahrens hervorgehoben, besonders seine énergie aufwendigen Aspekte, die feuerfeste Isolierstoffe von höchster Qualität erheischen, sowie die Vorteile niedrigerer (unkritischer) Prozesstemperaturen.

EL ALUMINIO El aluminio es el metal que más fuerte desarrollo ha tenido en las últimas décadas, se comenzó a utilizar a escala industrial al principio de este siglo y en el momento actual ha pasado a ser, por su volumen de producción, el segundo metal después del hierro. Su producción ha crecido a ritmo de doblarse cada diez años, alcanzándose a nivel mundial la cantidad de 13 millones t/a. Es un metal con unas propiedades muy interesantes: baja densidad, buenas características mecánicas, muy buena conductividad eléctrica y facilidad de trabajo tanto por extrusión o laminación como por moldeo. Estas características previsiblement.e harán que la producción del metal siga incrementándose, aunque quizás a un ritmo notablemente inferior al seguido hasta ahora y ésto debido a la fuerte incidencia que representa el consumo de energía en su fabricación y desde luego a la actual erisis económica que no parece vaya a tener un final próximo. El aluminio es un elemento muy abundante en la corteza terrestre, se encuentra en las bauxitas, arcillas, alunitas y BOL.SOC.ESP.CERAM.VIDR.VOL.19-NUM.6

Otros minerales. Se obtiene industrialmente, casi exclusivamente a partir de las bauxitas, de las que existen reservas explotables suficientes para bastantes años. Pero además técnicamente está resuelta su recuperación a partir de minerales tan extraordinariamente abundantes como las arcillas. De echo la U.R.S.S. obtiene una parte muy importante de su aluminio a partir de arcillas y nefelinos. Por ello no parece que se vayan a presentar a nivel mundial problemas de abastecimiento de materias primas que repercutieran en un estancamiento de la producción de este metal. La producción mundial de aluminio se sitúa en unos 13 millones de t/a. España produce unas 210.000 t/a de metal de primera fusión y cerca de 50.000 t/a de aluminio recuperado a partir de chatarras. En este año 1979 se ha iniciado la puesta en marcha de la nueva fábrica de San Ciprián prevista para una producción de 170.000 t/a ampliables en un futuro a 250.000 t/a.

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EL PROCESO DE OBTENCIÓN A escala industrial el proceso de obtención de aluminio de primera fusión es prácticamente único, consta de dos fases: obtención de la alúmina AI2O3 a partir de la materia prima bauxitas mediante el proceso hidrometalúrgico Bayer, fabricación del aluminio metal por descomposición electrolítica de la alúmina. Las dos fases de la obtención del aluminio se pueden encontrar en fábricas diferentes o en complejos integrados. En San Ciprián se tienen integradas las dos fábricas, alúmina y aluminio, mientras que en las cuatro plantas ya existentes, se obtenía el aluminio a partir de alúmina de importación. En la figura n^ 1 se esquematiza el proceso de obtención de alúmina.

BAUXITA

MOLIENDA HÚMEDA

DECANTACIÓN

DIQUE

Y LAVADO

LODOS ROJOS

1

1 CENTRAL DE VAPOR

1 PRECIP

rante la operación y es preciso reponerlos continuamente. Una fábrica de aluminio consta de las tres secciones siguientes: Fabricación de ánodos, series electrolíticas y Fundición, en este última se afina el aluminio obtenido en las cubas electrolíticas. Los ánodos pueden ser de dos tipos, continuos, formados por una pasta de carbono que se autocuece sobre las propias cubas electrolíticas a la vez que se van consumiendo, o bien ánodos precocidos que son bloques de carbono ya endurecidos y cocidos. Según se utilice uno u otro tipo será diferente y más o menos complejo el taller de fabricación de ánodos. En cualquier caso para la preparación de los ánodos se parte de cok de petróleo y de brea como materias primas. El primero es el óxido y el segundo el aglomerante en la mezcla. El cok se tritura y clasifica en varias fracciones granulométricas, se mezcla con brea líquida en mezcladoras de tomillo calentadas mediante vapor o un fluido térmico. Se obtiene así la pasta de los electrodos, que en caso de que éstos sean continuos se envía a las cubas electrolíticas.

1r

FILTRACIÓN

COK OE PtTROLEO

ff

REFRIGERACIÓN

(

'

BREA LIOU'OA FILTRACIÓN HIDFÎATO

ÁNODOS RECUPEOAOOS

SISTEMA

Agua

TRlTUR

CALENTAM'EMO Y MEZCLA

CALCINACIÓN

CONfORMAOO ÁNODOS

^^ A TRATAMIENTO AGUA

Fig. L

Diagrama esquemático de una planta de alumina.

La bauxita se muele en vía húmeda y se somete al ataque químico con sosa que pone en solución el aluminio en forma de aluminato sódico, mientras que la sílice y otras impurezas óxidos de hierro, titanio, etc. se disuelven en pequeña proporción. Este ataque se realiza a presión 15 a 50 Kg/cm^ y temperatura 150 a 300^C para lo cual se inyecta vapor en los reactores de digestión, para ello las plantas de alúmina cuentan con una central térmica generadora de vapor. La solución de aluminato sódico se decanta, clarifica y filtra separando las impurezas que se van en los "lodos rojos" que contienen fundamentalmente sílice, óxidos de hierro y sosa. De la solución clarificada de aluminato sódico se precipita el hidróxido de aluminio mediante siembra de partículas muy finas del mismo hidróxido. Se separa por decantación y filtración, devolviendo la solución que todavía contiene algo de aluminato a las etapas primeras del proceso. El hidróxido se somete a una calcinación a una temperaturas de unos I.IOO^C en la que se elimina el agua de constitución, obteniéndose la alúmina anhídrida. Esta operación tiene gran importancia pues de ella dependen las características físicas de la alúmina que van a influir de forma decisiva en su comportamiento en el proceso de obtención de aluminio, en especial el paso a la forma estructural de alúmina no higroscópica. Para la calcinación se emplean hornos rotativos o de lecho fluidizado, los primeros eran los más utilizados hasta ahora, los de lecho fluidizado son de desarrollo mucho más reciente, presentan entre otras la ventaja de reducir notablemente el consumo de energía en la operación. En la fábrica de San Ciprián se están instalando tres unidades de este segundo tipo. En la figura n^ 2 se esquematiza el proceso de fabricación del aluminio. En esencia consiste en la descomposición electrolítica de la alúmina en baño fundido en cubas con electrodos de carbono, de éstos los ánodos se consumen du-

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CAPTACIÓN f LAVADO DEGASES

COCCION-ANOOOS

HORNOS DE rUN0«CON HIERRO

HCPNCS ALUMINiZACtCN

SELLADO DE ANODOS

CÁTODOS

RECHAZOS A PECUPgRACiQN

CRIOLITA Y OTROS PRODUCTOS riUORAOOS ftCCUPCRAClON

ÁNODOS

CAPTACIÓN Y LAVADO GASES

ELECTRÓLISIS

2J

TRATAMitNTO GASES RICOS

TRATAMIENTO OE ESCORIAS

FUSION

^ COMBUSTIBLE

TRATAMIENTO AGUAS

^SEMl-f^ ALEACIÓN MADRE AGUAS RCCIRCULACON YOftENAJCS

AlUHINtOEN LINGOTES

ALUMINIO EN PLACAS

HORNOS DE HOMOGENíZAClON

ALUMINIO D4 TOCHOS»

Fig. 2.

Diagrama de flujo esquemático de una fabrica de aluminio

Para obtener los ánodos precocidos, la pasta anterior se compacta en grandes bloques, del orden de 500 Kg de peso, en prensas vibrantes o hidráulicas. Los ánodos crudos se cuecen en un homo de cámaras a una temperatura de unos I.ISO^C, confiriéndoles unas características mecánicas adecuadas para su manejo, así como unas propiedades térmicas y eléctricas en consonancia con el uso a que están destinados. Los ánodos cocidos se preparan para su utilización en las cubas electrolíticas, para ello se les colocan unas patas metálicas que sirven de conexión eléctrica, la unión de éstas con el ánodo se realiza mediante un tapón de fundición de

hierro, para lo cual se cuenta en la fábrica con hornos para preparar esta fundición. Frecuentemente estos hornos son de inducción y crisol. La descomposición electrolítica de la alúmina se realiza en un baño fundido que contiene además de la alúmina, fluoruro calcico, fluoruro de aluminio y criolita o fluoruro de aluminio y sodio. La temperatura de este baño se mantiene a 950^0. En esta electrólisis se deposita el aluminio fundido en el cátodo y en el ánodo se desprende oxígeno que reacciona con este electrodo quemándolo a monóxido y dióxido de carbono. También se desprende algo de fluor que se capta y fija por ser un elemento altamente contaminante. La electrólisis se efectúa en cubas conectadas eléctricamente en serie entre si. Cada cuba está sometida a una tensión de 4,1 a 4,5 V y por ella circula una intensidad de 100.000 a 150.000 A. Periódicamente se extrae el aluminio fundido mediante sifonado de las cubas. Esta operación se suele hacer una vez al día y viene a extraerse del orden de 1 t por cuba dependiendo del tamaño de las mismas. Ya se indicó anteriormente que existen dos tipos de ánodos continuos y precocidos. La utilización de uno y otro incide directamente en el diseño de las cubas y en las condiciones de operación. Con ánodos precocidos se consigue entre otras ventajas un menor consumo de energía en la electrólisis por disminución de la caída de tensión anódica. En todas las fábricas modernas se están instalando este sistema de ánodos en vez del clásico de ánodos continuos Sóderlerg. Los gases de las cubas se captan y se limpian por sistemas húmedos o secos. Últimamente se ha mostrado muy efectivo el hacer incidir la corriente de gases con una de alúmina en polvo que absorbe el fluor y pasar a continuación por un filtro de mangas donde se recoge la alúmina con el fluor. El aluminio de las cubas electrolíticas se pasa al taller de fundición donde se afina y cuela en semiproductos comerciales. Para ello se cuenta con hornos donde se mantiene el metal fundido para que las impurezas sólidas suban a la superficie formando una escoria. Se inyectan también gases como cloro o nitrógeno para facilitar el desprendimiento del hidrógeno contenido en el aluminio y a su vez ayudar en el arrastre de impurezas. Finalmente se adicionan los elementos de aleación, silicio, manganeso, magnesio, etc., que confieren al aluminio las características comerciales. En estos hornos la temperatura de trabajo es de 700 a 850^C. Son de varios tipos, eléctricos de inducción o resistencias, o de reverbero de combustible. El metal se cuela en tochos o placas en máquinas semicontínuas y en lingotes en cadenas continuas.

REFRACTARIOS €ARACTERISTICAS GENERALES La metalurgia del aluminio se caracteriza por un elevado consumo de energía, por que sus operaciones tienen lugar a temperaturas "moderadas" en especial si se compara con las correspondientes a la siderurgia y por último por no estar presente en ella escorias ni fundidos especialmente agresivos. Por todo ésto los refractarios de la industria del aluminio no son de una composición química muy especial, en su mayoría son silico-aluminosos. Pero ante las cantidades de energía que están en juego y otros condicionantes que se verán en cada caso concreto, tiene gran importancia la utilización de aislantes térmicos, hecho que se quiere resaltar, ya que este tipo de refractarios es uno de los consumidos en mayor cantidad en una fábrica de aluminio y sus conductividades térmicas han de estar muy controladas. BOL.SOC.ESP.CERAM.VIDR.VOL.19-NUM.6

Los principales puntos de utilización de refractarios son: — Planta de alúmina, hornos de calcinación del hidrato. — Planta de aluminio, hornos de cocción de ánodos. — Planta de aluminio, cubas electrolíticas. En éstas además del refractario silico-aluminoso denso y aislante hay que resaltar la utilización de refractarios de carbono que constituyen los sistemas anódico y catódico de la cuba, a los que nos referimos con detalle más adelante. CALCINACIÓN DE ALUMINA Esta es una operación que se realiza a una temperatura del orden de los 1200^C. Hasta ahora se utilizaban hornos rotativos en los que el producto circula en contracorriente con los gases de combustión. Recientemente se han desarrollado hornos de lecho fluidizado en varias etapas, en ellos también el producto circula en "contracorriente" con los gases. Estos hornos han supuesto reducir notablemente el consumo de combustible en la calcinación de 1.000.000 Kcal/t de alúmina en los rotativos a 600.000 Kcal/t en los de lecho fluidizado. La razón de este ahorro estriba en dos razones, en primer lugar un mejor intercambio térmico entre gases y producto en las diferentes etapas que constituyen la instalación de tostación con salida de los gases a una menor temperatura y la descarga del producto más frío. En segundo lugar la utilización en mayor grado de los refractarios aislantes, que es posible en un horno de este tipo, estático, donde los esfuerzos mecánicos a que es sometido el revestimiento son menores que los correspondientes en un homo rotativo. En la calcinación de la alúmina no se da una temperatura excesiva, ni ataques químicos por presencia de escorias. Se emplean refractarios aluminosos, de alto contenido en alúmina en las zonas de máximo desgaste por abrasión, en vez de silico-aluminosos, con el fin de evitar la contaminación de la alúmina por la silice. En los hornos de lecho fluidizo los refractarios son en su mayoría masas plásticas tanto las densas como las aislantes. HORNO DE COCCIÓN DE ANODOS Los hornos para la cocción de ánodos son de cámaras, unidas entre sí por conductos para el paso de los gases de una cámara a otra. Las cámaras se disponen en dos filas conectadas por los extremos de tal modo que se forma un anillo cerrado. Las cámaras está abiertas por su cara superior. El fuego va pasando de una cámara a otra a medida que se van cociendo, los gases de la combustión circulan por las cámaras siguientes a las que se encuentran en fuego precalentándolas, el aire de enfriamiento se calienta al pasar a través de las cámaras ya cocidas antes de llegar a la cámara en fuego, donde actúa como aire secundario y de dilución. Las cámaras divididas en alveolos por paredes refractarias intermedias. Estas paredes son huecas y por ellas circulan los gases calientes y el aire, ya que no puede haber contacto directo con los ánodos a fin de evitar su oxidación. Estas paredes son también los hogares de combustión. Los ánodos se cargan en los alveolos por su parte superior, protegidos con polvo de cok o antracita. Estos hornos son de dos tipos, abiertos o cerrados. Los primeros no llevan tapa en las cámaras y las paredes intermedias de una cámara se conectan con los de la siguiente para la circulación de gases. Los cerrados llevan tapas, debajo de ellas se forma una zona de homogeneización para los gases que circulan por las paredes intermedias. En los hornos abiertos los productos volátiles originados en la cocción, al destilar la brea de los ánodos, pasan a la corriente de gases a través de ranuras dispuestas en las paredes inter-

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medias, en cambio en los hornos cerrados las zonas de homogeneización debajo de las tapas son las que reciben estos productos volátiles pasando en ellas a la corriente de gases. En los hornos abiertos el intercambio térmico se hace peor y el volumen de gases que se precisa es bastante mayor que en el homo cerrado. Estos hornos son de gran tamaño, para una fábrica de 180.000 t/a de aluminio se precisa un horno de 64 cámaras con un volumen total b m t o de unos 17.000 m^, más de 170 m de longitud, 20 m de ancho y casi 5 m de profundidad. Los refractarios del homo se encuentran sometidos a la acción de la temperatura, L350 + 1.400^C como máximo y de forma débil al ataque de monóxido de carbono que se forma por oxidación del cok de protección de los ánodos o en la destilación de la brea de éstos. Los refractarios empleados en la construcción de este homo son siKco-aluminosos densos de buena calidad y aislantes. Ante las dimensiones tan grandes del horno se precisa que las piezas de refractario silico-aluminoso tengan una gran exactitud de medidas, a fin de que la obra no presente desviaciones importantes. Una gran parte de ellas son piezas de forma, machiembradas que encajan unas en otras, para formar las paredes intermedias huecas o los conductos de paso de una fila de cámaras a otra. Los refractarios aislantes son muy importantes en esta constmcción. El horno está contenido en una obra de hormigón, ésta se ve sometida a elevaciones sucesivas de temperatura a medida que las cámaras en fuegos se van desplazando en el horno. Estas elevaciones sucesivas de temperatura originan dilataciones en el hormigón dando lugar a tensiones que lo pueden deteriorar o destmir.

TABLA I

CARACTERÍSTICAS

— Piezas densas silico-aluminosas

8.000

t

1.300.000

Ud

— Placas aislantes

200

m^

— Hormigones refractarios

300

t

— Ladrillos aislantes

El horno como tal, debe tener una vida de unos 15 años por lo menos. No obstante los tabiques de separación de alveolos y algunos otros puntos es preciso rehacerlos periódicamente. Se estima que el consumo de refractarios pudiera llegar hasta L500 t/a cuando el homo ya lleve algún tiempo

DE LOS MATERIALES AISLANTES DEL HORNO DE COCCIÓN

Refractario Aislante 1

Refractario Aislante 2

Refractario Aislante 3

Placas ais. Silicato Calcico

- Temperalímite empleo . . .

1.340OC

1.250OC

300^0

ÓOO^C

— Densidad aparente

30Kg/cm^

>S Kg/cm^

>S Kg/cm^

0,37 0,44 0,50 0,55 0,60

0,15 0,18 0,20 0,22 0,25

0,14 0,16 0,18 0,20

1.300OC < 0,70/0

1.250OC