La bauxita es la principal materia prima utilizada para fabricar aluminio. Este mineral arcilloso se compone de hidróxidos de aluminio, como la gibbsita, la boemita y el diásporo, que se han formado mediante intensos procesos de meteorización laterítica.
El mineral de bauxita se tritura y lava primero antes de disolverlo en una solución caliente de sosa cáustica, conocida como "licor verde". Una vez que esta solución verde se ha transferido a tanques precipitadores altos con semillas de hidróxido de aluminio añadidas para la precipitación del hidrato de alúmina sólido a medida que se enfría la temperatura, también se pueden utilizar tanques precipitadores para acelerar la solidificación.
El proceso Bayer
En las grandes plantas industriales, el Proceso Bayer es donde reside toda la magia. Aquí es donde la química industrial toma forma al convertir las materias primas en productos que benefician a la sociedad. Este proceso de varias etapas utiliza diversos equipos de filtración y separación y también implica problemas medioambientales; sus subproductos, como el lodo rojo, requieren una manipulación cuidadosa antes de su eliminación.
El mineral de bauxita se procesa utilizando una solución de sosa cáustica y se digiere a presiones y temperaturas elevadas para extraer sus valores de alúmina soluble, creando un licor de aluminato sódico diluido y un residuo cáustico insoluble conocido como lodo rojo. Este material refractario requiere una manipulación especial, ya que puede contener metales pesados, compuestos alcalinos y compuestos fenólicos; de ahí su clasificación como residuo peligroso por los organismos reguladores locales.
A continuación, la solución de sosa cáustica se hace pasar por una serie de tanques de precipitación de seis pisos de altura donde se añaden cristales semilla de hidrato de alúmina y se deja que crezcan, atrayendo hacia ellos todas las moléculas de agua de la solución, creando finalmente un sólido blanco de hidróxido de alúmina que se utilizará posteriormente en el proceso de fundición de Hall-Heroult para producir aluminio metálico.
A continuación, la alúmina filtrada y lavada se somete a un nuevo proceso para eliminar los restos de sosa cáustica y otras impurezas, antes de secarla y calentarla para expulsar el exceso de humedad causado por la cristalización mediante calcinación, una etapa esencial.
La alúmina anhidra producida durante su procesamiento está lista para su uso inmediato y, a continuación, se moldea en diversas formas utilizando métodos como el prensado en seco, el prensado isostático, el conformado por rodillos, el moldeo por inyección y/o los procesos de colada en barbotina. Una vez moldeada, puede convertirse en piezas de fundición en forma de láminas y barras, así como en materiales de aislamiento y sellado prensados isostáticamente que se utilizan en diversas industrias. La mayor parte de la producción se destina a usos metalúrgicos, mientras que el resto se utiliza en aplicaciones especializadas o en productos químicos derivados.
El baño de criolita
Charles Martin Hall empezó a investigar métodos de producción de aluminio en 1880. Descubrió que el uso de corriente eléctrica a través de la alúmina provocaba su descomposición en oxígeno y aluminio metálico. El descubrimiento posterior de Hall fue que la solución de criolita podía disolver este material y liberar sus preciosas propiedades; de ahí la creación del proceso electrolítico Hall-Heroult, que se convirtió en una ruta esencial para la producción de aluminio primario en 1908.
La fundición de aluminio requiere grandes cantidades de energía eléctrica. Un baño de criolita debe permanecer a una temperatura de funcionamiento ideal para permitir su producción continua, y el exceso de aluminio que se acumula en el cátodo se extrae periódicamente y se envía a grandes hornos de retención donde pueden eliminarse las impurezas, añadirse elementos de aleación y fundirse en lingotes.
Para que este proceso sea económicamente viable, es fundamental que la tasa de alimentación de alúmina en un baño de criolita se gestione de forma que se mantenga una concentración constante dentro de un rango óptimo. Muchos factores, como el tamaño de las partículas y la agitación, pueden influir en este factor.
Realizando un análisis de difracción de rayos X del baño de criolita, se pueden controlar fácilmente las cantidades de calcio y magnesio presentes. Desgraciadamente, sin embargo, esta técnica de rayos X adolece de varios inconvenientes que limitan su precisión: entre ellos, la dificultad para analizar su patrón de polvo, así como el solapamiento entre el análisis de los picos de la criolita semiamorfa NaCaAlF6 con los picos analíticos tanto de la chiolita como de la weberita; ¡es difícil diferenciar la neiborita de la neibourita sólo con este método de rayos X!
Los fundidores utilizan sistemas de difracción de alta presión para controlar con precisión y en tiempo real las temperaturas del baño de criolita y predecir cuándo se congelará, dos componentes esenciales de su proceso. Además, este sistema puede detectar impurezas de carbono -que suponen un peligro para la salud de los trabajadores expuestos a él en minas, fundiciones y fábricas-, así como inclusiones minerales como pirita o calcita que indican impurezas dentro de la propia alúmina.
El proceso de fundición
El aluminio puede extraerse (a un coste antieconómico) de algunas arcillas, pero la mayor parte de la producción procede de la extracción y refinado de la bauxita en alúmina (óxido de aluminio). La alúmina sirve entonces como materia prima para fabricar aluminio metálico; este proceso, que consume mucha energía, utiliza grandes cantidades de electricidad. En la actualidad, la producción mundial de alúmina se está expandiendo rápidamente utilizando variaciones de la tecnología del proceso Bayer (aunque las bauxitas más difíciles con alto contenido de diáspora pueden requerir otras variaciones).
La bauxita finamente molida se combina a presión en digestores con soluciones calientes de sosa cáustica (NaOH) para disolver sus minerales portadores de aluminio - gibbsita, bohmita y diáspora - en una solución sobresaturada de aluminato sódico conocida como licor de preñez. La sílice reactiva presente en la solución también debe eliminarse mediante un tratamiento posterior para crear una suspensión de lodo rojo, también denominada "lodo de alúmina", antes de bombearla a presas selladas que contienen materiales impermeables para evitar fugas y la contaminación de los entornos circundantes.
Las ollas de reducción combinan alúmina (con algo de sosa cáustica sobrante) con carbono para formar un electrolito fundido, y una corriente eléctrica pasa a través de este electrolito, rompiendo los enlaces químicos entre el aluminio y el oxígeno de la alúmina, liberando así oxígeno, con lo que el aluminio acaba depositándose en el fondo como metal anódico mientras que el gas dióxido de carbono asciende como metal catódico.
En los recipientes precipitadores altos, la solución de hidrato de alúmina se separa aún más de la sosa cáustica añadiendo pequeñas cantidades de polvo de alúmina cristalina fina a la solución líquida, lo que hace que se precipite en forma de sólidos de hidrato de alúmina de aluminosilicato duro que luego pueden filtrarse, lavarse y secarse en forma de polvo blanco conocido como "alúmina calcinada".
Este polvo de alúmina puede moldearse en diversos productos mediante diferentes técnicas -prensas secas, isostáticas y de prensado en caliente, colada en barbotina o colada en cinta, por ejemplo- con o sin adición de materiales adicionales (aglutinantes o termoplásticos) para facilitar la fabricación y los procesos de producción, como el moldeo por inyección o la producción de sustratos finos para circuitos microelectrónicos. Además, su uso como relleno ayuda a mejorar las propiedades aislantes de la cerámica.
El proceso de calcinación
El residuo de bauxita puede seguir procesándose mediante calcinación, que consiste en introducirlo en un horno rotatorio donde se expone a altas temperaturas para expulsar el agua restante y los elementos químicamente ligados, produciendo un polvo de alúmina adecuado para darle forma o utilizarlo como materia prima en aplicaciones cerámicas.
Las reacciones que generan calor son catalizadas por sosa cáustica caliente (NaOH). También pueden añadirse reactivos de composición variable -por ejemplo, combinando diaspora con gibbsita- para controlar los perfiles de temperatura y producir distintos grados de alúmina.
Aunque la mayor parte de la producción de alúmina se destina a las industrias de fundición de aluminio, existe un mercado importante de alúminas especiales utilizadas como materiales refractarios y cerámicas técnicas. Estos productos especiales presentan estructuras finas y cristalinas con superficies específicas muy elevadas para resistir los ataques corrosivos; además, poseen propiedades aislantes, altos niveles de resistencia y estabilidad térmica, lo que los convierte en componentes inestimables de los proyectos de construcción de hornos.
Otras aplicaciones de la alúmina son la fabricación de cerámicas, como refractarios, abrasivos y soportes de catalizadores. Los termoplásticos para piezas moldeadas por inyección, por ejemplo, se calientan y mezclan con alúmina antes de quemarse durante los procesos de enfriamiento. Otro uso de la fundición en cinta consiste en mezclarla con un líquido orgánico para producir sustratos finos para circuitos microelectrónicos.
A diferencia de otros materiales cerámicos que tienden a ser blandos y quebradizos y, por tanto, no pueden soportar esfuerzos de impacto o tracción en servicio, la alúmina es dura, duradera y tiene un bajo coeficiente de dilatación, cualidades ideales para cojinetes y juntas. Por desgracia, su fina estructura puede provocar defectos de debilitamiento, como grietas y desintegración, cuando se somete a esfuerzos de impacto o a una tensión de tracción excesiva.
La calcinación es un método de calentamiento industrial utilizado para lograr la separación química de materiales sólidos mediante la vaporización del agua, la volatilización de contaminantes y la descomposición de porciones oxidantes de la masa. La calcinación se emplea desde hace mucho tiempo como método eficaz para producir alúmina anhidra; producir tableros de yeso a partir de materiales residuales de yeso; extraer rutilo de gran pureza de la anatasa para producir rutilo de gran pureza, así como para otros fines industriales.