Proceso electrolítico de obtención de aluminio

Proceso electrolítico de obtención de aluminio
Lucía Pérez Trigo
La obtención industrial del aluminio primario o metalúrgico se realiza por electrólisis de la
alúmina en criolita fundida, según el proceso ideado por Hall y Héroult en 1886.
La criolita es un fluoroaluminato de sodio (Na3AlF6) que se encuentra en la naturaleza
solamente en Groenlandia. En general, se prefiere producir criolita sintética, tanto debido al largo
transporte como a que la criolita natural es menos adecuada que la artificial. Su producción se lleva
a cabo en reactores según la reacción:
2Al(OH)3 + 12HF + 3Na2CO3  2AlF3 + 6NaF + 9H2O + 3CO2
y a continuación se lleva a un filtro prensa, se seca y se calcina.
La criolita fundida no sólo es capaz de solubilizar la alúmina (entre 15-20 %) sino que
permite disminuir su alto punto de fusión (2054ºC) y realizar la electrólisis a unos 900-950ºC. Para
ello, es necesario añadir también AlF3 y CaF2 ya que el punto de fusión de la criolita pura es de
1009ºC.
La eficiencia de la célula depende de la relación NaF/AlF3 que suele fijarse en 1,50. Sin
embargo, dicha proporción difícilmente se mantiene constante debido a la absorción del electrolito
en el recubrimiento y el aislante de la celda, la volatilización de fluoruros, la reacción del AlF3 con
la sosa caústica residual en la alúmina o por la hidrólisis debida al aire o a materiales añadidos. El
control de la composición del electrólito es muy importante en el proceso. 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 que actúa de capa aislante, de modo que el baño ya no moja
su superficie, causando una abrupta elevación en el voltaje de la celda y una disminución del flujo
de corriente. Para que esto no ocurra el porcentaje de alúmina en el baño debe de ser de un 2 a un
6% en peso.
La electrólisis industrial tiene lugar en cubas electroquímicas que actúan a la vez como
hornos de fusión y electrolizadores. La parte catódica (negativa) está formada por una cuba abierta,
rectangular, de chapa de acero, con revestimiento de aislante térmico, refractario y el fondo de
carbono con raíles de acero incrustados para la conducción de la corriente catódica. La parte
anódica (positiva) es un electrodo de carbono que permite diferenciar el tipo de celda empleada. En
la actualidad se utilizan dos variantes principales, las que tienen ánodos múltiples precocidos y las
de ánodo autococido o ánodo Soderberg. En ambos tipos, los ánodos están suspendidos en una
superestructura que se extiende sobre la cavidad de la célula, y están conectados a una barra
colectora anódica móvil, de modo que se puede ajustar su posición vertical.
Los bloques de ánodos precocidos (SWPB – precocido lateral, CWPB – precocido central).
se fabrican a partir de una mezcla de coque de petróleo calcinado y alquitrán o brea; se forman en
prensas hidráulicas y se cuecen hasta unos 1100ºC.
Las celdas anódicas de Soderberg (HSS – de barra horizontal, VSS de barra vertical) tienen
un solo ánodo grande, encerrado en una caja de acero, que ocupa la mayor parte de la cavidad de la
célula. Introduciendo una columna descendiente de brea y pasta de coque se puede formar un ánodo
continuo, el cual se hornea dentro de la celda de electrólisis. Esta última es una tecnología más
antigua y contaminante que la que utiliza ánodos precocidos con lo que, en la actualidad, se utilizan
mucho menos.
Entre el ánodo y el cátodo se hace circular una corriente eléctrica de bajo voltaje y alta
intensidad (200-350 kA). En el proceso se reducen los iones de aluminio produciéndose aluminio
metal en el cátodo y, por otro lado, se forma oxígeno en el ánodo de grafito que reacciona con el
carbono produciendo CO2.
2Al2O3 + 3C  4Al + 3CO2
Sin embargo, parte del metal, en lugar de depositarse en el fondo de la célula, se disuelve en
el electrólito y es oxidado de nuevo por el CO2 formado en el ánodo:
2Al+ 3CO2  Al2O3 + 3CO
Esta reacción puede reducir la eficiencia de la célula e incrementar el consumo de carbón de
la misma.
El aluminio formado al ser más denso que el electrólito se funde en el fondo del baño y queda
protegido de la oxidación.
El metal que se separa en el horno de electrólisis se saca a intervalos regulares (aunque el
fondo ha de quedar siempre cubierto). El aluminio líquido se extrae de la cuba por medio de un
sifón utilizando el vacío para evitar tener que utilizar a esas temperaturas bombas y válvulas, y se
calienta en un horno para separar del metal las partículas de criolita arrastradas y eliminar los gases
disueltos y, finalmente, se cuela en barras o en moldes.
El aluminio así obtenido tiene una pureza del 99,7-99,8%, aceptable para la mayoría de las
aplicaciones. Sin embargo, para algún uso especial se necesita aluminio de alta pureza,
especialmente si se requiere una ductilidad o conductividad elevada, con lo que es necesario el uso
de celdas de refinado.
Otra posibilidad es que el aluminio obtenido se mezcle con determinados elementos (Fe, Si,
Mg, Cu y Zn principalmente) formando distintos tipos de aleaciones con las propiedades mecánicas
requeridas.
Lo normal es que el aluminio se obtenga en forma de lingotes para luego someterlo a distintos
procesos que nos permiten obtener los semielaborados de aluminio: productos laminados,
extrusionados, piezas forjadas, etc.
Bibliografía:
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Ed.McGraw-Hill. México. 1993
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aluminio-metalico
http://www.aluar.com.ar/