Aluminio PDF

Preview

Summary

Trabajo de la asignatura Tecnología Industrial I sobre el aluminio...

Description

EL ALUMINIO El aluminio es un elemento químico, de símbolo Al y número atómico 13. Es el tercer elemento más común encontrado en la corteza terrestre. Los compuestos de aluminio forman el 8% de la corteza de la tierra y se encuentran presentes en la mayoría de las rocas, de la vegetación y de los animales. En estado natural se encuentra en numerosos silicatos (feldespatos, plagioclasas y micas), pero como metal se extrae únicamente del mineral conocido como bauxita. Debido a sus propiedades (físicas, químicas y mecánicas), el aluminio es el metal no ferroso de mayor uso.

1. CARACTERÍSTICAS FÍSICAS. Es un metal que posee una combinación de propiedades que lo hacen muy útil en ingeniería de materiales, tales como su baja densidad, de 2700kg/m3, siendo el magnesio el único metal de uso industrial más ligero. Se trata de un metal de color blanco que una vez es pulimentado se asemeja a la plata. Tiene una alta resistencia a la corrosión a muchas soluciones acuosas (como agua marina) y otros agentes químicos, un punto bajo de fusión (660ºC) y una temperatura de ebullición de 2519ºC. Debido a su color es capaz de reflejar bien la radiación electromagnética. Es un buen conductor eléctrico y térmico, cuya conductividad (aproximadamente del 60%), solo es superada por la del oro y la plata. 2. CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS. Se trata de un metal blando, pues le corresponde un 2-3-4 en la Escala de Mohs, maleable y dúctil a temperaturas bajas, lo que permite la fabricación de cables eléctricos y láminas delgadas, aunque no como elemento estructural. A temperaturas cercanas a su punto de fusión, se vuelve quebradizo y frágil, y se puede pulverizar fácilmente. Cuanto más puro sea el aluminio en cuestión, menor su resistencia mecánica, lo que supone una ventaja más que presenta este metal frente a muchos otros. Cuando el aluminio es trabajado en frío, adquiere una gran dureza pero se agrieta superficialmente y debe ser recocido. Puede ser sometido a procesos de forja, extrusión…, cuando se alea con otros metales, de forma que también se puede utilizar en la soldadura. 3. CARACTERÍSTICAS QUÍMICAS. La capa de valencia del aluminio está formada por tres electrones, por lo que su estado de oxidación es III. Esto hace que el aluminio reaccione con el oxígeno presente en la atmósfera para formar con rapidez una fina capa gris mate, llamada alúmina que recubre el material. Esta fina capa es la responsable de la resistencia que presenta el aluminio frente a la corrosión. A una pureza superior al 99,95%, el aluminio resiste al ataque de la mayor parte de los ácidos, mientras que su capa de óxido se disuelve en soluciones alcalinas, siendo la corrosión, rápida. El aluminio

cristaliza en una estructura cúbica centrada en las caras. Debido a estas propiedades químicas, se emplea al aluminio a temperaturas altas como reductor de otros metales (aluminotermia). Hay que tener en cuenta que el aluminio fundido puede tener reacciones explosivas con agua por lo que el metal fundido no debe entrar en contacto con herramientas ni con contenedores húmedos.

4. PROCESOS INDUSTRIALES DEL ALUMINIO.

4.1.

EXTRACCIÓN DEL ALUMINIO.

El aluminio es extraído de un mineral llamado bauxita, que recibe su nombre por la localidad francesa de Baux, donde se extrajo por primera vez. Se trata de un mineral rico en óxidos de aluminio ( y otras formas como en la gibbsita, diásporo, etc.) ,alrededor de un 20-30%. Cuatro toneladas de bauxita producen dos toneladas de alúmina y, finalmente, una de aluminio. La extracción del mineral se realiza como en cualquier otro caso, en las minas, de donde la materia prima es extraída, cuyos yacimientos suelen localizarse en zonas tropicales, que propician su formación. 4.2.

TRANSPORTE DE LA BAUXITA.

Debido a la lejanía a la que se encuentran los yacimientos de los lugares donde la bauxita es tratada, ésta es conducida hasta las plantas de tratamiento a través de camiones, trenes e incluso barcos. 4.3.

METALURGIA DEL ALUMINIO.

La obtención del aluminio se realiza en dos fases: la extracción de la alúmina a partir de la bauxita (proceso Bayer) y la extracción del aluminio a partir de esta última mediante electrolisis. 4.3.1. Separación de la alúmina (Al2O3) a partir de la bauxita. En primer lugar, la bauxita es molida para incrementar la superficie de reacción y facilitar su manejo, siendo seleccionadas las mejores bauxitas para llevar a cabo el proceso. A continuación, la bauxita es sometida a un lavado con una solución caliente de hidróxido de sodio (sosa cáustica) a alta presión y temperatura; formándose agua y aluminato de sodio. Esta reacción se trata de una reacción endotérmica, pues se absorbe calor. Debido a esta naturaleza de la reacción, es necesario inyectar vapor vivo proveniente de la estación de vapor para alcanzar la temperatura requerida en el proceso. Las impurezas, principalmente óxidos de hierro y titanio, al ser insolubles en el agua formada, pueden separarse de la mezcla por decantación y posteriormente tiene lugar la precipitación del aluminato de sodio que se transforma en hidróxido de aluminio. Una acumulación excesiva de impurezas puede conducir a una incorrecta precipitación del aluminato sódico. Una vez la mezcla se encuentra libre de impurezas, pues éstas ya han sido filtradas, se somete el compuesto a una calcinación, a través de la cual deshidratamos el hidróxido de aluminio y obtenemos alúmina. Si durante la calcinación hay presentes demasiadas impurezas no filtradas, la alúmina pude sufrir roturas. 4.3.2. Reducción de la alúmina. Para poder extraer el aluminio de la alúmina es necesario someter a la alúmina a un proceso electrolítico, de forma que las partículas de aluminio, debido a la corriente eléctrica se separan de la alúmina para dar aluminio puro. Se introducen en un crisol que contiene criolita fundida a la que se añade un 7% de fluoruro de aluminio, un ánodo, formado por unos bloques de carbón, generalmente de antracita y la alúmina que se vierte al fondo del crisol. En este proceso electrolítico se llegan a alcanzar los 950ºC, los ánodos sufren una pérdida de volumen, por lo que deberán ser continuamente sustituidos por otros. Cada ánodo tiene una esperanza de vida de

unos 20 meses, posteriormente son reciclados. Como consecuencia de la corriente eléctrica, los enlaces entre el oxígeno y el aluminio de la alúmina se rompen. El oxígeno, junto al flúor, se evaporan, mientras que el aluminio permanece en estado líquido al fondo del crisol. Con el fin de separarlo de las impurezas, el aluminio es conducido a través de unos tubos que lo succionan hasta un gran recipiente. Seguidamente se añade más alúmina, de forma que el proceso es continuo. A continuación el aluminio es sometido a procesos de refinamiento para poder aumentar su riqueza hasta llegar al 99,99% requerido. El proceso es un proceso costoso económicamente, debido al transporte y tratamiento que sufre la bauxita hasta convertirse en aluminio, pero a la larga es un proceso rentable debido a las numerosas aplicaciones del aluminio en la industria. [Aluminio fundido] [Ánodos gastados].

5. ALEACIONES DEL ALUMINIO. Debido a que mecánicamente el aluminio es un material débil, suele ser aleado con otros metales para mejorar sus propiedades mecánicas, aunque con ello también se consigue variar otras de sus propiedades como la resistencia a la corrosión y la ductilidad o la conductividad eléctrica. Los metales con los que se alea el aluminio son: -

El cobre. En este tipo de aleaciones aluminio-cobre, el cobre no sobrepasa del 15% del total de la aleación, puesto que una concentración mayor supone una mayor fragilidad de la misma. El cobre incrementa las propiedades mecánicas a la aleación, aumenta su ligereza y su dureza. Por el contrario, reduce la resistencia corrosiva del aluminio. Este tipo de aleaciones se utilizan para fabricar estructuras de aviones, ruedas de vehículos, etc.

-

El zinc. En las aleaciones aluminio-zinc (también llamadas zicral), el zinc proporciona a la aleación dureza frente al frío a igual que mejores propiedades mecánicas, al igual que el cobre, pero con la ventaja de que son más económicas que las aleaciones aluminio-cobre. El inconveniente es que también reduce la resistencia corrosiva, propia del aluminio y hace que la aleación sea más pesada que la aleación aluminio-cobre. Hay que tener en cuenta que estas aleaciones del aluminio son las que mejores propiedades mecánicas tienen, pues pueden alcanzar, con un tratamiento térmico adecuado, altos límites elásticos. También son usados en el campo náutico, de transportes, etc.

-

Magnesio. Debido a la baja densidad de ambos, magnesio y aluminio, la densidad resultante de la aleación es incluso inferior a la del aluminio, por lo que la aleación es muy ligera. Posee buenas propiedades mecánicas, y posee una elevada resistencia a la corrosión. A su vez, el magnesio es el responsable de que se endurezca la aleación y proporciona una gran resistencia tras el conformado en frío. Se suele usar, por su baja densidad, en medios de transporte, aviones, automóviles, etc.

-

Manganeso. El Mn solo puede suponer de un 1-5% de la aleación para que ésta sea efectiva. Proporciona un 20% de dureza más a la aleación con respecto al aluminio.

Aumenta la resistencia mecánica y la resistencia a la corrosión. Solo se emplea en aleaciones de forja. -

Silicio. El silicio aumenta la dureza y resistencia corrosiva de la aleación. Se trata de aleaciones muy dúctiles y resistentes al choque, aunque difíciles de mecanizar, debido a la naturaleza abrasiva del silicio, que se presenta en la aleación en porcentajes superiores al 12%, es decir, en cantidades elevadas, con el fin de disminuir la temperatura de fusión de la aleación. El objetivo es conseguir una aleación que funda a una temperatura más baja que el resto de aleaciones de aluminio para usarlo como elemento de soldadura. Se utilizan para la fabricación de piezas moldeadas de difícil ejecución, como radiadores, pistones, culatas, llantas de ruedas, etc.

-

Otros elementos de aleación. Las aleaciones del aluminio más conocidas son las descritas anteriormente, pero también son comunes las aleaciones ternarias y cuaternarias del aluminio, es decir, formadas por la unión de más de dos metales, como por ejemplo Ni, Ti, Co, Cr, etc. El Fe en las aleaciones del aluminio siempre es considerado una impureza. Por ejemplo, en el caso del titanio, aumenta la dureza y disminuye el tamaño del grano en la aleación, mejorando sus características mecánicas, el níquel y el cromo endurecen la aleación y aumentan su resistencia a la corrosión o el cobalto que a su vez aumenta la resistencia corrosiva.

6. APLICACIONES DEL ALUMINIO. El aluminio, debido a sus propiedades, es el metal no ferroso más usado en la industria, principalmente por: -

Su reducida densidad. Debido a ello aeronáutica, al igual que la mayor parte de sus aleaciones. También es usado en la industria automovilística y ferroviaria, y en la elaboración de productos donde el peso sea una limitación importante.

-

Su buena conductividad eléctrica. Gracias a ello y a su densidad se utiliza como conductor en líneas aéreas de alta tensión. Es menos conductor que el cobre, pero tiene la gran ventaja de que es mucho más ligero y ofrece menor resistencia al paso de la corriente en comparación con el cobre. Estos cables de alta tensión están generalmente formados por dos partes: una parte interna, de acero, llamada alma, que proporciona al cable resistencia mecánica, y rodeando a esta alma, una serie de conductores de aluminio.

-

Su resistencia a la corrosión. Debido a que el aluminio no es corroído por la mayor parte de los ácidos, es usado para la fabricación de depósitos de ácido acético, cervezas, latas de fácil apertura, etc. Su resistencia corrosiva, unida a la elevada conductividad eléctrica lo hace a su vez muy adecuado para ser sometido a procesos de laminación, procesos usados para obtener el papel de plata con el que se envuelven los alimentos.

-

Su elevado poder reflector de la radiación calorífica. Utilizado en forma de polvo para fabricar pinturas para depósitos destinados a contener líquidos inflamables.

-

Su afinidad por el oxígeno. Como agente reductor en la obtención de otros metales a partir de sus óxidos.

http://www.lenntech.es/periodica/elementos/al.htm http://www.wikipedia.org http://www.monografias.com/trabajos14/proceso-bayer/proceso-bayer.shtml http://ingenieriademateriales.wordpress.com/2009/04/17/manual-del-aluminio-y-sus-aleaciones/...