Aluminio. Materiales y materias primas.

¿Cuál es la historia del aluminio?

Introducción al aluminio

• El aluminio es un material plateado, liviano y abundante, utilizado en combustibles para cohetes y cables de alta tensión. Es fundamental en la construcción y el transporte, representando el 80% del peso de un avión.

Descubrimiento y primeras menciones

• Se considera que el aluminio fue descubierto en 1825, aunque hay relatos antiguos que mencionan su existencia. Plinio el Viejo relata que un joyero romano mostró al emperador Tiberio un plato hecho de este metal nuevo.

• La preocupación del emperador por la posible depreciación del oro y la plata llevó a ordenar la ejecución del joyero. Aunque no se puede comprobar esta historia, se sabe que varios compuestos de aluminio eran conocidos desde la antigüedad.

Usos históricos del aluminio

• Civilizaciones como los egipcios, griegos y romanos usaban sulfato de aluminio para teñir telas. Los romanos también utilizaban arcillas con silicatos de aluminio en productos cerámicos.

• En el siglo XIX, el químico británico Hans Christian Ørsted logró obtener pequeñas cantidades de aluminio puro tras perfeccionar técnicas anteriores.

Avances en la producción

• Henry Sainte-Claire Deville buscó mejorar los métodos existentes para obtener aluminio puro a mediados del siglo XIX. Su éxito llegó al descubrir cómo extraerlo usando cloruro doble de aluminio y sodio.

• En 1855, Deville presentó un lingote de 7 kg en una exposición universal. Napoleón III apoyó su empresa, lo que provocó una caída drástica en el precio del aluminio.

Proceso Hall-Héroult

• Dos investigadores nacidos en 1863 descubrieron independientemente el proceso electroquímico que permitió la producción masiva de aluminio metálico en 1886: Charles Hall (EE.UU.) y Paul Héroult (Francia).

• Este proceso conocido como Hall-Héroult implica electrolisis, donde se rompe moléculas mediante corriente eléctrica para obtener metales puros.

Detalles técnicos sobre electrolisis

• La electrolisis requiere energía eléctrica para crear una diferencia de potencial entre ánodo y cátodo dentro de una solución fundida llamada criolita.

Proceso de Obtención de Aluminio

Composición y Origen del Aluminio

• En la corteza terrestre, el aluminio se encuentra principalmente en forma de óxidos, silicatos y sulfatos. Se utiliza un óxido de aluminio llamado alúmina, que se obtiene del mineral baúxita, descubierto en 1821 en Francia.

• Los principales países productores de bauxita incluyen Australia, Brasil, Guinea Ecuatorial y Jamaica; actualmente también se suma China. La reducción de bauxita a alúmina fue desarrollada por Karl Bayer.

Proceso Bayer

• El proceso Bayer transforma la bauxita en alúmina mediante deshidratación. Este óxido hidratado es esencial para la electrolisis que produce aluminio metálico.

• La planta visitada es una de las más importantes en Sudamérica para la producción de aluminio. Se requieren varias materias primas como el electrolito (solución de alúmina en criolita) y energía eléctrica.

Ubicación Estratégica

• La elección geográfica para la planta se debe a la abundancia energética en Patagonia, lo cual es crucial dado el alto consumo energético necesario para producir aluminio.

• Además, la proximidad a un puerto de aguas profundas facilita el transporte tanto de insumos como del producto terminado. La planta requiere energía equivalente a una ciudad con dos millones de habitantes.

Consumo Energético y Avances Tecnológicos

• El costo energético determina la ubicación de las plantas productoras. A lo largo del tiempo ha habido mejoras significativas en el proceso que han reducido el consumo energético por kilogramo producido.

• En 1900 se requerían 20 kWh para producir un kilogramo; esta cifra ha disminuido a 13.9 kWh en 2007 y se estima que será 12.5 kWh para 2020 debido a optimizaciones continuas.

Desafíos Técnicos

• La electrólisis demanda gran cantidad de energía porque la alúmina es un óxido muy estable; su fusión directa requeriría temperaturas extremadamente altas (2030 °C).

• Holt y Gerold descubrieron que utilizando criolita (que funde a 1012 °C), podían disolver alúmina permitiendo así una mejor conducción eléctrica durante el proceso.

Funcionamiento del Horno Electrolítico

• En la cuba electrolítica, los aditivos permiten regular las condiciones necesarias para mantener temperaturas entre 949 °C y 1600 °C durante el proceso electroquímico.

• La corriente eléctrica genera una diferencia potencial necesaria para separar los componentes básicos: cationes de aluminio migran hacia el cátodo mientras que los aniones oxígeno van hacia el ánodo.

Importancia Crítica del Insumo Energético

• Se considera crítico asegurar un suministro constante y eficiente de energía durante todo el proceso productivo para evitar congelamientos que podrían dañar irreversiblemente las instalaciones.

Elementos Fundamentales del Proceso de Producción de Aluminio

Componentes del Reactor

• El reactor se compone de un ánodo (electrodopositivo) hecho de carbono, y un cátodo (electrodonegativo) que es el aluminio metálico en estado líquido.

• La corriente eléctrica fluye desde el ánodo hacia el cátodo a través del baño electrolítico, descomponiendo la alúmina y generando aluminio metálico y oxígeno.

• Se requieren 4 a 5 toneladas de bauxita, 80 kg de soda cáustica y energía equivalente a 500 kg para producir aproximadamente 2 toneladas de alúmina.

Proceso de Solidificación

• El peso de la bauxita varía según su ley, lo que afecta la cantidad necesaria para obtener alúmina.

• La adición de criolita como medio electrolítico y una dosis significativa de energía permite obtener una tonelada de aluminio mediante reducción electrolítica.

Transformación Industrial del Aluminio

• El aluminio obtenido debe ser solidificado antes de ser transformado en productos finales; esto se relaciona con el proceso industrial posterior.

• Algunas industrias requieren lingotes que pueden ser refundidos para combinarse con aleantes específicos.

Métodos de Moldeo y Aplicaciones

• Existen dos métodos principales: colada por gravedad y inyección a alta presión, dependiendo del tipo de pieza requerida.

• Aleantes como silicio y magnesio son utilizados para dotar al aluminio propiedades específicas necesarias en diversas aplicaciones.

Procesos Adicionales en la Industria

• La placa obtenida se prensa mediante rodillos en un proceso llamado laminación, produciendo chapas utilizadas en múltiples aplicaciones.

• Barrotes largos son utilizados para extrusión; estos se calientan y pasan por matrices definidas para crear perfiles específicos.

Usos Diversificados del Aluminio

• Los perfiles deben tolerar tratamientos superficiales como pintado o anodizado para mejorar resistencia mecánica y corrosión.

Propiedades y Usos del Aluminio

Características del Aluminio

• El aluminio es liviano, pesando casi un tercio que el acero o el cobre. Es dúctil, maleable y conduce bien la electricidad y el calor.

• Resiste la corrosión química y ofrece una excelente barrera sanitaria. Además, su acabado superficial es brillante y atractivo.

• Cuando se alea adecuadamente, el aluminio puede superar al mejor acero en relación resistencia-peso.

Importancia en la Conservación de Alimentos

• Mantiene los alimentos en condiciones óptimas de humedad y sabor. La energía eléctrica es crucial para su producción.

• El aluminio es uno de los mejores conductores eléctricos desde un punto de vista comercial.

Aplicaciones en Redes Eléctricas

• En tendidos eléctricos aéreos expuestos a condiciones severas, se busca un conductor resistente a la corrosión y ligero como el aluminio.

• Este material transporta energía eléctrica a diversas localidades, incluyendo ciudades y plantas de fabricación.

Reciclaje del Aluminio

• La energía necesaria para reciclar aluminio es solo el 5% de lo requerido para fabricarlo inicialmente; esto se debe a su baja temperatura de fusión (menos de 600 grados).

• Reciclar una lata ahorra suficiente energía para abastecer una casa promedio durante 10 años. El aluminio reciclado se llama "aluminio secundario".

Evolución de la Industria del Reciclaje

• La industria del reciclaje comenzó después de la Segunda Guerra Mundial, impulsada por desechos automotrices.

• En 1980 se reciclaron aproximadamente 5 millones de toneladas; esta cifra creció a 16 millones en 2007.

Desafíos Ambientales en la Producción

• Cada tonelada producida electrolíticamente genera alrededor de 1.3 toneladas de dióxido de carbono.

• Se implementan tecnologías avanzadas para minimizar el impacto ambiental mediante control estricto sobre emisiones.

Futuro del Aluminio

• A finales del siglo XIX, Julio Verne ya vislumbraba al aluminio como material ideal para naves espaciales.

¿Cuál es el impacto del aluminio en la industria y la vida cotidiana?

Importancia del aluminio en industrias avanzadas

• El aluminio es esencial en sectores como la industria espacial y aeronáutica, donde se invierten grandes recursos en innovación tecnológica.

• Los avances tecnológicos en estas industrias eventualmente benefician a sectores más cercanos a nuestra vida diaria, como el automotriz, naval y de máquinas y herramientas.

Aplicaciones del aluminio en la vida diaria

• En poco más de un siglo, especialmente en los últimos 40 años, las aplicaciones del aluminio han crecido exponencialmente.

• Ejemplos de uso incluyen latas de bebidas, puertas, marcos de ventanas, cables de alta tensión, envases de alimentos y elementos de cocina.

• La presencia del aluminio ha transformado nuestra vida actual; sin él, nuestro mundo sería casi inimaginable.

Desafíos futuros relacionados con el aluminio

• El aluminio ha hecho que el transporte aéreo sea accesible para una gran parte de la población.