Aluminio Y Cobre

INDICE.

ANTECEDENTES HISTORICOS…….4

PROCESOS IMPORTANTES ACTUALES DEL ALUMINIO Y COBRE…………………..7

AVANCES TECNOLOGICOS Y ECOLOGICOS………………………….12

Justificación:

El propósito que tiene la materia de Metalurgia en cuanto al tema que corresponde al grupo, es tener una conciencia por parte de los alumnos y de los profesores para la utilización de plantas de Refinación de Aluminio y cobre. En cuanto que tienen estas al medio ambiente.

Con la realización de este proyecto se pretende mostrar al alumnado más sobre el campo de la Metalurgia, tratar de abrir un status en donde se tenga más oportunidades de trabajo, ampliando su campo de conocimiento.

Enfocándose en el tema propuesto el alumno tratara de comprender, cual es la importancia de las plantas de refinación en una empresa metalúrgica.

Por otro lado se pretende enseñar el lado negativo de lo que en si lleva los procesos metalúrgicos, mostrando las desventajas en cuanto al ambiente, con el propósito de comprender que soluciones plantear para su nivelación de contaminación.

El alumno se espera como fin, que se fortalezca su conocimiento en la rama, con procesos que no existen en la carrera y asimismo tener herramientas para poder salir a enfrentar al mundo de afuera.

En cuanto al tema del enfoque ecológico, ya tiene conocimientos en cuanto a la contaminación de las industrias, las cuales se desarrollaron en el transcurso de semestres anteriores, pero en este caso las tiene que aplicar en un campo muy afectado por lo anterior, pero por lo consiguiente el proyecto aula espera que los grupos encuentren posibles soluciones a esto, en donde se tratara de dar soluciones breves, que puedan ayudar a combatir esto, ya que este es un problema muy extenso, que no tendrá finalización, hasta en varios, pero se tratara de dar opiniones, recomendación, investigaciones, etc. para su iniciación.

Y en cuanto las plantas de refinación de aluminio y cobre, a pesar de tener existencia física en nuestro taller, se llevara consigo de aportar conocimientos elementales de la materia y se espera lograr que el alumno logre comprender el funcionamiento e importancia que tienen estas plantas para la obtención de metales elementales para la producción ascendente de la industria metalúrgica.

Historia de la extracción del aluminio.

La extracción del aluminio a partir de las rocas que lo contenían se reveló como una tarea ardua. A mediados de siglo, podían producirse pequeñas cantidades, reduciendo con sodio un cloruro mixto de aluminio y sodio, gracias a que el sodio era más electropositivo. Durante el siglo XIX, la producción era tan costosa que el aluminio llegó a considerarse un material exótico, de precio exorbitado, y tan preciado o más que la plata o el oro.

Diversas circunstancias condujeron a un perfeccionamiento de las técnicas de extracción y un consiguiente aumento de la producción. La primera de todas fue la invención de la dinamo en 1866, que permitía generar la cantidad de electricidad necesaria para realizar el proceso. En el año 1889, Karl Bayer patentó un procedimiento para extraer la alúmina u óxido de aluminio a partir de la bauxita, la roca natural. Poco antes, en 1886, el francés Paul Héroult y el norteamericano Charles Martin Hall habían patentado de forma independiente y con poca diferencia de fechas un proceso de extracción, conocido hoy como proceso Hall-Héroult. Con estas nuevas técnicas la producción de aluminio se incrementó vertiginosamente. Si en 1882, la producción anual alcanzaba apenas las 2 toneladas, en 1900 alcanzó las 6.700 toneladas, en 1939 las 700.000 toneladas, 2.000.000 en 1943, y en aumento desde entonces, llegando a convertirse en el metal no férreo más producido en la actualidad.

1. Proceso de Le Chatelier (propuesto por Henri-Louis Le Châtelier )

Que consistía en mezclar la bauxita con carbonato sódico y someter la mezcla a calcinación en un horno a 1000 – 1100 ºC. Como producto de reacción se obtenía aluminato sódico, que se lixiviaba a 80ºC para dar una solución de la que, una vez saturada, se precipitaba la alúmina por medio de CO2 procedente del horno.

2. proceso Hall-Héroult (patentada en 1886)

Descubierta y patentada por el estadounidense Charles Martin Hall casi al mismo tiempo que el francés Paul Héroult

En este proceso la alúmina (Al2O3) es disuelta dentro de una cuba electrolítica revestida interiormente de carbón en un baño electrolítico con criolita (Na3AlF6) fundida. La cuba actúa como cátodo, mientras que como ánodos se suelen utilizar unos electrodos de carbón de Soldberg. Al2O3 + 3 C → 2 Al + 3 CO

La alúmina se descompone en aluminio y oxígeno molecular. Como el aluminio líquido es más denso que la criolita se deposita en el fondo de la cuba, de forma que queda protegido de la oxidación a altas temperaturas. El oxígeno se deposita sobre los electrodos de carbón, quemándose y produciendo el CO2.

Cabe destacar que este es el proceso más utilizado para la extracción del aluminio y con las mejores ventajas; desde esos días la producción del aluminio fue incrementando y pasar de metal precioso a metal común y barato.

3. Proceso de Bayer. (Patentada en 1889)

Fue patentada por el austriaco Karl Bayer en 1889 y basado en la disolución de la bauxita con hidróxido sódico.

El aluminio de la bauxita se encuentra normalmente formando hidróxidos, Al(OH)3, o mezclas de hidróxidos y óxidos, (AlO(OH)2). Primero se tritura la bauxita y luego se lava con una solución caliente de hidróxido sódico (sosa), NaOH. La sosa disuelve los minerales de aluminio pero no los otros componentes de la bauxita, que permanecen sólidos. Las reacciones químicas que ocurren en esta etapa, llamada "digestión".

Al(OH)3 + OH- + Na* → Al(OH)4- + Na* ó AlO(OH)2 + OH- + H2O + Na* → Al(OH)4- + Na*

A continuación se retiran de la solución los sólidos no disueltos, principalmente en un decantador seguido de unos filtros para eliminar los últimos restos. Los sólidos recogidos en el decantador, llamados "lodo rojo", se tratan para recuperar la sosa no reaccionada, que se recicla al proceso.

Extracción del cobre

El cobre es uno de los pocos metales que pueden encontrarse en la naturaleza en estado "nativo", es decir, sin combinar con otros elementos. Por ello fue uno de los primeros en ser utilizado por el ser humano. Los otros metales nativos son el oro, el platino, la plata y el hierro proveniente de meteoritos.

En la edad media la resistencia a la corrosión del cobre, el bronce y el latón permitió que estos metales hayan sido utilizados no sólo como decorativos sino también como funcionales desde la Edad Media hasta nuestros días. Entre los siglos X y XII se hallaron en Europa Central grandes yacimientos de plata y cobre, principalmente Rammelsberg y Joachimsthal. De ellos surgió una gran parte de la materia prima para realizar las grandes campanas, puertas y estatuas de las catedrales góticas europeas; además de que se usó para la fabricación de armas como espadas, hachas, lanzas etc.

La metalurgia del cobre es un sector específico de la metalurgia, que se refiere a la técnica, relativa al tratamiento de los minerales a alto contenido de cobre con el fin de obtener cobre o sus aleaciones.

El cobre nativo que hoy rara vez se utiliza con fines industriales, ya que es preferible extraer de los minerales más abundantes como cuprita, la calcopirita, covelina y la tetraedrita.

Extracción del cobre en la actualidad.

Extracción, carguío y transporte: teniendo claro que existe un yacimiento, se decide comenzar a trabajar en él. Las rocas y los minerales adecuados se extraen de la mina y son transportadas a la planta donde continúan los demás procesos de producción.

Chancado: Es la etapa en la que grandes máquinas reducen el tamaño del material extraído en la mina a porciones cada vez más pequeñas y compactas, de no más de 1,5 pulgadas. Dicho material se ordena apilándolo.

Procesos para la extracción del cobre oxidado

Lixiviación:

Las pilas de material mineralizado se riegan con una solución de agua con ácido sulfúrico que disuelve el cobre contenido en los minerales oxidados, formando una solución de sulfato de cobre. Esta solución escurre a través de la pila, se recoge, luego se purifica y se concentra antes de llevarla a la electro obtención.

Electro obtención:

Es una electrólisis, es decir un proceso mediante el cual se separa un compuesto -cobre, en este caso-, de otros, usando para ello la electricidad. Así, se recupera el cobre desde la solución desarrollada en la lixiviación, obteniéndose cátodos de la más alta pureza (99,99%).

Cátodos:

Los cátodos obtenidos son examinados cuidadosamente. Aquellos seleccionados son apilados, pesados y embalados para su despacho, el que se realiza mediante trenes y camiones a los puertos de embarque.

Procesos para la extracción del cobre sulfurado

Molienda: mediante molinos se continúa reduciendo las partículas de mineral hasta obtener un tamaño máximo de 180 micrones (0,18mm). Con esto se forma una pulpa con agua y reactivos que se lleva a la flotación.

Flotación: en esta etapa se genera espuma, cuyas burbujas atrapan el cobre y otros minerales sulfurados contenidos en la pulpa; Luego de varios ciclos, se recolecta y se seca esta espuma para obtener el concentrado de cobre que continua su purificación.

Fundición: para separar el cobre de otros minerales e impurezas, el concentrado de cobre seco se trata a grandes temperaturas en hornos especiales; Luego de varios procesos se obtiene cobre RAF (refinado a fuego) el que es moldeado en placas de un peso aproximado de 225 kg, llamadas ánodos.

Electro refinación: los ánodos provenientes de la fundición se llevan a celdas electrolíticas para su refinación. De este proceso se obtienen cátodos de alta pureza. 99,99 % de cobre.

-Procesos importantes actuales del aluminio y cobre.

Para obtener la alúmina desde la mena se usan diferentes procedimientos, dos de los cuales son:

1. Tratamiento con sosa caustica.

2. Tratamiento con carbonatos.

Tratamiento con sosa caustica.

Este método es mas conveniente cuando la cantidad de sílice (SiO2) es menor del 5% en la mena.

Según este procedimiento, la bauxita se muele y se carga a unos autoclaves para su lixiviación. A los autoclaves de agrega una disolución de sosa caustica y se da vapor hasta una presión de trabajo de 12 atm y una temperatura de 160-170oC.

La alúmina, que se encuentra en la bauxita en forma de hidróxido de aluminio, reacciona con la sosa y pasa a la disolución en forma de aluminato sódico (Na2O.Al2O3):

2Al(OH)3 + 2NaOH ==> Na2O.Al2O3 + 4H2O

Los óxidos de hierro presentes, no reaccionan y pasan a los lodos.

La sílice reacciona con la sosa y pasa a la disolución en forma de silicato sódico (Na2O.SiO2):

SiO2 + 2Na(OH) ==> Na2O.SiO2 + H2O

El silicato sódico, actúa con el aluminato sódico en la disolución y forma el aluminio-silicato sódico insoluble (Na2O.SiO2.2SiO2.2H2O):

Na2O.Al2O3 + 2Na2O.SiO2 + 4H2O ==> Na2O.SiO2.2SiO2.2H2O + 4NaOH

Como resultado de esta reacción, la disolución se limpia de sílice pero cierta cantidad de aluminio para a los precipitados.

Finalmente se ha obtenido el aluminato sódico (Na2O.Al2O3) como una masa pastosa en el autoclave. Del autoclave se envía a un aparato de evaporación especial, donde la masa se enfría y se hidroliza el aluminato sódico para obtener el hidróxido de aluminio (Al(OH)3) cristalino precipitado. Este proceso se inocula con cristales de hidróxido de aluminio para servir de centros de cristalización.

Na2O.Al2O3 + 4H2O <==> NaOH + 2Al(OH)3

Finalmente se hace la calcinación a 1200oC del hidróxido obtenido en hornos rotatorios para convertirlo en alúmina (Al2O3):

2Al(OH)3 ==> Al2O3 + H2O

El rendimiento de alúmina a partir de la mena, por este procedimiento es cerca del 85%.

Tratamiento con carbonatos.

Las menas se trituran y se mezclan con carbonato de sodio y carbonato de calcio y se sinteriza a 1100oC, como resultado se obtiene el aluminato sódico sólido (Na2O.Al2O3), así como el silicato cálcico (CaO.SiO2) y la ferrita sódica (Fe2O3.Na2O), según las reacciones.

Al2O3 + Na2CO3 ==> Na2O.Al2O3 + CO2

2CaCO3 + SiO2 ==> CaO.SiO2 + 2CO2

2Fe2O3 + Na2CO3 ==> 2Fe2O3.Na2O + CO2

Después de la sinterización la masa se muele y se somete a la lixiviación, durante la cual pasan a la disolución el aluminato sódico (Na2O.Al2O3) y la ferrita sódica (2Fe2O3.Na2O), el silicato cálcico (CaO.SiO2) precipita, así como algunas otras impurezas. Con el tiempo posterior la ferrita sódica en disolución se hidroliza y forma hidróxido de hierro insoluble (Fe(OH)3) que precipita, y sosa cáustica (NaOH) que pasa a la disolución, según la reacción:

Fe2O3.Na2O + 4H2O ==> 2Fe(OH)3 +2NaOH

Luego el aluminato de sodio se somete a la carbonatación con CO2 para formar hidróxido de aluminio (Al(OH)3) insoluble que precipita y carbonato de sodio (Na3CO3) que pasa a la disolución; la reacción es la siguiente:

Na2O.Al2O3 + CO2 + 3H2O ==> 2Al(OH)3 +Na3CO3

Finalmente se hace la calcinación del hidróxido de aluminio para obtener alúmina (Al2O3) pura, igual que en caso anterior.

2Al(OH)3 ==> Al2O3 + H2O

En ambos procesos el resultado final es la alúmina, base para la producción del aluminio metálico.

Existen diferentes procesos productivos, dependiendo si el cobre se encontró en la naturaleza combinado con oxígeno (oxidado) o azufre (sulfurado). Generalmente en los yacimientos, el cobre oxidado se encuentra más superficialmente.

Procesos para la extracción del cobre oxidado

Lixiviación:

Las pilas de material mineralizado se riegan con una solución de agua con ácido sulfúrico que disuelve el cobre contenido en los minerales oxidados, formando una solución de sulfato de cobre.

Esta solución escurre a través de la pila, se recoge, luego se purifica y se concentra antes de llevarla a la electroobtención.

Electroobtención:

Es una electrólisis, es decir un proceso mediante el cual se separa un compuesto -cobre, en este caso-, de otros, usando para ello la electricidad.

Así, se recupera el cobre desde la solución desarrollada en la lixiviación, obteniéndose cátodos de la más alta pureza (99,99%).

Cátodos:

Los cátodos obtenidos son examinados cuidadosamente.

Aquellos seleccionados son apilados, pesados y embalados para su despacho, el que se realiza mediante trenes y camiones a los puertos de embarque.

Procesos para la extracción del cobre sulfurado

Molienda: mediante molinos se continúa reduciendo las partículas de mineral hasta obtener un tamaño máximo de 180 micrones (0,18mm). Con esto se forma una pulpa con agua y reactivos que se lleva a la flotación.

Flotación: en esta etapa se genera espuma, cuyas burbujas atrapan el cobre y otros minerales sulfurados contenidos en la pulpa.

Luego de varios ciclos, se recolecta y se seca esta espuma para obtener el concentrado de cobre que continua su purificación.

Fundición: para separar el cobre de otros minerales e impurezas, el concentrado de cobre seco se trata a grandes temperaturas en hornos especiales.

Luego de varios procesos se obtiene cobre RAF (refinado a fuego) el que es moldeado en placas de un peso aproximado de 225 kg, llamadas ánodos.

Electro refinación: los ánodos provenientes de la fundición se llevan a celdas electrolíticas para su refinación. De este proceso se obtienen cátodos de alta pureza. 99,99 % de cobre.

AVANCES TÉCNOLOGICOS Y ECOLÓGICOS.

Aluminio.

El aluminio es 100% reciclable sin merma de sus cualidades físicas, y su recuperación por medio del reciclaje se ha convertido en una faceta importante de la industria del aluminio. El proceso de reciclaje del aluminio necesita poca energía. El proceso de refundido requiere sólo un 5% de la energía necesaria para producir el metal primario inicial.

El reciclaje del aluminio fue una actividad de bajo perfil hasta finales de los años sesenta, cuando el uso creciente del aluminio para la fabricación de latas de refrescos trajo el tema al conocimiento de la opinión pública.

Al aluminio reciclado se le conoce como aluminio secundario, pero mantiene las mismas propiedades que el aluminio primario.

La fundición de aluminio secundario implica su producción a partir de productos usados de dicho metal, los que son procesados para recuperar metales por pre tratamiento, fundición y refinado.

Se utilizan combustibles, fundentes y aleaciones, mientras que la remoción del magnesio se practica mediante la adición de cloro, cloruro de aluminio o compuestos orgánicos clorados.

Las mejores técnicas disponibles incluyen:

• Hornos de alta temperatura muy avanzados.

• Alimentación libre de aceites y cloro.

• Cámara de combustión secundaria con enfriamiento brusco

• Adsorción con carbón activado.

• Filtros de tela para eliminación de polvos.

Cobre.

El cobre es uno de los pocos materiales que no se degradan ni pierden sus propiedades químicas o físicas en el proceso de reciclaje. Puede ser reciclado un número ilimitado de veces sin perder sus propiedades, siendo imposible distinguir si un objeto de cobre está hecho de fuentes primarias o recicladas. Esto hace que el cobre haya sido, desde la Antigüedad, uno de los materiales más reciclados.

El reciclado proporciona una parte fundamental de las necesidades totales de cobre metálico. Se estima que en 2004 el 9% de la demanda mundial se satisfizo mediante el reciclado de objetos viejos de cobre. Si también se considera "reciclaje" el refundido de los desechos del proceso de refinado del mineral, el porcentaje de cobre reciclado asciende al 34% en el mundo y hasta un 41% en la Unión Europea.

El reciclado del cobre no requiere tanta energía como su extracción minera. A pesar de que el reciclado requiere recoger, clasificar y fundir los objetos de metal, la cantidad de energía necesaria para reciclar el cobre es sólo alrededor de un 25% de la requerida para convertir el mineral de cobre en metal.

La eficacia del sistema de reciclado depende de factores tecnológicos como el diseño de los productos, económicos como el precio del cobre y sociales como el concienciamiento de la población acerca del desarrollo sostenible. Otro factor clave es la legislación. Actualmente existen más de 140 leyes, regulaciones, directivas y guías nacionales e internacionales que tratan de favorecer la gestión responsable del final del ciclo de vida de los productos que contienen cobre como por ejemplo electrodomésticos, teléfonos y vehículos.

En la Unión Europea, la directiva 2002/96/CE sobre residuos de aparatos eléctricos y electrónicos (RAEE, o WEEE del inglés Waste Electrical and Electronic Equipment) propicia una política de minimización de desperdicios, que incluye una obligatoria y drástica reducción de los desechos industriales y domiciliarios, e incentivos para los productores que producen menos residuos. El objetivo de esta iniciativa era reciclar 4 kilos por habitante al año a fines de 2006.

Un ejemplo de reciclaje masivo de cobre lo constituyó la sustitución de las monedas nacionales de doce países europeos por el euro en 2002, el cambio monetario más grande de la historia. Se eliminaron de la circulación unas 260.000 toneladas de monedas, conteniendo aproximadamente 147.496 toneladas de cobre, que fueron fundidas y recicladas para su uso en una amplia gama de productos, desde nuevas monedas hasta diferentes productos industriales.

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