| Date post: | 03-Aug-2015 |
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INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE XALAPA
INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA
GRUPO 2A
TECNOLOGÍA DE LOS MATERIALES
EME – 1028
PROF. ING. ROXANA GONZÁLEZ GUTIÉRREZ
TRABAJO – ALUMINIO; OBTENCIÓN Y USOS
INTEGRANTES
CUELLAR MARTÍNEZ YAEL OSMAR
CHÁVEZ BARBOSA MANUEL IVÁN
GÓMEZ PÉREZ JULIA ANEL
JIMÉNEZ MENDOZA ANDRÉS GIOVANNI
JIMÉNEZ TRIANA JAIR
PÉREZ SILVA KEVIN MARTÍN
ÍNDICE
INTRODUCCIÓN .................................................................................................... 1
EL ALUMINIO .......................................................................................................... 2
DEFINICIÓN ........................................................................................................ 2
CARACTERÍSTICAS ........................................................................................... 3
Características físicas ...................................................................................... 3
Características mecánicas ............................................................................... 3
Características químicas .................................................................................. 3
OBTENCIÓN DEL ALUMINIO ................................................................................. 4
PROCESOS DE OBTENCIÓN ............................................................................ 4
Proceso Bayer .................................................................................................. 4
Proceso Hall–Héroult ....................................................................................... 6
PRODUCCIÓN .................................................................................................... 7
En el mundo ..................................................................................................... 7
En México ........................................................................................................ 8
USOS DEL ALUMINIO ............................................................................................ 9
Electricidad y comunicación ............................................................................. 9
Transporte ........................................................................................................ 9
Edificación y Construcción ............................................................................. 10
Envases ......................................................................................................... 10
RECICLAJE ........................................................................................................... 11
CONCLUSIÓN ...................................................................................................... 12
FUENTES BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................... 13
CUESTIONARIO ................................................................................................... 14
1 INTRODUCCIÓN
El aluminio es uno de los elementos más abundantes en la corteza terrestre.
Generalmente se encuentra en forma de aluminosilicatos y conforme el pH del
suelo disminuye se solubiliza. La toxicidad del aluminio ha sido reconocida como
el factor limitante más importante para la producción agrícola en suelos ácidos. El
síntoma principal de la toxicidad por aluminio es la inhibición del crecimiento de las
raíces.
La toxicidad del aluminio ha sido asociada a una reducción de la absorción de
varios nutrientes de las plantas. Se ha señalado que produce precipitación de los
fosfatos en el interior de la pared celular; ha sido observado que un exceso de
aluminio interfiere la división celular en las raíces, así como el proceso de
absorción y utilización de algunos iones, en especial el Ca, Mg, y P.
La finalidad de este trabajo en particular es conocer los puntos más importantes
sobre el aluminio, que es un material fundamental en nuestra formación como
ingenieros electromecánicos; además de saber su forma de obtención, dónde
están los bancos más grandes de aluminio y los usos que se le da en las
industrias.
Pero más importante aún, es llegar a responder a la pregunta ¿Cómo podemos
reciclar el aluminio?; la cuál será respondida durante el desarrollo de este trabajo
de investigación.
2 EL ALUMINIO
DEFINICIÓN
El aluminio es un elemento químico, de símbolo Al y número atómico 13. Se trata
de un metal no ferromagnético. 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.
El aluminio es el elemento más reactivo de su
grupo, y todas sus formas están recubiertas
por una delgada capa de óxido de aluminio,
que le confiere resistencia frente a la mayoría
de los reactivos, siendo ésta una de las
características más destacables de este
material. Así, el aluminio metálico es
resistente a la acción de ácidos minerales
diluidos o a soluciones que contengan iones
metálicos menos electropositivos que el
aluminio, así como también al oxígeno de la atmósfera.
3 CARACTERÍSTICAS
Características físicas
El aluminio es un elemento muy
abundante en la naturaleza, sólo
aventajado por el silicio y el oxígeno. Se
trata de un metal ligero, con una densidad
de 2700 kg/m3, y con un bajo punto de
fusión (660 °C). Su color es blanco y
refleja bien la radiación electromagnética
del espectro visible y el térmico. Es buen
conductor eléctrico (entre 34 y 38 m/(O
mm2)) y térmico (80 a 230 W/(m·K)).
Características mecánicas
Mecánicamente es un material blando (Escala de Mohs: 2-3-4) y maleable. En
estado puro tiene un límite de resistencia en tracción de 160-200 N/mm2 (160-200
MPa). Todo ello le hace adecuado para la fabricación de cables eléctricos y
láminas delgadas, pero no como elemento estructural. Para mejorar estas
propiedades se alea con otros metales, lo que permite realizar sobre él
operaciones de fundición y forja, así como la extrusión del material. También de
esta forma se utiliza como soldadura.
Características químicas
La capa de valencia del aluminio está poblada por tres electrones, por lo que su
estado normal de oxidación es III. Esto hace que reaccione con el oxígeno de la
atmósfera formando con rapidez una fina capa gris mate de alúmina Al2O3, que
recubre el material, aislándolo de ulteriores corrosiones. Esta capa puede
disolverse con ácido cítrico. A pesar de ello es tan estable que se usa con
frecuencia para extraer otros metales de sus óxidos. Por lo demás, el aluminio se
disuelve en ácidos y bases. Reacciona con facilidad con el ácido clorhídrico y el
hidróxido sódico.
4 OBTENCIÓN DEL ALUMINIO
El aluminio no surge en la corteza terrestre como aluminio puro, sino como un
compuesto, siendo la bauxita el más común. Después del oxígeno (un 47,3%) y el
silicio (un 25,8%), el aluminio es, con un 8,1%, el tercer elemento más abundante,
a la vez que el metal más común, de la corteza terrestre.
Su extracción se realiza en dos fases. El óxido de
aluminio se separa de la bauxita mediante el
proceso Bayer. A continuación, el óxido de
aluminio fundido se someta a electrólisis
en horno de fusión para
descomponerlo en aluminio y
oxígeno.
Son necesarios más de 2000 °C para fundir el
óxido de aluminio. Hoy en día, la metodología se
adapta a la aleación que se desea obtener finalmente. Con la ayuda de aditivos
(magnesio, silicio, manganeso, etc.), se preparan distintas aleaciones que
posteriormente conforman las propiedades mecánicas del producto final. Por lo
tanto, las posibilidades de procesado del cliente pueden establecerse en una fase
muy temprana.
PROCESOS DE OBTENCIÓN
Proceso Bayer
La bauxita es la mena de aluminio más importante pero sólo contiene entre un 30
y un 54% de aluminio (expresado como Al2O3), siendo el resto una mezcla de
sílice, óxidos de hierro y dióxido de titanio. El aluminio de la bauxita se encuentra
normalmente formando hidróxidos o mezclas de hidróxidos y óxidos.
En el proceso Bayer, primero se tritura la bauxita y luego se lava con una solución
caliente de hidróxido de sodio (sosa), NaOH. La sosa disuelve los minerales de
aluminio pero no los otros componentes de la bauxita, que permanecen sólidos.
La temperatura de la digestión se escoge en función de la composición de la
bauxita. Para disolver el hidróxido de aluminio basta una temperatura de 140ºC
pero para la mezcla de hidróxido y óxido hace falta subir hasta unos 240ºC. 2
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.
5 La solución de Al(OH)4-, ya libre de impurezas, se precipita de forma controlada
para formar hidróxido de aluminio puro. Para favorecer la cristalización se opera a
baja temperatura y se "siembra" la solución con partículas de hidróxido de
aluminio.
La solución de sosa libre de aluminio se concentra en unos evaporadores y se
recicla al comienzo del proceso.
Por último, el hidróxido se calienta a unos 1050°C, en una operación llamada
"calcinación", para convertirlo en alúmina, liberando vapor de agua al mismo
tiempo.
La alúmina obtenida se utiliza principalmente para producir aluminio mediante
electrólisis.
6 Proceso Hall–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 los anódos se suelen
utilizar unos electrodos de carbón de Soldberg.
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.
Los parámetros del proceso son los siguientes:
Tensión: 5-6 V.
Densidad de corriente: 1,5-3 A/cm2, lo que supone una corriente de 150
000 amperios.
Los electrodos han de estar siempre a la misma altura, por lo que hay que
regularlos ya que se van descomponiendo durante la reacción.
Hay que controlar que la proporción de alúmina sea constante durante el
proceso, por lo que habrá que ir vertiendo más según avance el proceso.
7 PRODUCCIÓN
En el mundo
Dentro de la producción mundial que fue reportada de 44.1 millones de toneladas
de aluminio; los países que más produjeron en 2011 fueron la República Popular
de China con 18 millones de toneladas, Rusia con 4 millones y Canadá con 2.97
millones de toneladas de aluminio. México no figura en las primeras 15 posiciones.
8 En México
Alcoa, uno de los productores líderes de aluminio en el mundo, suministra
soluciones innovadoras para clientes a través de México. Activos en todas las
facetas importantes de la industria del aluminio en Latinoamérica, desde el refino y
la fundición hasta la fabricación, reciclado y otras actividades relacionadas. Su
extensa red en Sudamérica de producción y comercialización, combinada con sus
recursos mundiales, proporciona a los clientes una tecnología de vanguardia, así
como soluciones expertas e integradas para una amplia variedad de productos.
9 USOS DEL ALUMINIO
Electricidad y comunicación
El aluminio ha ido reemplazando progresivamente al
cobre desde la década de los 50 en las líneas de
transmisión de alto voltaje y actualmente es una de las
formas más económicas de transportar electricidad, además
de que puede hacerlo más eficientemente que el cobre
(actualmente se usan conductores de aluminio para transmitir
electricidad a 700.000 voltios o más). Por otra parte, el aluminio también
está presente en las antenas para televisores y satélites.
Transporte
Durante la última década la utilización de aluminio en la industria automovilística
ha aumentado de forma constante y la industria del aluminio está dedicando
importantes recursos para aumentar su participación en este sector.
Este interés responde a criterios ecológicos, además de
económicos.
Actualmente, se fabrican en aluminio piezas
fundidas (pistones, ruedas, cajas de
transmisión, conjuntos de
suspensión), radiadores, y
estructuras y carrocerías Ya existen
algunos coches no sólo deportivos sino
berlinas de alta gama (Audi A8) y utilitarios
(Audi A4) fabricados totalmente en aluminio. La
utilización de este material en la fabricación de
vehículos conlleva grandes ventajas
medioambientales: la ligereza del material supone una
reducción del peso del vehículo de hasta un 30%, lo que se traduce
en un ahorro de combustible, ya que el vehículo requiere menor fuerza y potencia
para moverse, y por lo tanto genera un menor porcentaje de polución. En términos
de reciclabilidad, en América del Norte y Europa más del 98% del aluminio
contenido en los automóviles es recuperado y reciclado. Asimismo el sector
ferroviario también utiliza el aluminio en sus locomotoras. Como ejemplo: un tren
de aluminio aporta un ahorro de energía del 87% a lo largo de los 40 años de vida
media, en comparación con otros trenes fabricados con elementos más pesados.
10 En el sector aeroespacial es indispensable gracias a su ligereza. Desde que se
fabricara el primer aeroplano, el aluminio ha formado parte importante en su
construcción y ha reemplazado a materiales que se utilizaban en sus inicios como
la madera y el acero. De hecho, el primer avión de aluminio se fabricó en la
década de 1920 y desde entonces sigue vinculado a este sector gracias a la
combinación de su resistencia, ligereza y maleabilidad.
Edificación y Construcción
En España y otros países mediterráneos, en el sector de la construcción, el uso
del aluminio es mayoritario en comparación con otros metales. La demanda ha
crecido de manera considerable a lo largo de los últimos 50 años y actualmente es
utilizado en estructuras de ventanas y puertas y en otras estructuras como
cubiertas para grandes superficies y estadios como el de Francia en París y el
nuevo parlamento europeo en Bruselas. Por otra parte, cada vez más,
diseñadores, arquitectos y artistas utilizan el aluminio con fines ornamentales y
decorativos como por ejemplo Dumia, una cúpula realizada enteramente de
aluminio y que mide más de cinco metros de altura y 12 de diámetro, situada en la
plaza Real de Torino, o la Torre de Comunicaciones de Shanghai.
Envases
En este sector, las aplicaciones son múltiples y abarcan desde la fabricación de
latas, el papel de envolver, la capa intermedia de envases de cartón (tetra brick)
hasta láminas para cerrar yogures, medicamentos, etc.
En cuanto a la utilización de latas de
aluminio cabe destacar sus ventajas
en comparación con otros envases:
protegen el contenido durante largos
periodos ante la entrada de oxígeno
y contra la luz, son muy ligeras,
permiten enfriar las bebidas
rápidamente, son difíciles de romper,
presentan una gran comodidad de
manejo y ocupan muy poco espacio.
Y lo más importante: son 100%
reciclables.
Las latas de aluminio necesitan el 40% menos del metal que las latas que se
fabricaban hace 25 años y menos energía y materia prima. En España, durante el
11 2006, dos de cada tres latas de bebidas (tanto de aluminio como de hojalata) se
reciclaron, lo que sitúa a este envase en primer lugar. Los sistemas de recogida
selectiva y de devolución son utilizados cada vez más por la sociedad, consciente
de la importancia que tiene un pequeño gesto, como el de tirar la lata a su
contenedor correspondiente, ya que supone un beneficio para el medio ambiente.
RECICLAJE
El reciclado de un material es la única alternativa que existe para dañar lo menos
posible el medio ambiente y no vernos rodeados de montones de chatarra y
residuos.
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.
En Europa, el aluminio disfruta de tasas de reciclado altas que oscilan entre el
42% de las latas de bebidas y el 85% de la construcción y el 95% del
transporte.[32]
Al aluminio reciclado se le conoce como aluminio secundario, pero
mantiene las mismas propiedades que el aluminio primario. El
aluminio secundario se produce en muchos formatos y se emplea
en un 80% para aleaciones de inyección. Otra aplicación
importante es para la extrusión. Además de ser más baratos, los
secundarios son tan buenos como los primarios. También tienen las
certificaciones ISO 9000 e ISO 14000.
La fundición de aluminio secundario implica su producción a partir de productos
usados de dicho metal, los que son procesados para recuperar metales por
pretratamiento, fundición y refinado.
12 CONCLUSIÓN
El aluminio se produce en forma comercial hace tan solo 144 años por lo que es
considerado un metal joven.
A pesar de que el hombre ha utilizado el bronce, el hierro y el estaño por miles de
años, el aluminio es considerado ya el metal el siglo XXI. Esto se debe a que
actualmente es el metal más importante de los no ferrosos a lo cual se suman sus
características de: bajo peso específico, resistencia a la corrosión, alta
conductividad térmica y eléctrica así como su alta resistencia mecánica. Además
de que es el elemento más abundante en la corteza terrestre después del silicio y
al ser aleado con otros metales adquiere una gama de aplicaciones dónde el único
límite es la inventiva del hombre.
Su producción actual de 29 millones de toneladas (incluyendo el obtenido del
reciclaje) es muy superior a la producción anual del bronce (11.5 millones de
toneladas), del hierro (5.4 millones de toneladas) y del estaño (0.2 millones de
toneladas). Esto es un factor que nos indica la importancia que está adquiriendo.
El aluminio va ganando terreno en la aplicación dentro de la industria, siendo muy
valioso por no pesar tanto y ser fácil de reciclar. En nuestro país no se tiene una
gran producción, la cual sumada con toda América latina no alcanza ni la mitad de
la producida por Estados Unidos y Canadá.
Por estas razones y por su característica de ser 100% reciclable sin perder sus
propiedades hacen al aluminio un metal ideal para múltiples aplicaciones ya
conocidas y otras más que el mundo aún no ha descubierto.
13 FUENTES BIBLIOGRÁFICAS
E. Tippens, Paul
Física. Conceptos y aplicaciones
Séptima edición
Editorial Mc Graw Hill
México 2011.
F. Smith William & Hashemi Javad
Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de los Materiales
Cuarta edición
Editorial Mc Graw Hill
México 2006.
R. Askeland, Donald
Ciencia e Ingeniería de los Materiales
Tercera edición
International Thomsom Editores
Estados Unidos 1998.
Villarmet Framery, Christine
Química II
Cuarta edición
Editorial BookMart
México 2011.
http://www.inforeciclaje.com/reciclaje-aluminio.php, Consultado el lunes 06 de Abril
de 2015.
http://aluminio.org/?p=821, Consultado el lunes 06 de Abril de 2015.
http://html.rincondelvago.com/aluminio_1.html, Consultado el domingo 05 de Abril
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http://quimica.laguia2000.com/quimica-inorganica/obtencion-del-aluminio,
Consultado el domingo 05 de Abril de 2015.
http://www.educ.ar/dinamico/UnidadHtml__get__a2884513-1b60-4cbb-9b13-
144dc5e6685f/15048-edi/data/2b088488-c851-11e0-823e-
e7f760fda940/index.htm, Consultado el sábado 04 de Abril de 2015.
14 CUESTIONARIO
1. ¿Qué es el Aluminio?
El aluminio es un elemento químico, de símbolo Al y número atómico 13. Se trata
de un metal no ferromagnético. Es el tercer elemento más común encontrado en la
corteza terrestre.
2. ¿Cómo de obtiene el Aluminio?
Su extracción se realiza en dos fases. El óxido de aluminio se separa de la bauxita
mediante el proceso Bayer. A continuación, el óxido de aluminio fundido se
someta a electrólisis en horno de fusión para descomponerlo en aluminio y
oxígeno.
3. Sintetiza las fases del proceso de Bayer.
Se tritura la bauxita y se lava con sosa, la cual disuelve los minerales de aluminio.
Se retiran de la solución los sólidos no disueltos con un decantador y unos filtros;
éstos sólidos se llaman lodo rojo y se trata para recuperar la sosa no reaccionada
y reciclarla. Se precipita la solución de hidróxido de aluminio anión de forma
controlada y con baja temperatura para obtener hidróxido de aluminio puro. Se
pasa a la fase de calcinación a 1050°C para convertirlo en alúmina.
4. Sintetiza las fases del proceso de Hall-Héroult.
La alúmina es disuelta dentro de una cuba electrolítica revestida interiormente de
carbón (cátodo) en un baño electrolítico con criolita fundida, junto con un electrodo
de carbón (ánodo). La alúmina se descompone en aluminio y oxígeno molecular,
éste es más denso que la criolita por lo que se va al fondo de la cuba, el oxígeno
se deposita en los electrodos de carbón, quemándolo y produciendo dióxido de
carbono.
5. ¿Cuáles son los principales usos del aluminio?
El aluminio se utiliza en redes de electricidad y comunicación, ya que es una forma
económica de transportar electricidad. En transporte ya que la industria
automovilística ve en este material calidad, además de contribuir a reducir los
costos. También se utiliza en la construcción por ser un material resistente y en la
industria en la creación de envases ya que es un material reciclable.
15 6. ¿Cómo se le conoce al aluminio reciclado y cuáles son sus principales
usos?
Se le conoce como aluminio secundario. Mantiene las mismas propiedades que el
aluminio primario. Se emplea en un 80% para aleaciones de inyección. Otra
aplicación importante es para la extrusión. Además de ser más baratos, los
secundarios son tan buenos como los primarios
