L'alumini arriba al mercat mitjançant una cadena de quatre operacions molt diferents: refinar el mineral en alúmina pura, reduir aquesta alúmina a metall fos, colar el metall en material semielaborat i donar forma a aquest material en peces acabades. Cada etapa té el seu propi balanç de materials, demanda d'energia i controls de qualitat, i els paràmetres establerts en les primeres etapes determinen què és possible aigües avall.
Refinació de bauxita en alúmina
La cadena comença amb la bauxita, un mineral lateritic ric en òxids d'alumini hidratats. El procés de Bayer dissol el mineral en hidròxid de sodi calent a pressió, convertint els minerals que contenen alumini en aluminat de sodi soluble mentre que els compostos de ferro, titani i sílice es mantenen insolubles. Aquest residu, conegut com fang vermell, es filtra i s'emmagatzema en estanys de contenció dissenyats a causa de la seva alcalinitat i gran volum.
El licor d'aluminat de sodi clarificat es refreda i es sembra en dipòsits de precipitació, on l'hidròxid d'alumini cristal·litza durant diversos dies. Els cristalls es renten i després es calcinen en forns rotatius a uns 1.000 C per expulsar l'aigua lligada químicament, produint alúmina anhidra (Al2O3).
El balanç de materials és la manera més clara de jutjar l'escala d'aquest pas. Es consumeixen entre 4 i 5 tones de bauxita per produir 2 tones d'alúmina, i el refinament és una de les etapes més intensives en energia de tota la cadena. El contingut de sílice al mineral és el principal factor de cost, perquè la sílice reactiva consumeix sosa càustica i augmenta el consum tant d'àlcali com d'energia.
Fusió a les cèl·lules Hall-Heroult
L'alúmina es converteix en alumini metàl·lic per reducció electrolítica en cèl·lules revestides de carboni. L'alúmina es dissol en criolita fosa a uns 950 C, la qual cosa redueix la temperatura de treball a un nivell pràctic per a un funcionament continu mentre manté l'electròlit conductor.
Els ànodes de carboni es submergeixen al bany i es consumeixen contínuament, alliberant diòxid de carboni a mesura que l'oxigen de l'alúmina es combina amb el carboni. El corrent continu en el rang de 150.000 a 300.000 amperes per línia cel·lular divideix l'enllaç d'oxigen d'alumini i l'alumini fos, sent més dens que el bany, s'acumula a la part inferior de la cel·la. El metall es retira cada 24 a 48 hores i es trasllada en cullerots a la sala de colada.
El consum d'energia és el cost operatiu dominant. Una cèl·lula moderna consumeix aproximadament entre 13 i 15 kWh per quilogram d'alumini produït, i els ànodes i el revestiment de la cèl·lula són consumibles que s'han de substituir en un cicle planificat. És per això que les foses es troben on l'electricitat és barata i estable, i per això els guanys incrementals en l'eficiència actual es tradueixen directament en el cost i el rendiment del carboni.
Colada i enrotllament en productes semi-acabats
El metall líquid es converteix en material semi-acabat a la sala de fosa. La fosa de refrigeració directa (DC) produeix lloses laminades de fins a unes 30 tones per a productes plans, juntament amb palanxes d'extrusió per a productes llargs. Els paràmetres de colada, especialment la velocitat de refrigeració, controlen l'estructura del lingot i la quantitat de segregació que s'ha d'eliminar posteriorment.
Homogeneïtzació:Les lloses es mantenen a 500 a 600 C durant cicles de 8 a 24 hores per dissoldre i redistribuir els elements segregats i per uniformitzar l'estructura per al rodament.
Laminació en calent:el gruix es redueix d'uns 600 mm fins a 2 a 10 mm en un molí inversor mitjançant múltiples passades a temperatura elevada.
Laminació en fred:la bobina laminada en calent es redueix encara més a calibres precisos, fins a uns 0,006 mm per a la làmina, amb una tolerància de gruix que es manté dins d'un més o menys 3 per cent.
Recuit intermedi:s'aplica un recuit de 350 C entre les etapes de laminació en fred per restaurar la ductilitat de manera que sigui possible una reducció addicional sense esquerdes de vora.
El control de calibre, la planitud i la neteja de la superfície es controlen contínuament en aquesta etapa, perquè un defecte de rodament no es pot corregir més endavant en la cadena del procés.
Mètodes de conformació i conformació
L'estoc semi-acabat es converteix en geometria acabada per una d'aquestes diverses rutes, cadascuna de les quals s'adapta a la mida de la peça, la tolerància i el volum de producció:
Extrusió:Les palanxes escalfades a uns 500 C són empès a través d'una matriu a pressions de fins a aproximadament 100 MPa, produint perfils llargs de secció transversal constant per a la construcció, el transport i l'ús elèctric.
Forja amb matriu tancat:El metall calent es forma entre matrius coincidents de manera que el flux de gra segueix el camí de càrrega, per això els components de la suspensió i la direcció forjats porten càrregues de fatiga elevades.
fosa a pressió a alta pressió:El metall fos s'injecta en matrius d'acer a pressions superiors a uns 70 MPa, donant peces de paret fines i amb forma propera a la xarxa per a carcasses i suports a ritmes de cicle elevats.
Dibuix profund:La làmina es dibuixa en tasses i després es torna a dibuixar per fer llaunes de begudes sense costures i contenidors similars de parets primes.
Fabricació additiva:La fusió per làser selectiva construeix suports complexos i nuclis d'intercanviador de calor capa per capa, una ruta utilitzada on les eines convencionals no serien pràctiques.
Tractament superficial i acabat
L'acabat determina com funciona la peça en servei i quant de temps conserva el seu aspecte.
Anoditzat:un procés electrolític que fa créixer una capa d'òxid porosa d'uns 25 micres de gruix, utilitzat per a perfils arquitectònics i productes de consum on la duresa i la resistència a la intempèrie són importants.
Recobriment en pols:una capa de polímer aplicada electrostàticament curada a uns 200 C, donant un color durador i resistència a la intempèrie a l'aire lliure.
Recobriment de conversió:una fina pel·lícula química que millora l'adhesió de la pintura i afegeix protecció contra la corrosió sense canviar de dimensions, molt utilitzada per a components aeroespacials i automoció.
Polit i raspallat mecànic:produir superfícies decoratives i de baixa fricció per a aplicacions arquitectòniques i d'electrodomèstics.
Texturació làser:crea micro ranures controlades que milloren la retenció del lubricant en superfícies de lliscament i eines de conformació.
Preguntes freqüents
P: Quanta bauxita es necessita per fer alúmina?
Com a xifra de treball, es consumeixen entre 4 i 5 tones de bauxita per produir 2 tones d'alúmina. La proporció exacta depèn del contingut d'alúmina disponible del mineral i de la quantitat de sílice reactiva que s'ha de rebutjar durant la digestió.
P: Què és el fang vermell i per què s'emmagatzema a les basses?
El fang vermell és el residu insoluble que queda després de la digestió de la bauxita, format per compostos de ferro, titani i sílice juntament amb àlcali residual. La seva alcalinitat i volum requereixen una contenció dissenyada, i és el principal element de gestió ambiental de l'etapa de refinació.
P: Per què s'utilitza la criolita en la fosa d'alumini?
La criolita dissol l'alúmina i deixa que la reducció funcioni a uns 950 C, molt per sota del punt de fusió de l'alúmina pura. Aquesta temperatura més baixa és el que fa que l'electròlisi industrial contínua sigui pràctica.
P: Quanta electricitat requereix la fosa?
Una cèl·lula de reducció moderna consumeix entre 13 i 15 kWh per quilogram d'alumini, la qual cosa fa que el cost de l'energia i l'estabilitat de l'energia siguin els factors decisius a la ubicació de la fosa.
P: Quina diferència hi ha entre el laminat en calent i el laminat en fred?
La laminació en calent redueix el gruix de la llosa d'uns 600 mm a 2 a 10 mm a temperatura elevada, on el metall és tou i les reduccions per passada poden ser grans. A continuació, la laminació en fred porta la bobina al calibre final, fins a uns 0,006 mm, amb una tolerància de gruix molt més ajustada i un millor acabat superficial.
P: Quin procés de conformació s'ha de triar per a una peça determinada?
L'extrusió s'adapta a perfils de secció transversal constant, la forja s'adapta a les peces de càrrega que necessiten un flux de gra favorable, la fosa a pressió s'adapta a carcasses de parets primes en gran volum, l'embotit profund s'adapta a contenidors sense costures i la fabricació additiva s'adapta a geometries complexes de baix volum.
