Investigación sobre Aluminio

5/10/2018 Investigaci n sobre Aluminio - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/investigacion-sobre-aluminio 1/12

17/5/2011

Ingeniería en Innovación y Diseño | Erick Alejandro Alcántara C.

UNIVERSIDAD

PANAMERICANA ALUMINIO



2

Índice Portada................................................................................................................................................ 1

Índice................................................................................................................................................... 2

Introducción........................................................................................................................................ 3

¿Por qué aluminio?............................................................................................................................. 3

La Bauxita............................................................................................................................................ 4

El proceso Bayer ................................................................................................................................. 4

El proceso Hall-Héroult....................................................................................................................... 5

Extracción, exportación y venta a otras industrias........................................................................... 6

El Aluminio y la Industria Automotriz................................................................................................ 7

Fundición................................................................................................................................ 7

Rolling..................................................................................................................................... 7

Extruccion............................................................................................................................... 7

Forja ....................................................................................................................................... 7

Dibujo..................................................................................................................................... 8

Mecanizado............................................................................................................................ 8

Diagrama de Flujo............................................................................................................................... 9

Conclusión........................................................................................................................................ 10

Fuentes............................................................................................................................................. 11

Imagen en portada: Audi R8 V10 TFSI, un auto deportivo de origen alemán que goza de gran popularidad.

Esta construido con 80% de aluminio surtido principalmente por Novalis Inc. Es fabricado en la planta de

Neckarsulm, Alemania y entre su lista de innovaciones, cuenta con el chasis”Audi Space Frame”, que es una

aleación de aluminio y magnesio. Después de su lanzamiento al mercado en 2007, la mayoría de los

modelos de Audi AG y Volkswagen AG cuentan con esta tecnología.



3

Introducción

El aluminio es el metal más abundante corteza terrestre y se ha encontrado

combinado con más de 270 minerales diferentes en la naturaleza, ya que es altamentereactivo. Por lo tanto, hay muchas fuentes para extraer aluminio, sin embargo, no fue

descubierto hasta 1825, y era tan raro que era considerado un metal semiprecioso. En

1884, la producción norteamericana total de aluminio era solo de 57 kilogramos. Pero en

1886, dos trabajadores americanos independientes desarrollaron un método para extraer

aluminio a partir del oxido de aluminio. Estos personajes son Charles Martin Hall y

Frenchman Paul L. T. Heroult. Gracias a su método, en 1891 la producción total de

aluminio en Estados Unidos aumento a 300 toneladas. Ahora, es usado en una amplia

variedad de objetos, debido a su maleabilidad, resistencia a la oxidación y bajo peso.

¿Por qué aluminio?

Diseño Industrial (Ingeniería en Innovación y Diseño) abarca una gran cantidad de

productos y debe considerar un largo catalogo de materiales. En el área de transportes,

el diseño industrial de enfoca en los automóviles. La industria automotriz, donde daré mi

enfoque, lo aplica en distintas partes de sus modelos, con el propósito de economizar la

producción o mejorar el desempeño del auto sobre el asfalto. El aluminio ha permitido el

desarrollo de partes mecánicas, la estilización del exterior e interior del vehículo, hasta ladisminución del peso y así mejorar el medio ambiente.

El aluminio es perfecto para las aleaciones, y así permite la creación de nuevos

productos y partes automotrices. Los medios de transporte son el principal “mercado en

crecimiento” para el aluminio. Se estima que cada 150 kg de aluminio que sustituye a

otros materiales en un auto, ahorra medio litro de gasolina cada 160 km. Pero nada de

esto sería posible sin la bauxita, el principal mineral de donde se obtiene el aluminio

metálico.



4

La Bauxita

Este mineral (figura 1) se produce como producto de la

meteorización de bajo contenido en hierro y a base de sílice

en las condiciones climáticas tropicales. Sin embargo esta no

es una fuente económica, pero si la más efectiva para la

producción de aluminio en forma metálica. Las regiones

donde se concentra son Australia, Brasil, Jamaica y sobre

todo en Guinea, Rusia, Indonesia y Surinam.

En las minas de bauxita, que son conocidas como minas alaire libre, se recolecta con maquinaria pesada. El concepto

de “mina al aire libre” significa que el mineral en cuestión está

en la superficie, sin necesidad de cavar túneles. La bauxita se

caracteriza por un color marrón con manchas oscuras. En Guinea hay más de 25 billones

de toneladas de bauxita.

El proceso Bayer

Después de la recolección, se lleva a naciones con fuentes de energía constante, ya quesu extracción y fundición requiere grandes cantidades de energía. La fundición de la

bauxita se realiza en naciones como Australia, Canadá, Estados Unidos, Rusia, Brasil y

Noruega. Regiones con exceso de gas natural, como los Emiratos Árabes Unidos, se

están convirtiendo en nuevas regiones de fundición.

La bauxita contiene entre 30-45% de oxido de aluminio, combinado con dióxido de silicón,

oxido de hierro y dióxido de titanio. Para continuar el proceso, se usa el proceso Bayer,

que tiene el propósito de extraer el oxido de aluminio. La bauxita es digerida por un baño

con solución de Hidróxido de Sodio, NaOH, a 175° Celsius. Esto convierte el Oxido de

Aluminio, Al2O3, en Hidróxido de Aluminio, Al(OH)3, así como la siguiente ecuación

señala:

Fig. 1: Una mena debauxita. Fue nombrado por

el geólogo francés PierreBerthier en 1821, en honoral pueblo Les Baux en elsur de Francia, donde sereconoció por primera vezque contienen aluminio.



5

El resto de los componentes

de la bauxita no se disuelven

y forman un compuesto

conocido a nivel industrialcomo “Lodo Rojo”. Para

regresar el hidróxido de

aluminio en oxido de

aluminio, se calienta a 1050°

Celsius, produciendo también

residuos de agua: 2 Al(OH)3 → Al2O3 + 3 H2O

El proceso Hall-Héroult

Charles Martin Hall y Frenchman Paul L. T. Heroult fueron quienes desarrollaron la

técnica para extraer el aluminio a partir del oxido de aluminio. Su método es en pocas

palabras una reacción electrolítica.

Pero para continuar, se requiere de otro material, la

criolita, Na3AlF6. Este mineral se extrae en pequeñas

cantidades en el norte del continente americano,

Rusia, entre otras regiones de latinoamericana y

Europa oriental.

El oxido de aluminio

obtenido del proceso

Bayer se combina con

criolita y Fluoruro de

Aluminio, para bajar elpunto de fusión. Las tres sustancias se funden a

1000°C (si no se combinaran las tres sustancias, el

punto de fusión seria más alto), y se les añade una

carga eléctrica desde una corriente directa, para realizar la dichosa reacción electrolítica.

Fig. 2: proceso Bayer representado en una gra

Fig.3: Diagrama Simplificado de una celda Hall-Héroutl

Antes del descubrimiento de la

bauxita como principal mineral

para la extracción de aluminio,

se procesaba criolita.



6

Se requieren entre tres o cinco volts para impulsar la reacción, mientras que el radio de

producción es proporcional con la corriente. Esto significa que mientras más corriente

eléctrica, hay mas producción de aluminio. A nivel industrial, se requieren más de dos mil

amperes para cada celda Hall-Héroult. La reacción electroquímica causa que el aluminiofundido se deposite en el cátodo como un precipitado. Es decir, se deposita en el fondo

de la celda.

2Al2O3 + 3C 4Al + 3CO2

Mientras la criolita sólida es más densa que el aluminio sólido a temperatura ambiente, el

aluminio líquido es más denso que la criolita fundida a temperaturas de alrededor de

1.000 ° Celsius, la cual es la razón de que el aluminio se hunda hasta el fondo, donde

periódicamente son recogidos. Durante el proceso ocurren eventos inevitables que

ayudan al proceso Hall-Héroult, como por ejemplo: la parte superior y los lados de las

celdas se cubren con capas de criolita, actuando como aislante térmico, así la celda

mantiene su temperatura de 1000° Celsius; la resistencia eléctrica

dentro de cada celda produce suficiente calor para mantener la

mezcla de criolita y alúmina (oxido de aluminio). Cada celda

produce en promedio dos toneladas de aluminio por día.

Extracción, exportación y venta a otras industrias.

El aluminio líquido se extrae con la ayuda de un sifón que operan con un vacío, para

evitar tener que utilizar las válvulas o bombas de muy alta temperatura. Una vez al día,

los trabajadores extraen aluminio de las celdas. Gran parte del metal se ha reservado

para la fabricación de lingotes. Para realizar una fabricación de lingotes, el aluminio

fundido procede grandes hornos en los que puede ser mezclado con otros metales para

formar aleaciones. A partir de ahí, el metal se somete a un proceso de limpieza conocido

como “fluxing ”. Fluxing (toscamente traducido a Fundente) utiliza gases como el nitrógeno

o el argón para separar las impurezas y traerlos a la superficie para que puedan serdesnatadas.

Alcoa, uno de los líderes

de producción de

aluminio fue fundada por

Charles Martin Hall.



7

El aluminio purificado se vierte en moldes y se enfría rápidamente regando agua fría

sobre el metal. Algunos de los lotes de aluminio no se limpian ni se alean. En cambio, es

vertido directamente en los moldes y se endurecen para formar lingotes de refundición.

El aluminio y la industria automotriz.

Estas plantas de aluminio “primario” venden lingotes de refundición a otras fundidoras

locales o a otras empresas con sus propias plantas de aluminio. Estas continúan con la

aleación y fundición con sus propios métodos, dependiendo del producto que desean

crear. Es aquí cuando cada pieza de aluminio adquiere su propia función y forma. Las

grandes marcas automotrices cuentan con sus propias plantas de procesamiento de

aluminio, o contratan a una procesadora de su preferencia para hacer solo una parte de

la fabricación. Transforman el aluminio en distintos objetos como engranes, láminas

personalizadas, tornos, alambres, o en adornos para la cabina a partir de las siguientes

técnicas:

Fundición: el aluminio puede adquirir una variedad de formas vertiéndolo en

moldes para que adquiera dicha forma. Esto permite crear objetos con formas

únicas, tales como el motor, engranes o decoración de los interiores.

Rolling: al pasar los lingotes de aluminio varias veces por rodillos calientes, este

puede ser aplanado en láminas tan delgadas como obleas (de aquí se extrae elpapel aluminio). Para la creación de las láminas exteriores, este es el primer paso.

Después las piezas destinadas a formar parte del exterior del auto pasan a

proceso de extruccion.

Extruccion: este proceso consiste en forzar aluminio suavizado en moldes. La

forma del molde determina la forma de la extrusión de aluminio. Así se

manufacturan distintas piezas del chasis y laminas exteriores de los autos, y se

requiere mas de un molde para laminas con diseño complicado.

Forja: este proceso golpea o presiona el aluminio para formar una pieza de altaresistencia. Es decir, con una densidad mayor. Así se forman los rines, el palier (la

pieza que conecta la transmisión con las ruedas traseras) y piezas del chasis que

son sometidas a mucha presión. Los engranes y motores de alto desempeño se

ven involucrados en este proceso.



8

Dibujo: para la manufacturación de cables, unas varillas de aluminio se jalan a

través de moldes que son cada vez más pequeños. En la industria automotriz, se

fabrican los cables para la instalación eléctrica y electrónica del automóvil.

Mecanizado: este proceso realiza alteración en las piezas de aluminio tales como

torneado, fresado, taladrado, esmerado y corte. Así se procesan los últimos

detalles de las piezas para el perfecto embone y armado. Requiere de maquinas

de gran precisión.

Para la manufacturación de cada pieza, una serie de ingenieros y diseñadores estudian

que forma, densidad y función debe tener la pieza. Hoy en día, el mecanismo de un

automóvil es tan complicado que no cualquiera puede repararlo o mejorarlo. Además,

cada firma (es decir, marca automotriz) diseña y crea sus modelos con técnicasdiferentes, por lo tanto ningún auto es igual a otro, aunque lo parezcan. Cada pieza de

aluminio es diferente dependiendo de quien la manufactura. Por ejemplo:

los engranes los dientes suelen tener diferente “dibujo”.

La densidad de cada palier difiere dependiendo de la presión que deberá soportar.

Los tornillos son muy importantes, ya que así se mantiene el cuerpo unido, pero

cada firma cambia la cabeza de estos para que solo un tipo de destornillador

pueda desarmarlos.

La diferencia más notoria esta en el exterior, y es aquí donde los diseñadores

crean la identidad del auto.

Reciclar

Créelo o no, los átomos de aluminio de tu auto pudieron haber estado en el auto que

tuviste hace 10 años. Sorprendentemente, la mayor parte del aluminio que se ha

producido sigue en uso hoy en día. Eso es debido a que puede ser reciclado una y otra

vez sin perder su calidad. La mayor parte de aluminio que se recicla proviene de tres

fuentes: el que se utiliza en latas de bebidas, partes de automóviles viejos y desechos

recogidos durante la elaboración de productos de aluminio. El reciclaje de latas de

aluminio es uno de los grandes éxitos del movimiento por la sostenibilidad moderna. El

primer programa norteamericano de reciclaje de latas comenzó en 1968, y hoy en día,

cerca de 66 millones de latas se reciclan cada año en los Estados Unidos.



9

Generalmente, el reciclaje de aluminio es de circuito cerrado. Significa

que el nuevo producto es el mismo al que era antes del reciclado, como

por ejemplo, las latas de aluminio. Por lo tanto, en la industria automotriz,

el aluminio que será extraído de un auto viejo volverá a ser usado en unnuevo auto, ahorrando energía, costos de producción y ayudando al

medio ambiente.

Diagrama de Flujo

Se necesitan 60 días

para que los envases de

aluminio se reciclen y

reaparezcan en las

tiendas.

Extracción de la bauxitaEl proceso Bayer

El proceso Hall-Héroult

Ensamble

Fundición, extruccion, rolling, forja, dibujo,

mecanizado. Venta y exportación a otras emp



10

Relación con introducción

No existirían objetos de aluminio si no fueran por dos factores: el desarrollo del proceso

creado por Charles Martin Hall y Frenchman Paul L. T. Heroult; la bauxita. Estos dosfactores permitirán el desarrollo en la industria de un modo positivo. Debido a que es el

metal más abundante, no habrá crisis por falta de recursos. Además, se podrá reciclar

una y otra vez para mejorar al medio ambiente. El aluminio podría ser uno de los más

importantes materiales de este siglo ya que es un material que permitirá la creación de

varios objetos, sin mencionar que por su reactividad se podrán crear muchas aleaciones

que beneficiaran al desarrollo de la humanidad.

Posiblemente sigue siendo un metal precioso, debido a las ventajas que ha tenido sobre

los demás metales.

Pero la industria del aluminio todavía tiene fallas. Durante el proceso Bayer, las fábricas

dejan residuos (lodo rojo) que no tienen uso, y no crea tierras fértiles. Por lo tanto se

debe averiguar qué hacer con el lodo rojo.

Respecto al proceso Hall-Héroult, es posible que en un momento determinado deje de

existir, debido a que todo el oxido de aluminio fue procesado, y ahora la única alternativa

es reciclarlo.

La evolución de la industria llevara a nuevas técnicas para transformar aluminio en una

gran variedad de utensilios, herramientas y estructuras que por ahora son inimaginables.

Con el paso del tiempo, el desarrollo de la ingenieros y de la tecnología, habrá mejores

productos y diseños. Es posible que alteremos la naturaleza del aluminio a tal grado para

que sea aun más ligero y resistente de lo que ya es ahora.

El aluminio ha llegado para quedarse, ya es parte de nuestras vidas y sin el aluminio,

muchos objetos como medios de transporte y utensilios no existirían



11

Conclusión

Si el aluminio no hubiera sido descubierto, la industria y los objetos que usamos hoy en

día no serian lo mismo, incluso algunos no pudieron haber existido (por ejemplo, el papel

aluminio obviamente). En el sector automotriz, los autos seguirían siendo pesados y poco

agiles. No se hubiera desarrollado en el modo que lo hizo cuando empezó a usar

aluminio, ya que ha beneficiado a economizar la producción, mejorar la mecánica y el

diseño del auto. Y gracias a sus propiedades, el desarrollo de los medios de transporte

gracias al aluminio sigue en progreso. Se han descubierto varias aleaciones que mejorara

la construcción del auto, incluso se ha descubierto que sería un material crucial para la

producción de combustible de hidrogeno. Tantos desarrollos aumentara la demanda del

aluminio, que incluso esta era podría llamarse como “la era del aluminio”, así como existió

la era de bronce y la era del hierro.



12

Fuentes International Aluminium Institute (2011), Story of Aluminium, Última Visita: 14

Mayo 2011. http://www.world-aluminium.org/About%20Aluminium/Story%20of Emsley, John (2001). Nature's Building Blocks: An A-Z Guide to the Elements .

Oxford, UK: Oxford University Press. p. 24. William Harris (2011), How Stuff Works? A Discovery Company, “How

Aluminium Works”, Ultima Visita: 16 Mayo 2011.

http://science.howstuffworks.com/aluminum.htm Serie de Television “Ultimate Factory”, Episodios “Audi” y “Lamborguini”.

Producido por National Geopraphic Film and Television y Pamela Caragol Wells. Polmear, I. J. (1995). Light Alloys: Metallurgy of the Light Metals. Arnold. William F. Smith (1998). Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de Materiales.

Madrid: Editorial Mc Graw Hill.

http://www.world-aluminium.org/About%20Aluminium/Story%20of



http://science.howstuffworks.com/aluminum.htm




Documents

Investigación sobre Aluminio