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Llantas, latas y aviones:aluminio y fundición de aluminio

Extracción, procesamiento y fundición en fundiciones

La creciente popularidad del aluminio

El aluminio es el tercer elemento más abundante en el mundo y el metal más abundante en la corteza terrestre. El aluminio contribuye a más del 8% de la masa del núcleo de la tierra. Sin embargo, es difícil de refinar en comparación con otros metales, como el hierro. Por esta razón, el uso de aluminio ha quedado rezagado con respecto a otros productos metálicos, mientras que se desarrollaron métodos eficientes y rentables para superar estas complejidades.

Hay muchas similitudes entre las industrias del aluminio y del acero. Ambos se basan en la extracción de metales de minerales que se encuentran en la superficie de la tierra. Los procesos de fabricación de ambos consumen mucha energía e implican el vertido de metal líquido en moldes o el uso de máquinas de colada continua. El aluminio y el acero también compiten en mercados similares para la industria automotriz y aeroespacial. Sin embargo, existen diferencias significativas en el procesamiento y las propiedades de estos metales.

Procesamiento de aluminio

La bauxita es una roca sedimentaria que contiene un alto contenido de aluminio; típicamente, alrededor del 46-60%. La bauxita a menudo está cubierta por varios metros de roca y arcilla, que primero deben eliminarse antes de poder recuperar la bauxita. Luego, la bauxita pasa por plantas de trituración o lavado antes de ser transportada para su procesamiento.

A mediados de la década de 1880, se inventaron y utilizaron en serie dos métodos distintos para producir aluminio. El método Bayer utiliza un proceso químico para extraer aluminio de la bauxita. El proceso Hall-Heroult utiliza electrólisis para extraer aluminio de la alúmina u óxido de aluminio producido por el proceso Bayer.

Proceso de Bayer

El mineral de bauxita se tritura y se mezcla con soda cáustica para producir una lechada que contiene partículas finas de mineral. La lechada se mantiene a temperaturas entre 140 ˚C y 280 ˚C, según el mineral específico que se esté procesando. Durante este tiempo, el aluminio se disuelve en la solución de sosa cáustica. Todas las impurezas se asientan de la solución en un residuo llamado lodo rojo.

El paso final del proceso es la adición de cristales semilla a la solución de sosa cáustica. La alúmina disuelta se adhiere a estos cristales semilla. El producto final del proceso Bayer es alúmina u óxido de aluminio, que tiene la apariencia de un polvo blanco.

Proceso Hall-Heroult

La unidad de reducción de una planta de aluminio consta de cubetas o celdas de reducción que están conectadas en serie. Cada olla está hecha de una carcasa de acero revestida con carbono. Se vierte criolita fundida (un mineral de fluoruro) que contiene óxido de aluminio en cada recipiente y se insertan electrodos de carbón en la solución desde la parte superior. A medida que la corriente pasa a través de la solución de criolita, el aluminio se separa del oxígeno y forma gas de dióxido de carbono. El aluminio líquido se acumula en el fondo de la olla.

Luego, la alúmina líquida se succiona de los recipientes de reducción a intervalos regulares en cubetas de vacío. Esto se transfiere a un horno y se vierte en lingotes en moldes o mediante una máquina de colada continua. El aluminio producido mediante este proceso tiene una pureza de aproximadamente el 99,8 %. El proceso electrolítico para la producción de aluminio consume mucha energía y requiere 15MWH por tonelada de producción. Por lo tanto, la mayoría de las fundiciones están ubicadas junto a un generador de energía, como las plantas hidroeléctricas.

Fundición de aluminio

Una vez que el aluminio ha sido extraído y procesado, el siguiente paso consiste en moldearlo en forma de producto. Las fundiciones de aluminio se forman vertiendo metal fundido en moldes que han sido moldeados según un patrón del producto final deseado. Se utilizan tres tipos comunes de métodos de moldeo para producir piezas fundidas:fundición a presión, fundición en molde permanente y fundición en arena.

Fundición a presión

La fundición a presión utiliza presión para forzar el aluminio fundido en una matriz de acero. Este tipo de fundición se usa a menudo para la producción en masa de piezas que requieren una cantidad mínima de acabado y mecanizado. La fundición a presión tiene tiempos de ciclo cortos pero altos costos de herramientas. El sistema de fundición a presión crea una piel de alta resistencia pero un interior más débil que la fundición con molde permanente. Hay dos tipos de fundición a presión:fundición a presión a baja y alta presión.




FUNDICIÓN A PRESIÓN

BAJA PRESIÓN

ALTA PRESIÓN

Buenos valores de resistencia

Valores de fuerza más bajos

Apto para automatización

Apto para automatización

Tecnología sencilla de troqueles y máquinas

Troqueles complicados y caros

Ciclos de fundición más lentos

Ciclos de colada cortos

Menores costos de inversión y operación

Altos costos de inversión y operación

Espesor de pared mínimo de aproximadamente 3 mm

Adecuado para componentes de paredes delgadas


Fundición en molde permanente

La fundición en molde permanente utiliza moldes y núcleos de acero u otros metales. Las fundiciones fuertes se forman vertiendo aluminio en el molde. Los moldes permanentes se utilizan para crear piezas altamente repetibles con consistencia. Sus rápidas tasas de enfriamiento generan una microestructura más consistente, lo que puede mejorar significativamente las propiedades mecánicas.

La fundición en molde permanente se utiliza para crear llantas de aleación. Las ruedas de aluminio también son más livianas que las ruedas de acero y requieren menos energía para girar. Proporcionan una mayor eficiencia de combustible, así como un mejor manejo, aceleración y frenado. Sin embargo, para aplicaciones de rieles industriales de servicio pesado, las ruedas de acero se usan más comúnmente. Su durabilidad los hace casi imposibles de doblar o romper. Cuando se usan en una pista, las ruedas de acero toleran mejor las irregularidades de la pista, lo que aumenta la seguridad.

Fundición en arena

Los moldes de arena se crean empaquetando una mezcla de arena fina alrededor de un patrón del producto deseado. El patrón es ligeramente más grande que el producto final para permitir la contracción del aluminio mientras se enfría. La fundición en arena es económica porque la arena se puede reutilizar varias veces. También es efectivo para crear molduras grandes o con diseños detallados. Los costos iniciales de herramientas son bajos, pero los precios por pieza son más altos, lo que hace que la fundición en arena sea más adecuada para fundiciones especializadas que para la producción en masa.

El control del aluminio fundido tiene una relación directa con la calidad de fundición lograda. Los elementos de aleación se agregan al aluminio fundido para lograr el grado de aluminio y las propiedades deseadas. La adición y distribución controlada de la aleación en todo el aluminio garantizará que el producto sea sólido y tenga las propiedades mecánicas esperadas.

El aluminio se solidifica con una estructura granular columnar. Estas columnas crecen hasta el punto de contacto con otro grano:cuantos más granos, más fina es la estructura molecular. El refinado de granos utiliza titanio y boro para crear núcleos de grano para lograr esta estructura fina.

El gas hidrógeno es una impureza que puede causar defectos en la fundición de aluminio al crear poros a medida que el producto se solidifica. Durante la fundición, se requieren gases de purga y desgasificación para mantener el entorno libre de impurezas que puedan afectar negativamente al producto final.

Aleaciones de fundición

Hay disponible una amplia gama de aleaciones de fundición para adaptarse a la aplicación final. Cada una de estas aleaciones de fundición tiene sus propias características, como soldabilidad, maquinabilidad, resistencia a la corrosión y propiedades de tratamiento térmico.

El aluminio fundido tiene varias características que se pueden controlar para maximizar las propiedades de fundición. El aluminio fundido es propenso a recoger hidrógeno gaseoso y óxidos en estado fundido, y puede ser sensible a elementos traza menores. Aunque algunas fundiciones decorativas o comerciales pueden no requerir un procesamiento adicional, un acabado adicional suele ser beneficioso. El control estricto de la fusión y las técnicas especializadas de procesamiento de metal fundido pueden proporcionar propiedades mecánicas mejoradas.

Revestimientos y acabados de aluminio

Uno de los atractivos estéticos del aluminio es su alta reflectividad. Esta característica se ha aprovechado para fabricar productos de consumo de alta gama con un acabado superficial limpio. Esto se ve reforzado por la formación natural de una fina capa de óxido en la superficie. Esta capa se puede hacer más gruesa anodizando el producto. La presencia de la capa de óxido sella eficazmente el aluminio para que no se oxide más, haciéndolo muy resistente a la corrosión. Varios acabados y revestimientos pueden ayudar al aluminio a lograr esta calidad brillante pero duradera.

Acabados

Ciertas aleaciones de aluminio se tratan térmicamente para mejorar sus propiedades para aplicaciones específicas. El aluminio fundido sólido se calienta a una temperatura predeterminada, lo que hace que la microestructura molecular se distribuya uniformemente por todo el material. El enfriamiento rápido hace que el patrón de la microestructura permanezca en su lugar y se logran las propiedades ideales.

Las aleaciones que no se pueden tratar térmicamente se acaban mediante trabajo en frío, principalmente laminación. La resistencia del metal mejora en gran medida, ya que las imperfecciones en la microestructura se minimizan al compactar fuertemente las moléculas entre sí.

Revestimientos

El aluminio tiene un acabado superficial de alta calidad que ya es estéticamente agradable. Sin embargo, diferentes recubrimientos pueden ofrecer más beneficios al acabado.

Recubrimientos de PVDF

Los recubrimientos de PVDF son pinturas en base solvente con una muy alta resistencia a la intemperie. Sin embargo, se pueden rayar. El PVDF no se desvanece con la exposición a la luz solar y se puede fabricar con una apariencia metálica.

Pinturas líquidas

Las pinturas líquidas son más económicas que los recubrimientos de PVDF pero sus propiedades también son menos deseables. Tienen un acabado de menor calidad y la resistencia a la intemperie no es tan fuerte.

Recubrimientos en polvo

Los recubrimientos en polvo cumplen con las especificaciones de durabilidad más estrictas al mismo nivel que los recubrimientos de PVDF. Tienen una apariencia de acabado excelente y son populares en aplicaciones de construcción para marcos de puertas y ventanas, así como para muebles de sitios como bolardos y portabicicletas. Aguantan más el uso y el desgaste y, a menudo, se especifican en áreas de mucho tráfico, como hoteles y tiendas.

Anodizado

El anodizado se utiliza para espesar la capa superficial oxidada y mejorar la resistencia a la corrosión del producto. El revestimiento es duro, duradero y autorreparable, lo que lo convierte en una opción popular para los arquitectos. El proceso de anodizado se lleva a cabo mediante una secuencia de tanques de inmersión.

Propiedades del aluminio

El aluminio es bien conocido por ser liviano. De hecho, es casi tres veces más ligero que el hierro, con una densidad de 2.700 kg/m 3 . Sorprendentemente, la baja densidad del aluminio no afecta su resistencia. Las aleaciones de aluminio tienen una amplia gama de características de resistencia con resistencias a la tracción que van desde 70 a 700 MPa. A bajas temperaturas, la resistencia del aluminio aumenta, mientras que a altas temperaturas disminuye.

El aluminio también se puede mecanizar fácilmente y la potencia requerida es baja debido a la menor densidad. Los altos niveles de maleabilidad del aluminio le dan la capacidad de extruirse fácilmente. Esto permite doblar y enrollar el producto, y es una característica clave en la creación de láminas de aluminio.

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Calidad y estándares del aluminio

Los productos de aluminio están certificados según el material de aleación utilizado en el producto. Los elementos de aleación más comunes incluyen los siguientes:




ALUMINIO CATEGORIZADO EN SERIE CON PROPIEDADES Y COMPOSICIONES

SERIE

% ALUMINIO

ALEACIÓN

TRATABLE CON CALOR

PROPIEDADES

APLICACIONES

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Cobre

Sí

3xyz

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Manganeso

No

4xyz

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Silicio

No

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Magnesio

No

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Silicio y Magnesio

Sí

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Cinc

Sí

SERIE

% ALUMINIO

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Silicio y Magnesio

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APLICACIONES

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Salud y seguridad

Durante el proceso de Hall-Heroult se emiten grandes cantidades de gases. Estos gases se capturan y tratan, ya que los compuestos tóxicos de fluoruro deben eliminarse antes de que se liberen a la atmósfera. El proceso de producción de aluminio genera CO2 , lo que resulta en una mayor huella de carbono para los productos de aluminio. Muchos fabricantes ubican las fundiciones de aluminio junto a fuentes de energía renovable, como plantas hidroeléctricas, en lugar de generar electricidad a partir de combustibles fósiles.

En su forma soluble, Al 3+ , el aluminio es tóxico para las plantas. Los suelos ácidos tienden a acelerar la liberación de Al 3+ de sus minerales y disminuir los rendimientos de los productos de estos campos. Dado que casi la mitad de la tierra cultivable del mundo es ácida, el impacto negativo del aluminio en el rendimiento de los cultivos puede ser grave.

El cuerpo humano también puede verse afectado por el aluminio. Los efectos sobre la salud de una acumulación de aluminio incluyen un mayor riesgo de enfermedad de Alzheimer y algunos tipos de cáncer, aunque no se ha demostrado de manera concluyente. En altas concentraciones, el aluminio es una neurotoxina, que actúa sobre el cerebro y la estructura ósea. El aluminio se encuentra en levaduras, agentes emulsionantes y colorantes, así como en algunos productos antiácidos.

Aplicaciones de aluminio

El aluminio es un metal bien redondeado con un acabado luminoso que abastece a un mercado diverso que incluye varios artículos comerciales y domésticos.



Aeroespacial

Los avances en la industria aeroespacial han dependido sustancialmente del desarrollo de productos de aluminio. Su combinación de propiedades, especialmente su peso ligero y resistencia, ha permitido a la humanidad desarrollar vehículos que son lo suficientemente fuertes y ligeros para escapar de la atmósfera terrestre. Los hermanos Wright utilizaron aluminio para el cárter del motor de su primer biplano con estructura de madera. Los aviones de transporte comercial modernos consisten en un 80 % de aluminio, que se encuentra principalmente en sus fuselajes, especialmente para fuselajes y alas. El aluminio se usa ampliamente en la industria espacial para transbordadores y estructuras en la estación espacial internacional.

Construcción y arquitectura

Las redes eléctricas y las líneas de transmisión eléctrica se han transferido al aluminio en lugar del cobre como base. Esto se debe a la excelente conductividad y al peso ligero para longitudes extendidas de cables. Las aleaciones de aluminio también se utilizan en la construcción para proporcionar marcos fuertes que puedan soportar el peso significativo de los grandes paneles de vidrio. Los arquitectos usan estas características ampliamente en aeropuertos y edificios de gran altura.

Mobiliario del sitio

Aunque la mayoría de los muebles del sitio (bancos, receptáculos de basura, portabicicletas y similares) están fijos en su lugar, los bolardos removibles son un dispositivo de guía de tráfico que se puede colocar para evitar el acceso de vehículos o quitar para permitirlo. El aluminio se usa a menudo para aplicaciones de bolardos removibles debido a la ligereza del metal; es mucho más fácil para el personal del evento moverse dentro o fuera del lugar.

Alimentos y bebidas

Los alimentos y bebidas enlatados son otro mercado donde el aluminio ha dominado. Las latas de aluminio se enfrían rápidamente y brindan una superficie altamente imprimible. Los altos niveles de reciclabilidad también hacen que el aluminio sea una combinación atractiva para esta industria. También protegen el sabor y la integridad del contenido sellado en su interior debido a su protección contra el oxígeno, la luz y otros contaminantes.

Electrodomésticos y tecnología

Los electrodomésticos también se han beneficiado de las propiedades del aluminio. Sus propiedades térmicas lo hacen ideal para aplicaciones de refrigeración, mientras que el peso ligero permite que los electrodomésticos se muevan y transporten con facilidad. Con el desarrollo del acabado “aluminio cepillado”, se pueden crear productos altamente estéticos para el mercado de alta gama. La empresa de tecnología Apple ha liderado el camino en la creación de computadoras portátiles de aluminio, que están hechas de un solo bloque de aluminio. Los televisores de pantalla plana también se benefician de la ligereza del aluminio; un producto de acero equivalente sería demasiado pesado para colgarlo en una pared.

Automoción

Los fabricantes de automóviles están bajo más presión para reducir la huella de carbono de sus vehículos. Los marcos de aluminio livianos, los paneles de la carrocería y los motores ayudan a esta causa al mejorar la economía de combustible. También hay otros beneficios ambientales, ya que casi el 90 % de la chatarra de aluminio automotriz se recolecta para reciclar.

Reciclaje de aluminio

La mayor parte del aluminio se puede reciclar. Las latas de bebidas y las piezas de automóviles son industrias de alta captación donde el material se recolecta y recicla de manera efectiva. Una vez que se recolecta el aluminio usado, se lleva a una planta de tratamiento, donde se clasifica en diferentes grados y se limpia. Luego, el metal se funde para eliminar los recubrimientos, las tintas y otras impurezas. Durante esta etapa, se pueden agregar aleaciones según sea necesario, después de lo cual se vierte en lingotes. Estos lingotes se pueden suministrar a las fundiciones donde se utilizan para la fundición o trasladarse a otros fabricantes para su posterior procesamiento. El aluminio reciclado se puede devolver al mercado como productos nuevos en tan solo seis semanas.

Limpieza y mantenimiento de aluminio

La mayoría de los productos de aluminio se pueden mantener limpios con agua corriente o un jabón o detergente suave. Cuando las manchas sean más persistentes, se puede usar aguarrás o un limpiador químico que no grabe. Para obtener más poder de limpieza, se pueden usar abrillantadores a base de cera, ceras abrasivas o limpiadores abrasivos. Es importante secar los productos de aluminio después de la limpieza para evitar rayas, y los residuos de limpieza deben eliminarse de los bordes y las juntas.

Para obtener más información sobre el aluminio o solicitar un presupuesto para un proyecto personalizado, póngase en contacto con nosotros.




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