La alúmina (óxido de aluminio) es el material cerámico de óxido más utilizado. Sus aplicaciones están muy extendidas e incluyen bujías, arandelas para grifos, baldosas resistentes a la abrasión y herramientas de corte.
También se utiliza en grandes cantidades en la fabricación de refractarios monolíticos y de ladrillo. También se mezcla con otros materiales, como el grafito en escamas, para otras aplicaciones más difíciles, como las bocas de colada y las válvulas de compuerta deslizantes.
Propiedades clave
Las propiedades clave de los óxidos de aluminio se muestran a continuación.
– Alta resistencia a la compresión
– Alta dureza
– Resistencia a la abrasión
– Resistencia al ataque químico por una amplia gama de productos químicos incluso a temperaturas elevadas
– Alta conductividad térmica
– Resistencia al choque térmico
– Alto grado de refractariedad
– Alta resistencia dieléctrica Resistencia dieléctrica
– Alta resistividad eléctrica incluso a temperaturas elevadas
– Transparente a las radiofrecuencias de microondas
– Baja área de captura de la sección transversal de neutrones
– Materia prima fácilmente disponible y precio no sujeto a violentas fluctuaciones
Producción anual
La producción anual de óxido de aluminio es de 45 millones de toneladas. El 90% se utiliza en la fabricación de aluminio metálico por electrólisis.
¿De dónde procede la alúmina?
La mayor parte del óxido de aluminio producido comercialmente se obtiene mediante la calcinación del hidróxido de aluminio (frecuentemente denominado trihidrato de alúmina o ATH).
El hidróxido de aluminio se obtiene prácticamente en su totalidad mediante el Proceso Bayer.
Este implica la digestión de la bauxita en sosa cáustica y la posterior precipitación del hidróxido de aluminio mediante la adición de finos cristales de semilla de hidróxido de aluminio.
Fases
El óxido de aluminio existe en muchas formas, α, χ, η, δ, κ, θ, γ, ρ; éstas surgen durante el tratamiento térmico del hidróxido de aluminio o del oxihidróxido de aluminio. La forma más estable desde el punto de vista termodinámico es el α-óxido de aluminio.
Hidróxidos de aluminio
El aluminio forma una serie de hidróxidos; algunos de ellos son compuestos cristalinos bien caracterizados, mientras que otros son compuestos amorfos mal definidos. Los trihidróxidos más comunes son la gibbsita, la bayerita y la nordstrandita, mientras que las formas más comunes de hidróxido de óxido son la boehmita y el diásporo.
Comercialmente, la forma más importante es la gibbsita, aunque la bayerita y la boehmita también se fabrican a escala industrial.
El hidróxido de aluminio tiene una amplia gama de usos, como retardantes de llama en plásticos y caucho, rellenos y extensores de papel, relleno de pasta de dientes, antiácidos, revestimiento de titanio y como materia prima para la fabricación de productos químicos de aluminio, e.Por ejemplo, sulfato de aluminio, cloruros de aluminio, policloruro de aluminio, nitrato de aluminio.
Grados comerciales
El grado de fundición o metalúrgico es el nombre que se le da cuando se utiliza en la fabricación de aluminio metálico. Históricamente se fabricaba a partir de hidróxido de aluminio utilizando hornos rotatorios, pero en la actualidad se produce generalmente en calcinadores de lecho fluido o de flash fluido. En los procesos de flash fluido, el hidróxido de aluminio se introduce en una corriente de aire caliente a contracorriente obtenida mediante la combustión de fuel o gas. El primer efecto es la eliminación del agua libre y a continuación la eliminación del agua combinada químicamente; esto ocurre en un rango de temperaturas entre 180-600ºC. El óxido de aluminio deshidratado se presenta principalmente en forma de alúmina activada y la superficie disminuye gradualmente a medida que la temperatura aumenta hacia los 1000ºC. La calcinación posterior a temperaturas > 1000ºC lo convierte en la forma α, más estable. La conversión a la forma α suele ser del orden del 25% y la superficie específica es relativamente alta a >50m²/g debido a la presencia de metales de transición.
Calcinado
Si el hidróxido de aluminio se calienta a una temperatura superior a 1100ºC, entonces pasa por las fases de transición mencionadas anteriormente.
El producto final, si se utiliza una temperatura suficientemente alta, es la α-alúmina. El proceso de fabricación se realiza comercialmente en largos hornos rotatorios. Con frecuencia se añaden mineralizadores para catalizar la reacción y reducir la temperatura a la que se forma la fase α-alúmina; las sales de fluoruro son los mineralizadores más utilizados.
Estos productos calcinados se utilizan en una amplia gama de aplicaciones cerámicas y refractarias. La principal impureza presente es el óxido de sodio. Se producen varios grados que difieren en el tamaño de los cristalitos, la morfología y las impurezas químicas.
Los grados calcinados suelen subdividirse en sosa ordinaria, sosa media (nivel de sosa 0,15-0,25% en peso) y baja sosa.
Baja sosa
Muchas aplicaciones, especialmente en las áreas eléctrica/electrónica, requieren un bajo nivel de sosa en el óxido de aluminio. Una alúmina de baja sosa se define generalmente como con un contenido de sosa de <0,1% en peso. Esta alúmina puede fabricarse por muchas vías diferentes, como el lavado con ácido, la adición de cloro, la adición de boro y la utilización de compuestos adsorbentes de sosa.
Alúmina reactiva
La alúmina «reactiva» es el término que se da normalmente a una muestra de pureza relativamente alta y tamaño de cristal pequeño (<1 μm) que se sinteriza hasta formar un cuerpo totalmente denso a temperaturas más bajas que las alúminas de baja sosa, media sosa u ordinaria. Estos polvos se suministran normalmente tras una intensa molienda de bolas que rompe los aglomerados producidos tras la calcinación. Se utilizan cuando se requiere una fuerza excepcional, resistencia al desgaste, resistencia a la temperatura, acabado superficial o inercia química.
Tabular
El óxido de aluminio tabular es una α-alúmina recristalizada o sinterizada, llamada así porque su morfología consiste en grandes cristales planos de corindón de 50-500 μm. Se produce por granulación, extrusión o prensado de alúmina calcinada en formas y luego se calientan estas formas a una temperatura justo por debajo de su punto de fusión, 1700-1850ºC en hornos de pozo.
Después de la calcinación, las esferas de alúmina sinterizada pueden utilizarse tal cual para algunas aplicaciones, por ejemplo, lechos de catalizadores, o pueden triturarse, tamizarse y molerse para producir una amplia gama de tamaños. Como el material ha sido sinterizado tiene una porosidad especialmente baja, alta densidad, baja permeabilidad, buena inercia química, alta refractariedad y es especialmente adecuado para aplicaciones refractarias.
Alúmina fundida
La alúmina fundida se fabrica en hornos de arco eléctrico haciendo pasar una corriente entre electrodos verticales de carbono. El calor generado funde la alúmina. El horno consta de una carcasa de acero refrigerada por agua y en él se funden lotes de 3 a 20 toneladas de material al mismo tiempo. La alúmina fundida tiene una alta densidad, baja porosidad, baja permeabilidad y alta refractariedad. Como resultado de estas características, se utiliza en la fabricación de abrasivos y refractarios.
Alúmina de alta pureza
Las alúminas de alta pureza se clasifican normalmente como aquellas con una pureza del 99,99% y pueden fabricarse por rutas que parten del hidrato de Bayer utilizando activaciones y lavados sucesivos, o mediante un cloruro para alcanzar el grado de pureza necesario. Se fabrican purezas aún mayores mediante la calcinación de sulfato de aluminio amónico o a partir de aluminio metálico. En el caso de la ruta a través del sulfato de aluminio y amonio, el grado de pureza necesario se obtiene mediante recristalizaciones sucesivas. Se pueden obtener purezas especialmente elevadas a partir del aluminio haciendo reaccionar el metal con un alcohol, purificando el alcóxido de aluminio por destilación, hidrolización y calcinación. Una ruta menor consiste en someter los gránulos de aluminio metálico de gran pureza bajo agua destilada a una descarga de chispas.
Las aplicaciones incluyen la fabricación de piedras preciosas sintéticas como rubíes y granates de itrio-aluminio para láseres, y zafiros para ventanas de instrumentos y láseres.