Tecnologia dei cicli produttivi - Appunti

Alluminio

Definizione

È un metallo dalle buone caratteristiche di:

• Conducibilità termica ed elettrica,
• Resistente alla corrosione atmosferica,
• Più leggero rispetto al ferro,
• Con aspetto lucente.

È il secondo metallo, dopo l’acciaio, più consumato al mondo ed è stato scoperto nel secolo scorso anche se alcuni suoi composti erano già noti nell’antichità.

Problema dell’alluminio: notevole affinità con l’ossigeno.

Le origini

Già nel XVIII secolo alcuni studiosi tentarono di isolare il metallo, tra cui: Davy, Wohler ecc. All’inizio i costi erano elevati e quindi l’alluminio era difficilmente sfruttabile a livello industriale. Solo nel 1854 Henry Sainte-Claire Deville realizza la prima produzione industriale di alluminio in una fabbrica di Javel a Parigi. I lavori furono finanziati dall'imperatore Napoleone III e i primi lingotti vennero messi in mostra all'Esposizione Universale del 1855. Quindi fu proprio Napoleone III a finanziare la costruzione di un primo impianto in Francia data la leggerezza e lucentezza del metallo.

Nel 1856, poi, Deville spostò la fabbrica in un altro quartiere di Parigi, nel 1857 a Nanterre, e ciò permise di ridurre notevolmente i costi di produzione e il prezzo, inizialmente molto elevati. Questi spostamenti furono resi necessari poiché già all’epoca l’emissione di fumi ricchi di cloro provenienti dalle fabbriche infastidivano la popolazione locale, costringendo l’industria a spostarsi in zone più tranquille.

L'intuizione geniale di Deville fu quella di partire dalla bauxite come minerale per la produzione di allumina (ossido di alluminio Al₂O₃, intermedio necessario alla produzione dell'alluminio) e mise a punto un processo (chiamato processo Deville) per estrarre l'allumina dal minerale. Sino a questo momento la Francia aveva il monopolio nella produzione di questo metallo ma il processo non era ancora completo e quindi il procedimento chimico di Deville perse importanza nel 1886, anno in cui Paul Héroult in Francia e Charles Martin Hall negli Stati Uniti scoprirono il metodo di riduzione elettrolitica per la produzione dell'alluminio (chiamato appunto "processo di Hall-Héroult").

Grazie a ciò si ebbe uno sviluppo industriale dell’alluminio anche in America e in Europa e Hall nel 1907 creò l’ALCOA (oggi chiusa) che è stata una delle società più importanti nella produzione dell’alluminio.

Utilizzo dell’alluminio

Come già detto, alle origini la produzione di alluminio era molto costosa e per questo veniva usata soprattutto nel campo della gioielleria e degli articoli di pregio. Con il tempo, però, ci si rese conto che era un metallo molto leggero e per questo venne proposto per le fabbricazioni militari (munizioni e mezzi di trasporto leggeri e veloci).

Una svolta importante nella produzione dell’alluminio fu la scoperta della sua conducibilità e quindi il suo conseguente utilizzo nell’elettrotecnica e come conduttore elettrico (al posto del rame, sempre più scarso).

Perché si dice l’industria dell’alluminio è ad alta intensità di capitale? Comporta un elevato utilizzo di energia elettrica e l’impiego di personale qualificato (per tali motivi vi è convenienza solo a elevati livelli della scala di produzione).

Leghe dell’alluminio

Risolto il problema commerciale, si è cercato di renderlo più resistente meccanicamente creando delle leghe con altri metalli (Es. zinco, rame e ferro). Inoltre raramente l’alluminio è commercializzato puro ma richiede l’aggiunta di piccole parti di altri metalli che ne esaltino le diverse caratteristiche. Queste composizioni si chiamano appunto leghe e solo dopo aver ottenuto la lega desiderata (generalmente qualunque lega ha un contenuto di alluminio superiore al 90%), l’alluminio è pronto per essere lavorato.

L’alluminio associato ad altri metalli, così, diventa un importante metallo strategico e oggi queste leghe sono usate soprattutto nel settore elettrico, costruzioni edili, imballaggio, trasporti. Le leghe dell’alluminio sono classificate in base all’utilizzo:

• Per fonderia: alluminio associato soprattutto al silicio e al magnesio (es. per motori a scoppio)
• Per lavorazioni plastiche: alluminio con manganese, magnesio ma la lega più importante è data da alluminio + rame (Dural). Altri possibili leghe sono: alluminio + zinco (Alcad); alluminio + silicio + magnesio ecc. (anticorodal). Ci sono poi leghe in cui l’alluminio rientra in piccola parte (es. bronzi).

Vendita dell’alluminio: esso è venduto soprattutto sottoforma di lastre, profilati o tubi.

Ciclo produttivo dell’alluminio

Il ciclo produttivo dell’alluminio può essere di due tipi, in quanto può essere prodotto da input diversi:

1. Alluminio primario: presenta varie fasi e si produce a partire dal minerale (bauxite) per ottenere l’output.
2. Alluminio secondario: presenta fasi più semplificate e si produce a partire dalla rifusione del metallo stesso e quindi dal riciclo di rottami di alluminio per ottenere l’output principale.

Alluminio primario

Il processo di fabbricazione dell’alluminio primario si divide in due fasi:

A. Fase chimica (processo Bayer)

Si estrae dalla bauxite (input) l’allumina pura (output). Questa prima fase è importante in quanto la bauxite non è composta solo da allumina ma anche da altre impurità (silice, ossido di ferro, ossido di titanio) ed è quindi necessario depurarla da una serie di sostanze (tipo il ferro).

Bauxite: in generale l’alluminio si trova sottoforma di minerali (miche, argille ecc) ma il minerale più usato nell’industria dell’alluminio è proprio la bauxite che prende il nome dal paese francese di Baux (dove vi erano grandi giacimenti di minerali).

Composizione: essa è composta soprattutto da allumina idrata, ovvero da Al₂O₃ (allumina + ossigeno) e da 1 o 3 molecole di acqua. A questa si aggiungono una serie di impurità (ossido di ferro, da cui deriva la colorazione rossiccia; silice, che dà fastidio durante la lavorazione e ossido di titanio) che prendono il nome di ganga (da eliminare). In sostanza, per poter essere lavorata la bauxite deve contenere almeno il 50% di allumina (tra 45 e 66%), ossido di ferro, ossido di titanio, silice, acqua di cristallizzazione.

Colori: in base alla sua composizione può avere un colore rosso – bruno, rosso mattone, rosso sbiadito, rosa, giallo o bianco. Consistenza: dura e fragile (se rossa), argillosa (se gialla). Giacimenti: molti si trovano nelle zone tropicali e sud – tropicali (maggiori produttori: Africa, Australia ecc). Bauxite di qualità: in genere si ritiene di buona qualità la bauxite che contiene almeno il 50% di allumina e un basso contenuto di silice (non più del 7%). La bauxite più pregiata si trova in Sud America.

Estrazione delle bauxite: la maggior parte della bauxite viene estratta attraverso miniere a cielo aperto (non sotterranee) che hanno un impatto ambientale rilevante in quanto è necessario rimuovere la vegetazione e lo strato superficiale del terreno; ciò causa per le popolazioni indigene e perdita di flora e fauna (compresi i servizi eco sistemici svolti) usate per le loro necessità. Inoltre la rimozione dell’acqua incontrata nello scavo delle miniere incide anche sull’equilibro del bilancio idrico e in alcuni casi il minerale è così compatto da rendere necessario il ricorso non solo a macchine di estrazione ma anche di esplosione. Una volta individuato il giacimento, infine, vengono costruite tutte le infrastrutture necessarie per poter usufruire dello stesso. (per una tonnellata di bauxite sono necessari circa 6000 litri di acqua per la trivellazione e circa 100 Mj di energia per il funzionamento delle macchine).

B. Fase elettrolitica (processo Hall – Heroult)

Per ottenere dall’allumina, attraverso la lavorazione, l’alluminio.

A. Fase chimica (processo Bayer)

In questa fase la bauxite (formata soprattutto dall’allumina idrata) è frantumata, essiccata a 450°C, ridotta in polvere detta “farina di bauxite” attraverso un mulino per macinare e miscelata con una soluzione di soda caustica. In questa fase è importante che l’umidità non scenda al di sotto dell’1% poiché diverrebbe meno solubile nella soda (servono 0,8 kg di soda per 1 kg di allumina).

La pasta ottenuta dalla miscela tra soda e bauxite viene accumulata in autoclavi (detti digestori) muniti di agitatori e riscaldati con serpentine di vapore che lavorano per 3 ore in cui la soda dissolve l’allumina idrata (Al₂O₃ + 1H₂O/3H₂O), separando quindi l’alluminato di sodio (allumina + sodio) che è una sostanza ancora solubile dai residui (cd ganga, data da ossido di silicio, di titanio e ferro) che è insolubile e quindi resta in sospensione e viene rimosso tramite sedimentazione e filtraggio.

In termini tecnici, quindi diciamo che dalle autoclavi fuoriesce una sostanza calda (liscivia bollente) che è formata da una fase acquosa (in cui si trovano: alluminato di sodio e soda in eccesso) e da più fasi solide (costituite da: ossido di ferro, titanio e silice che ha reagito con allumina e soda); il problema è proprio la silice che agisce sia con la soda che con l’allumina e dà origine ad un composto insolubile causando anche la perdita sia di soda che di allumina stessa. Attraverso un sistema di filtrazione della liscivia (cd a decantazione continua o filtrazione rossa) si separa la soluzione limpida di alluminato di sodio dai residui insolubili (Cd ganga o fanghi rossi).

Dopo la cd filtrazione rossa, quindi i residui vengono rimossi tramite filtrazione mentre la soluzione di alluminato di sodio (o allumina) viene pompata in grossi recipienti dove si ha la cd “idrolisi spontanea” che comporta la decomposizione dell’alluminato di sodio in idrato di alluminio e soda e si procede ad una “filtrazione bianca” che separa a sua volta l’idrato di alluminio dalla soluzione. La soda in soluzione, poi, viene concentrata e reintrodotta nello stesso ciclo produttivo, quindi riciclata. A questo punto l’idrato di alluminio viene lavato e messo in forno fino a 1300°C per eliminare l’acqua e quindi si ottiene l’allumina con un grado di purezza fino al 99,6%.

Consumo di energia nel processo Bayer: pari a 20.400 Mj (mega joule) per tonnellata. La maggior parte di questi 20400 è data dalla produzione di vapore (15000), poi calcinazione (4800) ed infine energia elettrica (1100).

Eurallumina (ex ALCOE diventato ALCOA ora chiusa): unica fabbrica italiana di allumina che si è occupata di smaltire i fanghi rossi in conformità alle linee guida dell’UNEP, accumulandoli in un bacino. Altre società addirittura scaricano direttamente in alto mare.

Fanghi rossi

Smaltimento di fanghi rossi:

Esistono due possibili metodi:

• Smaltimento su terra: consiste nella scelta di un suolo impermeabile per evitare che le filtrazioni vadano ad inquinare la fauna (spesso è necessario costruire dighe per contenere i fanghi).
• Smaltimento in mare: la parte solida dei fanghi si deposita sul fondo e danneggia l’ecosistema marino.

Impiego dei fanghi rossi: questi vengono utilizzati come coloranti, nella fabbricazione del titanio o per ricavare il ferro in esso contenuto. Si tratta però di procedimenti costosi e quindi non applicabili a livello industriale. Comunque i fanghi trattati con sostanze chimiche (processi meno costosi) possono subire un processo di consolidamento e compattamento e utilizzati per strade, dighe ecc.

Composizione fanghi rossi: ossido di silicio (=silice) + ossido di ferro + ossido di titanio.

Bilancio materiale nel processo Bayer:

Processo Bayer in sintesi.

B. Fase elettrolitica (processo Hall-Heroult)

Secondo il processo messo a punto da Hall ed Heroult, l’alluminio si ottiene mediante la riduzione elettrolitica dell’allumina disciolta in un contenitore. Si tratta di un processo ad alta intensità di energia elettrica e nel tempo non ha ricevuto grosse modifiche, la tecnologia è rimasta più o meno la stessa ma si è cercato di renderlo più efficiente riducendo l’impatto ambientale.

Ricavata l’allumina dalla fase chimica, questa viene mescolata in una vasca, detta cella elettrolitica, con delle criolite fusa (perché si usa la criolite? Per risolvere il problema dell’elevato punto di fusione dell’allumina che normalmente fonde a 2050°C comportando notevole consumo di energia si procede all’elettrolisi scolta in un bagno di crioliti, ovvero fluoruri che fondono a 1000°C e si necessita di 20 kg di criolite per 1 t di alluminio prodotto); in seguito al passaggio di corrente elettrica nella vasca si ha la dissociazione dell’allumina che si divide, quindi, in alluminio (catione: Al⁺⁺⁺) e ossigeno (anione: O^---).

Sospesi nell’elettrolita (ovvero una mistura di criolite fusa con additivi usati per ottenere densità, conduttività del bagno necessarie alla separazione dell’alluminio), vi sono un certo numero di anodi di carbone che fungono da elettrodi positivi ed agiscono come conduttori elettrici. L’ossigeno reagisce con il carbone dell’anodo, si ha una combustione e si generano anidride carbonica e ossido di carbonio che vengono poi eliminati. Quindi il passaggio della corrente elettrica garantisce la separazione dell’allumina e la generazione di calore (cd effetto joule). Quando la concentrazione di allumina scende troppo (sotto il 2,5%) si mette nuova allumina per evitare il cd “effetto anodico”, che è fortemente indesiderato in quanto causa un aumento di tensione della cella elettrolitica, forte riscaldamento e quindi perdita di criolite e danneggiamento degli elettrodi.

Composizione cella elettrolitica:

Consiste in una carcassa metallica legata ad un polo negativo e rivestita internamente di carbone (che fa in modo quindi che la vasca funga da catodo) dove si raccoglie l’allumina fusa mentre nella parte superiore ci sono gli anodi (dove va l’ossigeno) collegati al polo positivo. Quindi la cella si divide in una parte catodica e in una anodica:

• Parte catodica: è costituito da sbarre di ferro e da una suola di ghisa e acciaio fuso con un impasto di coke, carbone e antracite. Questa parte è separata dal resto della vasca con fila di mattoni.
• Parte anodica: è la parte superiore della vasca e può essere formata anodi precotti o continui (detti “Soderbergh” dal suo inventore), i quali sono tipi di elettrodi. Gli anodi precotti sono già pronti per il funzionamento mentre quelli continui sono impastati e cotti nella cella elettrolitica e da questi si ottiene l’amido. Gli anodi continui presentano vantaggi (non è necessaria l’interruzione del ciclo produttivo) e svantaggi (difficoltà di recupero delle emissioni date da idrocarburi volatili misti ai fluoruri e maggiore consumo di energia elettrica).

Consumo di energia e non durante il processo elettrolitico: per un tonnellata di alluminio si consumano circa 500 kg tra pece e coke. Per quanto riguarda l’energia il consumo è di circa 141700 giga joule (soprattutto l’elettrolisi comporta un consumo di energia maggiore).

Emissioni: queste sono dovute soprattutto al bagno dell’allumina nella criolite. Le emissioni consistono soprattutto in anidride carbonica, ossido di carbonio, anidride solforosa, fluoruri e idrocarburi volatili. Questi sono gas pericolosi e cancerogeni. Addirittura esiste una malattia, detta fluorosi (rovina lo smalto ai denti e l’apparato intestinale). Oggi si usa un sistema più efficiente che ha ridotto le emissioni a 1-2 kg/t di alluminio.

Utilizzo dell’alluminio

Usato soprattutto nell’industria elettrica (grazie ad una conducibilità simile a quella del rame e al fatto che pesa la metà), nell’industria chimica e per gli imballaggi. È usato inoltre soprattutto in lega nel settore delle costruzioni aereonautiche, automobilistiche e nelle industrie elettriche.

Alluminio secondario

L’alluminio secondario si ottiene mediante un “processo di rifusione dei rottami”. Questa tecnologia produttiva ha un consumo di energia pari ad 1/5 rispetto all’alluminio primario e risolve il problema di smaltimento dei rifiuti provenienti dal ciclo di vita dell’alluminio e offre la possibilità di riutilizzare una materia prima ad alto valore.

Il materiale di partenza è costituito da rottame di alluminio (oggi sempre più proveniente dall’estero) che può essere:

• Rottame nuovo: derivante dalle fabbriche di semilavorati o dai produttori di manufatti, materiali per l’edilizia, imballaggi ecc. Questo tipo di rottame è più omogeneo e il suo riutilizzo raggiunge anche il 100%.
• Rottame vecchio: deriva dal recupero di oggetti consumati quali lattine, parti di motori, utensileria domestica. Questo tipo di rottame è meno omogeneo e può essere inquinato per la presenza di altri metalli o stanze (olio, vernice, carta, plastica). La percentuale di riutilizzo è più bassa rispetto al rottame nuovo ma le tecnologie si sono evolute e la presenza di varie impurità richiede sempre più operazioni preliminari.

Procedimento di lavorazione del rottame vecchio:

1. La materia prima viene frantumata, triturata e vagliata.
2. Si procede all’essicazione per eliminare i lubrificanti.
3. Si effettua la separazione magnetica per eliminare altri ferri.
4. Separazione finale sulla base della diversa densità dei materiali oppure in base ai diversi punti di fusione.

Lavorazioni più complesse:

• Trucioli di fornitura (più sporchi): si opera una disoleazione e una volta puliti vengono pressati e inviati ai forni fusori.
• Imballaggi (lattine):