ES2201885B1 - Procedimiento para la fusion de una carga de aluminio. - Google Patents
Procedimiento para la fusion de una carga de aluminio.Info
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Abstract
Procedimiento para la fusión de una carga de aluminio. Se caracteriza por el hecho de que comprende una carga orgánica y por el hecho de que se lleva a cabo la combustión de dicha carga orgánica utilizando una relación de oxígeno/combustible en el quemador que proporciona una atmósfera oxidante en el horno de fusión. Con dicho procedimiento se solucionan los inconvenientes de la técnica anterior utilizando la energía útil procedente de la combustión de la carga orgánica en el propio horno de fusión. Ventajosamente, con el procedimiento de la invención se consigue aumentar la velocidad de fusión del aluminio y, por lo tanto, disminuir las pérdidas por formación de óxido de aluminio.
Description
Procedimiento para la fusión de una carga de
aluminio.
La presente invención se refiere a un
procedimiento para la fusión de una carga de aluminio que consiste
en fundir dicha carga de aluminio en un horno mediante la
aportación de un combustible y oxígeno por lo menos a través de un
quemador.
Se conocen distintos tipos de hornos de fusión de
aluminio, los cuales disponen de un medio de aporte de energía
cualitativamente determinada en función del tipo de horno
utilizado.
Así, por ejemplo, un horno eléctrico de inducción
efectúa la fusión de la carga de aluminio gracias a las corrientes
inducidas y gobernadas desde un sistema eléctrico. Dichas corrientes
inducidas depositan energía sobre la carga de aluminio a fundir por
lo que su ``fuente característica'' de energía es la energía
eléctrica.
Por otro lado, existen hornos de fusión de
aluminio que utilizan como ``fuente característica'' de energía la
combustión, pudiendo ser ésta de muchos tipos cada uno de los
cuales atiende a las necesidades productivas.
Entre los hornos de fusión más comunes pueden
citarse los ``hornos de reverbero'', los ``hornos de solera seca''
y los ``hornos rotativos''.
En los ``hornos de reverbero'' uno o más
quemadores ``reverberan'' su llama sobre la carga de aluminio a
fundir produciendo el cambio de estado del aluminio así como su
calentamiento a la temperatura de proceso para después
desgasificarlo o alearlo, si procede. Dichos hornos pueden bascular
a fin de extraer el aluminio.
Por otro lado, los hornos llamados de ``solera
seca'' se caracterizan por disponer de uno o más quemadores
cambiando el estado del aluminio de sólido a líquido sobre una
solera a partir de la cual el aluminio fluye hasta una solera
principal en la cual el aluminio líquido es calentado a su
temperatura de proceso, aleado y desgasificado.
Y por último, los ``hornos rotativos'' se
caracterizan por disponer de un quemador y un sistema de giro sobre
el eje horizontal del horno. Normalmente son hornos de fusión que
trasvasan el aluminio fundido a otro horno en el cual se aumenta su
temperatura hasta la de proceso y se le desgasifica y/o alea.
En los hornos de combustión citados la ``energía
característica'' es aportada mediante un mechero que quema un
combustible fósil con aire, aire enriquecido con oxígeno u oxígeno
puro, por lo que es de origen químico.
Sin embargo, debe destacarse que en todos los
casos citados se efectúa la fusión del aluminio con un defecto de
oxígeno a fin de minimizar las pérdidas de aluminio por
oxidación.
En los últimos años las fundiciones de aluminio
han mejorado sus rendimientos productivos respetando el medio
ambiente. La combustión con aire enriquecido con oxígeno y la
combustión con oxígeno puro han reducido considerablemente las
tasas de polución de los hornos, tanto a nivel de emisión de gases
como en lo que a la calidad de los mismos se refiere. Las partículas
sólidas han disminuido gracias a los sistemas de filtración de
humos y también gracias a la utilización de la
oxi-combustión.
Normalmente, la segunda fusión del aluminio se
efectúa en hornos de combustión cuyos quemadores utilizan como
``energía característica'' algún hidrocarburo quemado con aire, aire
enriquecido u oxígeno. Debe tenerse en cuenta que las cargas de
aluminio suelen estar compuestas por chatarras de aluminio y
escorias de aluminio las cuales pueden ser de distinta riqueza de
metal libre.
Las llamadas ``chatarras de aluminio'' suelen
provenir del sector ``carpintería de aluminio'' y normalmente
llevan adheridas materia orgánica tal como lacas, barnices,
pinturas, aceites, plásticos, taladrinas y otros compuestos de
origen orgánico con un poder energético realmente importante y que
puede oscilar, según el tipo, de 4.000 a 12.000 Kcal/Kg y que una
vez cargadas en el horno de no disponer del medio de quemarlos
totalmente dentro de él, producen una gran cantidad de inquemados
tales como CO, H_2 y C que al partir por la chimenea ponen a
prueba las instalaciones de filtrado y depuración de los humos.
Básicamente, la oxidación del aluminio como la de
todos los metales depende de los siguientes factores:
\bullet Presión parcial de oxidantes en el
``medio''.
\bullet Temperatura del aluminio.
\bullet Tiempo de exposición del aluminio con
el medio.
El óxido de aluminio no es reducible a aluminio
metálico por procedimientos de pirólisis, por lo que parte con las
escorias del horno con merma del rendimiento metálico en fusión.
Así, por ejemplo, los análisis de humos
efectuados a la salida de un horno para una carga de horno
compuesta por 100% de chatarra de aluminio han detectado contenidos
de monóxido de carbono de hasta el 20% y de hidrógeno de hasta el
6% además de una cantidad de carbono en forma de hollín no
cuantificada.
Sin embargo, los medios utilizados en el estado
de la técnica con el fin de evitar la emanación de volátiles se
basan en mejorar las instalaciones de filtrado y de depuración de
los humos en la salida de la chimenea del horno de fusión.
Por lo tanto, es evidente que no existe todavía
un procedimiento para la fusión de aluminio que permita reducir a
valores significativamente inferiores respecto al estado de la
técnica las emisiones de monóxido de carbono y de hidrógeno. Más
concretamente, todavía no se ha encontrado un procedimiento para la
fusión de una carga de aluminio que permita, al mismo tiempo,
reducir las emisiones de monóxido de carbono e hidrógeno, y la
formación de óxido de aluminio durante la fusión del aluminio en un
horno de combustión.
En la presente invención por ``carga de
aluminio'' se entiende el aluminio que se introduce en un horno de
combustión con el fin de llevar a cabo su fusión. Generalmente,
dicho aluminio procede de chatarras de aluminio que pueden estar
contaminadas o no con productos orgánicos compuestos principalmente
por lacas, barnices, pinturas, aceites y plásticos entre los más
habituales.
En la presente invención por ``carga orgánica''
se entiende cualquier producto orgánico que pueda utilizarse como
combustible dado su elevado poder energético. Generalmente, la
carga orgánica está compuesta por lacas, barnices, pinturas,
aceites y plásticos y puede estar presente en la carga de aluminio o
puede adicionarse de forma separada a dicha carga de aluminio.
En la presente invención por ``relación de
oxígeno/combustible en el quemador'' se entiende la relación que
existe entre el oxígeno y el combustible en el quemador,
independientemente de si el oxígeno es suministrado conjuntamente
con el combustible a la entrada del quemador o de si el oxígeno es
suministrado por un circuito independiente del quemador de manera
que la relación del combustible que sale por el quemador y el
oxígeno suministrado en ese punto confiere, en su conjunto, una
atmósfera oxidante.
El objetivo de la presente invención es resolver
los inconvenientes de la técnica anterior, desarrollando un
procedimiento que permite aprovechar la energía de la carga orgánica
inherente o no a la carga de aluminio, minimizando al mismo tiempo
las pérdidas de óxido de aluminio que pueden darse durante la
fusión de la carga de aluminio.
De acuerdo con este objetivo, el procedimiento de
la invención para la fusión de una carga de aluminio se caracteriza
por el hecho de que comprende una carga orgánica y por el hecho de
que se lleva a cabo la combustión de dicha carga orgánica
utilizando una relación de oxígeno/combustible en el quemador que
proporciona una atmósfera oxidante en el horno de fusión.
Inesperadamente, el procedimiento de la
invención, a pesar de introducir un exceso de oxígeno en el horno de
fusión de aluminio aumentando el poder oxidante del medio, permite
obtener rendimientos de aluminio mejores que en un procedimiento
clásico, gracias a que al aumentar la eficiencia energética del
horno y por tanto la velocidad de fusión del aluminio, el tiempo de
exposición de éste con el medio es inferior al del procedimiento
clásico.
Como es sabido, la formación de óxido de aluminio
depende de la temperatura del aluminio, de la presión parcial de
agentes oxidantes en el medio y del tiempo de exposición del
aluminio con el medio, siendo ésta última la variable que influye
de forma más directa en la formación del óxido de aluminio.
Ventajosamente, con el procedimiento de la
invención se potencia el rendimiento térmico y se reducen las
pérdidas de aluminio por oxidación gracias a la reducción del
tiempo de contacto del aluminio con el medio.
La reducción del tiempo de contacto del aluminio
con el medio se consigue utilizando la carga orgánica inherente a
la carga de aluminio o añadida a ésta como combustible que quemada
adecuadamente con oxígeno aporta energía útil a la carga de
aluminio.
Por tanto, con el procedimiento de la invención
se consigue reducir considerablemente la emanación de volátiles en
la salida de la chimenea y en consecuencia se trata de un
procedimiento mucho más limpio desde un punto de vista
medioambiental que los procedimientos clásicos utilizados hasta la
fecha.
Es sabido, que una vez cargado el horno con
chatarras de aluminio la materia orgánica inicia la emanación de
volátiles combustibles que parten del horno por la chimenea hacia la
depuración de humos junto con los otros gases resultantes de la
combustión del quemador. Los gases combustibles tales como el
monóxido de carbono e hidrógeno y carbón en forma de hollín viajan
junto la masa total de gases de combustión por la extracción de
humos del horno encontrando en su camino moléculas de oxígeno aún
sin combinar con las que reaccionan generando temperatura en
chimenea.
Según ensayos efectuados durante la investigación
realizada existe una correlación proporcional entre la cantidad de
reductores en un punto de chimenea y la temperatura en dicho punto
de tal forma que cuanto mayor es la concentración de CO, H_2 y C
mayor es la temperatura y viceversa.
A este efecto, la invención propone un
procedimiento para la fusión de aluminio en donde tiene lugar la
combustión de la carga orgánica inherente a la carga de aluminio o
añadida a ella utilizando una relación de oxígeno/combustible en el
quemador que proporciona una atmósfera oxidante en el horno de
fusión.
Con ello se consigue aumentar la presión parcial
del oxígeno en el horno de manera que tiene lugar la combustión de
la carga orgánica dentro del horno en lugar de en la chimenea de
salida de humos. La combustión de la materia orgánica en el horno
aporta energía útil a la carga de aluminio con lo que se consigue un
incremento en la velocidad de fusión del aluminio al mismo tiempo
que se reduce el tiempo de exposición del aluminio con el medio y
por lo tanto las pérdidas de aluminio por oxidación disminuyen
considerablemente.
Una vez se ha quemado la carga orgánica en el
horno, el sistema de combustión se regula de forma que la relación
oxígeno/combustible en el quemador proporciona una atmósfera
reductora en el horno de fusión, es decir, se continua con el
procedimiento clásico de fusión de aluminio.
Sin embargo, en procedimientos de fusión
continuos, en los que la carga orgánica puede introducirse de forma
constante o intermitente según las necesidades del sistema, la
relación oxígeno/combustible en el quemador variará de forma
proporcional según la temperatura de referencia en cada instante en
el circuito de extracción de humos del horno por lo que la
atmósfera en el horno de fusión será en ocasiones oxidante y en
ocasiones reductora.
Por tanto, el procedimiento de la invención puede
aplicarse con éxito tanto si la carga de aluminio del horno es
continua como si es discontinua y tanto si la carga orgánica es
inherente a la carga de aluminio o es añadida en continuo o de
forma intermitente.
Los compuestos orgánicos sin el exceso de oxígeno
aportado de acuerdo con la invención romperían sus moléculas según
la siguiente ecuación:
\bullet CxHy + energía = a C + b CO + c
H_2
En presencia del exceso de oxígeno que regula en
continuo el procedimiento de la invención, la ecuación que tiene
lugar es la siguiente:
\bullet CxHy + O_2 = CO_2 + H_2O
+ Energía
El procedimiento produce un efecto sorprendente e
inesperado puesto que al aumentar las relaciones de oxígeno su
exceso se combina con los inquemados provenientes de la materia
orgánica CO, H_2 y C quemándolos completamente dentro del horno y
evitando que progresen hacia chimenea. De esta forma, la
temperatura en el punto de consigna escogido desciende
restableciéndose las relaciones normales en el quemador.
Para mayor comprensión de cuanto se ha expuesto
se acompaña una figura en la que, esquemáticamente y sólo a título
de ejemplo no limitativo, se representa un caso práctico de
realización.
En dicha figura se muestra un sistema de control
de un horno de fusión de acuerdo con el procedimiento de la
invención.
En un horno de fusión 1 se introduce una carga de
aluminio que lleva inherente una carga orgánica. Se enciende el
quemador 9 que es alimentado por combustible a través de una
válvula 7 y por oxígeno como comburente a través de una válvula 8.
La temperatura de los gases quemados 2 se detecta mediante una
sonda de temperatura 3 instalada en la chimenea del horno de
fusión. Dicha sonda de temperatura 3 transmite la señal a dicho
regulador de temperatura 4 en el que se ha prefijado un
set-point según la distancia del punto hasta la
salida de humos del horno 5. Dicho regulador 4 dispone de una
salida de 4-20 mA que a través de un autómata PLC 6
puede provocar el cierre progresivo de la válvula de globo
proporcional de combustible 7 o la apertura progresiva de la
válvula de globo proporcional de oxígeno 8. De esta forma aumenta
la presión parcial de oxígeno en el horno lo que permite llevar a
cabo toda la combustión de la carga orgánica dentro de él,
disminuyendo considerablemente el consumo específico de ``energía
característica'' del sistema.
A pesar de que se ha descrito y representado una
realización concreta de la presente invención, es evidente que el
experto en la materia podrá introducir variantes y modificaciones,
o sustituir los detalles por otros técnicamente equivalentes, sin
apartarse del ámbito de protección definido por las
reivindicaciones adjuntas.
Por ejemplo, aunque se ha esquematizado un
sistema de alimentación de la carga de aluminio de forma
discontinua, es evidente que la alimentación en un horno de fusión
de una carga de aluminio y una carga orgánica de forma continua
forma igualmente parte del objeto de la presente invención. De
igual forma es evidente que es objeto de la presente invención la
sustitución del oxígeno por aire o por aire enriquecido con
oxígeno.
En el procedimiento de la invención se funde, de
modo conocido, una carga de aluminio aportando un combustible y
aportando también oxígeno como comburente con un ratio máximo de,
por ejemplo, oxígeno/gas natural de 2,3 u oxígeno/propano de 5,3 u
oxígeno/fuel de 2,4. El procedimiento se caracteriza por la
existencia de carga orgánica inherente o añadida junto con la carga
de aluminio del horno y por efectuar la combustión del combustible
característico con unas relaciones superiores a las citadas. Así,
por ejemplo, pueden utilizarse las siguientes relaciones de
oxígeno/combustible: 1,8-5 de oxígeno/gas natural,
4-10 de oxígeno/propano y 1,9-4,5 de
oxígeno/fuel-oil.
El procedimiento de la invención ha sido ensayado
en un horno rotativo de 17 Tm de capacidad equipado con un quemador
oxi-gas natural. El sistema de combustión está
equipado con un autómata, válvulas de globo proporcionales y todas
las seguridades inherentes a este tipo de instalaciones.
Durante los ensayos se ha utilizado la estrategia
de ahorro de Combustible característico, es decir ``exceso de
temperatura en chimenea, válvula de gas natural con cierre
progresivo hasta restablecimiento de la temperatura según
set-point''.
El resultado final se expresa en la tabla
siguiente:
| PARÁMETROS | CLÁSICO | INVENCIÓN | VARIACIÓN |
| Tiempo de quemador | 3,25 HORAS | 2,5 HORAS | -23% |
| Consumo de gas natural | 58 m^3/ Tm Al | 37 m^3/Tm Al | -13,50% |
| Consumo de oxígeno | 95 m^3/Tm Al | 95 m^3/Tm Al | 0 |
| Velocidad fusión | 5,23 Tm/h | 6,8 Tm/h | 30% |
| Temperatura humos | 515ºC | 352ºC | -32% |
En la primera columna de dicha tabla se citan los
parámetros que se han tenido en cuenta. En la segunda columna se
muestran los valores obtenidos según un procedimiento clásico en un
horno de fusión. En la tercera columna se muestran los valores
obtenidos de acuerdo con el procedimiento de la invención. Y en la
cuarta columna se muestra la variación de los valores obtenidos por
el procedimiento de la invención con respecto a los valores de
partida o de la técnica anterior.
A partir de los valores de la tabla anterior,
puede observarse que la velocidad de fusión ha aumentado gracias al
procedimiento de la invención en un 30%, el consumo específico de
gas natural ha disminuido el 13,5% y la temperatura de salida de
humos en chimenea ha disminuido en más del 30%.
Por tanto, es evidente que con el procedimiento
de la presente invención se resuelven los problemas citados de la
técnica anterior además de aportar ventajas tales como una
disminución en el tiempo de fusión, una disminución del consumo de
combustible, un aumento en la velocidad de fusión del aluminio y
una reducción importante en la temperatura de los humos de salida
de chimenea y por lo tanto de emanación de volátiles.
Claims (7)
1. Procedimiento para la fusión de una carga de
aluminio en un horno de fusión, caracterizado por el hecho
de que comprende una carga orgánica y por el hecho de que se lleva
a cabo la combustión de dicha carga orgánica utilizando una
relación de oxígeno/combustible en el quemador que proporciona una
atmósfera oxidante en el horno de fusión.
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado por el hecho de que la carga orgánica es
inherente a la carga de aluminio.
3. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado por el hecho de que la carga orgánica se añade
a la carga de aluminio.
4. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado por el hecho de que la carga orgánica se
introduce en el horno mediante un procedimiento de carga en
continuo.
5. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado por el hecho de que la relación de
oxígeno/combustible en el quemador es proporcional a una
temperatura de referencia en cada instante en el circuito de
extracción de humos del horno.
6. Utilización en un horno para la fusión de
aluminio de una relación de oxígeno/combustible en el quemador que
proporciona una atmósfera oxidante en el horno de fusión.
7. Utilización en un procedimiento para la fusión
de una carga de aluminio de un exceso de oxígeno para quemar la
carga orgánica inherente a dicha carga de aluminio o añadida a la
misma a fin de potenciar el rendimiento energético y disminuir
emisiones de reductores a chimenea.
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- 2002-03-27 ES ES200200741A patent/ES2207389B1/es not_active Expired - Fee Related
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Effective date: 20100312 |