ES2218102T3 - Procedimiento y dispositivo de purificacion del aluminio por segregacion. - Google Patents
Procedimiento y dispositivo de purificacion del aluminio por segregacion.Info
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Abstract
Procedimiento de purificación del aluminio por segregación tendiente a la formación de una masa sólida, denominada ¿bloom¿ de elevada pureza, a partir de una masa de aluminio líquido, denominada solución original, dicho procedimiento es efectuado en un dispositivo que comprende un crisol refractario, medios de calentamiento de dicho crisol, al menos un medio de compresión, medios de desplazamiento vertical del o de cada medio de compresión, y medios de desprendimiento, dicho procedimiento comprende una operación de crecimiento en dicho crisol del citado bloom en el fondo del citado crisol, dicha operación de crecimiento comprende: - la formación de cristales de aluminio mediante la cristalización en al menos una superficie específica de dicho dispositivo, denominada zona de cristalización, cuya temperatura es inferior a la temperatura de la línea del líquido de dicha solución original, - el desprendimiento de dichos cristales con ayuda de los citados medios de desprendimiento, - la migración de dichos cristales hacia el fondo de dicho crisol bajo el efecto de la fuerza de gravedad, - la acumulación de dichos cristales sobre la superficie de la citada masa sólida, - la compresión de dichos cristales acumulados y de dicha masa sólida con ayuda del o de cada medio de compresión, - una refusión parcial de dicha mas sólida durante el crecimiento, con ayuda de dichos medios de calentamiento, el citado procedimiento se caracteriza porque comprende: - la medición de la altura H de dicho bloom durante la citada operación de crecimiento, - el ajuste de la potencia térmica P en función de la altura H medida para obtener una velocidad de progresión de la altura que está determinada, y que es preferentemente, decreciente en el tiempo.
Description
Procedimiento y dispositivo de purificación del
aluminio por segregación.
La presente invención se refiere a la
purificación del aluminio por segregación. Esta tiene por objeto
específicamente los procedimientos y los dispositivos de
purificación por segregación que permiten obtener aluminio de
elevada pureza, a saber una pureza superior a 3N5, es decir,
conteniendo más de 99,95% aluminio.
Los procedimientos de purificación del aluminio
por segregación tienen por finalidad obtener un aluminio con un
escaso contenido de elementos eutécticos, tales como el cobre,
hierro, silicio, galio, o zinc. Estos procedimientos se basan en el
hecho de que la solidificación parcial de una masa de aluminio
liquido impuro (denominada solución original) tiende a concentrar
los elementos eutécticos en la masa líquida y a producir cristales
con un contenido de elementos eutécticos netamente inferior al de
la solución original. De esta forma, el principio básico de los
conocidos procedimientos de segregación consiste en favorecer la
cristalización parcial de una masa de aluminio líquido impuro y
separar físicamente las dos fases a fin de aislar el metal
purificado de la solución original residual, enriquecida con los
elementos eutécticos.
Se desarrollaron varios procedimientos en torno a
este principio básico. Típicamente, luego de haber colocado una
carga de aluminio líquido impuro en un recipiente refractario
aislado térmicamente, se induce la formación de cristales finos en
la parte superior del aluminio líquido mediante la refrigeración
local del mismo, luego se coloca la acumulación progresiva de
cristales en la parte inferior del recipiente, y bajo el efecto de
la gravedad, se detiene el proceso de purificación cuando una
fracción determinada de la solución original ha sido cristalizada,
separándose los cristales purificados de la solución original
residual.
Según la patente norteamericana US 3 211 547, los
cristales se forman en la superficie de la masa de aluminio líquido
por la refrigeración controlada de la misma, luego se separan y se
acumulan en el fondo del recipiente bajo el efecto de la gravedad.
Durante la fase de cristalización, y en intervalos regulares se
efectúa una compresión (o apisonado) parcial de la masa de
cristales. La utilización de una compresión, durante la
cristalización de la masa de cristales acumulados en el fondo del
recipiente, permite mejorar sensiblemente el porcentaje de
purificación del procedimiento. Al final de la fase de
cristalización, se evacua, en primer lugar, la solución original
residual por fluencia en la fase líquida, preferentemente a través
de un orificio situado al nivel de la superficie superior de la
masa de cristales de aluminio purificado, acumulada en el fondo del
recipiente, y luego, se recupera la denominada masa de cristales
acumulada fundiéndola y dejándola fluir en la fase líquida mediante
un orificio situado cerca del fondo del recipiente.
Según la patente francesa FR 1 594 154
(correspondiente a la patente norteamericana US 3 671 229), los
cristales se forman en la superficie externa de un tubo ciego de
grafito, al nivel de la parte inmersa en la solución original. Un
gas de refrigeración circula en el tubo para activar la
cristalización. Un anillo de grafito mantenido en el aluminio
líquido, raspa periódicamente la superficie exterior del tubo,
desprendiendo de esta manera los cristales que allí se formaron.
Los cristales se acumulan en el fondo del crisol por efecto de la
gravedad y la masa de cristales acumulada es regularmente
comprimida con ayuda del citado anillo. El tubo es progresivamente
ascendido a medida que va progresando la solidificación. Al final
de la fase de cristalización, se separa la masa sólida purificada
(denominada "bloom") de la masa líquida residual, enriquecida
con elementos eutécticos, por ejemplo mediante el sifonaje de la
solución original residual, o bien basculando el crisol. Según la
patente francesa FR 2 592 663 (correspondiente a la patente
norteamericana US 4 744 823) se puede aumentar aún mas el
coeficiente de purificación de este procedimiento basculando el
recipiente para permitir la fluencia de la solución original y
manteniéndolo inclinado para permitir la eliminación del líquido
intersticial residual mediante goteo.
Según la patente francesa FR 2 524 489
(correspondiente a la patente norteamericana US 4 456 480) y la
patente norteamericana US 4 221 590, se induce una refusión de los
cristales acumulados en el fondo del crisol durante la fase de
cristalización y de compresión de los cristales, lo que provoca una
purificación suplementaria del metal y permite alcanzar
coeficientes de purificación superiores a los valores teóricos.
Según la patente japonesa JP
58-167733, los cristales de aluminio purificado se
forman en la periferia de la superficie interna del crisol, dentro
de una zona determinada situada debajo de la superficie libre del
aluminio líquido, gracias a un dispositivo de refrigeración, que
comprende una canalización de acero inoxidable a través de la cual
circula aire fresco. La parte del aluminio líquido situada por
encima de la zona de refrigeración es calentada a fin de evitar su
solidificación. Los cristales formados en la zona de refrigeración
forzada son despegados mediante un raspador de grafito, cuya
sección es sensiblemente igual a la del crisol, y al estar
permanentemente inmerso en el aluminio líquido, éste raspa
periódicamente la superficie del crisol, favoreciendo su
acumulación en el fondo del crisol. El raspador es asimismo
utilizado para comprimir los cristales acumulados en el fondo del
crisol. El raspador posee canales que permiten la fluencia de los
cristales hacia el fondo del crisol y la fluencia del metal líquido
al moverse el raspador. La masa de metal solidificado es
parcialmente refundida con ayuda de los medios de calentamiento.
Cuando la masa de cristales acumulados ha alcanzado la zona de
refrigeración, se quita el raspador, se evacua la solución original
mediante sifonaje y se extrae la masa sólida del crisol, y luego
se la corta en función de la pureza deseada.
Los blooms producidos industrialmente según el
estado de la técnica, presentan una pureza heterogénea.
Particularmente, se observa un gradiente de pureza entre la parte
superior e inferior de los blooms. Es común aserrar la parte
superior del bloom final, el cual está mas cargado de impurezas que
la parte inferior, y conservar solamente esta última para las
aplicaciones que exijan niveles de pureza más elevados.
Típicamente, la operación de aserrado elimina un 15% a un 30% del
bloom final. Esta solución presenta, no obstante, el inconveniente
que elimina una parte importante de los blooms obtenidos,
reduciéndose por consiguiente, la productividad efectiva de una
fábrica y generando desechos que complican la gestión de las
existencias de metal.
La solicitante ha constatado además que los
blooms obtenidos industrialmente presentan generalmente
variaciones de pureza entre el núcleo y la periferia, el metal en
la periferia es más puro que aquel que se halla en el núcleo del
bloom. De manera general, la mayor productividad de los grandes
crisoles varía en sentido inverso de la pureza del producto
obtenido. Por ejemplo, los coeficientes de purificación K efectivos
(sobre la integridad de cada bloom) observados para el hierro
(KFe) y para el silicio (KSi) en crisoles de 800 mm de diámetro,
eran aproximadamente 50% inferiores a los observados (a una
idéntica velocidad de ascensión) en los de los crisoles de 600 mm
de diámetro. Con este tipo de heterogeneidad, de carácter
esencialmente radical, el metal de gran pureza puede difícilmente
ser extraído mediante una simple operación de aserrado.
Además de estas heterogeneidades, la solicitante
ha observado variaciones significativas de una operación a la otra,
en cuanto al tiempo necesario para obtener un bloom de una masa
predeterminada. Esta variaciones, imputables a diferentes causas
(tales como el desgaste de los materiales, y las variaciones de
conductividad térmica), afectan la productividad efectiva de un
sitio industrial, complicando la organización del trabajo y los
procedimientos internos.
Por último, la solicitante ha constatado que la
productividad y el porcentaje de purificación, efectivo medio varía
inversamente de uno al otro. Por lo tanto, cuando se aumenta la
productividad, se observa una disminución del porcentaje de
purificación, e inversamente, cuando se aumenta el porcentaje de
purificación, se observa una disminución de la productividad. Esta
restricción limita el margen de maniobra de la producción
industrial de forma significativa y encarece asimismo los costos de
producción.
La solicitante ha por lo tanto buscado soluciones
que permitan reducir los límites del compromiso entre el
porcentaje de purificación y la productividad, reduciendo las
heterogeneidades y las variaciones de pureza en los blooms
obtenidos industrialmente, mediante la aplicación de dispositivos y
de procedimientos simples, a fin de reducir globalmente los costos
de inversión, de producción y de mantenimiento.
El primer objeto de la invención es un
procedimiento de purificación del aluminio por segregación con el
fin de formar una masa sólida (o "bloom") de elevada pureza (a
saber, superior a 3N5, es decir conteniendo más de 99,95% de
aluminio) a partir de una masa de aluminio líquido impura
denominada "solución original", comprendiendo la formación de
cristales mediante la cristalización parcial, una compresión
periódica del bloom y una refusión esencialmente continua del bloom
por calentamiento durante el crecimiento, y caracterizado porque
comprende una medición periódica de la altura H del bloom durante
el crecimiento y el ajuste de la potencia térmica en función de la
altura H medida.
La invención tiene asimismo por objeto un
dispositivo de purificación del aluminio, apto para formar una masa
de aluminio sólido (o "bloom") de elevada pureza por
segregación, comprendiendo un crisol refractario, un horno provisto
de medios de calentamiento del crisol, medios para producir una
refusión del citado bloom mediante el calentamiento durante el
crecimiento y al menos un medio de compresión caracterizado porque
comprende medios para medir la altura H de la citada masa sólida
durante el crecimiento, para comparar la altura H medida a una
altura de consigna Ho predeterminada y variable en el tiempo y para
controlar la potencia térmica de los citados medios de
calentamiento en función de la diferencia entre la citada altura H
medida y la altura de consigna Ho con el fin de obtener una
velocidad de progresión de la altura que es decreciente en el
tiempo.
La solicitante ha constatado que, de manera
inesperada, las heterogeneidades de pureza del bloom final y las
variabilidades de un bloom al otro, estaban vinculadas a la
potencia de calentamiento inyectada durante el proceso de
segregación y que la práctica anterior, que consistía en inyectar
una potencia térmica sensiblemente constante, sin ajuste
retroactivo, durante el crecimiento del bloom, provocaba
heterogeneidades y variaciones de la pureza netamente más
importantes que las observadas con una variación progresiva de la
potencia térmica según la invención. Esta ha observado asimismo que
el control de la potencia térmica durante el crecimiento del bloom
permitía no solamente reducir las heterogeneidades y las
variaciones de pureza, sino también reducir los límites del
compromiso entre el porcentaje de purificación y la
productividad.
La figura 1 ilustra de manera esquemática un
ciclo elemental de purificación, según un modo de realización
preferido del procedimiento según la invención.
La figura 2 ilustra un dispositivo de
purificación por segregación según un modo de realización preferido
de la invención.
La figura 3 muestra las zonas de cristalización y
de refusión del crisol cuando el medio de compresión están en
posición baja, denominado cristalización.
La figura 4 muestra modos de realización
preferidos de la contera del medio de compresión del dispositivo
según la invención.
La figura 5 muestra curvas de crecimiento de la
masa sólida, es decir, curvas de progresión de la altura de la masa
sólida en función del tiempo, según el arte anterior (a) y según la
invención (b, c).
La figura 6 muestra perfiles de curvas de
contenido de silicio (contenidos de ppm) observados típicamente en
blooms según el arte anterior (a) y según la invención (b). Estos
blooms tienen una simetría circular respecto al eje C.
La figura 7 ilustra de manera gráfica valores
típicos de la productividad industrial P (en kg/h) y del porcentaje
de purificación efectivo medio K (sin unidad) del arte anterior (A)
y de la invención (B). El porcentaje de purificación corresponde a
la relación entre el contenido medio de uno o de varios elementos
determinados del metal inicial y el del metal purificado de esos
mismos elementos. Los elementos más característicos son generalmente
las mayores impurezas del aluminio primario producido por
electrólisis, a saber, el hierro y el silicio.
Según la invención, el procedimiento de
purificación del aluminio por segregación tendiente a la formación
por crecimiento de una masa sólida (o "bloom") de elevada
pureza a partir de una masa de aluminio líquido, denominada
solución original, y comprendiendo la formación de cristales por
cristalización parcial, una compresión periódica del bloom y de los
cristales acumulados y una refusión del bloom por calentamiento
durante el crecimiento, está caracterizado porque comprende una
medición periódica de la altura H del bloom y el ajuste de la
potencia térmica en función de la altura H medida.
Más precisamente, la invención se refiere a un
procedimiento de purificación del aluminio por segregación
tendiente a la formación de una masa sólida, denominada
"bloom" de elevada pureza, a partir de una masa de aluminio
líquido, denominada solución original, dicho procedimiento es
efectuado en un dispositivo que comprende un crisol refractario,
medios de calentamiento de dicho crisol, al menos un medio de
compresión, medios de desplazamiento vertical del o de cada medio
de compresión, y medios de desprendimiento, dicho procedimiento
comprende una operación de crecimiento en dicho crisol del citado
bloom en el fondo del citado crisol, dicha operación de crecimiento
comprende:
- la formación de cristales de aluminio mediante
la cristalización en al menos una superficie específica de dicho
dispositivo, denominada zona de cristalización, cuya temperatura es
inferior a la temperatura de la línea del líquido de dicha solución
original,
- el desprendimiento de dichos cristales con
ayuda de los citados medios de desprendimiento,
- la migración de dichos cristales hacia el fondo
de dicho crisol bajo el efecto de la fuerza de gravedad,
- la acumulación de dichos cristales sobre la
superficie de la citada masa sólida,
- la compresión de dichos cristales acumulados y
de dicha masa sólida con ayuda del o de cada medio de
compresión,
- una refusión parcial de dicha mas sólida
durante el crecimiento, con ayuda de dichos medios de
calentamiento,
el citado procedimiento se caracteriza porque
comprende:
- la medición de la altura H de dicho bloom
durante la citada operación de crecimiento,
- el ajuste de la potencia térmica P en función
de la altura H medida para obtener una velocidad de progresión de
la altura que está determinada, y que es preferentemente,
decreciente en el tiempo.
El procedimiento se inicia generalmente cargando
en el crisol refractario una cierta masa inicial de aluminio
líquido a purificar y efectuando el equilibrio térmico del
conjunto. Conviene prever una etapa complementaria para el
precalentamiento del crisol y del medio de compresión colocado en
posición baja en el crisol, antes de cargar el aluminio líquido
para evitar que los materiales sufran choques térmicos y para
acelerar el equilibrio térmico del conjunto.
Las impurezas extraídas del metal durante la
cristalización y durante la refusión parcial se acumulan en la
solución original residual que se vuelve cada vez más cargada de
impurezas.
Por otro lado, al final de la operación de
crecimiento, el procedimiento comprende generalmente una operación
de separación física de la solución original residual y del bloom
final. Esta operación de separación es preferentemente efectuada
cuando el bloom ha alcanzado una altura Hf predeterminada. Esta
puede ser eventualmente efectuada cuando una fracción determinada
F de la masa de aluminio líquido inicial ha sido solidificada, F
está comprendida preferentemente entre 50 y 80%, e inclusive
preferentemente comprendida entre 60 y 75%.
Esta separación física puede ser efectuada de
diferentes maneras. Esta es efectuada preferentemente mediante la
inclinación del crisol, y el consiguiente goteo prolongado del
líquido impuro (es decir, de la solución original residual) que ha
quedado ocluida entre los cristales. Ventajosamente, al final de la
operación de purificación, el crisol es extraído del horno junto
con su virola, y es colocado en un basculador que permite vaciar la
solución original residual impura y gotear el líquido existente
entre los cristales. Asimismo, durante este goteo, se puede raspar
la parte superior del bloom con una hélice de grafito, por ejemplo,
para eliminar el bloom de la zona más impregnada de líquido impuro
residual.
El procedimiento puede comprender una operación
suplementaria de aserrado de la cabeza o del pié del bloom bruto,
es decir, del bloom que se ha quitado del crisol y que se ha
enfriado a una temperatura que permite manipularlo (típicamente a
la temperatura ambiente). Generalmente, la operación de aserrado es
efectuada en un bloom bruto escurrido, es decir, luego de haber
efectuado una operación de goteo del líquido residual impuro y de
refrigeración del sólido restante.
La altura H puede ser medida con ayuda del medio
de compresión lo que permite una simplificación significativa del
dispositivo, permitiendo por ende, reducir considerablemente la
complejidad de los mecanismos del dispositivo, el costo de la
inversión básica y los costos de mantenimiento.
Según un modo de realización preferido de la
invención, los cristales se forman tanto en la pared interna del
crisol como en una parte del o de cada medio de compresión. Los
cristales se forman preferentemente en zonas de cristalización
específicas.
Para la formación de cristales en el o en cada
medio de compresión, la solicitante ha considerado particularmente
ventajoso proceder de manera tal para que una parte del o de cada
medio de compresión esté alternativamente en inmersión y en
emersión, para provocar la refrigeración de una parte específica
del o de cada medio de compresión, denominada zona de
cristalización, hasta una temperatura inferior a la temperatura de
la línea del líquido de la solución original durante la emersión, y
la formación de cristales en la citada zona durante la inmersión.
La refrigeración puede ser simplemente obtenida por radiación y/o
convección natural o forzada. El tiempo de inmersión Ti y el tiempo
de emersión Te pueden ser fijos o variables.
La solicitante ha constatado que las inmersiones
y emersiones alternadas del medio de compresión, destinadas a
desprender los cristales, revelaban asimismo un aumento de la
cantidad de cristales formados sobre el medio de compresión. Este
aumento es aún mas importante cuanto más elevada es la relación
entre el tiempo Te de emersión y el tiempo Ti de inmersión. Más
precisamente, este aumento es más importante cuando la relación del
tiempo Tr pasado en la posición alta (posición de refrigeración) es
más elevada que el tiempo Tc pasado en la posición baja (posición
de compresión y de cristalización), mientras que el tiempo pasado
en la posición baja disminuye sensiblemente en valor absoluto. De
esta forma, el tiempo de emersión Te es preferentemente superior al
tiempo de inmersión Ti. Más específicamente, el tiempo que el
medio de compresión pasa en la posición alta Tr es preferentemente
superior al tiempo que pasa en la posición baja Tc. La solicitante
ha constatado que la masa de cristales fabricados sobre la barra
constituía una función creciente de Tr/Tc y decreciente de Tr +
Tc.
Por ejemplo para un horno de una capacidad de 2
toneladas, entre un ciclo elemental (A) para el cual Ti = 30 seg. y
Te = 8 seg., y un ciclo elemental (B) para el cual Ti = 15 seg. y
Te = 23 seg., existiendo en ambos casos una velocidad de subida o
de bajada de la barra de 0,20 m/seg aproximadamente entre las
posiciones alta y baja, la solicitante ha constatado un porcentaje
de producción de cristales para el ciclo B de 40 kg/hora superior
al del ciclo A, si se mantiene la misma curva de consigna para el
crecimiento del bloom. Este aumento del porcentaje de producción de
los cristales, para una misma curva de crecimiento, va acompañado
por un aumento promedio de la potencia térmica de 4,5 kW y produce
un porcentaje de refusión de los cristales formados más elevado
para el ciclo elemental B que para el ciclo A. Estas diferencias
acarrean una mejora en cuanto a la pureza del metal a una
productividad constante. Típicamente, los contenidos de hierro y de
silicio de los blooms fabricados adoptando el ciclo B eran en
general un 30% inferiores a los de los blooms fabricados según el
ciclo A (con un tamaño final de bloom constante y una duración total
de operación constante), lo que representa una considerable
diferencia del porcentaje de purificación.
La secuencia formada por una emersión y una
inmersión forma un ciclo elemental de purificación. Cada ciclo
elemental puede tener una duración variable o una duración
sensiblemente constante. La duración de cada ciclo está
preferentemente comprendida entre 20 segundos y 5 minutos. Un ritmo
demasiado rápido provoca la formación de un escasa cantidad de
cristales, en cada ciclo elemental y dificulta el desprendimiento
(o descortezado) correcto de estos cristales. Un ritmo demasiado
lento provoca la formación de costras de cristal demasiados espesas
o demasiado duras, a lo largo de cada ciclo elemental, lo que
provoca a veces un bloqueo de los roturadores y una reducción de la
cantidad de cristales formados por unidad de tiempo.
La operación de compresión comprende
preferentemente la puesta bajo presión de la masa sólida con ayuda
del o de cada medio de compresión y el mantenimiento de la presión
durante un período de tiempo Tc sensiblemente igual al tiempo de
inmersión Ti (preferentemente al menos igual a 95% de Ti). El
mantenimiento en la posición alta cubre preferentemente un período
Tr sensiblemente igual al tiempo Te de emersión (preferentemente al
menos igual a 95% de Te).
La profundidad de inmersión del medio de
compresión depende de la altura H de la masa sólida: ésta es
importante al inicio de la operación de purificación, luego decrece
progresivamente a medida que va creciendo la masa sólida. La
operación de compresión comprime la masa sólida (22) y aplasta los
cristales acumulados (21) sobre su superficie superior, expulsando
una parte del líquido impuro incluido entre los cristales. Además
esta compresión, al aplastar el bloom, lleva nuevas partes sólidas
al contacto de las paredes cálidas, facilitando la refusión
parcial. La operación de compresión comprende preferentemente, un
solo movimiento de compresión del o de cada citado medio de
compresión durante un tiempo Tc, el cual es seguido de la citada
medición de la altura H(t) de la masa sólida comprimida. En
la práctica, cuando la altura es medida con ayuda del medio de
compresión, ésta sólo puede ser medida a partir del momento en el
cual la masa sólida ha alcanzado una cierta altura mínima Hm,
correspondiente al punto más bajo que pueda alcanzar el medio de
compresión, este tiempo es denominado "adhesión" (identificado
por la letra G en la figura 5). Es práctico medir el tiempo t desde
el momento de la adhesión.
La operación de desprendimiento de los cristales
en el crisol y en el o cada medio de compresión puede ser efectuada
cuando el o cada medio de compresión ha emergido. La operación de
desprendimiento de los cristales en el o en cada medio de
compresión puede también ser efectuada durante la emersión del o de
cada medio de compresión.
La migración de los cristales hacia el fondo se
produce preferente y esencialmente durante el período de inmersión
Te del o de cada medio de compresión.
La operación de refusión de la masa sólida
durante el crecimiento es un proceso sensiblemente continuo. En la
práctica, la refusión sólo se produce en torno a la masa sólida
comprimida (22) de manera que la zona de refusión efectiva (23)
cubre el fondo del crisol y su pared hasta una altura H. La
refusión interviene sensiblemente en toda la superficie periférica
de la masa sólida (22), incluyendo la parte superior de esta
superficie situada al nivel de la zona de acumulación de los
cristales (21),tal como lo indican las figuras 1 a 3. El ajuste de
la potencia térmica P, que depende de la altura H medida de la masa
sólida (22) se efectúa al menos sobre la potencia aplicada al eje
del conjunto de la masa sólida. Según la invención, el porcentaje de
refusión de la citada masa sólida es variable durante la operación
completa de purificación y sigue preferentemente una progresión
determinada. La solicitante ha constatado que el porcentaje medio
de purificación podía ser aumentado de manera significativa cuando
el porcentaje de refusión sigue una curva de progresión tal que la
relación entre la masa Mr de cristales refundidos y la masa Mc de
cristales formados (Mr/Mc) era para cada ciclo elemental, una
función no decreciente de la altura H(t) de la masa
comprimida en función del tiempo t, es decir, de la masa sólida
luego de la operación de compresión. En otros términos, el
porcentaje de refusión perseguido es constante o creciente cuando
la altura H(t) aumenta. La masa inicialmente producida Mc
es igual a la suma de la masa después de la refusión y de la masa
refundida. También se puede expresar la refusión en términos de un
porcentaje de lavado, que es igual a la relación entre la masa
refundida y la masa restante luego de la refusión parcial.
Tal porcentaje de refusión produce la curva de
crecimiento Ho(t) deseada de la masa sólida que no es lineal
y convexa, es decir de inclinación decreciente o nula (tal curva
está ilustrada en la figura 5). En otros términos, la velocidad de
progresión de la altura H(t) decrece a lo largo del tiempo.
La curva de crecimiento según la invención es ventajosamente
obtenida mediante una regulación de la potencia de los medios de
calentamiento con ayuda del valor de la altura H(t) de la
masa sólida medida en cada ciclo elemental, que luego se compara con
el valor Ho(t) de consigna (que corresponde a la curva tipo
de crecimiento deseada de la masa comprimida a lo largo del
tiempo). Típicamente, cuando el valor H(t) medido sobre
algunos ciclos elementales consecutivos, es superior al valor
Ho(t) de consigna, se aumenta la potencia térmica, y en caso
contrario, se la disminuye. Preferentemente, la citada regulación,
toma en cuenta simultáneamente la diferencia entre la altura
H(t) efectivamente medida (preferentemente, una media
respecto a algunos minutos o a algunos ciclos elementales
consecutivos (media deslizante)) y el valor de consigna
Ho(t) y la tendencia de esta diferencia a aumentar o
disminuir a lo largo del tiempo; esto tiene por finalidad evitar
especialmente los fenómenos denominados de "bombeo" de la
regulación. Se ha considerado ventajoso ajustar la potencia térmica
P en función de la diferencia entre la altura medida H y una valor
de consigna Ho, es decir controlar la potencia P en función de H -
Ho, Ho es una valor de consigna predeterminado y en función del
tiempo transcurrido desde la adhesión.
Preferentemente el incremento de potencia
\DeltaP impuesto a un momento t es de la siguiente forma:
\Delta P(t) = A \ x \
[H(t) - Ho(t)] + B \ \{\Delta[H(t) -
Ho(t)] /\Delta
t\}
en la cual A y B son coeficientes positivos
empíricos que son ajustados de forma tal para que permitan una
recuperación rápida de la altura de consigna, pero sin engendrar el
"bombeo" en torno a esta altura de consigna, a pesar de la
inercia térmica inevitable del dispositivo (en general, se
requieren algunos minutos para que un incremento de potencia se
traduzca por una inflexión de la curva de ascensión de los
cristales). La regulación de la potencia térmica es ventajosamente
garantizada por un sistema
informatizado.
La solicitante ha observado de manera
sorprendente que para una productividad determinada, es decir,
fijando una duración determinada para la operación completa de
segregación, (y por ende, para obtener un bloom de peso
determinado), la forma de conducir el ciclo, y especialmente la ley
que expresa la velocidad a la cual se hace crecer el bloom, en
función de la altura del bloom (o masa sólida) ya comprimida, tenía
una importancia considerable sobre la pureza media del bloom final
obtenido. En otros términos, de manera inesperada, un control de la
potencia térmica tendiente a que la altura del bloom comprimido
aumente según reglas particulares permite, a una determinada
productividad, mejorar sensiblemente los coeficientes de
purificación obtenidos.
El espacio libre dejado entre el o cada medio de
compresión y la pared interna del crisol es preferentemente tal
como para que los cristales despegados soporten un fenómeno
denominado de lavado, durante su caída hacia el fondo del crisol.
Este fenómeno se produce cuando los cristales pasan cerca de la
pared, dentro de una zona en la cual el aluminio líquido está a una
temperatura levemente más elevada que la temperatura de la línea
del líquido, lo que provoca una refusión parcial de la superficie
de los cristales, la cual posee mayores impurezas que la parte
central, lo que permite una mejor purificación.
Según una variante de la invención, las
dimensiones del o de cada medio de compresión y del crisol son
tales, que cuando el o cada medio de compresión está en posición
baja (inmerso) la superficie libre del aluminio líquido sube hasta
cubrir sensiblemente toda la superficie de la zona de
cristalización sobre la pared interna del crisol, de manera tal
que, cuando el o cada medio de compresión es colocado en posición
alta (emergido) la superficie libre del aluminio líquido baja hasta
que la parte superior de la corona de cristales (25), formada en la
citada zona, emerja al menos parcialmente, del metal líquido y los
cristales puedan ser despegados sin que los medios de
desprendimiento (más precisamente los raspadores de los mismos)
penetren en el metal líquido. Esta variante de la invención permite
reducir el desgaste de los raspadores, disminuir por lo tanto las
intervenciones sobre los medios de desprendimiento, facilitar el
mantenimiento del dispositivo y reducir los riesgos de
contaminación de la solución original, lo que permite obtener un
porcentaje de purificación más elevado y mejor controlado.
Tal como se ilustra en la figura 1, según un modo
de realización preferido, el procedimiento de purificación por
segregación, según la invención se caracteriza porque
comprende:
- la realización de los ciclos elementales de
purificación, permitiendo la formación de una masa sólida de
aluminio purificado (22) que descansa sobre el fondo del crisol
(2), cada ciclo comprende:
\bullet el mantenimiento en la posición alta
del medio de compresión (12) durante un tiempo Tr, la superficie
libre (19) del aluminio líquido está a un nivel Nr (figura 1
A);
\bullet el descenso del medio de compresión
(12) y la puesta bajo presión de la masa sólida (22) y de los
cristales (21) acumulados en la superficie superior por el medio de
compresión, la superficie libre (19) del aluminio líquido se elevó
hasta el nivel Nc (figura 1 B);
\bullet el mantenimiento de la citada presión
y la formación de cristales (24, 25) tanto sobre el medio de
compresión como sobre la superficie del crisol, en las citadas
zonas de cristalización (29, 29a), durante un intervalo de tiempo
Tc de preferencia fijo (figura 1 C);
\bullet la medición de la altura H de la masa
sólida con ayuda del medio de compresión;
\bullet el ascenso del medio de compresión
hasta la posición alta, denominada de refrigeración, la superficie
libre (19) del aluminio líquido ha bajado al nivel Nr;
\bullet una operación de desprendimiento de los
cristales con ayuda de los medios de desprendimiento (13, 14),
preferentemente fuera del aluminio líquido, los cristales así
desprendidos migran luego hacia la parte inferior del citado crisol
por el efecto de la gravedad (figura 1 D);
- la refusión parcial continua de la masa
sólida;
- el ajuste de la potencia térmica P en función
de la altura H;
- la parada de los ciclos elementales de
purificación cuando la masa sólida ha alcanzado una altura Hf
predeterminada.
Las citadas zonas de cristalización alcanzan una
longitud Z1 del crisol y Z2 de la barra del o de cada medio de
compresión.
Según la invención, el dispositivo de
purificación del aluminio por segregación, apto para formar por
crecimiento una masa de aluminio sólido (o "bloom") de elevada
pureza a partir de una masa de aluminio líquido denominada solución
original, comprende un crisol refractario, un horno provisto de
medios de caldeo del crisol, medios para formar cristales por
cristalización parcial en superficies específicas, denominadas
zonas de cristalización, medios para desprender los citados
cristales, al menos un medio de compresión de los citados cristales
y del citado bloom, medios para desplazar verticalmente el o cada
medio de compresión, y medios para producir una refusión del citado
bloom mediante el calentamiento durante el crecimiento, y está
caracterizado porque comprende medios para medir la altura H de la
citada masa sólida, para comparar la altura H medida a una altura
de consigna Ho predeterminada y variable en el tiempo y para
controlar la potencia térmica de los citadas medios de
calentamiento en función de la diferencia entre la citada altura H
medida y la altura de consigna Ho con el fin de obtener una
velocidad de progresión de la altura, la cual es decreciente a lo
largo del tiempo. Los medios de refusión permiten, preferentemente,
una refusión sensiblemente continua de la superficie periférica
del bloom.
Según un modo de realización preferido, el
dispositivo (1) según la invención, comprende un crisol refractario
(2), un horno (4) provisto de medios de calentamiento (5, 5a, 6,
6a, 7, 7a) del crisol, al menos un medio de compresión (12), y
medios para desplazar verticalmente el o cada medio de compresión,
y caracterizado porque el o cada medio de compresión (12) comprende
una barra (9) y una contera (10) de compresión unida a la citada
barra, porque comprende medios para formar cristales (24, 25) por
cristalización parcial a la vez sobre la barra (9) y sobre la pared
interna (26) del citado crisol, en las zonas (29, 29a) denominadas
de cristalización, porque comprende medios (13, 14) para desprender
los citados cristales de dicha barra y de dicha pared interna,
porque existe un espacio libre (28) entre la contera (10) y la
pared interna (26) de dicho crisol el cual es suficiente para
permitir el paso de los cristales desprendidos por dichos medios de
desprendimiento durante su migración hacia la parte inferior del
crisol por acción de la gravedad, porque comprende medios para
medir la altura H de la masa sólida (22) durante su crecimiento, y
porque comprende medios para controlar la potencia térmica de
dichos medios de calentamiento en función de la citada altura H
medida lo que permite obtener una velocidad de progresión de la
altura H en el tiempo, la cual está preferentemente
determinada.
Según una realización preferida de la invención,
el dispositivo posee un solo medio de compresión.
El horno (4) comprende preferentemente una pared
aislante (40) y una caja metálica (41). Los medios de calentamiento
(5, 5a, 6, 6a, 7, 7a) están preferentemente repartidos a lo largo
del crisol (2). Es ventajoso poder controlar individualmente, o por
grupos, dichos medios de calentamiento con el fin de poder ajustar
la potencia térmica de forma determinada a lo largo del crisol.
Particularmente, este reparto de los medios de calentamiento
permite el ajuste de la potencia térmica aplicada al nivel del
conjunto del bloom.
El dispositivo comprende preferentemente medios
para medir la altura H de la masa comprimida (22) con ayuda del
medio de compresión (12). Para ello, el dispositivo puede
comprender medios para localizar, sobretodo durante las operaciones
de compresión, la profundidad del medio de compresión en el metal
líquido y para deducir la altura del bloom comprimido. El
dispositivo está preferentemente provisto de medios que permiten
detectar la fuerza de reacción de la masa sólida (22) a fin de
controlar eficazmente la compresión de dicha masa, y vigilar la
progresión de la formación de la misma, la cual está determinada
por su altura H(t) en relación con el fondo del crisol,
respecto al tiempo t.
El dispositivo comprende un medio para comparar,
en cada operación de compresión, la altura efectivamente comprimida
a una altura de referencia deseada en ese momento de la operación
Ho(t), y para controlar la potencia térmica P en función de
la diferencia entre H(t) y Ho(t). El dispositivo
puede comprender un medio de control de la potencia térmica,
preferentemente informatizado, que permite aumentar la potencia
cuando H > Ho y bajarla si
\hbox{H < Ho.} Este
medio de control actúa sobre dichos medios de calentamiento para
obtener la potencia térmica deseada.
Los citados medios para formar los cristales
sobre la barra comprenden una refrigeración de la misma, por
radiación y/o convección natural o forzada, cuando ésta se halla en
la posición alta (emersión). Los citados medios para formar los
cristales sobre la pared interna del crisol comprenden una
reducción de la temperatura de dicha pared mediante un drenaje
térmico. La refrigeración de la pared del crisol en la zona de
cristalización (29) puede ser eficazmente obtenida prologando la
pared del crisol por encima de la zona de calentamiento, casi hasta
por afuera del horno (4) con una longitud suficiente para acarrear
pérdidas térmicas especialmente por radiación o convección. La
parte aérea (32) del crisol funciona entonces como un drenaje
térmico por un efecto de aleta. La longitud (Le) de dicha parte
aérea (32), tal como fue medida desde la parte superior (33) de la
virola (3) está típicamente comprendida entre 2 y 15 cm para un
dispositivo de una capacidad de 2 toneladas y para un espesor de
pared T del orden de 5 cm.
La cristalización parcial se produce y da lugar a
la formación de cristales, en las zonas de cristalización (29) y
(29a) cuando la temperatura en la superficie de las paredes del
crisol y de la barra es inferior a la temperatura de la línea del
líquido de la solución original. Dentro de estas zonas, el flujo
térmico neto es dirigido desde el metal líquido hacia la pared del
crisol y hacia la barra.
El límite inferior de la zona de cristalización
(29) en el crisol corresponde al lugar de la pared interna donde la
temperatura es igual a la temperatura de la línea del líquido. La
zona situada por debajo de la zona de cristalización corresponde a
la zona denominada de refusión (31) (Figura 3). La zona estrecha
de transición entre la zona de cristalización y la zona de refusión
es denominada "punto neutro". En la zona de refusión, el flujo
térmico es dirigido desde la pared del crisol hacia el metal y la
temperatura de la pared es superior a la temperatura de la línea
del líquido del metal. Sobre el crisol, la relación entre la
altura de la zona de cristalización (Lc) y la altura de la zona de
refusión (Lr) es preferentemente inferior a 0,3, e inclusive
preferentemente inferior a 0,25. En la práctica, la refusión sólo
se produce en torno a la masa sólida comprimida (22) de manera tal
que la zona de refusión efectiva (23) cubre el fondo del crisol y
su pared hasta una altura H. De esta forma, sensiblemente toda la
superficie periférica del bloom es refundida, incluyendo la parte
superior de esta superficie.
Es asimismo ventajoso interponer una pantalla
protectora contra la radiación térmica (34) entre el crisol y los
medios de calentamiento (5 y 5 a) de la parte superior del horno;
dicha pantalla cubre preferentemente una superficie levemente
superior a la zona de cristalización (29). Esta pantalla permite
fijar la posición aproximada del punto neutro separando la zona de
cristalización de la zona de refusión sobre la pared interna del
crisol, y elimina una importante fuente de variabilidad de esta
posición cuando varía la potencia térmica.
La sección de la barra es preferentemente
inferior a la de la contera. El espacio libre (28) existente entre
la periferia de la contera del medio de compresión y la pared
interna del crisol es preferentemente tal que los cristales pueden
acumularse rápidamente en el fondo del crisol al desprenderse de
la barra y de la pared del crisol mediante los medios de
desprendimiento. La distancia D entre la contera y la superficie
interna del crisol es ventajosamente tal que los cristales
desprendidos sufren un fenómeno denominado de lavado al caer hacia
el fondo del crisol. Este fenómeno se produce cuando los cristales
pasan cerca de la pared, dentro de una zona en la cual el aluminio
líquido está a una temperatura levemente más elevada que la
temperatura de la línea del líquido, lo que provoca una refusión
parcial de la superficie de los cristales, la cual contiene más
impurezas que la parte central, obteniéndose una mejor
purificación. Preferentemente, la distancia D es sensiblemente
uniforme y superior o igual a 30 mm, e inclusive preferentemente
comprendida entre 50 y 100 mm. Una distancia demasiado grande
impone una superficie de compresión (15) reducida lo que disminuye
la eficacia de la operación de compresión. En estas condiciones, la
contera tiende a acercar los cristales de la pared del crisol y
forzarlos a pasar cerca de la superficie de la pared donde la
temperatura del aluminio líquido es efectivamente levemente más
elevada que la temperatura de la línea del líquido. También es
conveniente, cuando el medio de compresión está en la posición
elevada, hacer que la parte inferior de la contera quede por
debajo del punto neutro a fin de favorecer el fenómeno de
lavado.
El espacio libre (28a) entre la barra (9) y la
pared interna (26) del crisol es tal que los medios de
desprendimiento (13, 14) pueden moverse libremente y los cristales
(24, 25) pueden formarse rápidamente. La sección de la barra (9) es
preferentemente de forma circular y su diámetro está
preferentemente comprendido entre 20% y 35% del diámetro interior
del crisol. Un diámetro muy pequeño provoca una resistencia
mecánica que puede ser insuficiente para comprimir el bloom y
genera un escaso porcentaje de fabricación de cristales causado por
una limitación del flujo térmico evacuado. Un diámetro demasiado
grande provoca un volumen inmerso que limita demasiado la capacidad
útil del crisol y por consiguiente, la productividad.
La barra (9) y la contera (10) son
preferentemente total o parcialmente de grafito, lo que permite
limitar considerablemente los riesgos de contaminación del
aluminio líquido. La elevada conductividad térmica del grafito
permite enfriar eficazmente la barra en la zona de cristalización
(29a) de la misma y evacuar rápidamente la energía térmica
resultante de la cristalización. La barra (9) es inclusive
preferentemente total o parcialmente de grafito tratado contra la
oxidación al aire por la impregnación de un compuesto tal como el
fosfato de aluminio o de zinc, el ácido fosfórico o una mezcla de
los mismos, o el ácido bórico. También se puede impregnar
parcialmente la zona superficial de la barra mediante un compuesto
antiabrasivo tal como el SiC. Es asimismo conveniente aplicar a la
barra (9) un revestimiento o un recubrimiento de cerámica que
permita evitar la oxidación y la abrasión de la misma, tal como un
revestimiento de carburo de silicio o de Sialon (término que
significa "oxinitruro de silicio y de aluminio" o "Silicon
Aluminium Oxinitride" en inglés). Estas disposiciones permiten
evitar la producción de partículas de grafito, que a menudo se
separan por efecto de la oxidación y son empujadas por los medios
de desprendimiento, encontrándose las mismas también en el bloom.
Al utilizar el metal purificado, estas partículas pueden tener
efectos nefastos tales como la formación de burbujas de gas o de
descohesión locales al nivel de las partículas de grafito.
La parte superior (27) de la contera (10) es
ventajosamente de forma troncónica, tal como se ilustra en la
figura 4a). El ángulo del cono, es decir el ángulo \alpha entre
el eje C de la barra y la superficie (27) del cono, está incluido
preferentemente entre 30º y 60º, e inclusive preferentemente
incluido entre 40º y 50º. Un ángulo de cono demasiado grande, es
decir más grande que el ángulo del talud de terraplenado natural
de los cristales puede producir una acumulación de cristales sobre
la superficie troncónica (27), lo que reduce la eficacia global del
dispositivo puesto que estos cristales no participan en la formación
del bloom (22) y en la purificación complementaria por refusión.
Un ángulo de cono demasiado pequeño requiere una contera demasiado
larga, la cual utiliza una parte apreciable del volumen útil del
crisol, disminuyendo por ende, la cantidad de aluminio cargado en
el crisol y que puede pasar por la operación de purificación. Por
otro lado, el alargamiento de la contera disminuye sensiblemente la
longitud de la barra utilizable para formar cristales que puedan
ser fácilmente desprendidos por los medios de desprendimiento
(13).
Es asimismo ventajoso colocar en la contera (10)
el medio de compresión de los canales (11) entre la superficie
inferior, denominada superficie de compresión (15) y la superficie
superior (27) de la citada contera, lo que mejora la fluencia del
metal líquido, especialmente durante la operación de compresión de
la masa sólida (22).
Según una variante ventajosa de la invención, la
contera (10) y la barra (9) forman dos piezas distintas pero
solidarias, y la conductividad térmica del empalme entre estas dos
piezas es reducida, es decir, al menos 10 veces más baja que la de
la barra, a fin de crear un corte térmico al menos parcial entre la
barra y la contera. Este corte térmico permite limitar
sensiblemente la refrigeración de la contera por medio de la barra,
especialmente cuando ésta última está en posición alta y cerca de
la superficie del aluminio líquido (como ocurre al final del ciclo
de purificación, lo que permite limitar la formación de cristales
sobre las superficies de la contera, cristales que son difícilmente
accesibles o totalmente inaccesibles a los medios de
desprendimiento. La barra y la contera son preferentemente del
mismo material a fin de evitar problemas de dilatación diferencial,
y éstos son preferentemente de grafito. Tal como se indica en la
figura 4b), un modo de realización preferido de esta variante,
consiste en establecer un empalme roscado (50) entre la barra y la
contera, colocando un disco (51) de material aislante térmico
sobre una gran parte de la superficie de contacto entre las dos
piezas, preferentemente entre las dos partes planas (52a, 52b) a
fin de reducir de al menos un 20% el flujo térmico respecto a una
contera y una barra que forman un pieza única. Preferentemente, el
citado material posee una conductividad térmica al menos 10 veces,
e inclusive preferentemente al menos 100 veces más reducida que la
de la barra.
Según una variante de la invención, las
dimensiones del o de cada medio de compresión y del crisol son
tales como para que, cuando el o cada medio de compresión, está en
posición baja, la superficie libre del aluminio líquido sube hasta
cubrir sensiblemente toda la superficie de la zona de
cristalización (29) sobre la pared interna del crisol y tales como
para que cuando el o cada medio de compresión es colocado en la
posición alta, la superficie libre del aluminio líquido desciende
hasta que la parte superior de la corona de cristales (25) formada
en la citada zona emerja al menos parcialmente, del metal líquido y
hasta que los cristales puedan ser desprendidos sin que los medios
de desprendimiento (especialmente los raspadores de los mismos)
penetren en el metal líquido. Esta variante de la invención
permite reducir el desgaste de los raspadores así como las
frecuencias de las intervenciones en los medios de desprendimiento,
ello facilita el mantenimiento del dispositivo y disminuye los
riesgos de contaminación de la solución original, lo que genera un
porcentaje de purificación más elevado y más controlado
(especialmente cuando se utiliza la invención para la purificación
del metal ya refinado o para la "ultrapurificación" a fin de
obtener purezas superiores a 99,999%).
Los medios de desprendimiento (13) y (14)
permiten desprender los cristales (24,25) mediante el raspado de
la barra. Preferentemente, el dispositivo comprende medios para que
la operación de desprendimiento de los cristales sea efectuada
sobre la barra, cuando el o cada medio de compresión esté subiendo,
y sobre la superficie del crisol, cuando el o cada medio de
compresión esté en la posición alta (emersión). Los medios de
desprendimiento (13) existentes sobre la barra, comprenden
preferentemente un medio para colocar raspadores (8) contra la
barra cuando ésta inicia su ascenso, y para separarlos, cuando la
barra llega a la posición alta (posición de refrigeración). Según
un modo de realización particularmente ventajoso, los raspadores
se mantienen a un nivel determinado en relación con el borde del
crisol y la operación de desprendimiento se efectúa al producirse
el movimiento de ascenso del o de cada medio de compresión. En la
práctica, los raspadores pueden estar adheridos a la barra
únicamente cuando la barra efectúa su ascenso. Según una variante
de este modo de realización, los raspadores sólo cubren una parte
de la periferia de la barra (casi la mitad), es decir que poseen
una forma sensiblemente semicircular, y la operación de
desprendimiento se efectúa sobre toda la periferia de la barra por
un movimiento vertical combinado con un movimiento de rotación de
la barra.
Los medios de desprendimiento pueden estar
provistos de un sistema de ajuste de su posición respecto a la
superficie libre del aluminio líquido, a fin de poder compensar la
reducción del nivel de la superficie libre a medida que la masa
sólida comprimida aumenta, creando una disminución del volumen
total debido a la diferencia de densidad entre el aluminio líquido
y el aluminio sólido.
Según un modo de realización preferido de la
invención, el dispositivo (1) se caracteriza porque el crisol (2)
posee una simetría cilíndrica en torno a un eje C, denominado de
rotación, porque dicho dispositivo comprende medios (17) para hacer
girar el crisol en torno al eje de rotación C, y porque el raspado
de toda la periferia de la zona de cristalización (29) sobre el
crisol se obtiene por la acción combinada de movimientos de vaivén
verticales del medio de desprendimiento (14) y de rotación del
citado crisol. Tal configuración reduce considerablemente la
dimensión de los medios de desprendimiento (13, 14) y la
complejidad de los sistemas mecánicos ya que permite la activación
independiente de los citados medios.
Según una variante preferida de este modo de
realización, el crisol (2) está inserto en una virola de acero (3)
provista de un collar (30) y la virola (3) se apoya sobre rodillos
troncónicos inclinados (18) por medio de una placa (16) que
mantiene el conjunto crisol/virola. Los rodillos troncónicos
permiten no solamente una cómoda rotación del crisol sino que
garantizan asimismo un centrado automático de la placa (16)
respecto al eje del dispositivo. La rotación del crisol puede ser
obtenida eficazmente mediante la motorización de uno de los
rodillos troncónicos.
Se pueden obtener industrialmente blooms con
ayuda del dispositivo conforme a la invención, especialmente
mediante la carga en el crisol refractario de una masa inicial de
aluminio líquido para purificar, denominada solución original, por
la formación de cristales por la cristalización parcial de dicha
solución original en las zonas de cristalización sobre la barra
(29a) y sobre la pared del crisol (29), por el desprendimiento de
los cristales gracias a los medios de desprendimiento (13) y (14),
por la compresión periódica de los cristales acumulados (21) y de
la masa sólida (22) en el fondo de dicho crisol con ayuda del medio
de compresión (12) para hacer crecer progresivamente una masa
sólida compacta, denominada "bloom", por la refusión parcial
progresiva de dicha masa sólida, a fin de brindar una purificación
suplementaria de la masa sólida, por el control de la potencia
térmica de los medios de calentamiento (5 a 7a) durante el
crecimiento del bloom en función de H, a fin de obtener una
velocidad de progresión de H la cual está preferentemente
determinada y es decreciente, y por la separación física de la
solución original y de la masa sólida final, denominada bloom
final.
Los cristales se forman sobre la barra sobretodo
cuando ella se halla inmersa en la solución original, pero éstos se
forman de manera casi continua sobre la pared del crisol.
Durante los ciclos elementales de purificación,
la contera (10) está preferentemente inmersa en la solución
original, a fin de evitar la formación de cristales sobre la
superficie superior o inferior, los cuales contribuyen a disminuir
el volumen de la solución original residual y por ende, a aumentar
su contenido de impurezas residuales sin participar en la
formación de la masa de cristales purificados y comprimidos.
La invención se aplica asimismo a la
ultrapurificación del aluminio, la cual partiendo de un aluminio de
pureza al menos igual a 99,97% permite obtener un aluminio de un
pureza mínima de 99,998%. Tal metal está esencialmente destinado a
la metalización de los circuitos integrados. Para obtener tal grado
de purificación, la dificultad suplementaria reside en la
necesidad de eliminar, de manera tan completa como sea posible, las
impurezas radioactivas, especialmente el uranio y el torio. De
manera general, el metal inicial que se debe purificar es un metal
ya refinado electrolíticamente y presenta contenidos muy moderados
de elementos peritécticos tales como Ti, V, Zr y Cr (menos de 1 ppm
en total), y contenidos muy moderados de las impurezas eutécticas
habituales tales como Fe, Si, Cu (menos de 5 ppm para cada uno).
Este metal, contiene no obstante, contenidos de uranio y torio
redhibitorios para la metalización de los circuitos integrados, por
ejemplo más de 0,1 ppm de torio y más de 0,01 ppm de uranio,
mientras que las exigencias de los fabricantes de circuitos
integrados corresponden actualmente a contenidos limitados con un
total de U + Th inferior a 0,0007 ppm. Esta limitación que impone
contenidos muy reducidos de impurezas radioactivas se refuerza aún
más con la disminución del tamaño de los transistores elementales
que constituyen los circuitos, y el deseo de los fabricantes es
alcanzar un total de U + Th inferior a 0,0001 ppm, lo que implica
dividir por más de 1000 el contenido inicial de impurezas del metal
refinado. Según los procedimientos del arte técnico anterior, la
obtención de contenidos tan limitados de impurezas radioactivas
sólo se puede efectuar realizando purificaciones en cascada (por
ejemplo dos segregaciones sucesivas), lo que aumenta
considerablemente los costos de producción y reduce notablemente el
rendimiento del metal purificado final, en relación con el metal
electrolíticamente refinado inicial-
mente.
mente.
Serie de pruebas
1
Se realizaron pruebas industriales con
dispositivos de diferentes capacidades. En estos dispositivos, el
medio de compresión era único y no bajaba hasta el fondo del
crisol. En esta condiciones la compresión sólo empieza a efectuarse
cuando la masa sólida alcanza la posición de introducción máxima
del medio de compresión, es en éste momento en el cual se produce
la "adhesión". Esta característica constituye una variante no
limitativa del dispositivo y del procedimiento según la
invención.
Estas pruebas se han efectuado sobre tres tipos
de curvas de crecimiento (o "curvas de ascensión") de los
blooms:
a) Velocidad de ascensión Vm sensiblemente
constante durante el tiempo total (Ttot) del crecimiento (arte
anterior);
b) Velocidad de ascensión comprendiendo tres
niveles de velocidad de ascensión: un nivel inicial igual a 1,5
veces Vm durante 10% de Ttot, seguido por un nivel igual a 1,2
veces Vm durante 20% de Ttot y finalizando con un nivel igual a
0,87 veces Vm durante 70% de Ttot;
c) Velocidad de ascensión comprendiendo ocho
niveles de velocidad de ascensión igual a 2,4 veces Vm, durante 5%
de Ttot, seguido por un nivel igual a 2,0 veces Vm durante 10% de
Ttot, seguido por un nivel igual a 1,6 veces Vm durante 10% de
Ttot, seguido por un nivel igual a 1,2 veces Vm durante 15% de
Ttot, seguido por un nivel igual a 0,9 veces Vm durante 15% de
Ttot, seguido por un nivel igual a 0,65 veces Vm durante 20% de
Ttot, seguido por un nivel igual a 0,375 veces Vm durante 20% de
Ttot, y finalizando con un nivel a una velocidad de ascensión nula
durante 5% de Ttot.
El cuadro 1 agrupa las principales dimensiones de
los hornos utilizados, los parámetros de crecimiento de los blooms
y los valores medios de los porcentajes de purificación obtenidos
aproximadamente en 5 a 15 pruebas por curva de ascensión y por tipo
de horno. Todas estas pruebas han sido efectuadas con un ciclo de
compresión que comprendía un tiempo de emersión de la barra de 23
segundos y un tiempo de inmersión (posición de cristalización y de
compresión) de 15 segundos.
Estas pruebas revelan que los blooms obtenidos a
una velocidad de ascensión sensiblemente constante presentan una
heterogeneidad interna y una variación de un bloom al otro
netamente más importante que los blooms obtenidos según la
invención. Asimismo se observa que la pureza media del bloom es
tanto más pequeña cuanto más grande es el diámetro del crisol, lo
que la solicitante explica particularmente por el hecho de que la
parte periférica del bloom, donde se encuentra el nivel de pureza
más elevado, varía inversamente con el diámetro del bloom, y por
consiguiente, con el diámetro del crisol.
Estas pruebas reflejan también que la producción
de cristales tanto sobre la barra (típicamente alrededor del 40%
en estas pruebas) del medio de compresión como sobre la pared
interna del crisol (alrededor del 60%) permite aumentar
considerablemente el porcentaje de producción de los cristales de
cristalización parcial sin que se requieran capacidades de
refrigeración redhibitorias en términos de costos de producción o
de inversión. Esto podría eventualmente explicarse por una
acumulación rápida en el fondo del crisol vinculada con el espacio
existente entre la contera y la pared del crisol, así como por la
utilización de una barra que sirve también para la cristalización,
de manera que esta etapa ya no es limitativa, y por un efecto de
lavado de los cristales al caer a contracorriente de una corriente
ascendente de aluminio líquido caliente.
La solicitante ha intentado comprender el origen
de la sorprendente mejoría de la pureza media de los blooms que es
obtenida utilizando curvas de ascensión de cristales muy convexas
(es decir a una velocidad de ascensión muy decreciente a medida que
aumenta la altura ya comprimida). Para ello se ha extraído un
corte diametral ("corte" axial de los blooms) de un bloom
elaborado según el ejemplo 3 y de un bloom elaborado según el
ejemplo 7. Se efectuó un análisis por espectrometría de chispas del
contenido de silicio y de hierro en una serie de muestras extraídas
de toda la superficie de estos cortes. Este análisis ha permitido
realizar una cartografía de los contenidos de hierro y de silicio
del metal, en función de la posición de las muestras respecto a
cada corte axial del bloom. La figura 6 muestra los resultados
obtenidos, en el caso de los contenidos de silicio, y se presentan
bajo la forma de "curvas de iso-niveles"
(isoconcentración) de silicio. Esta curvas muestran que, en los
blooms elaborados según el ejemplo 3 (figura 6a), el contenido de
silicio aumenta considerablemente con la altura comprimida a partir
del fondo del crisol y que este crecimiento del contenido de
silicio con la altura es mucho más reducido en el caso del bloom
elaborado según el ejemplo 7 (figura 6b). Además en este último
caso, se constata una mejor purificación de la corona externa del
bloom en relación con el primer caso, particularmente en la parte
"alta" del bloom.
Se nota asimismo que para el bloom elaborado
según el ejemplo 7, basta un aserrado muy moderado de la
"cabeza" para eliminar la mayor parte de la zona del bloom
menos purificada (para la cual los contenidos de silicio son
superiores a 25 a 30 ppm). Un aserrado de la cabeza del bloom
sólido del orden del 5 al 8% permite entonces alcanzar purezas
medias muy elevadas del metal sólido restante luego del
aserrado.
En el caso de blooms elaborados según el ejemplo
3, por el contrario, se constata que la zona de menor pureza es
mucho más extensa, y se observa que un aserrado, aún eventualmente
más grande (que degrada, por ende, sensiblemente la productividad,
es decir el peso neto final del bloom aserrado para una idéntica
duración de operación) sólo logra mejorar de manera marginal la
pureza media del metal restante luego del aserrado.
Estos resultados muestran que la homogeneidad de
composición de los blooms obtenidos es por lo tanto mejor, y esta
composición es en forma general mucho más pura, para curvas de
ascensión, muy convexas, del tipo c).
Serie de pruebas
2
A fin de evaluar la influencia de la mejor
homogeneidad de las composiciones internas de los blooms
individuales obtenidos adoptando curvas de ascensión muy convexas
de tipo c), la solicitante ha realizado, dentro del marco de un
control de producción, análisis sobre 90 blooms obtenidos a partir
de un metal primario de título sensiblemente constante (es decir
con un contenido de hierro comprendido entre 280 y 320 ppm,
inclusivamente, y un contenido de silicio comprendido ente 180 y
220 ppm, inclusivamente). Las 90 operaciones de segregación
correspondientes fueron realizadas en grandes crisoles de una
capacidad de 2000 kg de aluminio líquido, con una duración de
ascensión de los blooms de 18 horas después de la adhesión. De esas
90 operaciones, 45 fueron realizadas con curvas de ascensión
lineales de tipo a) y 45 fueron realizadas con curvas de ascensión
convexas de tipo c). Al final de la compresión, el líquido impuro
fue eliminado y todos los blooms fueron escurridos durante un plazo
mínimo de 40 minutos; su cabeza pastosa con abundante líquido
residual impuro también fue raspada después del goteo, con ayuda de
una hélice de grafito, para eliminar esta zona más impura en
alrededor 8 cm de profundidad (más precisamente entre 5 y 10 cm en
valores extremos). Luego del raspado, del goteo, y de la
refrigeración, los blooms sólidos fueron extraídos del crisol y
pesados en este estado bruto. Su peso abarcaba de 1370 kg a 1460 kg
con un peso medio de 1405 kg (desde este punto de vista, los dos
grupos de blooms, es decir, aquellos resultantes de una ascensión
de tipo a) y aquellos resultantes de una ascensión de tipo c) no se
distinguían). Luego se han aserrado todas las cabezas, tratando de
obtener una longitud constante de bloom aserrado residual,
correspondiente a un peso neto de 1300 kg \pm 10 kg del bloom
residual luego del aserrado. Los 45 blooms de tipo a) y los 45
blooms de tipo c) fueron refundidos separadamente, en grupos de 3
blooms (por consiguiente, se efectuaron 15 operaciones de refusión
de los blooms del tipo a) y 15 operaciones de refusión de los
blooms de tipo c)), en un horno de una capacidad de 4 toneladas,
caldeado por tubos radiantes y con revestimiento de alúmina muy
pura. Previamente se había verificado que este horno contaminaba
muy poco el metal durante estas refusiones (recuperación de hierro
inferior a 0,3 ppm y recuperación de silicio inferior a 1,0 ppm).
Luego de cada operación de refusión, se han extraído muestras de
metal refundido y se han analizado sus contenidos de hierro y de
silicio. Estos análisis han revelado que:
- para las 15 refusiones de los 3 blooms del tipo
a), el contenido medio de hierro del metal refundido era de 8,3
ppm, con valores que iban de 3,4 ppm a 14,7 ppm (por lo tanto había
una diferencia respecto a los valores extremos de 11,3 ppm) y el
contenido de silicio del metal refundido era de 28 ppm, con valores
que iban de 15 ppm a 51 ppm (por lo tanto existía una diferencia
respecto a los valores extremos de 36 ppm);
- para las 15 refusiones de los 3 blooms del tipo
c), el contenido medio de hierro del metal refundido era de 3,0
ppm, con valores que iban, de 1,4 ppm a 5,2 ppm (por ende, existía
una diferencia respecto a los valores extremos de 3,8 ppm), y el
contenido medio de silicio del metal refundido era de 12 ppm, con
valores que iban de 6,4 ppm a 18 ppm (por consiguiente existía una
diferencia respecto a los valores extremos de 11,6 ppm).
Estos controles muestran por lo tanto que las
curvas de ascensión muy convexas de tipo c) generan, no solamente
más grandes purezas medias del metal segregado, en relación con las
curvas de ascensión lineales de tipo a), sino que también provocan
dispersiones de pureza mucho mas bajas, es decir, con una menor
variabilidad. Esta mejora es importante, pues en la producción
industrial, los blooms segregados no pueden ser analizados antes de
su refusión; por razones de costo, éstos son refundidos por lotes
lo más importantes posibles. Una elevada dispersión de pureza de
bloom a bloom induce entonces riesgos acrecentados, que una
fundición completa pueda ser rechazada por no respetar la pureza
exigida, si uno o varios blooms sobrepasan ampliamente los límites
en cuanto al contenido de impurezas obtenidas. De manera general,
para limitar estos riegos de producción industrial, se aspira a un
contenido medio de impurezas para los blooms que es del orden del
contenido máximo admitido, menos dos veces la dispersión de los
contenidos de bloom a bloom. En estas condiciones, una gran
dispersión aumenta los costos de purificación, obligando a buscar
una pureza media mucho más grande.
Serie de pruebas
3
Según la invención, también se han efectuado
pruebas industriales de ultrapurificación de aluminio, 99,99% de
aluminio de una pureza mínima de 99,9995%, utilizando curvas de
ascensión muy convexas del tipo c), y utilizando crisoles de
grafito ultrapuro a fin de limitar los riesgos de contaminación del
metal por las impurezas de los refractarios existentes en los
crisoles habituales. Este crisol de grafito, de un diámetro
interior medio de 600 mm y de una altura de 2000 mm está protegido
interiormente por un revestimiento a base de alúmina muy pura
ligada con un gel de alúmina precocido a 700ºC y ha sido cargado
con 1310 kg de aluminio electrolíticamente refinado cuya
composición era: Fe = 2 ppm, Si = 3 ppm, Cu = 2 ppm, Th = 0,12 ppm,
U = 0,02 ppm, Ti + V + Zr = 0,5 ppm. Luego de la adhesión, la
ascensión de los cristales se efectuó en 20 horas, con una curva de
tipo c) tendiendo hacia un peso final del bloom comprimido (antes
del raspado y del goteo) de 880 kg. Al final de la operación, el
líquido impuro residual fue vaciado por volcado, la cabeza del
bloom ha sido raspada con una hélice de grafito en una profundidad
de 100 mm, y el goteo en la posición inclinada ha sido prolongado
durante una hora. Luego se dejó enfriar el bloom escurrido y se lo
extrajo del crisol (su peso bruto era entonces de 780 kg). El bloom
bruto fue entonces aserrado en el pié (eliminación de 35 kg) y en
la cabeza (eliminación de una "arandela" de 80 kg), luego se
quitó una capa periférica de aproximadamente 1 cm de espesor
mediante torneado para eliminar todo resto de revestimiento el cual
podría contaminar la masa solidificada. Luego de estas operaciones,
el peso neto del bloom aserrado en la cabeza y en el pié, torneado,
representaba 630 kg. Este bloom fue finalmente refundido en un
horno de crisol de grafito ultrapuro y el metal refundido fue
analizado por espectrometría de masa con descarga luminiscente. Los
contenidos de impurezas así analizados eran de: Fe < 0,2 ppm, Si
= 0,25 ppm, Cu = 0,3 ppm, Ti + V+ Cr + Zr < 0,3 ppm total, U
\leq 0,05 ppb y Th \leq 0,05 ppb (límite
analítico).
analítico).
Esta prueba muestra que el contenido de impurezas
peritécticas del metal refundido ha sido inferior al del metal
electrolíticamente refinado inicialmente, mientras que está
normalmente admitido que los elementos peritécticos se concentren
preferentemente en la parte solidificada del metal. Un análisis del
bloque de 35 kg aserrado en el pié del bloom ha revelado un
elevado contenido de elementos peritécticos. La solicitante atribuye
el resultado observado a mecanismos de purificación que,
contrariamente a las ideas adquiridas, favorecen la concentración de
elementos peritécticos en el pié del bloom y que un aserrado
moderado permite eliminar. Este fenómeno también fue observado en
los blooms de metal 4N obtenidos a partir del metal primario de
título 99,6% a 99,93%.
La prueba también ha revelado que los
coeficientes de purificación de las impurezas radioactivas U + Th
observadas se han mejorado considerablemente (relación entre el
contenido inicial del metal por refinar / contenido final del bloom
aserrado y descortezado superior a 2400 en el caso del torio,
superando los coeficientes de equilibrio sólido/líquido (del orden
de 100 a 200 en el caso del torio y del uranio) y ello,
conservando un rendimiento metal purificado final / metal inicial
muy apreciable (630 kg / 1310 kg = 48%).
La ganancia que aportan las curvas de ascensión
convexas de tipo c) a los coeficientes de purificación observados se
confirma, por lo tanto, en el caso de la ultra purificación del
metal ya refinado, y permite disminuir muy sensiblemente los costos
de producción del metal ultrapuro para aplicaciones electrónicas.
La prueba ha revelado asimismo que, en el caso en que se busque
reducir el contenido de ciertos elementos peritécticos, es
ventajoso prever una operación de aserrado del pié del bloom
obtenido según la invención.
El procedimiento según la invención permite
controlar el tiempo necesario para formar blooms de una masa
determinada, lo que permite una mejor gestión de la producción y de
los puestos de trabajo.
El procedimiento y el dispositivo según la
invención son susceptibles de automatización, al menos parcial, y
de informatización. Estos permiten además sea obtener una mayor
pureza del metal segregado, a una productividad constante, sea
mejorar sensiblemente la productividad a una pureza constante.
Claims (36)
1. Procedimiento de purificación del aluminio por
segregación tendiente a la formación de una masa sólida,
denominada "bloom" de elevada pureza, a partir de una masa de
aluminio líquido, denominada solución original, dicho procedimiento
es efectuado en un dispositivo que comprende un crisol refractario,
medios de calentamiento de dicho crisol, al menos un medio de
compresión, medios de desplazamiento vertical del o de cada medio
de compresión, y medios de desprendimiento, dicho procedimiento
comprende una operación de crecimiento en dicho crisol del citado
bloom en el fondo del citado crisol, dicha operación de crecimiento
comprende:
- la formación de cristales de aluminio mediante
la cristalización en al menos una superficie específica de dicho
dispositivo, denominada zona de cristalización, cuya temperatura es
inferior a la temperatura de la línea del líquido de dicha solución
original,
- el desprendimiento de dichos cristales con
ayuda de los citados medios de desprendimiento,
- la migración de dichos cristales hacia el fondo
de dicho crisol bajo el efecto de la fuerza de gravedad,
- la acumulación de dichos cristales sobre la
superficie de la citada masa sólida,
- la compresión de dichos cristales acumulados y
de dicha masa sólida con ayuda del o de cada medio de
compresión,
- una refusión parcial de dicha mas sólida
durante el crecimiento, con ayuda de dichos medios de
calentamiento,
el citado procedimiento se caracteriza porque
comprende:
- la medición de la altura H de dicho bloom
durante la citada operación de crecimiento,
- el ajuste de la potencia térmica P en función
de la altura H medida para obtener una velocidad de progresión de
la altura que está determinada, y que es preferentemente,
decreciente en el tiempo.
2. Procedimiento de purificación según la
reivindicación 1 caracterizado porque dicho ajuste depende
de la distancia entre la altura medida H y un valor de consigna Ho,
es decir que depende de H-Ho, Ho es un valor de
consigna predeterminado y variable en el tiempo.
3. Procedimiento de purificación según la
reivindicación 1 ó 2 caracterizado porque dicha altura H es
medida con ayuda del citado medio de compresión.
4. Procedimiento de purificación según una de las
reivindicaciones 1 a 3 caracterizado porque comprende, al
final de la operación de crecimiento, una operación de separación
física de la solución original residual y del bloom final.
5. Procedimiento de purificación según la
reivindicación 4, caracterizado porque dicha operación de
separación es efectuada cuando el bloom ha alcanzado una altura Hf
predeterminada.
6. Procedimiento de purificación según una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado
porque dichos cristales se forman tanto sobre la pared interna del
crisol como sobre una parte del o de cada medio de compresión.
7. Procedimiento de purificación según la
reivindicación 6, caracterizado porque, para la formación de
cristales sobre el o sobre cada medio de compresión, una parte del
o de cada medio de compresión está alternativamente en inmersión y
en emersión, con el fin de provocar la refrigeración de una parte
específica del o de cada medio de compresión, denominada zona de
cristalización, hasta una temperatura inferior a la temperatura de
la línea del líquido al realizarse la emersión y la formación de
cristales en la citada zona durante la inmersión.
8. Procedimiento de purificación según la
reivindicación 7, caracterizado porque el tiempo de emersión
Te de la citada parte de dicho medio de compresión es superior al
tiempo de inmersión Ti de dicha parte.
9. Procedimiento de purificación según la
reivindicación 7 ó 8, caracterizado porque el citado medio
de compresión comprende la puesta bajo presión de la masa sólida
con ayuda del o de cada medio de compresión y el mantenimiento de
la presión durante un periodo de tiempo sensiblemente igual al
tiempo de inmersión Ti.
10. Procedimiento de purificación según una de
las reivindicaciones 7 a 9, caracterizado porque dicho
desprendimiento de cristales en el crisol y en el o cada medio de
compresión es efectuado cuando el o cada medio de compresión ha
emergido.
11. Procedimiento de purificación según una de
las reivindicaciones 7 a 9, caracterizado porque dicho
desprendimiento de cristales en el o cada medio de compresión es
efectuado cuando el o cada medio de compresión está en
emersión.
12. Procedimiento de purificación según una de
las reivindicaciones 7 a 11, caracterizado porque la
migración de los cristales hacia el fondo del crisol se produce
durante dicho período de emersión Te del o de cada medio de
compresión.
13. Procedimiento de purificación según una de
las reivindicaciones 7 a 12, caracterizado porque las
dimensiones del o de cada medio de compresión y del crisol son
tales como para que, cuando el medio de compresión está inmerso, la
superficie libre del aluminio líquido sube hasta cubrir
sensiblemente toda la superficie de la zona de cristalización sobre
la pared interna del crisol, y como para que cuando el o cada
medio de compresión ha emergido, la superficie libre del aluminio
líquido baja hasta que la parte superior de la corona de cristales
formada en la citada zona emerja, al menos parcialmente, del metal
líquido y hasta que los cristales puedan ser despegados sin que
los medios de desprendimiento penetren en el metal líquido.
14. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 13, caracterizado porque comprende una
operación de aserrado del pié y/o de la cabeza del bloom bruto.
15. Dispositivo de purificación del aluminio por
segregación, apto para formar por crecimiento una masa de aluminio
sólido, denominada "bloom" de elevada pureza, a partir de una
masa de aluminio líquido, denominada solución original, dicho
dispositivo comprende un crisol refractario, un horno provisto de
medios de calentamiento del crisol, medios para formar cristales
por cristalización parcial sobre superficies específicas,
denominadas zonas de cristalización, medios para desprender dichos
cristales, al menos un medio de compresión para comprimir dichos
cristales y dicho bloom, medios para desplazar verticalmente el o
cada medio de compresión, y medios para producir una refusión de
dicho bloom por calentamiento durante el crecimiento, y
caracterizado porque comprende medios para medir la altura H
de dicha masa sólida, para comparar la altura H medida a una altura
de consigna Ho predeterminada y variable en el tiempo y para
controlar la potencia térmica de dichos medios de calentamiento en
función de la diferencia entre la citada altura H medida y la
altura de consigna Ho para obtener una velocidad de progresión de
la altura que es decreciente en el tiempo.
16. Dispositivo según la reivindicación 15,
caracterizado porque el o cada medio de compresión (12)
comprende una barra (9) y una contera (10) de compresión solidaria
a dicha barra, porque comprende medios para formar cristales por
cristalización parcial tanto sobre la barra (9) como sobre la pared
interna (26) de dicho crisol, en las zonas (29, 29a) denominadas de
cristalización, porque comprende medios (13, 14) para desprender
dichos cristales de dicha barra y de dicha pared interna, y porque
existe un espacio libre (28) entre la contera (10) y la pared
interna (26) de dicho crisol, espacio suficiente para permitir el
paso de los cristales desprendidos por dichos medios de
desprendimiento al producirse la migración hacia la parte inferior
del crisol debido a la acción de la gravedad.
17. Dispositivo según una de las reivindicaciones
15 ó 16, caracterizado porque posee un único medio de
compresión.
18. Dispositivo según la reivindicación 17,
caracterizado porque comprende medios para medir la altura H
de la masa comprimida con ayuda del medio de compresión.
19. Dispositivo según una de las reivindicaciones
16 a 18, caracterizado porque los citadas medios para formar
cristales comprenden una reducción de la temperatura de la citada
pared interna por efecto del drenaje térmico, con el fin de
provocar la formación de cristales en una zona de cristalización
sobre dicha pared interna.
20. Dispositivo según una de las reivindicaciones
16 a 19, caracterizado porque dichos medios para formar
cristales comprenden una refrigeración de dicha barra por radiación
y/o convección cuando ella está en emersión, con el fin de provocar
la formación de cristales en la zona de cristalización sobre dicha
barra cuando ella está inmersa.
21. Dispositivo según una de las reivindicaciones
16 a 20, caracterizado porque dicho espacio libre (28)
existente entre la contera y dicha pared interna del crisol se
determina por una distancia entre la periferia, la contera, y la
pared que es sensiblemente uniforme y superior o igual a 30 mm, y
que está preferentemente comprendida entre 50 y 100 mm.
22. Dispositivo según una de las reivindicaciones
16 a 21, caracterizado porque la barra (9) y la contera
(10) son total o parcialmente de grafito.
23. Dispositivo según una de las reivindicaciones
16 a 22, caracterizado porque la barra (9) está protegida
contra la oxidación y/o la abrasión.
24. Dispositivo según una de las reivindicaciones
16 a 22, caracterizado porque la barra está constituida,
total o parcialmente, de grafito tratado contra la oxidación del
aire por la impregnación de un compuesto tal como el fosfato de
aluminio o de zinc, el ácido fosfórico o una mezcla de los mismos,
o el ácido bórico.
25. Dispositivo según una de las reivindicaciones
16 a 22, caracterizado porque la zona superficial de la
barra está impregnada con un compuesto antiabrasivo tal como el
SiC.
26. Dispositivo según una de las reivindicaciones
16 a 22, caracterizado porque la barra está provista de un
recubrimiento o revestimiento de cerámica que permite evitar la
oxidación y la abrasión de la misma, tal como un revestimiento de
carburo de silicio o de oxinitruro de silicio y de aluminio.
27. Dispositivo según una de las reivindicaciones
16 a 26, caracterizado porque la parte superior (27) de la
contera (10) es de forma troncónica.
28. Dispositivo según una de las reivindicaciones
16 a 27, caracterizado porque la contera (10) posee canales
(11) entre la superficie inferior, denominada superficie de
compresión (15) y la superficie superior (27) de dicha contera.
29. Dispositivo según una de las reivindicaciones
16 a 28, caracterizado porque dicha contera (10) y la barra
(9) forman dos piezas distintas, pero solidarias, y porque la
conductividad térmica del empalme entre las dos piezas es reducida,
es decir, al menos 10 más baja que la de la susodicha barra, a fin
de establecer un corte térmico al menos parcial entre la barra y la
contera.
30. Dispositivo según una de las reivindicaciones
16 a 29, caracterizado porque las dimensiones del o de cada
medio de compresión y del crisol son tales como para que, cuando el
o cada medio de compresión están en posición baja, la superficie
libre del aluminio líquido sube de manera tal que cubre
sensiblemente toda la superficie de la zona de cristalización sobre
la pared interna del crisol, y como para que, cuando el o cada
medio de compresión es colocado en la posición alta, la superficie
libre del aluminio líquido baja para que la parte superior de la
corona de cristales formada en dicha zona emerja, al menos
parcialmente del metal líquido y que dichos cristales puedan ser
desprendidos sin que los medios de desprendimiento penetren en el
metal líquido.
31. Dispositivo según una de las reivindicaciones
16 a 30, caracterizado porque comprende medios para que la
operación de desprendimiento de los cristales sea efectuada, sobre
la barra, cuando el o cada medio de compresión está subiendo, y
sobre la superficie del crisol, cuando el o cada medio de compresión
está en posición alta.
32. Dispositivo según una de las reivindicaciones
16 a 31, caracterizado porque el crisol (2) posee una
simetría cilíndrica en torno a un eje C, denominado de rotación, y
porque dicho dispositivo comprende medios (17) para hacer girar el
crisol en torno al eje de rotación C, y porque el raspado de toda
la periferia de la zona de cristalización (29) sobre el crisol es
obtenido por la acción combinada de movimientos de vaivén
verticales del medio de desprendimiento (14) y de rotación de dicho
crisol.
33. Dispositivo según una de las reivindicaciones
16 a 32, caracterizado porque el crisol (2) está inserto en
una virola de acero (3) provista de un collar (30) y la virola (3)
se apoya sobre rodillos troncónicos inclinados (18) a través de una
placa (16) que soporta el conjunto crisol/virola.
34. Dispositivo según una de las reivindicaciones
15 a 33, caracterizado porque una pantalla térmica está
interpuesta entre el crisol y los medios de calentamiento de la
parte superior del horno.
35. Utilización del procedimiento según una de
las reivindicaciones 1 a 14 para la ultrapurificación de aluminio
de una pureza al menos igual a 99,97% de aluminio de una pureza
mínima de 99,998%.
36. Utilización del procedimiento según una de
las reivindicaciones 15 a 34 para la ultrapurificación del
aluminio de pureza al menos igual a 99,97% de aluminio de una
pureza mínima de 99,998%.
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