ES2243736T3 - Capas protectoras hidrofilicas sobre sustratos hidrofobicos para utilizacion a elevada temperatura. - Google Patents
Capas protectoras hidrofilicas sobre sustratos hidrofobicos para utilizacion a elevada temperatura.Info
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Abstract
Método para el recubrimiento de un sustrato hidrofóbico con una capa de protección hidrofílica libre de carbón orgánico para proteger al sustrato cuando se utiliza a elevada temperatura, en particular en una celda para la electrólisis de aluminio a partir de alúmina disuelta en un electrólito que contenía fluoruro, comprendiendo dicho método: - aplicar una o varias capas de una emulsión que comprende partículas coloidales hidrofílicas y/o partículas polímeras inorgánicas hidrofílicas sobre el sustrato hidrofóbico seguido de secado para formar una capa de unión intermedia estable térmicamente sobre un sustrato hidrofóbico y - aplicar una o varias capas de una emulsión formadora de la capa de protección hidrofílica sobre la capa de unión intermedia seguido de secado y/o tratamiento térmico para formar la capa protectora hidrofílica sobre la capa de unión intermedia, caracterizado porque la emulsión que forma la capa de unión intermedia contiene como mínimo un compuesto de carbono seleccionadoentre monómeros y polímeros hidrofóbicos de carbono y comprendiendo sustituyentes hidrofílicos en una cantidad suficiente para la unión de dichas partículas coloidales hidrofílicas y/o de polímeros inorgánicos con el compuesto o compuestos de carbono.
Description
Capas protectoras hidrofílicas sobre sustratos
hidrofóbicos para utilización a elevada temperatura.
La presente invención se refiere a la unión de
capas protectoras hidrofílicas, en particular capas cerámicas, sobre
sustratos hidrofóbicos, tales como sustratos de carbón, para
utilización a elevada temperatura, en particular en procesos para la
producción, purificación o reciclado de metales en estado fundido
durante los cuales los sustratos protegidos están expuestos a
ambientes de alta temperatura oxidantes y/o corrosivos.
La producción, purificación o reciclado de
metales, tales como aluminio o acero, se lleva a cabo usualmente a
elevadas temperaturas en ambientes muy agresivos, en particular en
metal fundido, electrólito fundido y/o gas corrosivo. Por lo tanto,
los materiales utilizados para la fabricación de componentes
expuestos a estos ambientes deben ser térmica y químicamente
estables.
El grafito y otros materiales carbonosos son
utilizados habitualmente para componentes, especialmente componentes
conductores. Desafortunadamente, los componentes de carbono no
resisten la oxidación y/o corrosión y deben ser sustituidos
periódicamente.
Se han hecho diferentes propuestas par reducir el
desgaste de componentes de carbono en estas tecnologías para
conseguir una mayor eficacia cooperativa, reducir la contaminación y
los costes operativos.
En el sector de reciclado de acero y utilizando
hornos de arco mediante electrodos, se ha buscado reducir el
desgaste por oxidación de las caras laterales inactivas de los
electrodos de carbono generadores del arco, cuyo desgaste es
provocado por la exposición a oxígeno a la elevada temperatura de
funcionamiento. Por ejemplo, en la Patente USA 5.882.374 (Hendrix)
se ha propuesto el recubrimiento de la cara lateral inactiva del
electrodo generador del arco con un material de sílice para evitar
el consumo de dicha cara lateral.
Para la purificación de los metales fundidos, en
particular aluminio fundido, por la inyección de un fundente que
elimina las impurezas hacia la superficie del metal fundido, se ha
propuesto recubrir los componentes de carbono que están expuestos al
metal fundido con un recubrimiento de material refractario, tal como
se ha dado a conocer en WO00/63630 (Holz/Duruz).
En la producción de aluminio algunos componentes
están expuestos a electrólito fundido que contiene fluoruro,
aluminio fundido y/o oxígeno producido anódicamente. En las celdas
convencionales Hall-Heroult estos componentes son
fabricados todavía a base de materiales carbonosos consumibles.
Se ha reconocido desde hace tiempo que sería
deseable fabricar (o recubrir o revestir) el cátodo de una celda de
electrólisis de aluminio con un boruro reflectario, tal como
diboruro de titanio, que harían que la superficie del cátodo fuera
humectable al aluminio fundido, lo que conduciría a su vez a una
serie de ventajas.
Las patentes USA 5.310.476, 5.364.513 (ambas a
nombre de Sekhar/de Nora) y 5.651.874 (de Nora/Sekhar) dan a conocer
la aplicación del recubrimiento protector de un material
refractario, tal como diboruro de titanio, a un componente de carbón
de una celda de electrólisis de aluminio, aplicando a la misma una
emulsión de material reflectario en partículas y/o precursores del
mismo en un coloide formando varias capas con secado entre cada
capa.
El documento WO98/17842 (Sekhar/Duruz/Liu) da a
conocer otro recubrimiento de boruro refractario producido a partir
de una emulsión de diferentes calidades de partículas del boruro
refractario o un precursor en un portador que puede comprender
también un aditivo orgánico basado en carbono seleccionado entre
alcohol polivinílico, ácido poliacrílico, hidróxido propil metil
celulosa, polietilén glicol, etilén glicol, butil bencil ftalato,
polimetacrilato amónico y mezclas de los mismos para evitar grietas
de barros en el recubrimiento.
Un importante objetivo de la presente invención
consiste en dar a conocer un método para recubrimiento de un
sustrato hidrofóbico, en particular fabricado a base de carbón, con
una capa protectora hidrofílica libre de carbono orgánico para su
utilización a alta temperatura.
Por lo tanto, la invención se refiere a un método
de recubrimiento del sustrato hidrofóbico, en particular realizado a
base de carbón, con una capa de protección hidrofílica libre de
carbón orgánico, en particular un metal, capa de protección de
cerámica o cermet, para proteger el sustrato cuando se utiliza a
elevada temperatura, en particular en una celda para la electrólisis
de aluminio a partir de alúmina disuelta en un electrólito que
contiene fluoruro. Este método comprende: aplicar una o varias capas
de una emulsión que comprende partículas coloidales hidrofílicas y/o
partículas del polímero inorgánico hidrofílico sobre el sustrato
hidrofóbico seguido de secado para formar una capa de unión
intermedia estable térmicamente sobre el sustrato hidrofóbico; y
aplicar una o varias capas de una emulsión formando la capa
protectora hidrofílica sobre la capa de unión intermedia seguido de
secado y/o tratamiento térmico para formar la capa protectora
hidrofílica sobre la capa de unión intermedia.
De acuerdo con la invención, la emulsión que
forma la capa de unión intermedia contiene como mínimo un compuesto
carbonoso orgánico seleccionado entre monómeros de carbono
hidrofóbicos y polímeros de carbono hidrofóbicos y comprendiendo
sustituyentes hidrofílicos en una cantidad suficiente para unir las
partículas hidrofílicas coloidales/polímeras inorgánicas al monómero
y/o compuesto o compuestos de carbono polímeros.
Usualmente las partículas coloidales hidrofílicas
están realizadas en un material cerámico estable térmicamente, por
ejemplo, un óxido o bien un precursor del mismo en forma de una sal
de un metal (por ejemplo hidróxido) y tienen una forma en general
esférica o polihédrica de dimensiones submicrónicas, poseyendo
típicamente un diámetro comprendido entre 10 y 100 nanómetros y
siendo dispersadas en un líquido de dispersión acuoso. Las
partículas polímeras inorgánicas hidrofílicas están realizadas
también a base de precursores de un material cerámico térmicamente
estable, tal como óxidos (por ejemplo en forma de sales de metales
hidrolizados) y adoptan la forma de cadenas moleculares de longitud
submicrónica, típicamente de 1 a 100 nm de longitud, disueltas en
una solución. La magnitud de estas dimensiones distingue los
coloidales/polímeros inorgánicos de los sistemas en masa de la
manera siguiente: (A) un área superficial extremadamente grande y
(B) un porcentaje significativo de moléculas se encuentran en la
superficie de sistemas coloidales/polímeros. Hasta el 40% de las
moléculas pueden encontrarse en la superficie de las partículas
coloidales y hasta el 100% de las moléculas pueden encontrarse en la
superficie de las partículas polímeras.
La unión entre el sustituyente hidrofílico y las
partículas hidrofílicas coloidales/polímeras inorgánicas en la capa
de unión intermedia es de naturaleza electrostática. En el caso de
una emulsión de partículas de TiB_{2} suspendidas pero no
dispersadas en un soporte de alúmina coloidal que contiene alcohol
polivinílico como un polímero de carbono hidrofóbico con
sustituyentes hidrofílicos, la unión de los componentes es la
siguiente:
Los grupos alcohol de la cadena de alcohol
polivinílico interaccionan con los componentes hidrofílicos, es
decir, alúmina y diboruro de titanio, mientras que los lugares para
los hidrocarburos hidrofóbicos (-CH- y -CH_{2}-) de la cadena de
alcohol polivinílico son absorbidos por la superficie del sustrato
hidrofóbico, por ejemplo carbón, y aseguran la capa de unión
intermedia sobre aquélla.
La unión entre la capa protectora hidrofílica y
la capa de unión intermedia está asegurada por la afinidad de los
componentes hidrofílicos de ambas capas.
Durante el tratamiento térmico el polímero y/o el
compuesto o compuestos de carbono monómeros usualmente se
descomponen y los sustituyentes hidrofílicos se pueden evaporar
dejando las partículas polímeras hidrofílicas coloidales/polímeras
inorgánicas en contacto íntimo con el carbono restante del compuesto
de carbono.
Se deduce que la capa protectora hidrofílica en
la capa de unión intermedia está bien unida sobre el sustrato
hidrofóbico sin contener en su superficie material de carbono
orgánico que pueda reaccionar durante la utilización para formar
carburos, en particular carburo de aluminio, perjudicando por lo
tanto la capa protectora y perjudicando su conductividad
eléctrica.
Se pueden seleccionar sustituyentes hidrofílicos
adecuados del monómero y/o compuesto o compuestos de carbono
polímeros a partir de -OH, -SO_{3}Na y -COOH, y combinaciones de
los mismos. El monómero y/o compuesto o compuestos de carbono
polímeros pueden tener una proporción de sustituyente de
carbono/hidrofílico comprendido en una gama de 2 a 4. Por ejemplo,
el monómero y/o compuesto o compuestos de carbono polímero son
seleccionados entre etilén glicol, hexanol, alcohol polivinílico,
acetato de polivinilo, ácido poliacrílico, hidroxi propil metil
celulosa y polimetacrilato amónico y mezclas de los mismos.
En una realización la capa de protección
hidrofílica es aplicada a partir de una emulsión que comprende
partículas coloidales y/o de polímero inorgánico y material
refractario en partículas suspendido sin dispersar.
La emulsión que forma la capa de unión intermedia
y/o la emulsión que forma la capa de protección hidrofílica pueden
comprender partículas coloidales hidrofílicas seleccionadas entre
óxido de litio, óxido de berilio, óxido magnésico, alúmina, sílice,
óxido de titanio, óxido de vanadio, óxido de cromo, óxido de
manganeso, óxido de hierro, óxido de galio, óxido de itrio, óxido de
circonio, óxido de niobio, óxido de molibdeno, óxido de rutenio,
óxido de indio, óxido de estaño, óxido de tántalo, óxido de
tungsteno, óxido de talio, óxido de cerio, óxido de hafnio y óxido
de torio y precursores de los mismos, todos ellos en forma de
coloides; y/o partículas polímeras inorgánicas hidrofílicas
seleccionadas entre óxido de litio, óxido de berilio, óxido de
aluminio, óxido de silicio, óxido de titanio, óxido de cromo, óxido
de hierro, óxido de níquel, óxido de galio, óxido de circonio, óxido
de niobio, óxido de rutenio, óxido de indio, óxido de estaño, óxido
de hafnio, óxido de tántalo, óxido de cerio y óxido de torio y
precursores de los mismos, todos ellos en forma de polímeros
inorgánicos.
La emulsión que forma la capa de unión intermedia
puede comprender además material refractario en partículas
suspendido no dispersado o un precursor del mismo, o carbón en
partículas.
Es preferible escoger tamaños de partículas por
debajo de 100 micras para las partículas de refractario no
dispersado (orgánico sin carbono u orgánico conteniendo carbono) y,
cuando se utilizan combinaciones de partículas refractarias no
dispersas, escoger tamaños de partículas que son variados de manera
tal que se optimice la compactación de partículas. Por ejemplo,
cuando se escoge un compuesto que contiene principalmente SiC y una
parte de MoSi_{2} como partículas no dispersadas es preferible
escoger el tamaño de partículas de MoSi_{2} mucho menor (como
mínimo tres veces menor) que el SiC. De modo general la proporción
de tamaño de partículas se encontrará en una gama de 2:1 a 5:1,
preferentemente y de forma aproximada 3:1, por ejemplo con
partículas grandes en una gama de medidas de 15 a 30 micras y
partículas pequeñas en una gama de 5 a 10 micras.
La emulsión que forma la capa de unión intermedia
y/o la emulsión que forma la capa de protección hidrofílica
comprende usualmente material refractario en partículas no
dispersado seleccionado entre boruros, siliciuros, nitruros,
oxinitruros, carburos, oxicarburos, fosfuros, óxidos, aluminuros, de
titanio, circonio, hafnio, vanadio, silicio, niobio, tántalo,
níquel, molibdeno e hierro y/o un precursor de los mismos.
Además, la invención se refiere a un sustrato
hidrofóbico, en particular a base de carbón, recubierto con una capa
de protección hidrofílica libre de carbono orgánico y que protege al
sustrato cuando se utiliza a alta temperatura, en particular en una
celda para la electrólisis de aluminio a partir de alúmina disuelta
en un electrólito que contiene fluoruro. La capa protectora está
unida al sustrato a través de una capa de unión intermedia que
comprende partículas coloidales hidrofílicas secas y/o partículas
polímeras inorgánicas hidrofílicas.
De acuerdo con la invención, las partículas secas
coloidales hidrofílicas/inorgánicas polímeras de la capa de unión
intermedia están unidas íntimamente al carbón del sustrato
hidrofóbico. La unión íntima entre las partículas coloidales
hidrófilas/inorgánicas polímeras y el carbón del sustrato
hidrofóbico se puede obtener aplicando sobre el sustrato hidrofóbico
una emulsión que comprende las partículas coloidales
hidrofílicas/inorgánicas polímeras y como mínimo un compuesto de
carbono seleccionado entre monómeros hidrofóbicos de carbono y
polímeros hidrofóbicos de carbono y comprendiendo sustituyentes
hidrofílicos en una cantidad suficiente para la unión de las
partículas coloidales hidrofílicas/inorgánicas polímeras al monómero
y/o compuesto o compuestos polímeros de carbono.
La capa de unión intermedia y/o la capa de
protección pueden comprender partículas secas coloidales
hidrofílicas/inorgánicas polímeras seleccionadas de las listas
anteriores.
La capa de unión intermedia y/o la capa de
protección comprenden usualmente materiales refractarios en
partículas seleccionados entre boruros, siliciuros, nitruros,
oxinitruros, carburos, oxicarburos, fosfuros, óxidos, aluminuros de
titanio, circonio, hafnio, vanadio, silicio, niobio, tántalo,
níquel, molibdeno e hierro y/o un precursor de los mismos, en
particular diboruro de titanio en partículas.
De manera ventajosa la capa de unión intermedia
y/o la capa de protección comprenden un compuesto de un metal
refractario en partículas, un óxido de metal coloidal/polímero
inorgánico seco y otro óxido metálico seco coloidal/polímero
inorgánico y el óxido del metal del compuesto de metal refractario
en partículas, óxidos mixtos miscibles con el óxido metálico de
refuerzo. Combinaciones adecuadas de compuestos metálicos
refractarios en partículas, óxidos de metal coloidal/polímero
inorgánico seco y óxidos de metal de refuerzo se dan a conocer en el
documento WO01/42531 (Nguyen/Duruz/de Nora).
La capa de protección puede comprender un óxido
metálico humectable por el aluminio, tal como óxidos de manganeso,
hierro, cobalto, níquel, cobre, zinc, molibdeno, lantano, que cuando
se exponen al aluminio fundido reaccionan con el mismo para producir
óxido de aluminio y el metal del óxido metálico humectable por
aluminio, tal como se da a conocer en WO01/42168 (de
Nora/Duruz).
La invención se refiere también a un componente
de una celda para la electrólisis de aluminio a partir de alúmina
disuelta en un electrólito que contiene fluoruro, comprendiendo un
sustrato dotado de recubrimiento, tal como se ha descrito
anteriormente, y se refiere también a un componente de un aparato
para tratamiento de un metal fundido cuyo componente durante su
utilización es expuesto al metal fundido y que comprende un sustrato
aplicado como recubrimiento tal como se ha descrito
anteriormente.
Otro aspecto de la invención se refiere a un
aparato para la producción, purificación o reciclado del metal en
estado fundido que comprende como mínimo un componente que comprende
un sustrato aplicado como recubrimiento, tal como se ha descrito
anteriormente, y que durante su utilización es expuesto a un medio
oxidante y/o corrosivo gaseoso y/o fundido a elevada
temperatura.
El aparato puede ser una celda para electrólisis
de aluminio que comprende como mínimo un componente que es parte del
fondo de la celda dotado del recubrimiento de una cepa protectora
hidrofílica que protege el fondo de la celda contra el aluminio
fundido y/o electrólito fundido; un cátodo que tiene una superficie
humectable por aluminio, en particular superficie con drenaje
formada por la capa protectora hidrofílica que protege el cátodo
contra el aluminio fundido y/o electrólito fundido; un ánodo que
tiene una o varias superficies electroquímicamente inactivas dotadas
de recubrimiento con la capa protectora hidrofílica que protege la
superficie inactiva contra el electrólito fundido y/o gases
producidos anódicamente; o bien la pared lateral de una celda dotada
de recubrimiento con la capa hidrofílica protectora que protege la
pared lateral contra el electrólito fundido, aluminio fundido y/o
gases producidos anódicamente.
El aparato puede ser un horno de arco para el
reciclado de acero, siendo el componente un electrodo de arco o un
soporte para electrodo de arco dotado del recubrimiento de una capa
protectora hidrofílica que la protege contra los gases oxidantes y/o
contra el acero fundido.
Además, el aparato puede ser un aparato para la
purificación o tratamiento de un metal fundido, tal como aluminio,
magnesio fundido, hierro moldeado o acero fundido, en particular por
la inyección de un fluido de purificación en el metal para eliminar
las impurezas hacia su superficie. El componente puede ser un
agitador rotativo o un recipiente destinado a contener metal fundido
a purificar o tratar que es protegido contra el metal fundido a
purificar o tratar opcionalmente por el fluido de purificación e
impurezas del metal fundido por la capa protectora hidrofílica.
Otros detalles de este aparato de tratamiento o purificación se dan
a conocer en el documento WO00/63630 (Holz/
Duruz).
Duruz).
Otro aspecto de la presente invención es un
método de producción, purificación, tratamiento o reciclado de un
metal en un aparato, tal como se ha descrito anteriormente, y que
comprende como mínimo un componente dotado de un recubrimiento con
la capa protectora hidrofílica. El método comprende la exposición
del sustrato dotado de recubrimiento a un medio ambiente oxidante
y/o gaseoso corrosivo y/o fundido a elevada temperatura.
Otro aspecto adicional de la invención se refiere
a un método de unión de una capa térmicamente estable aplicada
mediante una emulsión que comprende partículas coloidales
hidrofílicas y/o partículas polímeras inorgánicas hidrofílicas sobre
un sustrato hidrofóbico a utilizar a elevada temperatura, en
particular en una celda para la electrólisis de aluminio a partir de
alúmina. Este método comprende: añadir a la emulsión como mínimo un
compuesto de carbono seleccionado entre monómeros de carbono
hidrofóbicos y polímeros de carbono hidrofóbicos y que comprenden
sustituyentes hidrofílicos en una cantidad suficiente para unir las
partículas hidrofílicas coloidales/inorgánicas polímeras al
compuesto o compuestos de carbono; y aplicar posteriormente una o
varias capas de la emulsión sobre el sustrato hidrofóbico seguido
de secado y/o tratamiento térmico para unir partículas coloidales
hidrofílicas/polímeras inorgánicas al sustrato hidrofóbico por el
carbono del compuesto o compuestos de carbono y unir por lo tanto de
esta manera la mencionada capa térmicamente estable sobre el
sustrato hidrofóbico.
Otro aspecto adicional de la presente invención
se refiere a la utilización, en una emulsión que comprende
partículas coloidales hidrofílicas y/o partículas polímeras
inorgánicas hidrofílicas para la producción en el secado y/o
tratamiento térmico, de una capa térmicamente estable sobre un
sustrato hidrofóbico en su utilización a elevada temperatura, en
particular en una celda para la fabricación electrolítica de
aluminio a partir de alúmina, de como mínimo un compuesto de carbono
seleccionado entre monómeros de carbono hidrofóbicos y polímeros de
carbono hidrofóbicos y que comprende sustituyentes hidrofílicos, tal
como un agente para mejorar la unión de la capa térmicamente estable
sobre el sustrato hidrofóbico.
A continuación se describirán realizaciones de la
invención a título de ejemplo y haciendo referencia a los dibujos
esquemáticos adjuntos, en los cuales:
- la figura 1 muestra una sección transversal
esquemática de una celda de producción de aluminio con cátodos
carbonosos con drenaje que tienen una capa protectora hidrofílica
humectable por aluminio de acuerdo con la invención;
- la figura 2 muestra esquemáticamente un horno
de electrodo de arco incorporando capas protectoras hidrofílicas
según la invención;
- la figura 3 muestra un aparato para la
purificación de un metal fundido que tiene un agitador de tipo
carbonoso protegido con una capa protectora hidrofílica humectable
mediante aluminio de acuerdo con la invención;
- la figura 3a es una vista en sección
esquemática a mayor escala de una parte del agitador mostrado en la
figura 3; y
- la figura 4 muestra esquemáticamente una
variante del agitador mostrado en la figura 3.
La figura 1 muestra una celda de fabricación
electrolítica de aluminio que comprende una serie de bloques de
ánodo de un material carbonoso (5) que tienen superficies operativas
(6) suspendidas sobre la superficie de cátodo (21) que tiene una
forma general de V aplanada y dotada de una cierta pendiente de
drenaje en el electrólito fundido (42) que contiene fluoruro y que
contiene alúmina disuelta.
La superficie (21) del cátodo con drenaje (21)
está formada por la superficie de una capa protectora hidrofílica
humectable por aluminio (20A) aplicada a las superficies superiores
de una serie de bloques de carbón de cátodo (15) hidrofóbicos y
yuxtapuestos, que se extienden en pares dispuestos extremo a extremo
a través de la celda. La capa protectora (20A) está unida a los
bloques (15) del cátodo de carbón mediante una capa intermedia
aplicada mediante compuestos según la invención a partir de una
emulsión que comprende partículas coloidales hidrofílicas y/o de un
polímero inorgánico, así como uno o varios monómeros y/o polímeros
de carbono.
Los bloques de cátodo (15) comprenden, embebidos
en rebajes situados en sus superficies de fondo, barras (22) para
suministro de corriente, de acero u otro material conductor, para la
conexión a un suministro externo de corriente eléctrica.
La superficie (21) del cátodo con drenaje está
dividida por una ranura de recogida de aluminio central (26) situada
en pares de bloques de cátodo (15) o entre dichos bloques,
dispuestos extremo a extremo a través de la celda. La ranura (26) de
recogida de aluminio está situada en el fondo de la superficie de
cátodo con drenaje (21) y está dispuesta para recoger el aluminio
producido por drenaje desde la superficie (21) del cátodo. La ranura
(26) de recogida de aluminio está dotada de un recubrimiento, según
la invención, con una capa intermedia de unión y la capa de
protección refractaria hidrofílico humectable con aluminio
(20B).
Los bloques ánodo (5) están dotados también de
recubrimiento mediante una capa (20C) protectora refractaria
hidrofílica en sus superficies inactivas, pero no en las superficies
de ánodo operativo (6) que están sumergidas como tales en el
electrólito fundido (42).
La celda comprende paredes laterales (16) de un
material carbonoso expuestas al electrólito fundido (42) y al medio
ambiente situado por encima del electrólito fundido, pero protegidas
contra el electrólito fundido (42) y el medio ambiente situado por
encima del electrólito fundido con una capa protectora refractaria
hidrofílica (20D) de acuerdo con la invención.
En el funcionamiento de la celda mostrada en la
figura 1 la alúmina disuelta en el electrólito fundido (42) a una
temperatura de 750º a 960ºC es sometida a electrólisis entre los
ánodos (5) y los bloques de cátodo (15) para producir gas sobre las
superficies (6) de ánodos operativos y aluminio fundido sobre la
capa (20A) de cátodo con drenaje humectable por el aluminio.
El aluminio fundido producido catódicamente fluye
de forma descendente por la superficie inclinada (21) del cátodo por
drenaje pasando a las ranuras de recogida de aluminio (26) sobre la
capa protectora hidrofílica humectable por aluminio (20B) desde la
que pasa a un depósito de recogida del aluminio para su extracción
subsiguiente.
La figura 1 muestra una celda de electrólisis de
aluminio específica, a título de ejemplo. Es evidente que muchas
alternativas modificaciones y variaciones quedarán evidentes a los
técnicos de la materia. Por ejemplo, la celda puede tener uno o
varios depósitos para la recogida de aluminio a través de la misma,
cortando cada uno de ellos la ranura de recogida de aluminio para
dividir la superficie del cátodo con drenaje en cuatro cuadrantes,
tal como se describe en el documento WO00/63463 (de Nora).
El fondo de la celda puede tener una superficie
de cátodo horizontal humectable por aluminio que adopta
configuración con drenaje o que está cubierta con un charco de poca
o mucha profundidad de aluminio.
Los ánodos pueden ser realizados a base de
materiales inertes, teniendo estructura electroquímicamente activa
de diseño en forma de rejilla para permitir circulación del
electrólito, tal como por ejemplo se da a conocer en los documentos
WO00/40781, WO00/40782 (ambos a nombre de Nora) y WO01/31086 (de
Nora/Duruz).
Los ánodos pueden estar dotados de un
recubrimiento de protección a base de uno o varios compuestos de
cerio, en particular oxifluoruro de cerio. Las capas de protección
se pueden mantener al mantener una cantidad de cerio en el
electrólito. Otros detalles de dichos recubrimientos y
funcionamiento de la celda con los mismos se pueden observar en las
patentes USA 4.614.569 (Duruz/Derivaz/Debely/Adorian), 4.680.094,
4.683.037 (ambas a nombre de Duruz) y 4.966.674
(Bannochie/Sheriff).
El horno de arco mostrado en la figura 2
comprende tres electrodos consumibles (15A) dispuestos en estructura
triangular. A efectos de mayor claridad la distancia entre los
electrodos (15A), tal como se muestran en la figura 2, se ha
incrementado proporcionalmente con respecto al horno. De manera
típica, los electrodos (15A) tienen un diámetro entre 200 y 500 mm y
pueden estar separados en una distancia que corresponde
aproximadamente a su diámetro.
Los electrodos (15A) están conectados a un
suministro de corriente eléctrica (no mostrado) y suspendidos de un
sistema de posicionado del electrodo por encima de la celda que está
dispuesto para ajustar su altura.
Los electrodos consumibles (15A) están realizados
a base de un sustrato de carbón hidrofóbico dotado de un
recubrimiento lateral de una capa protectora hidrofílica (20) que
protege el sustrato de carbón contra los gases oxidantes. La capa de
protección (20) está unida al sustrato de carbón (15A) por una capa
de unión intermedia aplicada según la invención a partir de una
emulsión que comprende partículas hidrofílicas
coloidales/inorgánicas polímeras y uno o varios compuestos
monómeros y/o polímeros de carbono.
La parte baja de los electrodos (15A) que se
consume durante el funcionamiento y que constituye la superficie
operativa del electrodo no está dotada de recubrimiento. La capa de
protección hidrofílica (20) protege solamente las caras laterales de
los electrodos contra la oxidación prematura.
Los electrodos (15A) se sumergen en hierro
fundido (41) que habitualmente contiene óxido de hierro o bien
hierro oxidado, tal como chatarra de hierro, chatarra de acero y
arrabio. Preferentemente el hierro (41) comprende además reductores
seleccionados entre hidrógeno gaseoso, monóxido de carbono gaseoso o
reductores portadores de carbón sólido. Los reductores pueden
comprender también minerales no férreos que se conocen con la
designación en general de ganga, incluyendo sílice, alúmina, óxido
de magnesio y cal.
El hierro (41) flota sobre un charco de hierro o
acero líquido (40) resultado del reciclado del hierro (41).
Durante la utilización se hace pasar corriente
alterna trifásica por los electrodos (15A), que reduce directamente
el hierro de la masa de hierro (41). El hierro reducido es el
cogido a continuación en el charco de hierro o acero (40). La ganga
contenida en el hierro reducido es separada del hierro por fusión y
flotación formando una escoria (no mostrada) que es eliminada, por
ejemplo mediante una o varias aberturas (no mostradas) situadas en
paredes laterales del horno del arco al nivel de la escoria.
El charco de hierro o acero (40) es extraído
periódicamente o de forma continua, por ejemplo mediante una
abertura (no mostrada) situada en el fondo del horno de arco.
El aparato de purificación de metal fundido
mostrado parcialmente en la figura 3 comprende un recipiente (45)
que contiene metal fundido (40'), tal como aluminio fundido, para su
purificación. Un agitador rotativo (10) realizado a base de un
material de carbono, tal como grafito, es sumergido parcialmente en
el metal fundido (40') y se dispone para su giro con el mismo.
El agitador (10) comprende un eje (11) cuya parte
superior establece contacto con un dispositivo de impulsión rotativo
y estructura de soporte (30) que retiene y hace girar el agitador
(10).
La parte baja del eje (11) está realizada en un
material de carbón y se sumerge en el metal fundido (40') contenido
en el recipiente (45). En el extremo inferior del eje (11) se ha
dispuesto un rotor (13) con pestañas u otras protuberancias para
agitar el metal fundido (40').
Dentro del eje (11), según su longitud, se
encuentra un conducto axial (12), tal como se ha mostrado en la
figura 3a, que está conectado en el extremo superior del agitador
con intermedio de un tubo flexible (35) a un suministro de gas (no
mostrado), por ejemplo un recipiente de gas dotado de una puerta de
entrada de gas que conduce al tubo flexible (35).
El conducto axial (12) está dispuesto para
suministrar un fluido al rotor (13). El rotor (13) comprende una
serie de aberturas conectadas al conducto interno (12) para inyectar
el gas en metal fundido (40'), tal como se ha mostrado por los
vectores (51).
La parte baja del eje (11), es decir la parte
sumergida y la zona de interfaz en la línea de fusión (14) del eje o
cerca de la misma, así como un rotor (13), están dotados de
recubrimientos según la invención con una capa de unión intermedia y
una capa de protección hidrofílica (20E) que mejora la resistencia a
la erosión, oxidación y/o corrosión del agitador durante el
funcionamiento.
Tal como se muestra en la figura 3, la parte
superior del eje (11) está protegida también contra oxidación y/o
corrosión por una capa intermedia de unión y una capa de protección
hidrofílica (20F) de acuerdo con la invención. La capa superior del
eje (11) basado en carbón está dotada de un recubrimiento de una
capa delgada de material refractario (20F) que proporciona
protección contra la oxidación y la corrosión, mientras que la capa
(20E) que protege la parte sumergida del eje (11) y el rotor (13) es
una capa más gruesa de material refractario que proporciona
protección contra la erosión, oxidación y corrosión.
De manera similar, las superficies del recipiente
(45) que establecen contacto con el metal fundido pueden ser
protegidas con una capa protectora hidrofílica según la invención o
posiblemente con una capa de protección tal como se describe en el
documento WO00/63630 (Holz/Duruz) en el caso en el que el recipiente
está realizado en un material hidrofílico.
Durante el funcionamiento del aparato que se ha
mostrado en la figura 3, un fluido reactivo o no reactivo, en
particular un gas (50) solo o un flujo, tal como un haluro,
nitrógeno y/o argón, es inyectado dentro del metal fundido (40')
contenido en el recipiente (45) con intermedio del tubo flexible
(35) y agitador (10) que se hunde en el metal fundido (40').
El agitador (10) es obligado a girar a una
velocidad de 100 a 500 RPM de manera que el gas inyectado (50) es
dispersado en la totalidad del metal fundido en burbujas de gas
finamente divididas.
Las burbujas de gas dispersadas (50), con o sin
reacción, eliminan las impurezas existentes en el metal fundido
(40') hacia su superficie, desde la que las impurezas pueden ser
separadas purificando por lo tanto el metal fundido.
El agitador (10) mostrado esquemáticamente en la
figura 4 se introduce en un baño (40') de metal fundido y comprende
un eje (11) y un rotor (13).El agitador (10) puede ser de cualquier
tipo, por ejemplo similar al agitador mostrado en la figura 3 o de
diseño convencional, tal como es conocido anteriormente en esta
técnica. El rotor (13) del agitador (10) puede ser un rotor con alta
cizalladura o un rotor con acción de bomba.
En la figura 4, en vez de recubrir todo el eje
(11) y el rotor (13), las partes del agitador (10) que tienen
posibilidades de erosión son dotadas selectivamente de recubrimiento
con una capa de unión intermedia y una capa protectora humectable
por aluminio de acuerdo con la invención.
La parte de interfaz en la línea de fusión (14)
de la parte inferior basada en carbón del eje (11) o en las
proximidades de la misma, está dotado de un recubrimiento mediante
una capa interfaz de refractario (20E_{1}) que consiste en una
capa de unión intermedia y una capa de protección hidrofílica de
acuerdo con la invención, por ejemplo en una longitud que llega a la
mitad de la del eje (11). Se han obtenido excelentes resultados con
una capa que se extiende en la tercera parte del eje (11). No
obstante, la longitud de la capa (20E_{1}) podría ser la cuarta
parte de longitud del eje (11) o incluso menos, dependiendo del
diseño del agitador (10) y de las condiciones operativas.
Además de la parte de interfaz de dichos
agitadores, hay otras zonas que tienen probabilidades de erosión,
dependiendo nuevamente del diseño y condiciones operativas de los
agitadores. El agitador mostrado esquemáticamente (10) en la figura
4 muestra superficies adicionales de recubrimiento que están
particularmente expuestas a la erosión. El extremo inferior del eje
(11) adyacente al rotor (13) está protegido con una capa (20E_{2})
que consiste en una capa de unión intermedia y una capa de
protección hidrofílica de acuerdo con la invención. La superficie
lateral del rotor (13) está protegida con una capa (20E_{3}) y la
superficie de fondo del rotor (13) está recubierta de una capa
(20E_{4}), consistiendo ambas en una capa de unión intermedia y
una capa de protección hidrofílica de acuerdo con la invención.
Para cada diseño específico de agitador, la capa
o diferentes capas protectoras sobre diferentes partes del agitador,
tal como las capas (20E_{1}), (20E_{2}), (20E_{3}) y
(20E_{4}) mostradas en la figura 4, pueden estar adaptadas como
función de la vida esperada para el agitador. Para una utilización
óptima, la cantidad y colocación de dichas capas puede ser
equilibrada de manera tal que cada una de ellas tenga
aproximadamente la misma vida útil.
En una realización alternativa (no mostrada), la
capa sobre dichos agitadores puede ser continua, tal como se ha
mostrado en la figura 3, pero con grosor o composiciones ajustados a
efectos de adaptar la resistencia contra erosión a la intensidad de
desgaste de cada pieza del agitador, combinando de esta manera las
ventajas de las diferentes capas que se han mostrado en la figura
4.
Se pueden llevar a cabo diferentes modificaciones
en el aparato mostrado en las figuras 3, 3a y 4. Por ejemplo, el eje
mostrado en la figura 3 puede ser modificado de manera que consista
en un conjunto cuya parte no sumergida queda realizada en un
material distinto de un material basado en carbono, tal como un
metal y/o un material cerámico, que resiste a la oxidación y a la
corrosión y que por lo tanto no necesita capa protectora, mientras
que la parte sumergida del eje está realizada en un material a base
de carbono protegido con una capa protectora de acuerdo con la
invención. Este eje de tipo compuesto sería diseñado preferentemente
para permitir el desmontaje de las partes sumergidas y no sumergidas
de manera que la parte sumergida pueda ser sustituida cuando se
desgasta.
De manera similar una parte no sumergida del eje
basada en carbono puede ser protegida de la oxidación y de la
corrosión con una capa y/o impregnación de un fosfato de aluminio,
aplicado en particular en forma de un compuesto seleccionado a
partir de fosfato de monoaluminio, fosfato de aluminio, polifosfato
de aluminio, metafosfato de aluminio y mezclas de los mismos, tal
como se da a conocer en la Patente USA 5.534.119 (Sekhar). También
es posible proteger la parte no sumergida del eje con una capa y/o
impregnación de un compuesto de boro, tal como un compuesto
seleccionado entre óxido de boro, ácido bórico y ácido tetrabórico,
tal como se da a conocer en la Patente USA 5.486.278
(Manganiello/Duruz/Bellò) y en la solicitud pendiente con la actual
WO97/26626 (de Nora/Duruz/
Berclaz).
Berclaz).
En una modificación la capa de protección de la
invención puede ser aplicada simplemente a cualquier parte del
agitador en contacto con el metal fundido para su protección contra
la erosión, oxidación y/o corrosión durante el funcionamiento.
La invención se describirá adicionalmente en los
ejemplos siguientes.
Una emulsión para su utilización como capa de
unión intermedia para la unión de la capa de protección hidrofílica
sobre un sustrato hidrofóbico de acuerdo con la invención fue
preparada del modo siguiente.
Un boruro de metal duro refractario consistente
en 47,5 gramos de partículas esféricas oxidadas superficialmente de
TiB_{2} (malla -325) con una película superficial de TiO_{2} y
un óxido metálico de refuerzo en partículas en forma de 2,5 gramos
TiO_{2} (malla -325) fueron sometidos a agitación y suspensión en
un soporte coloidal consistente en 20 ml de Al_{2}O_{3} coloidal
(NYACOL® Al-20, líquido lechoso con un tamaño de
partículas coloidales de 40-60 nanómetros
aproximadamente) para formar una emulsión coloidal.
Después de haber suspendido en el portador
coloidal el diboruro y el óxido de titanio en partículas, se añadió
a la emulsión coloidal una cantidad de 1 ml de una solución acuosa
conteniendo 15% en peso de alcohol polivinílico (PVA), un polímero
hidrofóbico de carbono comprendiendo sustituyentes hidrofílicos.
Esta emulsión produce en el tratamiento térmico
una matriz de óxido de óxido mixto de
titanio-aluminio a partir de la reacción del óxido
coloidal de Al_{2}O_{3} y TiO_{2} presente en forma de
partículas de óxido suspendidas y película de óxido de cubrición de
las partículas de TiB_{2} suspendidas íntimamente mezcladas con
el carbono del polímero hidrofóbico de carbono. La matriz de óxido
contiene partículas de TiB_{2} con las que se une.
Esta emulsión es adecuada para la fabricación de
un recubrimiento combinado de acuerdo con la invención, tal como se
describe en el ejemplo 4.
Ejemplo
1a
Los componentes de la emulsión del ejemplo 1
pueden ser cambiados tal como se ha mostrado en la tabla siguiente,
en la que cada una de las líneas representa posibles combinaciones
de componentes que se combinan con uno o varios compuestos de
carbono en forma de monómeros de carbono hidrofóbicos y/o polímeros
que comprenden sustituyentes hidrofílicos, tal como etilén glicol,
hexanol, alcohol polivinílico, acetato de polivinilo, ácido
poliacrílico, hidroxi propil metil celulosa y polimetacrilato de
amonio.
| Óxidos coloidales y polímeros | \begin{minipage}[t]{45mm}Óxidos suspendidos de metales de refuerzo\end{minipage} | \begin{minipage}[t]{45mm}Compuestos de metal refractario oxidados en la superficie y en suspensión\end{minipage} |
| Al_{2}O_{3} | TiO_{2}, MgO o SiO_{2} | TiB_{2}, SiC, TiC o TiN |
| TiO_{2} | Al_{2}O_{3} o MgO | SiC o SiN |
| SiO_{2} | Al_{2}O_{3} o MgO | TiB_{2}, TiC o TiN |
Según una variante, el compuesto del metal
refractario suspendido no necesita ser oxidado superficialmente y el
óxido de metal de refuerzo suspendido puede ser sustituido por los
compuestos de metal refractario oxidados superficialmente
suspendidos en el mismo porcentaje de peso.
Una emulsión para la producción de una capa de
protección hidrofílica libre de carbono orgánico, que se puede unir
con intermedio de una capa de unión a un sustrato hidrofóbico de
acuerdo con la invención, fue preparada suspendiendo 2,5 gramos de
Fe_{2}O_{3} en partículas (malla -325), un boruro de metal duro
refractario consistente en 92,5 gramos de TiB_{2} oxidado
superficialmente en partículas de forma acicular (malla -325) con
una película de óxido superficial de TiO_{2} y en 2,5 gramos en
TiO_{2} en partículas (malla -325)en un coloide
consistente en una combinación de dos calidades de Al_{2}O_{3}
coloidal, es decir, 28 ml de una primera calidad de Al_{2}O_{3}
coloidal (NYACOL® Al-20, un líquido lechoso con un
tamaño de partículas coloidal aproximado de 40 a 60 nanómetros) y 24
ml de una segunda calidad de Al_{2}O_{3} coloidal (CONDEA® 10/2
Sol, un líquido opalino transparente con un tamaño de partículas
coloidal de 10 a 30 nanómetros aproximadamente).
Esta emulsión produce en el tratamiento térmico
una matriz de óxidos mixtos consistente en óxido mixto de
titanio-aluminio y una pequeña cantidad de óxido
mixto de hierro-titanio-aluminio por
la reacción de TiO_{2}, Fe_{2}O_{3} y Al_{2}O_{3}. Esta
matriz contiene partículas de TiB_{2} y Fe_{2}O_{3} y se une
con las mismas.
Esta emulsión es adecuada para la fabricación de
un recubrimiento compuesto según la invención, tal como se describe
en el ejemplo 4.
Ejemplo
2a
La composición de emulsión del ejemplo 2a
consiste en Fe_{2}O_{3} y una mezcla de reacción constituida por
el coloide (Al_{2}O_{3}), el boruro de metal refractario
suspendido (TiB_{2}) y el óxido de metal suspendido (TiO_{2}).
Este ejemplo puede ser modificado por completo o parcialmente
sustituyendo Fe_{2}O_{3} con óxidos de cobre y/o níquel o bien
por cobre y/o níquel parcialmente oxidados, y/o variando la
composición de la mezcla de reacción tal como se indica en el
ejemplo 1a.
Otra emulsión para la producción de una capa
inicial de protección hidrofílica humectable en alto grado por
aluminio, libre de carbono orgánico, que se puede unir a través de
una capa de unión intermedia a un sustrato hidrofóbico de acuerdo
con la invención, fue preparada del modo siguiente. Una cantidad de
60 gramos de partículas de cobre oxidadas superficialmente (malla
-325) fue suspendida en un portador que consistía en 13 ml de
Al_{2}O_{3} coloidal(7 ml NYACOL® Al-20,
un líquido con un tamaño de partículas coloidales aproximadamente de
40 a 60 nanómetros y 6 ml de CONDEA®10/2 Sol, un líquido opalino
transparente con un tamaño de partículas coloidales de 10 a 30
nanómetros aproximadamente).
Después de tratamiento térmico la emulsión
produce una matriz de alúmina que contiene las partículas de cobre
oxidadas, uniéndose con las mismas.
Como modificación se pueden utilizar partículas
de níquel y/o hierro oxidadas o parcialmente oxidadas para sustituir
en parte o completamente las partículas de cobre oxidado en el
alúmina coloidal (CONDEA® 25/5 con pH > 7).
Tres cátodos de carbón para su utilización en una
celda con drenaje para la producción de aluminio fueron dotados de
un recubrimiento de las emulsiones de los ejemplos 1, 2 y 3, tal
como se indica a continuación:
En primer lugar se pintó una capa de unión
intermedia con un grosor aproximado de 100 micras sobre la
superficie expuesta del cátodo de carbón hidrofóbico a partir de la
emulsión del ejemplo 1. La capa de unión intermedia se dejó secar
durante 30 minutos.
La capa de unión intermedia fue cubierta con una
capa de protección hidrofílica humectable por aluminio, permanente,
obtenida por pintado de ocho capas de la emulsión del ejemplo 2.
Cada una de las capas aplicadas se dejó secar durante 30 minutos
antes de aplicación de la capa siguiente. La capa de protección
final humectable por aluminio tenía un grosor aproximado de 1,8
mm.
La capa protectora hidrofílica permanente
humectable por aluminio fue cubierta a continuación mediante una
capa inicial protectora hidrofílica temporal, obtenida por pintado
de una capa de la emulsión del ejemplo 3. La capa inicial
hidrofílica tenía un grosor aproximado de 100 a 150 micras.
El recubrimiento formado por la capa de unión
intermedia, la capa de protección hidrofílica permanente humectable
por aluminio y la capa inicial protectora hidrofílica temporal sobre
el cátodo de carbón se dejó secar durante 24 horas.
A continuación dos de los tres cátodos fueron
cubiertos con una lámina de aluminio con un grosor aproximado de 1,5
cm y calentado en un horno a la temperatura aproximada de
850-900ºC en el aire.
El primer cátodo fue extraído del horno después
de 30 minutos y se dejó enfriar hasta temperatura ambiente. El
examen de una sección transversal del recubrimiento mostró que el
aluminio se había infiltrado en la capa inicial, de manera que el
recubrimiento estaba humectado superficialmente por aluminio
fundido. No había tenido lugar todavía reacción entre aluminio y
óxido de hierro. La capa de unión intermedia estaba unida
íntimamente al sustrato hidrofóbico de carbón.
El segundo cátodo fue extraído del horno después
de 24 horas y se dejó enfriar hasta temperatura ambiente. El examen
de una sección transversal del recubrimiento demostró que el
aluminio se había infiltrado en la capa inicial y la capa permanente
humectable en aluminio. Una parte del aluminio había reaccionado con
Fe_{2}O_{3} para formar Al_{2}O_{3} y Fe metálico. La
infiltración del aluminio se había interrumpido en la capa de unión
intermedia por falta de óxido reaccionable con aluminio.
La infiltración del aluminio metálico en la capa
inicial y la capa permanente humectable en aluminio aumentaron la
conductividad del recubrimiento. A temperatura ambiente la
resistencia eléctrica perpendicular a través del recubrimiento fue
de menos de 1 ohmio después de infiltración con respecto al más de
500 ohmios antes de la infiltración.
Los recubrimientos en ambos cátodos demostraron
una matriz continua de óxidos mixtos de
titanio-aluminio entre la capa de unión intermedia y
la capa permanente humectable en aluminio, lo que garantiza una
excelente adherencia entre las dos capas. En ambos casos las
partículas de TiB_{2} no se habían oxidado por el tratamiento
térmico y la humectabilidad del recubrimiento por el aluminio era
muy buena. El ángulo de humectabilidad era menos de 10 grados.
El tercer cátodo de carbón dotado de
recubrimiento fue utilizado en una celda con drenaje para producción
de aluminio del modo siguiente:
El cátodo cubierto con el recubrimiento seco
según la invención fue cubierto en la celda con 1,5 cm de lámina de
aluminio. La celda fue calentada a una temperatura aproximada de
850-900ºC por el paso de corriente eléctrica entre
el cátodo y ánodos enfrentados a través del polvo de carbón. Otros
procedimientos de arranque del calentamiento podrían también ser
utilizados, por ejemplo, en la utilización de quemadores de gas para
generar calor.
Después de 30 minutos a 850-900ºC
el recubrimiento inicial fue humectado superficialmente por aluminio
humectado que constituye una barrera contra los componentes del
electrólito fundido basados en fluoruro, tal como compuestos de
sodio, y un electrólito basado en criolita que se colocó como
relleno en la celda.
La celda fue calentada individualmente a 960ºC a
cuya temperatura la celda funcionó con una corriente de electrólisis
con una densidad de 0,8 A/cm^{2} para producir aluminio en
condiciones de estado permanente convencionales.
Cualquiera de las capas de los ejemplos 1 al 4
puede ser modificada utilizando soportes polímeros inorgánicos,
tales como las soluciones polímeras (A) y (B) preparadas tal como se
indica a continuación, en sustitución de los soportes coloidales de
la capa.
(A) Se calentó una cantidad de 150 g de Fe
(NO_{3})_{3}.9 H_{2}O para disolver la sal en su propia
agua de cristalización formando una solución que contenía 29 g de
Fe_{2}O_{3}. La solución fue calentada a 120ºC y se disolvieran
18,9 g de bicarbonato magnésico en la solución caliente para formar
7,5 g de MgO en forma de un polímero inorgánico junto con el
Fe_{2}O_{3} adecuado para utilizar como portador polímero
inorgánico.
(B) Se calentó una cantidad de 100 g de
Cr(NO_{3})_{3}.9 H_{2}O para disolver la sal en
su propia agua de cristalización formando una solución que contenía
19 g Cr_{2}O_{3 }.La solución fue calentada a 120ºC y se
añadieron 12,5 g de bicarbonato magnésico conteniendo el equivalente
de 5,0 g de MgO. Después de agitarse se obtuvo una solución en forma
de una mezcla de polímeros deficiente como anión con una densidad
aproximada de 1,5 g/cm^{3} apropiada para actuar como portador
polímero inorgánico.
Claims (29)
1. Método para el recubrimiento de un sustrato
hidrofóbico con una capa de protección hidrofílica libre de carbón
orgánico para proteger al sustrato cuando se utiliza a elevada
temperatura, en particular en una celda para la electrólisis de
aluminio a partir de alúmina disuelta en un electrólito que contenía
fluoruro, comprendiendo dicho método:
- -
- aplicar una o varias capas de una emulsión que comprende partículas coloidales hidrofílicas y/o partículas polímeras inorgánicas hidrofílicas sobre el sustrato hidrofóbico seguido de secado para formar una capa de unión intermedia estable térmicamente sobre un sustrato hidrofóbico y
- -
- aplicar una o varias capas de una emulsión formadora de la capa de protección hidrofílica sobre la capa de unión intermedia seguido de secado y/o tratamiento térmico para formar la capa protectora hidrofílica sobre la capa de unión intermedia,
caracterizado porque la
emulsión que forma la capa de unión intermedia contiene como mínimo
un compuesto de carbono seleccionado entre monómeros y polímeros
hidrofóbicos de carbono y comprendiendo sustituyentes hidrofílicos
en una cantidad suficiente para la unión de dichas partículas
coloidales hidrofílicas y/o de polímeros inorgánicos con el
compuesto o compuestos de
carbono.
2. Método, según la reivindicación 1, en el que
dichos sustituyentes hidrofílicos son seleccionados a partir de -OH,
-SO_{3}Na y -COOH, y combinaciones de los mismos.
3. Método, según las reivindicaciones 1 ó 2, en
el que dicho compuesto o compuestos de carbono tienen una proporción
de sustituyentes de carbono/hidrofílicos comprendida entre 2 y
4.
4. Método, según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que dicho compuesto o compuestos
de carbono son seleccionados entre etilén glicol, hexanol, alcohol
polivinílico, acetato de polivinilo, ácido poliacrílico, hidroxi
propil metil celulosa y polimetacrilato amónico y mezclas de los
mismos.
5. Método, según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que dicha capa de protección
hidrofílica es aplicada a partir de una emulsión que comprende
partículas coloidales y/o de polímeros inorgánicos y material
refractario en partículas no dispersado.
6. Método, según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que como mínimo una de las
emulsiones que forman la capa de unión intermedia y la emulsión que
forma la capa de protección hidrofílica comprende partículas
coloidales hidrofílicas seleccionadas entre óxido de litio, óxido
de berilio, óxido de magnesio, alúmina, sílice, óxido de titanio,
óxido de vanadio, óxido de cromo, óxido de manganeso, óxido de
hierro, óxido de galio, óxido de itrio, óxido de circonio, óxido de
niobio, óxido de molibdeno, óxido de rutenio, óxido de indio, óxido
de estaño, óxido de tántalo, óxido de tungsteno, óxido de talio,
óxido de cerio, óxido de hafnio y óxido de torio, así como
precursores de los mismos, todos ellos en forma de coloides; y/o
partículas polímeras inorgánicas hidrofílicas seleccionadas entre
óxido de litio, óxido de berilio, alúmina, sílice, óxido de titanio,
óxido de cromo, óxido de hierro, óxido de níquel, óxido de galio,
óxido de circonio, óxido de niobio, óxido de rutenio, óxido de
indio, óxido de estaño, óxido de hafnio, óxido de tántalo, óxido de
cerio y óxido de torio y precursores de los mismos, todos ellos en
forma de polímeros inorgánicos.
7. Método, según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que la emulsión que forma la capa
de unión intermedia comprende además un material refractario en
partículas no dispersado o un precursor del mismo en forma de
partículas.
8. Método, según la reivindicación 7, en el que
la emulsión que forma la capa intermedia de unión comprende además
carbón en partículas.
9. Método, según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que como mínimo una de las
emulsiones que forma la capa intermedia de unión y la emulsión que
forma la capa de protección hidrofílica comprende material
refractario en partículas no dispersado seleccionado entre boruros,
siliciuros, nitruros, oxinitruros, carburos, oxicarburos, fosfuros,
óxidos, aluminuros de titanio, circonio, hafnio, vanadio, silicio,
niobio, tántalo, níquel, molibdeno e hierro y/o un precursor de los
mismos.
10. Método, según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que el sustrato hidrofóbico está
constituido por carbón.
11. Sustrato hidrofóbico dotado de recubrimiento
con una capa protectora hidrofílica libre de carbón orgánico que
protege el sustrato cuando se utiliza a alta temperatura, en
particular en una celda para la electrólisis de aluminio a partir de
alúmina disuelta en un electrólito que contiene fluoruro, en el que
la capa protectora está unida al sustrato a través de una capa de
unión intermedia que comprende partículas coloidales hidrofílicas
secas y/o partículas polímeras inorgánicas hidrofílicas secas,
caracterizado porque las partículas secas
hidrofílicas coloidales y/o inorgánicas polímeras de la capa de
unión intermedia están íntimamente unidas al carbón del sustrato
hidrofóbico, obteniéndose la unión íntima entre las partículas
hidrofílicas coloidales y/o de polímero inorgánico y el carbón del
sustrato hidrofóbico por aplicación sobre el sustrato hidrofóbico de
una emulsión comprendiendo las partículas coloidales hidrofílicas
y/o de polímero inorgánico y como mínimo un compuesto de carbón
seleccionado a partir de monómeros de carbón hidrofóbicos y
polímeros de carbón hidrofóbicos y comprendiendo sustituyentes
hidrofílicos en una cantidad suficiente para la unión de las
partículas coloidales hidrofílicas y/o partículas de polímeros
inorgánicos con el compuesto o compuestos de carbón.
12. Sustrato dotado de recubrimiento, según la
reivindicación 11, en el que como mínimo una capa intermedia de
unión y la capa de protección hidrofílica comprenden óxidos
hidrofílicos secos de litio, berilio, magnesio, aluminio, silicio,
titanio, vanadio, cromo, manganeso, hierro, galio, itrio, circonio,
niobio, molibdeno, rutenio, indio, estaño, tántalo, tungsteno,
talio, cerio, hafnio y torio y precursores de los mismos, todos
ellos en forma de coloides y/o partículas hidrofílicas inorgánicas
polímeras seleccionadas a partir de los óxidos de litio, berilio,
aluminio, silicio, titanio, cromo, hierro, níquel, galio, circonio,
niobio, rutenio, indio, estaño, hafnio, tántalo, cerio y torio y
precursores de los mismos, todos ellos en forma de polímeros
inorgánicos.
13. Sustrato con recubrimiento, según la
reivindicación 11 ó 12, en el que como mínimo una de las capas de
unión intermedias y la capa de protección hidrofílica comprenden
materiales refractarios en partículas seleccionadas entre boruros,
siliciuros, nitruros, oxinitruros, carburos, oxicarburos, fosfuros,
óxidos, aluminidos, de titanio, circonio, hafnio, vanadio, silicio,
niobio, tántalo, níquel, molibdeno e hierro y/o un precursor de los
mismos.
14. Sustrato dotado de recubrimiento, según la
reivindicación 13, en el que como mínimo una de las capas de unión
intermedias y la capa de protección hidrofílica comprenden diboruro
de titanio en partículas.
15. Sustrato dotado de recubrimiento, según
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que como mínimo
una de las capas de unión intermedias y la capa de protección
hidrofólica comprenden un compuesto de un metal refractario en
partículas y un metal coloidal seco y/o óxido polímero inorgánico y
un óxido metálico adicional para reforzar dichas capas, formando el
óxido coloidal seco y/o óxido de metal polímero inorgánico y óxido
del metal del compuesto metálico refractario en partículas, óxidos
mixtos miscibles con el óxido metálico de refuerzo.
16. Sustrato dotado de recubrimiento, según
cualquiera de las reivindicaciones 11 a 15, en el que la capa de
protección hidrofílica comprende un óxido metálico humectable por
aluminio que cuando se expone a aluminio fundido reacciona con el
mismo para producir óxido de aluminio y el metal del óxido metálico
humectable mediante aluminio.
17. Sustrato dotado de recubrimiento, según la
reivindicación 16, en el que el óxido metálico humectable por
aluminio es seleccionado a partir de óxidos de manganeso, hierro,
cobalto, níquel, cobre, zinc, molibdeno, lantano y combinaciones de
los mismos.
18. Sustrato dotado de recubrimiento, según
cualquiera de las reivindicaciones 11 a 17, en el que el sustrato
hidrofóbico está realizado de carbón.
19. Componente de una celda para la electrólisis
de aluminio a partir de alúmina disuelta en un electrólito que
contiene fluoruro, que comprende un sustrato dotado de recubrimiento
tal como se define en cualquiera de las reivindicaciones 11 a
18.
20. Componente de un aparato para el tratamiento
de un metal fundido cuyo componente durante su utilización es
expuesto al metal fundido, comprendiendo un sustrato dotado de
recubrimiento tal como se define en cualquiera de las
reivindicaciones 11 a 18.
21. Aparato para la producción, purificación o
reciclado de un metal en estado fundido que comprende como mínimo un
componente que comprende un sustrato dotado de recubrimiento, tal
como se define en cualquiera de las reivindicaciones 11 a 18, y que
durante su utilización es expuesto a un medio oxidante y/o corrosivo
gaseoso y/o fundido a elevada temperatura.
22. Aparato, según la reivindicación 21, que está
constituido por una celda para la electrólisis de aluminio,
comprendiendo como mínimo un componente que forma parte del fondo de
una celda dotada de recubrimiento con dicha capa protectora
hidrofílica que protege el fondo de la celda contra el aluminio
fundido y/o electrólito fundido; un cátodo que tiene una superficie
humectable por aluminio formada por la capa protectora hidrofílica
que protege el cátodo contra el aluminio fundido y/o el electrólito
fundido; un ánodo que tiene una o varias superficies
electroquímicamente inactivas dotadas de recubrimiento con dicha
capa hidrofílica de protección que protege la superficie inactiva
contra, como mínimo, un electrólito fundido y gas producido
anódicamente; o una pared lateral de una celda dotada de
recubrimiento con dicha capa de protección hidrofílica que protege
la pared lateral contra, como mínimo, uno de: electrólito fundido,
aluminio fundido y gas producido anódicamente.
23. Aparato, según la reivindicación 22, en el
que dicho componente es un cátodo que tiene una superficie con
drenaje humectable por aluminio.
24. Aparato, según la reivindicación 21, que es
un horno de arco para el reciclado de acero, siendo dicho componente
un electrodo de arco o un soporte para un electrodo de arco dotado
de recubrimiento con la capa protectora hidrofílica que lo protege
contra gases oxidantes y/o acero fundido.
25. Aparato, según la reivindicación 21, que
consiste en un aparato para la purificación o tratamiento de un
metal fundido, en particular por la inyección de un fluido de
purificación en el metal fundido para eliminar impurezas hacia la
superficie del mismo, siendo dicho componente un agitador rotativo o
un recipiente para contener metal fundido a purificar o tratar, cuyo
componente es protegido contra el metal fundido a purificar o tratar
y opcionalmente el fluido de purificación e impurezas del metal
fundido por la capa protectora hidrofílica.
26. Aparato, según la reivindicación 25, que es
un aparato para la purificación de aluminio fundido, magnesio
fundido, hierro moldeado o acero fundido.
27. Método para la fabricación, purificación o
reciclado de un metal en un aparato, según cualquiera de las
reivindicaciones 21 a 26, cuyo aparato comprende como mínimo un
componente dotado de recubrimiento con dicha capa protectora
hidrofílica, comprendiendo el método el exponer dicho sustrato con
recubrimiento a un ambiente oxidante y/o gaseoso corrosivo y/o
fundido a elevada temperatura.
28. Método de unión de una capa estable
térmicamente aplicada a partir de una emulsión que comprende
partículas coloidales hidrofílicas y/o partículas de polímero
inorgánico hidrofílico sobre un sustrato hidrofóbico para su
utilización a elevada temperatura en particular en una celda para la
fabricación electrolítica de aluminio a partir de alúmina,
comprendiendo dicho método:
- -
- la adicción a la emulsión como mínimo de un compuesto de carbono seleccionado a partir de monómeros de carbono hidrofóbicos y polímeros hidrofóbicos de carbono y que comprende sustituyentes hidrofílicos en una cantidad suficiente para unir las partículas coloidales hidrofílicas y/o de polímero inorgánico a los compuestos de carbono y posteriormente
- -
- aplicar una o varias capas de la emulsión sobre un sustrato hidrofóbico seguido de secado y/o tratamiento térmico,
en el que dicho compuesto o
compuestos de carbono son utilizados como agente de unión coloidal
hidrofílica y/o partículas de polímero inorgánico al sustrato
hidrofóbico por carbón procedente del compuesto o compuestos de
carbón, uniendo de esta manera dicha capa térmicamente estable sobre
el sustrato
hidrofóbico.
29. Utilización, en una emulsión que comprende
partículas coloidales hidrofílicas y/o partículas de polímeros
inorgánicos hidrofílicos para la producción después de secado y/o
tratamiento térmico de una capa térmicamente estable sobre un
sustrato hidrofóbico para su utilización a elevada temperatura, en
particular en una celda para la fabricación electrolítica de
aluminio a partir de alúmina,
de como mínimo un compuesto de carbono
seleccionado entre monómeros hidrofóbicos de carbono y polímeros
hidrofóbicos de carbono y que comprende sustituyentes hidrofílicos
como agente para la unión de partículas coloidales hidrofílicas y/o
de polímeros inorgánicos al sustrato hidrofóbico mediante carbono
procedente del compuesto o compuestos de carbono y uniendo de esta
manera dicha capa térmicamente estable sobre el sustrato
hidrofóbico.
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