ES2304009T3 - Metodo para la purificacion de un metal fundido. - Google Patents
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Abstract
Método para la purificación de un metal fundido que contiene uno o más elementos extraños, caracterizado porque el metal fundido se enfría hasta una temperatura eutéctica para formar simultáneamente cristales de metal purificado y cristales que contienen al menos un elemento extraño, y porque al menos algunos de los cristales que contienen al menos un elemento extraño se separan de los cristales de metal purificado usando una técnica de separación sólido-sólido.
Description
Método para la purificación de un metal
fundido.
La presente invención se refiere a un método
para la purificación de un metal fundido que contiene uno o más
elementos extraños. La expresión elemento extraño se usa para
indicar un elemento cuya concentración en el metal purificado
debería ser reducida puesto que disminuye el valor del mismo.
La purificación de metales puede ser
económicamente muy provechosa porque permite que metales en chatarra
que puedan contener diferentes elementos de aleación o extraños y
diferentes cantidades de los elementos extraños sean procesados
para recuperar una pureza estándar y un mayor valor económico.
Hay varios métodos conocidos para purificar un
metal fundido. Un ejemplo es la celda de Hoopes, como se describe
en, por ejemplo, el documento US 1.562.090, mediante el cual se
refina aluminio en una celda electrolítica. Los procedimientos
electroquímicos para grandes volúmenes de metal, no obstante, son
muy caros debido al elevado consumo de energía eléctrica. Además,
los costes de capital son también elevados debido a la interfase
horizontal requerida.
Otro método de purificación es la cristalización
fraccionada, como se describe en el documento US 4.273.627,
mediante el cual un metal fundido hipoeutéctico que contiene uno o
más elementos extraños se enfría hasta alcanzar una cristalización
parcial. El metal fundido se enfría hasta justo por encima de una
temperatura eutéctica. Los cristales que se forman en el cristal
fundido tienen una composición más pura que la del metal fundido
que se usa como punto de partida. Estos cristales se pueden separar
después del metal fundido residual por medio de una técnica de
separación sólido-líquido. Este procedimiento, no
obstante, tiene el inconveniente de que cuando la concentración
inicial de elementos extraños es alta, la cantidad de metal
purificado obtenido es relativamente baja y la cantidad de
subproducto generado es alta. Esto significa que el método de
cristalización fraccionada puede no ser económicamente viable para,
por ejemplo, purificar chatarra.
Un método de purificación alternativo es por
medio de separación de elementos extraños en el que un metal
fundido hipereutéctico que contiene uno o más elementos extraños se
enfría hasta alcanzar una solidificación parcial. El metal fundido
se enfría hasta justo por encima de una temperatura eutéctica.
El(los) elemento(s) extraño(s)
solidifica(n) para formar cristales que contienen al menos un
elemento extraño y/o cristales puros de un elemento extraño que se
puede separar después del metal fundido usando una técnica de
separación sólido-líquido. Un metal fundido
hipoeutéctico se puede hacer hipereutéctico por la adición de
ciertos elementos, como se describe en el documento US 5.741.348.
Este método tiene el inconveniente de que el producto líquido
obtenido no es muy puro y por lo tanto es de valor relativamente
bajo.
Un objeto de la presente invención es crear un
método mejorado para la purificación de un metal fundido que
contiene uno o más elementos extraños.
Otro objeto de la presente invención es crear un
procedimiento a partir del cual se pueda obtener un rendimiento
relativamente alto de metal relativamente puro.
Otro objeto de la invención es crear un
procedimiento que se pueda usar para purificar grandes volúmenes de
metal fundido que contiene uno o más elementos extraños.
Otro objeto de la invención es crear un método
económico para la purificación de un metal fundido que contiene uno
o más elementos extraños.
Uno o más objetos de la presente invención se
alcanzan por un método para la purificación de un metal fundido que
contiene uno o más elementos extraños, que se caracteriza porque el
metal fundido se enfría hasta una temperatura eutéctica para formar
simultáneamente cristales de metal purificado y cristales que
contienen al menos un elemento extraño, y porque al menos alguno de
los cristales que contienen al menos un elemento extraño se separan
de los cristales de metal purificado usando una técnica de
separación sólido-sólido.
La expresión "cristales que contienen al menos
un elemento extraño" incluye compuestos intermetálicos que se
forman cuando átomos de dos o más elementos extraños se combinan en
ciertas proporciones para formar cristales con una estructura
diferente de la de cualquiera de los elementos extraños individuales
y también cristales puros de un elemento extraño. La expresión
"temperatura eutéctica" se refiere a una temperatura a la que
se forman simultáneamente al menos dos fases sólidas. La
temperatura eutéctica por lo tanto se refiere al punto eutéctico
para un sistema binario y a una temperatura a lo largo del valle
eutéctico para un sistema ternario, cuaternario o de mayor
orden.
Compuestos intermetálicos o cristales puros de
elementos presentes en el metal fundido, pero que no son elementos
extraños porque su presencia no es indeseable en el producto
purificado, también se pueden formar en el metal fundido y no
necesitan ser separados de los cristales de metal purificado.
La expresión técnica de separación
sólido-sólido se refiere a una técnica para separar
al menos un tipo de sólido de otro.
La presente invención difiere de los métodos
conocidos de purificación de metal en que el metal fundido se
enfría hasta una temperatura eutéctica y en que se usa una técnica
de separación sólido-sólido para separar al menos
alguno de los cristales que contienen al menos un elemento extraño
de los cristales de metal purificado. Si se alcanza una temperatura
eutéctica durante la cristalización fraccionada, se formarán
cristales que son menos puros que el metal fundido usado como punto
de partida. Esto tiene como resultado que el proceso sea menos
eficiente a una temperatura eutéctica cuando se compara con una
temperatura por encima de la temperatura eutéctica. Si se alcanza
una temperatura eutéctica durante el conocido método de separación
de elementos extraños, se formarán cristales que son más puros que
el metal fundido usado como punto de partida. Estos cristales
forman parte del subproducto, haciendo por ello el proceso menos
eficiente a una temperatura eutéctica cuando se compara con una
temperatura por encima de la temperatura eutéctica.
La presente invención tiene la ventaja de que
cuando la concentración de elemento(s) extraño(s) en
el metal fundido que se va a someter al método de purificación de
la presente invención, es sustancialmente mayor que la solubilidad
en sólido del (de los) elemento(s) extraño(s) a una
temperatura eutéctica es sustancialmente menor que la concentración
eutéctica y el coeficiente de partición es menor que uno, el
producto obtenido es consistentemente de pureza relativamente alta
y la cantidad de producto obtenido es relativamente alta. Un
producto obtenido en forma de cristales de metal purificado contiene
sustancialmente menos del (de los) elemento(s)
extraño(s) en comparación con la concentración del (de los)
elemento(s) extraño(s) originalmente
presente(s) en el metal fundido y se minimiza la cantidad de
subproducto. Los cristales que contienen al menos un elemento
extraño contienen sustancialmente más del (de los) elemen-
to(s) extraño(s) en comparación con la concentración del (de los) elemento(s) extraño(s) originalmente presente(s) en el metal fundido. El coeficiente de partición es la relación de la concentración del (de los) elemento(s) extraño(s) en los cristales de metal purificado a la concentración del (de los) elemento(s) extraño(s) originalmente presente(s) en el metal fundido. El coeficiente de partición puede ser preferentemente menor que o igual a 0,5 o más preferentemente menor que o igual a 0,25 con el fin de obtener mayores cantidades de producto más puro.
to(s) extraño(s) en comparación con la concentración del (de los) elemento(s) extraño(s) originalmente presente(s) en el metal fundido. El coeficiente de partición es la relación de la concentración del (de los) elemento(s) extraño(s) en los cristales de metal purificado a la concentración del (de los) elemento(s) extraño(s) originalmente presente(s) en el metal fundido. El coeficiente de partición puede ser preferentemente menor que o igual a 0,5 o más preferentemente menor que o igual a 0,25 con el fin de obtener mayores cantidades de producto más puro.
Ejemplos de coeficientes de partición o
distribución son 0,03 para el aluminio que contiene hierro como
elemento extraño, 0,1 para aluminio que contiene silicio como
elemento extraño y 0,93 para aluminio que contiene manganeso como
elemento extraño. Las actas del Cuarto Simposio Internacional sobre
Reciclaje de Metales y Materiales para Ingeniería TMS (The
Minerals, Metals & Materials Society) 2000, p.
979-991 "Refining of a 5XXX series aluminium
alloy scrap by Alcoa fractional crystallisation process" por Ali
I Kahveci y Ali Unal lista los coeficientes de partición o
distribución para algunas impurezas en aluminio.
En general, el presente método tiene un
rendimiento mayor que un método de cristalización fraccionada
operado a justo por encima de la temperatura eutéctica y tiene una
mejor pureza de producto comparado con un método que comprende la
separación de elementos extraños que también se lleve a cabo a justo
por encima de la temperatura eutéctica.
La presente invención también tiene la ventaja
de que no es necesario un control exacto de la temperatura a
diferencia de los métodos conocidos de cristalización fraccionada y
separación de elementos extraños. Cuando se usa el método de la
presente invención, el sistema se autorregula y se mantiene él mismo
a la temperatura eutéctica en un gran intervalo de solidificación.
Para controlar el proceso se puede usar una medida de la fracción
sólida, que no necesita ser rigurosamente exacta. La separación
sólido-sólido se hace generalmente difícil cuando
la fracción de sólido está por encima de 30%. Para controlar el
proceso también se puede usar una medida de la energía.
Es posible, y podría ser ventajoso, cuando antes
de la aplicación de la técnica de separación
sólido-sólido, al menos alguno de los cristales de
metal purificado y los cristales que contienen al menos un elemento
extraño se separen sustancialmente de forma simultánea de
sustancialmente la cantidad total de metal fundido. La etapa de
separación sólido-sólido se puede alcanzar entonces,
por ejemplo, añadiendo la mezcla de cristales de metal purificado y
cristales que contienen al menos un elemento extraño a sal fundida
con una densidad específica entre la de las densidades específicas
de los cristales de metal purificado y los cristales que contienen
al menos un elemento extraño, de forma que alguno de los cristales
se hunda en la sal mientras que los restantes floten sobre la
sal.
Preferentemente, la técnica de separación
sólido-sólido se ejecuta separando los cristales de
metal purificado y los cristales que contienen al menos un elemento
extraño en múltiples fracciones, en la que la relación de la
concentración de los cristales de metal purificado y la
concentración de los cristales que contienen al menos un elemento
extraño en una de las fracciones es mayor que la relación de las
mismas en el metal fundido. Una de las corrientes contiene
preferentemente al menos doble concentración del elemento extraño
originalmente presente en el metal fundido. Si más de un elemento
extraño está presente, puede ser necesario separar el metal fundido
que contiene los cristales de metal purificado y los cristales que
contienen al menos un elemento extraño en más de dos
fracciones.
Como una alternativa adicional, al menos alguno
de los cristales que contienen al menos un elemento extraño se
puede separar de sustancialmente la cantidad total de metal fundido
que contiene cristales de metal purificado. Preferentemente, al
menos 30% de los cristales que contienen al menos un elemento
extraño se separan de sustancialmente la cantidad total de metal
fundido que contiene cristales de metal purificado. En esta
realización alternativa, los cristales que contienen al menos un
elemento extraño se separan del metal fundido sin que una cantidad
significativa de metal o cristalizado o fundido se separe también
junto con los cristales que contienen al menos un elemento extraño.
Aunque es deseable evitar incluir cualquier metal fundido cuando se
separan los cristales que contienen al menos un elemento extraño,
en la práctica esto no es alcanzable. Preferentemente, el volumen
de metal fundido separado junto con los cristales que contienen al
menos un elemento extraño es menor que el volumen de cristales que
contienen al menos un elemento extraño separado. Si se desea, los
cristales de metal purificado se pueden separar entonces de forma
relativamente fácil del metal fundido restante.
Un método preferido para la separación
sólido-sólido es usando la fuerza centrífuga. La
aplicación de fuerza centrífuga mueve selectivamente los cristales
que contienen al menos un elemento extraño y los cristales de metal
purificado debido a su diferencia en densidad y tamaño de forma que
una porción del metal fundido que contiene la mayor parte de los
cristales de metal purificado se puede separar del resto del metal
fundido que contiene la mayor parte de los cristales que contienen
al menos un elemento extraño.
Otro método preferido para la separación
sólido-sólido es usando un campo electromagnético.
Este método usa ventajosamente el hecho de que cristales que
contienen al menos un elemento extraño son menos conductores que el
metal fundido, mientras que el metal fundido es menos conductor que
los cristales de metal purificado. Un campo electromagnético
generado por una magneto aplicado a través de un flujo del metal
fundido que contiene los cristales de metal purificado y los
cristales que contienen al menos un elemento extraño se podría usar
para separar el flujo en una porción de metal fundido que contenga
la mayor parte de los cristales de metal purificado y una porción
que contenga la mayor parte de los cristales que contienen al menos
un elemento extraño. Tal método está descrito en, por ejemplo, el
documento US 6355085.
Otro método preferido para la separación
sólido-sólido es usando una técnica de flotación.
Debido a la diferencia en la densidad y el tamaño de partículas
entre los cristales de metal purificado y los cristales que
contienen al menos un elemento extraño, los cristales de metal
purificado y los cristales que contienen al menos un elemento
extraño tienen diferentes afinidades por las burbujas de gas.
Suministrando burbujas de gas al metal fundido que contiene los
cristales de metal purificado y los cristales que contienen al menos
un elemento extraño, los cristales de metal purificado, por
ejemplo, se pueden llevar hacia arriba a través del metal fundido
hasta una zona superior del metal fundido con las burbujas de gas,
mientras que los cristales que contienen al menos un elemento
extraño permanecen en una zona inferior del metal fundido.
Los métodos anteriormente mencionados para
separar el metal fundido que contiene los cristales de metal
purificado y los cristales que contienen al menos un elemento
extraño en múltiples fracciones, que contienen diversas
concentraciones de los cristales que contienen al menos un elemento
extraño, pueden incluir una etapa de separación
sólido-líquido adicional para separar los cristales
que contienen al menos un elemento extraño del metal fundido. Tal
etapa puede comprender, por ejemplo, filtración o centrifugación.
Como la fuerza centrífuga es directamente proporcional a la masa,
la diferencia en la densidad específica entre los cristales que
contienen al menos un elemento extraño y el metal fundido conduce a
que se ejerza una fuerza centrífuga diferente sobre los cristales
que contienen al menos un elemento extraño en comparación con el
metal fundido, que se puede usar para separar los cristales que
contienen al menos un elemento extraño del metal fundido.
Un método preferido para separar al menos alguno
de los cristales que contienen al menos un elemento extraño de
sustancialmente la cantidad total de metal fundido que contiene
cristales de metal purificado es poniendo en contacto una capa de
sal con una capa del metal fundido que contiene tanto los cristales
de metal purificado como los cristales que contienen al menos un
elemento extraño, usando medios para transportar al menos alguno de
los cristales que contienen al menos un elemento extraño a la capa
de sal y separar los cristales de metal purificado del metal
fundido. Los medios para poner en contacto sustancialmente todos los
cristales que contienen al menos un elemento extraño con la sal
pueden ser, por ejemplo, medios de agitación. Una vez que los
cristales que contienen al menos un elemento extraño se ponen en
contacto con la sal, se pueden retener en la sal fundida debido a
su diferencia en la densidad específica en comparación con el metal
fundido y los cristales de metal purificado. Los cristales de metal
purificado también se ponen en contacto con la sal, pero no se
retienen debido a su diferencia en peso específico. Los cristales
que contienen al menos un elemento extraño se pueden separar de
forma relativamente fácil de la sal y los cristales de metal
purificado se pueden separar del metal fundido, por ejemplo, por
filtración. La sal tiene preferentemente un punto de fusión por
debajo de la temperatura eutéctica a la que se lleva a cabo el
proceso.
El método de la presente invención es
particularmente apropiado para purificar aluminio fundido que
contenga al menos un elemento de aleación extraño. La producción de
aluminio primario a partir de mineral de aluminio es muy intensa en
consumo de energía y cara haciendo más viable el reciclaje. No
obstante, usar los métodos de la técnica anterior de purificación
de metal aún no es a menudo económicamente viable para purificar
chatarra de aluminio sin añadir aluminio primario relativamente
puro a la chatarra para diluir eficazmente el (los)
elemento(s) extraño(s) presente(s). Usando el
método de la presente invención se pueden purificar grandes
volúmenes de chatarra de aleación de aluminio de forma eficaz en
costes sin requerir la adición de grandes cantidades de aluminio
primario puro.
La presente invención se puede usar
ventajosamente para separar uno o más elementos extraños tales como
hierro, silicio, cobre, manganeso y magnesio que están presentes a
menudo en la chatarra de aleación de aluminio en cantidades
variables.
La presente invención también se puede aplicar
ventajosamente en un procedimiento continuo de forma que los
cristales de metal purificado y los cristales que contengan al menos
un elemento extraño se formen y se separen continuamente.
Suministrando continuamente metal fundido por encima de la
temperatura eutéctica a metal fundido que ya ha sido enfriado hasta
la temperatura eutéctica, y en el que ya se han formado los
cristales que contienen al menos un elemento extraño, y manteniendo
la temperatura del metal fundido a la temperatura eutéctica, se
estimula a que los cristales que contienen al menos un elemento
extraño crezcan más grandes. Esto es debido a que los cristales que
contienen al menos un elemento extraño que estaban ya presentes en
el metal fundido actúan como sitios de nucleación para los
cristales que contienen al menos un elemento extraño que se forman
fuera del metal fundido posteriormente añadido. Cuanto mayor sea el
tamaño de los cristales que contienen al menos un elemento extraño
más fácil relativamente es separarlos de los cristales de metal
purificado. Tanto los cristales de metal purificado como los
cristales que contienen al menos un elemento extraño pueden crecer
hasta tamaños mayores que 50 \mum y
hasta 200 \mum.
hasta 200 \mum.
Preferentemente, el metal fundido que contiene
uno o más elementos extraños se somete a un proceso de
cristalización fraccionada y una técnica de separación
sólido-líquido antes de que el metal fundido
restante se enfríe hasta una temperatura eutéctica para formar
simultáneamente cristales de metal purificado y cristales que
contienen al menos un elemento extraño. Sometiendo el metal fundido
que contiene uno o más elementos extraños a un proceso de
cristalización fraccionada y a una técnica de separación
sólido-líquido, se separa una gran cantidad de los
cristales de aluminio purificado del metal fundido restante antes de
que se enfríe hasta la temperatura eutéctica. Los cristales que
contienen uno o más elementos extraños que se forman a una
temperatura eutéctica no están encerrados en una matriz
cristalina, lo cual significa que se pueden formar cristales mayores
que contienen uno o más elementos extraños. Los cristales mayores
son más fáciles de separar usando una técnica de separación
sólido-sólido. Someter el metal fundido que contiene
uno o más elementos extraños a un proceso de cristalización
fraccionada y a una técnica de separación
sólido-líquido antes de que el metal fundido
restante se enfríe hasta una temperatura eutéctica también se puede
usar en situaciones donde la concentración de elemento(s)
extraño(s) en el metal fundido que se va a someter al método
de purificación de la reivindicación 1 sea inicialmente menor que
la solubilidad en sólido de (de los) elemento(s)
extraños(s) a una temperatura eutéctica. Después de la
formación y separación de los cristales de metal purificado, la
concentración de elementos extraños en el metal fundido restante
puede ser mayor que la solubilidad en sólido de (de los)
elemento(s) extraños(s) a temperatura eutéctica y se
pueden purificar entonces eficazmente por el método como el expuesto
en la reivindicación 1.
Someter el metal fundido que contiene uno o más
elementos extraños a un proceso de cristalización fraccionada y a
una etapa de separación sólido-líquido antes de que
el metal fundido restante sea enfriado hasta una temperatura
eutéctica se usa lo más preferentemente para un proceso no continuo
o por cargas.
El metal fundido que contiene uno o más
elementos extraños que queda después de la etapa de separación
sólido-sólido se somete preferentemente a un
proceso de cristalización fraccionada y a una técnica de separación
sólido-líquido. Esto incrementa adicionalmente la
pureza del producto.
Más preferentemente, el metal fundido que
contiene uno o más elementos extraños que queda después de la
técnica de separación sólido-líquido se enfría
después hasta una temperatura eutéctica para formar simultáneamente
cristales de metal purificado y cristales que contienen al menos un
elemento extraño, y en ese al menos alguno de los cristales que
contienen al menos un elemento extraño se separan después de los
cristales de metal purificado usando una técnica de separación
sólido-sólido. Esto disminuye más la cantidad de
subproducto generado por el proceso.
La tabla 1 muestra la ventaja teórica obtenible
cuando la presente invención se usa para purificar 100 kg de
aluminio fundido que contiene 0,5% en peso de Fe en comparación con
usar cristalización fraccionada para purificar el aluminio.
Como se puede ver de la tabla 1, el método de la
presente invención tiene como resultado una mayor cantidad de
producto purificado de cristales de metal purificado que el método
de cristalización fraccionada (es decir, 99 kg en comparación con
76 kg), aunque el contenido de Fe en los cristales de metal
purificado es el mismo en ambos métodos. Cuando se usa el método de
cristalización fraccionada, el subproducto contiene mucho más
aluminio que el subproducto generado cuando se usa el método de la
presente invención.
Tanto los cristales de metal purificado
obtenidos usando cristalización fraccionada como el método de la
invención pueden contener tan poco como 0,05% en peso de Fe, porque
ésta es la solubilidad en sólido de Fe en el aluminio a la
temperatura eutéctica. No obstante, cuando se usa el método de
cristalización fraccionada, la cantidad máxima de hierro que puede
estar presente en el subproducto líquido es 1,9% en peso, porque
ésta es la concentración eutéctica de hierro en aluminio. Cuando se
usa el método de la invención, el subproducto obtenido puede
contener teóricamente hasta 41% en peso de Fe, que es la
concentración de hierro en los compuestos intermetálicos Al_{3}Fe
que se forman.
La tabla 2 muestra la ventaja obtenida cuando se
usa la presente invención para purificar 100 kg de aluminio fundido
que contiene 3,0% en peso de Fe en comparación con usar separación
de cristales que contienen al menos un elemento extraño para
purificar el aluminio.
Como se puede ver de la tabla 2, cuando el metal
fundido suministrado es de composición hipereutéctica, el método
según la presente invención da menos producto (93 kg por 100 kg en
comparación con 97 kg), pero el contenido de hierro en los
cristales de aluminio purificado puede ser considerablemente menor
que la cantidad mínima de hierro en el producto de aluminio fundido
que es alcanzable cuando se usa el método de separación de
elementos extraños. Por lo tanto, en conjunto, el método de la
presente invención da un producto más valioso económicamente aunque
la cantidad mínima de subproducto alcanzable es mayor que la
alcanzable usando el método de separación de elementos extraños.
Cuando se separan los elementos extraños, la pureza máxima obtenible
del producto es aproximadamente igual a la concentración eutéctica
de hierro en aluminio, es decir, 1,9% en peso de Fe.
La presente invención también se puede usar con
sistemas ternarios, por ejemplo, aluminio que contiene tanto Fe
como Si.
El siguiente ejemplo considera 100 kg de
aluminio que contiene 0,5% en peso de Fe y 0,5% en peso de Si. Los
siguientes resultados se obtienen usando software Factsage^{TM} y
la base de datos de datos de Al Thermotech. Se supone equilibrio a
todas las temperaturas.
Se considera la solidificación del metal desde
el estado completamente fundido a 660ºC hasta el estado
completamente solidificado a 600ºC. Los cristales de aluminio
purificado (Al-fcc) empiezan a formarse a 655,8ºC.
Estos cristales contienen inicialmente 0,01% en peso de Fe y 0,05%
en peso de Si y son claramente mucho más puros que el líquido.
La solidificación del Al_{3}Fe comienza a
644,9ºC. Éste es el comienzo del intervalo de temperaturas referido
en la presente solicitud como eutéctico. A 644,9ºC, los cristales de
aluminio purificado contienen 0,04% en peso de Fe y 0,16% en peso
de Si. La cantidad de Fe y Si en los cristales de aluminio
purificado ha aumentado porque una cantidad considerable (76 kg) de
aluminio que no contiene virtualmente Fe o Si ya se ha separado
solidificada del metal fundido que se ha vuelto más impuro y que
contiene 1,9% en peso de Fe y 1,6% en peso de Si.
Cuando la solidificación de Al_{3}Fe comienza
a 644,9ºC, los cristales de Al_{3}Fe contienen 40,8% en
peso de Fe y 0,25% en peso de Si. Se pueden considerar altamente
impuros en Fe y la invención pretende separar tales cristales de
los cristales de aluminio purificado. A justo por encima de 630,6ºC,
los cristales de Al_{3}Fe todavía contienen 40,8% en peso de Fe
pero el contenido de Si ha aumentado hasta 0,7% en peso. Los
cristales de aluminio purificado contienen 0,04% en peso de Fe y
0,4% en peso de Si en esta etapa que es aún más puro que el
aluminio fundido original.
Entre las temperaturas de 644,9ºC y 630,6ºC se
forman otros 20,5 kg de cristales de aluminio purificado. La
cantidad total de cristales de aluminio purificado es 96,5 kg. El
metal líquido restante solo constituye 2,5% en peso del
sistema.
\newpage
A 630,6ºC, empieza a formarse otro cristal de
AlFeSi-\alpha. Estos cristales contienen 19% en
peso de Fe y 10% en peso de Si y son, por tanto, altamente impuros.
La separación de estos cristales de los cristales de aluminio
purificado también tiene como resultado por tanto la purificación.
Durante esta etapa de cristalización, la temperatura no cambia y, a
este respecto, la solidificación se comporta como la solidificación
de un metal puro, es decir, en un punto de solidificación, o un
metal binario eutéctico. Este punto es el punto eutéctico ternario.
En este punto sobre un intervalo de temperatura cero solidifica el
2,5% en peso restante de la masa.
Lo anterior se resume en la tabla 3.
Asumiendo por sencillez que los subproductos se
puedan separar completamente de los cristales de aluminio
purificado, la tabla 4 muestra el resultado neto del proceso.
En un procedimiento por cargas llevado a cabo
según la invención, a menos que se hagan provisiones especiales,
entonces el 75% en peso del aluminio sólido que se forma entre
655,8-644,9ºC formará una matriz sólida en la que
no es posible el movimiento de líquido turbulento. Después de
enfriamiento adicional, el subproducto de cristales que contienen
Fe o Fe y Si serán cristales muy pequeños. Los cristales pequeños
son más difíciles de separar de los cristales de aluminio
purificado.
No obstante, los cristales de aluminio
purificado formados entre 655,8-644,9ºC se pueden
separar del aluminio fundido, por ejemplo, por cristalización
fraccionada y una etapa de separación
sólido-líquido. El aluminio fundido restante estará
entonces muy próximo al valle eutéctico. Con todos los cristales
separados del aluminio fundido, la solidificación eutéctica
adicional de dos fases no está confinada geométricamente en una
matriz cristalina lo que significa que se pueden formar cristales
mayores. Éste es particularmente el caso cuando se agita el
líquido. La formación de cristales mayores significa que cristales
que contienen al menos un elemento extraño, por ejemplo, Fe, que
son más densos que el aluminio se pueden separar selectivamente del
aluminio fundido dejando una lechada de líquido eutéctico y
cristales purificados de aluminio. La lechada se puede separar
después usando una técnica de separación
sólido-líquido mientras que el líquido eutéctico
restante se puede recircular al cristalizador.
El procedimiento también se puede llevar a cabo
continuamente en un cristalizador continuo que comprende, por
ejemplo, un recipiente de enfriamiento. El aluminio fundido que
contiene uno o más elementos extraños, se enfría hasta una
temperatura eutéctica en el recipiente para formar simultáneamente
cristales de aluminio purificado y cristales que contienen al menos
un elemento extraño. La fracción sólida del contenido del recipiente
se mantiene sustancialmente en, por ejemplo, 10%. Tan pronto como
la fracción sólida se hace mayor que 10%, se reduce el
enfriamiento, y tan pronto como la fracción sólida cae por debajo de
10%, se aumenta el enfriamiento. Simultáneamente, los cristales de
aluminio purificado y los cristales que contienen al menos un
elemento extraño se separan del aluminio fundido a una velocidad
que iguala la velocidad de formación. Los cristales se forman de
acuerdo con el balance de masa dado en la tabla 4 anterior. Esto
significa que, aunque la composición en el recipiente sea eutéctica
y permanezca eutéctica, la composición de la entrada continua de
aluminio fundido que contiene elemento(s) extraño(s)
determina cuanto producto y subproducto se forman.
Debería notarse que, dentro del intervalo de
temperatura eutéctica bastante grande, se pueden hacer otras
elecciones para optimizar el tamaño, la forma y la composición del
subproducto.
Los cálculos anteriores muestran que a partir de
100 kg de aluminio que contiene 0,5% en peso de Fe y 0,5% en peso
de Si, la invención da un rendimiento potencial muy alto de 98,64 kg
de producto que contiene sólo 0,04% en peso de Fe y con un
contenido de Si ligeramente reducido de 0,4% en peso.
El producto de aleación de aluminio obtenido que
contiene 0,04% en peso de Fe y 0,4% en peso de Si se puede
purificar adicionalmente por medio de al menos una etapa de
cristalización fraccionada que también da un residuo líquido que es
casi eutéctico y se puede usar en el procedimiento de la presente
invención.
La invención se ilustrará ahora con referencia a
las siguientes representaciones esquemáticas de la invención en las
figuras 1 a 3.
En la figura 1, el número de referencia 1 indica
el suministro de un metal que contiene al menos un elemento
extraño, preferentemente en forma fundida, a un primer recipiente de
proceso 2. En el recipiente de proceso 2, el metal fundido se
enfría hasta la temperatura eutéctica para formar simultáneamente
cristales de metal purificado y cristales que contienen al menos un
elemento extraño. El número 3 indica el suministro de metal fundido
que contiene cristales de metal purificado y cristales que contienen
al menos un elemento extraño a otro recipiente de proceso 4, en el
que el metal fundido que contiene los cristales de metal purificado
y cristales que contienen al menos un elemento extraño se separa en
múltiples fracciones, que contienen diversas concentraciones de los
cristales que contienen al menos un elemento extraño. La separación
del metal fundido que contiene los cristales de metal purificado y
cristales que contienen al menos un elemento extraño en múltiples
fracciones se puede llevar a cabo en el mismo recipiente en el que
se produce la cristalización. La separación se puede llevar a cabo
usando una centrífuga que mueve selectivamente los cristales que
contienen al menos un elemento extraño y los cristales de metal
purificado debido a su diferencia en densidad, o usando un campo
electromagnético que mueve selectivamente los cristales que
contienen al menos un elemento extraño y los cristales de metal
purificado debido a la diferencia en la conductividad entre ellos, o
usando una técnica de flotación que mueve selectivamente los
cristales que contienen al menos un elemento extraño y los cristales
de metal purificado debido a sus diferentes afinidades por las
burbujas de gas. El número 5 indica la separación del metal fundido
que comprende una menor concentración de los cristales que contienen
al menos un elemento extraño y una mayor concentración de los
cristales de metal purificado. El metal fundido se puede suministrar
como un producto final o, por otra parte, los cristales de metal
purificado se pueden separar del metal fundido en la etapa de
proceso 8 y suministrar como un producto final 9 mientras que el
metal fundido 10 se reintroduce en el primer recipiente de proceso
2. Reciclar el metal fundido tiene como resultado la ventaja de que
se minimizan los subproductos del proceso. El número 6 indica el
transporte del metal fundido o sólido que comprende una mayor
concentración de los cristales que contienen al menos un elemento
extraño a un tercer recipiente de proceso 7 en el que la mayor
parte de los cristales que contienen al menos un elemento extraño se
separan del metal fundido usando, por ejemplo, filtración o
centrifugación o se pueden separar de otra forma del metal una vez
solidificado. El metal fundido restante 10' se puede considerar como
producto final o se puede reintroducir en el primer recipiente de
proceso 2 si la cantidad de cristales que contienen al menos un
elemento extraño que queda en el metal fundido se considera que es
demasiado alta. Reciclar
el metal fundido también tiene como resultado la ventaja de que se minimizan los subproductos 25 del proceso.
el metal fundido también tiene como resultado la ventaja de que se minimizan los subproductos 25 del proceso.
El número 11 en la figura 2 indica el suministro
de un metal que contiene al menos un elemento extraño,
preferentemente en forma fundida, a un primer recipiente de proceso
12. En el recipiente de proceso 12, el metal fundido se enfría a la
temperatura eutéctica para formar simultáneamente cristales de metal
purificado y cristales que contienen al menos un elemento extraño.
La mayoría de los cristales de metal purificado y cristales que
contienen al menos un elemento extraño se separan posteriormente
sustancialmente de forma simultánea de sustancialmente la cantidad
total de metal fundido. El número 13 indica el transporte de los
cristales de metal purificado y los cristales que contienen al
menos un elemento extraño que han sido separados de sustancialmente
la cantidad total del metal fundido. Los cristales de metal
purificado y cristales que contienen al menos un elemento extraño
se separan entre sí en la etapa de proceso 15. La etapa de proceso
15 puede comprender añadir la mezcla de cristales de metal
purificado y cristales que contienen al menos un elemento extraño a
sal fundida con una densidad específica entre la de las densidades
específicas de los cristales de metal purificado y los cristales
que contienen al menos un elemento extraño, de forma que alguno de
los cristales se hunda en la sal mientras que el resto flote sobre
la sal. El metal fundido 14 se puede considerar como el producto
final o se puede reciclar al recipiente de proceso 12 para formar
parte del metal que contiene al menos un elemento extraño en el
recipiente 12, ayudando por ello a minimizar los subproductos
generados por el proceso.
En la figura 3, el número 21 indica el
suministro de un metal que contiene al menos un elemento extraño,
preferentemente en forma fundida, a un recipiente de proceso 22. En
el recipiente de proceso 22, el metal fundido se enfría a la
temperatura eutéctica para formar simultáneamente cristales de metal
purificado y cristales que contienen al menos un elemento extraño.
El recipiente de proceso también puede contener una capa de sal
fundida en contacto con una capa del metal fundido que contiene
tanto los cristales de metal purificado como cristales que contienen
al menos un elemento extraño, y significa transportar
sustancialmente todos los cristales que contienen al menos un
elemento extraño a la capa de sal fundida. La capa de sal que
contiene sustancialmente todos los cristales que contienen al menos
un elemento extraño se puede separar entonces del metal fundido que
contiene los cristales de metal purificado, como se indica por el
número 23, y los cristales de metal purificado también se separan
del metal fundido como producto final, como se indica por el número
24. El metal fundido se puede retener en el recipiente de
proceso.
Claims (15)
1. Método para la purificación de un metal
fundido que contiene uno o más elementos extraños,
caracterizado porque el metal fundido se enfría hasta una
temperatura eutéctica para formar simultáneamente cristales de metal
purificado y cristales que contienen al menos un elemento extraño,
y porque al menos algunos de los cristales que contienen al menos
un elemento extraño se separan de los cristales de metal purificado
usando una técnica de separación sólido-sólido.
2. Método según la reivindicación 1, en el que
antes de la aplicación de la técnica de separación
sólido-sólido al menos algunos de los cristales de
metal purificado y los cristales que contienen al menos un elemento
extraño se separan sustancialmente de forma simultánea de
sustancialmente la cantidad total de metal fundido.
3. Método según la reivindicación 1 o 2, en el
que la técnica de separación sólido-sólido se
ejecuta separando los cristales de metal purificado y los cristales
que contienen al menos un elemento extraño en múltiples fracciones,
en el que la relación de la concentración de los cristales de metal
purificado y la concentración de los cristales que contienen al
menos un elemento extraño en una de las fracciones es mayor que la
relación de las mismas en el metal fundido.
4. Método según la reivindicación 1 o 2, en el
que al menos algunos de los cristales que contienen al menos un
elemento extraño se separan de sustancialmente la cantidad total de
metal fundido que contiene cristales de metal purificado.
5. Método según la reivindicación 3, en el que
la separación sólido-sólido se ejecuta usando fuerza
centrífuga.
6. Método según la reivindicación 3, en el que
la separación sólido-sólido se ejecuta usando un
campo electromagnético.
7. Método según la reivindicación 3, en el que
la separación sólido-sólido se ejecuta usando una
técnica de flotación.
8. Método según cualquiera de las
reivindicaciones 5, 6 o 7, que comprende adicionalmente una etapa de
separación sólido-líquido posterior.
9. Método según la reivindicación 4, en el que
una capa de sal se pone en contacto con una capa del metal fundido
que contiene tanto los cristales de metal purificado como los
cristales que contienen al menos un elemento extraño, y en el que
se usan medios para transportar al menos alguno de los cristales que
contienen al menos un elemento extraño a la capa de sal y al menos
algunos de los cristales de metal purificado se separan del metal
fundido.
10. Método según cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en el que el metal fundido es
aluminio.
11. Método según la reivindicación 10, en el que
el(los) elemento(s) extraño(s)
comprende(n) uno o más de hierro, silicio, cobre, manganeso
y magnesio.
12. Método según cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en el que los cristales de metal
purificado y los cristales que contienen al menos un elemento
extraño se forman y se separan continuamente.
13. Método según cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en el que el metal fundido que
contiene uno o más elementos extraños se somete a un proceso de
cristalización fraccionada y a una técnica de separación
sólido-líquido antes de que el metal fundido
restante se enfríe hasta una temperatura eutéctica para formar
simultáneamente cristales de metal purificado y cristales que
contienen al menos un elemento extraño.
14. Método según cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en el que el metal fundido que
contiene uno o más elementos extraños que queda después de la etapa
de separación sólido-sólido se somete a un proceso
de cristalización fraccionada y a una técnica de separación
sólido-líquido.
15. Método según la reivindicación 14, en el
que el metal fundido que contiene uno o más elementos extraños que
queda después de la técnica de separación
sólido-líquido se somete a un proceso según la
reivindicación 1.
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