ES2308464T3 - Procedimiento de tratamiento de aluminio en un horno rotatorio o de reverbero. - Google Patents

Abstract

Procedimiento de tratamiento de aluminio en un horno en el cual se introduce un material que contiene aluminio y eventualmente una o varias sales, se realiza la fusión de este material por aporte de calor con la ayuda de al menos un quemador alimentado de comburente y combustible, de forma que se pueda obtener aluminio fundido eventualmente recubierto de una escoria que comprende específicamente alúmina y al menos una sal, y se mide la concentración en monóxido de carbono CO y/o en hidrógeno H2 en la atmósfera del horno o en los vapores a la salida del horno, caracterizado porque el comburente que alimenta al menos un quemador contiene más de 10% volumen de oxígeno, de preferencia más de 21% vol. de oxígeno, y porque el procedimiento comprende una fase final de reducción de la oxidación del aluminio fundido durante la cual: - el flujo de comburente es sensiblemente constante mientras que el flujo de combustible inyectado en al menos un quemador es función de la concentración en monóxido de carbono y/o de hidrógeno en la atmósfera o los vapores, o - el flujo de combustible es sensiblemente constante mientras que el flujo de comburente inyectado en al menos un quemador es función de la concentración en monóxido de carbono y/o de hidrógeno en la atmósfera o los vapores, esta concentración en monóxido de carbono y/o en hidrógeno siendo regulada en un valor de consigna C2 comprendido entre 3 y 15% vol.

Description

Procedimiento de tratamiento de aluminio de un horno rotatorio o de reverbero.

La presente invención se relaciona con un procedimiento de tratamiento de aluminio en un horno en el cual se introduce al menos un material que contiene aluminio y eventualmente una o varias sales y/o escoria y/o desperdicios reciclados, se realiza la fusión de este material por aporte de calor con la ayuda de al menos un quemador alimentado con comburente y combustible, de forma que se obtenga aluminio fundido eventualmente recubierto de una escoria compuesta específicamente de alúmina, y se mida la concentración en monóxido de carbono y/o en hidrógeno en la atmósfera del horno o en los vapores a la salida del horno.

En el campo de la fusión del aluminio secundario, esta se realiza en un horno rotativo o en un horno conocido como de reverbero. Aunque este procedimiento de fusión puede ser continuo, la fusión es realizada las más de las veces de forma discontinua: los materiales son cargados en el horno, en uno o varios ciclos sucesivos antes de colar el metal fundido hacia su lugar de utilización. Para esto, el metal fundido debe tener una temperatura de aproximadamente 740ºC. Por encima de 750ºC, la velocidad de oxidación del aluminio fundido aumenta considerablemente, de manera casi exponencial.

Durante un ciclo de fusión, se puede al principio distinguir el periodo inicial, cuando los materiales están sólidos, que permiten la absorción de una gran cantidad de calor, la fusión del aluminio tiene lugar aproximadamente a 660ºC.

Cualquiera sea el horno utilizado, se comprueba la existencia de una escoria o de "desperdicios" en la superficie del metal líquido. Se distinguen habitualmente por un lado, los desperdicios llamados " negros" que son una mezcla de sales (en caso de que el procedimiento emplee sal), diferentes compuestos orgánicos residuales sólidos (hidrocarburos policíclicos aromáticos, hollines, ...) que provienen de la pirólisis de materiales orgánicos, y generalmente, no metálicos, presentes inicialmente en la carga, óxido de aluminio y aluminio atrapado en el óxido, y por otro lado, los desperdicios llamados "blancos", compuestos únicamente por óxidos de aluminio y aluminio, producidos en los hornos que tratan las cargas "limpias" constituidas exclusivamente por aleaciones metálicas destinadas a la fundición. Es de interés señalar que la producción de "desperdicios negros" va acompañada de la emisión en los vapores de grandes cantidades de compuestos orgánicos volátiles (COV), ricos en hidrocarburos no quemados.

Esta escoria o estos desperdicios encierran una cantidad de metal perdido u oxidado denominados "pérdidas en el fuego" que representan una pérdida de materia nada despreciable para el productor de aluminio y que conviene reducir al mínimo a fin de aumentar la rentabilidad del proceso de fusión. Se conoce que para reducir esta oxidación, se debe mantener la temperatura del baño de aluminio fundido en un valor inferior aproximado de 750ºC. Pero este método queda como empírico ya que los puntos calientes pueden aparecer en la superficie provocando oxidaciones localizadas.

Otras soluciones conocidas apuntan a evitar la oxidación reduciendo el contacto de la superficie del metal con un oxidante.

De esta forma, el documento JP 60121235 propone utilizar la medida de las cantidades en CO y en H_{2} contenidas en los vapores para asegurar que, sobre un horno de fusión de metales no-ferrosos, los quemadores instalados funcionan bajo-estequiometría en un intervalo de valores de la relación del flujo de oxidante al flujo de combustible que va de 95 a 100%, no siendo consumida una parte del combustible.

El documento EP 962 540 describe un procedimiento de combustión con vistas a la fusión de un metal en un horno, en el cual un gas rico en oxígeno es enviado al horno, por encima de la llama de un quemador, al contacto del metal líquido.

El quemador, al funcionar bajo-estequiometría, produce una llama reductora que forma una pantalla entre el gas rico en oxígeno y la superficie del metal fundido.

El documento US 5 563 903 describe un procedimiento mediante el cual un gas neutro o reductor forma una pantalla entre la superficie del metal aluminio fundido y una zona de combustión situada en la parte superior del horno.

El documento US 3 759 702 describe un procedimiento mediante el cual la fusión tiene lugar inicialmente al aire libre, con un quemador móvil por encima de la superficie de los materiales a fundir. La llama del quemador está ligeramente bajo-estequiometría, es por tanto reductora.

Todos estos métodos dan resultados aproximados y son aplicados durante toda la duración de la fusión y no solamente cuando existe un riesgo de oxidación del aluminio.

En la actualidad, existe una necesidad de definir un procedimiento de tratamiento del aluminio que sea aplicable aún y cuando la primera fase no engendre desperdicios "negros" y por tanto fuertes emisiones de COV, limitando completamente la oxidación del aluminio a lo largo de la fase final del procedimiento.

El procedimiento según la invención permite solucionar el problema y reducir la formación de óxidos de aluminio.

Está caracterizado por que el comburente que alimenta al menos un quemador está compuesto por más de 10% vol. de oxígeno, se prefiere al menos 21% vol. O_{2}, y porque el procedimiento comprende una fase final de reducción de la oxidación del aluminio durante la cual el flujo de comburente es sensiblemente constante mientras que el flujo de combustible inyectado en al menos un quemador depende de la concentración en monóxido de carbono y/o en hidrógeno en la atmósfera o los vapores, o vice-versa (es decir que el flujo de combustible es sensiblemente constante y el flujo de comburente depende de la concentración en CO y/o H_{2} comprendido en los mismos límites que los definidos a continuación), esta concentración en monóxido de carbono y/o en hidrógeno está comprendida entre 3% vol. y 15% vol. (por vice-versa, se entiende la posibilidad según la cual el flujo de combustible es constante y donde el flujo de comburente depende de la concentración en CO y/o H_{2}).

De preferencia, el comburente comprende más de 88% vol. en O_{2}, de preferencia más de 95% vol. en O_{2}. Más preferiblemente el comburente es el oxígeno industrialmente puro.

El combustible puede ser un hidrocarburo cualquiera o un fuel-oil ligero o pesado (con un sistema de pulverización del fuel-oil adaptado en el quemador): de preferencia se utiliza el gas natural, el metano, el propano, etc.... La relación volumétrica oxígeno sobre combustible se mantiene entre 1 y 5, de preferencia entre 1,5 y 3.

Según una variante de la invención, la concentración en CO y/o H_{2} se mantiene sensiblemente constante durante toda esta fase de reducción de oxidación en un valor comprendido entre 6% y 10% vol. (el valor de consigna C2 durante esta fase final será entonces de preferencia fijado en un valor comprendido en este intervalo).

En general, la fase de reducción de oxidación está precedida por una fase de combustión de los COV durante la cual casi todos los productos orgánicos presentes en el material son destruidos por pirólisis, seguida eventualmente (pero no necesariamente) por una fase de estabilización.

De preferencia, la fase de combustión de los COV se termina cuando el valor de la razón R de los flujos volumétricos respectivamente de oxígeno contenido en el comburente y de combustible a lo largo de esta fase, se haga inferior a un valor umbral S, definido a continuación. En general, a fin de librarse de fluctuaciones pasajeras, se mantendrán las condiciones de esta fase de combustión de hidrocarburos aún durante un tiempo \Deltat (comprendido entre 5% y 20% de la fase de combustión de hidrocarburos considerada) de forma que se pueda confirmar el paso de un valor de R < S, antes de pasar a la segunda etapa cambiando el valor de consigna (que pasa de un valor C1 a un valor C2) del CO medido en el horno o los vapores (teniendo en cuenta fluctuaciones posibles de las variaciones de la concentración en CO, como se ejemplifica en la fig. 2, por ejemplo). Esta fase de tiempo \Deltat se denominará en lo adelante fase de detección.

Según un modo preferencial de la invención, el procedimiento comprenderá dos fases (que pueden repetirse en varias ocasiones antes de la colada del aluminio líquido) eventualmente separadas por una fase de detección generalmente corta, destinada a garantizar que la destrucción de los productos orgánicos sea completa.

De preferencia, durante la primera fase, la concentración en CO en la atmósfera del horno y/o de los vapores, estará comprendida entre 0,1% vol. y 5% vol. (valor de consigna C1). El límite inferior se determinó de forma tal que se tuviera más de 1000 ppm de oxígeno en los vapores (o la atmósfera).

En general, se comprobó que un valor de CO del orden de 0,5% vol. era el apropiado. Durante esta primera fase, el objetivo que se persigue es obtener la menor cantidad posible de CO en la atmósfera, es decir, ajustar el valor de consigna C1 de la concentración en CO al valor más débil posible en el intervalo 0,1 a 5% vol., siempre conservando una atmósfera no oxidante en el horno.

Cuando no existe un control, la concentración en CO y/o H_{2} se encuentra fuera del valor de consigna C1 escogido arriba. Por el contrario, durante la fase final, la concentración en H_{2} y/o CO (cuando no se ha aplicado la invención) es inferior al valor de consigna C2, y uno de los objetivos de la invención es aumentar esta concentración.

Así en la fase inicial, es conveniente por lo general gracias a la regulación del valor de consigna C1, disminuir esta concentración en CO y/o H_{2}, mientras que en la fase final, la regulación en el valor de consigna C2, aumentar la concentración en CO y/o H_{2}.

El paso de una fase a la otra se basa según la invención, en la detección de una variación durable de la razón R ((flujo volumétrico de oxígeno)/(flujo volumétrico de combustible) = R) pasando de un valor superior del umbral S a un valor inferior del umbral S.

El umbral S de la razón R se define por dos pruebas previas en el horno donde se llevará a cabo la invención, de la forma siguiente:

- se fija el valor de consigna C1 en el cual se va a regular la concentración en CO en los vapores y/o la atmósfera (gracias a una variación de la razón R) en el valor lo más débil posible para el horno de prueba, su carga (habitual) y el detector de CO utilizado (generalmente un diodo láser según la invención). Este valor es con frecuencia del orden de 0,1% vol. En el horno que tiene una carga tal como la tratada habitualmente, se regula el valor de CO sobre este valor de consigna muy bajo: la razón de flujos volumétricos oxígeno/combustible va a estabilizarse después de un periodo de tiempo. La razón R en la cual se obtiene esta estabilización será el umbral S definido anteriormente.

Así, en el procedimiento según la invención, se realiza durante la primera fase (de combustión de los compuestos orgánicos volátiles COV) una regulación del CO y/o H_{2} alrededor de un valor de consigna comprendido entre 0,1% vol. y 5% vol. (0,5% es con frecuencia el apropiado) y se mide la razón R definida arriba. Cuando R disminuye y se hace inferior a S, se continúa regulando, en general, sobre el valor de consigna C1, luego de algunos instantes (después de asegurarse que se ha cambiado de fase totalmente, o sea, que todos los COV fueron quemados) se cambia el valor de consigna por un nuevo valor de consigna C2, comprendido entre 3% y 15% vol., preferiblemente entre 6 y 10% vol., comienzo de la fase final durante la cual la razón R va a mantenerse inferior a S hasta la colada del metal líquido.

Es posible, a la inversa después de una cierta duración en la fase final, reintroducir residuos de aluminio (... latas, etc....) para que se vuelva a engendrar una fase inicial durante la cual se regulará nuevamente el valor de consigna C1, y luego como anteriormente regular el valor de consigna C2.

Según una variante de la invención que comprende solamente de una fase final (carga limpia sin emisión de COV), se realiza una regulación directamente sobre un valor C2, comprendido entre 3% y 15% vol. de CO, valor C2 superior a la concentración en CO en el mismo horno con la misma carga, cuando no hay una regulación sobre un valor de consigna por el CO y/o el H_{2}.

La fase de reducción de oxidación del aluminio se termina por reintroducción en el horno de una nueva carga de material que contiene aluminio, o bien por la colada de aluminio líquido hacia su punto de utilización.

El material que contiene aluminio en el marco de la invención podrá ser específicamente, por ejemplo el aluminio en lingote, virutas de piezas torneadas de aluminio, latas de bebidas, conservas, desechos, residuos de producción, desperdicios, escoria que contiene aluminio, y de manera general todo material que contenga aluminio. Por supuesto, la invención se aplica igualmente a los hornos de conservación a temperatura de aluminio líquido.

La invención será mejor comprendida con la ayuda de los ejemplos de realización siguientes, que aparecen como ejemplos no limitativos, conjuntamente con las figuras que representan:

- la figura 1, una vista esquemática de un horno con un solo quemador representado, el análisis de los vapores y el control del quemador;

- la figura 2, un diagrama explicativo de las fases I y II de un procedimiento según la invención;

- la figura 3, una gráfica que explica las variaciones de (CO) en función del tiempo ilustrando las fases (o sub-fases) del procedimiento según la invención;

La figura 1 es una vista esquemática de un horno 1 (visto en corte) y del sistema de control según la invención.

Un quemador 10 crea una llama 2 que calienta y funde el metal 3, en forma líquida. Los vapores 4 emanan del horno 1 y como resultado de la combustión, específicamente del quemador son evacuados por el conducto 18, en el cual se sitúan los detectores 5 y 6 (conocidos en sí) de CO y/o H_{2} respectivamente permitiendo medir la concentración en CO y/o H_{2} en dichos vapores. La señal emitida de cada uno de los detectores 5 y 6 se trasmite por medio de la línea de conexión a un grupo de control 8 cuyo funcionamiento será explicado a continuación. El quemador 10 es alimentado respectivamente en comburente 13 y combustible 14 por medio de válvulas comandadas (debímetros de masa, por ejemplo) respectivamente 12 y 11 permitiendo liberar un flujo adaptado de comburente y de combustible al quemador. Este flujo es comandado por el dispositivo de control 8, por medio de la línea de conexión 15. Las líneas de conexión 17 y 16 trasmiten la medida de la apertura de las válvulas 12 y 11 en el sistema de control 8, que recibe igualmente una información de temperatura del metal fundido 3 por medio de un sensor. El sistema de control 8 comprende una regulación del punto de consigna de la concentración en CO (y/o H_{2}), que puede ser modificado en función del tiempo, específicamente para pasar del valor C1 al valor C2.

Si la medida de la concentración en CO y/o H_{2} trasmitida por los sensores 5 y/o 6 al dispositivo de control 8 es superior o inferior a dicho punto de consigna, este engendra una señal de comando a través de la conexión 15 en las válvulas comandadas 12 y 11 que regulan la inyección de comburente 13 y de combustible 14 para obtener una reducción o un aumento de la concentración en monóxido de carbono y/o hidrógeno en los vapores.

En la figura 2 se representan las variaciones típicas de la razón R (el flujo de comburente o preferiblemente el flujo de combustible se mantiene constante) y las variaciones de la concentración de CO y/o H_{2} en los vapores en el marco de la gestión de dos fases del ciclo de fusión descrito anteriormente. Durante la fase I, la consigna de CO y/o H_{2} está fijada en el valor C1 comprendido entre 0,1% y 5% vol. mientras que en la fase II, esta consigna es regulada en el valor C2 sensiblemente elevada, entre 3% y 15% con todos los casos en un mismo ciclo sucesivo de fases I y II C1 \neq C2 y C1 < C2 (si se tenía C1=C2, entonces se tendría una sola fase). Al comienzo de la fusión, a fin de someter el CO y/o H_{2} a la consigna, el regulador aumenta el valor de la razón R a fin de proporcionar en exceso el comburente para quemar los COV. La producción de COV por la carga y su combustión alcanza un máximo y luego disminuye para hacerse nulo al final de la fase I. La razón R sigue esta tendencia pasando por un máximo señalado como R_MAX antes de decrecer en la fase I. Si se tiene en cuenta la consigna C1, cuando los COV son casi completamente consumidos, la razón R sobrepasa necesariamente y definitivamente el umbral S, definido anteriormente, antes de alcanzar un mínimo, destacado como R_MIN. Cuando la razón R alcanza el umbral S, queda en efecto una cantidad pobre de COV en la carga que engendra un nivel de CO y/o H_{2} inferior a la consigna C1. A partir de este instante, el regulador controla la razón R disminuyéndola en primer lugar (producción de CO y/o H_{2} por el quemador), a fin de compensar la diferencia con relación a esta consigna C1. Todos los COV son quemados cuando la razón se convierte en R_MIN. Es entonces el momento de cambiar la estrategia de control porque comienza la fase II. La invención consiste en utilizar el instante t1 del encuentro con el umbral S acoplado a un tiempo de detección \Deltat comprendido entre 5% y 20% de la fase I de fusión considerada (que se termina en el instante t1) para engendrar un cambio de estrategia de control, en el instante t2 definido por t2=t1 + \Deltat. En este instante, el valor de consigna pasa a ser igual a C2.

Según una variante de la invención, se puede detectar, a la inversa, la introducción de nuevos materiales en el horno y alternar, de la fase de limitación de la oxidación a la de combustión de los COV. Como en efecto, si se considera una carga de aluminio durante la fase II, hay un escape de COV ligado a una carga y el regulador controla la razón R al aumentarla (disminución de la producción de CO y/o H_{2} por el quemador), a fin de compensar la diferencia con relación a esta consigna C2. Igualmente, la razón R sobrepasa el umbral S en un instante t3 dado, indicando que el procedimiento físico está en la fase I, así el cambio de estrategia de control, comandado por el indicador, tiene lugar en el instante t4 definido por t4 = t3 + \Deltat. En este instante t4, la consigna vuelve entonces al valor C1 definido arriba. Para el grupo de control del procedimiento, el final de la fase II es entonces el instante t4.

Ejemplo de realización

En un horno rotativo equipado con un quemador de 13 MW, se realiza la carga de 27 toneladas de sal y 27 toneladas de desechos de aluminio, se calienta la carga hasta consumir 2550 Nm^{3 }de gas natural, luego se cargan nuevamente 65 toneladas de desechos de aluminio (en este ejemplo son latas de bebidas) y se calienta la carga hasta consumir 850 Nm^{3 }de gas natural suplementario. Posteriormente, se vuelven a cargar 35 toneladas de desechos de aluminio (virutas de piezas torneadas de aluminio) y se calienta la carga hasta consumir 1350 Nm^{3} de gas natural suplementario, luego se realiza la colada de 99 toneladas de aluminio, se procede entonces a un recalentamiento de sales y desperdicios presentes en el horno hasta el consumo total de 5500 Nm^{3} de gas natural. Más tarde, se procede a colar el aluminio restante en el horno: 9 toneladas de aluminio.

En la figura 3 están representadas las variaciones del CO medido en los vapores y las de la razón R, definida con anterioridad, durante la fusión de las dos cargas de aluminio descritas arriba. Por encima de estas curvas, se observa claramente el efecto de la carga automática de estrategia. Como en efecto, el indicador según la invención monitorea el cambio de fase en medio de la fusión en el instante t2 ya que la primera carga está constituida por latas de bebidas recubiertas de pintura, por tanto con gran carga de compuestos orgánicos. Por otra parte, durante la fusión de la segunda carga, menos rica en compuestos orgánicos (virutas de piezas de aluminio torneadas), el indicador controla el cambio de fase en t'2 poco después del comienzo de la fase, optimizando de esta forma la puesta en marcha de la estrategia de control adaptada a la fase II. Este indicador permite disminuir las pérdidas por oxidación cualquiera sea el tipo de carga en la entrada al horno como lo muestra la tabla a continuación:

1

Claims (11)

1. Procedimiento de tratamiento de aluminio en un horno en el cual se introduce un material que contiene aluminio y eventualmente una o varias sales, se realiza la fusión de este material por aporte de calor con la ayuda de al menos un quemador alimentado de comburente y combustible, de forma que se pueda obtener aluminio fundido eventualmente recubierto de una escoria que comprende específicamente alúmina y al menos una sal, y se mide la concentración en monóxido de carbono CO y/o en hidrógeno H_{2} en la atmósfera del horno o en los vapores a la salida del horno, caracterizado porque el comburente que alimenta al menos un quemador contiene más de 10% volumen de oxígeno, de preferencia más de 21% vol. de oxígeno, y porque el procedimiento comprende una fase final de reducción de la oxidación del aluminio fundido durante la cual:

-

el flujo de comburente es sensiblemente constante mientras que el flujo de combustible inyectado en al menos un quemador es función de la concentración en monóxido de carbono y/o de hidrógeno en la atmósfera o los vapores, o

-

el flujo de combustible es sensiblemente constante mientras que el flujo de comburente inyectado en al menos un quemador es función de la concentración en monóxido de carbono y/o de hidrógeno en la atmósfera o los vapores,

esta concentración en monóxido de carbono y/o en hidrógeno siendo regulada en un valor de consigna C2 comprendido entre 3 y 15% vol.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el comburente comprende más de 88% vol. en O_{2}, de preferencia más de 95% vol. en O_{2}.

3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el comburente es el oxígeno industrialmente puro.

4. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el combustible se escoge entre el gas natural, los hidrocarburos, el fuel oil ligero o pesado.

5. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque la relación volumétrica oxígeno sobre combustible se mantiene entre 1 y 5, de preferencia 1,5 y 3.

6. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque la concentración en monóxido de carbono y/o en hidrógeno se mantiene sensiblemente constante durante toda esta fase de reducción de oxidación en un valor C2 comprendido entre 3% y 15%, de preferencia 6 a 10% vol.

7. Procedimiento según las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque la fase de reducción de oxidación es precedida por una fase de combustión de los hidrocarburos durante la cual sensiblemente todos los productos orgánicos presentes en el material son destruidos por pirólisis.

8. Procedimiento según la reivindicación 7, caracterizado porque la fase de combustión de los hidrocarburos es considerada como terminada cuando el valor medido de la razón R del flujo volumétrico de oxígeno dividido por el flujo volumétrico de combustible se hace inferior a un valor S predeterminado.

9. Procedimiento según las reivindicaciones 7 y 8, caracterizado porque una fase de estabilización se desarrolla con una concentración CO y/o H_{2} medida regulada sobre el valor de consigna C1, esta fase se termina cuando la razón R alcanza su mínimo.

10. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque la fase de reducción de oxidación del aluminio se termina por reintroducción en el horno de una nueva carga de material que contiene el aluminio.

11. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado por que la medida de CO se realiza con la ayuda de un diodo láser.