ES2938647B2 - Proceso de preparación de una aleación de aluminio - Google Patents
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Description
DESCRIPCIÓN
Proceso de preparación de una aleación de aluminio
La presente invención se refiere a procedimiento de preparación de aleaciones de aluminio a partir de materia reciclada, en particular de latas de aluminio y de masa negra procedente de las pilas alcalinas. Por tanto, la invención se engloba dentro del campo del reciclado de residuos y su reutilización como materias primas.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Las aleaciones de aluminio son muy comunes en cualquier ámbito de la vida cotidiana. Por ejemplo, la aleación Al-Zn-Mg tipo AA7040, es ampliamente utilizada en estructuras de fuselajes de aviones, concretamente la parte superior de las alas en las que se precisa una gran resistencia, equipos móviles y piezas sujetas a altas tensiones de trabajo en la industria aeroespacial.
También se usa en aplicaciones deportivas de alto nivel, como platos y piñones de bicicletas (Mountain Bike y de Carrera) y para bastones de esquí usados en competición, siendo la aleación AA7040 la más usada debido a su ligereza y buena flexibilidad aun a bajas temperaturas.
Dentro de la familia 7xxx de las aleaciones Al-Zn-Mg existe un tipo, denominada AA7040, que se emplea para fabricar piezas que requieren buena resistencia y estabilidad dimensional. Esta aleación, junto con otras de aluminio, son denominadas de endurecimiento estructural, y sus características mecánicas dependen de tratamientos térmicos. Se obtienen según la secuencia de los siguientes tratamientos térmicos:
- Puesta en solución: consiste en disolver los elementos de la aleación que se encuentran en fases separadas en el metal base, manteniendo el conjunto a temperatura elevada (~ 400 °C).
- Temple: se trata de un enfriamiento muy rápido del metal, realizado generalmente por inmersión o ducha en agua fría a la salida del horno. La velocidad de temple es el parámetro del que dependen numerosas propiedades de la aleación. - Maduración o revenido: consiste en la vuelta al equilibrio, dando lugar al endurecimiento estructural. Puede realizarse de dos formas: por maduración a
temperatura ambiente con reposo de varias horas o por revenido, calentando varias horas a una temperatura de 150 °C aproximadamente.
A este grupo pertenecen las aleaciones de aluminio con zinc, en cantidades promedio del 1% al 8% y cuando se combina con un porcentaje menor de magnesio, puede tratarse térmicamente para lograr un alto nivel de resistencia. Por lo regular, a este tipo de aleación se les añade, también cromo, zirconio y titanio en cantidades que no sobrepasan el 0,25% para aumentar la templabilidad de la aleación, como ejemplo la AA7040 que es una variante de la 7040, la cual reemplaza a esta última en especial cuando se necesita espesores por encima de 80mm.
Para la preparación de estas u otras aleaciones de interés industrial se conocen estudios de procedimientos para fabricación de aleaciones de Al a partir de pilas alcalinas en las que se separan los electrodos manualmente. En concreto, la reducción aluminotérmica de los óxidos de Zn y Mn provenientes de los ánodos y los cátodos de pilas alcalinas descargadas es posible, y ya ha sido previamente estudiada por separado para producir aleaciones Al-Mg-Zn y Al-Mn (Rocío Ochoa Palacios, «Utilización de electrodos de baterías alcalinas descargadas como materia prima en la elaboración de aleaciones Al-Zn-Mn», Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional (Cinvestav), Ramos Arizpe, Coahuila, 2009). Sin embargo, la separación de los electrodos a escala industrial resulta complicada porque la separación de ánodo y cátodo se realiza manualmente. Este proceso para el reciclado de pilas no es viable y, por lo tanto, no explotado comercialmente.
A escala industrial, las pilas alcalinas se trituran antes del proceso de reciclado de las fracciones en sí. Tras la molienda, se realiza una separación de las tres fracciones sólidas obtenidas: metal, papel y masa negra. La fracción denominada masa negra está constituida principalmente por óxidos de Zn y Mn. La separación química de estos óxidos implica procesos piro o hidrometalúrgicos que, o tienen un consumo energético muy elevado en relación con las materias primas recuperadas (sólo ZnO en los procesos pirometalúrgicos), o están económicamente comprometidos por los elevados costes de proceso (hidrometalúrgicos).
Por ello, se hace necesario el desarrollo de un procedimiento de preparación de aleaciones de aluminio a partir del reciclado de materiales como las pilas alcalinas
evitando el paso de separación de sus óxidos.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La presente invención proporciona un procedimiento alternativo de reducción aluminotérmica de los óxidos de zinc y manganeso contenidos en la masa negra, para la preparación de aleaciones Al-Zn-Mn de características similares a las existentes actualmente en el mercado, concretamente series 7xxx, a partir de dos materias primas secundarias o residuos: chatarra de aluminio proveniente de latas de bebida y la fracción denominada masa negra procedente del reciclado de pilas alcalinas, rica en zinc y manganeso.
Esta invención constituye una vía alternativa a la habitual de fabricación de este tipo de aleaciones, innovadora y única, evitando el empleo de zinc y manganeso de alta pureza y proveniente de fuentes naturales lo que, inevitablemente, provoca una sobreexplotación de los recursos naturales. El aluminio también proviene de un residuo, por lo que se consigue disminuir el impacto ambiental en la preparación de este tipo de materiales, a la par que se aumenta la eficiencia de reciclaje de los productos de los que proceden ambas materias primas secundarias: pilas alcalinas y latas de bebidas.
Por tanto, las ventajas de procedimiento de la presente invención serian:
- se obtiene una aleación Al-Zn-Mg tipo AA7040 de características similares a las comerciales a partir de dos residuos: latas comerciales de bebida y masa negra obtenida en el reciclado de pilas alcalinas y salinas;
- se evita tener que realizar un proceso de separación previa del Zn y Mn en uno de los residuos (masa negra proveniente del reciclado de las pilas alcalinas), facilitando el procesamiento tecnológico y abaratando costes,
- se evita el consumo de materias primas primarias y la consiguiente sobreexplotación del medio ambiente,
- se evita la adición de agentes reductores externos, ya que la masa negra de pilas alcalinas/salinas ya contiene carbono que actúa como reductor en el proceso de fusión de la aleación,
- se evita el mezclado de materias primas (Zn, Mn, Mg, Fe, etc.) que consiste en la formulación de los reactivos químicos necesaria para llevar a cabo la preparación de la aleación de aluminio. Mediante el procedimiento de la invención, la etapa de formulación
se reduce a un simple ajuste de la composición química inicial.
En un primer aspecto, la presente invención se refiere a un procedimiento de preparación de una aleación de aluminio que comprende la reducción aluminotérmica de los óxidos de zinc y manganeso contenidos en la masa negra procedente del reciclado de pilas alcalinas, utilizando además residuos de latas de aluminio, donde la reducción aluminotérmica se lleva a cabo a una temperatura de entre 650-900oC.
En una realización preferida, el procedimiento de la presente invención comprende los siguientes pasos:
a) fundir latas de aluminio de manera gradual a una temperatura de entre 6500C y 900°C con una agitación de entre 100 rpm y 500 rpm;
b) añadir al fundido del paso (a) en las condiciones indicadas en dicho paso (a), una cantidad de masa negra de pilas de entre un 20% y un 42% en peso respecto a la cantidad de latas de aluminio del paso a), con un tamaño de partícula de entre 150-300 μm;
c) desgasificar el fundido con gas argón durante un tiempo de entre 15 y 45 minutos aproximadamente;
d) agregar una cantidad de entre 0.01% y 0.25% en peso respecto a la cantidad de latas de aluminio del paso a), de un metal seleccionado de entre Cr, Cu, Ti y Zr y cualquier combinación de los anteriores, hasta un valor de porcentaje en peso final total de
- entre 0,02% y 0,04% para el Cr;
- entre 1,5% y 2,3% para el Cu
- entre 0,01% y 0,06% para el Ti; y
- entre 0,05% y 0,12% para el Zr
e) vaciar el metal líquido en un molde metálico.
Por “masa negra” se entiende en la presente invención a la materia procedente del reciclado de pilas alcalinas y que está constituida principalmente por óxidos de Zn y Mn. La composición media de dicha masa negra es la siguiente: Mn (25-42%); Zn (20-35%); C (7-15%); K (4-9%), Cl (1-9%); Fe (0,2-1,2%); Ni (0,2-1,1%); Na (0,001-0,2%); Cu (0,01-0,18%); Cd (0,005-0,1%); Pb (0,001-0,01%); Hg (0,0001-0,005%).
Por “composición química de la aleación” se entiende en la presente invención a una
aleación comercial de aluminio cuya composición se aproxima a la de la aleación comercial denominada AA7040, cuya composición comprende Al en un % en peso entre 87,9% y 91,1%, Zn entre 5.7% y 6.7%, Cu entre 1,5% y 2,3%, Mn entre 0,04% y 0,05%, Mg entre 1,7% y 2,4%, Cr entre 0,02% y 0,04%, Ti entre 0,01% y 0,06% y Zr entre 0,05 y 0,12%.
En una realización más preferida el paso (a) se lleva a cabo en un horno de inducción o reocolado.
Las aleaciones Al-Zn, obtenidas por el procedimiento de la presente invención, se consideran materiales de alta resistencia mecánica con valores que están en el rango de 220 a 607 MPa. También presentan buena resistencia térmica, siendo sus principales aplicaciones en los sectores aeroespacial y automotriz (p.ej. materiales para naves espaciales).
Concretamente, las posibles aplicaciones de la aleación Al-Zn-Mg tipo 7xxx resultante del procedimiento de la presente invención dependen de las propiedades mecánicas y químicas de las mismas. Las aleaciones 7xxx tienen, en general, una reducida resistencia a la corrosión y a menudo se utilizan ligeramente sobre envejecidas para proporcionar mejores combinaciones de resistencia mecánica, resistencia a la corrosión y resistencia a la fractura.
En otra realización preferida del procedimiento la temperatura a la que se llevan a cabo las etapas (a) y (b) es de entre 7800C y 8200C.
En otra realización preferida del procedimiento, la adición de masa negra de la etapa (b) se realiza en añadiendo entre 80 g y 120 g de masa negra cada intervalo de tiempo de entre 5 y 15 minutos hasta llegar a la cantidad total en porcentaje del total de masa negra respecto de las latas de aluminio.
En otra realización preferida del procedimiento, comprende agregar un fundente después de la etapa (b) y antes de la etapa (c) para limpiar el metal líquido de la escoria generada. El añadido del fundente es el paso básico para la realización de una escorificación.
En una realización más preferida del procedimiento, el escorificado se realiza agregando una única carga de fundente de entre 30 gramos y 45 gramos previamente a toda la acción de escorificación. En una realización todavía más preferida el fundente es una mezcla equimolar del 55% de NaCl y 45% de KCI. En una realización todavía aún más preferida, las escorias formadas en el escorificado se remueven mecánicamente con una herramienta tipo pala o cuchara y se confinan una vez frías. En una realización todavía aún mucho más preferida, se repite dicha operación cada 20 min y 40 min.
En otra realización preferida del procedimiento la cantidad de latas de aluminio es de entre 6 y 10 kg. En otra realización más preferida del procedimiento, las latas de aluminio son latas de bebida. Todas las latas para bebidas se elaboran, en parte, con una aleación Al-Mg que contiene hasta 1,2% en peso en este elemento debido a que es una especificación internacional. De esta manera el porcentaje de este elemento está presente en la aleación final que se busca sin necesidad de añadirlo.
En otra realización preferida del procedimiento, añadir titanio, cobre, cromo y zirconio durante la etapa (e) en estado líquido y en una cantidad de entre 4 y 230 gramos de cada aleante, hasta un valor de entre 0,02% y 0,04% para el Cr, entre 1.5% y 2.3% para el Cu, entre 0,01% y 0,06% para el Ti y entre 0,05% y 0,12% para el Zr. Dado que se utilizan latas para bebidas, las cuales traen hasta 1.2% en peso de magnesio, este elemento no es necesario ajustarlo, ya que queda como residual de la reacción aluminotérmica.
En otra realización preferida del procedimiento, agregar un fundente para limpiar el metal líquido de la escoria generada después de la etapa (d) y antes de la etapa (e). En una realización más preferida del procedimiento, el escorificado se realiza agregando una única carga de fundente de entre 30 gramos y 45 gramos previamente a toda la acción de escorificación. En una realización todavía más preferida el fundente es una mezcla equimolar del 55% de NaCl y 45% de KCI. En una realización todavía aún más preferida, las escorias formadas en el escorificado se remueven mecánicamente con una herramienta tipo pala o cuchara y se confinan una vez frías.
A lo largo de la descripción y las reivindicaciones la palabra "comprende" y sus variantes no pretenden excluir otras características técnicas, aditivos, componentes o pasos. Para los expertos en la materia, otros objetos, ventajas y características de la invención se
desprenderán en parte de la descripción y en parte de la práctica de la invención. Los siguientes ejemplos se proporcionan a modo de ilustración, y no se pretende que sean limitativos de la presente invención.
EJEMPLOS
A continuación, se ilustrará la invención mediante unos ensayos realizados por los inventores, que pone de manifiesto la efectividad del producto de la invención.
Ejemplo 1
Para obtener la aleación objeto de esta patente, en primer lugar, se funden de manera gradual 8 Kg de latas de aluminio a una temperatura de 800°C en horno de inducción o reocolado, con agitación de 300 rpm. Una vez alcanzada dicha temperatura y agitación, y manteniéndolas, se añade la masa negra, con tamaño de partícula entre 150-300 μm, y una carga total del 15% en peso (1,2 Kg) respecto al total de latas de aluminio, realizando cargas parciales de 100 g de masa negra cada 10 minutos, y realizando un escorificado cada 30 minutos, para lo que se añade una única vez 30 g un escorificante, 55% NaCl-45% KCI, y las escorias se remueven mecánicamente con una herramienta tipo pala o cuchara y se confinan una vez frías.
A continuación, se agrega fundente para limpiar el metal líquido de la escoria generada. El baño metálico es sometido a desgasificación con gas argón durante 30 minutos aproximadamente para finalmente vaciar el metal líquido en un molde metálico. El tiempo de operación de la reducción aluminotérmica oscila entre 1 y 3 horas.
En el proceso anteriormente descrito se necesita la adición de cobre, titanio, cromo y zirconio en estado metálico, sin necesidad de reducir la concentración de ningún otro agente aleante, es decir, de los elementos químicos no contenidos en la masa negra pero que forman parte de la composición química nominal (especificación) de la aleación a preparar. El resultado de este ajuste es una aleación tipo AA7040 con un ligero exceso de Manganeso. La tabla 1 muestra la composición de la aleación elaborada a partir de latas de aluminio y masa negra de pilas alcalinas descargadas obtenida según la realización descrita anteriormente sin añadir ningún elemento extra (arriba de la tabla), la aleación ajustada químicamente añadiendo cobre, titanio, cromo y zirconio (centro de la tabla) y la composición de la aleación comercial.
Tabla 1. Composición de aleaciones de aluminio.
Aleación Al-Zn-Mn obtenida
Las diferencias apreciables entre los valores del Mn y Mg no influyen en los usos de la aleación obtenida según el presente ejemplo con respecto a las de la aleación comercial AA7040.
Claims (16)
1. Un procedimiento de preparación de una aleación de aluminio que comprende la reducción aluminotérmica de óxidos de zinc y manganeso contenidos en la masa negra procedente del reciclado de pilas alcalinas, con residuos de latas de aluminio, y donde la reducción aluminotérmica se lleva a cabo a una temperatura de entre 650-900oC.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, donde el procedimiento comprende los siguientes pasos:
a) fundir latas de aluminio de manera gradual a una temperatura de entre 650 0C y 900°C con una agitación de entre 100 rpm y 500 rpm;
b) añadir al fundido del paso (a) en las condiciones indicadas en dicho paso (a), una cantidad de masa negra de pilas de entre un 20% y un 42% en peso respecto a la cantidad de latas de aluminio, con un tamaño de partícula de entre 150-300 μm;
c) desgasificar el fundido del paso (b) con gas argón durante un tiempo de entre 15y45 minutos;
d) agregar una cantidad de entre 0,01% y 0,25% en peso respecto a la cantidad de latas de aluminio del paso a), de un metal seleccionado de entre Cr, Cu, Ti y Zr y cualquiera de sus combinaciones, para ajustar la composición química de la aleación hasta un valor de porcentaje en peso final total de - entre 0,02% y 0,04% para el Cr;
- entre 1,5% y 2,3% para el Cu;
- entre 0,01% y 0,06% para el Ti; y
- entre 0,05% y 0,12% Zr
e) vaciar el metal líquido obtenido en el paso (d) en un molde metálico.
3. Procedimiento según la reivindicación 2, donde el paso (a) se lleva a cabo en un horno de inducción o reocolado.
4. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 2 o 3, donde la temperatura a la que se llevan a cabo las etapas (a) y (b) es de entre 7800C y 8200C.
5. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 4, donde la adición de masa negra de la etapa (b) se realiza en añadiendo entre 80 g y 120 g de masa
negra cada intervalo de tiempo de entre 5 y 15 minutos hasta llegar a la cantidad total en porcentaje en peso del total de masa negra respecto de las latas de aluminio.
6. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 5, donde además comprende agregar un fundente después de la etapa (b) y antes de la etapa (c) para limpiar el metal líquido de la escoria generada.
7. Procedimiento según la reivindicación 6, donde el fundente se realiza agregando una única carga de fundente de entre 30 gramos y 45 gramos previamente a toda la acción de escorificación.
8. Procedimiento según la reivindicación 7, donde el fundente es una mezcla equimolar del 55% de NaCl y 45% de KCI.
9. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 6 a 8, donde las escorias formadas en el escorificado se eliminan mecánicamente con una herramienta tipo pala o cuchara y se confinan una vez frías.
10. Procedimiento según la reivindicación 9, donde se repite la eliminación mecánica cada entre 20 min y 40 min.
11. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 10, donde la cantidad de latas de aluminio es de entre 6 y 10kg.
12. Procedimiento según la reivindicación 11, donde las latas de aluminio son latas de bebida.
13. Procedimiento según las reivindicaciones 11 y 12, donde añadir cobre, titanio, cromo y/o zirconio metálicos durante la etapa (e) en una cantidad de entre 4 y 230 gramos de cada aleante, hasta un valor de entre 0,02% y 0,04% para el Cr, entre 1,5% y 2,3% para el Cu, entre 0,02% y 0,06% para el Ti y entre 0,05% y 0,12% para el zirconio.
14. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 13, donde además comprende agregar un fundente para limpiar el metal líquido de la escoria generada después de la etapa (d) y antes de la etapa (e).
15. Procedimiento según la reivindicación 14, donde el fundente es una mezcla equimolar del 55% de NaCl y 45% de KCI.
16. Procedimiento según la reivindicación 15, donde las escorias formadas en el fundente se remueven mecánicamente con una herramienta tipo pala o cuchara y se confinan una vez frías.
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