ES2255683T3 - Metodo para la cristalizacion fraccionada de un metal. - Google Patents

Abstract

Método para la cristalización fraccionada de metal fundido, a lo sumo parcialmente solidificado, caracterizado porque una capa de metal fundido, a lo sumo parcialmente solidificado es refrigerado con una capa de líquido de refrigeración que está presente por encima y/o por debajo de la capa de metal fundido, a lo sumo parcialmente solidificado, a fin de cristalizar el metal fundido, la cual capa de líquido de refrigeración contacta con la capa de metal fundido, a lo sumo parcialmente solidificado.

Description

Método para la cristalización fraccionada de un metal.

La invención se refiere a un método para cristalización fraccionada de un metal fundido.

Métodos y aparatos de cristalización se emplean para refinar un metal (empleado en esta memoria como una abreviatura de aleación metálica) en el que se presenta una concentración demasiado alta de un elemento extraño. Este elemento extraño puede estar presente porque en el metal preparado a partir del mineral, el metal primario, se presenta demasiado elemento extraño, o porque metal ya usado se recicla y la concentración del elemento extraño en la chatarra es demasiado alta. Por ejemplo, la chatarra de aluminio puede contener demasiada cantidad de los elementos extraños Fe, Si o Mg para uso para fines comerciales sin mezclarla con metal primario que contenga poco del elemento extraño.

Cuando se hace uso de la cristalización fraccionada para refinar el metal, se forman cristales en el metal fundido durante la solidificación parcial del metal fundido, cuyos cristales tienen una composición que es diferente de la composición del metal fundido que se usa como punto de partida.

Los cristales formados en el metal fundido durante la cristalización parcial del metal fundido están por ejemplo refinados comparados con el metal fundido. El grado de refinamiento depende sin embargo del tipo de elemento extraño y del tipo de metal, y también de la cantidad de elemento extraño presente en el metal fundido empleado como punto de partida. Una etapa de refinamiento no suele ser suficiente para conseguir un metal refinado que sea suficientemente puro para fines comerciales.

El documento GB-A-615 590 revela un método para cristalización fraccionada en el que se agita el metal fundido a lo sumo parcialmente solidificado.

Es un objeto de la invención proporcionar un método para cristalización fraccionada de un metal con el que se puede producir un metal altamente refinado.

Es otro objeto de la invención proporcionar un método relativamente simple para refinar metales por cristalización fraccionada.

Sigue siendo otro objeto de la invención proporcionar un método que pueda emplearse con un aparato relativamente sencillo.

Es otro objeto más de la invención proporcionar tal método para cristalización fraccionada continua.

Uno o más de estos objetos se logran con un método para cristalización fraccionada de un metal fundido a lo sumo parcialmente solidificado, en el que una capa de metal fundido a lo sumo parcialmente solidificado que tiene una superficie superior y una superficie inferior se divide en una serie de compartimentos que comunican unos con otros, en el que el metal se agita en al menos algunos compartimentos, y en el que cristales formados y/o existentes en la capa de metal se transportan selectivamente en una dirección predeterminada y el metal fundido se transporta selectivamente en la dirección opuesta.

Debido a la presencia de compartimentos en la capa de metal y la agitación del metal en los compartimentos, los cristales formados y/o existentes en la capa de metal permanecen en su compartimento durante algún tiempo. La agitación del metal también da como resultado la presencia de una capa divisoria delgada alrededor de los cristales. Como los compartimentos se comunican unos con otros, algunos de los cristales se transportarán de un compartimento al otro como resultado del transporte selectivo en la dirección predeterminada. En cada compartimento puede tener lugar un refinamiento adicional, dando como resultado cristales altamente refinados en el último compartimento. Para producir metal con un refinamiento que sea tan alto, el metal fundido que sea menos refinado ha de transportarse en la dirección opuesta o contracorriente al transporte de los cristales. El refinamiento global y el rendimiento del método dependen de la cantidad de metal fundido en contracorriente.

Preferiblemente está presente una diferencia de temperatura a lo largo de la capa de metal, estando presente la temperatura más alta en el extremo de la capa de metal al que se transportan los cristales.

Como resultado de la diferencia de temperatura a lo largo de la capa, existirá una diferencia de temperatura relativamente pequeña entre compartimentos adyacentes. La temperatura en el compartimento al que se transportan los cristales selectivamente será así más alta que la temperatura en el compartimento desde el que se transportan los cristales. En el compartimento que tiene la temperatura más alta el metal fundido estará más refinado. Los cristales formados en este compartimento serán por lo tanto más refinados que los cristales anteriores. En cada compartimento en la dirección en la que se transportan los cristales, los cristales serán así más refinados. Cristales altamente refinados y metal fundido existirán así, al final de la serie de compartimentos en la dirección predeterminada de transporte de los cristales. Para formar cristales en la capa de metal, la capa de metal ha de enfriarse de alguna manera.

Según un método preferido los compartimentos en la capa de metal están formados por paredes de compartimento que se presentan en parejas, colocándose preferiblemente las paredes de compartimento de cada par adyacentes entre sí, extendiéndose una pared hacia y adyacente a la superficie inferior de la capa de metal y extendiéndose la otra pared desde la superficie inferior de la capa de metal hacia la superficie superior de la capa de metal.

De esta manera los cristales que son más pesados que el metal fundido se hundirán en el compartimento, pero debido a la agitación del metal algunos de los cristales del compartimento caerán en el siguiente compartimento, pasando por encima de la pared que se extiende desde la superficie inferior. Los cristales no pueden transportarse en la otra dirección, así que esta medida da como resultado un transporte selectivo de los cristales en una dirección. Cuando los cristales se transportan en una dirección a través de la capa de metal, el metal fundido tiene que fluir en la dirección opuesta. Si las paredes de compartimento de un par de paredes de compartimento se colocan adyacentes entre sí, como se prefiere, el metal fundido tiene que fluir entre el par de paredes en la dirección contraria a los cristales, y relativamente poco metal fundido puede transportarse con los cristales al siguiente compartimento. De esta manera el metal fundido en cada compartimento se mantiene tan refinado como sea posible.

Alternativamente, los compartimentos en la capa de metal están formados por paredes de compartimento que se presentan en parejas, estando las paredes de compartimento de cada pareja colocadas preferiblemente adyacentes entre sí, extendiéndose una pared desde la superficie superior de la capa de metal hacia la superficie inferior de la capa de metal y extendiéndose la otra pared hacia y adyacente a la superficie superior de la capa de metal. Esta alternativa debería emplearse cuando los cristales formados y/o existentes en el metal fundido sean más ligeros que el metal fundido. Este método se emplea de una forma análoga.

El transporte de cristales y metal fundido entre el par de paredes de compartimento puede optimizarse mediante el diseño y colocación de estas paredes. Por ejemplo, las paredes de compartimento pueden colocarse en un ángulo relativo entre sí tal que la distancia entre un par de paredes de compartimento aumente en la dirección de transporte de cristal. Como resultado, la velocidad del metal fundido en contracorriente disminuye y la velocidad de los cristales aumenta entre el par de paredes de compartimento, minimizándose así el riesgo de cristales casi estacionarios que bloqueen el transporte adicional de cristales.

Según otro método preferido una capa de líquido de transporte está presente por debajo y/o por encima de la capa de metal para transportar selectivamente los cristales, y los compartimentos en la capa de metal están formados por paredes de compartimento que se extienden hacia y adyacentes a la capa de líquido de transporte que transporta los cristales, siendo preferiblemente el líquido de transporte una sal fundida.

Como en el método preferido anterior, los cristales formados y/o existentes en la capa de metal se mantienen en suspensión por la agitación. Algunos de los cristales se hundirán o subirán hacia una capa de líquido de transporte, tal capa de líquido de transporte transportará los cristales hacia el compartimento siguiente. Como resultado se logra el transporte selectivo. Aquí también se transporta el metal fundido en contracorriente y debido a las paredes de compartimento que terminan adyacentes a la capa de líquido de transporte que transporta los cristales, relativamente poco metal fundido puede transportarse con los cristales al siguiente compartimento. Se usa preferiblemente una sal fundida como líquido de transporte porque no reaccionará con el metal fundido y puede resistir temperaturas altas.

Según otro método preferido adicional, la capa de metal está presente en una cámara que tiene el fondo inclinado, y los compartimentos en la capa de metal están formados por paredes de compartimento que se extienden hacia y adyacentes al fondo de la cámara.

Como anteriormente, los cristales se mantienen en suspensión en los compartimentos debido a la agitación del metal fundido. Algunos de los cristales se hunden al fondo inclinado, y debido a la gravedad estos cristales se transportan al compartimento inferior siguiente. Aquí el transporte selectivo se logra por la inclinación del fondo, y debido a las paredes de compartimento que terminan adyacentes al fondo relativamente poco metal fundido se transporta con los cristales al compartimento inferior, pero el metal fundido se transporta en contracorriente.

Como una alternativa a este último método preferido, la capa de metal está presente en una cámara que tiene una pared superior inclinada, y los compartimentos en la capa de metal están formados por paredes de compartimento que se extienden hacia y adyacentes a la pared superior de la cámara. Esta alternativa debería emplearse cuando los cristales son más ligeros que el metal fundido y suben en los compartimentos.

Preferiblemente las paredes de compartimento son ajustables de manera que los extremos de las paredes de compartimento están colocados más cerca o más lejos de la superficie de la capa de metal hacia la que se extienden. De esta manera el transporte de cristales puede restringirse o aumentarse, según las otras variables del procedimiento, el tipo de metal, etcétera.

Según un método preferido medios mezcladores para agitar el metal están presentes en al menos algunos de los compartimentos, siendo variable la velocidad de mezcla de los medios mezcladores. La velocidad de mezcla de los medios mezcladores puede emplearse para controlar el transporte de los cristales de un compartimento al compartimento siguiente.

Preferiblemente, metal fundido y/o cristales se retiran en el extremo de la capa de metal hacia el que los cristales se transportan selectivamente. Aquí el refinamiento del metal es el más alto. Por supuesto hay que añadir metal fundido sin refinar y el metal fundido remanente, que contiene una cantidad más alta del elemento extraño, tiene que ser retirado.

Preferiblemente el metal empleado es aluminio. El aluminio es uno de los metales que son difíciles y/o costosos de refinar por métodos convencionales. El método según la invención es particularmente adecuado para la cristalización fraccionada de aluminio de una manera relativamente fácil y económica.

La cristalización fraccionada según se describió anteriormente se emplea preferiblemente para eliminar uno o más de los elementos Fe, Ga, Mg, Mn, B, Si, Sn, Zn y Ni del aluminio.

La invención se aclarará haciendo referencia a una realización ejemplar, a la vista de los dibujos acompañantes.

La Fig. 1 muestra, de una forma esquemática, un corte transversal de un aparato de cristalización para implementar el método según la invención.

La Fig. 1 muestra una parte de un aparato de cristalización 1 para la cristalización continua de metal fundido que contiene uno o más elementos extraños, que es en este momento preferido para el propósito. El aparato de cristalización tiene una cámara 2 con un fondo 3 y una pared superior 4, que están muy bien aislados como se conoce en la técnica, normalmente por materiales refractarios especiales.

En la cámara 2, los compartimentos 5, 6, 7 están formados por paredes de compartimento 8, 9 que están presentes en parejas. Las paredes de compartimento 8 están sujetas a la pared superior 4 y terminan adyacentes a la pared inferior. Sería posible sin embargo, colocar el extremo alto de las paredes de compartimento 8 a alguna distancia de la pared superior 4, dependiendo de la altura de la cámara 2 y del tipo de metal para cristalizar. Las paredes de compartimento 9 están sujetas al fondo 3 de la cámara 2 y terminan a una distancia de la pared superior 4. La altura de las paredes de compartimento 9 depende del metal para cristalizar y de las condiciones del procedimiento durante la cristalización. En cada compartimento está presente un elemento mezclador 10 para agitar el metal fundido con los cristales formados y/o existentes en el metal.

Sólo se muestran tres compartimentos 5, 6, 7. Se apreciará que el aparato de cristalización contendrá el número de compartimentos que sea necesario para el refinamiento deseado de un cierto metal, dependiendo de la cantidad de elemento(s) extraño(s) que esté(n) presente(s) como punto de partida y de las condiciones del procedimiento.

Como siempre es necesario para la cristalización, el metal fundido tiene que enfriarse en el aparato de cristalización. No se han mostrado los medios de enfriamiento para hacerlo así pero se conocen en la técnica.

El aparato de cristalización anteriormente descrito puede por ejemplo emplearse para la cristalización fraccionada continua de aluminio que contiene 0,10% de Si y 0,20% de Fe (denominado P1020) para llegar a aluminio que contiene menos que 0,01% de Si y 0,01% de Fe (denominado P0101).

Para este procedimiento de cristalización la cámara 2 del aparato de cristalización 1 tiene que tener ocho a diez compartimentos, teniendo cada compartimento un tamaño de aproximadamente 500 x 500 x 500 mm^{3}, así que la cámara tiene un tamaño interior de aproximadamente 4 a 5 m (longitud) x 0,5 m (anchura) x 0,5 m (altura). Las paredes de compartimento 8 terminan aproximadamente 80 a 100 mm del fondo 3 y las paredes de compartimento 9 tienen aproximadamente 400 mm de alto. La altura de las paredes de compartimento 9 dependerá sin embargo de la velocidad de rotación y del tamaño de los elementos mezcladores 10. La distancia entre las paredes de compartimento 8 y 9 es aproximadamente 80 mm.

El método según la invención implementado para aluminio con el aparato anterior es como sigue.

Aluminio fundido con la composición P1020 se introduce en el aparato por una entrada (no mostrada) a una temperatura justo por encima de la temperatura de cristalización de aproximadamente 660ºC. El aluminio fundido en la cámara 2 se enfría empleando medios de enfriado (no mostrados) para formar cristales. Estos cristales contienen menos de los elementos extraños Si y Fe y tienden a hundirse lentamente en el aluminio fundido hacia el fondo 3.

La acción de la agitación de los elementos mezcladores 10 mantiene los cristales en suspensión. Por ejemplo en el compartimento 5 continuamente algunos cristales se mueven por encima de la pared de compartimento 9 (véase flecha A). Esta cantidad depende del tamaño de los cristales, de la velocidad de rotación del elemento mezclador 10 y de la altura de la pared de compartimento 9. Los cristales que se mueven por encima de la pared de compartimento 9 se hunden hacia el fondo 3 en el compartimento 6 porque entre las paredes de compartimento 8 y 9 el metal fundido no se agita. Una vez los cristales se han hundido por debajo del extremo más bajo de la pared de compartimento 8, se levantarán por la acción de la agitación del elemento mezclador 10 en el compartimento 6. Los cristales en el compartimento 6 se mantienen en suspensión por el elemento mezclador y continuamente una cierta cantidad de los cristales se mueve al compartimento 7 de la misma manera.

De esta manera los cristales se transportan selectivamente desde el extremo derecho del aparato hacia el extremo izquierdo. Como los cristales se transportan hacia la izquierda, el metal fundido tiene que moverse hacia la derecha por el aparato. Como la distancia entre las paredes de compartimento 8 y 9 es pequeña, aquí el metal fundido sólo se mueve hacia arriba y eficazmente sólo los cristales se mueven hacia abajo. De esta manera existe una contracorriente por el
aparato.

A lo largo del aparato existe una diferencia de temperatura tal que la temperatura del metal fundido en el extremo izquierdo del aparato es más alta que la temperatura en el extremo derecho del aparato como se ve en la Fig.1. Esto significa que por ejemplo la temperatura en el compartimento 6 es ligeramente más alta que en el compartimento 5. Un cristal formado o existente en el compartimento 5 será más refinado que el aluminio fundido en el que se forma o está presente. Cuando este cristal se transporta al compartimento 6 donde la temperatura es ligeramente más alta, el cristal se fundirá parcialmente o totalmente, lo que conduce a una composición del aluminio fundido en el compartimento 6 que es más refinada que el aluminio fundido en el compartimento 5. En el compartimiento 6 los cristales se formarán de nuevo. Los cristales formados en el compartimiento 6 serán así más refinados que los cristales en el compartimento 5.

Lo mismo es válido para todos los compartimentos vecinos en el aparato de cristalización 1, que conduce así hacia aluminio muy refinado en el compartimento a la izquierda del aparato, donde el aluminio refinado puede descargarse. Debido a la contracorriente el aluminio que contiene mucho Si y Fe puede descargarse en el extremo a la derecha del aparato de la Fig. 1 como un subproducto.

Para el control de la cristalización, el aparato está preferiblemente equipado con medios para medir y controlar la fracción sólida, la composición química y/o la temperatura en la capa de metal.

Con el aparato descrito anteriormente, puede alcanzarse una producción de alrededor de 20 toneladas por día de aluminio con composición P0101; el subproducto será sólo un 10% del mismo.

Se entenderá que pueden hacerse o serán necesarios muchos cambios dependiendo del metal empleado y del elemento extraño que tiene que ser eliminado de él. Por ejemplo, si los cristales que se han formado y/o están presentes suben en el metal fundido las paredes de compartimento se tienen que colocar boca abajo. También será posible emplear otros medios para agitar el metal fundido en los compartimentos.

Por otro lado también será posible emplear otros tipos de aparatos para llevar a cabo los métodos como se describe en la introducción de la descripción. Así, el alcance de la invención se determinará sólo por las reivindicaciones adjuntas.

Claims (12)

1. Método para cristalización fraccionada de un metal fundido a lo sumo parcialmente solidificado, en el que una capa de metal fundido a lo sumo parcialmente solidificado que tiene una superficie superior y una superficie inferior se divide en una serie de compartimentos que comunican unos con otros, en el que el metal se agita en al menos alguno de los compartimentos, y en el que cristales formados y/o existentes en la capa de metal se transportan selectivamente en una dirección predeterminada y el metal fundido se transporta selectivamente en la dirección opuesta.

2. Método según la reivindicación 1, en el que está presente una diferencia de temperatura a lo largo de la capa de metal, estando la temperatura más alta presente en el extremo de la capa de metal hacia el que los cristales se transportan.

3. Método según la reivindicación 1 ó 2, en el que los compartimentos en la capa de metal están formados por paredes de compartimento que están presentes en parejas, estando las paredes de compartimento de cada par preferiblemente colocadas adyacentes entre sí, extendiéndose una pared hacia y adyacente a la superficie inferior de la capa de metal y extendiéndose la otra pared desde la superficie inferior de la capa de metal hacia la superficie superior de la capa de metal.

4. Método según la reivindicación 1 ó 2, en el que los compartimentos en la capa de metal están formados por paredes de compartimento que están presentes en parejas, estando las paredes de compartimento de cada par preferiblemente colocadas adyacentes entre sí, extendiéndose una pared desde la superficie superior de la capa de metal hacia la superficie inferior de la capa de metal y extendiéndose la otra pared hacia y adyacente a la superficie superior de la capa de metal.

5. Método según la reivindicación 1 ó 2, en el que una capa de líquido de transporte está presente por debajo y/o por encima de la capa de metal para transportar selectivamente los cristales, y en la que los compartimentos en la capa de metal están formados por paredes de compartimento que se extienden hacia y adyacentes a la capa de líquido de transporte que transporta los cristales, siendo preferiblemente el líquido de transporte una sal fundida.

6. Método según la reivindicación 1 ó 2, en el que la capa de metal está presente en una cámara que tiene el fondo inclinado, y en el que los compartimentos en la capa de metal están formados por paredes de compartimento que se extienden hacia y adyacentes al fondo de la cámara.

7. Método según la reivindicación 1 ó 2, en el que la capa de metal está presente en una cámara que tiene una pared superior inclinada, y en el que los compartimentos en la capa de metal están formados por paredes de compartimento que se extienden hacia y adyacentes a la pared superior de la cámara.

8. Método según una cualquiera de las reivindicaciones 3-7, en el que las paredes de compartimento son ajustables de manera que los extremos de las paredes de compartimento se colocan más cerca o más lejos de la superficie de la capa de metal hacia la que se extienden.

9. Método según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que están presentes medios mezcladores para agitar el metal en al menos alguno de los compartimentos, siendo variable la velocidad de mezcla de los medios mezcladores.

10. Método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que metal fundido y/o cristales se retiran en el extremo de la capa de metal hacia el que los cristales se transportan selectivamente.

11. Método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el metal empleado es aluminio.

12. Método según la reivindicación 11, para eliminar uno o más de los elementos Cu, Fe, Ga, Mg, Mn, B, Si, Sn, Zn y Ni del aluminio.