ES2287903T3 - Reciclado de baño de zincado por inmersion en caliente. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para la eliminación de hierro de un baño de zinc fundido, que comprende las operaciones de: - añadir una aleación de Ni-Si al baño de zinc, por lo que el hierro contenido en el baño de zinc reacciona con dicho compuesto para producir una mata de Fe-Si; - dejar que sedimente el baño de Zn, con lo que la mata de Fe-Si sube hasta la superficie del baño, y - recoger la mata de Fe-Si de la superficie del baño de zinc.
Description
Reciclado de baño de zincado por inmersión en
caliente.
El presente invento se refiere a un
procedimiento para recuperar zinc a partir de chatarra o residuos
que contienen zinc, especialmente de chatarra producida por
instalaciones de galvanización por inmersión en caliente.
En el pasado, el reciclado se realizaba por
destilación o alimentando los residuos portadores de zinc a un
horno principal de fusión de zinc. Aunque podría recuperarse zinc
muy puro, en la actualidad se considera que estos procedimientos
son demasiado costosos. Además, se pierde la mayoría de los
elementos de aleación presentes en la chatarra.
Hoy en día, la chatarra o los residuos se
reciclan, típicamente, en un horno de fusión donde el zinc es
fundido y separado de los sólidos restantes. Una impureza que sólo
se elimina parcialmente durante este proceso es el hierro; debido a
la solubilidad del hierro en el zinc fundido, el zinc recuperado
seguirá conteniendo al menos un 0,02% en peso de Fe. Si se utiliza
de nuevo este zinc en un proceso de galvanización, el hierro dará
lugar a la formación de residuos extraños de
zinc-hierro y, por ello, a pérdidas de zinc
incrementadas. La introducción de, por ejemplo, 100 kg de zinc
conteniendo un 0,025% en peso de Fe, generará 1 kg de residuos de
Zn-Fe. Esto ilustra el impacto sumamente negativo,
incluso, de cantidades diminutas de hierro como contaminante del
zinc. Se considera satisfactoria una eliminación de hierro de hasta
el 0,01% en peso o, preferiblemente, de hasta un 0,005% en peso o
menos.
Se han desarrollado métodos para eliminar hierro
del zinc hasta un nivel bastante por debajo de su solubilidad en el
zinc. En el documento US 3.902.894, se ha propuesto separar el
hierro contenido en los cristales que forman la mata añadiendo
aluminio. El aluminio tiene una alta afinidad por el hierro y forma
un compuesto intermetálico de aluminio-hierro que
puede separarse. Sin embargo, se necesita un reactor complicado y
desarrollado especialmente para llevar a cabo la reacción de
purificación.
Se ha encontrado ahora que, incluso en presencia
de aluminio en un baño de zinc, el silicio reaccionará en forma
preferente con el hierro para formar una mata flotante de
Fe-Si, que puede retirarse fácilmente. Sin embargo,
un problema práctico es que resulta muy difícil disolver silicio en
zinc fundido. El silicio puro tiene una temperatura de fusión de
1412ºC y no se disuelve en el zinc. En el documento US 3.685.985,
se describió el uso de aleaciones de silicio en general pero, debido
al elevado contenido de silicio que se proponía en dicho documento,
se limitaba la eficacia de la eliminación del hierro y solamente
pueden tratarse residuos de zinc relativamente puros.
Con el fin de superar los problemas antes
expuestos, se desarrolló un nuevo método para eliminar hierro de un
baño de zinc fundido. Tal procedimiento comprende las operaciones
de
- -
- añadir una aleación de Ní-Si al baño de zinc, con lo que el baño de zinc reacciona con dicho compuesto para producir una mata de Fe-Si,
- -
- dejar que sedimente el baño de zinc, con lo que la mata de Fe-Si sube hasta la superficie del baño, y
- -
- recoger la mata de Fe-Si de la superficie del baño de zinc.
Este procedimiento es aplicado, típicamente, a
un producto de zinc secundario, tal como escoria superior
procedente de baños de galvanización por inmersión en caliente,
preferiblemente después de la eliminación de cualesquiera sólidos
que pudieran quedar en el baño de zinc al fundirlo.
El sistema binario Al-Si tiene
una composición eutéctica con un 11,7% en peso de Si, que tiene una
temperatura de fusión mínima de 577ºC. Con concentraciones mayores o
menores de Si, la temperatura de fusión aumenta rápidamente. En la
práctica ello demuestra que solamente las aleaciones binarias
próximas a esta composición eutéctica se funden fácilmente en zinc
fundido. Otras aleaciones binarias de Al-Si
solamente se disuelven tras un tiempo de mezclado muy largo o deben
fundirse a alta temperatura. Además del mayor consumo energético,
las temperaturas más elevadas resultan muy inconvenientes ya que la
presión de vapor del zinc resulta ser significativa por encima de
600ºC, generando una considerable evaporación de zinc. Por tanto, en
la práctica, de todas las aleaciones binarias de
Al-Si, solamente las que contienen entre un 10% en
peso de Si y un 15% de Si son apropiadas para la eliminación de Fe
del zinc o de una aleación de zinc. Se deduce que, cuando se
utiliza una aleación de Al-Si, la temperatura del
zinc fundido debe ser, de preferencia, superior al punto de fusión
de la aleación, que es de unos 580ºC, ya que esto garantiza el
rápido mezclado con el zinc.
Sin embargo, en casos particulares, la
introducción de aluminio en el zinc puede considerarse como un
inconveniente, por ejemplo cuando el zinc desprovisto de hierro ha
de utilizarse en un procedimiento de galvanización por inmersión en
caliente específico con bajo contenido de aluminio.
En el documento DE3911060 A1, se describió el
uso de una aleación conteniendo silicio y aluminio, pero no se
reconoció la ventaja de utilizar una aleación con un
85-90% en peso de Al y un 10-15% en
peso de Si.
\newpage
Se prefiere una aleación de
Ni-Si compuesta por un 60-70% en
peso de Ni y un 30-40% en peso de Si. Por ejemplo,
puede utilizarse la aleación, comercialmente disponible, con un 65%
en peso de Ni y un 35% en peso de Si, con una temperatura de fusión
de 992ºC. También es posible el uso de la aleación eutéctica con un
62% en peso de Ni y un 38% en peso de Si, que funde a una
temperatura ligeramente más baja. Se ha encontrado que estas
aleaciones se disuelven rápidamente en zinc fundido, incluso a
temperaturas muy por debajo de su punto de fusión. Cuando se
utiliza una aleación de Ni-Si para precipitar el
hierro, parte del níquel se disolverá en la aleación. Esto es
totalmente aceptable ya que el níquel es un valioso elemento de
aleación que encuentra un uso común en la galvanización en
general.
El Cl_{4}Si también es aceptable como fuente
de silicio. Este compuesto volátil pude inyectarse en forma de gas
a través de la masa fundida de zinc, donde reacciona inmediatamente
para formar silicio elemental muy finamente dispersado, que se
disuelve y reacciona fácilmente con el hierro, formando por tanto
Cl_{2}Zn.
El procedimiento se lleva a cabo,
preferiblemente, a una temperatura del baño de entre 480 y 700ºC.
Una temperatura demasiado baja tiene como consecuencia una cinética
de la reacción prohibitivamente lenta, mientras que una temperatura
demasiado elevada da como resultado pérdidas crecientes de zinc por
evaporación. Una temperatura del baño limitada a 600ºC es aún más
aconsejable para hacer que el procedimiento sea más eficaz desde el
punto de vista energético.
Tras la adición del compuesto de silicio, la
reacción puede acelerarse mezclando la masa fundida a mano con un
mezclador o merced al efecto de agitación electromagnética generado
típicamente mediante un horno de inducción. Este último incrementa
la velocidad de reacción del silicio en forma significativa. Cuando
se detiene la agitación, la mata de Fe-Si formada
ascenderá y flotará en la superficie del baño de zinc, de donde
puede ser retirada fácilmente. El procedimiento del invento permite
incrementar la eliminación del hierro hasta el 0,002% en peso o,
incluso, hasta el 0,001% en peso del baño de zinc. Tales resultados
deben considerarse excelentes.
Los siguientes ejemplos ilustran las ventajas
del uso de una aleación de Ni-Si en la eliminación
de hierro.
En un crisol se calientan 10 kg de zinc con un
0,024% en peso de Fe hasta que se obtiene una masa fundida
homogénea. Entonces, se añade una aleación con el 65% en peso de Ni
y el 35% en peso de Si, finamente dividida (<3 mm). Después de
agitar durante 15 minutos, se inserta un período de sedimentación de
5 minutos durante el cual las partículas de Fe-Si
formadas suben a la superficie de la masa fundida. Esparciendo
NH_{4}Cl sobre la parte superior del baño se produce una reacción
exotérmica y el zinc retenido en la mata de Fe-Si
puede fundirse dejando una capa de polvo sobre la superficie. Se
desescoria entonces la superficie y se determina la concentración
de hierro en la masa fundida. Este experimento se repitió a
diferentes temperaturas del baño y con diferentes cantidades de
aleación de Ni-Si.
En la Tabla 1 se ofrece un resumen de los
resultados. En este ejemplo, se encontró que 2,2 g de
Ni-Si por kg de zinc, eran suficientes para reducir
la concentración de hierro en el zinc desde 0,024% en peso a 0,002%
en peso, a una temperatura de 500ºC. Al mismo tiempo, la
concentración de níquel aumentó hasta entre un 0,014% en peso y un
0,036% en peso.
En otros experimentos se mostró que optimizando
la agitación, por ejemplo, utilizando un horno de inducción, las
cantidades de Ni-Si añadidas podrían reducirse hasta
menos de 1 g/kg de zinc. Podría realizarse satisfactoriamente la
eliminación del hierro a temperaturas tan bajas como 480ºC.
(Ejemplo
comparativo)
Se calentaron en un crisol 10 kg de zinc con un
0,024% en peso de Fe, a 600ºC. Se añadió la aleación eutéctica con
un 88,3% en peso de Al y un 11,7% en peso de Si. Tras agitación
durante 15 minutos, se introdujo un período de sedimentación de 5
minutos durante el cual las partículas de Fe-Si
formadas subieron a la superficie de la masa fundida. Luego, se
desescorió la superficie y se determinó la concentración de hierro
en la masa fundida. Este experimento se repitió con diferentes
cantidades de aleación de Al-Si. En la Tabla 2 se
ofrece un resumen de los resultados. En este ejemplo, son
suficientes 5 g de Al-Si por kg de zinc para reducir
la concentración de hierro en el zinc desde un 0,024% en peso hasta
un 0,005% en peso, a una temperatura de 600ºC. Al mismo tiempo, la
concentración de aluminio subió hasta un 0,35% en peso.
\vskip1.000000\baselineskip
(Ejemplo
comparativo)
Se calentaron en un crisol 10 kg de zinc con
0,024% en peso de Fe a 600ºC. Se sopló Cl_{4}Si gaseoso a un
régimen de 2 g/min a través el baño utilizando un tubo sumergido que
llegaba al fondo del crisol. El extremo del tubo estaba equipado
con una pieza de cerámica porosa, que garantizaba la producción de
burbujas de gas finamente dispersadas. El baño de zinc se mezcló a
fondo durante la inyección del gas. La Tabla 3 resume los
resultados, mostrando que se consiguió, de nuevo la casi total
eliminación del Fe.
\vskip1.000000\baselineskip
Como otro ejemplo, la concentración de hierro en
una masa fundida de aleación de zinc de 2000 kg se redujo de 0,025
a 0,010% en peso añadiendo 3,4 kg de una aleación binaria con un 65%
en peso de Ni y un 35% en peso de Si. Esto corresponde a una
relación, en peso, de Si a Fe de 3,5. Ventajosamente, se añadió
Ni-Si como material finamente triturado, con
partículas menores de 3 mm. Estas partículas se sumergieron en un
bulbo perforado para evitar que flotasen encima de la masa fundida.
Después de mezclar durante 20 minutos y de decantar durante 5
minutos, se desescorió el Fe-Si resultante que
flotaba en la superficie del baño. Esparciendo ClNH_{4} sobre la
superficie antes del desescoriado se puede reducir considerablemente
la cantidad de zinc que se arrastra con el
Fe-Si.
En la práctica industrial, se funde la aleación
de zinc o el zinc que contiene hierro y se toma una muestra para
determinar su concentración de hierro. La toma de la muestra puede
realizarse, también, en la alimentación al horno de fusión.
La cantidad de metal fundido en el horno puede
determinarse a partir del nivel de la masa fundida en el horno o
por pesaje. Puede calcularse así la cantidad total de hierro en la
masa fundida. Esta cantidad se usa para determinar la cantidad
necesaria de reactivos (Ni-Si, Al-Si
o Cl_{4}Si). La proporción en peso útil entre Si y Fe puede
variar entre 0,5 y 6, ya que el rendimiento de la reacción dependerá
de la temperatura y del grado de mezclado. Un mezclado menos eficaz
y temperaturas más bajas darán como resultado una mayor necesidad
de reactivos.
Claims (6)
1. Procedimiento para la eliminación de hierro
de un baño de zinc fundido, que comprende las operaciones de:
- -
- añadir una aleación de Ni-Si al baño de zinc, por lo que el hierro contenido en el baño de zinc reacciona con dicho compuesto para producir una mata de Fe-Si;
- -
- dejar que sedimente el baño de Zn, con lo que la mata de Fe-Si sube hasta la superficie del baño, y
- -
- recoger la mata de Fe-Si de la superficie del baño de zinc.
2. Procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 1, en el que el zinc fundido es un producto de zinc
secundario.
3. Procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 2, que comprende una operación preliminar al
procedimiento por la que se eliminan los sólidos que flotan en el
baño de zinc fundido antes de añadir el compuesto portador de
Si.
4. Procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 3, en el que el producto de zinc secundario comprende
escoria superior de un baño de galvanización.
5. Procedimiento de acuerdo con una cualquiera
de las reivindicaciones 1 a 4, en el que la aleación de
Ni-Si está compuesta por un 60-70%
en peso de Ni y un 30-40% en peso de Si.
6. Procedimiento de acuerdo con una cualquiera
de las reivindicaciones 1 a 5, en el que el baño de zinc fundido se
mantiene a una temperatura comprendida entre 480 y 700ºC.
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