ES2559514T3 - Proceso de reciclado para el reciclado de materiales metálicos granulados que contienen impurezas superficiales - Google Patents

Abstract

Proceso de reciclado para el reciclado de materiales metálicos granulados que contienen impurezas superficiales, caracterizado porque combina un subproceso 1 y un subproceso 2, donde en el subproceso 1 es eliminado parcialmente el material contaminante mediante calentamiento del material de partida hasta una temperatura inferior o igual a 300 ºC, en atmósfera oxidante controlada; y en el subproceso 2, en atmósfera inerte, se calienta el material hasta 400-550 ºC y se eliminan los restos de material contaminante que aún permanecen, mediante una acción combinada térmico-mecánica.

Description

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DESCRIPCION

Proceso de reciclado para el reciclado de materiales metalicos granulados que contienen impurezas superficiales Campo tecnico de la invencion

La presente invencion se refiere a un proceso de preparacion y reciclado de metales, que tiene aplicacion en la industria metalurgica y mas concretamente en el campo de la recuperacion de metales para la recuperacion de metales contenidos en materiales residuales, especialmente cuando se presentan con un tamano de partfcula pequeno. Estos materiales residuales se caracterizan porque el metal esta contaminado con material organico, tal como aceite, plastico madera, pintura, etc., y pueden contener tambien impurezas de caracter inorganico.

El objetivo de la invencion es un proceso que permite eliminar los componentes no metalicos, principalmente productos organicos e impurezas diversas, de materiales residuales con alto contenido metalico. Si bien el proceso es aplicable a materiales metalicos de diversas granulometnas y tamanos, es especialmente apropiado para partfculas metalicas de pequeno tamano no recuperables o recuperables con bajo rendimiento y/o calidad mediante los procesos conocidos en la actualidad. El proceso es apto para un gran numero de metales que incluyen aluminio, cobre, magnesio, cinc, etc. y sus aleaciones.

Antecedentes de la invencion

Los procesos termicos actuales de tratamiento de metales contaminados con impurezas, especialmente de naturaleza organica, tienen los siguientes problemas:

- El metal se oxida al aumentar la temperatura y estar en contacto con elementos organicos durante el proceso de reciclado. Esto evita que estos elementos se puedan briquetear, es decir hacer briquetas, y sinterizar en caliente. Ademas, se generan gases durante el proceso, existe riesgo de explosion por humedad y los rendimientos metalurgicos son bajos.

- La calidad obtenida de los materiales reciclados a partir de materias primas sucias no permite su empleo en aplicaciones que requieren alta pureza y baja oxidacion del metal (tabletas aleantes, granalla de aluminio, cobre eiectrolttico, etc.).

- Las cargas contenidas en las pinturas, que habitualmente quedan pegadas al metal, son eliminadas insuficientemente.

- Puede ser necesaria la aportacion de sales fundentes para lograr un mayor grado de recuperacion. Estas sales generan escorias, que son diffciles de reciclary tienen un alto coste e impacto medioambiental.

- Es muy diffcil reciclar elementos compuestos tipo sandwich, paneles, etc.

Debido a estos problemas, existen corrientes de materiales metalicos que no pueden recuperarse con los procesos existentes. En otros casos en los que la recuperacion es posible, los rendimientos metalurgicos son bajos y/o los metales reciclados no pueden ser utilizados para aplicaciones con requisitos de alta pureza, debido a la contaminacion que sufre el metal durante el proceso de reciclado.

Dentro de los procedimientos que se han sugerido de recuperacion del metal estan aquellos basados en la incineracion o combustion de la fraccion organica, tal como plasticos, gomas, resinas o papel encontrados junto al metal. Dichos procedimientos requieren una atmosfera oxidante y normalmente se realizan a temperaturas relativamente altas. Como consecuencia, una parte del metal se oxida con la consiguiente perdida de rendimiento de recuperacion.

El hecho de que los materiales metalicos esten expuestos a temperaturas relativamente altas en presencia de oxfgeno, es cuestionable por al menos dos razones. Primera, porque el metal se oxida superficialmente y, segunda, porque las propiedades del metal recuperado finalmente estan normalmente afectadas por el sobrecalentamiento. Por lo tanto, no tiene unas propiedades tan buenas como aquellas del metal antes de ser procesado para la eliminacion de los elementos contaminantes.

La patente US-7.976.611 describe un proceso continuo para recuperar metales, en el que los componentes organicos son eliminados mediante combustion directa a temperaturas elevadas. Las temperaturas de proceso indicadas estan entre 400 y 1100 °C, preferentemente de 600 a 900 °C y concretando la maxima temperatura preferente en el rango de 700-850 °C, La adicion de oxfgeno a estas temperaturas permite eliminar la parte organica mediante oxidacion, pero presenta varios inconvenientes. En primer lugar, la temperatura de tratamiento es demasiado elevada para un gran numero de metales, incluyendo el Al, Mg, Pb, por tener temperaturas de fusion menores. En segundo lugar, como ya se ha comentado anteriormente, los procesos de combustion directa de la materia organica generan una corrosion del metal que repercute en un menor rendimiento de recuperacion. En el caso de la mencionada patente, este fenomeno es especialmente relevante por tratar el metal a una temperatura elevada en medio oxidante. En tercer lugar, el proceso sugerido provoca la volatilizacion de determinados metales que se han de retener en la lmea de tratamiento de gases en forma de oxidos, generando un nuevo residuo y reduciendo el rendimiento de recuperacion como metal.

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La patente GB-1.370.071 emplea un horno rotativo inclinado de recuperacion de virutas con materiales organicos pegados, mediante un proceso que incluye el movimiento de las virutas a traves de un camino tortuoso con un gradiente ascendente de temperaturas en una atmosfera con presencia de oxfgeno. Indica que la temperatura de tratamiento debe ser suficiente para que vaporice u oxide los contaminantes organicos, pero a una temperatura inferior a la que el metal se oxida substancialmente. Sin embargo, no especifica la temperatura necesaria que, ademas, es diferente para cada metal tratado. Unicamente se indica la temperatura concreta para el tratamiento de bronce, que debe ser como maximo inferior en 93 °C a la temperatura de fusion. Este margen de temperatura, aplicado a un buen numero de metales, genera los problemas comentados anteriormente: importante oxidacion del metal y elevada volatilizacion de metales hacia la salida de gases. Este ultimo fenomeno se va a dar principalmente cuando se traten mezclas de metales con presencia de metales facilmente volatilizables. Tras el proceso de eliminacion de las impurezas, la invencion aplica un sistema de compactacion de las virutas a la temperatura de salida o despues de un enfriamiento parcial, seguido opcionalmente por la fusion del metal compactado en un horno de fusion. Las virutas se compactan a una temperatura elevada pero inferior en 260 °C a la temperatura de fusion del metal tratado. Es decir, la temperatura de compactacion es muy inferior a la temperatura de semi-solido y, por lo tanto, no garantiza que el metal se encuentre en un estado suficientemente blando para que permita una compactacion optima del metal. Por otro lado, esta patente no es adecuada para el trabajo con materiales que sean de gran tamano y con unas concentraciones de cargas organicas pequenas.

Otros procedimientos de recuperacion de metales contaminados incluyen el calentamiento del metal y de las impurezas que le acompanan en una camara estanca y en un ambiente exento de oxfgeno, para provocar la pirolisis de los compuestos organicos. Este procedimiento requiere generalmente el tratamiento en pequenos lotes de producto, incrementando el coste en relacion a un proceso continuo. Ademas, la pirolisis de los compuestos organicos genera una gran diversidad de subproductos que dificultan su gestion. Por una parte, estan los gases y condensados pirolfticos, mezclas de un numero elevado de productos organicos, que requieren su recoleccion y tratamiento y, por otro, una gran cantidad de residuo carbonoso que queda adherido al metal.

La patente US 3.744.779 presenta un proceso continuo de recuperacion de los metales de la chatarra, mediante “destilacion destructiva” de los componentes organicos a temperaturas donde el metal queda poco afectado, con un calentamiento en ausencia de oxfgeno. El proceso, en realidad, consiste en dos subprocesos bien diferenciados. En el primero, el residuo metalico se calienta en ausencia de oxfgeno, produciendose un destilado de los compuestos organicos volatiles. Cuando la temperatura es lo suficientemente elevada y los compuestos organicos pesados, que todavfa permanecen junto con el metal, se pirolizan generando complejas mezclas de gases y ftquidos pirolfticos. La gestion de los gases emanados en ambos subprocesos resulta muy compleja: en primer lugar se deben condensar compuestos volatiles volatilizados directamente del residuo que se mezclaran, a continuacion, con los productos condensables generados en la etapa de pirolisis. Finalmente, se generaran unos gases pirolfticos incondensables que se deberan eliminar continuamente a la salida del horno. Es un proceso bien adaptado a residuos metalicos unicamente contaminados con productos organicos volatiles, permitiendo incluso su recuperacion, sin embargo presenta la complejidad propia de los procesos pirolfticos cuando se trata de residuos con mezclas complejas de productos organicos, especialmente cuando estan presentes productos de alto peso molecular, no volatiles. Ademas, este proceso tiene la desventaja de que, una vez obtenido, el metal final debe ser procesado mediante una separacion ffsica y se emplea un bano de sales para limpiar el metal de los residuos carbonosos. El empleo de sales tiene un gran impacto medioambiental, debido a la creacion de escorias de diffcil recuperacion. Por otra parte, es necesario fusionar el metal recuperado para obtener una limpieza adecuada.

Descripcion de la invencion

La presente invencion supera los problemas mencionados en los procesos anteriormente descritos y se refiere a un proceso de reciclado para el reciclado de metales a partir de materiales residuales que consiste en tres subprocesos. En el primer subproceso, la fraccion organica se oxida en una atmosfera oxidante a baja temperatura, evitando la oxidacion del metal. En el segundo subproceso, se elimina el resto de impurezas a una temperatura superior y en una atmosfera inerte, retirando los componentes no metalicos adheridos al metal. El proceso se desarrolla preferentemente de una forma continua mediante los dos tratamientos termicos mencionados, resultando finalmente un metal limpio. Este metal puede ser apto para su utilizacion directa o tras ser sometido a un tercer subproceso de sinterizado a una temperatura muy cercana a la de fusion del metal El proceso permite, ademas, tratar metales contaminados, por ejemplo con aceites o lacas, evitando la utilizacion de otros procesos que requieren la adicion de sales para separar el metal de su escoria. Se debe resaltar que una de las ventajas del proceso es que se desarrolla continuamente.

El proceso de reciclado para el reciclado de residuos metalicos es especialmente apto cuando el metal esta preferentemente en forma de granulos que tienen un tamano reducido y acompanado de componentes no metalicos, especialmente productos organicos. La primera fase del proceso permite, mediante dos subprocesos 1 y 2 consecutivos, la eliminacion de todos aquellos materiales de origen organico, tales como taladrinas, espumas, plasticos, maderas, etc., asociados con el metal y la reduccion del porcentaje de contaminantes en el metal reciclado, tales como las cargas de las pinturas, sin provocar su oxidacion. Por lo tanto, el proceso permite, en esta primera fase, la obtencion del metal limpio, que puede emplearse directamente como materia prima secundaria en diferentes aplicaciones industriales, tanto en forma de granalla como de briquetas. En una segunda fase, si la

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utilizacion final lo requiriera, se contempla la aplicacion del subproceso 3 que permite una compactacion del metal a una temperatura muy cercana pero inferior a su punto de fusion, obteniendo una calidad final similar al metal fundido.

Por lo tanto, el proceso global propuesto por la invencion comprende la combinacion de tres subprocesos: el objetivo de los dos primeros es la eliminacion de las impurezas que acompanan al residuo metalico, mientras que el objetivo del tercer subproceso es la compactacion del metal mediante un tratamiento de sinterizacion.

En el subproceso 1, se elimina la mayor parte del material contaminante, especialmente la fraccion organica. En primer lugar se calienta el material hasta una temperatura inferior a 300 °C, en atmosfera oxidante. El reactor u horno donde se realiza el tratamiento esta dotado de un sistema que mantiene el material en movimiento, lo que puede realizarse mediante sistemas tales como bandejas vibradoras, rotacion, etc.

Por otra parte, en el subproceso 2 se calienta el material resultante del subproceso anterior hasta 400-550 °C en atmosfera inerte para impedir la oxidacion. En este subproceso, que esta tambien en movimiento, se eliminan los restos de material contaminante que aun quedan, por ejemplo, carbonilla y otras impurezas. A continuacion, mediante la accion combinada de temperatura y tratamiento mecanico (friccion, dilatacion, etc.) se separan los componentes de naturaleza inorganica adheridos a la superficie metalica. Estos componentes inorganicos pueden provenir del residuo original (materiales ceramicos, cargas de pintura, etc.) o haberse generado en el subproceso anterior como resultado de la combustion incompleta de los productos organicos (carbonilla).

Dicha combinacion de dos subprocesos de calentamiento, uno con atmosfera oxidante y otro con atmosfera inerte, ambos con rangos de temperatura controlados, permite obtener, de una forma novedosa y eficaz, un metal no oxidado exento de las impurezas originales y sin alteracion de su forma geometrica. Este metal limpio ya podfa utilizarse en diferentes aplicaciones industriales como materia prima secundaria.

No obstante, ocurre con frecuencia que los metales granulados no pueden ser reciclados y reutilizados en ninguna aplicacion industrial. Normalmente, la razon de esta imposibilidad o dificultad reside en que los metales de pequeno tamano se oxidan facilmente a medida que se incrementa la temperatura en un ambiente con presencia de oxfgeno. Por ello, aunque el material resultante de los dos primeros subprocesos puede ser reutilizado directamente en determinadas ocasiones, el proceso de la presente invencion contempla un tercer subproceso que permite transformar el metal granulado en un material similar al metal fundido, siendo este apto para su utilizacion en una mayona de procesos industriales, especialmente en aquellos que requieren su fusion mediante sistemas convencionales. El metal granulado descontaminado proveniente del subproceso 2, se somete a un proceso de sinterizado, para lo que debe ser calentado a una temperatura en la que adopte un estado semi-solido, es decir, una consistencia pastosa, dependiendo dicha temperatura de cada metal, para seguidamente ser prensado en forma de briquetas o similares. Este subproceso 3 completa de esta forma, cuando asf se requiera, el proceso global de reciclado para el reciclado del residuo metalico original.

Descripcion de los dibujos

Para complementar la descripcion que se esta realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprension de las caracteristicas de la invencion, de acuerdo con un ejemplo preferente de realizacion practica del mismo, se adjunta como una parte integrante de dicha descripcion una figura en la que, con caracter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:

La figura 1 muestra un diagrama de flujo de una realizacion preferente del proceso de la invencion, donde pueden distinguirse los subprocesos 1, 2 y 3.

Realizacion preferente de la invencion

El proceso consiste en tres subprocesos que se pueden clasificar en dos fases:

Fase 1: El objetivo de los subprocesos 1 y 2 es eliminar las impurezas, especialmente las de naturaleza organica (aceites, plasticos, etc.), mediante dos tratamientos consecutivos, uno en medio oxidante y baja temperatura y el segundo en medio inerte a temperatura superior. El resultado es un metal limpio que puede ser comercializado o fundido directamente o puede ser sinterizado en la siguiente fase.

Fase 2: Por otra parte, cuando la aplicacion del material reciclado asf lo requiera, el subproceso 3 recibe el material metalico, especialmente el de pequeno tamano, ya exento de impurezas generado en los subprocesos 1 y 2, para ser sinterizado mediante prensado a una temperatura inferior a la de fusion.

Seguidamente, se detalla cada uno de los subprocesos de acuerdo con una realizacion preferente del proceso de la invencion:

En el subproceso 1 se introduce el material metalico con impurezas para eliminar la humedad y los compuestos organicos mediante oxidacion a una temperatura de aproximadamente unos 300 °C. El objetivo es eliminar la mayor parte de dichos compuestos en forma gaseosa evitando la oxidacion del metal. Junto con el material a

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tratar se debera introducir ox^geno o aire en una cantidad estequiometricamente suficiente como para oxidar toda la materia organica presente. El equipo en el que se realice esta etapa debe estar provisto de un sistema que provoque el movimiento del material, tanto para su avance como para permitir un calentamiento homogeneo y la exposicion de toda la fraccion organica al gas oxidante. El calentamiento se puede realizar tanto mediante un calentamiento directo (por ej.: mechero o resistencias situadas en el interior del equipo) o a traves de una camisa exterior provista de un sistema de calentamiento (por ej.: resistencias, mecheros, aire caliente, etc., situados en la camisa). El equipo requiere, ademas, un control que regule la temperatura a la que se somete el material. Si el material tratado contiene una fraccion organica cuya combustion no permite alcanzar la temperatura de proceso, el sistema de calentamiento debera proveer el calor adicional necesario. Si la fraccion organica es abundante y su combustion eleva la temperatura por encima de los 300 °C, se debe controlar el sistema mediante diversas practicas: dilucion del material metalico a tratar con un material inerte (minerales, otro metal, etc.) que absorba el calor y sea facilmente recuperable y/o alimentacion de un gas menos rico en oxfgeno y/o refrigeracion mediante un fluido circulando por la camisa exterior. Los gases generados a esa temperatura se pueden tratar debidamente antes de su emision a la atmosfera. El equipo requerido para dicho tratamiento depende del material concreto que se este tratando y del nivel de impurezas que contenga, sin embargo, como maximo se requiere el siguiente equipo: postcombustor, enfriador de gases y filtro de mangas.

En el subproceso 2, el material tratado en el subproceso 1, sin que se enfne, se somete a una temperatura en el rango de 400-450 °C para terminar de eliminar las impurezas. Al ser una temperatura a la que el metal se puede oxidar, esta etapa se realiza en un medio inerte exento de oxfgeno. Se ha comprobado que de esta forma se eliminan las incrustaciones de carbonilla y otras impurezas todavfa presentes al finalizar el tratamiento previo. En esta etapa, el equipo utilizado debe estar tambien provisto preferentemente de un sistema de movimiento del material, debido a que este movimiento junto con la temperatura produce un efecto combinado (dilatacion, rozamiento, etc.) que permite obtener un material metalico limpio. El gas inerte se puede extraer del equipo, purificar mediante eliminacion de partfculas en un ciclon y/o filtro de mangas y recircular nuevamente al interior. El sistema de calentamiento puede ser, como en el caso anterior, directo o indirecto a traves de una camisa, con la excepcion de los sistemas directos que pueden introducir oxfgeno en el medio (por ej.: mecheros con llama). El material metalico resultante puede ser comercializado o fundido directamente o puede pasar al siguiente subproceso 3 para ser sinterizado. En el caso del metal limpio sin compactar, puede ser necesario un sistema de enfriamiento rapido para evitar la oxidacion. Para ello se pueden emplear bandejas vibrantes enfriadoras, cubas de agua, sistemas criogenicos, o cualquier otro medio de enfriamiento de metales, pudiendo incluir la necesidad de una atmosfera inerte.

En el subproceso 3, el material granular limpio generado en la fase anterior, se puede compactar mediante sinterizado a presion. Para ello se debe elevar la temperatura del material a un 85-97 % de la temperatura de fusion del metal tratado en un medio inerte y someterlo a continuacion a una compactacion mediante una prensa. El material obtenido en estas condiciones tiene una densidad cercana al 100% del correspondiente al metal fundido. El subproceso 3 esta formado por un sistema de dosificacion del metal caliente, preferentemente a la misma temperatura de salida del subproceso 2 y mediante un sistema que permita un dosificado exacto (valvulas alveolares, camaras con sistema de pesado y apertura en funcion del peso detectado), un sistema que permita elevar la temperatura hasta el 85-97 % de la temperatura de fusion, de tal manera que el material se encuentre dentro del rango de estado semi-solido con un mmimo de fraccion lfquida que permita la union optima de los materiales en el proceso de compactado y molde calefactado sobre el que cae el material para ser compactado mediante una prensa provista de, por ejemplo, uno o dos pistones. Cuando el material se enfna, en algunos casos puede ser necesario un sistema de enfriamiento para poder reducir los tiempos de ciclo, el piston se retira, se abre el molde y se extrae el metal compactado.

A la vista de esta descripcion y de la figura 1, las realizaciones preferentes descritas se pueden transformar en otras

similares mediante combinaciones de las fases y subprocesos descritos dentro del objetivo de la invencion. La

invencion ha sido descrita segun algunas realizaciones preferentes de la misma, pero se pueden introducir multiples

variaciones en dichas realizaciones preferentes sin exceder el objetivo de la invencion reivindicada.

Ejemplo:

A continuacion se exponen dos ejemplos experimentales representativos de la aplicacion del proceso objetivo de la

invencion:

Ejemplo 1.- El proceso empezo con un residuo consistente en una granalla de aluminio contaminada con materiales organicos diversos. La fraccion inferior a 1 mm contema un 11,45 % de carbono total, mientras que la fraccion entre 1-2 mm contema un 9,77%. El material original se ha sometido a los subprocesos de la fase I descritos anteriormente. Concretamente, se ha sometido en el subproceso 1 a una temperatura de 295 °C durante media hora, habiendo circulado un 120% del oxfgeno estequiometricamente necesario para gasificar todo el carbono. A continuacion, en el subproceso 2, se ha sometido a una temperatura de 430 °C durante media hora en una atmosfera inerte de argon. El material resultante obtenido se ha clasificado en dos fracciones: inferior a 1 mm y 1-2 mm. El contenido en carbono de la primera fraccion se ha reducido a un 0,18 % y el de la segunda a un 0,13 %. De esta forma, se puede observar la eficacia del proceso descrito, siendo el rendimiento

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de eliminacion de carbono superior al 98 % en ambos casos. Por otra parte, el oxfgeno analizado en el metal antes del tratamiento fue de un 1,4 % y el obtenido tras el tratamiento en los subprocesos 1 y 2 resulto ser de un 0,3 %, Es decir, se puede observar que el proceso no ha provocado la oxidacion del material y, por el contrario, ha permitido la eliminacion de una parte del oxido superficial presente en el material de partida.

Ejemplo 2.- El residuo sometido a tratamiento es un conjunto de hilos de cobre de 20 cm de largo y 0,5 mm de diametro contaminado con una mezcla de productos aceitosos. El contenido en carbono del material original era de un 12 %. Este material se ha sometido a los subprocesos de la fase I descritos anteriormente. Concretamente se ha sometido, en el subproceso 1, a una temperatura de 300 °C durante 45 minutos, habiendo circulado un 120% del oxfgeno estequiometricamente necesario para gasificar todo el carbono. A continuacion, en el subproceso 2, se ha sometido a una temperatura de 430 °C durante 45 minutos en una atmosfera inerte de argon. El contenido en carbono de la fraccion resultante es de un 0,2 %, siendo el rendimiento de eliminacion de carbono superior al 98 %. El contenido en oxfgeno permanecio invariable tras las etapas de tratamiento.

Claims (4)

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   REIVINDICACIONES

   1. - Proceso de reciclado para el reciclado de materiales metalicos granulados que contienen impurezas

   superficiales, caracterizado porque combina un subproceso 1 y un subproceso 2, donde en el subproceso 1 es eliminado parcialmente el material contaminante mediante calentamiento del material de partida hasta una temperature inferior o igual a 300 °C, en atmosfera oxidante controlada; y en el subproceso 2, en atmosfera inerte, se calienta el material hasta 400-550 °C y se eliminan los restos de material contaminante que aun permanecen, mediante una accion combinada termico-mecanica.
2. 2. - Proceso segun la reivindicacion 1, en el que durante los subprocesos 1 y 2 se mantiene el material en

   movimiento.
3. 3. - Proceso segun las reivindicaciones 1 y 2, en el que el material procedente del subproceso 2 es un metal limpio

   granulado apto para ser utilizado como materia prima secundaria en diversas aplicaciones industriales.
4. 4. - Proceso segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el proceso se completa sometiendo el

   metal granulado descontaminado, proveniente del subproceso 2, a un proceso de sinterizado, para lo cual debe ser calentado a una temperatura inferior a su punto de fusion, en el que adopta un estado semi-solido, para seguidamente ser prensado en forma de briquetas o similares, teniendo lugar dicho proceso de sinterizado en un subproceso 3.