CAMPO TECNICO DE LA INVENCION

La presente invención se engloba en el campo de la eliminación de impurezas en los metales contaminados, conocido también como purificación, siendo el ejemplo más representativo el de aleaciones de aluminio contaminadas con hierro.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

En la industria metalúrgica se realizan tratamientos sobre material secundario que permiten que se pueda volver a utilizar dicho material en el proceso productivo con propiedades lo más parecidas posibles al primario pero a mucho menos coste.

En concreto, en las aleaciones de aluminio, los óxidos y el hierro son los mayores contaminantes que se pueden encontrar. Estas aleaciones de aluminio se contaminan muy fácilmente con hierro debido al contacto directo con utillajes y moldes durante todo el proceso productivo y la presencia de óxidos es debido a la alta reactividad que tiene el metal en presencia de oxigeno.

Son numerosas las investigaciones que se han centrado en tratar de reducir la presencia de impurezas en los metales fundidos, más concretamente existe un gran número de investigaciones orientadas a tratar de reducir el efecto perjudicial de la presencia de hierro por medio de precipitación gravitatoria, métodos centrífugos, adición de elementos de neutralización, solidificación rápida o calentamientos supercriticos 300°C por encima de la temperatura de fusión. Los procesos de precipitación y separación centrifuga, como seria el correspondiente a la patente con número de publicación JPH11229055, no tienen interés industrial debido a la dificultad de implementarlos por su bajisima eficiencia y procesado no continuo. A pesar de que los procesos de neutralización, solidificación rápida y calentamiento supercritico reducen el impacto del hierro, no eliminan los efectos per udiciales de su presencia .

Actualmente la única alternativa real e implementada a nivel industrial para la eliminación del hierro consiste en la dilución con aluminio primario para reducir el contenido de hierro y otros elementos contaminantes hasta valores aceptados por norma, con los elevados costes económicos que ello supone. Con todo esto la separación recurriendo a una fuerza electromagnética, como se expone en el documento de Leenov (Daniel Leenov, Alexander Kolin "Theory of Electromagnetophoresis. I. Magnetohydrodynamic forces experiences by spherical and Symmetrically oriente cylindrical Particles", The journal of Chemical Physics, vol. 22 N° 4, 1954), que evalúa teóricamente el efecto que una fuerza electromagnética provoca sobre una partícula esférica, se presenta como un nuevo método capaz de eliminar la presencia de estas impurezas ricas en hierro u otros contaminantes, que podría aplicarse con una alta eficiencia, permitiendo un proceso en continuo y de interés industrial.

Existen estudios preliminares que han planteado resolver la problemática que actualmente se presenta, como son:

-procesos no continuos que se centran en utilizar fuerzas electromagnéticas creando una fuerza cilindrica en el interior del metal y por efecto centrifugo separar las inclusiones y llevarlas a las paredes, como es el caso del documento de Yamao (Fumitaka Yamao, Kensuke Sassa et al., "Separation of Inclusions in Liquid Metal Using Fixed Alternating Magnetic Field", Tetsu-to-Hagane, vol. 83, N° 1, 1997);

-utilización de un campo magnético de alta potencia para eliminar inclusiones como el explicado en el documento de Waki (Norihisa Waki, Kensuke Sassa et al., "Magnetic Separation of Inclusions in Molten Metal Using a High Magnetic Field", Tetsu-to-Hagane, vol. 86, N° 6, 2000) .

Ambos procesos se basan en la separación de las impurezas presentes ya en el seno del metal, debido al efecto de las fuerzas fluidodinámicas y la diferencia de densidades y no en la eliminación de elementos dañinos disueltos en el seno del metal y que, por simple efecto fluidodinámico o movimiento del metal, nunca podrán ser separados y eliminados.

El documento de Leenov refleja de manera teórica cómo realmente las fuerzas electromagnéticas pueden afectar a compuestos que pueden formarse con las impurezas a extraer del metal.

Existen sistemas electromagnéticos de trasvase de metal que ejercen fuerzas electromagnéticas sobre el metal conductor, la mayoría de ellos recurren a la utilización de electrodos que se tienen que introducir en el metal líquido para hacer pasar por ellos una corriente eléctrica, lo que tiene dos grandes inconvenientes: la nueva contaminación del metal ya que no existe ningún material metálico que soporte el efecto corrosivo del aluminio fundido, y el riesgo eléctrico y la alta necesidad de aislamiento a nivel industrial que requerirían estos dispositivos para poderlo implementar en un proceso industrial sin que haya riesgo de electrocución . Por otro lado, se conoce la utilización, también para sistemas de trasvase de metal, de las conocidas como bombas de inducción lineal que evitan el contacto con el metal y son más versátiles en cuanto a propiedades recurriendo a la utilización de corriente alterna en vez de continua, como son los sistemas con electrodos. Sin embargo, no se ha encontrado ningún antecedente de su utilización para afectar la presencia de partículas en el interior de un metal conductor Con todo eso, no se conoce una divulgación de un proceso continuo y eficiente que haya sido implementado a nivel industrial.

En el análisis de referencias más industriales que estén relacionadas con el sistema propuesto se ha encontrado la patente con número de publicación WO/2007/018243, que referencia a un sistema industrial de eliminación de impurezas contenidas en el metal sin recurrir a ningún tratamiento metalúrgico. Al igual que ocurre con los documentos de Yamao y Waki, este sistema nunca sería capaz de eliminar el exceso sobre norma de elementos que se encuentren disueltos en el metal ya que al encontrarse en disolución no presentan ninguna diferencia en cuanto a conductividad y por lo tanto no se ven afectados por fuerzas electromagnéticas. Además también tendría la problemática asociada de la contaminación in-situ del metal, ya que el proceso se realiza en el interior de un conducto ferromagnético, por lo que todo el tiempo que el metal permanezca fundido en su interior estará sufriendo contaminación de hierro procedente de las paredes del contendedor por lo que no sólo no se soluciona la problemática sino que se empeora .

Por lo tanto, sigue vigente la necesidad de purificar metales contaminados con impurezas mediante una instalación y un proceso sin contacto con otros elementos metálicos, en continuo y en estado líquido.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

Problemas que ayuda a resolver la presente invención

La presente invención es capaz de eliminar tanto impurezas exógenas, como por ejemplo óxidos previamente formados en el metal fundido, así como impurezas que se encuentran disueltas en el metal, endógenas, -siendo estas últimas las de mayor interés- y que se van a ver afectadas, las endógenas, por una primera fase metalúrgica o de tratamiento metalúrgico. Gracias a este tratamiento, las impurezas a eliminar se convertirán en nuevos compuestos cuya conductividad eléctrica va a permitir que las partículas a eliminar se vean afectadas por un campo electromagnético de forma completamente diferente al metal base.

En una segunda fase física o de tratamiento de separación se aplica una fuerza electromagnética generada por bombas de inducción lineal, produciéndose gracias a ello, un movimiento relativo entre la partícula y el metal que la contiene, lo que permite que sea un tratamiento externo, sin contacto y seguro, sin necesidad de introducir ningún componente metálico en contacto con el metal fundido evitando tanto posibles contaminaciones, como la degradación de estos elementos.

El metal está contenido siempre en un canal o conducto cerámico, nunca en contacto con elementos metálicos evitando así la contaminación con utillajes durante todo el proceso.

El procedimiento de purificado se realiza en continuo y puede ser adaptado a cualquier horno de fusión o de mantenimiento de los que habitualmente se utilizan en la industria de la fundición.

Cómo lo consigue la presente invención La presente invención queda establecida y caracterizada en las reivindicaciones independientes, mientras que las reivindicaciones dependientes describen otras características de la misma. El objeto de la invención es un procedimiento y una instalación de purificación de metales fundidos contaminados con impurezas que sea viable industrialmente . El problema técnico a resolver es configurar los elementos de la instalación y establecer las etapas del procedimiento para alcanzar el objetivo citado .

La invención se basa en la capacidad de desplazar una partícula de conductividad diferente a la del metal que la contiene, metal base, con una diferencia de al menos un orden de magnitud, referido a la potencia decimal (10 ¹ ), debido al efecto de un campo electromagnético. Con esta cuantificación de la diferencia se quiere referir a diez veces tanto menor como mayor, dicho de otra manera, una diferencia de más/menos diez veces (±10, 10<diferencia=x-y<l 0 siendo "x" la conductividad de la partícula e "y" la del metal base) . Por ello, el primer paso en el procedimiento consiste en transformar una impureza, fase metalúrgica o de tratamiento metalúrgico, en el caso de que dicha impureza se encuentre en disolución dentro de la matriz metálica, impureza endógena, en una partícula final de conductividad de al menos un orden de magnitud de diferencia con el metal, referido a la potencia decimal, para lo que se añade un elemento o compuesto inicial al metal fundido. Así, se consigue un compuesto intermetálico o partícula final susceptible de sufrir la acción de un campo electromagnético. Por lo tanto, el procedimiento incluye en primer lugar una fase metalúrgica o de tratamiento metalúrgico, a realizar en un horno, donde fundir y mezclar el metal a purificar con los elementos aleantes necesarios.

Y una segunda fase física o de tratamiento de separación, donde se produce el campo electromagnético que actúa sobre el metal fundido y sobre las partículas de diferente conductividad eléctrica, bien sean éstas exógenas o bien sean las formadas en la anterior etapa metalúrgica, a partir de las endógenas.

Una ventaja es que el procedimiento es de bajo coste pues son etapas sencillas que utilizan fuerzas generables de manera económica, por medio de bombas de inducción lineal.

Otra ventaja es que es compatible con los hornos existentes, pues la instalación produce el campo electromagnético de manera inductiva y exterior a los hornos existentes, a diferencia de los métodos que requieren la inserción de electrodos para la aplicación de corriente directa. Otra ventaja es que el conducto por donde discurre el metal en esta instalación, es cerámico y externo al horno y, por lo tanto, sencillo de separar del mismo ante, por ejemplo, un paro por emergencia. Otra ventaja es que el metal está constantemente contenido en canales o conductos y depósitos cerámicos, por lo que no sufre contaminación con elementos de los contenedores y utillajes metálicos, como podría ser el caso del hierro.

Otra ventaja es que es un proceso selectivo, capaz de eliminar impurezas sin afectar al resto de elementos de la aleación del metal base, en el caso que los haya, ya que sólo influirá en aquellos elementos afectados por el tratamiento metalúrgico.

Otra ventaja es que es capaz de trabajar en continuo de forma automática, sin más que incluir elementos comerciales utilizados en instalaciones automáticas, tales como controles, autómatas, etc.

Otra ventaja es que las impurezas, que normalmente forman una nata o un barro, se pueden eliminar fácilmente del contenedor citado en la reivindicación 10. Otra ventaja es que puede ser diseñado en base a los requerimientos de caudal, propios de cada instalación industrial en la que sea implementado .

Otra ventaja es su bajo coste de mantenimiento, del mismo orden que el de los sistemas de trasvase de metal fundido.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

Se complementa la presente memoria descriptiva, con un juego de figuras, ilustrativas del ejemplo preferente, y nunca limitativas de la invención.

La figura 1 representa una sección de un tramo del segundo conducto con metal fundido y una partícula sobre la que se representan las fuerzas existentes.

La figura 2 muestra un esquema con los elementos de la instalación, con un primer horno de fusión y un segundo horno de tratamiento metalúrgico. Con cuadros en línea discontinua se representan los elementos para la fase de tratamiento metalúrgico (M) y para la fase de tratamiento de separación (S) . La flecha curvada indica el sentido de avance del metal fundido, que es en el sentido de las agujas del reloj.

La figura 3 muestra un esquema de la instalación en la que el primer horno de fusión y el segundo horno de tratamiento metalúrgico de la figura 2 quedan integrados en un tercer horno de fusión y tratamiento metalúrgico .

En las figuras 4, 5 y 6 se representan respectivamente fotografías al microscopio de diferentes morfologías del compuesto AlSi(FeMn) : en letra china, en estrella, en polígono. EXPOSICIÓN DE TALLADA DE LA REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN

A continuación se expone una realización de la invención con apoyo en las figuras.

El procedimiento de purificación presentado es capaz de eliminar impurezas, endógenas y exógenas, del metal contaminado, siempre que las partículas tengan una conductividad eléctrica diferente en al menos un orden de magnitud, referido a la potencia decimal, con respecto al metal que las contiene.

Para lograrlo, el dispositivo electromagnético (3), figuras 2 y 3, genera un campo electromagnético (B) sobre el metal con impurezas, perpendicular a una densidad de corriente (J) que se induce sobre el mismo metal en sentido longitudinal al segundo conducto (6), por el que circula, de modo que se produce una fuerza electromagnética (F _L ), que según la ley de Lorentz tiene sentido perpendicular a B y J.

En la figura 1 se representa el diagrama de fuerzas F _L =JxB que actúa en el metal fundido. La resultante de la fuerza electromagnética y las fluidodinámicas que actúan sobre una partícula contenida en el metal fundido sobre el que se aplican B y J, de conductividad eléctrica diferente en al menos un orden de magnitud, referido a la potencia decimal, con respecto al metal que las contiene, provoca un movimiento relativo de dicha partícula respecto al del metal fundido, fase de separación (S) .

La diferencia de conductividades eléctricas entre el metal fundido y la partícula a eliminar, determinará la magnitud y el sentido de esta fuerza resultante, pudiendo ser en el mismo sentido que la fuerza electromagnética (F _L ) o contrario. En la figura 1 en círculo negro se representa la partícula y la fuerza resultante sobre ella cuando la conductividad de la partícula es menor que la del metal fundido, en cuyo caso es de sentido opuesto a la fuerza electromagnética (F _L ) generada sobre el metal.

En el caso de que las impurezas a eliminar no presenten la diferencia de conductividad eléctrica necesaria, o se encuentren disueltas en el metal líquido, se debe recurrir a un tratamiento metalúrgico (M) que combine dichas impurezas con otros elementos transformándolos en nuevos compuestos de conductividad eléctrica diferente al metal a purificar en al menos un orden de magnitud, referido a la potencia decimal, mientras el metal aún se encuentra en estado líquido y a una temperatura óptima de trabajo.

Una opción para conseguir estos compuestos, es recurrir a los elementos centrados entre los grupos IV y VII de la tabla periódica, concretamente para la eliminación de hierro que sean manganeso o zirconio.

Otro aspecto importante es la forma del compuesto final a eliminar, puesto que la fuerza resultante es mayor cuanto mayor sea la relación volumen/superficie de la impureza. Así por ejemplo, en el caso de la eliminación de hierro, al adicionar manganeso se obtiene un compuesto AlSi(FeMn) que presenta a la vez tres morfologías diferentes: en letra china (figura 4), en estrella (figura 5), en polígono (figura 6) . Se ha comprobado que la configuración más ventajosa es la llamada polígono porque presenta una relación volumen/superficie mayor.

En la figura 2 se muestra un esquema de la instalación para la eliminación de impurezas en un metal contaminado que incluye un primer horno (1) de fusión, en el que se puede fundir dicho metal, independiente a un segundo horno (2) de tratamiento metalúrgico (M) , al metal fundido se añade un elemento o compuesto inicial que se combina con la impureza para formar un compuesto intermetálico o partícula final, con la conductividad eléctrica apropiada. Ambos hornos (1,2) se conectan por un primer conducto (5) cerámico. A continuación del segundo horno (2) se dispone un segundo conducto (6) cerámico por donde es capaz de discurrir el metal fundido, hasta el dispositivo electromagnético (3) . En dicho dispositivo electromagnético (3) se crea un campo electromagnético por medio de bombas de inducción lineal, cuyas líneas de campo son transversales al movimiento del fluido contenido en el segundo conducto (6) . De este modo sobre la partícula final actúa una fuerza resultante (R) capaz de arrastrarla, fase de separación (S) . La actuación del campo magnético se realiza por donde circula el metal fundido; por sencillez se indica el conducto correspondiente, aunque también podría ser un depósito en las proximidades del dispositivo electromagnético (3) o incluso interior al mismo.

En la figura 3 se muestra la variante de que el primer (1) y segundo horno (2) quedan integrados en un tercer horno (9) de fusión y tratamiento metalúrgico (M) . Obviamente, el primer conducto (5) de conexión del primer (1) y segundo horno (2) queda eliminado.

Otra opción es, como muestran las figuras 2 y 3, que para asegurar mayores caudales y efectividad del procedimiento, la configuración incluya una bomba de impulsión (4) para asegurar el caudal requerido en caso de una instalación muy grande; del dispositivo electromagnético (3) sale un tercer conducto (7) que se conecta con dicha bomba de impulsión (4) de la que sale un cuarto conducto (8) hasta el correspondiente horno (1,9) . La citada bomba de impulsión (4), aunque no se represente, puede estar en cualquier posición de la instalación, incluso dentro de cualquiera de los hornos (1,2,9), pues su función es la inherente a cualquier bomba de impulsión de impulsar el fluido que la atraviesa .

Opcionalmente, el dispositivo electromagnético (3) comprende un depósito cerámico, no representado, donde quedan acumuladas las partículas que contienen las impurezas separadas del metal fundido.