La presente invención se refiere a un procedimiento para la fusión de metales o no metales, del tipo que consiste en fundir una carga en un horno mediante aportación de un combustible y aportación de oxígeno, por lo menos n través de un quemador, para activar la combus¬ tión.

La invención también se refiere la utilización de un material que comprende por lo menos un polímero proveniente de un hidrocarburo como matericl energético e anador de inquemados químicamente reductores, en un procedimiento para la fusión de metales o no metales.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Las máquinas de fusión, llamadas hornos, dis¬ ponen de un medio de aporte de energía, cualitativamente determinada en función del tipo de horno.

El horno eléctrico de arco efectúa la fusión de la carga mediante la diferencia de potencial entre las fases del aparato eléctrico y en forma de arco voltaico desposita energía sobre la carga a fundir por lo que su "fuente característica" de energía es la energía eléctrica.

En la fusión de aceros al horno eléctrico de arco, mezclc.do con la carga metálica u ocupando la parte inferior de la misma se añade carbón, generalmente antracita, en porcentajes variables con respecto a ella. Generalmente dichos porcentajes suelen hallarse en valores comprendidos entre el I y el 5 . Un horno electrice de 100 Tm, por ejemplo, podría incorporar con su carga

metálica entre 1 y 5 Tm de antracita, la cual si se quemase con un rendimiento del 100 % aportaría una energía adicional de 8.500-40.000 K h, que representan el 22 % y más del 100 % de la energía teórica para fundir la carga. Actualmente y debido al rendimiento discreto del carbón, al inicio del ciclo de fusión, se suelen moderar los por¬ centajes alrededor del 1,5 %, ya que de otra forma no habría tiempo material durante el ciclo para quema: lo todo. Los hornos de rebervero y rotativos se diieren- cian en que el segundo gira sobre su eje horizontal y el primero únicamente bascula, pero en ambos casos el medio de aporte de energía es un quemador o mechero mediante el cual se quema un combustible fósil utilizando como com- burent aire, aire enriquecido con oxígeno u oxígeno puro. liberando la energía sobre la carga a fundir, por lo que su fuente característica de energía es de origen químico.

En los últimos veinte años, y en busca de mayores rendimientos en los hornos de fusión, se han ins- talado en éstos sistemas de aporte de "energía adicional" que han propiciado ahorro, a veces muy importante, de la "energía característica" o clásica, siempre cara.

El más importante procedimiento de aporte de energía adicional que actualmente existe es la denominada "post-combustión", que en lineas generales consiste en añadir a la carga a fundir carbón, generalmente antracita o hulla, el cual a lo largo del período de fusión se irá quemando con oxígeno puro y liberando, por lo tanto, la energía adicional mencionada. Los procedimientos de post-combustión pueden .3er uy simples, un tubo de oxígeno puesto por la boca de] horno, o francamente sofisticados, como varios tubos refrigerados con agua introducidos por la cuba del horno y regulación de caudales de oxígeno en función de análisis de humes a la salida del horno.

En todos los casos una cuestión limita el ren¬ dimiento óptimo de la post-combustión. Todo el carbón mineral precisa una cierta temperatura para iniciar la emanación de los volátiles que contiene y entrar en ignición con el oxígeno, por lo cual la "energía adicional" empieza a actuar transcurrido un cierto tiempo del inicio de la fusión.

En los hornos de fusión rotativos, utilizados para la fusión del hierro, se suele añadir antracita junto con la carga metálica en porcentajes que suelen oscilar entre el 1,5 % y el 6 % de la misma.

Un horno rotativo de 20 Tm de capacidad, por ejemplo, suele incorporar con la carga metálica entre 400 y 1.200 kg de antracita, que a un rendimiento del 100 % aportarían una energía adicional de 3.400 a 10.200 Kwh, que representa entre el 50 % y el 150 % de la energía teórica necesaria para fundir la carga.

Actualmente, y debido al mal rendimiento del carbón al inicio del ciclo de fusión se suele moderar su porcentaje alrededor del 1,5 %, ya que de otra forma no daría tiempo a quemarlo todo a CO ₂ y por la chimenea quemarían cantidades muy importantes de CO (hasta el 30 % del volumen total de humos1.

Durante el primer 40 % del tiempo total del ciclo se puede detectar por análisis de humos hasta el 30 % de oxígeno en los mismos (la antracita no ha entrado en ignición y por tanto no se combina con el oxígeno) , durante el restante 60 % del tiempo el contenido de oxígeno en los humos es 0 %, y en cambio el CO alcanza valores hasta el 35 % (la antracita ha entrado espontáneamente en ignición y no hay suficiente oxígeno para quemarla) .

Los principales elementos de carga son hierro, carbono, silicio, manganeso y cromo, siendo el medio O-, , C0 ₂ y agua. La cantidad de elemento que es capaz de

oxidarse combinándose con el medio es proporcional a la temperatura del uno y del otro, a la superficie de con¬ tacto entre ambos, a la avidez química que tenga el elemento con respecto al medio, a la presión parcial de oxidantes que tenga el medio y, sobre i.odo, al tiempo de contacto entre uno y el otro.

En la actualidad los hornos equipados con sis¬ temas de post-combustión, la carga, por lo citado an¬ teriormente se halla expuesta durante el 40 % del tiempo d^.l ciclo a fuertes presiones parcicles de oxígeno libre y, aunque al inicio se halla fría, va calentándose progresivamente aumentando su cinética de oxidación. Es durante este período cuando la carga presenta la máxima superficie de exposición al medio. La escasa reactividad de la antracita no permite aumentar la velocidad de fusión prolongándose por tanto, el tiempo de contacto entre carga y medio oxidante (40 % del total del ciclo) . Por todo ello se produce una oxidación excesiva.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

El procedimiento de la presente invención con¬ sigue resolver los inconvenientes citados, y presenta otras ventajas, que se describirán. El procedimiento para la fusión de metales o no metales según la invención, que consiste en fundir una carga en un horno mediante aportación de un combustible y aportación de oxígeno, por lo menos a través de un quemador, para activar la combustión, y se caracteriza por el hecho de que comprende una etapa de adición de un material que incluye por lo menos un polímero proveniente de un hidrocarburo a la carga a fundir.

Con el procedimiento de la invención se potencia el rendimiento térmico y se inhibe la oxidación de los elementos que componen la carga a fundir.

Gracias a esta etapa del procedimiento, el material añadido inicia la emanación de volátiles y su ignición con oxígeno desde el inicio de la fusión, por lo que la energía adicional empieza a liberarse sobre la carga en ese instante, provocando sus efectos un balance térmico del ciclo de fusión, atípico y por tanto in¬ esperado, con ahorro de energía, aumento importante de la velocidad media de fusión y disminución de la oxidación de los elementos que componen la carga a fundir. Ventajosamente, la etapa de adición del citado material es inmediatamente anterior a la puesta en marcha del quemador.

De este modo se maximiza el rendimiento del material añadido. Preferiblemente, el material añadido comprende además combustibles fósiles; también puede comprender aleaciones metálicas o no metálicas.

En este caso, el rendimiento de los elementos de aleación aumenta considerablemente. En una realización preferida de la invención, el material se añade en forma de sólido compactado, con aglomerantes o sin ellos, o en forma de sólido sin compac¬ tar.

De acuerdo con un aspecto conveniente de la invención, el citado polímero proveniente de un hidrocar¬ buro comprende polietileno, polipropileno o poliestireno sin espumar, o una combinación de los mismos.

Este material adicionado es ecológico, ya que los materiales combustibles que forman parte de su composición al quemar con oxígeno puro se convierten en dióxido de carbono y vapor de agua. Su utilización ayuda a destruir, sin contaminar el medio ambiente, los excedentes de chatarras de polietileno, polipropileno y poliestireno sin espumar, todo ello con aprovechamiento energético. La invención se refiere asimismo a la

utilización, en un procedimiento para la fusión de metales o no metales, de un material que comprende por lo menos un polímero proveniente de un hidrocarburo como material energético emanador de inquemados químicamente reductores, para potenciar el rendimiento térmico y/o inhibir la oxidación de los elementos que componen la carga a fundir. De forma totalmente inesperada, los efectos cua¬ litativos de esta utilización son un aumento de la velo¬ cidad media de fusión, reducción de consumo de la "energía característica", r ducción de consumo de la energía total y disminución de mermas por oxidación de los elementos contenidos en la carga.

DESCRIPCIÓN DE REALIZACIONES PREFERIDAS Y RESULTADO DE LOS ENSAYOS REALIZADOS

En el procedimiento de la invención se funde, de modo conocido, una carga de metal o no metal aportando un combustible y aportando también oxígeno, por lo menos a través de un quemador, para activar la combustión. El procedimiento se caracteriza por el hecho de que comprende además una etapa de adición de un material energético atípico, que incluye por lo menos un polímero proveniente de un hidrocarburo. Este material produce un efecto sorprendente e inesperado, puesto que asegura la emanación de CO y H ₂ y su propia ignición desde el mismo instante de su introducción en el horno: de este modo, con un sistema de aportación de comburente adecuado, existen emanaciones masivas de "energía adicional" desde el inicio del ciclo. El procedimiento de la invención se puede aplicar con éxito en combinación con sistemas de post¬ combustión, por ejemplo en horno rotativo u horno eléctrico o con sistemas de aportación de comburente adecuados.

Es preferible realizar la etapa de adición después de las diferentes operaciones mecánicas que son necesarias tras la carga del material a fundir y del com¬ bustible, e inmediatamente antes de poner en marcha el quemador del horno; de esta modo, se maximiza el ren¬ dimiento del material añadido en esta etapa. Si la adición se produce simultáneamente con la introducción en el horno de la carga o del combustible, el material añadido per¬ manece un tiempo innecesario en el horno, desprendiendo humos, monóxido, hidrógeno, etc., y quedando por tanto em¬ pobrecido.

En esta nueva etapa de adición, el material añadido es un material energético portador de elementos químicamente reductores, básicamente carbono - hidrógeno. Desprende a partir de muy baja temperatura (80° C aproximadamente) elementos químicamente reductores de alto poder energético, y entra en ignición con oxígeno con desprendimiento masivo de energía desde el inicio del ciclo de fusión. El material añadido también puede incorporar en su formulación otros elementos, como combustibles fósiles, o elementos de aleación tales como carbono, silicio, man¬ ganeso, magnesio, cromo, níquel, etc.

Según su formulación, el material actuará en esta etapa del procedimiento como energético potenciador del rendimiento térmico a baja temperatura, es decir, como energético puro, o como energético potenciador del ren¬ dimiento térmico a baja temperatura e inhibidor de oxidación de elementos incorporados con la carga, es decir, como nergético e inhibidor de oxidación al mismo tiempo.

Como energético puro a baja temperatura, el material que se adiciona de acuerdo con el procedimiento de la invención se comporta según las siguientes ecuaciones:

CaH-i + 3 0 ₂ = 2 C0 ₂ + 2 H ₂ 0 + 12,8 Kwh/kg C ₃ H« + 9/2 0 ₂ = 3 C0 ₂ + 3 H ₂ 0 + 12,8 Kwh/kg C _β Hβ + 10 0 ₂ = 8 C0 ₂ + 4 H ₂ 0 + 11,25 Kwh/kg

Al ser termofusible a muy baja temperatura pesa inmediatamente a líquido contactando íntimamente con la carga, cediendo energía a la misma y prendiendo el carbón propio de la composición del material (si su formulación lo incluye) y el de post-combustión, provocando una reacción en cadena con un rendimiento térmico excepcional- mente bueno al inicio del ciclo.

La cantidad de calor cedido por conducción y convección al cuerpo más frío es función del gradiente de temperatura que existe entre el emisor y el receptor, de la superficie de contacto entre ambos, de las características físicas de uno y del otro y del tiempo de contacto. La cantidad de calor cedido por radiación de¬ pende fundamentalmente de la temperatura del emisor y la característica de cuerpo negro dal receptor. Como puede desprenderse de lo citado, es al inicio del ciclo de fusión cuando el aprovechamiento energético es óptimo.

En la etapa que caracteriza el procedimiento de la invención, la actuación del material como inhibidor de oxidación de los elementos de composición de la carga se debe fundamentalmente a la disminución de presión parcial de agentes oxidantes del medio, por lo que la cinética de oxidación de los elementos disminuye considerablemente.

El material distribuido en intimidad con la carga produce emanaciones de CO y H ₂ según la ecuación: C _x H _y + calor = x C + y H ₂ ; x C + x/2 0 ₂ = x CO

El CO y el H ₂ reaccionan con los agentes oxidantes del medio según las siguientes ecuaciones: CO + 1/2 0 ₂ = C0 ₂ ; H ₂ + 1/2 0 ₂ = H ₂ 0 CO + H ₂ 0 = C0 ₂ + H ₂ ; H ₂ + 1/2 C0 _? = H_>0 + 1/2 C Los agentes oxidantes presentan más avidez

química por el CO y el H ₂ que para los elementos de la carga.

El procedimiento de la invención ha sido en¬ sayado en un horno rotativo de 5,5 Tm de capacidad, equi- pado como fuente de energía característica, de un quemador o mechero oxi-propano. El horno en cuestión dispone de un sistema de post-combustión o de aportación de comburente al oxígeno puro y se utiliza pε.ra la fusión de hierro.

Durante los ensayos se han utilizado materiales según distintas formulaciones, a fin de conseguir tres tipos de resultados.

1) Caudal mínimo de energía característica (propano) , conservando velocidad de fusión clásica. Adición típica de antracita y material compuesto por un 30 % de polietileno y un 70 % de antracita, compactado en briquetas de 3 kg, con 0,1 kg de cemento Portland.

2) Caudal habitual de energía característica (propano) . Adición típica de antracita y material a fin de conseguir aumentar la velocidad de fusión. En este caso el material añadido en la etapa que caracteriza el procedimiento está compuesto por el 100 % de polietileno, presentado en forma de sólido no compactado.

3) Caudal habitual de energía característica (propano) . Adición típica de antracita y material com- puesto por un 25 % de polipropileno, un 25 % de polieε- tireno y un 50 % de ferro-silicio, del 75 % de riqueza en silicio y 0,1 kg de cemento Portland utilizado como aglomerante, presentado en forma de sólido compactado. La intención de los ensayos efectuados con esta composición es conseguir la misma velocidad de fusión que en el ensayo 2, protegiendo el silicio de adición.

En las tablas adjuntas se comparan los resul¬ tados obtenidos con la posición 0, que se refiere a la marcha habitual del horno sin la nueva etapa de adición de material.

Según se puede observar en la primera tabla, en la posición 1 con respecto a los parámetros clásicos, sin la etapa de la invención (posición 0), han variado de la siguiente forma: - Aumento de la velocidad media de fusión en un

9,7 %

- Disminución del tiempo de fusión en un 7,7 %

- Disminución del consumo de combustible clásico (propano) en un 45,3 % - Aumento del oxígeno total en u<-< 4,6 %

La variación en la misma tabla de las posiciones 2 y 3 respecto a la posición 0 es la siguiente:

- Aumento de la velocidad media de fusión en un 29,8 % - Disminución del tiempo de fusión en un 23 %

- Disminución del consumo de combustible clásico (propano) en un 31,25 %

- Aumento del oxígeno total en un 7,96 %

En la segunda tabla, las posiciones 2 y 3 con respecto a la posición 0 (sin la etapa de la invención) presentan una disminución del consumo energético específico de casi un 13 I, a pesar de haberse aumentado en ambas posiciones la velocidad de fusión en casi un 30 %. Este hecho inesperado sólo puede atribuirse a los efectos de la etapa de adición de material según la invención.

Analizando la tercera tabla, podemos observar que en la posición 3, a pesar de tratarse de una carga idéntica a las de las posiciones 0, 1 y 2, el porcentaje de elementos de] hierro ha avmentado en el caso del car¬ bono un 6,6 %, y en el caso del silicio más de un 36 %. Este hecho también inesperado sólo puede atribuirse al carácter inhibidor de la oxidación que el material añadido en el procedimiento de la invención ejerce sobre los elementos contenidos en el hierro.