ES2216864T3 - Produccion carbotermica de aluminio usando aluminio de desecho como refrigerente. - Google Patents

Abstract

Un procedimiento para producir aluminio por reducción carbotérmica de la alúmina, que comprende: (a) hacer reaccionar alúmina con carbono a una temperatura por encima de 1800ºC para producir un cuerpo fundido que comprende aluminio y carburo de aluminio; (b) mezclar con dicho cuerpo fundido un refrigerante sólido que comprende aluminio o una aleación de aluminio, para enfriar así dicho cuerpo a una temperatura en el intervalo de 900-1000ºC, y precipitar carburo de aluminio; y (c) separar el carburo de aluminio precipitado de dicho cuerpo fundido, para formar así un cuerpo fundido que tiene un contenido de carburo de aluminio reducido.

Description

Producción carbotérmica de aluminio usando aluminio de desecho como refrigerante.

Campo técnico

Esta invención se refiere a un procedimiento carbotérmico para la reducción térmica directa de óxido de aluminio para formar aluminio metal.

Antecedentes

El procedimiento comercial predominante hoy día para producir aluminio es el procedimiento Hall-Heroult de disociar electrolíticamente la alúmina disuelta en un baño criolítico fundido a una temperatura de aproximadamente 1000ºC. Se ha hecho muchos intentos para sustituir este procedimiento y producir comercialmente aluminio mediante un procedimiento de reducción térmica directa del óxido de aluminio con carbono a temperaturas suficientemente altas, según una reacción escrita como ecuación (1).

Ec.(1)Al_{2}O_{3} + 3C \rightarrow 2Al + 3CO

El aluminio se puede producir mediante la reducción térmica directa carbotérmica de la alúmina, por ejemplo en un horno de calentamiento por resistencia y con escoria o en un horno de arco eléctrico abierto o sumergido. Los principios científicos implicados en la química y en la termodinámica de las reacciones se entienden ahora bastante bien (C.N. Cochran, Metal-Slag-Gas Reactions and Processess, Electrochem. Soc., Princenton , N.J. 1975, páginas 299-316; K. Motzfeldt y B. Sandberg, Light Metals 1979, AIME, New York. N.Y. 1979, Vol. 1, páginas 411-428, y las referencias aquí citadas). No obstante, no se ha establecido ningún procedimiento industrial basado en estos principios.

La Patente de Estados Unidos 3.975.187 (Kibby), describe un método para reducir el carburo de aluminio contenido en el aluminio producido por el procedimiento carbotérmico, poniendo en contacto este aluminio con gases que contienen oxígeno, tales como aire, oxígeno, monóxido de carbono, o dióxido de carbono, para que reaccionen con el aluminio y mejorar así su capacidad para separarse del aluminio formando, típicamente, una espuma de carburo de aluminio.

Introducción a la invención

El procedimiento de reducción térmica directa carbotérmica implica hacer reaccionar un compuesto que contiene óxido de aluminio con un reductor que normalmente es carbono, carburo de aluminio, o una mezcla suya, en un horno eléctrico para reducir el óxido de aluminio a aluminio metálico. Aunque la reacción, en una primera impresión, parecerá que va a ser una reacción simple, es decir la reducción del óxido de aluminio a aluminio, no se obtiene aluminio sustancialmente puro mediante los procedimientos carbotérmicos convencionales y, de hecho, el producto sangrado del horno es aluminio contaminado con carburo de aluminio. La cantidad de contaminación con carburo de aluminio varía dependiendo del procedimiento carbotérmico que, en particular, se lleva a cabo, pero, en general, los procedimientos carbotérmicos convencionales dan como resultado la producción de aluminio contaminado por 10-30%, en peso, de carburo de aluminio.

El procedimiento de reducción térmica directa carbotérmica ha presentado un problema técnico sustancial, en el que se deben superar ciertos obstáculos difíciles de tratamiento. Por ejemplo, a las temperaturas necesarias para la reducción térmica directa de la alúmina para formar aluminio, por ejemplo aproximadamente a 2050ºC, el aluminio se volatiliza a un gas de aluminio metálico o subóxido de aluminio en vez de formarse como aluminio metálico líquido que se pueda sangrar desde el proceso. Por esta razón, la mayoría de las tentativas han incorporado un horno eléctrico con el fin de reducir la cantidad de constituyentes gaseosos volátiles en el sistema.

En las tentativas para reducir la alúmina térmicamente con carbono, en ausencia de otros metales y sus óxidos, se producen cantidades sustanciales de carburo de aluminio según la reacción escrita como ecuación (2).

Ec.(2)2Al_{2}O_{3} + 9C \rightarrow Al_{4}C_{3} + 6CO

La ecuación (2) transcurre favorablemente a, o por encima de, 1800ºC. También se forman otros compuestos intermedios tal como oxicarburos mediante las reacciones escritas como ecuación (3) y ecuación (4).

Ec.(3)4Al_{2}O_{3} + Al_{4}C_{3} \rightarrow 3Al_{4}O_{4}C

Ec.(4)Al_{4}O_{4}C + Al_{4}C_{3} \rightarrow 4Al_{2}OC

La reducción de la alúmina mediante carbono, cuando se lleva a cabo a presión reducida, transcurre con oxicarburo de aluminio o carburo de aluminio como productos intermedios, escrita como ecuación (5) y ecuación (6).

Ec.(5)2Al_{2}O_{3} + 3C \rightarrow Al_{4}O_{4}C + 2CO

Ec.(6)Al_{4}O_{4}C + 6C \rightarrow Al_{4}C_{3} + CO

Por debajo de 1900ºC, todas las sustancias reaccionantes y los productos, excepto el CO, son sólidos. Para alcanzar una presión de gas en equilibrio de 1 atmósfera, se requieren temperaturas de alrededor de 2000ºC, la mezcla de reacción está parcialmente fundida y las ecuaciones simples (5) y (6) ya no son directamente aplicables. De la misma forma, el paso final de la producción de metal se podrá escribir como ecuación (7).

Ec.(7)Al_{4}O_{4}C + Al_{4}C_{3} \rightarrow 8Al(l) + 4CO

La presión del gas en equilibrio para esta primera reacción alcanza 1 atmósfera a, aproximadamente, 2100ºC. En un horno de reacción operado bajo presión atmosférica, la zona de reacción debe mantenerse a una temperatura suficiente, al menos, para dar la presión de equilibrio del CO igual a 1 atmósfera. Contar con algo de sobrepresión para efectuar la reacción significa una temperatura de aproximadamente 2150ºC. A esta temperatura, el sistema incluye carbono sólido más dos líquidos, una masa fundida de óxido-carburo y una masa metálica fundida o masa fundida de un metal. La ecuación (7) no es aplicable, y la reacción productora del metal se puede escribir esquemáticamente como la ecuación (8).

Ec. (8)(\text{masa fundida de óxido-carburo}) + C(s) \rightarrow (\text{masa metálica fundida}) + CO

Simultáneamente con la producción de monóxido de carbono y de productos condensados, se formarán también especies, Al_{2}O(g) y Al(g) que llevan aluminio volátil. En los primeros pasos de la reacción, formalmente descritos por la ecuación (5) y la ecuación (6), las presiones de equilibrio del Al_{2}O y el Al asciende únicamente a un pequeño tanto por ciento de la presión de equilibrio del CO. En el paso final, representado por la ecuación (7) o la ecuación (8), las proporciones de Al_{2}O y Al en el gas en equilibrio son superiores, pero no excesivas. Se ha demostrado ahora, sin embargo, que la reacción entre la alúmina y el carbono transcurre a través de un mecanismo que implica una fase gaseosa con una alta proporción de Al_{2}O y Al, y, en consecuencia, las pérdidas por volatilización serán superiores a las esperadas a partir de los equilibrios. Además, la masa metálica fundida tiene una densidad inferior a la de la masa fundida de óxido-carburo y, por eso, la masa metálica fundida flota en la parte superior de la masa fundida de óxido-carburo. El gas CO desprendido por la reacción (8) debe pasar a través de la masa metálica fundida, lo que incrementa más las pérdidas por volatilización.

La volatilización del Al y el Al_{2}O desde la zona caliente, no necesariamente conduce a la pérdida de metal. En un horno de arco sumergido, el gas de reacción va hacia arriba a través de las capas de la carga más fría, donde los vapores que llevan el metal se pueden condensar, al mismo tiempo que precalientan la carga. Sin embargo, con una elevada fracción de vapores metálicos en el gas, la carga se calienta demasiado, y tienen lugar las pérdidas por volatilización.

Se origina una dificultad primaria en la producción carbotérmica del aluminio por la solubilidad sustancial del carbono en el metal a la temperatura de reacción, aproximadamente 20% en átomos de C, cuando la masa metálica fundida está en equilibrio con carbono sólido. Cuando se enfría la masa fundida, el carbono precipita como carburo de aluminio, como se escribe en la ecuación (9)

Ec.(9)(12Al + 3C, \ \text{mezcla fundida}) \rightarrow Al_{4}C_{3}(s) + 8Al(s)

Aproximadamente una tercera parte del valor del metal se precipita como carburo. Esto necesita un subsiguiente paso de separación, y el reciclaje del carburo de aluminio, lo que constituye un inconveniente para la economía del procedimiento.

Otra dificultad en la reducción carbotérmica de la alúmina en un horno de arco sumergido se refiere al suministro de energía y a la transferencia de calor. La masa metálica fundida flota en la parte superior y estará directamente debajo de los electrodos. Debido a la alta conductividad eléctrica del metal, la resistencia en el circuito del horno será baja, y las dificultades se experimentan al mantener un adecuado suministro de energía en el horno. Además, la generación de calor tendrá lugar predominantemente sobre la superficie del metal, dando lugar a una temperatura muy alta del metal y a una sustancial evaporación. En la medida en que este metal se condensa en la carga por encima de la masa fundida, regresa directamente a la zona caliente y se vuelve a evaporar. El resultado neto de este proceso cíclico de evaporación y condensación es que una gran fracción del calor generado se transfiere hacia arriba en el horno en vez de ser conducido hacia abajo, a la masa fundida de óxido-carburo, donde el calor se necesita para la reacción endotérmica (8).

Los carburos y oxicarburos de aluminio se forman fácilmente a temperaturas inferiores a las temperaturas requeridas para la reducción térmica significativa a aluminio metal, y representa un problema sustancial de formación de escoria en cualquier procedimiento que pretende producir aluminio metal.

Todos los principales óxidos en la bauxita, excepto la circonia, se reducen por fusión carbotérmica antes de que se reduzca la alúmina. En la práctica, los óxidos no se comportan de forma tan simple como se predice. En cambio, se forman compuestos intermedios tales como carburos, oxicarburos, y subcompuestos volátiles.

La mayoría de los procedimientos para la producción carbotérmica del aluminio dan como resultado, siempre, la producción de aluminio contaminado con carburo de aluminio, y la contaminación con carburo de aluminio puede estar en el intervalo del 20% en peso o más. Surge una seria dificultad práctica al intentar purificar el aluminio contaminado con carburo de aluminio en cantidades significativas porque la mezcla se hace no vertible a no ser que se mantengan temperaturas extremadamente elevadas, de forma que el problema de purificar la masa se hace complejo.

La cantidad de contaminación de carburo de aluminio conlleva una relación directa con la temperatura empleada, es decir, a temperaturas normales de reducción empleadas en el horno, la cantidad de carburo de aluminio que se puede disolver en el aluminio formado es de aproximadamente el 20 por ciento en peso o más. La mayoría de los procedimientos dan como resultado la producción de productos que contienen mucho carburo de aluminio, por la simple razón de que utilizan un calentamiento uniforme, de modo que la mayoría de la carga estaba a una temperatura uniformemente alta y, por lo tanto, era posible disolver carburo de aluminio en cantidades apreciables.

En un procedimiento, la operación del horno se lleva a cabo de forma que se aplica a la carga que se va a reducir un tipo intermitente de calentamiento, de forma que una porción de la carga está a la temperatura de reacción (1200ºC) pero una mayor parte de la carga no está a la temperatura de reacción en un momento dado. Por consiguiente, cuando el aluminio formado fluye sobre la carga, la carga nunca está a una temperatura en la que más del 10 por ciento en peso de carburo de aluminio esté disuelto en el aluminio fundido.

Los presentes estándares para el aluminio comercialmente puro no permiten que haya una significativa cantidad de carburo de aluminio, de forma que el producto del horno procedente de la mayoría de los procedimientos de reducción carbotérmica deben estar sometidos a pasos adicionales de tratamiento para reducir el contenido de carburo de aluminio hasta un nivel aceptable. Se ha visto que los procedimientos para reducir el contenido de aluminio del producto de un horno de reducción carbotérmica va a consumir tiempo, va a ser caro y no va a ser económicamente factible.

El contenido de carburo de aluminio de al menos una porción del aluminio producido mediante un procedimiento de reducción térmica directa carbotérmica puede disminuirse enfriando la masa fundida del horno, de tal modo que se forme una matriz de carburo de aluminio, por lo cual la matriz de carburo de aluminio saca el aluminio de la superficie de la masa fundida, y este aluminio se puede separar mediante una técnica adecuada, incluyendo la decantación. El aluminio separado de esta manera, está disminuido en el contenido de carburo de aluminio; pero únicamente se recupera una pequeña porción del aluminio disponible.

La producción de aluminio a partir de una procedimiento de reducción carbotérmico se puede potenciar utilizando un trabajo mecánico. Una técnica para este tipo de objetivos que mueve el equipo bajo tensiones severas a condiciones muy calientes y corrosivas.

En un procedimiento, una mezcla de aluminio contaminado con carburo de aluminio en el estado fundido se pone en contacto con ciertos gases que interactúan con, u operan con, el carburo de aluminio para prevenir la formación de una matriz de carburo de aluminio que atrape el aluminio. El tratamiento implica soplar el gas a través del cuerpo de la masa fundida de aluminio y de carburo de aluminio.

Dar fluidez con sales metálicas puede disminuir la cantidad de contaminación de carburo de aluminio, pero las sales fundidas se mezclan con el carburo así separado, y resulta costoso separar el carburo de la sal, de forma que el carburo se puede reciclar al horno. Sin este reciclaje, el consumo de energía y el tamaño del horno llega a ser antieconómico en comparación con los métodos comercialmente pronosticados hoy día para fabricar aluminio.

Durante más de 100 años, el aluminio se ha producido mediante el procedimiento Bayer-Hall en dos partes, en el que la alúmina (Al_{2}O_{3}) se extrae primero a partir del mineral bauxita, y la alúmina se reduce luego electrolíticamente en criolita fundida (fluoruro de sodio y aluminio) hasta aluminio metálico libre. Aunque el procedimiento ha tenido mucho éxito comercial, consume grandes cantidades de electricidad y necesita aproximadamente cuatro kilogramos de bauxita para producir un kilogramo de aluminio. La bauxita comprende, típicamente, 45 a 60 por ciento de óxido de aluminio, 3 a 25 por ciento de óxido de hierro, 2,5 a 18 por ciento de óxido de silicio, 2 a 5 por ciento de óxido de titanio, hasta uno por ciento de otras impurezas combinadas con 12 a 30 por ciento de agua de cristalización. El mineral varía mucho en las proporciones de sus constituyentes, y en el color y en su consistencia. La gibbsita, bohemita y diáspora son los minerales de óxido de aluminio hidratado hallados normalmente en la bauxita.

El grado medio de mineral de bauxita usado en el procedimiento de Bayer-Hall ha declinado continuamente. En 1930, el mineral usado en los Estados Unidos tenía un promedio del 60 por ciento de alúmina, y en 1963, el promedio era inferior al 50 por ciento de alúmina. Aunque se anticipa que este promedio disminuirá hasta aproximadamente el 35 por ciento de alúmina en el futuro, el procedimiento se limita generalmente al uso de mineral de bauxita con alto contenido de aluminio. Las reservas nacionales de este grado elevado, son totalmente inadecuadas para encontrar los actuales requisitos de producción.

La dificultad para producir aluminio con respecto al procedimiento térmico, no reside en la formación del aluminio mediante la reducción los minerales que llevan aluminio, sino en la recuperación del aluminio en un estado sustancialmente puro.

Obtener aluminio sustancialmente puro a partir de un procedimiento carbotérmico a temperaturas de operación extremadamente altas, pueden conducir a problemas con respecto a los materiales de construcción.

Las técnicas más comunes para intentar producir aluminio metal de un alto grado de pureza por reducción térmica directa tratan el producto del horno, que contiene convencionalmente 10-30 por ciento en peso de carburo de aluminio, mediante técnicas tales como dar fluidez al producto del horno con sales metálicas para disminuir la cantidad de contaminación de carburo de aluminio.

Las sales fundidas se mezclan con el carburo así separado, y resulta costoso separar el carburo de la sal, de forma que el carburo se puede reciclar al horno. Sin este reciclaje, el consumo de energía y el tamaño del horno llega a ser antieconómicos en comparación con los métodos comercialmente pronosticados hoy día para fabricar aluminio.

El producto del horno contaminado con carburo de aluminio se puede calentar con una escoria fundida que contiene proporciones sustanciales de alúmina para dar lugar a que la alúmina en la escoria reaccione con el carburo de aluminio en el producto del horno, disminuyendo por ello el carburo de aluminio en el producto del horno.

Se puede describir un modo como el "modo de reducción", e implica la reacción entre la alúmina en la escoria y el carburo de aluminio en el producto del horno en condiciones de reducción para producir aluminio metal. Una forma de comprobar la operación en este modo es detectando el desprendimiento del monóxido de carbono.

Otro modo de reacción se puede describir como el "modo de extracción", e implica la reacción entre la alúmina en la escoria y el carburo de aluminio en el producto del horno para producir compuestos de la escoria no metálicos tales como tetraoxicarburo de aluminio, en comparación con la producción de aluminio líquido. Estas reacciones "en modo de extracción" tienen lugar a temperaturas insuficientes para originar la reducción para producir aluminio adicional y pueden tener lugar sin originar el desprendimiento de monóxido de carbono.

Son necesarias temperaturas de al menos 2050ºC para las operaciones en "modo de reducción" a presiones, en la zona de reacción, de una atmósfera. A cualquier presión dada, la temperatura requerida para la operación en "modo de reducción" aumenta a medida que el nivel de carburo de aluminio en el metal disminuye. O por otro lado, las operaciones del "modo de extracción" pueden tener lugar por debajo de 2050ºC.

Se pueden usar escorias que contienen óxido de calcio para disminuir el punto de fusión. La mayoría de las escorias no tienen que estar a la temperatura de reducción. Únicamente tienen que estar fundidas y a una temperatura suficientemente alta para que existan como una capa fundida separada de la capa metálica.

Las escorias utilizadas son aquellas en las que la relación de peso de alúmina respecto a cualquier carburo de aluminio contenido en ella es al menos 4:1.

En la producción de aluminio, se emplean diversos métodos que utilizan hornos de arco eléctrico específicos. En un método, se carga un primer horno con carbono en forma de coque junto con escorias de oxicarburo de aluminio. El horno se calienta a una temperatura de aproximadamente 2000ºC dando como resultado la formación de carburo de aluminio junto con algo de aluminio y escoria. El carburo de aluminio se carga en el segundo horno, bien en estado fundido o se permite enfriar primero, después de lo cual se aplasta hasta un tamaño adecuado antes de cargarlo. En el segundo horno, el carburo de aluminio se hace reaccionar con alúmina para formar aluminio que se recupera, y se hace retornar la escoria al primer horno.

Ya que la temperatura requerida para la reducción del aluminio es relativamente alta, normalmente aproximadamente 2000ºC, y ya que la velocidad de transferencia de calor entre los cuerpos para disipar la temperatura está directamente relacionada con las diferencias de temperatura entre los dos cuerpos, resulta ventajoso desde un punto de vista de la conservación de la energía, retener cualquier materia que se transporte desde la primera etapa de reducción a una segunda etapa en un ambiente de temperatura elevada. En los procedimientos de fusión que usan hornos separados, hay considerable pérdida de calor, requiriendo la adición de esta energía perdida en el segundo horno, si los productos intermedios se suministran al segundo horno en estado fundido o en estado sólido aplastado. La exposición del estado sólido al aire ambiente da como resultado, con frecuencia, reacciones químicas indeseables.

Los procedimientos de fusión que emplean dos o tres hornos tiene también requisitos de sustancial mano de obra. Debido a la energía adicional, al equipo y a la mano de obra requerida, estos procedimientos van acompañados de costes innecesariamente elevados. Además, estos métodos dan como resultado un grado de pérdida física de productos intermediarios o finales debido a las sucesivas manipulaciones.

Una fuente práctica y fácilmente asequible de aluminio contaminado con no más de aproximadamente 5 por ciento en peso de carburo de aluminio, se puede conseguir mediante el procedimiento y el aparato de la presente invención.

Sumario de la invención

La presente invención proporciona un procedimiento para formar aluminio metal a partir de la reducción directa carbotérmica del mineral de alúmina. Se calienta un mineral de alúmina en presencia de carbono a una temperatura elevada, por encima de 1800ºC, por ejemplo por encima de aproximadamente 2000ºC para producir un aluminio metal. Luego se añaden aluminio metal y chatarra de aleaciones de aluminio metal como un sólido refrigerante para reducir la temperatura hasta aproximadamente 900-1000ºC y precipitar el carburo de aluminio. El precipitado de carburo de aluminio se filtra, se decanta y se le da fluidez con sal para formar un aluminio metálico producido por la reducción térmica directa carbotérmica del mineral de alúmina y que contiene 5% en peso, o menos, de carburo de aluminio.

La chatarra de aluminio usada en el procedimiento de producción del aluminio de la invención se puede obtener a partir de diversas fuentes, que incluyen chatarra procedente de los consumidores, chatarra de vehículos, y chatarra de plantas. La chatarra procedente de los consumidores se refiere a productos de aleaciones de aluminio, especialmente botes de bebida y de alimentos, recubiertos con diversos recubrimientos poliméricos. La chatarra de vehículos se refiere a materiales de aleaciones de aluminio obtenidos a partir de vehículos de motor desguazados. La chatarra de plantas se refiere a material de desecho procedente de plantas de fabricación de aluminio, tal como láminas defectuosas generadas durante los procesos de trefilado y planchado.

Los botes de aleación de aluminio de la chatarra reciclada se compactan y se forman fardos. Los botes se reducen luego a trocitos mediante un triturador, molino de martillos o cuchillas rotativas de manera que estén en forma de pequeños fragmentos de aproximadamente 2-4 cm de diámetro nominal.

La chatarra triturada se somete a separación magnética para separar los contaminantes de hierro y acero, y a una separación por gravidez o por ciclón para separar el papel y otros contaminantes de peso ligero. La chatarra limpia se introduce luego en un horno de deslacado. Se sopla aire calentado a una temperatura típicamente de aproximadamente 480-540ºC a través del lecho de chatarra mientras se desplaza sobre una cinta transportadora de acero. Esta temperatura es suficiente para pirolizar la materia orgánica pero no para oxidar la chatarra de aleación de aluminio.

La mayoría de la chatarra de aleación de aluminio está formada en su mayor parte de botes de bebidas reciclados que contienen aproximadamente 25% en peso extremos de botes AA5182 y aproximadamente 75% en peso de cuerpos de botes AA3004. Las composiciones típicas de estas aleaciones son como sigue, en % en peso.

AA3004 - Mg 0,9; Mn 1,0; Fe 0,45; Si 0,2; Ti 0,04; y Cu 0,18.

AA5182 - Mg 4,5; Mn 0,25; Fe 0,25; Si 0,12; Ti 0,05; y Cu 0,08.

Descripción detallada

La producción carbotérmica del aluminio utiliza carbono y un material que lleva alúmina que se ha hecho reaccionar químicamente a 2050ºC, o más, en un horno de arco para producir aluminio. Este procedimiento produce una aleación que contiene 30-10% en peso de Al_{4}C_{3}.

Preferiblemente, un aumento en la temperatura de 2050ºC a 2150ºC reduce la cantidad de Al_{4}C_{3}, que se desea para producir aluminio primario. Sin embargo, las temperaturas superiores contribuyen a una especie de aluminio más volátil en el sistema. Se pierden excesivas especies de aluminio por volatilización, y el procedimiento se hace antieconómico. Una práctica de operación para minimizar la volatilización de las especies de aluminio usa una columna de carbono a través de la cual deben pasar las especies volátiles para capturarlas. El procedimiento de la columna de carbono no ha tenido éxito debido a la dificultad de controlar la entrada de energía para elevar la temperatura mientras que se minimiza la volatilización de las especies de aluminio.

El procedimiento de la presente invención utiliza la reacción carbono-alúmina a una temperatura de aproximadamente 2050ºC para formar un primer producto de aluminio-Al_{4}C_{3} con un 10-30% de Al_{4}C_{3} en peso, en un punto de la volatilización mínima. El primer producto de aluminio-Al_{4}C_{3} de la presente invención se pone luego en contacto con suficiente chatarra de aluminio para llevar la temperatura a aproximadamente 1000-900ºC durante lo cual el Al_{4}C_{3} precipita como un sólido, a partir de lo cual se puede filtrar, decantar, y/o separar dándole fluidez. El procedimiento y el aparato de la presente invención produce un aluminio que es aceptable como aluminio primario con contaminación mínima de Al_{4}C_{3}. La reducción de la temperatura minimiza la pérdida de especies volátiles y proporciona una fuente de calor para fundir la chatarra. La velocidad de fusión de la chatarra es aproximadamente equivalente a la velocidad de producción del aluminio-Al_{4}C_{3}. Por ejemplo, en un procedimiento carbotérmico que produce 500 Kg/h, se funde la chatarra a una velocidad de 500 kg/h, para producir una corriente metálica producto de la presente invención de 1000 kg/h. El Al_{4}C_{3} se filtra y se recicla al reactor carbotérmico para capturar cantidades de aluminio en el Al_{4}C_{3}.

El método y el aparato de la presente invención consigue una volatilización minimizada de las especies de aluminio y utiliza el calor sensible en el producto de aluminio-Al_{4}C_{3} para fundir la chatarra en la segunda etapa del procedimiento y el aparato de la presente invención.

El producto primario del horno en el procedimiento de reducción carbotérmico consiste en un cuerpo fundido que contiene aluminio metal con 10-30%, preferiblemente 10-15%, en peso de carburo de aluminio a aproximadamente 2100ºC.

Este producto contiene un significativo calor sensible en exceso, pero cuando se enfría una mezcla del 10%, o más, de carburo hasta aproximadamente 1400ºC, el carburo de aluminio forma una estructura celular que atrapa el aluminio líquido, originando la dificultad del vertido de la masa fundida.

Como resultado, a menos que se mantengan temperaturas extremadamente altas a lo largo de todos los pasos del procedimiento, transportar la mezcla producto para purificarla llega a ser extremadamente difícil.

La presente invención incluye añadir chatarra de aluminio a la masa fundida como un refrigerante sólido utilizando el calor sensible en exceso del producto primario del horno, mientras que diluye el carburo para conservar la fluidez, y ampliar la productividad con mínimo coste de capital.

La capacidad de reciclaje de la chatarra, es decir, la capacidad de la masa fundida para absorber la chatarra incluye un calor sensible disponible para enfriar la masa fundida de 2100 a 1000ºC, del orden de 8,346 kcal/mol. El calor latente para fundir la chatarra es de 2,072 kcal/mol. El calor sensible para llevar la chatarra a 1000ºC es de 5,326 kcal/mol. Por consiguiente, la capacidad de la masa fundida para fundir la chatarra es aproximadamente 1,128 kg de chatarra de Al/kg de producto del horno. La chatarra sólida refrigerante se puede añadir a la masa fundida en diversas proporciones que varían desde aproximadamente 0,2 a 1,1 kg de chatarra por kg de producto del horno, preferiblemente aproximadamente 0,5-1,1 y, óptimamente, aproximadamente 0,8-1.

El procedimiento de reciclaje de la chatarra de la presente invención incluye añadir chatarra de aluminio al producto del horno inmediatamente después del sangrado, o sangrar en un crisol que contiene la chatarra seca. El producto permanecerá fluido precipitando el carburo de aluminio en forma fina al enfriar, y evitando la estructura del carburo celular, y reduciendo la concentración de carburo por debajo de la región problemática. El procedimiento de la presente invención incluye, además, filtrar o decantar el carburo y reciclarlo al horno, dejando por ello un cuerpo de aleación de aluminio fundido que tiene un contenido de carburo de aluminio reducido.

Las ventajas del reciclaje de la chatarra incluyen la utilización del calor sensible en el producto del horno, la conservación de la masa fundida, una fluidez mejorada, una mejora en la separación del carburo, y un aumento de la producción del metal con mínimo gasto de capital adicional.

Aunque se ha descrito con detalle la invención con respecto a sus realizaciones específicas, se apreciará que los expertos en la técnica, al conseguir y comprender lo anteriormente mencionado, pueden concebir fácilmente alteraciones a, variaciones de, y equivalentes a, estas realizaciones. Por consiguiente, el alcance de la presente invención se evaluará como el de las reivindicaciones adjuntas y cualquier equivalente a ellas.

Claims (10)

1. Un procedimiento para producir aluminio por reducción carbotérmica de la alúmina, que comprende

(a) hacer reaccionar alúmina con carbono a una temperatura por encima de 1800ºC para producir un cuerpo fundido que comprende aluminio y carburo de aluminio;

(b) mezclar con dicho cuerpo fundido un refrigerante sólido que comprende aluminio o una aleación de aluminio, para enfriar así dicho cuerpo a una temperatura en el intervalo de 900-1000ºC, y precipitar carburo de aluminio; y

(c) separar el carburo de aluminio precipitado de dicho cuerpo fundido, para formar así un cuerpo fundido que tiene un contenido de carburo de aluminio reducido.

2. Un procedimiento según la reivindicación 1, en el que dicho refrigerante sólido comprende chatarra de aluminio.

3. Un procedimiento según la reivindicación 1, en el que dicho paso (a) comprende hacer reaccionar alúmina con carbono en un horno de arco.

4. Un procedimiento según la reivindicación 3, en el que la temperatura de dicho horno de arco está por encima de 2000ºC.

5. Un procedimiento según la reivindicación 3, en el que la temperatura de dicho horno de arco es aproximadamente 2000-2100ºC.

6. Un procedimiento según la reivindicación 1, en el que el cuerpo fundido del paso (a) comprende aproximadamente 10-30% en peso de carburo de aluminio.

7. Un procedimiento según la reivindicación 1, en el que el cuerpo fundido del paso (a) comprende aproximadamente 10-15%, en peso, de carburo de aluminio.

8. Un procedimiento según la reivindicación 1, en el que el paso (b) enfría dicho cuerpo fundido a una temperatura de aproximadamente 900-1000ºC.

9. Un procedimiento según la reivindicación 1, en el que el cuerpo fundido del paso (c) contiene no más de aproximadamente el 5%, en peso, de carburo de aluminio.

10. Un procedimiento para producir aluminio, según la reivindicación 1, que comprende:

(a) hacer reaccionar alúmina a una temperatura elevada para producir un cuerpo fundido que comprende aluminio y aproximadamente 10-30%, en peso, de carburo de aluminio.

(b) mezclar con dicho cuerpo fundido un refrigerante sólido que comprende chatarra de aluminio en una relación de aproximadamente 0,2-1,1 kg de chatarra de aluminio por kg del cuerpo fundido, para enfriar así dicho cuerpo fundido, mejorar su fluidez, y precipitar el carburo de aluminio, y

(c) separar el carburo de aluminio precipitado de dicho cuerpo fundido, para formar así un cuerpo fundido que tiene un contenido de carburo de aluminio reducido.