METODO MEJORADO PARA RECICLAR UN MATERIAL COMPUESTO AL-B, C.

Un método para recuperar un material de desecho compuesto, de Al-B4C,

que comprende:

a) calentar un baño líquido de aluminio fundido a una temperatura del baño predefinida;

b) precalentar el material de desecho a una temperatura de precalentamiento determinada;

c) añadir el material de desecho precalentado al aluminio fundido en una relación de masas que va desde 0,3:0,7 a 0,7:0,3 de material de desecho respecto al aluminio fundido;

d) mantener una temperatura predeterminada de la masa fundida en el baño líquido hasta que la totalidad del material de desecho se funda en el aluminio fundido para formar una masa fundida de material compuesto resultante, en la que la temperatura del baño líquido se controle de forma que no haya riesgo de sobrecalentar el material de Al-B4C y de que se origine la no deseable degradación del material; y

e) agitar la masa fundida de material compuesto resultante para promover la uniformidad

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/CA2005/000609.

Solicitante: ALCAN INTERNATIONAL LIMITED.

Nacionalidad solicitante: Canadá.

Dirección: 1188 SHERBROOKE STREET WEST,MONTREAL QUEBEC H3A 3G2.

Inventor/es: FORTIN, JEAN-YVES, CHEN,XIAO-GUANG.

Fecha de Publicación: .

Fecha Concesión Europea: 11 de Agosto de 2010.

Clasificación Internacional de Patentes:

  • C22B21/00F6
  • C22B21/00J2
  • C22C1/10D
  • C22C32/00C8
  • C22C32/00D2B
  • G21F9/36 SECCION G — FISICA.G21 FISICA NUCLEAR; TECNICA NUCLEAR.G21F PROTECCION CONTRA LOS RAYOS X, RAYOS GAMMA, RADIACIONES CORPUSCULARES O BOMBARDEOS DE PARTICULAS; TRATAMIENTO DE MATERIALES CONTAMINADOS POR LA RADIACTIVIDAD; DISPOSICIONES PARA LA DESCONTAMINACION (protección contra las radiaciones por medios farmacéuticos A61K 8/00, A61Q 17/04; en los vehículos espaciales B64G 1/54; asociada con un reactor G21C 11/00; asociada con un tubo de rayos X H01J 35/16; asociada con un aparato de rayos X H05G 1/02). › G21F 9/00 Tratamiento de materiales contaminados por la radiactividad; Disposiciones a este efecto para la descontaminación. › por empaquetado; por embalaje.

Clasificación PCT:

  • B22D21/04 SECCION B — TECNICAS INDUSTRIALES DIVERSAS; TRANSPORTES.B22 FUNDICION; METALURGIA DE POLVOS METALICOS.B22D COLADA DE METALES; COLADA DE OTRAS MATERIAS POR LOS MISMOS PROCEDIMIENTOS O CON LOS MISMOS DISPOSITIVOS (trabajo de materias plásticas o sustancias en estado plástico B29C; tratamientos metalúrgicos, empleo de sustancias específicas que se añaden al metal C21, C22). › B22D 21/00 Colada de metales no férreos o de compuestos metálicos, en la medida en que sus propiedades metalúrgicas afectan al procedimiento de colada (equipos para la colada en vacío B22D 18/00 ); Utilización de composiciones apropiadas. › Colada de aluminio o magnesio.
  • C22B7/00 SECCION C — QUIMICA; METALURGIA.C22 METALURGIA; ALEACIONES FERROSAS O NO FERROSAS; TRATAMIENTO DE ALEACIONES O METALES NO FERROSOS.C22B PRODUCCION O AFINADO DE METALES (fabricación de polvos metálicos o sus suspensiones B22F 9/00; producción de metales por electrólisis o electroforesis  C25 ); PRETRATAMIENTO DE MATERIAS PRIMAS. › Tratamiento de materias primas distintas a los minerales, p. ej. residuos, para producir metales no ferrosos o sus compuestos.
  • C22C1/02 C22 […] › C22C ALEACIONES (tratamiento de alegaciones C21D, C22F). › C22C 1/00 Fabricación de aleaciones no ferrosas (por electrotermia C22B 4/00; por electrólisis C25C). › por fusión.
  • C22C1/10 C22C 1/00 […] › Aleaciones que contienen elementos no metálicos (C22C 1/08 tienen prioridad).
  • C22C21/00 C22C […] › Aleaciones basadas en aluminio.
  • G21F1/08 G21F […] › G21F 1/00 Blindaje caracterizado por la composición del material. › Metales; Aleaciones; Cerametales, es decir, mezclas calcinadas de cerámicas y metales.

Clasificación antigua:

  • B22D21/04 B22D 21/00 […] › Colada de aluminio o magnesio.
  • C22C1/02 C22C 1/00 […] › por fusión.
  • C22C21/00 C22C […] › Aleaciones basadas en aluminio.
  • G21F1/08 G21F 1/00 […] › Metales; Aleaciones; Cerametales, es decir, mezclas calcinadas de cerámicas y metales.

Fragmento de la descripción:

Método mejorado para reciclar un material compuesto Al-B4C.

Campo técnico

La presente invención se refiere a métodos para reciclar materiales, basados en el boro, absorbentes de neutrones, y en particular a materiales compuestos de desecho, de Al-B4C.

Técnica fundamental

Hay un gran interés en la industria de la energía nuclear por los materiales de construcción que absorban, y por lo tanto no liberen, neutrones, por ejemplo en recipientes para combustibles residuales. Estos recipientes están hechos predominantemente de aleaciones a base de aluminio (Al), y el boro (B) es un elemento comúnmente usado para absorber neutrones. El boro se puede incorporar habitualmente al Al como B4C, TiB2 o simplemente B, que forma AlB2 o AlB12 en una matriz de Al.

Los procedimientos de fabricación para hacer estos recipientes de almacenaje incluyen métodos de colada directa en coquilla (DC), extrusión y laminado. Estos métodos producen con frecuencia materiales compuestos de desecho, de Al-B4C, que pueden constituir hasta el 65% del material fértil original.

Por el interés en el ahorro económico y en la reducción de residuos, es por que hay un gran interés en encontrar un modo de recuperar los valiosos residuos de los procesos. Sin embargo, las partículas de B4C tienden a ser termodinámicamente inestables en aluminio líquido, originando reacciones interfásicas entre el B4C y el Al. Esto reduce significativamente la fluidez y la capacidad de colada del material compuesto líquido durante la refusión, lo que hace extremadamente difícil el proceso de recuperación de los materiales de desecho y a su posterior colada.

Los materiales de aluminio que contienen boro son también muy reactivos en estado fundido, y la reactividad es fuertemente dependiente del tiempo y de la temperatura. Por lo tanto, en los intentos de reciclar el material de desecho simplemente por fusión, la temperatura superficial del material de desecho llega a ser elevada (por ejemplo más de, aproximadamente, 770ºC), dando como resultado la reacción del material refractario, que contiene B4C, con la matriz de aluminio, haciendo inútil el material para la posterior colada, ya que la fluidez llega a ser reducida.

Los intentos de combinar el material compuesto "virgen", o sin usar, y los materiales compuestos de desecho tampoco han tenido éxito, ya que el material compuesto fundido virgen tiene que calentarse a una temperatura relativamente alta para permitir que una cantidad razonable de material de desecho se incorpore a la masa fundida dentro de un tiempo razonable. Este calentamiento tiende a originar que el material compuesto virgen se deteriore.

Como alternativa, la temperatura del material compuesto virgen se puede mantener a un nivel más bajo pero, en este caso, la tasa de incorporación del material de desecho se debe reducir, dando como resultado un aumento del tiempo necesario para reciclar una cantidad dada de material de desecho y, de nuevo, el material tiende a deteriorarse.

La Patente de EE.UU. Nº 3.955.970 (Claxton y colaboradores) muestra un procedimiento continuo de fusión que implica sumergir el material de desecho en aluminio fundido, en proporciones que van de 1:10 a 1:50 de material de desecho respecto al aluminio fundido. Se usa agitación para incorporar el material de desecho sólido al aluminio fundido. No hay indicaciones específicas de las formas de evitar las reacciones entre el B4C del material de desecho y la matriz de aluminio fundido. La Patente de EE.UU. muestra también un método de recuperación del material de desecho por inmersión en aluminio fundido, siendo el material de desecho, en este caso, aluminio de pequeñas dimensiones. Esta patente no dice nada de lo relacionado con el material de desecho que contiene B4C, ni sobre los métodos para evitar la degradación del B4C, ni de la reacción con el aluminio fundido.

La Patente de EE.UU. Nº 6.223.805 describe un método para reciclar materiales compuestos de la matriz metálica, e incluye, como opciones, mezclar el material compuesto con material compuesto "virgen" o con metal de la matriz. La patente está enfocada a un método para eliminar inclusiones en el material reciclado.

Es, por lo tanto, muy deseable establecer un método para recuperar material compuesto de desecho, de Al-B4C, mientras que se mantiene la integridad del B4C y la fluidez en el producto de material compuesto resultante.

Descripción de la invención

La presente invención crea una única forma de recuperar material compuesto de desecho, de Al-B4C, y de volver a fundir los materiales compuestos de desecho, de Al-B4C, para dar piezas coladas.

La presente invención proporciona así un método para recuperar un material compuesto de desecho, de Al-B4C, que comprende calentar un baño líquido de aluminio fundido a una temperatura del baño predefinida, mientras que también se precalienta el material de desecho a una temperatura de precalentamiento definida. A continuación, el material de desecho precalentado se añade al aluminio fundido en una relación de masas que va desde 0,3:0,7 a 0,7:0,3 de material de desecho respecto al aluminio fundido. Se mantiene una temperatura predeterminada de la masa fundida en el baño líquido hasta que la totalidad del material de desecho se funde en el aluminio fundido para formar una masa fundida de material compuesto resultante y, finalmente, la masa fundida de material compuesto resultante se agita para promover la uniformidad.

La presente invención proporciona también un método para preparar un producto fundido de material compuesto de aluminio, que contiene B4C, que implica preparar una mezcla de partículas fluyentes de B4C y aluminio fundido dispersando las partículas de B4C en la aleación de aluminio fundido y agitando la mezcla hasta que el aluminio moje las partículas de B4C. La mezcla se cuela luego para dar un material compuesto fundido y se trata adicionalmente para formar productos, lo que genera el material compuesto de desecho, de Al-B4C. El material de desecho se recupera luego calentando un baño líquido de aluminio fundido a una temperatura del baño predefinida, mientras que se precalienta también el material de desecho a una temperatura de precalentamiento definida. El material de desecho precalentado se añade al aluminio fundido en una relación de masas que va desde 0,3:0,7 a 0,7:0,3 de material de desecho respecto al aluminio fundido, y se mantiene una temperatura predeterminada de la masa fundida, en el baño líquido, hasta que la totalidad del material de desecho se funde en el aluminio fundido para formar una masa fundida de material compuesto resultante. Finalmente, la masa fundida de material compuesto se agita para promover la uniformidad y colarlo como un nuevo producto de colada.

Breve descripción de los dibujos

La presente invención se describirá junto con las siguientes figuras:

Las Figuras 1A, 1B, 1C y 1D son diagramas esquemáticos que muestran las etapas implicadas en el método de la presente invención;

La Figura 2 es una representación gráfica de la fluidez del material compuesto frente al tiempo, que ilustra el efecto de un corto sobrecalentamiento sobre la fluidez;

La Figura 3 es una representación gráfica de la fluidez del material compuesto frente al tiempo, que ilustra el efecto del mantenimiento de la temperatura sobre la fluidez; y

La Figura 4 es una representación gráfica de la fluidez del material compuesto frente al tiempo, que ilustra el efecto de las adiciones de titanio sobre la fluidez para diferentes temperaturas de mantenimiento mientras que se recupera material del 15% al 10% de B4C.

Mejores formas de llevar a cabo la invención

La presente invención se centra en mejorar la cantidad y la calidad del material de desecho de aluminio que contiene boro, que se puede recuperar para su reutilización.

Hasta la fecha, se han hecho varias propuestas para recuperar material de desecho y se han ensayado a escala de laboratorio. Algunas de estas propuestas están perfiladas en la Tabla I. Como se ve en la tabla, los métodos de sustitución y de refusión son muy sensibles a la temperatura de la masa fundida y a su duración. El sobrecalentamiento local y los largos tiempos de fusión pueden dar lugar a pérdidas de fluidez y al deterioro general del B4C.

TABLA I

 


Reivindicaciones:

1. Un método para recuperar un material de desecho compuesto, de Al-B4C, que comprende:

a) calentar un baño líquido de aluminio fundido a una temperatura del baño predefinida;

b) precalentar el material de desecho a una temperatura de precalentamiento determinada;

c) añadir el material de desecho precalentado al aluminio fundido en una relación de masas que va desde 0,3:0,7 a 0,7:0,3 de material de desecho respecto al aluminio fundido;

d) mantener una temperatura predeterminada de la masa fundida en el baño líquido hasta que la totalidad del material de desecho se funda en el aluminio fundido para formar una masa fundida de material compuesto resultante, en la que la temperatura del baño líquido se controle de forma que no haya riesgo de sobrecalentar el material de Al-B4C y de que se origine la no deseable degradación del material; y

e) agitar la masa fundida de material compuesto resultante para promover la uniformidad.

2. El método de la reivindicación 1, en la que el material de desecho se precalienta a una temperatura inferior a 600ºC.

3. El método de la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el que la temperatura del baño fundido combinado, de aluminio y material de desecho fundido, está por debajo de 770ºC.

4. El método de la reivindicación 3, en el que la temperatura del baño fundido combinado, de aluminio y material de desecho fundido, está por debajo de 740ºC.

5. El método de la reivindicación 1, en el que el baño líquido de aluminio fundido comprende además del 0,2 al 5%, en peso, de titanio.

6. El método de la reivindicación 5, en el que se añade polvo adicional de carburo de boro durante, o a continuación de, la etapa de agitación del material compuesto resultante.

7. Un método para preparar productos de material compuesto fundido de aluminio que contiene B4C, que comprende:

a) preparar una mezcla de partículas fluyentes de B4C y aluminio fundido dispersando las partículas de B4C en la aleación de aluminio fundido;

b) agitar la mezcla para que el aluminio moje las partículas de B4C;

c) colar la mezcla para dar un material compuesto fundido;

d) tratar el material compuesto fundido para formar productos y que dan como resultado el material de desecho compuesto, de Al-B4C;

e) calentar un baño líquido de aluminio fundido a una temperatura predeterminada del baño;

f) precalentar el material de desecho a una temperatura de precalentamiento predefinida;

g) añadir el material de desecho precalentado al aluminio fundido en una relación de masas que va desde 0,3:0,7 a 0,7:0,3 de material de desecho respecto a aluminio fundido;

h) mantener una temperatura predeterminada de la masa fundida en el baño líquido hasta que la totalidad del material de desecho se funda en el aluminio fundido para formar una masa fundida de material compuesto resultante, en la que la temperatura del baño líquido se controla de forma que no haya riesgo de sobrecalentar el material de Al-B4C y que se origine la no deseable degradación del material; e

i) agitar la masa fundida de material compuesto resultante para promover más la uniformidad y colarla como un producto adicional de material compuesto fundido

8. El método de la reivindicación 7, en el que el polvo de carburo de boro adicional se añade antes de colar el producto adicional de material compuesto fundido, pero durante, o a continuación de, la etapa de agitación de la masa fundida de material compuesto resultante.


 

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