Procedimiento de fundición de chatarra de aleación de aluminio con contenido de litio en el que (i) se suministra chatarra formada por aleaciones de tipo aluminio-litio (etapa de suministro);

(ii) se prepara un lecho inicial de metal líquido de una primera composición (etapa de preparación del lecho inicial de metal líquido) en un horno de fundición; (iii) se carga dicha chatarra sobre el lecho inicial de metal líquido de manera que se forme en la superficie del lecho de metal líquido un colchón flotante de chatarra de un grosor controlado (etapa de carga). Dicho colchón se fundirá parcialmente al entrar en contacto con el lecho de manera que se obtenga un baño de metal líquido con una segunda composición, que puede ser igual o diferente a la primera. La concentración de litio de la segunda composición de dicho baño de metal líquido estará comprendida entre el 0,1 %, o preferiblemente el 0,2 %, y el 2,5 % en peso; (iv) se extrae el metal líquido (etapa de extracción) de dicho baño de metal líquido de una segunda composición. El grosor controlado de dicho colchón flotante durante la etapa de carga está comprendido entre 300 mm y 1.500 mm.

Campo de la invención

La invención hace referencia a la fabricación de lingotes de refundición de aleaciones de aluminio con contenido de litio a partir de chatarra (materias primas para reciclaje, como son las limaduras, recortes o despuntes). Más concretamente, la invención hace referencia al reciclaje de la chatarra procedente de los procesos de fabricación de la industria aeronáutica y espacial.

Estado de la técnica

En muchos sectores industriales, los procesos de fabricación de productos metálicos terminan con procesos como el mecanizado, la transformación o el corte de productos intermedios y generan, por tanto, cantidades importantes de residuos de elaboración. En el presente documento, englobamos todos estos residuos con el término "chatarra" en el sentido de la norma EN 12258-3, titulada "Aluminio y aleaciones de aluminio. Términos y definiciones. Parte 3: Chatarras", para designar a los productos para reciclaje (aluminio). La industria aeronáutica y la industria espacial en particular generan una cantidad importante de chatarra, ya que muchas piezas estructurales y componentes de una aeronave se obtienen mediante el mecanizado integral de piezas de gran tamaño. No obstante, la chatarra es difícil de reciclar directamente porque viene mezclada con otras aleaciones de aluminio u otros materiales utilizados en la fabricación, como pueden ser los aceros inoxidables o el titanio (Wilson et al., Journal de Physique C -75 1987). Los residuos de mecanizado de las aleaciones aeronáuticas se reciclan en aleaciones de aluminio y silicio destinadas a productos moldeados. En el resto del texto denominaremos a esta forma de valorización con el término "línea habitual". Esta vía conlleva una pérdida parcial del valor del metal.

También se pueden fabricar productos de aleaciones de aluminio destinados a aplicaciones aeronáuticas y espaciales a partir de chatarra. La patente FR2801060 describe la fabricación de productos acabados y semiacabados de aleaciones de la serie 7000 a partir de materias primas para reciclaje como las limaduras, recortes o despuntes de elaboración. Este reciclaje es posible gracias a una etapa de purificación en la que se eliminan determinadas impurezas. En el resto del texto denominaremos a esta forma de valorización con el término "línea aeronáutica".

Entendemos por "aleación de tipo aluminio-litio" cualquier aleación que contenga una cantidad de litio superior al 0,2 % en peso, o preferiblemente superior al 0,5 % en peso, independientemente de la presencia de otros elementos de aleación. El punto en común de esta familia de aleaciones es la necesidad de tomar unas precauciones particulares asociadas a la oxidabilidad del litio. Las aleaciones de tipo aluminio-litio (Al-Li) tienen una densidad menor que las aleaciones de aluminio tradicionales y, por ello, resultan más interesantes de cara a reducir el peso de las piezas utilizadas en aeronáutica. Sin embargo, las aleaciones de tipo Al-Li son considerablemente más caras que los productos de aleaciones que no contienen litio, debido a tres razones: el coste intrínseco del litio, el coste de la elaboración del metal en la fundición y la dificultad de reciclar la chatarra. La presente invención hace referencia al reciclaje de la chatarra de aleaciones de tipo Al-Li y, en particular, de chatarra finamente dividida. Esta chatarra se genera no solamente durante la fabricación de elementos estructurales a partir de semiproductos laminados, extrudidos o forjados, sino en la misma fábrica de aluminio, al descascarillar las placas de laminado o al descortezar las palanquillas.

Según la técnica actual, tan sólo se reciclan los residuos grandes de aleaciones de tipo Al-Li, como por ejemplo las placas de laminado, las palanquillas o planchas gruesas desechadas, o los residuos de retestado de planchas gruesas. En lo que respecta a la chatarra finamente dividida, como son las limaduras de mecanizado de aleación de tipo Al-Li, existe la creencia entre los profesionales de este campo de que no se puede reciclar la chatarra en cantidades industriales. Así pues, en la "línea habitual", la presencia de litio comporta muchos problemas, primero desde el punto de vista práctico a la hora de fundir la chatarra, ya que el litio favorece la oxidación del metal líquido. Las consecuencias de ello pueden ser, en particular, la emisión de humo, la formación de costras gruesas o el aumento de masa del metal. En segundo lugar, porque el litio es un metal nocivo para muchas aplicaciones de las aleaciones de aluminio, como pueden ser el embalaje (donde, para ciertas aplicaciones, la contenido residual de litio no puede superar el 0,0001 %), o porque el contenido máximo de impurezas es del 0,05 % (Rabare y Witters, Light Metals 1991, p. 1223).También en la "línea aeronáutica", se admite, en general (Wilson et al., Journal de Physique C -75 1987), que el reciclaje de la chatarra de aleaciones de tipo Al-Li en aleaciones del mismo tipo no es viable, al menos con las calidades que exigen las industrias que utilizan estos productos (en particular, los sectores aeronáutico y espacial).

Con los conocimientos técnicos actuales, la solución a la que se suele recurrir para reciclar la chatarra de aleaciones de tipo Al-Li consiste en utilizar un proceso que permite separar el aluminio del litio (Wilson et al., Rabare y Witters). Tanto es así que encontramos numerosas solicitudes de patente relacionadas con la purificación de las mezclas líquidas de aluminio y litio mediante métodos electrolíticos. Métodos de este tipo se describen en las patentes US 4.780.186 (Alcoa), US 4.790.917 (Alcan), US 4.849.072 (Alcoa), US 4.882.017 (Alcoa), US 4.973.390 (Alcoa) y US 5.071.523 (Alcoa). También se proponen otras soluciones de tipo químico. La patente FR 2600343 (Pechiney) ofrece un procedimiento de recuperación del aluminio y del litio a partir de residuos metálicos mediante la cloración del litio y la posterior recuperación del cloruro de litio formado. Igualmente, en la patente US 4.758.316 (Alcoa), se plantea un método de refundición y purificación de la chatarra de aleaciones de tipo Al-Li, concretamente formando una sal (LiCl) mediante la cloración del metal líquido. El documento US 5.032.171 (Alcoa) ofrece un método para eliminar el litio de una aleación de aluminio y litio fundido añadiendo una sal del ácido fluorhídrico y agitándolo electromagnéticamente.

**(Ver fórmula)**

Según la técnica actual, una gran parte de la chatarra finamente divida de aleaciones de tipo Al-Li sale del circuito de la industria del aluminio para encontrar un uso final en ámbitos externos, por ejemplo para calmar aceros. Esto tiene un impacto importante en los costes globales de las aleaciones de Al-Li y dificulta su desarrollo económico.

Este efecto económico se ve multiplicado cuando las aleaciones de Al-Li contienen otros elementos químicos caros, como la plata, el escandio, las tierras raras o el cobre. A modo de ejemplo, la aleación AA 2195 contiene entre un 0,8 y un 1,2 % de litio y entre un 0,25 y un 0,6 % de plata, y la aleación AA 2098 contiene entre un 0,8 y un 1,3 % de litio y entre un 0,25 y un 0,6 % de plata. En general, resulta interesante mejorar el porcentaje de reciclaje de las aleaciones de tipo Al-Li.

La técnica anterior describe métodos de fundición de la chatarra de aleaciones de aluminio de una manera general. La patente US 3.999.980 describe un método de fundición de la chatarra en atmósfera inerte y lo compara con procedimientos típicos que utilizan una sal fundida. La patente US 4.159.907 señala el inconveniente que representa la baja densidad absoluta de la chatarra, que tiende a flotar sobre el aluminio líquido y a oxidarse, y propone como solución aumentar la densidad de la chatarra comprimiéndola. La patente US 6.074.455 describe un método de inmersión rápida de la chatarra en el aluminio líquido mediante su introducción en el vórtice creado por un rotor. La patente US 3.873.305 describe un método de fundición de la chatarra de las latas de bebidas según el cual se sumerge la chatarra con la ayuda de una hélice giratoria. La patente JP 10147822 describe un horno utilizado para fundir la chatarra de las latas de bebidas en el que la chatarra se mezcla encima del baño de metal líquido con la ayuda de un equipo especial. La solicitud de patente US 2004/0244535 propone introducir los residuos de aleaciones de tipo Al-Li en forma densificada dentro de una cesta adecuada para conseguir una inmersión rápida.

Según la técnica anterior, para fundir la chatarra es preferible realizar una inmersión rápida... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento de fundición de chatarra de aleación de aluminio con contenido de litio en el que

(i) se suministra chatarra formada por aleaciones de tipo aluminio-litio (etapa de suministro);

(ii) se prepara un lecho inicial de metal líquido de una primera composición (etapa de preparación del lecho inicial de metal líquido) en un horno de fundición;

(iii) se carga dicha chatarra sobre el lecho inicial de metal líquido de manera que se forme en la superficie del lecho de metal líquido un colchón flotante de chatarra de un grosor controlado (etapa de carga). Dicho colchón se fundirá parcialmente al entrar en contacto con el lecho de manera que se obtenga un baño de metal líquido con una segunda composición, que puede ser igual o diferente a la primera. La concentración de litio de la segunda composición de dicho baño de metal líquido estará comprendida entre el 0,1 %, o preferiblemente el 0,2 %, y el 2,5 % en peso;

(iv) se extrae el metal líquido (etapa de extracción) de dicho baño de metal líquido de una segunda composición.

El grosor controlado de dicho colchón flotante durante la etapa de carga está comprendido entre 300 mm y 1.500 mm.

2. Procedimiento continuo según la reivindicación 1, en el que las etapas de carga y de extracción se desarrollan, al menos en parte, simultáneamente y en el que el metal líquido está cubierto permanentemente durante estas dos etapas por dicho colchón de chatarra.

3. Procedimiento según las reivindicaciones 1 o 2, en el que la etapa de carga se efectúa de manera continua o semicontinua.

4. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3 en el que la etapa de extracción se efectúa de manera continua o semicontinua.

5. Procedimiento según la reivindicación 1 en el que, al final de la etapa de carga, se funde totalmente el colchón de chatarra (etapa de fundición final del colchón).

6. Procedimiento según la reivindicación 5 en el que se ajusta la temperatura del baño de metal líquido de una segunda composición para obtener una temperatura compatible con la extracción de metal líquido durante la etapa de extracción.

7. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 5 a 6 en el que la chatarra y el metal líquido se protegen contra la oxidación durante la etapa de fundición final del colchón mediante argón líquido y/o argón gaseoso y/o nitrógeno.

8. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 5 a 7 en el que la chatarra y el metal líquido se protegen contra la oxidación durante la etapa de fundición final del colchón mediante una sal fundida.

9. Procedimiento según la reivindicación 8 en el que dicha sal fundida es una o varias de las sales del grupo formado por el KCl, el LiCl, el MgCl2, el AlF3, el AlF6Na3 y Na5Al3F14.

10. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9 en el que se efectúa una colada del metal líquido extraído para formar un producto intermedio sólido.

11. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10 en el que la concentración de litio del baño de metal líquido de una segunda composición está comprendida entre el 0,5 % y el 2 % en peso.

12. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12 en el que el colchón de chatarra y el lecho de metal líquido se protegen contra la oxidación durante la etapa de carga mediante argón y/o nitrógeno y/o una sal fundida.

13. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12 en el que la chatarra está formada por torneaduras, como pueden ser granos, limaduras o virutas resultantes de procesos de mecanizado u otras operaciones.

14. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13 en el que la chatarra comprende elementos cuya longitud, anchura o grosor es inferior a 1 mm y que no tienen ninguna de estas dimensiones superior a 30 mm.

15. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14 en el que la densidad absoluta de la chatarra está comprendida entre 0,05, o preferiblemente 0,1, y 0,7 t/m3

16. Procedimiento según la reivindicación 15 en el que la densidad absoluta de la chatarra está comprendida entre 0,2 y 0,4 t/m3.

17. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 16 en el que la chatarra está esencialmente constituida por una o varias aleaciones seleccionadas de entre las siguientes: AA2050, AA2090, AA2091, AA2094, AA2095, AA2097, AA2098, AA2099, AA2195, AA2196, AA2197, AA2198, AA2199, AA2297 y AA2397.

18. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 17 en el que la chatarra contiene plata o escandio.

19. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 18 en el que se desengrasa la chatarra durante la etapa de suministro.

20. Procedimiento según la reivindicación 19 en el que dicho desengrasado se realiza con un horno cilíndrico giratorio con quemador.

21. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 20 en el que el lecho inicial de metal líquido tiene un peso inferior al 300 % del peso de la chatarra cargada.

22. Procedimiento según la reivindicación 21 en el que el lecho inicial de metal líquido tiene un peso inferior al 150 % del peso de la chatarra cargada.

23. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 22 en el que el horno de fundición es un horno de inducción.

24. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 10 a 23 en el que el producto intermedio es un lingote de refundición.

25. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 24 en el que el colchón de chatarra es casi estático.

26. Procedimiento según la reivindicación 10 en el que el producto intermedio obtenido se utiliza para elaborar productos acabados o semiacabados de aleaciones de tipo Al-Li, como pueden ser planchas gruesas, planchas finas, bandas, perfiles o piezas forjadas.