APARATO PARA CONSERVAR Y REFINAR ALUMINIO FUNDIDO

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OFICINA ESPAÑOLA DE
PATENTES Y MARCAS
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ES 2 073 539
kInt. Cl. : C22B 21/00
11 N.◦ de publicación:
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ESPAÑA
B22D 41/02
F27D 1/00
C04B 41/50
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TRADUCCION DE PATENTE EUROPEA
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kNúmero de solicitud europea: 90312338.8
kFecha de presentación : 13.11.90
kNúmero de publicación de la solicitud: 0 428 363
kFecha de publicación de la solicitud: 22.05.91
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54 Tı́tulo: Aparato para contener.
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73 Titular/es: Praxair Technology, Inc.
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72 Inventor/es: Pelton, John Franklin
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74 Agente: Elzaburu Márquez, Fernando
30 Prioridad: 14.11.89 US 436829
39 Old Ridgebury Road
Danbury, CT 06810-5113, US
45 Fecha de la publicación de la mención BOPI:
16.08.95
45 Fecha de la publicación del folleto de patente:
16.08.95
Aviso:
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En el plazo de nueve meses a contar desde la fecha de publicación en el Boletı́n europeo de patentes,
de la mención de concesión de la patente europea, cualquier persona podrá oponerse ante la Oficina
Europea de Patentes a la patente concedida. La oposición deberá formularse por escrito y estar
motivada; sólo se considerará como formulada una vez que se haya realizado el pago de la tasa de
oposición (art◦ 99.1 del Convenio sobre concesión de Patentes Europeas).
Venta de fascı́culos: Oficina Española de Patentes y Marcas. C/Panamá, 1 – 28036 Madrid
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DESCRIPCION
Esta invención se refiere a aparatos para contener y refinar aluminio. Más particularmente,
se refiere a aparatos de este tipo que incorporan
aislamiento refractario mejorado.
En el refino de aluminio, se ha encontrado que
es desventajoso el uso de tinas de fundición forradas con material refractario, externamente calentadas, como cubas de refino, por la duración limitada y algo impredecible de las tinas. Esta condición indeseable se deriva del fallo de las tinas de
fundición a causa del agrietamiento, el abombamiento, la corrosión por cloruros o la destrucción.
Además, las limitaciones de diseño relacionadas
con tales tinas de fundición dan por resultado el
uso de configuraciones que son difı́ciles de limpiar,
originando una desventaja práctica adicional para
su uso en operaciones comerciales.
En un esfuerzo para superar tales desventajas, se ideó un sistema de refino que constaba
de una cuba revestida de material refractario que
tenı́a calentadores de inmersión tubulares verticales, tales como tubos de carburo de silicio con elementos de calentamiento por resistencia helicoidales internos, suspendidos de la tapa de la cuba
de refino. En este enfoque, se vio que los calentadores tenı́an una vida limitada y, en la práctica,
eran muy difı́ciles de sustituir. Cuando un calentador fallaba a causa de la rotura del tubo de
carburo de silicio, los trozos del tubo roto producı́an con frecuencia la rotura de la boquilla de
embutición utilizada para inyectar gas en el aluminio fundido dentro de la cuba. Además, dicho
sistema era muy difı́cil de limpiar a causa de los
muchos rebajos entre tubos de calentadores adyacentes, y entre los tubos de calentadores y las
paredes de la cuba, en que se acumulaban impurezas y resultaba difı́cil retirarlas de una manera
cómoda.
Como resultado de tales problemas, se desarrolló un aparato mejorado para el refino de
aluminio u otros metales fundidos. Este aparato comprendı́a un sistema totalmente refractario en el que dos paredes laterales opuestas consistı́a cada una en un bloque de grafito que tenı́a
elementos de calentamiento eléctricos situados en
agujeros verticales practicados en los bloques de
grafito, estando abiertos dichos agujeros por la
parte superior y cerrados por su parte inferior.
Se describen otras diversas caracterı́sticas de este
sistema en la patente norteamericana 4.040.610,
de Szekely. Este sistema proporcionaba de este
modo una fuente de calentamiento interno al
tiempo que superaba los inconvenientes asociados con el uso del calentador de inmersión. Se vio
que aumentaba la duración de los calentadores, se
reducı́a al mı́nimo la erosión y se facilitaba la reparación del sistema. Para mantener el aluminio
en el estado fundido, dicho sistema comprendı́a
una cuba destinado a contener el aluminio en un
estado fundido y que incluı́a una envoltura que
tenı́a un forro refractario interno impermeable al
metal fundido, con un forro que comprendı́a bloques de grafito para una parte del interior de la
envoltura que estaba previsto que se encontrara
debajo de la superficie del producto fundido, y al
menos medios de calentamiento dispuestos dentro
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de uno o más de los bloques. Para aplicación en
el refino de aluminio, el sistema incluı́da también
al menos unos medios giratorios distribuidores de
gas dispuestos en la cuba, ası́ como también medios de entrada y salida para el metal fundido y
los gases.
Se ha encontrado que los sistemas totalmente
refractarios que utilizan bloques de grafito con calentadores constituyen una mejora deseable en la
técnica y se han empleado ventajosamente en operaciones industriales de refino de aluminio. No
obstante, son deseables mejoras adicionales en tales sistemas para mejorar su posibilidades de adecuación mediante la superación de problemas de
funcionamiento prácticos encontrados en las operaciones comerciales. Uno de tales problemas se
refiere al forro y al aislamiento refractarios empleados en tales sistemas.
En la construcción de un horno convencional de aluminio fundido totalmente refractario o
depósito de contención, el depósito está usualmente revestido con material refractario moldeable denso o con ladrillos refractarios densos. Este
material no es infiltrado por aluminio fundido a
causa de que es demasiado denso y contiene solamente una pequeña cantidad de porosidad en
forma de burbujas aisladas y similares. El forro
denso está reforzado con un material aislante refractario de baja densidad que, a su vez, está contenido dentro de una envoltura de acero. Es muy
difı́cil conservar el forrorefractario interno denso
totalmente estanco a las fugas. A fin de impedir que el material fundido fluya a través de una
grieta o juntas que haya en el forro refractario
interno, y dentro y a través del aislamiento de
refuerzo de baja densidad, la práctica común es
diseñar el sistema de manera que la temperatura
en el lado externo del forro denso sea inferior al
punto de fusión de la aleación de aluminio que
está siendo tratada cuando el metal fundido contenido está a su temperatura más alta.
La conductividad térmica de los productos refractarios densos adecuados es relativamente alta
en comparación con la de los productos refractarios de aislamiento. Como se indica en esta
memoria, la conductividad térmica de un material se define en términos de vatios/m2 a un
gradiente de temperatura de 21,6◦C por metro a
una temperatura dada. La conductividad térmica
de dichos materiales refractarios densos duros es
tı́picamente de aproximadamente 44 a 63 aproximadamente a 815◦ C. Por ejemplo, la conductividad térmica de productos refractarios moldeables
de alto contenido de alúmina, tal como Alfrax 66
(marca registrada), usados corrientemente para el
forro interno denso duro, es de aproximadamente
44 a 815◦C, y de aproximadamente 60 a 538◦ C.
La densidad del material Alfrax 66 (marca registrada) es de aproximadamente 2562 kg/m3 , y la
densidad de tales materiales refractarios densos
oscila en general tı́picamente desde aproximadamente 2562 a aproximadamente 2882 kg/m3 .
El forro interno empleado en sistemas convencionales como se describe en lo que antecede tiene
que ser bastante grueso, o los sistemas tienen que
permitir una pérdida de calor bastante grande
haciendo al aislamiento refractario bastante del-
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gado. Sin embargo, es generalmente deseable operar a niveles de pérdida de calor bastante bajos.
En tales operaciones, es deseable colocar elementos de calentamiento en una sola pared de la cuba,
proporcionando ventajas prácticas tales como una
limpieza más fácil de la cuba y un funcionamiento
más versátil. Sin embargo, un aumento en el grosor del producto refractario aislante para reducir la pérdida de calor, requiere un aumento proporcional correspondiente en el grosor del forro
refractario denso interno para mantener el perfil de temperaturas deseado a través del grosor
de la pared como se indica en lo que antecede.
Como resultado, se requerirı́an paredes de cuba
muy gruesas para limitar la pérdida de calor en
la medida deseada, si en realidad pudiera lograrse
la limitación deseada. A medida que aumenta
el grosor total de la pared de la cuba, aumenta
también rápidamente el área superficial exterior
para sistemas de refino pequeños, y los beneficios
derivados del grosor aumentado de la pared son
anulados algo por el aumento correspondiente en
el área efectiva de la pared de la cuba. En algunos casos, los sistemas de refino necesitan ser
colocados en un espacio en planta disponible pequeño de tal manera que tales paredes gruesas no
pueden ser toleradas en ningún caso. Se verá de
lo que antecede que hay una necesidad genuina
en la técnica de un sistema totalmente refractario
capaz de funcionamiento a un nivel de pérdida de
calor bastante bajo y que incorpora paredes sólo
moderadamente gruesas.
Una solución a este problema entraña el uso
de un forro refractario aislante como barrera contra el aluminio fundido. En este enfoque, la
cámara de refino usualmente está forrada de materiales densos y duros, tal como grafito, carburo de silicio y material refractario moldeable
de alúmina densa, que pueden limpiarse por raspado fácilmente por comodidad en el mantenimiento de la cuba de refino. Sin embargo, tales
superficies de forro no tienen juntas estancas a las
fugas, de manera que el metal lı́quido, es decir, el
aluminio fundido, puede pasar a través de tales
juntas de la superficie. Tales materiales de forro
duros, incluı́do el bloque de grafito con calentadores que puede formar una o más paredes, están
reforzados deseablemente con un tablero aislante
fibroso refractario de densidad relativamente alta,
por ejemplo, un tablero de 960 kg/m3, en comparación con el tablero de densidad relativamente
baja, por ejemplo, de 160- 320 kg/m3 , corrientemente utilizado para tableros aislantes fibrosos
más refractarios. Tales tableros aislantes fibrosos
de densidad relativamente alta se montan juntos
de la manera más completa posible, pero las juntas ente ellos, naturalmente, no son estancas a las
fugas. Sin embargo, un grosor relativamente pequeño de este tablero denso, tı́picamente de 7,5 a
10 cm, cuando está reforzado con un aislamiento
fibroso refractario de densidad relativamente más
baja (por ejemplo 320 kg/m3 ) y de conductividad
térmica más baja, es capaz de limitar deseablemente la pérdida de calor del sistema y, al mismo
tiempo, mantener la temperatura en el exterior
del tablero de densidad más alta por debajo del
punto de fusión del aluminio.
Se apreciará que la conductividad térmica del
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tablero aislante fibroso refractario mencionado en
lo que antecede es tı́picamente muy considerablemente menor, es decir, de un orden de magnitud
menor que la del material refractario de forro interno denso duro mencionado en lo que antecede.
Por tanto, el tablero aislante fibroso PC-45 mencionado en lo que sigue, que tiene una densidad
de 960 kg/m3 , tiene una conductividad térmica
de 5,0 a 815◦ C y 3,5 a 399◦C. El tablero fibroso
aislante que tiene una densidad más baja de 32
kg/m3, es decir, el denominado tablero Al-3, tiene
una conductividad térmica de 3,7 a 871◦ C, 2,8 a
649◦C, y 1,6 a 93◦ C. Tales valores son tı́picos para
un tablero aislante fibroso refractario de este tipo,
que tiene una conductividad térmica en general
por debajo de aproximadamente 5,7 a 815◦ C, corrientemente desde aproximadamente 3,2 a aproximadamente 5,0 a dicha temperatura. La densidad de dicho tablero aislante fibroso refractario
es generalmente inferior a 1280, tı́picamente de
desde aproximadamente 240 a aproximadamente
1120 kg/m3. Se apreciará de lo que antecede
que el tablero aislante fibroso refractario tiene
una densidad y una conductividad térmica mucho
más bajas que el forro refractario denso corrientemente empleado como barrera contra el aluminio
fundido en sistemas de refino.
Este enfoque, que emplea tablero aislante refractario de densidad relativamente más alta que
una barrera contra los metales, depende de la capacidad de dicho material de tablero aislante para
resistir la penetración o la infiltración de aluminio
fundido como se describe en lo que sigue. Un material aislante fibroso refractario conveniente comercialmente disponible, que parece ser adecuado
para tal uso como barrera contra los metales,
es el tablero aislante de densidad relativamente
alta, es decir, de 960 kg/m3 , comercializado bajo
la designación PC-45 por Rex-Roto Corporation.
Tras estar sumergido en aluminio fundido durante
perı́odos de hasta 11 semanas, se vio que no se
habı́a producido ninguna penetración importante
en dicho tablero aislante por parte del aluminio.
Los sistemas de refino construı́dos utilizando
tablero aislante fibroso de densidad relativamente
alta como barrera contra los metales, por ejemplo, el mencionado material PC- 45, fueron puestos en funcionamiento y, sorprendentemente, se
vio que desarrollaban puntos calientes en la proximidad del bloque de grafito con calentadores.
Al ser retirado de funcionamiento a causa de la
pérdida de calor a temperatura de funcionamiento
que excedı́a la capacidad del calentador, tales sistemas se desmontaron parcialmente, y se vio que
el tablero aislante de PC-45 habı́a sido infiltrado
completamente por el aluminio. Parte del aislamiento de densidad relativamente baja detrás del
tablero de PC-45 se vio también que habı́a sido
infiltrado por el aluminio. Cuando la infiltración
de metal se habı́a producido, el tablero de PC45 estaba completamente lleno de metal, siendo
el humedecimiento del tablero aislante por parte
del metal tan completa que el metal habı́a subido
varios centı́metros por encima del nivel de funcionamiento del aluminio fundido en la cuba de
refino por acción capilar.
La infiltración inesperada del aluminio en el
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tablero aislante refractario denso destruye efectivamente su utilidad en sistemas de refino.
Cuando se habla en esta memoria de infiltración
se quiere denotar el relleno de los huecos internos
del tablero aislante fibroso refractario con aluminio fundido. Como resultado, las caracterı́sticas
de dicho tablero son cambiadas de tener una conductividad térmica muy baja a tener una conductividad térmica próxima a la del aluminio fundido que se infiltra en dichos huecos internos del
tablero aislante fibroso refractario de densidad relativamente más baja. Por tanto, el aluminio fundido se infiltrarı́a y empaparı́a el forro de tablero
aislante fibroso dando por resultado una disminución muy pequeña en la temperatura a través
de la zona infiltrada. En tales circunstancias, el
aluminio fundido pasarı́a totalmente a través del
forro aislante y alcanzarı́a y producirı́a el fallo
de la envoltura externa de acero de la cuba de
refino. Evidentemente no puede tolerarse dicha
infiltración del metal fundido en la envoltura de
acero.
Los versados en la técnica apreciarán que el
problema de dicha infiltración de aluminio fundido del forro de tablero aislante fibroso refractario de un sistema de refino difiere en grado importante del tratamiento de un material denso duro
que tenga una densidad mucho más alta y una
conductividad térmica de orden de magnitud más
alto. Dicho material denso duro está sometido
corrientemente a deterioro superficial como resultado de una somera penetración en él del aluminio fundido y la reacción quı́mica resultante.
La patente de EE. UU., de Drouzy y otros, n◦
4.174.972, describe la adición de fluoruro de metales alcalinos o alcalinotérreos para impedir la penetración superficial gradual de dicho material refractario denso duro con metal fundido, tal como
aluminio, que dará por resultado el hinchamiento,
el agrietamiento y la separación de partı́culas de
productos refractarios desde el forro y su presencia indeseable en productos de aluminio. El material refractario denso duro al que se refiere la
patente de Drouzy y otros es material refractario previsto para resistir el contacto con aluminio
fundido en la práctica convencional, es decir, hormigón moldeable que tiene un alto contenido en
alúmina y sı́lice, no pudiendo infiltrarse el aluminio fundido en dicho material denso duro. Como
se ha indicado en lo que antecede, dicho material de forro interno convencional posee caracterı́sticas de alta densidad y alta conductividad
térmica en comparación con el material menos
denso, de conductividad térmica mucho más baja
normalmente usado como forro aislante, pero no
como capa de barrera contra el aluminio fundido.
Se apreciará de lo que antecede que hay una necesidad genuina en la técnica del desarrollo de una
cuba de contención y refino que incorpore tablero
aislante fibroso refractario como barrera contra
los metales, sin que dicha cuba sea sometida a
una infiltración de aluminio indebida en dicho tablero aislante refractario empleado como barrera
contra los metales en dicha cuba.
Se ha visto ahora que es posible proporcionar
una cuba mejorada totalmente de material refractario para contener y refinar aluminio, particularmente una en la que puede emplearse material
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aislante fibroso refractario como barrera contra
los metales en ella sin infiltración indebida del
aluminio en tablero aislante en las condiciones de
trabajo empleadas en dicha cuba.
Por medio de la presente invención, pueden
construirse cubas de contención y refino de aluminio totalmente de material refractario, en las
que el material aislante fibroso refractario funciona como barrera contra el aluminio ası́ como
también de capa de aislamiento. La infiltración
indeseable de aluminio en el material aislante,
que se produce sorprendentemente en las condiciones de trabajo de dichas cubas, se impide por
la presencia de cantidades incluso pequeñas de
materiales particulares, especialmente haluros de
metal empleados en tal material aislante fibroso
empleado como barrera contra el aluminio.
De acuerdo con la presente invención se proporciona una cuba destinada a contener y refinar aluminio fundido, y sus aleaciones, que comprende una envoltura externa de cuba que tiene
un forro aislante refractario en sus paredes inferior y lateral, empleándose el forro previsto que
sea impermeable al aluminio fundido para al menos una parte del forro, teniendo el material aislante fibroso refractario una densidad de menos de
aproximadamente 1280 kg/m3 , teniendo el material una conductividad térmica muy baja de menos de aproximadamente 5,7 vatios/m2 a un gradiente de temperaturas de 21,6◦C/m a 815 ◦ C ,
conteniendo el material aislante fibroso refractario fluoruro o fluosilicato de metal alcalino o de
metal alcalinotérreo, no siendo infiltrable el material aislante fibroso por el paso del aluminio a los
huecos internos del mismo, con lo que la presencia
del fluoruro o fluosilicato de metal sirve para impedir eficazmente la infiltración indeseable en el
forro de material aislante fibroso refractario que
sirve de barrera contra el aluminio fundido ası́
como de forro aislante.
Por tanto, en la presente invención, se utilizan
materiales aislantes fibrosos refractarios en cubas
de contención y refino de aluminio como capa de
barrera contra el aluminio, habiéndose producido
el tablero aislante para incorporar en él materiales
particulares, especialmente haluros de metal, que
sirven para impedir la infiltración sorprendente
de aluminio de los huecos internos que, por lo
demás, se ha visto que ocurre con respecto a dicho
material de aislamiento de baja densidad en las
condiciones de trabajo tı́picamente empleadas en
tales cubas. Si bien dicho tablero aislante fibroso
refractario de baja densidad y de baja conductividad térmica normalmente no está sometido a
infiltración de aluminio, como lo confirman las
pruebas de laboratorio en que muestras de dicho
material fueron sumergidas en aluminio fundido
durante perı́odos prolongados de tiempo como se
indica en lo que antecede, dicha infiltración de
aluminio se vio que se producı́a en cubas de contención y refino de aluminio que no incorporaban
la invención como se describe y se reivindica en
esta memoria.
Se apreciará que, en realizaciones particulares, el aparato de la invención, que constituye
una cuba para contener aluminio fundido, con o
sin el refino de dicho aluminio comprende un envoltura externa tı́picamente de acero que tiene
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tı́picamente dicho forro aislante refractario de
baja densidad en las paredes inferior y lateral de
la misma. Dicho aislamiento puede ser sensible
al paso de aluminio a su través. En las paredes
internas de dicho forro refractario de baja densidad está situado un forro de material aislante refractario tratado que sirve de capa de aislamiento
adicional para la cuba. Una pared lateral interna
de la capa aislante refractaria tratada puede estar revestida con un forro de bloque de grafito u
otro material refractario denso, de conductividad
térmica relativamente alta. El elemento de calentamiento eléctrico está generalmente dispuesto
dentro de una abertura de dicho forro de bloque.
Las otras paredes laterales internas y el fondo
están revestidos con una capa relativamente delgada de un material refractario adecuado, denso
duro, que puede ser limpiado por raspado sin que
se le produzcan daños excesivos. Resulta muy
difı́cil mantener a este forro refractario interno
denso estanco a las fugas, de manera que dicha
capa aislante refractaria tratada sirve ası́ de barrera contra el aluminio de la cuba.
En la práctica de la invención, el material de
aislamiento refractario tratado, es decir, el tablero aislante fibroso refractario o aislamiento fibroso refractario en forma moldeable, utilizado
como capa de aislamiento interno y barrera contra
el aluminio tiene incorporado en él una pequeña
cantidad de fluoruros o fluosilicatos de metal que
sirven para impedir una infiltración de aluminio
importante en los huecos internos de dicho tablero
o aislamiento moldeable durante el uso en operaciones de refino. No se comprende totalmente el
mecanismo que permite que el tablero aislante fibroso refractario o aislamiento moldeable que no
contiene tales haluros de metal sea resistente a la
infiltración de aluminio en pruebas de inmersión
ordinarias. Sin embargo, se supone que la razón
de que la infiltración de metal en tal aislamiento
fibroso de baja densidad no aparezca en pruebas
convencionales ni en el uso es que hay suficiente
infiltración de oxı́geno anterior en el aislamiento,
como desde el aire, para impedir la infiltración
de metal en él. Cuando se sumergieron completamente pequeños trozos de dicho material de tablero aislante de PC-45 en aluminio fundido y se
mantuvieron ası́ mediante una varilla porosa, no
se vio que se produjera ninguna infiltración de
aluminio en el tablero. Parece ser que la pequeña
cantidad de oxı́geno contenida en los poros de dicho material de tablero aislante fibroso era suficiente para formar una barrera de pelı́cula de
oxı́geno sobre la superficie del tablero de manera
que se impedı́a eficazmente la infiltración de aluminio en el mismo.
En un proceso de pruebas que reproducı́a lo
más exactamente posible las condiciones existentes detrás del bloque de grafito con calentador
de un horno refractario o cuba de contención,
es decir, la ubicación de la peor infiltración de
metal, se alojó un pequeño trozo de tablero de
PC-45 en un tubo de grafito vertical que estaba
abierto por la parte inferior y tenı́a una conexión
de gas en la parte superior. Con el nitrógeno pasando al interior del tubo, se sumergió en aluminio fundido. Se mantuvo el flujo de nitrógeno lo
suficientemente alto como para impedir que pe-
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netrara metal lı́quido en el tubo. Se dejó que
el conjunto permaneciera en esta condición durante tres horas a una temperatura de metal de
750-780◦C, simulando con ello el tiempo tı́pico de
mantenimiento empleado para calentamiento del
sistema de refino antes de la carga de metal. Durante este tiempo, todo el oxı́geno contenido en
los poros del tablero de aislamiento fibroso tuvo
tiempo de difundirse fuera del tablero y cualesquiera partı́culas volátiles, incluı́da el agua, tuvieron tiempo de evaporarse y de ser arrastradas
fueras del tablero por dicho nitrógeno. Deberá
hacerse notar que, en un sistema de refino real, el
nitrógeno empleado para hacer inerte el espacio
de carga de la cuba de refino se introduce en la
zona del bloques con calentadores a fin de hacer
inerte esta parte de la cuba de refino y de reducir
ası́ la oxidación de los bloques con calentadores.
En este proceso de pruebas, se redujo entonces
la presión del nitrógeno de manera que el metal
lı́quido pudiera subir dentro del tubo de grafito y
empujar contra el extremo inferior del tablero de
aislamiento de muestra que se estaba probando.
Algo del gas continuaba fluyendo al interior del
tubo de grafito y salı́a a través de los poros del
grafito. Se mantuvo el sistema de pruebas en esta
condición durante perı́odos de pruebas de desde
dos a tres dı́as, después de lo cual se aumentó la
presión del gas para empujar al metal de nuevo
hacia afuera del tubo, y se retiró el conjunto para
fines de inspección.
Se vio que era posible humedecer e infiltrar o
penetrar el tablero de aislamiento de PC-45 con
el aluminio fundido empleado en la prueba, es decir, el aluminio que contenı́a aproximadamente
0,2% de Mg, con aluminio puro que se suponı́a
que tenı́a el mismo efecto. Tal infiltración se producı́a incluso cuando se utilizaba gas de nitrógeno
para hacer inerte 20 ppm inadvertidamente contenidas de oxı́geno y 100 ppm de agua. Por tanto,
se producı́a un empapamiento de aluminio de 9,5
x 153 m en un perı́odo de un dı́a. Las pruebas
siguientes, con una atmósfera de nitrógeno más
pura, dieron por resultado ı́ndices de infiltración
de aproximadamente 0,013m por dı́a durante tres
dı́as. Se vio también que, cuando se utilizaba
argón como gas inerte en lugar de nitrógeno, se
producı́a sólo humedecimiento puntual de la superficie, e infiltración sólo muy ligera en los huecos internos del tablero de aislamiento, en el curso
de un perı́odo de pruebas de tres dı́as utilizando
aluminio más 2% de Mg, que se comprenderá que
es una aleación muy agresiva. Por tanto, el uso
de argón para hacer inerte o purgar gas puede
ser una posible solución al problema de la infiltración del aluminio. Esta solución, como apreciarán fácilmente los versados en la técnica, serı́a
muy costosa desde el punto de vista del coste de
funcionamiento. Por tanto, se requerı́a una solución efectiva más costosa, tal como la de la invención, para operaciones de refino de aluminio
comerciales prácticas.
Se consideró la presencia de un haluro como
otro enfoque para detener, o al menos reducir,
el humedecimiento de aluminio e infiltración en
el aislamiento refractario, al igual que la introducción de cloro con el gas de purga de nitrógeno.
Sin embargo, tal uso de cloro serı́a perjudicial y
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tenderı́a también a producir corrosión de las partes de metal del sistema de refino. Si los cloruros
hubieran de introducirse en el tablero de aislamiento como soluciones de agua, la naturaleza
bastante volátil de los cloruros a temperaturas
tı́picas de refino y su contacto con el aluminio tenderı́an a dar por resultado la formación de cloruro
de aluminio muy volátil. Esto probablemente
harı́a que su eficacia disminuyera rápidamente
con el tiempo de funcionamiento. Además, muchos de tales compuestos de cloruro son de naturaleza higroscópica y tenderı́an a favorecer la
corrosión de las partes de acero incluso a temperatura ambiente.
Los haluros de metal incorporados en el tablero de aislamiento fibroso refractario, o dicho
aislamiento en forma moldeable, en la cuba de
refino mejorada de la invención son preferiblemente fluoruros metálicos, muchos de los cuales
tienen puntos de fusión y ebullición muy altos.
Como se ha indicado en lo que antecede, la incorporación de una pequeña cantidad de flúor en
hormigón refractario moldeable no fibroso denso
duro, que tiene propiedades de alta temperatura
de deflexión y alta resistencia a la compresión, se
descubrió en la patente de Drouzy y otros. La
presencia de dicho flúor, en forma de un fluoruro
de metal alcalino o metal alcalinotérreo se dice
que evita que el material de la masa, que contiene Al2 O3 y SiO2 , sea atacada quı́mica o fisicoquı́micamente por el aluminio de manera que
afecta adversamente a las propiedades refractarias del cemento en un grado inaceptable. Con
referencia a esta patente, B Gnyia, of Alcon International Limited, descubrı́a en “Methods for Upgrading Common Silicate Refractories and Foundry Iron Implements Against the Attack by Molten Aluminum Alloys”, Light Metals, 1986, que
los productos refractarios utilizados en la práctica
de la fundición de aluminio, silicatos de aluminio,
silicatos de calcio y similares son propensos a ataques superficiales considerables por aluminio fundido, en particular por sus aleaciones más agresivas. Gnyra describe un proceso de tratamiento
que entraña el uso de una solución de sal de fluoruro en combinación en muchos casos con una
aplicación de polvo refractario, designado como
tratamiento de silicato y fluoruro, en particular
para tratar superficies ásperas de productos refractarios aislantes fibrosos. La solución de fluoruro se prepara de cristales de MgSiF6 6H2 O. El
polvo refractario se emplea en forma de papilla,
que puede omitirse cuando se tratan superficies
refractarias lisas. Se ha determinado también que
un material moldeable de alta densidad a base de
mullita (silicato alumı́nico), es decir, DRI-LIFE
moldeable n◦ 423-E, de Diddier-Taylor, material
muy resistente al ataque superficial por aleaciones
de alto contenido de magnesio y aluminio, contiene aproximadamente 1 1/4% de flúor en una
forma insoluble.
En la práctica de la invención, se prefiere generalmente la incorporación de pequeñas cantidades de fluoruro de calcio en el tablero aislante refractario fibroso de densidad más baja o en dicho
aislamiento en forma moldeable. Dicho fluoruro
de calcio es de baja toxicidad y se encuentra disponible en forma de polvo a coste modesto. Sin
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embargo, se comprenderá que pueden emplearse
también otros fluoruros o fluosilicatos adecuados
de metales alcalinotérreos. Pueden añadirse otros
fluoruros o fluosilicatos de metal también adecuados. Por ejemplo, pueden incorporarse en el aislamiento fluoruro de aluminio, fluoruro de magnesio
y otros fluoruros.
El aislamiento fibroso refractario tratado
como se ha descrito en lo que antecede, con respecto al cual el tablero aislante de PC-45 es un
ejemplo ilustrativo, comprende generalmente un
material aislante refractario fibroso cerámico formado de sı́lice y alúmina. Se comprenderá que
la relación ponderal de tal material variará dependiendo de la densidad de los diversos grados comerciales de dicho tablero aislante. En la
práctica de la invención, pueden emplearse eficazmente densidades de menos de aproximadamente
1280 kg/m3 , tı́picamente desde aproximadamente
240-320 kg/m3 hasta aproximadamente 880-1120
kg/m3 o más, preferiblemente de desde aproximadamente 320 kg/m3 hasta aproximadamente
960 kg/m3. Como se ha indicado en lo que antecede, dicho tablero aislante fibroso tiene niveles
de conductividad térmica relativamente bajos de
menos de aproximadamente 5,7, tı́picamente de
desde aproximadamente 3,2 a aproximadamente
5,0 a 815◦C, en contraste con las conductividades
térmicas de generalmente unos 44 a 63 asociadas con materiales refractarios densos duros que
tenı́an densidades del orden de aproximadamente
2560 a aproximadamente 2880 kg/m3 . El fluosilicato puede utilizarse con cualesquiera composiciones de material aislante refractario fibroso.
Sin embargo, cuando se usan fluoruros de metales alcalinotérreos solos, los mejores resultados se
obtienen cuando el tablero aislante fibroso usado
en la práctica de la invención incorpora un aglutinante de sı́lice.
Cae dentro del alcance de la invención incorporar aproximadamente 0,5% hasta aproximadamente 5,0% en peso o más de dicho fluoruro o
fluosilicato de metal, es decir, haluro de metal alcalino o de metal alcalinotérreo, en el aislamiento
fibroso refractario de baja densidad empleado en
la cuba mejorada para la contención y el refino de
aluminio fundido descrita y reivindicada en esta
memoria. Aunque el grosor del aislamiento fibroso refractario tratado empleado en la práctica
de la invención puede variar dependiendo de las
condiciones de trabajo relativas a cualquier aplicación dada de aluminio, se apreciará que el exterior, es decir, el lado frı́o, del forro de barrera
contra el aluminio de lacuba, es decir, el lado hacia la envoltura externa de acero de la cuba, tiene
que estar por debajo del punto de fusión del aluminio para asegurarse contra fallos de la envoltura externa a causa de la infiltración del aluminio fundido totalmente a través del aislamiento de
la cuba. Cae dentro del alcance de la invención
emplear el tablero aislante fibroso tratado para
todo el grosor de forro de aislamiento requerido o
emplear una cantidad suficiente de dicho tablero
aislante fibroso tratado, o dicho material aislante
fibroso en forma moldeable, para impedir sustancialmente la infiltración indeseable de aluminio,
junto con una capa externa adicional de tablero
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aislante refractario no tratado para asegurar que
la temperatura externa de dicho forro de aislamiento tratado esté ası́ por debajo del punto de
fusión del aluminio. Los versados en la técnica
apreciarán que el aislamiento de densidad relativamente más alta es generalmente más conductor
del calor que el material de densidad más baja,
tal como el aislamiento no tratado de densidad
relativamente baja empleado tı́picamente como
la capa de aislamiento externo de la cuba de refino. En una cuba de refino ilustrativa tı́pica, se
empleaban corrientemente alrededor de 0,15m o
0,18m de aislamiento con, por ejemplo, alrededor
de 0,10m de tablero aislante fibroso de PC-45 tratado que estaba reforzado con 0,076m de material
aislante no tratado de densidad generalmente de
baja. En realizaciones, en las que se emplea en
forma tratada un tablero aislante fibroso de densidad más baja, por ejemplo, de aproximadamente
480 kg/m3 , un forro tı́pico de cuba puede comprender 0,076m de material tratado y 0,10m de
material no tratado, de baja densidad. Aunque
es generalmente deseable emplear sólo tal tablero
aislante fibroso tratado, cuando es necesario para
una aplicación de cuba dada, por razones de gastos y similares, se hace notar de nuevo que el grosor completo del forro de la cuba puede comprender dicho tablero aislante fibroso tratado o material moldeable sin respaldo sobre el lado externo
frı́o del tablero aislante no tratado adyacente a la
envoltura.
Los versados en la técnica apreciarán que pueden hacerse diversos cambios y modificaciones en
los detalles de la invención o en la preparación
del tablero aislante fibroso tratado, o dicho material aislante en forma moldeable, para uso en
la práctica de la invención sin apartarse del alcance de la invención explicado en las reivindicaciones adjuntas. Por tanto, se sabe en la técnica
que el tablero aislante refractario fibroso comercialmente disponible, o dicho material aislante en
forma moldeable, puede conseguirse por diferentes técnicas de fabricación que utilizan diferentes composiciones de material refractario y aglutinante. Para los fines de la invención, pueden
añadirse aditivos de haluro de metal a la composición y mezclarse con ella a fondo de cualquier
manera conveniente y compatible con el proceso
usado para fabricar el aislamiento de material refractario. Se apreciará también que, aunque la
capa aislante refractaria tratada puede comprender la superficie interna de la cuba de contención
o refino, el interior de dicha cuba estará corriente
y preferiblemente forrado con un material refractario denso duro, de conductividad térmica relativamente alta, que es fácil de limpiar por raspado
y otras formas similares. Este forro denso duro
tiene preferiblemente una densidad del orden de
desde aproximadamente 2560 a aproximadamente
2880 kg/m3 , siendo la conductividad térmica del
mismo del orden de desde aproximadamente 44
a aproximadamente 63 vatios/m2 , a un gradiente
de temperaturas de 21,6◦C/m a 815◦C. Alúmina,
carburo de silicio y grafito son ejemplos ilustrativos de un material de forro interno adecuado
que proporcionan facilidad de limpieza y mantenimiento. Como se ha indicado en lo que an-
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tecede, un forro de bloque de grafito se emplea
tı́picamente para la pared o paredes laterales internas de cubas de refino en las que se desea colocar medios de calentamiento eléctrico en dicha
pared o en dichas paredes laterales. A causa del
potencial para la oxidación del grafito en las condiciones de trabajo que prevalecen tı́picamente en
cubas usadas para la contención y el refino de aluminio, tales cubas emplean corrientemente un forro de grafito interno sólo en la pared lateral en
la que se desee colocar tales medios de calentamiento eléctrico.
Los versados en la técnica apreciarán asimismo que, al construir un forro de tableros aislantes fibrosos o de dicho material en forma moldeable, es habitual, pero no esencial, rellenar cualesquiera juntas con un cemento refractario adecuado para reducir los espacios abiertos entre el
material aislante tanto como sea posible. Los
tableros aislantes fibrosos o el material moldeable están también generalmente, pero no esencialmente, revestidos sobre todas sus superficies con
un material sellador. Se ha encontrado que es deseable, por ejemplo, emplear un PC Extendedor
comercial, comercializado por Rex-Roto Corporation, como cemento de relleno, con una pequeña
cantidad de haluro de metal de, por ejemplo, 2
1/2% en peso de CaF2 , añadida al mismo. En
cuanto al sellador, el más conveniente y eficaz es
el PC-Sealer comercializado por Rex-Roto Corporation, deseablemente con aditivo de haluro de
metal, por ejemplo, el 5% en peso de CaF2 .
En el uso de las cubas de contención y refino
de aluminio a las que se dirige la invención, hacer
inerte el espacio de carga de la cuba, utilizando
nitrógeno, argón u otro gas de hacer inerte, se
lleva a cabo tı́picamente introduciendo dicho gas
en la zona de bloques con calentadores para hacer inerte esta región y reducir ası́ la oxidación de
los bloques con calentadores. Aunque se cree que
este procedimiento es deseable para permitir que
el oxı́geno presente en los poros del aislamiento se
difunda fuera de dicho aislamiento, conduciendo
a la infiltración de aluminio indeseable del aislamiento, se comprenderá que otras condiciones
que prevalezcan en la cuba de refino pueden servir también para hacer que el problema se supere
mediante el uso de tablero aislante fibroso refractario tratado o tal material en forma moldeable
en la práctica de la invención. Si bien el problema de la infiltración de aluminio indeseable en
los huecos internos del tablero aislante fibroso de
densidad relativamente baja o material moldeable se ha visto que se produce más rápidamente
en el material fibroso refractario situado inmediatamente alrededor del bloque de grafito con calentadores, se apreciará que dicha infiltración puede
producirse también, aunque a un ritmo más lento,
en otras partes del forro de la cuba. La invención
descrita y reivindicada en esta memoria hace posible que tal infiltración de aluminio sea eficazmente impedida en todas las partes del forro de
la cuba en que se emplee el material aislante fibroso refractario tratado.
En los procesos de pruebas de laboratorio descritos en lo que antecede, utilizando tablero aislante refractario fibroso tratado que contenı́a 2%
de CaF2 en tablero de PC-45, se vio que no se
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producı́a ninguna infiltración de aluminio en los
poros del mismo hasta 3 dı́as de pruebas a 750◦ C.
En cubas comerciales de refino de aluminio, puede
ser deseable emplear una concentración de CaF2
o de otro haluro de metal, particularmente para
aleaciones de alto contenido de Mg. Cinco sistemas de refino de aluminio construı́dos utilizando
el aislamiento fibroso tratado que contenı́a 2% de
fluoruro de calcio han estado en funcionamiento
comercial durante varios meses, y ninguno de estos sistemas ha desarrollado puntos calientes. En
contraposición a esto, tres sistemas construı́dos
previamente sin el uso de dicho aislamiento fibroso tratado desarrollaron puntos calientes debidos a la infiltración de aluminio en unas pocas
semanas de funcionamiento. Un sistema que incorpora dicho aislamiento tratado era retirado de
servicio después de dos meses de funcionamiento
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a causa de problemas no asociados con el aislamiento. Cuando este sistema se desmontó parcialmente para inspección, se vio que no habı́a
existido ninguna infiltración del aluminio fundido
en el tablero de aislamiento fibroso tratado.
Se verá que la invención representa un avance
sustancial en la técnica, superando un problema
principal experimentado en operaciones comerciales prácticas. Disponiendo de medios para impedir la infiltración de aluminio fundido en el forro
aislante de la cuba, la invención hace posible que
se empleen cubas de refino de tamaño conveniente
y sin pérdida excesiva de calor durante perı́odos
prolongados de servicio antes del mantenimiento,
mejorando en gran medida la apetencia y eficacia
globales de operaciones comerciales de refino de
aluminio.
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REIVINDICACIONES
1. Una cuba destinada a contener y refinar
aluminio fundido y sus aleaciones, que comprende
una envoltura de cuba externa que tiene un forro aislante refractario en su fondo y paredes laterales, estando previsto que el forro sea impermeable al aluminio fundido, empleándose, para
al menos una parte del forro, material aislante
fibroso refractario que tiene una densidad de menos de aproximadamente 1280 kg/m3, teniendo el
material una conductividad térmica muy baja de
menos de aproximadamente 5,7 vatios/m2 a un
gradiente de temperaturas de 25,6◦C/m a 815◦ C,
conteniendo en él el material aislante fibroso refractario fluoruro o fluosilicato de metal alcalino
o de metal alcalinotérreo, no siendo infiltrable el
material aislante fibroso por el paso de aluminio fundido a los huecos internos del mismo, con
lo que la presencia del fluoruro o del fluosilicato
de metal sirve para impedir eficazmente la infiltración indeseable en el forro de material aislante
fibroso refractario que sirve de barrera contra el
aluminio fundido ası́ como también de forro aislante.
2. Una cuba según la reivindicación 1, en la
que el material aislante contiene fluoruro de metal
alcalino o de metal alcalinotérreo.
3. Una cuba según la reivindicación 2, en la
que el fluoruro de metal comprende fluoruro de
calcio.
4. Una cuba según la reivindicación 1, en la
que el material aislante contiene un fluosilicato.
5. Una cuba según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en la que el haluro de metal está
presente en una cantidad dentro del margen de
desde aproximadamente 0,5 a aproximadamente
5% en peso basado en el peso del material aislante fibroso refractario.
6. Una cuba según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en la que el material aislante
fibroso refractario comprende tablero aislante fi-
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broso.
7. Una cuba según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en la que el material aislante
fibroso refractario comprende material aislante fibroso en forma moldeable.
8. Una cuba según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en la que el material aislante
fibroso refractario tiene una densidad de desde
aproximadamente 240 a aproximadamente 1120
kg/m3.
9. Una cuba según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en la que el material aislante
fibroso refractario tiene una densidad de desde
aproximadamente 320 a aproximadamente 960
kg/m3.
10. Una cuba según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en la que un forro refractario
interno denso duro está colocado en la superficie interna del forro aislante refractario, comprendiendo el forro interno material de conductividad
térmica relativamente alta para facilitar relativamente la limpieza por el raspado de su superficie, teniendo el forro denso duro una densidad del
orden de desde aproximadamente 2560 a aproximadamente 2880 kg/m3, siendo su conductividad
térmica del orden de desde aproximadamente 44
a aproximadamente 63 vatios/m2 a un gradiente
de temperaturas de 21,6◦C/m a 815◦ C.
11. Una cuba según la reivindicación 10, en la
que al menos una superficie lateral de la misma
tiene un forrointerno de bloque de grafito e incluye medios de calentamiento eléctricos colocados dentro del bloque de grafito.
12. Una cuba según la reivindicación 11, en la
que el forro aislante fibroso refractario comprende
al menos la parte interna de la pared lateral alrededor del bloque de grafito.
13. Una cuba según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, en la que el forro aislante fibroso
refractario comprende el aislamiento de todas las
paredes de dicha cuba.
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NOTA INFORMATIVA: Conforme a la reserva
del art. 167.2 del Convenio de Patentes Europeas (CPE) y a la Disposición Transitoria del RD
2424/1986, de 10 de octubre, relativo a la aplicación
del Convenio de Patente Europea, las patentes europeas que designen a España y solicitadas antes del
7-10-1992, no producirán ningún efecto en España
en la medida en que confieran protección a productos quı́micos y farmacéuticos como tales.
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Esta información no prejuzga que la patente esté o
no incluı́da en la mencionada reserva.
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