BR0208100B1 - processo para a fabricação de um plugue ou tijolo refratário sólido poroso para revestimento de recipiente para injetar gás em metal em fusão, e, plugue ou tijolo refratário sólido poroso obtido pelo processo. - Google Patents

Description

"PROCESSO PARA A FABRICAÇÃO DE UM PLUGUE OU TIJOLO REFRATÁRIO SÓLIDO POROSO PARA REVESTIMENTO DE RECIPIENTE PARA INJETAR GÁS EM METAL EM FUSÃO, E, PLUGUE OU TIJOLO REFRATÁRIO SÓLIDO POROSO OBTIDO PELO PROCESSO"

A presente invenção refere-se a um plugue ou tijolo refratário para injetar gás em metal em fusão e à fabricação de um plugue ou tijolo refratário para injetar gás em metal em fusão.

Os gases são normalmente injetados em metal em fusão em recipientes como as caçambas, cadinhos ou distribuidores para diversos propósitos. Por exemplo, um gás pode ser introduzido na parte inferior de um recipiente para desimpedir o fundo, relativamente fiio, de produtos de solidificação, por exemplo, para removê-los da proximidade de uma saída de vazamento inferior onde do recipiente possui tal saída. Na fabricação de aço, por exemplo, o uso de uma injeção lenta de uma fina cortina de bolhas de gás no distribuidor auxilia na remoção de inclusões; com as inclusões sendo atraídas para as finas bolhas de gás e subindo através do banho até a superfície, onde elas serão convencionalmente capturadas pelo pó ou fluxo da cobertura do distribuidor. O gás também pode ser introduzido para enxágüe ou para homogeneizar o banho termicamente ou em sua composição, ou para auxiliar na dispersão permitindo adições de liga através de todo o banho.

Normalmente um gás inerte é usado, mas gases reativos também podem ser empregados, por exemplo, gases redutores ou oxidantes, quando as composições do banho ou seus componentes requerem modificação. Por exemplo, é habitual injetar gases tais como nitrogênio, cloro, freon, hexafluoreto de enxofre, argônio e outros em metal em fusão, por exemplo, alumínio ou ligas de alumínio em fusão a fim de remover constituintes indesejáveis tais como hidrogênio gasoso, inclusões não metálicas e metais alcalinos. Os gases reativos adicionados ao metal em fusão reagem quimicamente com os constituintes indesejados para convertê-los a uma forma tal como um precipitado, um refugo ou um composto gasoso insolúvel que pode ser prontamente separado do restante do banho. Estes gases (ou outros) podem também ser usados, por exemplo, com aço, cobre, ferro, magnésio ou suas ligas.

A fim de realizar eficientemente uma operação de injeção de gás, é desejável que o gás seja introduzido no metal em fusão, preferivelmente a partir do fundo do recipiente, na forma de um número muito grande de bolhas extremamente pequenas. À medida que o tamanho das bolhas de gás diminui, o número de bolhas por unidade de volume aumenta. Um aumento no número de bolhas e na sua área de superfície por unidade de volume aumenta a probabilidade do gás injetado ser utilizado de maneira eficaz para conduzir a operação esperada.

Propostas anteriores de injeção de gás incluíam a instalação de um plugue ou tijolo refratário sólido poroso no revestimento refratário do recipiente, geralmente na base, mas também nas paredes. Quando em uso, os plugues ou tijolos introduzem um fluxo de gás nas forma de bolhas.

Por exemplo, uma técnica conhecida para introdução de gás em metal em fusão consiste em revestir uma porção de um recipiente contendo metal em fusão (preferencialmente a base do recipiente) com um corpo cerâmico poroso. O gás é introduzido no corpo poroso em um local distante da superfície do corpo em contato com o metal. Durante sua passagem através do corpo, o gás segue por uma série de pequenos caminhos tortuosos para que um grande número de bolhas seja lançado dentro do metal em fusão.

Geralmente, um invólucro metálico que funciona como um tubo coletor para introduzir gás dentro do corpo sustenta o corpo cerâmico poroso. Tipicamente, o invólucro é feito de aço doce (para uso com gás inerte ou ligeiramente reativo tal como argônio ou nitrogênio) ou inconel (para uso com cloro ou freon altamente reativos). O conjunto montado corpo/invólucro é envolto e sustentado, em todos os lados exceto na sua superfície superior, por material refratário tal como tijolos ou material moldável de alumina de baixo teor de cimento. Quando um material moldável é usado, este tanto pode ser moldado no local em torno do corpo poroso ou formado a partir de componentes pré moldados fixados no local durante a instalação do revestimento do recipiente de metal quente. O material de revestimento vai se "encaixar" de topo contra a construção do corpo poroso.

Um problema com a construção acima é que é difícil manter uma vedação de gás eficiente entre o invólucro e o corpo e entre o invólucro e o material moldável de suporte/tijolos. Uma dificuldade aparece, em parte, por que os coeficientes de dilatação térmica do invólucro de metal e dos materiais refratários s?o consideravelmente diferentes, também, o invólucro de metal está sujeito a ataque se cloro for o gás que está sendo usado. Caso s desenvolva uma trinca (como aqui usado, o termo "trinca" refere-se a qualquer defeito no aparelho de dispersão de gás que permita vazamento de gás indesejado), o gás irá vazar através da trinca e então, freqüentemente migrará através do próximo tijolo e do suporte refratário para a atmosfera ambiente. A migração de gás através de 50 cm ou mais de material refratário é possível. O problema é indesejável já que o efeito do vazamento de gás sobre o fluxo de gás através da superfície de borbulhamento de gás projetada pode ser seriamente reduzido e a eficiência do bloco de borbulhamento diminuída. Em alguns casos, o fluxo de gás por meio de finas bolhas de gás irá cessar e ser substituído por um direcionamento descontrolado de fluxo de gás por meio de grandes e ineficientes bolhas de gás. Se o argônio for usado, um custo relativamente elevado deve ser considerado. O problema é particularmente agudo no caso do cloro devido aos efeitos nocivos do cloro quando da liberação na atmosfera. Independentemente do tipo de gás de purificação que é usado, é importante que as trincas sejam evitadas de modo que o vazamento de gás será impedido.

Desejavelmente, uma técnica estaria disponível para injetar de gás em metal em fusão que alcançasse os objetivos de dispersar um grande número de bolhas extremamente pequenas dentro do metal em fusão enquanto que, ao mesmo tempo, se evitasse as trincas no aparelho de dispersão de gás, que resultassem em vazamento.

Também seria desejável que qualquer aparelho como este fosse capaz de ser fabricado facilmente, a um custo razoável e tendo dimensões menores que os aparelhos existentes. Ainda mais, seria desejável que qualquer aparelho de injeção de gás como este fosse utilizável em um equipamento existente tal como um distribuidor, uma caçamba, vaso de fusão, e outros, sem qualquer modificação ou somente com pequenas modificações do equipamento existente.

Ainda mais, a fim de inserir este aparelho dentro do revestimento refratário existente do recipiente de metal em fusão, seria desejável que qualquer aparelho de injeção de gás como este fosse compatível com os materiais refratários circundantes para impedir quaisquer reações químicas adversas de desequilíbrios de dilatação térmica.

Ainda mais, seria desejável providenciar um aparelho que pudesse ser ajustado a uma ampla gama de condições de borbulhamento (tamanho da bolha, volume, pressão, etc.) através de somente alguns pequenos ajustes durante o processo de fabricação, para que o aparelho possa se adequar a necessidades específicas do cliente.

A invenção refere-se assim a um plugue ou tijolo refratário sólido poroso para injetar gás dentro de metal em fusão através de uma superfície em contato com metal em fusão compreendendo i) um corpo refratário poroso substancialmente envolto por um corpo substancialmente não poroso exceto na superfície em contato com o metal em fusão; e

ii) um dispositivo de condução de gás para transportar o gás desde uma fonte de gás para o corpo poroso. No escopo do presente relatório descritivo, um plugue ou tijolo para injetar gás que pode ser um plugue, um tijolo, um tijolo, um dique, um ladrilho, uma barra e semelhantes. Como discutido acima, o plugue ou tijolo da invenção pode ser usado para injetar qualquer gás (quer reativo quer inerte) dentro de qualquer metal ou liga do mesmo em fusão. O plugue ou tijolo tem pelo menos uma superfície de contato com o metal em fusão através da qual o gás é injetado. O plugue ou tijolo compreende um corpo refratário poroso substancialmente envolvido (por exemplo encastrado por ou embutido em) um corpo não poroso exceto, naturalmente, na superfície de contato com o metal em fusão. Ele pode ser incluído ou ser parte do revestimento do recipiente de metal em fusão.

O corpo poroso pode ser feito de qualquer material refratário poroso. Na verdade, a natureza do material utilizado não é essencial desde que o dito material tenha a porosidade necessária. Geralmente, vai ser considerado que um material tendo uma porosidade aparente acima de 20% é poroso. Materiais adequados tipicamente compreendem alumina, espinélio de alumina, magnésia ou espinélio de magnésia, ou combinações de quaisquer dos acima.

O plugue ou tijolo também compreende um dispositivo de condução de gás para transportar o gás desde uma fonte de gás até o corpo poroso. O dispositivo de condução de gás geralmente compreende um conduto que se estende através da parede lateral do corpo não poroso. Este conduto pode ser feito de metal ou de um material refratário, por exemplo. O conduto pode ser fixado no lugar por meio de um material vedante refratário convencional (argamassa ou cimento) ou pode ser prensado dentro do corpo não poroso.

Pode ser utilizado um dispositivo de condução de gás convencional. Contudo, uma vez que a hermeticidade da conexão deve ser monitorada particularmente, disposições especiais tais como por exemplo as descritas em WO-Al-01/83138 são particularmente preferidas.

Também é vantajoso que o dispositivo de condução de gás compreenda uma câmara pressurizada através da qual o gás contacta uma superfície do corpo poroso, pelo menos substancialmente equivalente à superfície de contato com o metal em fusão, de modo que o gás seja distribuído de modo perfeitamente homogêneo dentro do corpo poroso e, consequentemente, vai borbulhar dentro do metal em fusão através de substancialmente toda superfície de contato com o metal em fusão.

Este tipo de plugue ou tijolo para injetar de gás em metal em fusão é conhecido, por exemplo, das USP 5.054.749, 5.423.521 ou 5.219.514. Contudo, nenhuma delas satisfaz as exigências acima identificadas.

O plugue ou tijolo da atual invenção é caracterizado pelo fato de o que corpo poroso é feito de material refratário e que os corpos poroso e não poroso foram prensados conjuntamente. Todas as exigências identificadas acima são cumpridas com um tal plugue ou tijolo.

Novamente, a natureza do material não poroso não é essencial, desde que ele seja um material refratário e tenha a porosidade exigida. Geralmente, vai ser considerado que um material tendo uma porosidade aparente inferior a 20% é não poroso.

O corpo não poroso e o corpo poroso são preferivelmente constituídos de materiais refratários com coeficientes de dilatação térmica similares. Isto serve para impedir o surgimento de trincas por ciclagem térmica.

Pelo uso da presente invenção, a granulometria e a permeabilidade do corpo poroso interno podem ser cuidadosa e consistentemente controladas, para fornecer uma estrutura porosa ainda mais fina e homogênea de modo que pequenas bolhas de gás distribuídas uniformemente escoem a partir da superfície de contato com o metal em fusão do corpo. Esta permeabilidade pode ser prontamente ajustada mediante variações na granulometria da formulação e um plugue ou tijolo de acordo com a invenção podem ser fabricados para se adequar a exigências específicas individuais do cliente.

Esta rota processual é ainda vantajosa, pelo que refratários de alto teor de magnésia podem ser usados para as formulações, tais como espinélio de magnésia. Tais formulações são mais compatíveis com a composição dos revestimentos de distribuidores de aciaria que são usualmente de base básica (magnésia). As características químicas e térmicas são portanto muito similares. Vantajosamente, os corpos refratários porosos e não porosos têm assim um alto teor de magnésia, mais de 50%, preferivelmente mais de 80% e ainda mais preferivelmente acima de 90% em peso da composição.

Consequentemente, materiais similares, mas com granulometrias diferentes podem ser usados para os corpos porosos e não porosos. Assim, é possível fabricar um plugue ou tijolo de acordo com a invenção a partir de materiais com alto teor de magnésia tendo diferentes granulometrias.

Em virtude da co-prensagem dos dois materiais refratários, a baixa permeabilidade natural do corpo não poroso impede vazamento de gás sem ter que recorrer a outras técnicas de restrição a vazamento de gás. Uma outra vantagem da co-prensagem é que um plugue ou tijolo para injetar gás com pequenas dimensões globais, atingindo o grau de borbulhamento de gás exigido, pode ser usado. Isto auxilia na manipulação deste plugue ou tijolo durante o transporte e instalação no recipiente, mais particularmente no revestimento.

O conceito de co-prensagem não é restrito a formas oblongas, quadradas, redondas ou ovais, mas também pode ser usado para produzir qualquer sessão transversal de refratário adequada para co-prensagem. Por exemplo, um componente co-prensado em anel pode ser imaginado o qual estaria localizado para circundar as portas de saída de um distribuidor formando então uma corrente envolvente de bolhas que sobem suavemente, através de que o metal líquido quente terá iria ter de passar antes de entrada nos moldes de lingotamento contínuo.

De acordo com um outro de seus aspectos, a invenção trata de um processo para a fabricação de um plugue ou tijolo para injetar gás em metal em fusão. De acordo com a invenção, este processo compreende as etapas de:

1) introdução em um molde de quantidades apropriadas dos materiais refratários constituindo os corpos porosos e não porosos, ao mesmo tempo respeitando os limites desejados para estes corpos;

2) co-prensagem simultânea de ambos materiais refratários;

3) previsão do dispositivo de condução de gás;

4) tratamento térmico dos materiais co-prensados.

Preferivelmente, um delimitador feito, por exemplo, a partir de uma folha de plástico ou metal fina (mas rígida), é colocado dentro do molde antes de introduzir o material refratário. O delimitador pode ser conformado como um cilindro (com base circular ou oval), ou um paralelepípedo, sem as superfícies superior e inferior. O material refratário que irá formar o corpo poroso é então introduzido na porção central formada pelo delimitador, e o material refratário que irá formar o corpo não poroso é introduzido entre o delimitador e a parede do molde. O delimitador é então removido cuidadosamente e uma outra quantidade do material que forma o corpo não poroso é introduzida dentro do molde, para formar a superfície oposta à superfície de contato com o metal em fusão.

A etapa de previsão do dispositivo de condução de gás pode ser realizada antes ou após a etapa de co-prensagem ou tanto antes e quanto após. Em uma representação preferida da invenção, uma câmara pressurizada é formada pela introdução de uma camada de material consumível dentro do molde, na junção entre a base do material formando o corpo poroso e a superfície adjacente ao material formando o corpo não poroso.

Alternativamente ou em conjunto, um furo pode ser feito ou um conduto colocado através do corpo não poroso antes ou depois da co- prensagem dos materiais para conectar o corpo poroso (através da câmara pressurizada ou não) a uma fonte de gás externa.

A etapa de co-prensagem pode ser realizada de acordo com qualquer método de prensagem conhecido, por exemplo em uma prensa hidráulica.

A etapa de tratamento térmico deve ser realizada a uma temperatura suficiente para desenvolver uma ligação cerâmica entre os corpos poroso e não poroso de modo que a integridade do plugue ou tijolo e sua estanqueidade a gás sejam melhorados. O material consumível (se usado) colocado para gerar a câmara pressurizada será preferivelmente removido durante a etapa de tratamento térmico. Este material consumível pode se queimar (papelão, papel) ou derreter (cera, liga) nas temperaturas usadas. Tipicamente, a etapa de tratamento térmico consiste em queimar o material co-prensado a temperaturas compreendidas entre 800 e 1800°C por um período entre 2 e 12 horas.

A invenção será agora melhor descrita em relação aos desenhos anexos, que somente são fornecidos com o propósito de ilustrar a invenção e não de limitar seu escopo. As figs. 1 e 2 mostram vistas em corte transversal de representações da invenção.

Ambas figuras mostram um plugue ou tijolo (1) para injetar gás em metal em fusão através de uma superfície em contato com metal em fusão (11) compreendendo um corpo refratário poroso (2) substancialmente envolto por um corpo substancialmente não poroso (9) exceto na superfície em contato com o metal em fusão (11). Também visíveis nas figuras 1 e 2 são os dispositivos de condução de gás compostos de um conduto metálico ou refratário (4) que se estende através de uma parede (6) do plugue ou tijolo e conectando-se à câmara pressurizada (3). O conduto (4) é tipicamente fixado no lugar por meio de argamassa ou cimento de calafetagem convencional (5).

Vantajosamente, uma sessão afilada gradual (7) é criada na direção da superfície de contato com o metal em fusão (4), durante a etapa de prensagem como mostrado na figura 1. Este efeito de afilamento é criado durante a ação de prensagem com o corpo poroso deformando-se para dentro do meio não poroso nos lados verticais do molde de prensagem. Este formato afilado ainda protege o corpo poroso (2) formando uma chave contra grandes efeitos de fragmentação.

De acordo com um exemplo da invenção, os materiais utilizados são os seguintes: (% dada em peso):

<table>table see original document page 11</column></row><table>

Granulometria: *: >1 mm 30%**: >1 mm 0%

<45 μm 30% <45 μm 5%

Após serem introduzidos no molde, os materiais foram prensados mecanicamente a uma taxa que assegure as melhores compactação e integração possíveis dos materiais co-prensados. A etapa de tratamento térmico foi realizada através do lento aquecimento do material co-prensado a uma taxa que evite fraturas térmicas/trincas dentro do corpo prensado até 1600°C, deixando o plugue ou tijolo a esta temperatura por 4 horas e permitindo que ele seque suavemente.

As seguintes propriedades foram medidas:

<table>table see original document page 11</column></row><table>

Quando em uso, o plugue ou tijolo tem finas bolhas injetadas de maneira confiável e constante.

Claims (9)

1. Processo para a fabricação de um plugue ou tijolo refratário sólido poroso (1) para revestimento de recipiente para injetar gás em metal em fusão, através de uma superfície de contato com o metal em fusão (11), cujo plugue ou tijolo compreende: a) um corpo refratário poroso (2) encastrado em um corpo não poroso (9), exceto na superfície de contato com o metal em fusão (11); e, b) um dispositivo de condução de gás (3, 5), para transportar o gás desde uma fonte de gás até o corpo poroso (2), caracterizado pelo fato de compreender as etapas de: i) introduzir dentro de um molde os materiais refratários constituindo os corpos poroso (2) e não poroso (9); ii) co-prensar simultaneamente ambos os materiais refratários; iii) prover um dispositivo de condução de gás (3, 5); e, iv) tratar termicamente os materiais co-prensados a uma temperatura na faixa de 800°C a 1800°C por um período de 2 a 12 horas.

2. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os corpos poroso (2) e não poroso (9) são constituídos de mais de 50% em peso, preferivelmente mais de 80% em peso, de magnésia, espinélio de magnésia, alumina ou espinélio de alumina.

3. Processo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o corpo não poroso (9) compreende mais de 50% em peso, preferivelmente mais de 80% em peso, de magnésia, espinélio de magnésia, alumina ou espinélio de alumina.

4. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que os corpos poroso (2) e não poroso (9) são constituídos de material refratário com coeficientes de dilatação térmica similares.

5. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que o corpo poroso (2) tem uma sessão afilada (7) em direção à sua superfície em contato com o metal em fusão.

6. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de condução de gás (3,5) compreende uma câmara pressurizada (3).

7. Processo de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que a etapa (iii) de prover o dispositivo de condução de gás (3,5) compreende uma etapa de introduzir uma tira de material consumível dentro do molde, na junção entre os corpos poroso (2) e não poroso (9).

8. Processo de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o material consumível compreende cera.

9. Plugue ou tijolo refratário sólido poroso (1) obtido pelo processo definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que: o corpo não poroso (9) apresenta uma porosidade aparente de 15,4%, uma densidade por volume de 2,99 g/cm3 , um módulo frio de ruptura de 7,11 MPa, uma força esmagamento a frio de 90,15 N/mm , e, um diâmetro médio do furo de 6,861 μm; e, o corpo poroso (2) apresenta uma porosidade aparente de 24,9%, uma densidade por volume de 2,59 g/cm3, um módulo frio de ruptura de 7,12 MPa, uma força esmagamento a fiio de 52,15 N/mm2, e, um diâmetro médio do furo de 44,762 μm.