BR102020011692A2 - Processo para fabricação de eletrodos para soldagem, resistentes à umidade, sem uso de silicatos como aglomerante em sua fórmula - Google Patents

Abstract

processo para fabricação de eletrodos para soldagem, resistentes à umidade, sem uso de silicatos como aglomerante em sua fórmula. o processo de fabricação de eletrodos para solda resistentes à umidade, sem uso de silicatos como aglomerante em sua fórmula apresenta característica de baixa absorção de umidade diminuindo o tempo de secagem e, consequentemente, proporciona um baixo custo de produção. os silicatos de sódio ou potássio são substituídos pelo poli tetra flúor etileno (ptfe) em suspensão aquosa. essa suspensão é composta de ptfe com granulometria de 200nm, disperso em água na proporção de 60% de ptfe, 31% de água e mantido em suspensão através da aplicação de 9% do agente emulsificante. os silicatos são substituidos pelo ptfe que é adicionado à mistura seca formando a mistura úmida. essa adição de ptfe vai para etapa de extrusão, onde, na prensa extrusora, o arame passa por um alimentador snicronizado e concêntrico com a extrusão da mistura umida. logo a seguir entra no processo de sinterização, o qual passará por 45 minutos dividido em três intervalos de tempo de 20 min, 20 min e 5 minutos a três temperaturas de 150°c, 270°c e 350°c, respectivamente.

Description

PROCESSO PARA FABRICAÇÃO DE ELETRODOS PARA SOLDAGEM, RESISTENTES À UMIDADE, SEM USO DE SILICATOS COMO AGLOMERANTE EM SUA FÓRMULA

{001} Refere-se a presente patente de invenção a um processo de produção de eletrodos com revestimento utilizado no campo da soldagem industrial que, através de suas propriedades químicas, diminui o teor de hidrogênio e apresenta característica de baixa absorção de umidade e também diminui o tempo de secagem e, consequentemente, proporciona um baixo custo de produção.

{002} Os eletrodos revestidos foram inventados em 1908 e inicialmente eram produzidos por imersão de uma vareta de arame em uma suspensão de cal (CaO) em água. Essas varetas eram colocadas para secagem e, periodicamente, faziam-se várias imersões até se obter a espessura da camada de cal necessária.

{003} Por volta de 1930 foi desenvolvido o processo de produção dos eletrodos revestidos através da extrusão de uma massa feita com uma mistura de materiais em pó e adicionado o silicato de sódio ou silicato de potássio. Esses silicatos, também chamados de vidro solúvel, são soluções viscosa de óxido de silício ou de potássio em água. Tal processo é ainda utilizado até os dias atuais.

{004} A principal dificuldade encontrada no processo de extrusão com silicatos de sódio ou de potássio está na remoção da água, a qual é prejudicial para a soldagem dos diversos tipos de metais. A água residual, mesmo em pequenas quantidades – em torno de 0,3% - reage no arco elétrico liberando hidrogênio que se dissolve no metal fundido e, após o resfriamento, fica retido na rede cristalina do aço. Logo, como é um átomo pequeno, esse hidrogênio tende a escapar forçando a estrutura do aço e provocando trincas na solda. Tal trinca é chamada de “trinca por hidrogênio difusível”.

{005} Com o desenvolvimento de novos aços, cada vez mais a água residual constante nos consumíveis de soldagem se tornou um problema crítico. Diante deste problema, diversos pesquisadores passaram então a desenvolver método e processo para evitar os efeitos da água residual na soldagem.

{006} Atualmente, o principal método utilizado para reduzir os efeitos da água residual é a adição de compostos fluorados. O principal composto usado é a fluorita (CaF2). A fluorita, sendo submetida ao arco elétrico, libera o flúor e este reage com a água residual formando ácido fluorídrico, que vaporiza no arco elétrico. Esta reação está demonstrada na equação (A) abaixo:
(A) CaF2 + H2O → CaO + 2HF

{007} Porém, a partir de certa quantidade, o óxido de cálcio formado pela reação da equação acima descrita também reage com a água formando hidróxido de cálcio conforme a seguinte equação (B):
(B) CaO + H2O → Ca(OH)2

{008} O hidróxido de cálcio formado, conforme a equação (B), retém o hidrogênio que será liberado durante a soldagem, provocando os mesmos efeitos indesejáveis.

{009} Outro composto usado hoje para a redução de hidrogênio difusível é o Poli Tetra Flúor Etileno – PTFE. Tal composto é constituído apenas de átomos de carbono e flúor conforme equação (C):
(C) [CF3 – CF2-] n (n é o número de vezes que a unidade monômera é repetida).

{010} O PTFE ao ser submetido ao arco elétrico produz a seguinte reação (D):
(D) [CF3 – CF2-] n + H2O → CO2 + HF

{011} Como o PTFE não forma produtos secundários hidratados, sua adição diminui proporcionalmente o teor de hidrogênio difusível na solda. A limitação do seu uso é apenas quanto ao custo.

{012} Hoje vários fabricantes usam esse material na forma de pó seco, adicionado ao demais constituintes da fórmula dos seus produtos, para a redução do teor de hidrogênio na solda.

{013} Os processos de fabricação dos eletrodos pelas técnicas atuais consistem em uma mistura de pós com granulometria de 100%, passante na malha de 50% e 80% retida na malha de 100%. Esses pós são pesados de acordo com a fórmula correspondente segundo a seguinte composição:

• - Calcário 30%
• - Fluorita 15%
• - Pó de ferro 30%
• - Ferro Silício 8%
• - Ferro Manganês 8%
• - Feldspato 5%
• - Caulim 2%
• - Mica 2%

{014} Estes materiais são previamente misturados de forma a garantir a homogeneidade da mistura, sendo esta mistura denominada mistura seca. Em seguida, essa mistura seca é levada a outro misturador onde é adicionado o silicato de sódio ou silicato de potássio, ou mistura dos dois, na seguinte proporção:

• - 100 kg da mistura seca.
• - 32 kg de silicato.

{015} Esses silicatos são líquidos com viscosidade entre 600 a 1000 cps (centipoises).

{016} Essa mistura de silicato com mistura seca é denominada mistura úmida. Logo, a mistura úmida é levada para a prensa extrusora, onde o arame é alimentado de forma sincronizada e concêntrico com a extrusão da mistura úmida. Então, os eletrodos assim obtidos são deixados ao ar por 12 horas para eliminação do excesso de umidade e, em seguida, são introduzidos no forno de pré-secagem a 150°C por 2 horas. Estes eletrodos previamente secos são colocados em outro forno a 400°C por 9 horas onde ocorre a remoção de qualquer água residual. Os eletrodos são então deixados para resfriar e embalados nas embalagens estanques. A necessidade de embalagens estanques se deve ao fato de os silicatos, após secos, serem higroscópios, reabsorvendo a umidade do ar e sofrendo o processo de recristalização. Essa água reabsorvida é ligada quimicamente aos cristais de silicatos, sendo de difícil remoção. Para isso, os eletrodos assim fabricados, antes do seu uso pelos consumidores finais, têm que passar por um processo de tratamento prévio, que consiste em fazer coloca-los em estufas de ressecagem a 270 °C por 2 horas e em seguida deixados na estufa de manutenção a 150°C até o dia do seu uso. Os eletrodos produzidos dessa forma, por serem higroscópios, além do processo de tratamento antes do uso, necessitam estarem armazenados de forma apropriada e tem prazo de validade definido entre 1 e 2 anos. O fluxograma do processo conhecido no estado da técnica pode ser visto na figura 2.

{017} Toda essa forma convencional de produção dos eletrodos atuais apresenta vários problemas para o mercado consumidor, pois estes ficam rígidos e quebradiços necessitando de tratamento antes do uso, apresentam alta absorção de umidade e grande consumo de energia durante a produção, além de necessitar de uma tempo de produção de 72 horas, maiores correntes de soldagem e chegando a custo final maior por metro de solda. Os materiais adicionados para esse fim são de origem mineral e possuem altas temperaturas de decomposição, dificultando a reação com a umidade do ar e também a que é gerada pela combustão dos mesmos.

{018} A patente americana de número US5225661, que teve sua publicação em 6 de julho de 1993, mostra um eletrodo consumível tubular o qual apresenta em seu núcleo uma composição que contém um polímero que possui em sua composição um agente redutor de hidrogênio, o qual é o flúor. Este polímero libera flúor durante o processo de soldagem (arco elétrico) com objetivo de capturar hidrogênio difusível.

{019} Outra prioridade americana vista no estado da técnica é a patente de número US3620830, publicada em 17 de novembro de 1971, também apresenta um eletrodo com núcleo metálico o qual é envolvido por um revestimento curável, que é composto por uma mistura contendo partículas condutivas e um polímero também contendo flúor. O revestimento se decompõe durante o processo de soldagem, protegendo o metal de solda de efeitos deletérios resultante dos gases presentes.

{020} Conforme foi descrito nas prioridades acima, observa-se que a utilização de compostos orgânicos halogenados, nesta forma, contidos em polímeros para reduzir e controlar o hidrogênio durante o processo de soldagem a arco é comumente usado na fabricação de eletrodos.

{021} A prioridade brasileira de 7 de outubro de 2010, a qual a exclusividade é do presente titular, de número PI 1003876-0, concedida em 3 de dezembro de 2019, é caracterizada por conter mistura seca, polímeros com halogênios em sua estrutura molecular, mistura úmida, utiliza forno de cura a temperatura de 360° com duração de 5 minutos, para promover a cura do polímero e eliminação da água ainda no arco elétrico por reação química, diminuindo o hidrogênio, sendo também reativo com a umidade. O presente pedido de patente sofreu aperfeiçoamento sobre este anterior, alterando as temperaturas melhorando ainda mais a qualidade do produto.

{022} Conforme visto, a mistura seca é feita conforme a seguinte composição:

• - Calcário 30%.
• - Fluorita 15%.
• - Pó de ferro 30%.
• - Ferro silício 8%.
• - Ferro manganês 8%.
• - Feldspato 5%.
• - Caulim 2%.
• - Microesfera de vidro 2%.

{023} Na presente invenção, os silicatos de sódio ou potássio são substituídos pelo poli tetra flúor etileno (PTFE) em suspensão aquosa. Essa suspensão é composta de PTFE com granulometria de 200 nm, disperso em água na proporção de 60% de PTFE, 31% de água e mantido em suspensão através da aplicação de 9% do agente emulsificante. Tais suspensões são obtidas no mercado. Os materiais acima são previamente misturados de forma a garantir a homogeneidade da mistura, sendo esta denominada mistura seca. Em seguida, essa mistura seca é levada a outro misturador onde é adicionada a suspensão aquosa de PTFE, chamada de mistura úmida na seguinte proporção:

• * Mistura seca - 100 kg.
• * Dispersão aquosa de - PTFE 32 kg.

{024} Na mesma forma anterior, a mistura úmida é levada para a prensa extrusora onde o arame é alimentado por um alimentador sincronizado e concêntrico com a extrusão da mistura úmida. Os eletrodos assim obtidos são deixados ao ar por 2 horas para eliminar o excesso de água e em seguida são levados ao forno em três estágios, como segue:

• - Estágio 1 – 150°C por 20 minutos para eliminar água residual.
• - Estágio 2 – 270°C por 20 minutos para eliminar o emulsificante.
• - Estágio 3 – 350°C por 5 minutos para sinterização do PTFE.

{025} Os eletrodos passam pelo processo de sinterização por 45 minutos, após a extrusão, nas três temperaturas acima, assim obtidos, não absorvem umidade e não necessitam de embalagens estanques, tendo seu revestimento flexível evitando danos ao mesmo durante o transporte. Além desta vantagem, os eletrodos produzidos por este processo apresentam economia de 25% no consumo de energia devido a não necessidade de pré-tratamento antes do seu uso.

{026} Para melhor compreensão de todo o processo, apresentam-se as seguintes descrições detalhadas, em consonância com as figuras em anexo, desde o estado da técnica até a chegada à conclusão da invenção do presente pedido de patente, onde:

• - A figura 1 mostra o efeito da adição de fluorita no teor de hidrogênio difusível.
• - A figura 2 mostra um fluxograma do processo atual de produção dos eletrodos.
• - A figura 3 mostra o novo processo de produção dos eletrodos.
• - A figura 4 mostra um fluxograma do processo de produção dos eletrodos atuais em confronto com o novo processo do presente pedido.

{027} A fluorita (CaF2) é o principal composto fluorado que é utilizado para reduzir os efeitos da água residual. Quando a fluorita é submetida ao arco elétrico esta libera flúor o qual vai reagir com a água residual formando ácido fluorídrico que vaporiza no arco elétrico. A reação está demonstrada na equação (1). Porém, a partir de certa quantidade, o óxido de cálcio formado pela reação da equação (1) também reage com a água formando o hidróxido de cálcio conforme a equação (2). Esse hidróxido de cálcio retém o hidrogênio que será liberado durante a soldagem, provocando os efeitos indesejáveis já mostrado no estado da técnica, e conforme é demonstrado na figura (1).

{028} O fluxograma do processo atual pode ser visto na figura 2, onde os eletrodos assim fabricados, antes do seu uso pelos consumidores finais, têm que fazer uma ressecagem em estufas a 270 °C por 2 horas e em seguida, deixá-los em uma estufa de manutenção a 150°C até o momento do seu uso.Os eletrodos produzidos dessa forma, por serem higroscópios, além do processo de tratamento antes do uso, necessitam estarem armazenados de forma apropriada e tem prazo de validade definido entre 1 e 2 anos.

{029} O fluxograma, na figura 3, mostra todo o processo de produção da presente invenção, destacando a fase de adição do PTFE, seguindo para a etapa de extrusão, onde, na prensa extrusora, o arame passa por um alimentador sincronizado e concêntrico com a extrusão da mistura úmida. Logo a seguir, entra no processo de sinterização, o qual passará por 45 minutos dividido em três intervalos de tempo de 20 min, 20 min e mais 5 minutos a três temperaturas de 150°C, 270°C e 350°C, respectivamente.

{030} A figura 4 tem um fluxograma demonstrativo, mostrando basicamente a praticidade do novo processo do presente pedido de patente, que é também fundamental no baixo custo de sua produção.

{031} A amostra comparativa apresentada abaixo serve para demonstrar claramente todas as vantagens da presente invenção, em relação aos processos atuais de produção dos eletrodos existentes no mundo:
Processo convencional Novo processo da presente patente

• - Eletrodos rígidos e quebradiços. → Eletrodos flexíveis e resistentes.
• - Necessidade de tratamento antes do uso. → Nenhum tratamento antes do uso.
• - Alta absorção de umidade. → Nenhuma absorção de umidade.
• - Grande consumo de energia na produção. → Economia de 30% de energia.
• - Tempo de produção de 72 horas. → Tempo de produção de 5 horas.
• - Maiores correntes de soldagem. → Correntes de soldagem 15% menores.
• - Maiores custos por metro de solda. → Custo por metro de solda até 20% menor.

Claims (3)

1. PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE ELETRODOS PARA SOLDAGEM, RESISTENTES À UMIDADE, SEM USO DE SILICATOS COMO AGLOMERANTE EM SUA FÓRMULA, caracterizado por conter a substituição dos silicatos de sódio ou potássio por poli tetra flúor etileno, PTFE, em suspensão aquosa que é composta por PTFE com granulometria de 200nm, disperso em água na proporção de 60% de PTFE, 31% de água e mantido em suspensão através da adição de 9% de um agente emulsificante, sendo essa suspensão aquosa adicionada à mistura seca para ajudar a compor e formar nas devidas proporções a mistura úmida, a qual é levada para uma prensa extrusora, onde o arame receberá uma alimentação sincronizada e concêntrica com a extrusão úmida, e os eletrodos, assim, obtidos são deixados ao ar por duas horas para eliminar o excesso de água e, em seguida, levados ao forno com temperatura de 150°C por vinte minutos para eliminar a água residual, passando na sequência por mais vinte minutos a 270°C para eliminar o emulsificante e, finalizando, por mais cinco minutos a 350°C para sinterização do PTFE.
2. PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE ELETRODOS PARA SOLDAGEM, RESISTENTES À UMIDADE, SEM USO DE SILICATOS COMO AGLOMERANTE EM SUA FÓRMULA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por conter mistura seca na composição constituída de 30% de calcário, 15% de fluorita, 30% de pó de ferro, 8% de ferro silício, 8% de ferro manganês, 5% feldspato, 2% de caulim e 2% de microesfera de vidro.
3. PROCESSO DE FABRIÇÃO DE ELETRODOS PARA SOLDAGEM, RESISTENTES À UMIDADE, SEM USO DE SILICATOS COMO AGLOMERANTE EM SUA FÓRMULA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por conter a adição da suspensão aquosa de PTFE à mistura seca formando a mistura úmida nas proporções de 100kg de mistura seca e 32kg de dispersão aquosa de PTFE.

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