BR112014025483B1

BR112014025483B1 - Bomba de bolha

Info

Publication number: BR112014025483B1
Application number: BR112014025483-4A
Authority: BR
Inventors: Igor Komarovskiy; James M.Costino; Jerome S. Cap; Ramadeva C. Shastry; Yong M. Lee
Original assignee: Arcelormittal Investigacion Y Desarrollo, S.L.; Yong M. Lee; Igor Komarovskiy; James M.Costino; Jerome S. Cap; Ramadeva C. Shastry
Priority date: 2012-04-13
Filing date: 2013-04-12
Publication date: 2019-03-26
Also published as: KR20190126468A; RU2014145509A; CN104736730B; KR102168593B1; EP2836619A4; CN104736730A; MA37410A1; HUE053829T2; CA2882197A1; ES2854899T3; JP6612126B2; PL2836619T3; EP2836619B8; UA115238C2; EP2836619A1; EP2836619B1; WO2013155497A1; CA2882197C; ZA201407286B; BR112014025483A2

Abstract

bomba de bolha trata-se de uma bomba de bolha que tem uma superfície interior formada de um material que é resistente a ataque por alumínio fundido. a superfície interior pode ser formada de uma cerâmica. a cerâmica pode ser selecionada de um grupo que consiste em alumina, magnésia, silicato, carboneto de silício, ou grafite e as misturas. a cerâmica pode ser um refratário ligado a fosfato de ai203 a 85%, livre de carbono.

Description

“BOMBA DE BOLHA”

Campo da Invenção [001] A presente invenção refere-se a um aparelho para o revestimento de metal fundido em aço. Mais especificamente, se refere a bombas de bolha usadas em banhos de metal fundido para remover impurezas de superfície do metal fundido nas proximidades da tira de aço que é revestida. Mais especificamente, se refere à proteção do interior de tais bombas de bolha contra-ataque e destruição associados pelo metal fundido.

Antecedentes da Invenção [002] O alumínio fundido e zinco fundido foram usados durante anos para revestir a superfície do aço. Uma das etapas do processo de revestimento é imergir a lâmina de aço no alumínio fundido ou zinco fundido. A qualidade de superfície do revestimento é muito importante para produzir produtos revestidos de alta qualidade. Entretanto, a introdução de aço aluminizado no mercado americano em 2007 foi um grande desafio para as linhas aluminizadoras. Os primeiros testes resultaram em >50% de rejeições devido a defeitos de revestimento.

[003] Uma das maiores fontes de defeitos foram impurezas que flutuam no banho de alumínio dentro do bocal e grudam na tira. Para alcançar um acabamento de superfície de alta qualidade, impurezas e óxidos flutuantes no banho de metal fundido, especialmente nas regiões confinadas dentro do bocal, devem ser desviadas da superfície que é revestida. A bomba de impurezas pneumática de aço carbono, também denominada bomba de bolha, foi usada para remover as impurezas da zona de revestimento. Implantando-se bombas de bocal de empurrar e puxar para garantir uma superfície de fusão livre de impurezas dentro do bocal tornou possível um revestimento de alta qualidade. A bomba de bolha (conhecida como bomba de impurezas) usa a técnica de elevação artificial de elevar um fluido tal como água ou óleo (ou

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2/8 nesse caso metal fundido) introduzindo-se bolhas de gases, ar, vapor d'água ou outras vaporosas comprimidas para o tubo de saída. Isso tem o efeito de reduzir a pressão hidrostática no tubo de saída versus a pressão hidrostática no lado de entrada do tube. A bomba de bolha é usada no banho de metal fundido das linhas de revestimento de metal para remover impurezas flutuantes da superfície do banho de aluminização dentro do bocal a fim de impedir defeitos relacionados a impurezas na tira revestida. Desse modo, a bomba de bolha é um componente de hardware crítico na produção de lâmina aluminizada automotiva de qualidade.

[004] Um dos fatores principais que impacta custos de produção são falhas de hardware de pote de aluminização. Prominente dentre falhas de hardware está a falha da bomba de bolha (bomba de puxar). A vida útil média de bombas de bolha feitas de aço carbono é de 8 a 12 horas, o que resulta no uso de 35 a 40 bombas por mês (para uma produção de 2 semanas). A mudança de bombas de bolha de aço carbono durante a produção leva a disrupção de produção e contaminação do banho de metal fundido. Além disso, a qualidade da lâmina de aço revestida precisa ser rebaixada (que resulta em um produto menos valioso) durante mudanças de bomba de aço carbono. Adicionalmente, mudanças de bomba exigem paradas e reinícios de linha, o que leva ao consumo excessivo de bobinas de arranque. Perdas médias atribuíveis a bombas de bolha chegam a cerca de um milhão de dólares americanos por ano. Um aumento na vida útil da bomba de bolha reduzirá significativamente a quantidade de lâminas rebaixadas e reduzirá tempo de inatividade e custos.

[005] Desse modo, há uma necessidade na técnica por bombas de bolha para uso em banhos de alumínio fundido que podem durar significativamente mais do que bombas de tubo de aço carbono sem revestimento.

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Descrição da Invenção [006] A presente invenção é uma bomba de bolha que tem um interior formado de um material que é resistente a ataque por alumínio fundido. A superfície interior pode ser formada de uma cerâmica. A cerâmica pode ser selecionada de um grupo que consiste em alumina, magnésia, silicato, carboneto de silício, ou grafite e as misturas. A cerâmica pode ser um refratário ligado a fosfato de AI2O3 a 85%, livre de carbono.

[007] O exterior da bomba de bolha pode ser formado de tubulação de aço carbono. A bomba de bolha pode ser formada de múltiplas seções de tubulação ligadas umas às outras. A bomba de bolha pode incluir 3 peças retas e 3 peças de cotovelo de tubulação. As múltiplas seções de tubulação podem ser ligadas umas às outras por juntas de flange de compressão. As juntas de flange de compressão podem comprimir o material de cerâmica interior de tal modo que o alumínio fundido não possa penetrar a junta. As juntas de flange de compressão do material interior que é resistente a ataque por alumínio fundido podem formar uma junta macho/fêmea de ângulo de 45 graus entre seções da bomba de bolha.

Breve Descrição dos Desenhos [008] A Figura 1 é um diagrama esquemático, sem escala, de uma bomba de bolha; e [009] A Figura 2 é uma retratação esquemática de um corte transversal da junta entre partes da bomba de bolha.

Descrição de Realizações da Invenção [010] Os presentes inventores procuraram desenvolver uma forma de aprimorar o desempenho da bomba e aumentar significativamente a vida útil das bombas, preferencialmente para pelo menos cinco dias. Investigações extensivas dos modos de falha das bombas de bolha de aço carbono foram conduzidas. Com base nos resultados, os presentes inventores

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4/8 desenvolveram uma bomba de bolha aprimorada com um forro protetor de cerâmica de molde. Uma modalidade da bomba aprimorada durou continuamente até 167 horas (-7 dias) sem falhar, o que demonstra uma grande vantagem de desempenho sobre as 8 a 12 horas de vida útil normalmente experimentada com as bombas de aço carbono em alumínio fundido. Mudanças no projeto da bomba e a incorporação de um forro refratário de molde são os fatores chave no aprimoramento.

[011] A Figura 1 é um diagrama esquemático, sem escala, de uma bomba de bolha. A bomba de bolha inclui: uma porção de entrada vertical 1, um cotovelo 2 que conecta a entrada vertical 1 a uma parte horizontal 3, outro cotovelo 4 conecta a parte horizontal 3 a uma parte de saída vertical 5, um cotovelo de saída para direcionar o metal que flui para fora, que contém impurezas indesejadas, longe da zona de revestimento do banho de metal. Anexada à parte de saída vertical 5 está uma linha de entrada de gás 6. A linha 6 é usada para injetar gás no metal fundido para ocasionar uma pressão inferior na perna de saída vertical, o que resulta em metal que flui para baixo para a entrada vertical 1 e para cima/para fora da saída vertical 5.

Análise de Modo de Falha [012] A bomba de bolha em formato de U opera no pote de fusão a uma temperatura de 668 °C (1.235 °F). A química da fusão é tipicamente Al - 9,5% Si - 2,4% Fe. A entrada da bomba é posicionada dentro do banho de alumínio fundido, dentro do bocal e a saída é posicionada no lado de fora do bocal. A ação de bombeamento é criada por nitrogênio borbulhante na perna vertical da bomba no lado de saída. O nitrogênio em temperatura ambiente é introduzido a 40 psi e a taxas de fluxo de -3398,02 litros (120 pés cúbicos padrão) por hora (scfh, 90 a 150 scfh). A expansão do nitrogênio cria bolhas que escapam através da saída que expele

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5/8 simultaneamente metal líquido. A expulsão cria uma diferença de pressão entre os dois lados da bomba, o que gera sucção que permite fusão e que impurezas flutuantes sejam sugadas para dentro na entrada. O processo é contínuo, que dessa forma habilita remoção contínua de impurezas do lado de dentro do bocal e expulsão para o lado de fora.

[013] Há três áreas principais de falha nas bombas de bolha, em ordem de gravidade: 1) dentro da cabeça de descarga (cotovelo 6); 2) ao redor do bico de entrada de nitrogênio na seção vertical no lado de saída (parte vertical 5); e 3) no meio da seção vertical no lado de entrada (parte vertical 1). A fim de compreender melhor o modo de falha, uma bomba de aço carbono comum que falhou após 12 horas de serviço foi dividida ao meio e analisada. A análise mostra que a parte de fundo horizontal da bomba está quase intacta, enquanto as seções de entrada e saída estão gravemente danificadas. Também, a perda de material ocorre principalmente no lado de dentro da bomba de bolha, enquanto o diâmetro do lado de fora permanece inalterado. O grau de ataque é diferente em locais diferentes da bomba.

Modelagem de Água da Bomba de Bolha [014] Os inventores acreditaram que dinâmicas de fluido dentro da bomba afetaram o modo de falha. Entretanto, fatores de projeto que influenciaram o fluxo de fluido não foram bem compreendidos. A fim de investigar a influência de turbulência de fusão, um pequeno modelo de bomba de bolha de Plexiglas (escala de 1:2) foi construído e operado em água. O modelo permitiu a investigação do efeito de pressão de gás, posição de entrada, o raio do cotovelo, orientação e formato da saída em operação e desempenho de bomba. As características de fluxo de água na bomba durante operação normal foram apuradas e foi determinado que os locais de corrosão e perda de metal observados nas bombas que falharam correspondem aos locais de turbulência dentro do modelo de água.

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Mecanismo de Ataque de Alumínio [015] O mecanismo de perda de material na bomba de aço carbono foi investigado por técnicas metalógrafas. Há diversos estágios de ataque de alumínio. Nos primeiros momentos de contato de alumínio com a bomba, uma camada intermetálica rígida e frágil se forma na parede de dentro como um resultado da reação entre o alumínio líquido e a superfície de aço. Essa camada restringe substancialmente a difusão de alumínio e ferro através da mesma e limita ataque adicional ao aço. A camada intermetálica desse modo serve como um revestimento quase protetor no corpo de metal. Entretanto, sempre que uma tensão mecânica aparece na superfície, essa camada frágil desenvolve micro rachaduras e lascas da superfície de aço, o que cria fossos profundos. Devido ao fundo do fosso não ser mais protegido pela camada intermetálica, o mesmo é atacado pela fusão até que uma nova camada é formada. Esse processo se repete enquanto a tensão continua presente na superfície de aço e a perda de metal irá continuar a aumentar como resultado. As tensões envolvidas no ataque são possivelmente o resultado de turbulência de fusão e/ou choque de partículas estrangeiras em locais suscetíveis. O processo de ataque pode, portanto, ser caracterizado como erosão dinâmica pelo alumínio líquido.

[016] Desse modo, a falha de bombas de bolha de aço carbono em serviço é por corrosão com bexiga dinâmica e desgaste abrasivo (erosão dinâmica). O grau de ataque é diferente em locais diferentes. A superfície externa da bomba, que não é exposta a turbulência de fusão, sofre menos dano e, portanto, sobrevive na fusão com proteção mínima. O ataque de fusão e perda de metal progride principalmente de dentro para fora.

[017] Os presentes inventores determinaram que revestimentos que podem resistir ataque de alumínio fundido em fusões estagnadas possivelmente irão falhar sob condições de turbulência experimentadas na

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7/8 bomba. A adesão de revestimento forte ao corpo da bomba é crucial para proteção sob condições dinâmicas. Os inventores determinaram adicionalmente que a fim de aprimorar o desempenho da bomba é necessário isolar a superfície de dentro da bomba do alumínio fundido. A camada de isolamento precisa ser aderente, espessa e contínua. Qualquer abertura na camada protetora pode levar à falha de bomba.

Seleção de Material Refratário para Forro Protetor [018] Com base no conhecimento da investigação de falha e modelagem de água os presentes inventores desenvolveram uma nova bomba de bolha. As exigências para materiais de forro protetor foram: 1) materiais à prova d'água contra penetração de alumínio líquido; 2) materiais resistências a choque térmico para evitar pré-aquecimento; 3) materiais resistentes a erosão; 4) custo baixo; e 5) flexibilidade de projeto. A fim de atender as exigências, uma busca de literatura e testagem de laboratório foram desempenhadas. Um refratário ligado a fosfato de AI203 a 85%, livre de carbono foi selecionado.

Projeto da Bomba Inventiva [019] O formato da bomba de bolha de aço carbono padrão contém três seções de cotovelo de 90 graus. O formato complicado torna muito difícil moldar o forro de cerâmica dentro da carcaça inteira sem juntas. Foi, portanto, necessário cortar a carcaça em diversas seções, moldar cada seção separadamente e montar a bomba subsequentemente. Também é necessário que a junta de cada parte montada mantenha integridade durante o uso. Para visar essas exigências rigorosas, as seguintes idéias foram aplicadas na montagem da bomba: 1) juntas macho/fêmea de ângulo de 45 graus singulares entre seções do forro refratário; 2) duas juntas de flange para montar as três peças da bomba, que permite que as juntas do forro protetor de cerâmica sejam colocadas sob compressão; 3) forro de cerâmica contínuo em cotovelos para reduzir ataque de alumínio através de juntas; e 4) modificação de flange

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8/8 na área de saída para colocar o forro de cerâmica sob compressão.

[020] A Figura 2 é uma retratação esquemática de um corte transversal da junta entre partes da bomba de bolha. A junta consiste na carcaça de aço carbono 8 das bombas de bolha da técnica anterior, cada parte da qual é forrado com a cerâmica 9 resistente a metal fundido. As extremidades da cerâmica 9 que devem estar em contiguidade umas com as outras são anguladas a cerca de um ângulo de 45 graus para permitir um encaixe de compressão satisfatório. As partes da bomba de bolha são unidas umas às outras sob compressão pelas juntas de flange 10, com o uso de meios de preensão 11.

[021] As juntas de compressão são usadas para manter a junta de forro protetora sob compressão para vedar a junta de forro protetora contra penetração de metal fundido. O forro protetor pode ser formado de qualquer material que é resistente ao ataque por alumínio fundido, tal como materiais à prova d'água contra metais fundidos. Exemplos dos materiais à prova d'água são alumina, magnésia, silicato, carboneto de silício, ou grafite e misturas desses materiais de cerâmica.

Claims

Reivindicações

1. BOMBA DE BOLHA, caracterizada por ter uma superfície interior formada de um material que é resistente ao ataque por alumínio fundido, em que a referida superfície interior é formada por uma cerâmica e a exterior da bomba de bolha é formada de tubulação de aço carbono (8).
2. BOMBA DE BOLHA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pela dita superfície interior ser formada de uma cerâmica selecionada do grupo que consiste em alumina, magnésia, silicato, carboneto de silício, ou grafite e as misturas.
3. BOMBA DE BOLHA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pela dita cerâmica ser um refratário moldável ligado a fosfato de AI2O3 a 85%, livre de carbono.
4. BOMBA DE BOLHA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pela dita bomba ser formada de múltiplas seções de tubulações (1,2, 3, 4, 5, 6) ligadas umas às outras.
5. BOMBA DE BOLHA, de acordo com a reivindicação 4, caracterizada pelas múltiplas seções de tubulação (1, 2, 3, 4, 5, 6) incluírem 3 partes retas (1, 3, 5) e 3 partes de cotovelo (2, 4, 6).
6. BOMBA DE BOLHA, de acordo com a reivindicação 4, caracterizada pelas múltiplas seções de tubulação (1, 2, 3, 4, 5, 6) serem ligadas umas às outras por juntas de flange (10) de compressão.
7. BOMBA DE BOLHA, de acordo com a reivindicação 6, caracterizada pelas ditas juntas de compressão de flange (10) comprimirem o material de cerâmica (9) interior, de tal modo que alumínio fundido não possa penetrar na junta (10).
8. BOMBA DE BOLHA, de acordo com a reivindicação 7, caracterizada pelas ditas juntas de compressão de flange (10) do material da superfície interior que é resistente a ataque por alumínio fundido formarem uma