BR112017003323B1 - Dispositivo para tratamento de metal líquido de elevado cisalhamento e método para tratar material fundido - Google Patents

Abstract

?DISPOSITIVO PARA TRATAMENTO DE METAL LÍQUIDO DE ELEVADO CISALHAMENTO E MÉTODO PARA TRATAR METAL LÍQUIDO USANDO TAL DISPOSITIVO? A presente invenção fornece um dispositivo (1) para tratamento de metal líquido de elevado cisalhamento. O dispositivo (1) compreende um tambor (2), um eixo de rotor (5), uma pluralidade de ventiladores de rotor (6, 7, 8) e uma pluralidade de placas de estator (9, 10, 11). O tambor (2) apresentando um eixo geométrico longitudinal, que se estende entre uma extremidade superior e uma extremidade inferior, e apresentando uma abertura (4, 3) em suas extremidades superior e inferior. O eixo de rotor (5) montado centralmente através do, e paralelo ao eixo geométrico longitudinal do, tambor (2). A pluralidade de ventiladores de rotor (6, 7, 8), montada ao longo de um comprimento axial do eixo (5) e dentro do tambor (2). A pluralidade de placas de estator (9, 10, 11), formada em uma superfície interna do tambor (2), as placas de estator (9, 10, 11) estando localizadas entre ventiladores de rotor (6, 7, 8) adjacentes. A presente invenção também fornece um método para tratamento de metal líquido de elevado cisalhamento usando o dispositivo (1). A presente invenção permite tratamento aperfeiçoado de metais líquidos e semilíquidos durante o processamento.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[0001] A presente invenção se refere, de maneira geral, a um método e a um sistema para tratamento de metal semissólido e líquido antes de se completar o processamento de solidificação de materiais metálicos, mais particularmente, a invenção de refere a um dispositivo para cisalhamento de metais semissólidos e líquidos.

HISTÓRICO

[0002] É bem conhecido que metal líquido contém quantidades variáveis de constituintes não metálicos, isto é, gases e inclusões não metálicas, e que a sua presença pode dar origem a defeitos em produtos acabados. Muitos procedimentos têm sido propostos para remoção dos gases e das inclusões.

[0003] O tratamento de metal líquido antes do processamento de solidificação é necessário para uma variedade de processos de fundição (casting), incluindo, mas não limitados a, fundição em areia, fundição em molde permanente, fundição em molde sob pressão elevada, fundição sob resfriamento direto, fundição em rolos duplos e os similares, para as finalidades de refinamento de grãos, limpeza da massa em fusão, microestrutura homogênea e homogeneidade de composição química, dispersão e distribuição de partículas tanto endógenas quanto exógenas.

[0004] Os métodos existentes para tratamento de metal líquido incluem, principalmente, agitação mecânica por um propulsor, agitação eletromagnética e alguns outros métodos como escoamento de líquido induzido por gás.

[0005] A agitação mecânica por um propulsor é uma maneira muito simples de se tratar metais líquidos. Ele somente fornece moderado cisalhamento da massa em fusão em torno de um propulsor, porém, causa um sério vórtex no metal líquido e uma série turbulência próximo à superfície do líquido, resultando em severo aprisionamento de gases e de outros contaminantes a partir da superfície da massa em fusão. Houve inúmeras abordagens para se enfrentar tais problemas.

[0006] A Patente U.S. N° 3.785.362, emitida para Kraemer et al., descreve um processo e um aparelho para acelerar reações metalúrgicas. O processo inclui a agitação mecânica na fronteira entre o banho fundido e o reagente, usando um propulsor duplo. Uma componente da força centrífuga é criada quando o aparelho inicia a agitação e provoca curvatura diferente em direção à margem da concha, o que conduz à aceleração da reação química entre o material metálico fundido e os reagentes.

[0007] A Patente U.S. N° 4.743.428, emitida para McRae et al., descreve um método de agitação mecânica de metais líquidos para produção de ligas. O processo introduz um dispositivo de agitação, principalmente, para acelerar a dissolução de elementos de formação de liga e retardar a formação de escória.

[0008] A Patente U.S. N° 3.902.544, emitida para Flemings et al., descreve um processo contínuo para tratamento de metais líquidos por agitação mecânica, para se obter materiais metálicos semissólidos com sólido primário não dendrítico. Nesse processo, três parafusos sem-fim são introduzidos e posicionados em três zonas de agitação separadas. Os parafusos sem-fim são mais eficazes comparados ao propulsor com pás duplas. A distância entre a superfície interna da zona de agitação e a superfície externa do parafuso sem-fim é mantida suficientemente pequena, de modo que elevadas forças de cisalhamento podem ser aplicadas aos materiais nas zonas de agitação.

[0009] A Patente U.S. N° 4.373.950, emitida para Shingu et al., introduziu a agitação mecânica por um propulsor no processo de fundição sob resfriamento direto para purificar alumínio. A massa em fusão de alumínio é purificada por uso de um aparelho de agitação mecânica para decompor dendritos na interface entre o líquido e o sólido, e por dispersão da impureza liberada a partir de dendritos para o líquido como um todo.

[0010] A Patente U.S. N° 4.931.060, emitida para Duenkelmann, descreve um dispositivo rotativo compreendendo um eixo oco e um rotor oco fixado ao eixo, para dispersão de gases no metal fundido. O dispositivo introduz gás inerte a partir do topo do eixo e entrega um grande volume de gás inerte para a massa em fusão, para desgaseificação de metais líquidos.

[0011] Todas as invenções discutidas acima envolvem agitação mecânica. Elas não fornecem a elevada taxa de cisalhamento necessária para o condicionamento da massa em fusão, nem evitam os problemas de aprisionamento de gases e de outros contaminantes a partir da superfície da massa em fusão.

[0012] A Patente U.S. N° 4.960.163, introduz um agitador mecânico em fundição sob resfriamento direto para se conseguir estrutura de grãos fina e uma partição para dividir o espaço no fundidor (caster) sob DC entre um reservatório de fornecimento e um reservatório de solidificação, para evitar turbulência próximo à superfície do líquido no reservatório de fornecimento sem enfraquecimento da agitação no reservatório de solidificação. Um certo grau de refinamento de grãos por essa invenção foi conseguido, mas os resultados não foram consistentes de batelada em batelada.

[0013] A Patente U.S. N° 6.618.426, emitida para Ernst, descreve um processo de agitação eletromagnética para tratar metais líquidos. Esse processo usou múltiplas bobinas com direções diferentes, para reduzir a turbulência próximo à superfície do líquido. No entanto, a taxa de cisalhamento por agitação eletromagnética é baixa e o custo do aparelho é elevado.

[0014] O documento WO 2010/032550 (Nippon Light Metal Co. Ltd) descreve um refinador de massa em fusão de metal para uso em uma câmara de fundição com colher (ladling). Essencialmente, ele é um agitador com pás múltiplas para desgaseificação e remoção de escória de metais líquidos. No entanto, ele apresenta poder de dispersão e de distribuição muito pequeno e o conjunto como um todo não é adequado para incorporação direta nos processos de fundição existentes.

[0015] São conhecidos um método e um aparelho para agitação de metal fundido no vaso do forno por uso de um campo eletromagnético. O indutor do campo magnético corrente é posicionado ao longo da parede vertical do forno. O forno contém a passagem para metal fundido. A corrente de metal fundido, que chega a partir da passagem, para o vaso é direcionada principalmente ao longo de uma parede do vaso. No entanto, o aparelho e o sistema do mesmo falham em atingir o objetivo de como a intensidade da mistura com jato no meio do vaso é mais baixa do que ao longo das paredes do mesmo. Portanto, para fusão do metal sólido no meio do vaso, é necessária agitação com contato mecânico adicional. Além disso, outra maneira de se agitar com a colocação de contas magnéticas dentro do metal fundido, as quais são, então, movimentadas de uma maneira circular, por meio disto, agitando o líquido. Outra deficiência, que limita o uso dos mencionados método e aparelho, é a necessidade de paradas de longo prazo do forno para desmontagem do indutor e para reposição de placas, para remoção de escória da passagem.

[0016] Em outra técnica anterior, é conhecido um forno com bolso fixo ao longo de uma extremidade do forno, subjacente à qual o indutor é colocado. O fundo do bolso é posicionado alinhado com o fundo do forno. O metal é bombeado ao longo do bolso e chega no vaso através de uma janela na parede do vaso. A intensidade da agitação no meio do vaso é mais baixa do que nos lados do vaso.

[0017] Em conformidade com outra técnica anterior, o objetivo da qual é fornecer um aparelho para agitação que não necessite de qualquer reconstrução adicional do forno de fusão e tenha que assegurar a misturação com jato eficaz do metal fundido no vaso do forno de fusão. A agitação é conseguida no regime intermitente. O objetivo proposto não é alcançado, porque a massa do metal fundido, que pode ser descarregada no vaso do forno na forma de um jato, não pode exceder a capacidade da tubulação do aparelho. As deficiências do mencionado aparelho são a trabalhosa remoção de escória da tubulação e a complexidade de trânsito da tubulação da bomba de acionamento mecânico.

[0018] De acordo com ainda outra técnica anterior, é fornecido um dispositivo rotativo para tratamento de metal fundido, em que a combinação de uma câmara, saídas apresentando uma seção transversal maior do que as entradas e saídas de corte na cobertura e na base, resulta tanto em desgaseificação aperfeiçoada quanto em misturação aperfeiçoada do metal fundido, tal que a velocidade de rotação possa ser reduzida embora se mantendo a mesma eficiência de desgaseificação/misturação, por meio disto estendendo a vida do eixo e do rotor, tempos de desgaseificação/misturação podem ser conseguidos de maneira mais eficiente à mesma velocidade de rotor, fornecendo uma oportunidade para reduzir o tempo de tratamento. No entanto, a regulação controlada da velocidade de rotação de acordo com a viscosidade do metal fundido e as dimensões da câmara, das saídas e das entradas é uma tarefa de dificuldades. O vórtex formado no metal líquido e a série turbulência próximo à superfície do líquido resultam em severo aprisionamento de gases e de outros contaminantes.

[0019] De acordo com a ainda outra técnica anterior, é fornecido um aparelho de agitação fluidamente vibracional compreendendo um tanque para acomodação de fluido; uma porção de geração de vibração contendo um vibrador; um membro de absorção de vibração disposto entre o tanque e a porção de geração de vibração; uma barra que vibra conectada de maneira operacional à porção de geração de vibração e estendida no tanque; e uma palheta de vibração fixada à barra que vibra, sendo que o membro de absorção de vibração compreende uma placa de borracha ou um laminado de placa de borracha e de placa de metal. O desempenho do sistema é dependente do membro de absorção de vibração e o sistema também apresenta uma desvantagem de espalhamento do líquido para o lado de fora do tanque, já que a regulação controlada da frequência de vibração é muito difícil.

[0020] As agitações mecânica e eletromagnética atuais, para tratamento de metais líquidos, provoca turbulência próximo à superfície do líquido, o que é prejudicial para a maioria de processos de fundição. Portanto, a velocidade de agitação tem que ser limitada, a fim de se conseguir uma superfície de líquido relativamente estável, e, consequentemente, tanto efetividade quanto eficiência de tratamento de metal líquido são comprometidas.

[0021] Pelas razões mencionadas acima, que tornar-se- ão evidentes para os técnicos especializados no assunto quando da leitura e do entendimento do relatório descritivo, existe uma demanda na técnica por um sistema e um método para o tratamento de metal líquido antes do processamento de solidificação, que seja de escala flexível e independente de/compatível com novas plataformas de tecnologia, que use recursos mínimos, que seja fácil e mantido de maneira eficaz quanto aos custos, que seja portável e que possa ser implementado em qualquer lugar em muito pouco tempo.

[0022] Portanto, seria vantajoso fornecer um método e um aparelho que possam ser prontamente aplicáveis a processos de fundição existentes e que possam fornecer intenso cisalhamento da massa em fusão embora evitando o aprisionamento de gases e de outros contaminantes a partir da superfície da massa em fusão, assim como que forneçam tal corrente descendente de massa em fusão cisalhada por pressurização da lama/matéria-prima líquida ou semissólida necessária para processamento à jusante.

RESUMO DA INVENÇÃO

[0023] A presente invenção fornece um dispositivo para tratamento de metal líquido de elevado cisalhamento compreendendo: um tambor apresentando um eixo geométrico longitudinal, que se estende entre uma primeira extremidade e uma segunda extremidade, e apresentando um abertura em suas primeira e segunda extremidades; um eixo de rotor montado centralmente através do, e paralelo ao eixo geométrico longitudinal do, tambor; uma pluralidade de ventiladores de rotor, montada ao longo de um comprimento axial do eixo e dentro do tambor, cada ventilador de rotor formado tal que sua extremidade exterior esteja dentro de uma distância mínima de uma parede interna do tambor; e uma pluralidade de placas de estator, formada em uma superfície interna do tambor, as placas de estator estando localizadas entre ventiladores de rotor adjacentes, cada placa de estator se estendendo a partir de uma superfície interna até substancialmente ao eixo de rotor, cada placa de estator apresentando pelo menos uma passagem formada através dela para permitir que fluido passe através da placa; e superfícies superior e inferior de cada placa de estator são formadas para estarem dentro da distância mínima de um ventilador de rotor adjacente; sendo que a distância mínima está entre 10 μm e 10 mm.

[0024] A presente invenção também fornece um método para tratamento de metal líquido usando o dispositivo da presente invenção, em que metal líquido é passado através do tambor, a partir da primeira extremidade para a segunda extremidade, enquanto os ventiladores de rotor são girados em uma velocidade entre 1 rpm e 50.000 rpm.

[0025] Em outras palavras, a presente invenção é um dispositivo e um método para fornecimento de metal líquido tratado/condicionado como matéria-prima para processamento de solidificação ulterior de materiais metálicos, compósitos de matriz de metal reforçados particulados (MMCs) e ligas imiscíveis.

[0026] O dispositivo e o método da presente invenção podem homogeneizar composições químicas, dispersar e distribuir fases gasosas, líquidas e sólidas em metais líquidos ou compósitos de matriz de metal (MMCs). Além disso, o dispositivo e o método podem ser implementados em várias estruturas de processos de fundição. O método da invenção pode ser implementado como um sistema autônomo ou integrado.

[0027] A presente invenção pode ser usada para tratamento de metal líquido antes do processamento de solidificação de materiais metálicos. Em particular, os metais líquidos podem ser tratados pelo presente dispositivo devido ao elevado cisalhamento que ele pode aplicar. Isso fornece um meio de controlar inclusões e elementos gasosos, de homodeneizar a composição e a temperatura da massa em fusão, de intensificar a cinética para quaisquer reações químicas ou transformações de fase envolvendo uma fase líquida, de misturar materiais contendo fases heterogêneas, de refinar microestruturas de fundição para eliminar/reduzir defeitos de fundição e de dispersar vários agentes. Como um resultado, a invenção é aplicável a uma variedade de técnicas de fundição, tais como, mas não limitadas a, fundição em molde sob pressão elevada, fundição em molde sob pressão baixa, fundição em molde sob gravidade, fundição em areia, fundição por envolvimento, fundição sob resfriamento direto, fundição em rolos duplos e qualquer outro processo de fundição, que exija metal líquido como matéria-prima.

[0028] O principal objetivo da presente invenção é fornecer um aparelho e um método para fornecimento de lama semissólida ou metal líquido tratados/condicionados como matéria-prima para processamento de solidificação ulterior de materiais metálicos, compósitos de matriz de metal reforçados particulados (MMCs) e ligas imiscíveis. Outro objeto da presente invenção é fornecer um aparelho e um método que possam homogeneizar composições químicas, dispersar e distribuir fases gasosas, líquidas e sólidas em metais líquidos ou partículas ou gases, que reagirão com o metal para formar compósitos de matriz de metal (MMCs). O aparelho e o método da presente invenção podem ser usados para intensificar as condições cinéticas para reações químicas e transformações de fase envolvendo pelo menos uma fase líquida.

[0029] A presente invenção é vantajosa para tratamento de lama semissólida de materiais metálicos. Em particular, o efeito de cisalhamento sobre lama semissólida é romper quaisquer dendritos formados e, por meio disto, assegurar que a microestrutura seja/permaneça equiaxial. Isso pode ser particularmente importante porque o limite aparente de elasticidade de um material metálico é inversamente proporcional ao tamanho de grão, o qual, por sua vez, é inversamente proporcional à taxa de cisalhamento. Além disso, se um metal se solidifica (mesmo parcialmente) em um tal ambiente, a estrutura de grão resultante tende a ser equiaxial se a lama semissólida for submetida a cisalhamento suficiente durante tempo suficiente.

[0030] A presente invenção é vantajosa para tratamento de materiais metálicos completamente líquidos. Em particular, ela pode distribuir uniformemente partículas dentro de um material líquido, por meio disto fornecendo uma distribuição uniforme de sítios de nucleação, que possam resultar em uma microestrutura fina e homogênea no material sólido resultante.

[0031] A presente invenção pode ser usada para produzir materiais metálicos de elevada qualidade, assim como compósitos de matriz de metal (MMCs) e espumas de metal com microestrutura refinada e reduzidos defeitos de fundição.

[0032] A presente invenção pode ser usada para misturação dispersiva sob elevada taxa de cisalhamento e misturação distributiva com escoamento macroscópico em todo o volume do metal líquido sem causar turbulência séria próximo à superfície do líquido.

[0033] O dispositivo da presente invenção pode ser usada como um forno de formação de liga em linha. Alternativamente, ela pode ser usada como uma bomba para metal líquido em ambiente de fundição, embora, ao mesmo tempo, fornecendo material refinado cisalhado. Alternativamente, ela pode ser usada como um moinho em potencial para reciclar metal. Como uma alternativa adicional, um dispositivo de acordo com a presente invenção pode ser usado como um fornecedor de pressão em um processo de extrusão, por anexação de um molde perfilado simples, para produzir extrusões, que também possam ser alimentadas para um conjunto de rolos em um estado semissólido, para formar metal em folha.

[0034] A rotação do eixo do rotor e dos ventiladores de rotor pode ser conseguida de qualquer maneira evidente para um técnico especializado no assunto. Em algumas modalidades da invenção, a rotação do eixo e dos ventiladores pode ser conseguida por fornecimento de fluido ao dispositivo sob pressão, tal que, conforme o fluido seja forçado através do dispositivo, ele atua no sentido de girar os ventiladores e o eixo. A fim de que isso seja conseguido, os ventiladores necessitarão ser conformados de uma maneira adequada, e o técnico especializado no assunto entenderá prontamente as várias maneiras, pelas quais os ventiladores poderiam ser conformados para se conseguir este resultado.

[0035] Alternativamente ou adicionalmente, o dispositivo da presente invenção pode compreender adicionalmente um motor conectado ao eixo de rotor para girar os ventiladores de rotor. O motor pode ser conectado diretamente ou indiretamente ao eixo de rotor. O motor pode ser ajustado em uma plataforma e conectado ao eixo de rotor, para acionar os ventiladores de rotor.

[0036] Em geral, o dispositivo da presente invenção será utilizado em uma orientação ortodoxa, por meio disto a primeira extremidade do tambor será a mais superior de todas quando o dispositivo estiver em uso. No entanto, ele também pode ser usado em orientações alternativas. Por exemplo, o dispositivo pode ser usado em uma orientação substancialmente invertida, com a primeira extremidade do tambor sendo a mais inferior de todas e metal líquido bombeado para cima através do tambor. Isso pode ser preferível se o dispositivo for usado para desgaseificação e/ou para a produção de MMRCs. Se usado em uma orientação invertida, gases podem ser borbulhados através do metal líquido passando através do dispositivo, por meio disto formando óxidos, carbetos ou outras inclusões, pela reação dos gases com o metal líquido.

[0037] Um dispositivo de acordo com a presente invenção pode compreender um reservatório formado na primeira extremidade do tambor. Um reservatório será seguido por disposições alternantes de placas de estator e ventiladores de rotor encerrados dentro do tambor. O estágio de reservatório pode compreender chicanas internas, para evitar o turbilhonamento do metal líquido nele contido. Uma placa de estator pode formar a parte inferior do reservatório e as chicanas podem ser conformadas para evitar turbilhonamento à montante causada pelo ventilador de rotor imediatamente abaixo da placa de estator.

[0038] As placas de estator podem ser conformadas de qualquer maneira evidente para um técnico especializado no assunto. Pode ser preferível que cada placa de estator consista em duas metades de uma placa circular, que sejam ajustadas ao e mantidas unidas pelo tambor, com um orifício formado no meio, através do qual o eixo de rotor possa correr.

[0039] Em geral, as placas de estator são conformadas tal que elas atuem para converter energia cinética em um fluido em turbilhonamento (o metal líquido) em pressão no fluido, conforme ele seja forçado através da pelo menos uma passagem formada através da placa.

[0040] Cada placa de estator apresenta pelo menos uma passagem formada através dela. Pode ser preferível que cada placa de estator apresente uma pluralidade de orifícios formados (por exemplo, perfurados) através dela, para permitir que metal líquido passe através dela. O diâmetro dos orifícios pode ser de qualquer tamanho adequado e, de preferência, pode estar entre 0,5 mm e 10 mm. O diâmetro dos orifícios nas placas de estator pode ser consistente ao longo do comprimento longitudinal do tambor ou pode variar de qualquer maneira apropriada. No entanto, pode ser preferível que o diâmetro dos orifícios se reduza ao longo do comprimento longitudinal do tambor. Em outras palavras, o diâmetro dos orifícios nas placas de estator será determinado pela posição da placa de estator ao longo do eixo geométrico longitudinal do tambor, com as placas mais próximas da primeira extremidade do tambor apresentando orifícios relativamente maiores do que as placas mais próximas da extremidade inferior do tambor.

[0041] Deve ser entendido que o dispositivo da presente invenção deve ser formado por materiais que não se fundam ou se deteriorem excessivamente nas temperaturas, nas quais se pretende que o dispositivo seja usado. Como um resultado, é preferível que o dispositivo seja formado a partir de material ou materiais com um ponto de fusão de não menos do que 200°C, ainda mais preferivelmente, de não menos do que 600°C, e, muitíssimo preferivelmente, de não menos do que 1.000°C. Um dispositivo formado por materiais com tais pontos de fusão elevados o torna adequado para uso no ambiente de elevada temperatura do processamento de metais líquidos.

[0042] De preferência, cada ventilador de rotor da presente invenção compreende pelo menos uma pá. Cada pá pode ser conformada tal que, quando girada, ela adicione energia ao metal líquido e atue para empurrá-lo para baixo, através de uma placa de estator adjacente.

[0043] O elevado cisalhamento produzido pelo dispositivo da presente invenção é o resultado da distância mínima entre cada ventilador de rotor e as placas de estator adjacentes. Em particular, os ventiladores de rotor sendo posicionados dentro de uma distância mínima, isto é, entre 10 μm e 10 mm, assegura que o metal líquido dentro do dispositivo seja submetido a um elevado cisalhamento, quando os ventiladores de rotor forem girados.

[0044] De preferência, o dispositivo da presente invenção compreende adicionalmente uma caixa (housing) protetora, sendo que as placas de estator, o tambor e os ventiladores de rotor estão todos contidos dentro da caixa.

[0045] De preferência, o dispositivo da presente invenção compreende uma escova. A escova sendo fixada na caixa ou no eixo de rotor.

[0046] O eixo de rotor da presente invenção pode ser rosqueado, de modo que os ventiladores de rotor possam ser facilmente montados sobre ele e mantidos no lugar usando porcas.

[0047] O método da presente invenção pode cisalhar intensivamente metais líquidos, ou em batelada ou continuamente, usando o dispositivo da presente invenção. Isso pode ser feito como parte de um método para tratamento de um metal líquido, que também inclua, mas que não esteja limitado a, desgaseificação de metais líquidos, preparação de lamas semissólidas, preparações de compósitos de matriz de metal, preparação de espumas metálicas, misturação de líquidos metálicos imiscíveis, reciclagem, formação de ligas, bombeamento de metais líquidos, fornecimento de metais líquidos condicionados para solidificação ulterior ou processamento de metais líquidos dentro de processos de fundição existentes.

[0048] Durante a operação, o motor pode ser operado para acionar o eixo de rotor e, por meio disto, girar os ventiladores de rotor entre as placas de estator. Se os ventiladores forem conformados de maneira apropriada, isto causará uma pressão negativa atuando para baixo sobre o líquido dentro do dispositivo e um turbilhonamento do líquido. Conforme o líquido esteja turbilhonando através das placas de estator, o metal líquido será cisalhado, devido ao pequeno intervalo entre os ventiladores de rotor e as placas de estator. Os ventiladores de rotor podem ser girados em elevada velocidade e isto causará o cisalhamento do metal líquido, conforme os ventiladores cortem através do metal líquido e o líquido seja forçado através do ventilador.

[0049] A rotação dos ventiladores também empurrará o metal líquido através da pelo menos uma passagem formada em cada placa de estator e isto cisalhará adicionalmente o metal líquido. Conforme o metal líquido passe através de uma placa de estator, qualquer elemento de turbilhonamento do escoamento no metal líquido será reduzido; isto resulta em um aumento da pressão através da placa de estator.

[0050] Em algumas modalidades da invenção, o diâmetro do tambor pode se reduzir a partir de sua primeira extremidade até sua segunda extremidade. Nessas modalidades, uma vez que o metal líquido tenha passado através da pelo menos uma passagem formada em uma placa de estator, conforme descrito acima, ele será forçado para um volume menor, que é formado entre a placa de estator, através da qual ele tenha passado, e a placa de estator subsequente. Isso é devido ao diâmetro do tambor decrescente. Isso aumenta a pressão do metal líquido neste estágio. Depois da passagem através de uma placa de estator, o metal líquido é encontrado por outro ventilador de rotor e o processo delineado acima é repetido, até que o metal líquido passe pela e saia da extremidade inferior do tambor.

[0051] Um dispositivo de acordo com a presente invenção compreenderá ventiladores de rotor e placas de estator suficientes, tal que o metal líquido, passando através do dispositivo, sofrerá cisalhamento intensivo suficiente e será submetido à pressão suficiente para que o tratamento desejado do metal líquido ocorra. O cisalhamento e a pressão necessários serão determinados pelo uso específico pretendido da modalidade do dispositivo.

[0052] Cada ventilador de rotor pode compreender uma ou mais pás de ventilador. Cada pá pode ser paralela a ou estar em um ângulo com o eixo geométrico longitudinal do tambor ou elas podem ser curvadas, tal que a sua orientação, em relação ao eixo geométrico longitudinal do tambor, varie ao longo de seu comprimento. O formato de cada pá pode ser um cilindro, coluna quadrada, prisma e quaisquer outros corpos geométricos, ou regulares ou irregulares, tanto quanto eles possam ser fabricados e montados de maneira prática. O formato das pás individuais pode ser diferente uma da outra, e a superfície de uma pá pode ser plana ou curvada ou combinada por diferentes superfícies geométricas. Um único ventilador de rotor pode compreender diferentes pás conformadas. A distribuição das pás de um ventilador de rotor em torno do eixo de rotor não necessita ser simétrica, embora isto possa ser preferido. Para as finalidades de estabilidade estrutural, especialmente quando se considera variantes cerâmicas maiores, um ventilador de rotor pode compreender um anel periférico externo, que é usado para unir as pontas/bordas externas de todas as pás de um ventilador de rotor, de modo que a integridade estrutura do ventilador seja mantida, e de modo que tensões de tração sobre as pás, durante o uso do dispositivo, a partir da força centrífuga, possam ser reduzidas.

[0053] As pás de um ou mais ventiladores de rotor, de um dispositivo de acordo com a presente invenção, podem ser ocas e conformadas tal que ar ou outro material possa ser alimentado através dos ventiladores para o metal líquido. Conformando-se os ventiladores de rotor dessa maneira, seria permitido que ar ou partículas de MMRC (ou qualquer outro material adequado) fossem introduzidos no metal líquido para intensificar o processamento do metal líquido.

[0054] Os formatos dos orifícios formados através de cada placa de estator podem ser orifícios circulares, orifícios quadrados, fendas ou os similares, tanto quanto o metal líquido dentro do dispositivo seja cisalhado de maneira eficiente e de maneira prática. A preferência é, de maneira geral, para orifícios circulares de um tamanho adequado. A função das placas de estator é a de fornecer cisalhamento, de modo a reduzir a energia cinética no escoamento do líquido por conversão da mesma em energia de pressão e, por meio disto, auxiliando a constituição de pressão e a capacidade de transporte do dispositivo.

[0055] As placas de estator da presente invenção pode compreender pás de estator ao invés de placas sólidas, para fornecer cisalhamento e para reduzir a energia cinética do escoamento, por meio disto, convertendo a mesma em energia de pressão. Em outras palavras, como uma alternativa a apresentar placas de estator conformadas como placas sólidas com um ou mais orifícios formados através delas, uma ou mais placas de estator pode(m) consistir em um anel de pás se originado de/fixadas a/introduzidas em fenda em uma parede interna do tambor. Essas pás podem ser conformadas para se conseguir a mesma função de conversão de energia cinética em energia de pressão e para fornecer elevado cisalhamento. Conforme será evidente para um técnico especializado no assunto, os formatos das pás pode ser de um cilindro, de coluna quadrada, de prisma e de quaisquer outros corpos geométrico, ou regulares ou irregulares, tanto quanto eles possam ser fabricados e montados de maneira prática. O formato das pás individuais pode ser diferente uma da outra, e a superfície de uma pá pode ser plana ou curvada ou combinada por diferentes superfícies geométricas. Pás diferentes podem ser usadas para a mesma placa de estator. A distribuição das pás em torno de uma placa de estator não necessita ser simétrica. As pás de estator podem ser curvadas e/ou apresentar orifícios nelas. Durante a operação, o motor passa a potência para o rotor via o eixo de rotor e aciona o rotor para girar entre o estator.

[0056] Se uma ou mais placas de estator forem formadas por pás, quando em uso, o metal líquido passará através das placas de estator e entre as pás. Quando em uso, devido ao pequeno intervalo entre os ventiladores de rotor e as placas de estator, o metal líquido entre eles é submetido a um elevado cisalhamento. Uma componente do escoamento para fora é também produzida devido à força centrífuga resultando dos ventiladores de rotor rotativos. O metal líquido influenciado por isso será cisalhado entre as bordas externas dos ventiladores de rotor e a parede interna do tambor dentro do fino intervalo entre elas.

[0057] Quando em uso, o eixo de rotor e os ventiladores de rotor, do dispositivo da presente invenção, podem ser operados em qualquer velocidade apropriada. Em geral, será preferível que o eixo de rotor seja girado em uma velocidade entre 1 rpm e 50.000 rpm. Concebe-se que o técnico especializado no assunto será prontamente capaz de determinar a velocidade rotacional preferida.

[0058] Um ou mais ventiladores de rotor, de um dispositivo de acordo com a presente invenção, pode(m) compreender um anel periférico externo, conformado em torno das pontas de quaisquer pás, que formam cada ventilador de rotor. Essa construção será benéfica se os ventiladores de rotor forem formados por materiais com base em cerâmica, já que isto enseja construção mais simples. Isso é também particularmente adequado para dispositivos que se pretenda sejam usados para o processamento de metais líquidos mais corrosivos, tal como alumínio, e de ligas de temperatura temperaturas de fusão elevadas. A presença de um anel periférico externo pode resultar em uma transferência mais uniforme de tensão radial ao longo de um ventilador de rotor.

[0059] Em algumas modalidades do método da presente invenção, durante o uso, um dispositivo de acordo com a presente invenção pode ser completamente imerso em uma cuba do material que esteja sendo processado.

[0060] Em algumas modalidades do dispositivo da presente invenção, o eixo de rotor pode se estender acima da primeira extremidade do dispositivo (e de qualquer reservatório, se ele estiver presente) e pode, por meio disto, ser suportado por um tubo oco, para evitar seu empenamento durante o uso.

[0061] A parede interna do tambor do dispositivo da presente invenção é simétrico de maneira substancialmente cilíndrica em torno seu eixo geométrico longitudinal. Isso permite que as extremidades externas dos ventiladores de rotor sejam mantidas dentro da distância mínima da parede interna. A parede interna do tambor da presente invenção pode compreender fendas circunferenciais para permitir que as placas de estator sejam facilmente montadas e ali mantidas.

[0062] Um dispositivo de acordo com a presente invenção pode apresentar qualquer perfil de seção transversal adequado ao longo de seu eixo geométrico longitudinal. Pode ser preferível que o tambor seja o mais largo em sua primeira extremidade e gradualmente se estreite em direção a sua extremidade inferior. Isso pode ser preferido, já que facilita um aumento de pressão no metal líquido, conforme ele passa através do tambor. Alternativamente, o tambor pode apresentar um diâmetro substancialmente constante ao longo de seu eixo geométrico longitudinal.

[0063] Como uma alternativa adicional, o tambor pode ser conformado como um medidor venturi e apresentar uma seção transversal larga-estreita-larga. Como uma alternativa adicional, o tambor pode ser conformado da maneira oposta, com uma seção transversal estreita- larga-estreita. Ambas essas seções transversais podem comprimir e se expandir o líquido passando através do dispositivo, por meio disto fornecendo uma variação cíclica de pressão, que pode ser explorada para intensificar o tempo de cisalhamento/misturação/processo.

[0064] Em algumas modalidades do dispositivo da presente invenção, os ventiladores de rotor e/ou as placas de estator serão conformados para retirar líquido através do dispositivo, conforme os ventiladores de rotor sejam girados. Nessas modalidades, o dispositivo pode ser operado com a abertura na primeira extremidade, localizada imersa em metal líquido, tal que o metal líquido seja automaticamente retirado para o dispositivo através da abertura.

[0065] Em algumas modalidades da invenção, um ou mais ventiladores de rotor pode(m) ser conformado(s) por dois conjuntos de pás que estejam espaçados longitudinalmente um do outro. Similarmente, uma ou mais placas de estator pode(m) ser conformada(s) a partir de duas placas planas espaçadas longitudinalmente. Ventiladores de rotor e placas de estator conformados dessa maneira podem fornecer constituição de pressão mais intensa e, então, difusão do escoamento.

[0066] Em algumas modalidades da invenção, os ventiladores de rotor podem ser dispostos em torno e ao longo do eixo de rotor, em uma configuração em espiral, e as placas de estator podem ser dispostas em torno da parede interna do tambor, em uma configuração em espiral cooperativa. Conforme será prontamente apreciado, a fim de se conseguir isso, cada placa de estator e cada ventilador de rotor podem não ser completamente circulares e, ao invés, têm que somente estender uma porção do caminho em torno do eixo de rotor. No entanto, em uma direção ao longo do eixo geométrico longitudinal do tambor, os ventiladores de rotor e as placas de estator permaneceram posicionados de maneira alternada.

[0067] O tambor da presente invenção pode ser construído de qualquer maneira evidente para um técnico especializado no assunto. Por exemplo, o tambor pode ser construído em duas metades separadas, que são subsequentemente unidas em conjunto para montar o tambor. Isso pode ser conseguido usando anéis de retenção: um primeiro anel de retenção conformado em torno do tambor na ou próximo a sua segunda extremidade. Alternativamente, as duas metades podem simplesmente ser aparafusadas firmemente em conjunto e um selo entre as duas metades pode ser conseguido usando um flange simples, que seja aparafusado.

[0068] Além disso, conforme mostrado acima, o tambor pode estar contido dentro de um caixa (housing), tal que, no caso de qualquer rompimento das partes do tambor, metal líquido permaneça contido na caixa.

[0069] Em algumas modalidades da invenção, o dispositivo pode compreender adicionalmente um ou mais aquecedores externo(s) ao, ou integrado(s) ao, tambor, a fim de controlar a temperatura do material dentro do tambor (por exemplo, assegurando o gradiente de temperatura correto do material dentro do tambor). Os aquecedores podem ser conformados de qualquer maneira evidente para o técnico especializado no assunto.

[0070] Os materiais, a partir dos quais um dispositivo de acordo com a presente invenção é feito, terão que satisfazer as exigências de material, que serão imediatamente evidentes para um técnico especializado no assunto. Essas exigências incluem, mas não estão limitadas a:

[0071] Eles devem ser de elevada resistência e elevada durabilidade nas temperaturas, em que o dispositivo é usado;

[0072] Eles têm que ser resistentes à corrosão, para resistirem à natureza corrosiva dos metais líquidos, com os quais eles são usados;

[0073] Eles têm que ser viáveis para fabricação, usando técnicas de fabricação disponíveis; e

[0074] Eles têm que ser de custo adequado.

[0075] Cerâmicas, grafite, aços, ligas de elevadas temperaturas e quaisquer outros materiais poderiam ser usados para fabricação dos dispositivos de elevado cisalhamento, tanto quanto eles apresentem resistência e estabilidade química suficientes na temperatura desejada, a qual é definida pelo metal líquido com o qual o dispositivo é usado. Por exemplo, aços de elevadas temperaturas, livres de níquel, são os materiais preferidos para construção dos mencionados dispositivos de elevado cisalhamento para tratamento/condicionamento de ligas de magnésio líquidas. Grafite, molibdênio revestido M0S12 e cerâmicas são materiais preferidos para construção dos mencionados dispositivos de elevado cisalhamento para tratamento/condicionamento de ligas de alumínio. Materiais cerâmicos adequados incluem, mas não estão limitados a, nitretos, silicetos, óxidos, carbetos, sialon e outras cerâmicas mistas. Cerâmicas particularmente preferidas incluem carbeto de silício, óxidos de alumínio, nitreto de boro, nitreto de silício e sialon. Observa-se que o grafite é um dos materiais adequados para escovas em todas as modalidades da presente invenção.

[0076] O dispositivo da presente invenção apresenta muitas aplicações. Ele é particularmente útil como uma bomba de elevado cisalhamento, para fornecimento de metal líquido condicionado para uma variedade de processos de fundição, tal como estiramento por extrusão com rolos, etc.

[0077] O dispositivo da presente invenção também pode ser integrado a um forno de fusão ou um forno de manutenção, para fornecer metal líquido condicionado a uma máquina de fundição de lingotes contínua, para a produção de lingotes de elevada qualidade. Os mencionados lingotes podem conter partículas de óxido bem dispersadas e apresentam poder de auto-refino de grão, e podem ser usados como uma matéria-prima para a casa de fundição para fundições de elevada qualidade.

[0078] O dispositivo da presente invenção pode ser integrado em um forno de fusão ou em um forno de manutenção, para fornecer metal líquido condicionado a um processo de fundição contínuo (ou semicontínuo). O mencionado processo contínuo inclui, mas não está limitado a, fundição em rolos duplos para fitas finas, fundição sob resfriamento direto para lingotes e pranchas (slabs), peças fundidas para hastes e qualquer outro processo de fundição contínuo (ou semicontínuo), que exija metal líquido como uma matéria-prima. A taxa de fornecimento da massa em fusão condicionada pode ser controlada por variação da velocidade do rotor e pelo projeto dos ventiladores de rotor e/ou das placas de estator do dispositivo.

[0079] O dispositivo da presente invenção pode ser integrado em um forno de fusão ou em um forno de manutenção, para fornecer metal líquido condicionado para um processo de fundição para conformação, para produzir componentes conformados. O mencionado processo de fundição para conformação inclui, mas não está limitado a, fundição em molde sob pressão elevada, fundição em molde sob pressão baixa, fundição em molde sob gravidade, fundição em areia, fundição por envolvimento e quaisquer outros processos de fundição para conformação, que exija metal líquido como uma matéria-prima. A dosagem da mencionada massa em fusão condicionada pode ser controlada por variação da velocidade do rotor e pelo projeto dos ventiladores de rotor e/ou das placas de estator do dispositivo.

[0080] O dispositivo da presente invenção pode ser usado para produzir metais líquidos dentro das seguintes características. Os exemplos são puramente ilustrativos e não são abrangentes.

[0081] O dispositivo pode produzir metal líquido condicionado com baixo teor em gases, filmes de óxidos bem dispersados e outras inclusões, temperatura uniforme e composição química homogênea, como uma matéria-prima adequada para processamento de solidificação, com uma variedade de processos de fundição.

[0082] O dispositivo pode ser usado para o refino de grão, para facilitar o processo de fundição e para aperfeiçoar a qualidade dos produtos fundidos. Por exemplo, o dispositivo pode ser diretamente implementado para uma fundição sob resfriamento direto e processos de fundição em rolos duplos, para promover a solidificação equiaxial, e para processos de fundição para conformação, como uma bomba dosadora, para fornecer metal líquido diretamente condicionado.

[0083] O dispositivo pode ser usado para dispersar e distribuir gases, fases líquida e sólida discreta para uma matriz líquida, tal como desgaseificação com elevada eficiência, misturação de líquidos metálicos imiscíveis para produzir microestruturas finamente dispersadas, produção de compósitos com matriz metálica com partículas sólidas finas bem dispersadas e uniformemente distribuídas, e intensificação de reações químicas entre heterofases.

[0084] O dispositivo pode ser usado para bombear metal fundido em um ambiente de fundição. O dispositivo pode ser usado como um forno de formação de liga em linha. O dispositivo pode ser usado para reciclar efetivamente metal de sucata. O dispositivo pode ser usado para fornecer pressão à montante para uma gama de métodos para conformação semissólida para reequipável, incluindo extrusão, laminação, estiramento e fios, fundição de tarugos e placas.

[0085] O dispositivo pode ser usado para dispersar efetivamente e distribuir uniformemente partículas sólidas, gotículas líquidas e bolhas de gases em metais líquidos. O dispositivo pode ser usado para reduzir o tamanho de partículas sólidas, gotículas líquidas ou bolhas de gases em metais líquidos. Dispositivo pode ser usado para aperfeiçoar a homogeneização de composição química e de campo de temperaturas em metais líquidos.

[0086] O dispositivo pode ser usado para fornecer refino de grão físico para metais e ligas, por ativação de partículas sólidas tanto endógenas quanto exógenas nos metais líquidos, resultando em um refino de grão significativo dos materiais metálicos. O dispositivo pode ser usado para intensificar as condições cinéticas para reações químicas e transformações de fase envolvendo pelo menos uma fase líquida.

[0087] A presenta invenção pode ser melhor entendida a partir de modalidades preferidas, que estão ilustradas nos desenhos e são descritas abaixo.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0088] A Figura 1 compreende ilustrações esquemáticas de uma primeira modalidade de um dispositivo, de acordo com a presente invenção, e de suas partes componentes;

[0089] A Figura 2 é uma ilustração esquemática de uma segunda modalidade de um dispositivo de acordo com a presente invenção;

[0090] A Figura 3 é uma ilustração esquemática de um processo para o condicionamento de metal líquido usando o dispositivo da Figura 1;

[0091] A Figura 4 é uma ilustração esquemática de um processo de desgaseificação de metal líquido usando o dispositivo da Figura 1;

[0092] A Figura 5 é uma ilustração esquemática de um processo de fundição sob resfriamento direto (DC - Direct Chill) integrando um processo de fundição sob DC convencional com o dispositivo da Figura 1;

[0093] A Figura 6 mostra ilustrações esquemáticas de vários ventiladores de rotor e de placas de estator de modalidades do dispositivo da presente invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0094] Uma modalidade de um dispositivo 1, de acordo com a presente invenção, e de suas partes componentes é mostrada esquematicamente na Figura 1. O dispositivo 1 compreende um tambor 2 apresentando uma extremidade superior 3 e uma extremidade inferior 4 e um eixo geométrico longitudinal, que se estende entre elas. O diâmetro do tambor 2 diminui em uma taxa constante entre sua extremidade superior 3 e sua extremidade inferior 4, tal que o tambor 2 seja um cone truncado invertido.

[0095] Um eixo de rotor 5 se estende através do tambor 2 entre as extremidades superior e inferior 3, 4, ao longo do eixo geométrico longitudinal. Os ventiladores de rotor 6, 7, 8 são montados no eixo de rotor 5. Três placas de estator 9, 10, 11 são montadas em uma parede interna do tambor 2, e se estendem a partir da parede interna até o eixo de rotor 5. Um reservatório 12 é formado na extremidade superior 3 do tambor 2, acima do ventilador de rotor superior 6. O reservatório 12 contém uma chicana 13, para impedir o turbilhonamento de líquido dentro do reservatório e apresenta uma placa 15 montada em sua extremidade superior. A placa 15 forma a extremidade superior do reservatório 12 e apresenta uma abertura 16 nela formada, para permitir que metal líquido entre no reservatório. Uma escova 14 é montada no eixo de rotor 5 próximo de sua extremidade superior.

[0096] Detalhes de cada ventilador de rotor 6, 7, 8 são mostrados na Figura 1. O rotor superior 6 consiste em dezesseis pás de rotor substancialmente planas, o ventilador de rotor do meio 7 consiste em oito pás de rotor substancialmente planas, e o ventilador de rotor inferior 8 consiste em quatro pás de rotor substancialmente planas. As pás de rotor de cada ventilador são alinhadas com o eixo de rotor 5 e são espaçadas de maneira circunferencial igualmente em torno do ventilador de rotor 6, 7, 8. Os ventiladores de rotor 6, 7, 8 são conformados tal que a extremidade radialmente externa de cada pá seja posicionada dentro de uma distância mínima da parede interna do tambor 2 e tal que as superfícies superior e inferior de cada pá são posicionadas dentro da distância mínima das placas de estator 9, 10, 11 adjacentes. A distância mínima é menor do que 10 mm. Será prontamente entendido que, como a Figura 1 é um diagrama esquemático, o intervalo entre as placas de estator 6, 7, 8 e os ventiladores de rotor 9, 10, 11 está exagerado na figura.

[0097] A Figura 1 também mostra os detalhes das placas de estator 9, 10, 11. As placas de estator compreendem placas substancialmente planas com uma pluralidade de orifícios 17 formados através delas. Os orifícios permitem que metal líquido passe através das placas 9, 10, 11. A Figura 1 também mostra detalhes da chicana 13. A chicana 13 compreende uma placa, com uma pluralidade de orifícios formados através dela, inúmeras pás verticais, que se estendem a partir de uma superfície da chicana 13, para evitar o turbilhonamento de líquido dentro do reservatório. Conforme mostrado no canto inferior esquerdo da Figura 1, o tambor 2 e as placas de estator 9, 10, 11 são conformadas em duas metades, que são, então, fixadas em conjunto.

[0098] Em uso, o metal líquido é fornecido ao dispositivo 1, através do orifício 16, na placa superior 15. Esse metal líquido entra no reservatório 12 e, então, passa através da chicana 13 e da placa de estator superior 9, e entra no tambor 2. O metal líquido pode, então, passar através do dispositivo 1, antes de deixar o tambor 2 em sua extremidade inferior 4. Durante a sua passagem através do dispositivo 1, o eixo de rotor 5, e, por meio disto, os ventiladores de rotor 5, são girados em uma velocidade entre 1 rpm e 50.000 rpm. Isso atua para cisalhar o metal entre as pás de rotor e a parede interna do tambor ou entre as pás de rotor e as placas de estator 9, 10, 11. Uma vez que as pás de rotor estão dentro da distância mínima tanto da parede interna quanto das placas de estator 9, 10, 11, o metal líquido é submetido a elevado cisalhamento e é processado.

[0099] Como modalidade alternativa de um dispositivo 1, de acordo com a presente invenção, é mostrado na Figura 2. O dispositivo 1, da Figura 2, é similar ao e opera de acordo com os mesmos princípios que o dispositivo da Figura 1, como tal os mesmos componentes do dispositivo 1 são marcados usando os mesmos números de referência, onde apropriado, e não serão explicados em detalhes, exceto para onde houver diferenças estruturais significativas.

[00100] O dispositivo 1, da Figura 2, difere do dispositivo 1, da Figura 1, pelo fato de que o tambor 2 é substancialmente cilíndrico e apresenta um diâmetro constante ao longo de seu eixo geométrico longitudinal. Como um resultado, cada uma das placas de estator 9, 10, 11 é idêntica uma a outra e cada um dos ventiladores de rotor 6, 7, 8 é idêntico um ao outro. Além disso, as placas de estator 9, 10, 11 são formadas por uma pluralidade de pás espaçadas de maneira circunferencial igualmente, com passagens formadas entre pás adjacentes. As pás são planas e estão em um ângulo em relação ao eixo geométrico longitudinal do tambor 2. Os ventiladores de rotor 6, 7, 8 são conformados de uma maneira similar, embora eles possam compreender menos pás e as passagens entre as pás sejam maiores, como um resultado. Tanto os ventiladores de rotor 6, 7, 8 quanto as placas de estator 9, 10, 11 apresentam um anel radialmente externo, que atua para suportar as pás. As pás dos ventiladores de rotor 6, 7, 8 são conformados para retirar metal líquido através do tambor 2, quando o dispositivo 1 estiver em operação.

[00101] As Figuras 4, 5 e 6 mostram aplicações potenciais de um dispositivo 1 de acordo com a modalidade da Figura 1. Nessas figuras, o dispositivo 1 está representado esquematicamente por um triângulo. A Figura 4 é uma ilustração esquemática de um processo para o condicionamento de metal líquido usando o dispositivo 1. A Figura 5 é uma ilustração esquemática de um processo para a desgaseificação de metal líquido usando o dispositivo 1. A Figura 6 é uma ilustração esquemática de um processo de fundição sob resfriamento direto usando o dispositivo 1. O técnico especializado no assunto entenderá prontamente a maneira convencional, na qual cada um desses processos é tipicamente realizado, de modo que não será repetida aqui. Ao invés disso, a implementação do uso do dispositivo 1 da presente invenção será explicada com referência a cada um dos processos relevantes.

[00102] No processo mostrado na Figura 4, o dispositivo 1 é fixado em uma plataforma ajustável 22 e o eixo de rotor 5 é acionado por um motor (não mostrado). A posição do dispositivo 1 é controlada, tal que ele seja parcialmente imerso no metal líquido 21 contido em um cadinho 20, por ajuste da posição da plataforma. O cadinho 20 é aquecido para manter o metal líquido 21 em uma temperatura desejada.

[00103] Durante a operação, o metal líquido 21 é retirado para o dispositivo através de sua extremidade superior pela rotação dos ventiladores de rotor e é submetido a elevado cisalhamento. O metal líquido 21, então, sai do dispositivo 1 a partir de sua extremidade inferior. A passagem do metal líquido 21, através do dispositivo 1, pela ação dos ventiladores de rotor, resulta em um padrão de escoamento macroscópico no cadinho, conforme indicado pelas setas na figura. Esse escoamento macroscópico entrega o metal líquido 21 ao dispositivo 1, tal que todo o metal líquido no cadinho 20 será submetido a tratamento de elevado cisalhamento repetido. Em adição, o escoamento macroscópico também promove uniformidade espacial tanto de temperatura de fusão quanto de composição química.

[00104] Esse tratamento de elevado cisalhamento dispersa aglomerados de óxidos, filmes de óxidos e quaisquer outras inclusões metálicas ou não metálicas presentes no metal líquido 21. O escoamento macroscópico distribui partículas dispersadas uniformemente ao longo de todo o metal líquido 21. Deve ser destacado que o escoamento macroscópico, no cadinho 20, será fraco próximo à superfície do metal líquido 21, e, consequentemente, o escoamento macroscópico manterá uma superfície de massa em fusão relativamente não perturbada, evitando o possível aprisionamento de gases, escória ou quaisquer outros potenciais contaminantes no metal líquido 21. Isso torna os metais líquidos condicionados particularmente adequados para a fabricação de fundições de elevada qualidade.

[00105] O processo da Figura 4 também pode dispersar partículas sólidas exógenas no metal líquido 21. Partículas sólidas exógenas podem ser partículas de refinador de grão, partículas cerâmicas para compósitos de matriz de metal (MMCs) ou nanopartículas para produção de compósitos de matriz de nanometal (NMMCs). O dispositivo 1 dispersará as partículas sólidas, distribuirá as partículas sólidas dispersadas uniformemente no metal líquido 20, e forçará as partículas sólidas a serem umedecidas pelo metal líquido 21.

[00106] O processo da Figura 4 pode ser usado para tratar metais líquidos, ou acima do líquido de liga, para condicionar metal líquido, ou abaixo do líquido de liga, para preparar lama semissólida. Quando do tratamento do metal líquido 21 acima do líquido, o processo pode aumentar os potenciais sítios de nucleação, por dispersão de filmes e/ou aglomerados de óxidos em partículas individuais, aperfeiçoando a molhabilidade e a distribuição espacial no metal líquido. Isso é muito útil para o refino de grão sem adição de quaisquer refinadores de grão químicos. Refere-se a isso como refino de grão físico. Quando do tratamento dos metais abaixo de seu líquido, o processo pode fornecer lama semissólida com partículas sólidas de tamanho fino e uma distribuição de tamanhos estreita. Em adição, os mencionados aparelho e método podem fornecer lama semissólida de elevada qualidade em grandes quantidades.

[00107] O metal líquido 21, condicionado pelo processo da Figura 4, tratado ou acima ou abaixo do líquido de liga, pode ser fornecido em batelada ou continuamente a um processo de fundição específico, por exemplo, fundição em molde sob pressão elevada, fundição em molde sob pressão baixa, fundição em molde sob gravidade, fundição em areia, fundição por envolvimento, fundição sob resfriamento direto, fundição em rolos duplos e qualquer outro processo de fundição, que exija metal líquido ou semissólido como matéria-prima.

[00108] O processo mostrado na Figura 5 é idêntico ao processo da Figura 4, com a exceção de que os tubos 26, para a admissão de gases no metal líquido 21, são formados através da plataforma 22, tal que uma extremidade de cada tudo seja posicionada imediatamente acima do dispositivo 1. Para a finalidade de desgaseificação do metal líquido 21, gás inerte, tal como argônio, nitrogênio ou os similares, é introduzido no metal líquido através dos tubos 26, tal que ele entre no metal líquido 21 imediatamente acima do dispositivo.

[00109] Durante a operação do processo, tanto o metal líquido 21 quanto o gás são retirados através do dispositivo 1, da mesma maneira que no processo da Figura 4. Isso submete o metal líquido 21 e o gás a elevado cisalhamento e produz um escoamento macroscópico do metal líquido 21. Isso dispersa bolhas grandes de gás inerte em bolhas muito menores de gás inerte. Além disso, o escoamento macroscópico pode distribuir bolhas de gás inerte uniformemente ao longo de todo o metal líquido 21, no cadinho 20, criando área interfacial gás/líquido significativamente aumentada. O gás dissolvido no metal líquido 21 se difundirá para as bolhas de gás inerte, devido à pressão parcial muito mais baixa no gás inerte do que no metal líquido 21. Devido a sua flutuabilidade, e com o auxílio do escoamento macroscópico, a bolha de gás inerte contendo o gás dissolvido escapará a partir da superfície da massa em fusão do metal líquido 21, resultando em teores de gás significativamente reduzidos no metal líquido.

[00110] Quando da desgaseificação usando o processo da Figura 5, o tamanho das bolhas inertes no metal líquido pode ser controlado por variação da modalidade específica do dispositivo 1 que for usado. Em particular, os seguintes parâmetros afetarão o tamanho das bolhas inertes: distância mínima do dispositivo 1, o tamanho e o formato das passagens nas placas de estator, a velocidade, na qual os ventiladores de rotor e o eixo de rotor são girados, o número de ventiladores de rotor e de placas de estator, o tamanho, o formato e a construção dos ventiladores de rotor, e o tamanho e o formato do tambor.

[00111] O processo da Figura 5 também pode ser usado para preparar compósitos de matriz de metal (MMCs) por substituição do gás inerte de entrada por pós cerâmicos, tais como carbeto de silício, óxido de alumínio ou os similares. O elevado cisalhamento, aplicado pelo dispositivo 1 da presente invenção, pode aperfeiçoar a uniformidade e a molhabilidade das partículas, o que é muito importante para a preparação de materiais de MMC de elevada qualidade.

[00112] O processo da Figura 5 também pode ser usado para preparar compósitos de matriz de metal in situ (MMCs), por mudança do gás inerte de entrada por um gás reativo, para formar partículas de reforço in situ. Um exemplo é a introdução de oxigênio em liga de alumínio líquida, para preparar MMCs de alumínio reforçados com partículas de alumina.

[00113] O processo da Figura 5 também pode ser usado para misturar metais imiscíveis, por mudanças do gás inerte de entrada por um metal líquido, que seja imiscível com o metal líquido 21, no cadinho 20. O processo pode dispersar e distribuir os líquidos metálicos imiscíveis uniformemente.

[00114] O processo da Figura 5 também pode ser modificado por uso de um eixo de rotor 5 oco, para introduzir gás inerte, as partículas cerâmicas, os metais líquidos imiscíveis ou os similares no metal líquido 21, para a finalidade de desgaseificação, preparação de MMCs, misturação de líquidos metálicos imiscíveis ou as similares.

[00115] A Figura 6 mostra um diagrama esquemático de uma integração direta de um processo de fundição sob resfriamento direto (DC) convencional, com o dispositivo 1 da presente invenção, formando um processo de fundição sob DC de elevado cisalhamento. O dispositivo 1 de elevado cisalhamento é fixado em uma plataforma ajustável (não mostrada) para posicionamento. Assume-se que as características de um processo de fundição sob DC convencional serão bem conhecidas por um técnico especializado no assunto, de modo que elas não serão repetidas aqui. O dispositivo 1 é submergido no poço do fundidor sob DC. O local preferido do fundo do dispositivo 1 é de 0-300 mm acima da zona de pastosa.

[00116] Durante a fundição sob DC, metal líquido é continuamente fornecido ao molde sob DC através de um tubo de alimentação e continuamente cisalhado pelo dispositivo 1 da presente invenção. O metal líquido, contendo elementos de soluto rejeitados e partículas sólidas na zona pastosa, é sugado para o dispositivo a partir da frente de solidificação, sujeito a cisalhamento intenso e, então, forçado para fora. A massa em fusão cisalhada intensamente gera um padrão de escoamento macroscópico no poço do fundidor sob DC, da mesma maneira que os processos descritos acima. O padrão de escoamento macroscópico provoca a homogeneização de temperatura e de composição química no metal líquido em torno do dispositivo 1. Isso cria uma condição de solidificação única no poço do fundidor sob DC, resultando em um lingote fundido com uma microestrutura fina e uniforme, composição química uniforme e defeitos de fundição reduzidos/eliminados.

[00117] A Figura 7 mostra diversas placas de estator 9, 10, 11 e ventiladores de rotor 6, 7, 8, que podem fazer parte de um dispositivo de acordo com a presente invenção. As placas de estator 9, 10, 11 e os ventiladores de rotor 6, 7, 8 são substancialmente os mesmos que aqueles do dispositivo 1, mostrados na Figura 1, mas compreendem adicionalmente um anel periférico 40, que é conformado ao redor de suas bordas radiais externas. Esse anel externo 40 fornece reforço estrutural para as placas e estator 9, 10, 11 e ventiladores de rotor, que possa ser necessário em algumas modalidades da invenção.

Claims (18)

1. Dispositivo para tratamento de metal líquido de elevado cisalhamento, o dispositivo caracterizado por compreender: um tambor apresentando um eixo geométrico longitudinal, que se estende entre uma primeira extremidade e uma segunda extremidade, e apresentando aberturas respectivas na primeira extremidade e na segunda extremidade; um eixo de rotor montado centralmente através do eixo geométrico longitudinal e paralelo ao eixo geométrico longitudinal; uma pluralidade de ventiladores de rotor montada ao longo de um comprimento axial do eixo de rotor e dentro do tambor, cada ventilador de rotor formado tal que sua extremidade exterior esteja dentro de uma distância mínima de uma parede interna do tambor; uma pluralidade de placas de estator formada em uma superfície interna do tambor, a pluralidade de placas de estator estando localizadas entre ventiladores de rotor adjacentes, cada uma da pluralidade de placas de estator se estendendo a partir de uma superfície interna até ao eixo de rotor, cada uma da pluralidade de placas de estator apresentando pelo menos uma passagem formada através dela para permitir que fluido passe através da pluralidade de placas de estator; e superfícies superior e inferior de cada uma da pluralidade de placas de estator são formadas para estarem dentro de uma distância mínima de um ventilador de rotor adjacente, em que a distância mínima do ventilador de rotor adjacente está entre 10 μm e 10 mm; e um reservatório formado na primeira extremidade, em que o reservatório compreende chicanas internas posicionadas para impedir o turbilhonamento de metal líquido nele contido.

2. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o tambor apresenta um diâmetro decrescente a partir de sua primeira extremidade até sua segunda extremidade.

3. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que um diâmetro do tambor em sua primeira extremidade e um diâmetro do tambor em sua segunda extremidade são iguais e o diâmetro do tambor varia entre elas.

4. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a pluralidade de placas de estator é circular e formadas por duas metades de uma placa circular.

5. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a pluralidade de placas de estator são discos apresentando pelo menos um orifício formado através deles, para permitir que fluido passe através de pelo menos uma da pluralidade de placas de estator.

6. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que um diâmetro do pelo menos um orifício está entre 0,5 mm e 10 mm.

7. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que cada uma da pluralidade de placas de estator apresenta uma pluralidade de orifícios formada através dela.

8. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que um diâmetro do pelo menos um orifício formado através da pluralidade de placas de estator se reduz ao longo do eixo geométrico longitudinal do tambor.

9. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que uma ou mais da pluralidade de placas de estator compreendem em um anel de pás.

10. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente um motor conectado ao eixo de rotor para girar os ventiladores de rotor.

11. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que é formado por materiais com um ponto de fusão de não menos do que 200°C.

12. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que é formado por materiais com um ponto de fusão de não menos do que 600°C.

13. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que é formado por materiais com um ponto de fusão de não menos do que 1.000°C.

14. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o tambor é formado por duas metades que são aparafusadas em conjunto e em que as duas metades são seladas usando um flange.

15. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a primeira extremidade está localizada acima da segunda extremidade, tal que a passagem de fluido a partir da primeira extremidade para a segunda extremidade seja auxiliada por gravidade.

16. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os ventiladores de rotor são formados tal que, quando o eixo de rotor for girado, os ventiladores de rotor possam operar para retirar fluido a partir da primeira extremidade para a segunda extremidade.

17. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o tambor está acondicionado em uma caixa protetora.

18. Método para tratar material fundido, caracterizado por compreender: girar uma pluralidade de ventiladores de rotor para retirar material fundido para um dispositivo de tratamento de metal líquido através de uma primeira extremidade de um tambor, em que a pluralidade de ventiladores de rotor é montada ao longo de um comprimento axial de um eixo de rotor montado centralmente através de um eixo longitudinal de um tambor, em que o tambor se estende entre uma primeira extremidade e uma segunda extremidade, e o tambor compreende aberturas respectivas na primeira extremidade e na segunda extremidade, e paralelo ao eixo longitudinal, e dentro do tambor, cada ventilador de rotor formado de tal modo que sua extremidade exterior esteja dentro de uma distância mínima de uma parede interna do tambor; e passar o material fundido através do tambor a partir da primeira extremidade para a segunda extremidade, enquanto a pluralidade de ventiladores de rotor giram em uma velocidade entre 1 rpm e 50.000 rpm; em que uma pluralidade de placas de estator é formada em uma superfície interna do tambor, a pluralidade de placas de estator estando localizadas entre ventiladores de rotor adjacentes, cada uma da pluralidade de placas de estator se estendendo a partir de uma superfície interna até ao eixo de rotor, cada uma da pluralidade de placas de estator apresentando pelo menos uma passagem formada através dela para permitir que fluido passe através da pluralidade de placas de estator, em que as superfícies superior e inferior de cada uma da pluralidade de placas de estator são para serem formadas dentro de uma distância mínima de um ventilador de rotor adjacente, em que a distância mínima do ventilador de rotor adjacente está entre 10 μm e 10 mm; e em que um reservatório é formado na primeira extremidade, em que o reservatório compreende chicanas internas posicionadas para impedir o turbilhonamento de metal líquido nele contido.

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