BR112017008839B1

BR112017008839B1 - Método e arranjo para processar corpos de carbono calcinados

Info

Publication number: BR112017008839B1
Application number: BR112017008839-8A
Authority: BR
Inventors: Hans Seehuus
Original assignee: Norsk Hydro Asa; Lyng Drilling As
Priority date: 2014-10-29
Filing date: 2015-10-16
Publication date: 2022-12-06
Also published as: AU2015340111B2; ZA201702757B; EA032656B1; WO2016068718A1; EP3245020A4; BR112017008839A2; EP3245020A1; CA2965955A1; EA201790931A1; NZ731430A; CA2965955C; NO20141289A1; AU2015340111A1; WO2016068718A8; EP3245020B1; US20180297133A1

Abstract

MÉTODO E ARRANJO PARA PROCESSAR CORPOS DE CARBONO CALCINADOS. A presente invenção diz respeito a um método e a um arranjo para o processamento de corpos de carbono calcinados, tais como anodos ou catodos, para uso no contexto da produção eletrolítica de alumínio. Os corpos de carbono são processados usando uma ferramenta rotativa de processamento (101) que consiste em um disco principalmente circular com arestas de corte (114) montadas em sua periferia. As arestas de corte podem ser feitas de diamante policristalino (PCD) ou de um material equivalente. A ferramenta rotativa de processamento é montada em um fuso acionado rotativo e é guiada por elementos guias (110) que podem ser jatos ou discos perfurados que sopram ar pressurizado na ferramenta, ou rolos (120). É possível, com a presente invenção, criar fendas profundas e estreitas em corpos de carbono calcinados de forma eficiente, com pouco desgaste da ferramenta.

Description

[001] A presente invenção refere-se a um método e a um arranjo para processar corpos de carbono. Em particular, a presente invenção envolve o processamento de ranhuras ou fendas em corpos de carbono calcinados.

[002] Na eletrólise do alumínio, usando o denominado método de Hall-Héroult, com anodos pré-cozidos, bolhas de gás são criadas nas superfícies de desgaste (ou consumíveis) dos anodos (principalmente abaixo deles).

[003] A presença de uma camada de gás significa que a resistência elétrica para o banho aumenta, resultando em uma menor eficiência de corrente. De acordo com a técnica anterior, propõem-se soluções que envolvem dutos ou ranhuras sendo criadas nas superfícies de desgaste dos anodos para remover o gás por drenagem, conduzi-lo para fora do banho e coletá-lo em um sistema de desgaseificação. A técnica anterior também propõe criar ranhuras longitudinais no carbono do catodo a fim de que ela possa incorporar hastes de catodo eletricamente condutoras.

[004] As ranhuras nos corpos de carbono podem ser formadas ou pré-formadas quando os corpos estão em um estado verde, isto é, antes da calcinação ou cozimento. Uma desvantagem disso é que a geometria das ranhuras pode ser alterada durante o manuseio e cozimento por causa da deformação ou estresse mecânico externo. Tal pré-formação pode resultar em gradientes de densidade no anodo e em refugos no processo. Portanto, pode ser necessário processar (calibrar) as ranhuras para que elas tenham a geometria correta.

[005] A técnica anterior também propõe um método e um dispositivo para o processamento de fendas nos corpos de carbono calcinados usando uma ferramenta rotativa de processamento, consulte a publicação do próprio depositante WO2006/019304A1. A ferramenta tem arestas de corte que podem ser feitas de diamante policristalino (PCD).

[006] Embora a ferramenta rotativa de processamento, conforme descrito no documento WO2006/019304A1, se mostrou muito estável e resistente ao desgaste, a ferramenta tem algumas limitações em relação à profundidade de processamento, em particular ao processar fendas estreitas. A publicação cita o processamento de fendas em um plano vertical em anodos com uma largura de aproximadamente 1 cm ou mais. Além disso, as fendas podem ser profundas o suficiente para estarem presentes durante toda a vida útil do anodo, e uma profundidade de processamento de aproximadamente 35 cm é citada.

[007] O documento U.S. 4.136.590 descreve uma guia de serra para uso entre um par de lâminas de serra circulares fixadas em um eixo que tem um suporte com uma cabeça anular, em que o bloco guia possui faces guias paralelas opostas e é frouxo, sendo axialmente móvel e inclinável, e sendo adicionalmente estabilizado em uma posição alinhada em relação às lâminas de serra por meio de um par de anéis de retenção espaçados montados no bloco guia e sustentado contra a cabeça anular, sendo a pressão das vedações anelares aumentada pela liberação de ar entre os anéis de retenção, com o dito ar passando também por passagens portadas para fora das faces do bloco guia. Essa guia de serra usa ar como o fluido primário para estabelecer um filme fluido contínuo e estável entre a superfície guia da serra e a lâmina rotativa da serra.

[008] O documento SU 1502235 descreve uma lâmina de corte circular montada sobre um eixo de moagem, onde a lâmina de corte é guiada por um rolo de condução que é colocado sobre um lado da lâmina de corte e onde um rolo compressor suporta a lâmina do lado oposto da lâmina.

[009] Um problema com o processamento de eletrodos de carbono calcinado é que se deve evitar o uso de líquido de resfriamento/lubrificação da ferramenta durante o processamento, uma vez que a umidade nos eletrodos pode resultar em grandes desvantagens para a eletrólise. Além disso, o material de carbono calcinado é relativamente poroso, de modo que, se o líquido for usado, os eletrodos deverão ser submetidos a um processo completo de limpeza/secagem. Essas desvantagens significam que é desejável realizar o processamento sem a presença de corte/líquido de resfriamento, o que aumenta a carga sobre a ferramenta de processamento. Em teoria, seria possível processar os corpos de carbono imediatamente após terem sido calcinados em uma fornalha, e modo que o calor residual seja usado para secar qualquer líquido aplicado aos corpos. No entanto, tal processo do processamento também pode gerar o aumento da carga térmica sobre a ferramenta e os corpos de carbono.

[0010] Além disso, há uma tendência entre os produtores de alumínio para aplicação de anodos maiores, tanto na pegada como na altura, no processo de eletrólise. Há também um foco cada vez maior na produção de anodos com fendas menores e mais profundas. Profundidades de processamento com mais de 35 cm têm sido solicitadas e, no futuro, espera-se que tenham 45 cm ou mais.

[0011] As limitações do equipamento da técnica anterior em relação a essa tendência estão principalmente na ferramenta de processamento em si. Nas fendas de processamento significativamente mais estreitas do que 10 mm, por exemplo, com menos de 8 mm, o disco anular que forma a parte estrutural principal da ferramenta pode tornar-se instável e vibrar, ou assumir um formato de onda devido a uma flexão causada pelas forças transmitidas entre sua parte guiada, central, e a serrilhação pelos cortadores em sua periferia.

[0012] A presente invenção representa um método e um arranjo que permitem um processamento eficaz e preciso de fendas profundas e estreitas nos corpos de carbono calcinados, sendo ao mesmo tempo muito duráveis e de fácil manutenção.

[0013] As vantagens acima e outras podem ser obtidas com a invenção, tal como é definido nas reivindicações em anexo.

[0014] A presente invenção será descrita em mais detalhes a seguir, usando as figuras e os exemplos, onde: a figura 1 mostra, em uma primeira modalidade, um arranjo para o processamento de corpos de carbono calcinados de acordo com a presente invenção, vistos de um lado, a figura 2 mostra o mesmo que a figura 1, visto na extremidade direita, a figura 3 mostra, em uma segunda modalidade, um arranjo para o processamento de corpos de carbono calcinados de acordo com a presente invenção, vistos de um lado, a figura 4 mostra o mesmo que a figura 3 visto de cima, com o corpo de carbono calcinado removido, a figura 5 mostra o mesmo que a figura 3, visto na extremidade direita.

[0015] A figura 1 mostra, em uma primeira modalidade, uma ferramenta de processamento 1 sob a forma de um disco circular, com uma saliência 2 para montagem sobre um eixo em uma unidade de usinagem ou máquina de processamento. Os orifícios de montagem 3 permitem que a ferramenta de processamento interaja com os parafusos ou projeções sobre um flange no fuso (não mostrado). A máquina de processamento pode ser de um tipo da técnica anterior que permite que a ferramenta de processamento gire por um fuso acionado e se mova linearmente ao longo de um caminho que corresponde à extensão e à profundidade da fenda a ser criada. A máquina pode ter equipamentos adicionais para manipulação e fixação do corpo a ser processado (não mostrados). Essas máquinas estão disponíveis em uma ampla gama de modalidades, com as quais uma pessoa versada na técnica é familiarizada e, portanto, não serão descritas detalhadamente aqui. Como alternativa, o fuso pode ser estacionário, enquanto o corpo a ser processado se move em relação a ele.

[0016] A ferramenta de processamento 1 também tem uma parte central anular 4 que se estende desde a saliência até uma parte periférica externa 5. Tanto a parte central anular 4 como a parte periférica externa 5 podem compreender fendas 6 ou orifícios 7 para proporcionar uma melhor estabilidade, entre outras coisas, em relação ao estresse térmico. Em particular, a parte periférica externa 5 possui fendas 6 que asseguram que a expansão térmica nesta área não afeta o achatamento da ferramenta de processamento. Além disso, as fendas possibilitarão um certo grau de flexibilidade ou de amortecimento de impactos que podem ocorrer em uma direção tangencial à lâmina, durante o processo de processamento. Como a figura também mostra, a ferramenta de processamento é envolta com uma fenda 8 em um anodo 9. Como indicado pela seta A, o anodo se move da esquerda para a direita, enquanto a ferramenta de processamento gira no sentido horário, como indicado pela seta B. Assim, nessa modalidade, o processamento é feito de acordo com o princípio do sentido sincronizado onde, em geral, a ferramenta e a peça de trabalho se movem na mesma direção.

[0017] A ferramenta de processamento é fornecida com um elemento guia 10 na área onde ela entra no anodo calcinado. O elemento guia, nessa modalidade, consiste em dois jatos que permitem que o ar seja soprado em ambos os lados da ferramenta de processamento nessa área. Alguns detalhes adicionais deste arranjo são mostrados na figura 2, onde um anodo 9 tem duas fendas 8. Por motivos de conveniência, apenas uma ferramenta de processamento 1 é mostrada com o elemento guia 10.

[0018] Outra modalidade do elemento guia é aplicar um disco circular em cada lado da ferramenta de processamento (não mostrada). Esses discos são perfurados com vários orifícios, através dos quais ar pressurizado é soprado. O afastamento entre a ferramenta e os discos é normalmente muito estreito. Se a ferramenta de processamento planar for exposta a forças que a coloca em um formato não planar, por exemplo, em uma forma de onda ou fora do alinhamento transversal, de uma maneira ou de outra, então o afastamento entre a ferramenta e o disco no “lado da reação” será reduzido ou tornar-se-á zero, e a pressão de ar entre a ferramenta e o disco irá aumentar, forçando a ferramenta a ser mantida dentro de limites aceitáveis no que se refere ao desalinhamento na direção transversal. Esse tipo de elementos guias também contribuirão para um determinado resfriamento da ferramenta de processamento, devido ao ar pressurizado aplicado.

[0019] Em outra modalidade, o elemento guia pode ter uma forma alongada ao invés de uma forma circular. Por exemplo, ele pode ter forma de “C” e acompanhar a curvatura da periferia da ferramenta, enquanto é disposto a uma certa distância radial da periferia.

[0020] A figura 3 mostra uma segunda modalidade da invenção, onde uma ferramenta de processamento 101, sob a forma de um disco circular, tem uma saliência 102 para montagem sobre um fuso em uma unidade de usinagem ou máquina de processamento. Os orifícios de montagem 103 permitem que a ferramenta de processamento interaja com os parafusos ou projeções sobre um flange no fuso (não mostrado).

[0021] A ferramenta de processamento 101 também tem uma parte central anular 104 que se estende desde a saliência 102 até uma parte periférica externa 105. Como na modalidade anterior, tanto a parte central anular 104 como a parte periférica externa 105 podem compreender fendas 106 ou orifícios 107 para proporcionar uma melhor estabilidade, entre outras coisas, em relação ao estresse térmico. Em particular, a parte periférica externa 105 possui fendas 106 que asseguram que a expansão térmica nesta área não afeta o achatamento da ferramenta de processamento. Além disso, as fendas possibilitarão um certo grau de flexibilidade ou de amortecimento de impactos que podem ocorrer em uma direção tangencial à lâmina, durante o processo de processamento. Uma aresta de corte é indicada em 114. Como no exemplo anterior, a ferramenta de processamento é envolta com uma fenda 108 em um anodo 109. Como indicado pela seta A, o anodo se move da esquerda para a direita, enquanto a ferramenta de processamento gira no sentido horário, como indicado pela seta B. Assim, nessa modalidade, o processamento é feito de acordo com o princípio do sentido sincronizado, onde a ferramenta e a peça de trabalho se movem na mesma direção.

[0022] A ferramenta de processamento 101 é munida com um elemento guia 110 na área onde ela entra no anodo calcinado. O elemento guia consiste, em princípio, em dois rolos guias (apenas um é mostrado) que são dispostos nas proximidades de cada lado da ferramenta de processamento nessa área. Estes rolos reforçarão a estabilidade e o alinhamento transversal da ferramenta de processamento em situações tais como desgaste excessivo dos cortadores, suporte defeituoso do fuso, falhas no equipamento movendo o corpo a ser processado, a alta temperatura na ferramenta de processamento, etc. Em uma modalidade, os rolos guias podem ficar sobre os lados da ferramenta de processamento, possivelmente com uma ação de mola (não mostrada). Os rolos guias 120 são apoiados por um suporte 111 encaixado em uma base 112.

[0023] Mais detalhes sobre os rolos guias são mostrados na figura 4, onde dois conjuntos de rolos guias 120, 120'; 121, 121' são vistos de vima, com o anodo calcinado 108 sendo removido. Da mesma forma, duas ferramentas de processamento 101, 101' são mostradas. Os rolos guias são suportados pelos suportes 111, 111' sobre as respectivas bases 112, 112', consulte também a figura 5. Os suportes 111, 111' estão interligados através de uma viga transversal 113.

[0024] Na Figura 5, é mostrado o mesmo arranjo como na figura 3, vista na extremidade direita, onde o anodo 109 tem duas fendas 108, 108' formadas por duas ferramentas de processamento 101, 101'. A um nível abaixo do anodo 109, estão dispostos os rolos guias 120, 120'; 121, 121'.

[0025] Embora os elementos guias, como o rolo nessa modalidade, estejam dispostos perto do setor onde a ferramenta de processamento entra no ânodo e a serrilhação é iniciada, de acordo com o princípio do sentido sincronizado, os elementos guias também podem ser dispostos no lado oposto da ferramenta de processamento, ou seja, no mesmo nível horizontal que aqueles mostrados. Isso pode ser favorável se, por uma razão, a rotação da ferramenta de processamento for oposta ao movimento do anodo, mas também pode servir para conferir mais estabilidade para a ferramenta de processamento.

[0026] Deve ser compreendido que a ferramenta de processamento pode ser do mesmo tipo que a descrita no documento WO2006/019304A1, com as arestas de corte ou os cortadores de diamante policristalino (PCD). No entanto, ela pode ser feita com um diâmetro substancialmente maior e com muito menos largura, devido ao presente arranjo. Nesse caso, a fixação das facas pode ser feita de uma forma que precisa de menos espaço para os lados.

[0027] Outras cerâmicas, compostos ou ligas com durabilidade e adequabilidade correspondentes para processar o material de carbono calcinado também podem ser usados.

[0028] As arestas de corte podem ser montadas no suporte da aresta de corte por meio de várias técnicas baseadas em colagem, soldobrasagem, soldadura, fixação mecânica, etc. A aresta de corte pode ser montada de modo que a sua superfície afiada esteja a um ângulo de 10° em relação ao raio da ferramenta de processamento, ou perpendicular à periferia, neste ponto. Outros ângulos também podem ser utilizados. É conveniente que o ângulo seja de 5 a 15°.

[0029] Testes e experimentos realizados mostram que o bom corte de lascas e o baixo desgaste da ferramenta pode ser alcançado quando a velocidade das arestas de corte em relação ao corpo de carbono a ser processada está na faixa de 100 a 300 metros por minuto (m/min.). A velocidade particularmente preferencial é da ordem de 200 m/min.

[0030] A velocidade das arestas de corte dependerá parcialmente da composição e do grau de calcinação do corpo de carbono sendo cortado. O tamanho das partículas e o conteúdo de antracita, coque, breu, resina, etc. na fórmula também pode ser significativo para a determinação da velocidade de corte ideal. Além disso, as forças estáticas que atuam sobre a ferramenta de processamento em relação ao corpo de carbono, o tamanho e a forma das lascas de corte também influenciarão como a velocidade de corte ideal é determinada.

[0031] Além disso, várias fendas paralelas podem ser dispostas simultaneamente no corpo de carbono por duas ou mais ferramentas de processamento usadas para processar o corpo simultaneamente, tal como é brevemente mostrado na figura 5, por exemplo, sendo dispostos no mesmo eixo de rotação a uma certa distância axial um do outro.

[0032] A unidade de usinagem pode ser fechada para proteger o ambiente contra o ruído e poeira, e ela pode incluir um sistema de extração.

[0033] Formas de processamento dos corpos de carbono que não seja a criação de fendas também podem ser realizadas pela presente invenção. Por exemplo, a ferramenta pode ser usada para a calibração de a ou remoção de rebarbas da geometria exterior dos corpos de carbono. Neste caso, a ferramenta pode ser disposta de modo que ela possa se mover em todas as três direções axiais, ou seja, ao longo de um caminho linear, para baixo e lateralmente.

[0034] Além disso, pode ser relevante criar fendas com a forma de encaixe ou rebaixamento com a ferramenta de processamento. A ferramenta então, deve ser deixada girar e mover-se ao redor de um eixo que é inclinado ou de inclinação orientada para o corpo de carbono a ser processado.

[0035] Deve ser compreendido que o processamento do corpo de carbono pode ser limitado pelo torque necessário para a tarefa específica de processamento. No caso de fendas mais finas e, possivelmente, menores serem produzidos, pode ser necessário fazer o processo de formação de fendas em duas ou mais etapas.

Claims

1. Método para processar corpos de carbono calcinados, tais como anodos ou catodos, para uso no âmbito da produção eletrolítica de alumínio, em que os corpos de carbono são processados por meio de uma ferramenta rotativa de processamento (1) montada sobre um fuso acionado, com a ferramenta de processamento (1) compreendendo um disco com arestas de corte (12) em sua periferia externa que são feitas de um material com durabilidade e adequabilidade para o processamento de materiais de carbono calcinados, onde a dita ferramenta de processamento é usada para fazer fenda(s) nos ditos corpos de carbono, caracterizado pelo fato de que, a(s) fenda(s) é(são) processada(s) mais profunda(s) do que 35 cm e mais estreita(s) do que 8 mm, e durante o processamento, o mau alinhamento transversal da ferramenta de processamento (1) é restringido por um elemento guia (10, 110) que é capaz de suportar as forças de reação contra ambos os lados da ferramenta de processamento (1), o elemento guia é disposto perto do setor onde a ferramenta de processamento entra no corpo de carbono, e o processamento é feito de acordo com o princípio de fresagem de sentido sincronizado.

2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as forças reacionais aumentam com o aumento do desalinhamento da ferramenta de processamento (1).

3. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o elemento guia (10) sopra ar pressurizado sobre cada lado da ferramenta de processamento (1) por meio de discos perfurados ou jatos.

4. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o elemento guia (110) alinha a ferramenta de processamento (1) por meio dos rolos (120, 120') dispostos em cada lado da ferramenta de processamento (1).

5. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as arestas de corte (12, 114) se movem a uma velocidade maior do que 100 m/min e menor do que 300 m/min em relação ao corpo de carbono.

6. Arranjo para processar corpos de carbono calcinados, tais como anodos ou catodos, para uso juntamente com a produção eletrolítica do alumínio, pelo qual os corpos de carbono são processados por meio de uma ferramenta rotativa de processamento (1) montada sobre um fuso acionado, com a ferramenta de processamento consistindo em um disco predominantemente circular com arestas de corte (12, 12') montado em sua periferia, onde as ditas arestas de corte são feitas de um material com durabilidade e adequabilidade ao processamento do material de carbono calcinado e ainda disposto para processar fenda(s) nos ditos corpos de carbono, caracterizado pelo fato de que a ferramenta de processamento tem um diâmetro e largura que permite processamento da(s) fenda(s) mais profunda(s) do que 35 cm e mais estreita(s) do que 8 mm; o arranjo compreende ainda um elemento guia (10, 110) que orienta cada lado da ferramenta de processamento (1) contra o desalinhamento transversal, o elemento guia é disposto perto do setor onde a ferramenta de processamento entra no corpo de carbono, e o processamento é feito de acordo com o princípio de fresagem de sentido sincronizado.

7. Arranjo de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que o elemento guia (10) compreende discos perfurados ou jatos que sopram ar pressurizado sobre cada lado da ferramenta de processamento (1).

8. Arranjo de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que o elemento guia (110) compreende rolos (120, 120').

9. Arranjo de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que as arestas de corte da ferramenta de processamento (12, 12') são montadas nos suportes da aresta de corte (7, 7').

10. Arranjo de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que os suportes da aresta de corte (7, 7’) são montados alternadamente em cada lado do disco.

11. Arranjo de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que as arestas de corte (12, 12') são feitas de diamante policristalino (PCD).

12. Arranjo de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que a superfície de corte das arestas de corte está a um ângulo na ordem de 5 a 15° em relação ao raio da ferramenta de processamento.

13. Arranjo de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que duas ou mais ferramentas de processamento são montadas axialmente deslocadas no mesmo eixo para a criação simultânea de duas ou mais fendas.