BR112020009476B1 - Método para aquecer uma peça de trabalho metálica em um processo de fabricação de metais, e, mistura de gás combustível para um processo de fabricação de metais com oxicombustível - Google Patents

Abstract

A presente invenção se refere ao fornecimento de composições de gases combustíveis para uso na fabricação de metais compreendendo gases combustíveis que compreendem um gás combustível de base misturado com cerca de 1% a menos que 30% de hidrogênio.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A presente revelação se refere, em geral, ao campo de misturas de gás combustível. Mais especificamente, a presente revelação se refere a misturas de gás combustível contendo um gás combustível de base e hidrogênio e ao seu uso para aplicações de oxicombustível em processos de fabricação de metal.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[002] O corte de gás oxicombustível ("OFC" - oxyfuel gas cutting) é um grupo de processos usados para cortar ou remover metais por meio da reação química exotérmica de oxigênio a alta temperatura com um metal de base. O OFC e suas variações são processos muito importantes usados na fabricação de metais para cortar formatos, cortar retalhos ou remover metal para reparo e manutenção.

[003] O processo de OFC usa um maçarico com uma ponta (bocal). O maçarico e a ponta são usados para misturar o combustível e o oxigênio nas proporções certas a fim de produzir a chama de preaquecimento e fornecer um fluxo de oxigênio concentrado para reagir com o metal em alta temperatura.

[004] Existem duas grandes etapas para o processo de corte oxicombustível. Na primeira etapa, a chama de preaquecimento é usada para aquecer o metal até sua temperatura de inflamação (ignição). A temperatura de ignição para o aço é a temperatura quando um material que contém ferro será submetido a reações exotérmicas de oxidação para gerar óxidos de ferro e é o principal mecanismo para cortar aços carbono. Quando a temperatura de ignição é alcançada, um fluxo puro de oxigênio é aplicado ao material para iniciar a reação de oxidação e a geração de calor. Esse calor adicionado à chama de preaquecimento sustenta a oxidação contínua do metal durante todo o corte. A energia cinética do fluxo de oxigênio expele os óxidos metálicos e o metal fundido do corte e, movendo a chama ao longo de toda a peça de trabalho com uma velocidade apropriada, produz um corte contínuo. A primeira etapa de aquecimento do material até a temperatura de ignição é chamada de preaquecimento/perfuração, enquanto a segunda etapa do processo é a etapa de corte.

[005] Em adição ao corte, os oxicombustíveis têm sido usados na indústria de fabricação de metal por soldagem, aquecimento por chama, solda e brasagem de peças de metal e peças de trabalho.

[006] Na soldagem a oxicombustível, um maçarico de solda é usado para aquecer e fundir o metal de base com ou sem a adição de um metal de enchimento. O material fundido a partir das superfícies de metal e o metal de enchimento, se usado, se entremisturam em uma poça de fusão comum e se unem mediante resfriamento.

[007] No aquecimento por chama oxicombustível, um maçarico de aquecimento é usado para o preaquecimento, ou aquecimento posterior do metal de base, seja em sua totalidade ou apenas na região que circunda a junta, até uma temperatura específica desejada, chamada de temperatura de preaquecimento, antes da soldagem ou após o aquecimento se depois da soldagem.

[008] Em brasagem ou solda a oxicombustível, um maçarico é usado para aquecer o metal de base e o metal de enchimento para uma temperatura que funde o metal de enchimento sem fundir o metal de base. O metal de enchimento se distribui entre as superfícies da articulação estreitamente ajustadas por ação capilar que une o material. A principal diferença entre brasagem e solda é a temperatura líquida do metal de enchimento, sendo que a brasagem tem uma temperatura mais alta.

[009] Embora corte, soldagem, aquecimento por chama, solda e brasagem sejam processos distintos, a descrição da presente invenção se concentrará no gás combustível usado em um processo de corte de metal com o entendimento de que as misturas de gases combustíveis da invenção podem ser usadas em qualquer processo de aquecimento para fabricação de metal e não se limitam a processos de corte.

[0010] Embora nos processos de fabricação de metal acima mencionados seja preferencial o uso de oxigênio puro (pureza igual ou superior a 95%), em alguns casos as fontes de gás com quantidades menores de oxigênio, como o ar ou ar comprimido (porcentagem de cerca de 21% de oxigênio) têm sido usadas para processos de soldagem, aquecimento por chama, soldagem e brasagem. Consequentemente, entende-se que as misturas de gases combustíveis da invenção podem ser misturadas com qualquer fonte de oxigênio para gerar a chama e não se limitam a serem queimadas apenas com oxigênio puro.

[0011] Uma ampla variedade de gases combustíveis é usada para aplicações de oxicombustível. É bem conhecido que o acetileno (C2H2) é o gás combustível mais amplamente utilizado para aplicações de oxicombustível devido à sua alta intensidade de combustão, alta temperatura da chama e baixo consumo de oxigênio (devido a uma baixa razão entre oxigênio e combustível). No entanto, a temperaturas acima de 1.435 °F (780 °C) ou sob pressões acima de 30 psig (207 kPa), o acetileno é instável e pode ocorrer decomposição explosiva, fazendo com que seja difícil o manuseio do acetileno em muitas situações industriais comuns e mais arriscado o uso do mesmo. Adicionalmente, o método mais comum para gerar acetileno usa carbureto de cálcio (CaC2) e água, que é uma reação de difícil controle que gera quantidades significativas de um subproduto com resíduos sólidos.

[0012] Embora o acetileno tenha um excelente desempenho na maioria das aplicações de corte de metal, tipicamente ele é também o gás combustível mais dispendioso para muitas aplicações ou para o uso em regiões menos desenvolvidas do mundo. Uma alternativa para o acetileno é o gás liquefeito de petróleo (por exemplo, GLP, que é uma mistura de propano (C3H8), butano (C4H10) e outros hidrocarbonetos) ou propano puro.

[0013] Tanto o GPL como o propano são líquidos sob pressão modesta (abaixo de 200 psi) e são fáceis de usar e fornecer. Embora esses gases sejam menos dispendiosos que o acetileno e mais fáceis de manusear, o desempenho desses gases em relação ao tempo de preaquecimento é muito insatisfatório quando em comparação com o acetileno, e a razão entre oxigênio e combustível é muito mais alta, aumentando os custos operacionais.

[0014] O gás natural, consistindo principalmente em metano, também é comumente usado como um gás combustível, uma vez que ele está prontamente disponível através de uma extensa rede de gasodutos em muitos países e tem atualmente um preço baixo. Entretanto, o desempenho de preaquecimento do gás natural também é inferior ao acetileno.

[0015] O hidrogênio puro, embora possa ser usado como um gás combustível, não é tipicamente usado para aplicações de oxicombustível devido a um poder calorífico muito baixo e uma temperatura de chama relativamente baixa quando comparado com os outros gases combustíveis acima mencionados.

[0016] Historicamente, os indivíduos que querem cortar materiais usando o processo oxicombustível tipicamente selecionam o gás combustível com base na temperatura da chama, no poder calorífico total e/ou na porcentagem do poder calorífico liberado na chama primária. No entanto, os resultados de experimentos de preaquecimento não demonstram que os fatores acima mencionados (isto é, temperatura da chama e poder calorífico) em si fornecem uma base suficiente ou dispositiva para uma comparação técnica conclusiva entre diferentes gases combustíveis e sua eficácia quando usados como um gás combustível.

[0017] Quando hidrogênio foi adicionado aos vários gases combustíveis, foram observadas melhorias inesperadas em diversas áreas, incluindo o tempo de preaquecimento/perfuração e desempenho de corte. Dois fatores importantes que podem afetar a eficiência da transferência de calor e a eficácia de um gás combustível em um processo de corte por oxicombustível são o valor de aquecimento do gás combustível e a velocidade da chama do oxicombustível gerada a partir do processo de combustão. Sabe- se que embora o hidrogênio tenha um baixo valor de aquecimento em comparação com outros gases oxicombustíveis comuns, ele tem uma alta velocidade de combustão quando comparado com gases combustíveis como acetileno, propano ou metano. Com base nos resultados, os benefícios de pequenas adições de hidrogênio para aumentar a velocidade da chama e melhorar a eficiência da transferência de calor da chama superam o valor de aquecimento inferior do hidrogênio quando usado como um gás oxicombustível.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[0018] A presente invenção se refere genericamente ao uso de hidrogênio com gases combustíveis de base de custo inferior para criar uma alternativa ou uma melhoria ao acetileno (ou outros gases combustíveis de alto custo) para processos de aquecimento de metais e particularmente para processos de aquecimento de oxicombustível como corte, soldagem, aquecimento por chama, solda e brasagem. A mistura de gás combustível tem um desempenho substancialmente equivalente ao acetileno, ou fica dentro das normas de desempenho aceitáveis, mas sem as muitas desvantagens de custo ou processamento do acetileno e dos gases combustíveis mais caros.

[0019] Surpreendentemente, as misturas de gases combustíveis compreendem um gás combustível de base com gás hidrogênio em quantidades menores que 30%, em outra modalidade, de 1 a 29 %, e em outra modalidade, de 5 a 28%; fornecem boas características de aquecimento quando usadas em processos de aquecimento para a fabricação de metal.

[0020] Um aspecto da presente revelação se refere a um método para melhorar o desempenho de um gás combustível mediante o aumento da eficiência de transferência de calor e das velocidades pela adição de hidrogênio em uma quantidade na faixa de cerca de 1% a menos que 30% em volume. A mistura de gás combustível contendo hidrogênio é, de preferência, usada com oxigênio em aplicações de combustível e pode ser fornecida ao maçarico de aquecimento em uma quantidade para estabelecer uma razão entre gás combustível e oxigênio acima de 1: 1 para alcançar as características de aquecimento de metal adequadas.

[0021] Um outro aspecto da presente revelação se refere a um método para cortar uma peça de trabalho metálica que compreende fornecer uma mistura de gás combustível a um maçarico de corte, com o maçarico de corte compreendendo uma ponta de corte, e com a mistura de gás combustível compreendendo um gás combustível de base em uma quantidade em uma faixa maior que cerca de 70% a 99% em volume e hidrogênio em uma quantidade na faixa de cerca de 1% a menos que 30% em volume. A mistura de gás combustível e um primeiro oxigênio (oxigênio da chama) são combinados e inflamados para formar uma chama que sai da ponta de corte do maçarico de corte. A chama é fornecida a um local predeterminado sobre a peça de trabalho metálica para preaquecer a peça de trabalho metálica até uma temperatura de ignição para formar uma peça de trabalho metálica preaquecida, seguido de aplicação de uma segunda fonte de oxigênio (oxigênio de corte) à ponta de corte para perfurar a peça de trabalho metálica preaquecida. Em geral, o oxigênio de corte ou segundo fluxo de oxigênio é usado apenas para propósitos de corte de metal.

[0022] Em outra modalidade, a mistura de gás combustível é liberada a partir de um único recipiente pressurizado pré-misturado.

[0023] Em um aspecto adicional, as misturas de gases combustíveis contendo hidrogênio são fornecidas de modo que o gás combustível de base e o hidrogênio sejam fornecidos ao maçarico de corte a partir de uma fonte separada antes do uso.

[0024] Em outra modalidade, a presente revelação se refere a um método de aquecimento de uma peça de trabalho metálica durante processos de fabricação de metal como corte, soldagem, aquecimento por chama, solda e brasagem com o uso de uma mistura de gás combustível que compreende hidrocarboneto C1 a C8, hidrocarboneto oxigenado ou misturas deles em uma quantidade em uma faixa maior que 70% a cerca de 99% em volume e hidrogênio em uma quantidade na faixa de cerca de 1% a menos que 30% em volume. Para aplicações de aquecimento oxicombustível, uma quantidade predeterminada de oxigênio é fornecida ao maçarico de aquecimento em uma quantidade necessária para estabelecer uma razão entre oxigênio e gás combustível acima de 1:1 para obter uma temperatura de aquecimento ou preaquecimento adequada. O oxigênio é tipicamente fornecido à mistura de gás combustível e misturado para formar uma mistura de gases inflamável que é inflamada para formar uma chama.

[0025] Em outra modalidade, a invenção se refere a uma mistura de gás combustível para uso em um processo de aquecimento de metal, com o gás combustível compreendendo um gás combustível de base selecionado a partir de hidrocarboneto C1 a C8, hidrocarbonetos oxigenados e misturas deles em uma quantidade em uma faixa maior que 70% a cerca de 99% em volume de hidrogênio em uma quantidade na faixa de cerca de 1% a menos que 30% em volume e sendo que quando o oxigênio é misturado com a mistura de gás combustível para formar um oxigênio: a mistura de gás combustível em uma razão acima de 1:1.

[0026] Em um outro aspecto, a mistura de gás combustível é substancialmente dispensada uniformemente a partir do recipiente em pressões na faixa de cerca de 1 bar a cerca de 800 bar.

[0027] Um outro aspecto da presente revelação se refere a um recipiente de gás combustível que compreende uma mistura de gás combustível que compreende um gás combustível de base em uma quantidade em uma faixa maior que cerca de 70% a cerca de 99% em volume e hidrogênio na faixa de cerca de 1% a menos que 30% em volume.

[0028] As características, funções e vantagens que foram discutidas podem ser alcançadas independentemente em vários aspectos ou podem ser combinadas em ainda outros aspectos, cujos detalhes adicionais podem ser vistos com referência à descrição a seguir e os desenhos.

DESCRIÇÃO DETALHADA DAS FIGURAS

[0029] A Figura 1 é uma representação gráfica do tempo de preaquecimento para vários gases combustíveis e misturas de gases combustíveis de interesse.

[0030] A Figura 2 é uma representação gráfica do consumo de combustível e oxigênio da chama durante testes de preaquecimento para vários gases combustíveis e misturas de gases combustíveis de interesse.

[0031] A Figura 3 mostra os resultados do tempo de preaquecimento para misturas de metano + hidrogênio.

[0032] A Figura 4 mostra o consumo de combustível e oxigênio da chama durante os testes de preaquecimento para misturas de metano + hidrogênio

[0033] A Figura 5 mostra os resultados do tempo de preaquecimento para misturas de propano + hidrogênio.

[0034] A Figura 6 mostra o consumo de combustível e oxigênio da chama durante os testes de preaquecimento para misturas de propano + hidrogênio

[0035] A Figura 7 mostra os resultados do tempo de preaquecimento para misturas de etano + hidrogênio.

[0036] A Figura 8 mostra o consumo de combustível e oxigênio da chama durante os testes de preaquecimento para misturas de etano + hidrogênio

[0037] A Figura 9 mostra os resultados do tempo de preaquecimento para misturas de éter dimetílico + hidrogênio.

[0038] A Figura 10 mostra o consumo de combustível e oxigênio da chama durante os testes de preaquecimento para misturas de éter dimetílico + hidrogênio

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[0039] A presente invenção se refere a misturas de gases combustíveis de custo mais baixo como alternativas para o acetileno e outros gases combustíveis de alto custo e é usada em processos de aquecimento de metal. Essas misturas de gases combustíveis inovadoras são particularmente úteis em processos de aquecimento de oxicombustível, como processos de corte de metal, soldagem, aquecimento por chama, solda e brasagem. Sem a intenção de limitar a aplicação de uso e apenas por conveniência, as misturas de gases combustíveis da invenção serão descritas de forma intercambiável na presente invenção como "misturas de gases combustíveis" ou "misturas de gases de corte oxicombustível" com o entendimento de que o oxigênio é adicionado separadamente ao gás combustível para obter ignição e aquecimento e que os gases combustíveis podem ser usados em vários processos de aquecimento de metal. As misturas de gases combustíveis presentes são, de preferência, usadas em processos de corte, soldagem, aquecimento por chama, solda e brasagem e, com a máxima preferência, em processos de corte.

[0040] O hidrogênio tem sido convencionalmente considerado como tendo características de aquecimento indesejáveis em comparação com o acetileno e outros gases combustíveis comumente usados. No entanto, descobriu-se recentemente que quando misturado com certos gases de hidrocarboneto, hidrocarbonetos oxigenados ou misturas deles, o hidrogênio, em quantidades de cerca de 1% a menos que 30%, em outra modalidade, de cerca de 1 a 29%, em ainda outra modalidade, de cerca de 5 a 27%, e em ainda outra modalidade, de cerca de 10 a 25%; pode fornecer misturas de gases combustíveis com características de aquecimento satisfatórias para aplicações de aquecimento para a fabricação de metal. O gás combustível de base está tipicamente presente ao menos em quantidades maiores que 70% em volume em outra modalidade, de cerca de 70 a 99% em volume.

[0041] Para uso na presente invenção, o gás combustível de base é qualquer hidrocarboneto, hidrocarboneto oxigenado ou misturas deles que podem, quando combinados com hidrogênio, ser adequadamente utilizados como uma mistura de gás combustível para cortar peças de trabalho metálicas.

[0042] A invenção explora as misturas de gases combustíveis de custo mais baixo que antes se pensava serem indesejáveis para uso como um gás combustível para processos de aquecimento de oxicombustível e particularmente em processos de corte, solda, aquecimento por chama, solda e brasagem devido aos tempos de preaquecimento comparativamente longos. O gás hidrogênio também tem características de aquecimento indesejáveis em comparação com o acetileno e outros gases combustíveis comum. No entanto, descobriu-se recentemente que, quando misturado com um gás combustível de base, o hidrogênio, em quantidades de cerca de 1% a menos de 30%, em outra modalidade, de 1% a menos de 29%, e em outra modalidade, de cerca de 10 a 25% ou menos, fornece misturas de gases combustíveis com características de aquecimento satisfatórias para aplicações de aquecimento para a fabricação de metal.

[0043] Os gases combustíveis de base adequados incluem, mas não se limitam a, hidrocarbonetos C1 a C8, hidrocarbonetos oxigenados e misturas deles. Os hidrocarbonetos incluem alcanos C1 a C8, incluindo, mas não se limitando a, metano, etano, propano e butano; alcenos C2 a C8 incluindo, mas não se limitando a, etileno, propileno e butileno; e alquinos C2 a C8 incluindo, mas não se limitando a, acetileno/etino, propino e butino; e misturas deles (como os gases MAPP), gás natural e similares. Os hidrocarbonetos podem ser gases substancialmente puros, misturas de gases de hidrocarboneto e podem incluir pequenas quantidades de componentes ou impurezas substancialmente inertes, mas conterão mais de 50% em volume de um ou mais dentre os gases combustíveis de base.

[0044] Os combustíveis de hidrocarboneto C1 a C8 que contêm oxigênio também são adequados para uso como os gases combustíveis de base. Exemplos de tais gases combustíveis de base incluem, mas não se limitam a, éteres como éter dimetílico, álcoois como metanol, etanol, propanol, cetonas, aldeídos e misturas deles. Em uma modalidade, esses gases combustíveis estarão em um estado gasoso em temperaturas ambientes ou líquidos com pressões de vapor suficientemente altas para tornar seu uso como um gás combustível viável. Os hidrocarbonetos oxigenados podem ser substancialmente puros nas misturas e podem incluir pequenas quantidades de componentes substancialmente inertes, mas conterão mais de 50% em volume de um ou mais dentre os gases combustíveis de base.

[0045] De acordo com a presente invenção, são fornecidas misturas de gases combustíveis contendo hidrogênio, que compreendem pequenas quantidades de hidrogênio na faixa de cerca de 1% a menos que 30% em volume. Descobriu-se que a adição de hidrogênio melhorou a eficiência de transferência de calor do gás combustível à base de hidrocarboneto. Foi adicionalmente descoberto que as concentrações de hidrogênio acima de 30% reduzirão o poder calorífico da mistura de gás combustível de modo que se torna importante combinar hidrogênio em concentrações que não reduzam substancialmente os poderes caloríficos do gás combustível à base de hidrocarboneto empregado. O etano é a exceção, com taxas de adição de até 50% de hidrogênio sendo consideradas eficazes. O uso de hidrogênio permite o uso efetivo de gases combustíveis de base conhecidos que não tenham sido anteriormente considerados úteis em aplicações de corte, soldagem, aquecimento por chama, solda e brasagem. O uso seletivo de hidrogênio proporciona o uso de gases de hidrocarboneto de custo mais baixo e desempenho inferior em comparação com o custo e desempenho do acetileno.

[0046] Dessa forma, o desempenho de gases combustíveis de base conhecidos pode ser melhorado até um nível satisfatório quando usados em aquecimento de metal e, particularmente, em processos de corte oxicombustível de metal.

[0047] Em uma modalidade, a invenção compreende misturas de gases de corte oxicombustível que compreendem mais que 70% até 99% de gás natural e quantidades de hidrogênio (com uma pureza tipicamente superior a 99%) na faixa de cerca de 1% a menos que 30% em volume. Em uma outra modalidade, as misturas de gases de corte oxicombustível compreendem de cerca de 2% a 29% em volume de hidrogênio e de cerca de 71% a cerca de 98% em volume de gás natural. Em uma outra modalidade, as misturas de gases de corte oxicombustível compreendem de cerca de 3% a cerca de 25% em volume de hidrogênio e de cerca de 75% a cerca de 97% em volume de gás natural. Em uma outra modalidade, as misturas de gases de corte oxicombustível compreendem de cerca de 5% a cerca de 15% em volume de hidrogênio e de cerca de 85% a cerca de 95% em volume de gás natural. O componente do gás natural compreende tipicamente metano em quantidades de pelo menos 85% em volume e até 100% de metano, mas o gás natural tipicamente inclui outros hidrocarbonetos de ocorrência normal, além de pequenas quantidades de nitrogênio, dióxido de carbono, monóxido de carbono e compostos contendo enxofre. Tipicamente, o gás natural contém cerca de 85% a cerca de 95% de metano e, de preferência, terá pelo menos 90% em volume de metano. A essas concentrações, quantidades variadas de metano no gás natural não têm nenhum efeito significativo sobre as características de aquecimento das misturas de gases combustíveis. Os termos "metano" e "gás natural" são, portanto, usados aqui de forma intercambiável.

[0048] Em outra modalidade, a invenção compreende misturas de gases de corte oxicombustível que compreendem mais que 70% e até 99% de etano e quantidades de hidrogênio (com uma pureza tipicamente superior a 99%) na faixa de cerca de 1% a menos que 30% em volume. Em uma outra modalidade, as misturas de gases de corte oxicombustível compreendem de 70,1 a 99% de etano como um gás combustível de base e de cerca de 1 a 29,9% de hidrogênio; em uma outra modalidade, compreendem de cerca de 2% a cerca de 25% em volume de hidrogênio e de cerca de 75% a cerca de 98% em volume de etano. Em uma outra modalidade, as misturas de gases de corte oxicombustível compreendem de cerca de 3% a cerca de 15% em volume de hidrogênio e de cerca de 85% a cerca de 97% em volume de etano. Em uma outra modalidade, as misturas de gases de corte oxicombustível compreendem cerca de 5 a cerca de 10% em volume de hidrogênio e de cerca de 90 a 95% em volume de etano.

[0049] Foi constatado também que com etano, percebeu-se benefícios com taxas de adição de hidrogênio de até 50% em volume. Benefícios similares com outros gases combustíveis não foram observados a taxas de adição de hidrogênio acima de 30%.

[0050] Em outra modalidade, a invenção compreende misturas de gases de corte oxicombustível que compreendem mais que 70% e até 99% de propano e de cerca de 1% a menos que 30% em volume de hidrogênio. Em uma outra modalidade, as misturas de gases de corte oxicombustível compreendem de cerca de 5% a 29% em volume de hidrogênio e de cerca de 71% a cerca de 95% em volume de propano. Em uma outra modalidade, as misturas de gases de corte oxicombustível compreendem de cerca de 15% a cerca de 25% em volume de hidrogênio e de cerca de 75% a cerca de 85% em volume de propano. Em uma outra modalidade, as misturas de gases de corte oxicombustível compreendem cerca de 25% em volume de hidrogênio e cerca de 75% em volume de propano.

[0051] Em outra modalidade, a invenção compreende misturas de gases de corte oxicombustível de cerca de 88% a cerca de 99% de éter dimetílico e de cerca de 1% a 12% em volume de hidrogênio. Em uma outra modalidade, as misturas de gases de corte oxicombustível compreendem de cerca de 5% a cerca de 12% em volume de hidrogênio e de cerca de 88% a cerca de 95% em volume de éter dimetílico. Em uma outra modalidade, as misturas de gases de corte oxicombustível compreendem cerca de 10% em volume de hidrogênio e cerca de 90% em volume de éter dimetílico.

[0052] Além disso, as misturas de gases combustíveis contendo hidrogênio aqui reveladas podem fornecer aquecimento ou preaquecimento adequado e muitas vezes reduzem o consumo de oxigênio e os custos operacionais quando usadas em processos de corte de metal e corte oxicombustível de metal. O uso de hidrogênio nas quantidades especificadas pela invenção pode também proporcionar gases combustíveis que são mais ambientalmente amigáveis e mais seguros durante o armazenamento, o transporte e a utilização do que alguns dos gases oxicombustíveis tradicionais, como o acetileno.

[0053] As misturas de gases de corte oxicombustível aqui reveladas minimizam o tempo de preaquecimento, minimizam o consumo do gás combustível de preaquecimento e minimizam os custos operacionais em processos de corte oxicombustível, enquanto são ambientalmente amigáveis e seguras durante o armazenamento, o transporte e a utilização em processos de aquecimento de oxicombustível. As misturas de gases combustíveis da invenção podem ser fornecidas em recipientes pressurizados recarregáveis (por exemplo, cilindro, tanques, etc.), ou os componentes individuais da mistura de gás combustível podem ser fornecidos a partir de fontes separadas e misturados no ponto de uso utilizando-se equipamentos de misturação que permitem a geração da mistura de gases a partir de componentes gasosos separados. Normalmente em aplicações de aquecimento de oxicombustível, o oxigênio será misturado na ferramenta antes da ignição conforme conhecido na indústria. Os termos "processo de corte oxicombustível", como usado aqui, incluem um ou ambos dentre o estágio de preaquecimento/perfuração e o subsequente estágio de corte.

[0054] Em uma modalidade, essas misturas de gases combustíveis à base de hidrogênio/hidrocarboneto são usadas em aplicações oxicombustíveis, por exemplo, aplicações de corte de metal, soldagem, aquecimento por chama, solda e brasagem. Estas aplicações são os processos de aquecimento mais exigentes na fabricação de metais e o desempenho satisfatório nessas aplicações fornecerá misturas de gases combustíveis que são adequadas para a maioria dos outros processos de aquecimento de metal.

[0055] Foi descoberto recentemente que os gases de corte oxicombustível compreendendo quantidades de misturas de gases combustíveis de base e hidrogênio fornecem um desempenho superior inesperado como um potencial substituto para o acetileno nos processos de aquecimento na fabricação de metais, como processos de corte, soldagem, aquecimento por chama, solda e brasagem. Dois fatores importantes que afetam a eficiência da transferência de calor e a eficácia de um gás oxicombustível em processos de fabricação de metal de interesse são o valor de aquecimento do gás combustível e a velocidade da chama de oxicombustível gerada a partir do processo de combustão. O valor de aquecimento do gás é representado por um número de variáveis específicas de uma mistura oxicombustível, como temperatura da chama e o poder calorífico. A temperatura da chama é a temperatura que resulta de um processo de combustão completo que ocorre sem qualquer trabalho, transferência de calor ou alterações na cinética ou energia potencial. O poder calorífico de um hidrocarboneto é a soma do calor da chama primária e secundária. O calor da chama primária é gerado na zona interna da chama (cone interno), onde o gás combustível mais o oxigênio fornecido pelo maçarico reagem e formam monóxido de carbono e hidrogênio. A calor da chama secundária é gerado no envelope externo da chama, onde o monóxido de carbono e hidrogênio queimam com o oxigênio restante do maçarico mais o monóxido de carbono e o hidrogênio queimam com o oxigênio do ar circundante e forma dióxido de carbono e vapor d'água.

[0056] A velocidade da chama é a velocidade com a qual uma parte frontal da chama se desloca através do gás não queimado adjacente. Ela influencia o tamanho e a temperatura da chama primária. A velocidade de combustão também afeta a velocidade na qual os gases podem fluir a partir da ponta do maçarico sem causar separação ou explosão da chama. Sabe-se que embora o hidrogênio tenha um baixo valor de aquecimento em comparação com outros gases oxicombustíveis comuns, ele tem uma alta velocidade de combustão da chama (11,5 m/s) quando comparado com outros gases, como acetileno (6,9 m/s), propano (3,8 m/s) ou metano. Adicionalmente, conforme aqui revelado, o hidrogênio misturado com gases combustíveis de base nas razões desejadas produz uma mistura de gases que tem uma maior eficiência de transferência de calor. Com base nos resultados aqui apresentados, parece que os benefícios de pequenas adições de hidrogênio para aumentar a velocidade da chama e melhorar a eficiência da transferência de calor da chama superam o valor de aquecimento inferior do hidrogênio quando usado como um gás oxicombustível.

[0057] Os processos de aquecimento de metais usados na fabricação de metais incluem processos de corte, soldagem, aquecimento por chama, solda e brasagem e podem incluir aplicações de formatação e flexão de metais. Esses processos são bem conhecidos. As presentes misturas de gases combustíveis podem ser empregadas nesses processos no lugar de gases combustíveis convencionais e mais caros, como acetileno, MAPP e similares, conforme será compreendido pelo versado na técnica. Quando usado em processos de aquecimento por oxicombustível, o oxigênio fornecido ao processo deve ser pelo menos 95% puro, e em uma outra modalidade, pelo menos 99,5% puro. No processo de corte, o oxigênio é usado para se obter a ignição a fim de produzir a chama para preaquecimento (oxigênio da chama) e usado novamente ou intensificado nos processos de corte (oxigênio de corte).

[0058] Conforme mencionado acima, as misturas de gases combustíveis da invenção podem ser fornecidas a esses processos em recipientes reabastecíveis pré-misturados, sendo tais recipientes geralmente conhecidos na indústria de fabricação de metais e incluindo recipientes ou cilindros de grandes volumes. Os cilindros são tipicamente pressurizados e geralmente contêm um ou mais componentes mecânicos, incluindo válvulas, como válvulas de verificação ou válvulas antirretorno e/ou reguladores. Os recipientes têm meios de fornecimento de gás, como mangueiras de gás, ou outros sistemas de fornecimento para liberar as misturas de gases combustíveis para o maçarico ou ferramenta automatizada. O oxigênio, quando empregado, é fornecido separadamente através de outro recipiente com componentes similares e normalmente sob pressão. No caso de pequenos recipientes, como cilindros, a mistura de gases pode ser fornecida em um único recipiente pré-misturado para ser substancialmente uniformemente dispensada a partir do recipiente sob uma pressão na faixa de cerca de 1 bar a cerca de 800 bar substancialmente a temperaturas ambientes. A mistura de gás combustível também pode ser fornecida a partir de recipientes separados, normalmente sob pressão, e misturada nas concentrações adequadas diretamente na ferramenta ou no conjunto de maçarico antes do uso utilizando sistemas de misturação de gases convencionais.

[0059] Os processos de aquecimento de metal podem empregar qualquer maçarico conforme genericamente conhecido na indústria, como maçaricos de soldagem ou corte. Por exemplo, o maçarico de solda pode ter um ou dois condutos se estendendo até o bocal e botões de válvula no fundo da empunhadura para permitir que o operador ajuste o fluxo de cada um dentre o oxigênio e a mistura de gás combustível, mas sem um mecanismo ou gatilho de explosão de oxigênio. O maçarico de corte é similar a um maçarico de solda, mas terá um gatilho ou uma alavanca de explosão de oxigênio. Outros maçaricos conhecidos na indústria incluem um maçarico de múltiplos orifícios (tipo "rosebud") e um maçarico injetor, e a maioria dos maçaricos podem ser ajustados para aplicações de aquecimento, solda e brasagem.

[0060] O experimento a seguir foi conduzido de acordo com e em conjunto com um aparelho de teste instrumentado. Um maçarico para máquinas Koike modelo 500 L [disponível junto à Koike Aronson, localizada à 635 West Main St. Arcade, Nova Iorque, NY, EUA, 14009] foi usado com um modelo #2 de ponta de corte Koike (3/4"). O aparelho incluía um maçarico para máquinas Koike modelo 500 L com um dispositivo de ignição, um acessório para segurar a peça de trabalho metálica, medidores de fluxo de massa e um sistema de captura de dados (SCD) usado para conduzir os testes de preaquecimento e determinar a reprodutibilidade. O SCD foi usado em conjunto com o software para controlar a ignição da chama, do gás combustível e do oxigênio fornecido ao maçarico. O SCD permitiu a entrada de um tempo de preaquecimento pré-selecionado em segundos (s). Uma vez que o sistema foi montado, uma faísca de ignição foi ativada e o combustível de chama e solenoides de oxigênio foram ativados para abrir as válvulas liberando gases combustíveis de chama e oxigênio de chama para iniciar a chama de preaquecimento. Um solenoide para oxigênio de perfuração foi aberto depois de os tempos de preaquecimento pré-selecionados serem atingidos para fornecer oxigênio de perfuração/corte. Pequenas peças de trabalho metálicas conhecidas como cupons foram colocadas no acessório. Os cupons foram, cada um, produzidos a partir de aço carbono.

[0061] O aparelho de teste foi montado sobre uma mesa de corte mecanizada. Antes do teste de preaquecimento com diferentes gases combustíveis e misturas de gases combustíveis, foram conduzidos testes de preaquecimento para validar estatisticamente o aparelho experimental e a metodologia do teste. Todas as análises estatísticas foram realizadas com o uso do software Minitab® 17. Um teste foi adicionalmente conduzido para definir o número de replicações e as repetições necessárias para cada conjunto de parâmetros (por exemplo, gás combustível, pressão, fluxo, separador, etc.) para a repetitividade desejada. Foi determinado que para um nível de confiança de 95%, seis (6) repetições sem nenhuma replicação eram desejadas (isto é, 6 preaquecimentos/perfurações consecutivos).

[0062] Para cada gás combustível avaliado, os parâmetros de chama foram ajustados para se obter uma chama neutra (por observação visual da chama). O tempo de preaquecimento determinado por meio de experiência foi o tempo necessário para se obter perfurações 6 vezes consecutivas. Para cada gás combustível avaliado, os seguintes parâmetros foram observados e mantidos constantes: Espessura do material de base = %" Separação do maçarico = ponta da chama tocando o cupom Posição do maçarico para perfuração = centro Tamanho do cupom do teste = 5"x 5" x 3/4" Temperatura do cupom de teste: temperatura ambiente (70°F a 90°F) Acabamento de superfícies do cupom de teste = escala de moinho, sem poeira Tempo de pré-fluxo dos gases = 5 segundos e tempo de oxigênio de corte: 3 s.

Exemplo 1 - Gases combustíveis puros e suas misturas com hidrogênio

[0063] Foram conduzidos testes de preaquecimento com o uso de metal de base de aço carbono ASTM A36 para comparar o desempenho do preaquecimento e o consumo de oxigênio da chama das misturas de gases compreendendo um combustível de base com a adição de hidrogênio em comparação com acetileno, etano, éter dimetílico, propano, hidrogênio e metano. Como pode ser visto na Tabela 1, o tempo de preaquecimento (em segundos, "s") para o acetileno foi de 12,7 s; para o propano foi de 30,0 s; e para o metano foi de 34,9 s. No entanto, surpreendentemente, o tempo de aquecimento para uma mistura de 7,5% de H2/92,5% de metano foi de 9,1 s, e para uma mistura de 25% de H2/75% de propano, 14,7 s.

[0064] De acordo com um aspecto da presente revelação, uma representação gráfica do tempo de perfuração para vários gases combustíveis e misturas de gases combustíveis de interesse é apresentada como a Figura 1. Conforme mostrado na Figura 1, o desempenho da chama de 100% de hidrogênio (H2) cai para níveis considerados inaceitáveis para uso como um gás de corte oxicombustível. Ela mostra também que a adição de 7,5% de hidrogênio (H2) em metano, 25% de hidrogênio (H2) em propano, 10% de hidrogênio (H2) em éter dimetílico e 25% de hidrogênio (H2) em etano aumenta a eficiência de transferência de calor e reduz o tempo de preaquecimento para valores abaixo do valor para metano, propano, éter dimetílico e etano, respectivamente.

[0065] De acordo com um aspecto da presente revelação, uma representação gráfica do consumo de oxigênio da chama para vários gases combustíveis e misturas de gases combustíveis de interesse é apresentada como a Figura 2. Conforme mostrado na Figura 2 e na Tabela 1, o consumo de oxigênio da chama para preaquecer os %" de espessura da placa de aço carbono foi de 0,0109 m3 para o metano, 0,0106 m3 para o propano, 0,0061 m3 para o etano e 0,0058 m3 para o éter dimetílico. No entanto, pela adição de 7,5% de hidrogênio ao metano, 25% de hidrogênio ao propano, 25% de hidrogênio ao etano e 40% de hidrogênio ao éter dimetílico, o consumo de oxigênio da chama real para se alcançar o preaquecimento foi substancialmente reduzido para valores de 0,0032 m3 para 7,5% de H2/92,5% de metano, 0,0047 m3 para 25% de H2/75% de propano, 0,0027 m3 para 25% de H2/75% de etano e 0,0046 m3 para 10% de H2/90% de éter dimetílico.

Exemplo 2 - Gás natural/metano (CH4) e suas misturas

[0066] Foram conduzidos testes de preaquecimento com o uso de metal de base de aço carbono ASTM A36 para comparar o desempenho do preaquecimento e o consumo de oxigênio da chama das misturas de gases compreendendo metano com diferentes quantidades de hidrogênio. O desempenho do tempo de preaquecimento e as vazões e o consumo do combustível e do oxigênio da chama podem ser vistos na Tabela 2.

[0067] De acordo com a presente revelação, uma representação gráfica da melhoria do tempo de perfuração através do aumento no hidrogênio (H2) usado nas misturas de H2/CH4 de interesse é apresentada como a Figura 3. Conforme mostrado na Figura 3, como a quantidade de hidrogênio na mistura aumenta até 75%, o tempo de preaquecimento diminui abaixo daquele observado para 100% na amostra de metano. A adição de 1% a 17,5% de hidrogênio em metano pode reduzir o tempo de preaquecimento na faixa de 21% a 74%, confirmando a eficiência superior da transferência de calor quando o hidrogênio é misturado com um hidrocarboneto C1. O melhor desempenho foi alcançado quando 5% a 10% de hidrogênio foram adicionados à mistura.

[0068] Como mostram os dados, quantidades de até 75% em volume de hidrogênio misturadas com metano fornecem um gás combustível que exibe boas características de aquecimento para processos de fabricação de metais como corte e soldagem. Mas quando a concentração de hidrogênio em uma mistura de gás combustível à base de hidrogênio (H2)/metano (CH4) excede 75 por cento, o desempenho da chama parece cair para níveis considerados não ideais para uso como um gás de corte oxicombustível. Descobriu-se que concentrações de hidrogênio tão baixas quanto cerca de 1% otimizam as características de aquecimento do gás combustível.

[0069] De acordo com a presente revelação, uma representação gráfica do consumo de combustível e oxigênio da chama para as misturas de H2/metano de interesse é apresentada como a Figura 4. Conforme mostrado na Figura 4 e na Tabela 2, o consumo de oxigênio da chama para preaquecer os %" de espessura da placa de aço carbono foi de 0,0109 m3 para o metano. Entretanto, pela adição de 1% de hidrogênio a 75% de hidrogênio, o consumo de oxigênio da chama real para alcançar o preaquecimento foi substancialmente reduzido para valores na faixa de 0,0059 m3 a 0,0031 m3.

Exemplo 3 - Propano (C3H8) e suas misturas

[0070] Foram conduzidos testes de preaquecimento com o uso de metal de base de aço carbono ASTM A36 para comparar o desempenho do preaquecimento e o consumo de oxigênio da chama das misturas de gases compreendendo propano com diferentes quantidades de hidrogênio. O desempenho do tempo de preaquecimento e as vazões e o consumo do combustível e do oxigênio da chama podem ser visto na Tabela 3.

[0071] De acordo com a presente revelação, uma representação gráfica da melhoria do tempo de perfuração através do aumento no hidrogênio (H2) usado nas misturas de Th/Propano de interesse é apresentada como a Figura 5. Conforme mostrado na Figura 5, como a quantidade de hidrogênio na mistura aumenta até 35%, o tempo de preaquecimento diminui abaixo daquele observado para 100% na amostra de propano. A adição de 10% a 25% de hidrogênio em propano pode reduzir o tempo de preaquecimento em 44% e 51%, respectivamente, confirmando a eficiência superior da transferência de calor quando o hidrogênio é misturado com um hidrocarboneto C3. O melhor desempenho foi alcançado quando 25% de hidrogênio foram adicionados à mistura.

[0072] De acordo com a presente revelação, uma representação gráfica do consumo de combustível e oxigênio da chama para as misturas de H2/propano de interesse é apresentada como a Figura 6. Conforme mostrado na Figura 6 e na Tabela 3, o consumo de oxigênio da chama para preaquecer os %" de espessura da placa de aço carbono foi de 0,0106 m3 para o propano. Entretanto, pela adição de 10% de hidrogênio a 25% de hidrogênio, o consumo de combustível e oxigênio da chama real para alcançar o preaquecimento foi substancialmente reduzido para valores na faixa de 0,0069 m3 para 10% de H2/90% de propano e 0,0047 m3 para 25% de H2/75% de propano.

Exemplo 4 - Etano (C2H6) e suas misturas

[0073] Foram conduzidos testes de preaquecimento com o uso de metal de base de aço carbono ASTM A36 para comparar o desempenho do preaquecimento e o consumo de oxigênio da chama das misturas de gases compreendendo etano com diferentes quantidades de hidrogênio. O desempenho do tempo de preaquecimento e as vazões e o consumo do combustível e do oxigênio da chama podem ser visto na Tabela 4.

[0074] De acordo com a presente revelação, uma representação gráfica da melhoria do tempo de perfuração através do aumento no hidrogênio (H2) usado nas misturas de H2/etano de interesse é apresentada como a Figura 7. Conforme mostrado na Figura 7, como a quantidade de hidrogênio na mistura aumenta até 50%, o tempo de preaquecimento diminui abaixo daquele observado para 100% na amostra de etano. A adição de 10% a 50% de hidrogênio em etano pode reduzir o tempo de preaquecimento na faixa de 17% a 48%, confirmando a eficiência superior da transferência de calor quando o hidrogênio é misturado com um hidrocarboneto C2. O melhor desempenho foi alcançado quando 25% de hidrogênio foram adicionados à mistura.

[0075] De acordo com a presente revelação, uma representação gráfica do consumo de combustível e oxigênio da chama para as misturas de H2/etano de interesse é apresentada como a Figura 8. Conforme mostrado na Figura 8 e na Tabela 4, o consumo de oxigênio da chama para preaquecer os %" de espessura da placa de aço carbono foi de 0,0061 m3 para o etano. Entretanto, pela adição de 10% de hidrogênio a 50% de hidrogênio, o consumo de oxigênio da chama real para alcançar o preaquecimento foi substancialmente reduzido para valores na faixa de 0,0047 m3 a 0,0027 m3. Exemplo 5 - Éter dimetílico (C6H6O) e suas misturas

[0076] Foram conduzidos testes de preaquecimento com o uso de metal de base de aço carbono ASTM A36 para comparar o desempenho do preaquecimento e o consumo de oxigênio da chama das misturas de gases compreendendo éter dimetílico com diferentes quantidades de hidrogênio. O desempenho do tempo de preaquecimento e as vazões e o consumo do combustível e do oxigênio da chama podem ser visto na Tabela 5.

[0077] De acordo com a presente revelação, uma representação gráfica da melhoria do tempo de perfuração através do aumento no hidrogênio (H2) usado nas misturas de H2/éter dimetílico de interesse é apresentada como a Figura 9. Conforme mostrado na Figura 9, como a quantidade de hidrogênio na mistura aumenta até 10%, o tempo de preaquecimento diminui abaixo daquele observado para 100% na amostra de éter dimetílico. A adição de 10% de hidrogênio em éter dimetílico pode reduzir o tempo de preaquecimento em 11%, confirmando a eficiência superior da transferência de calor quando o hidrogênio é misturado com um hidrocarboneto oxigenado C2.

[0078] De acordo com a presente revelação, uma representação gráfica do consumo de combustível e oxigênio da chama para as misturas de H2/éter dimetílico de interesse é apresentada como a Figura 10. Conforme mostrado na Figura 10 e na Tabela 5, o consumo de oxigênio da chama para preaquecer os %" de espessura da placa de aço carbono foi de 0,0058 m3 para o éter dimetílico. Entretanto, pela adição de 10% de hidrogênio, o consumo de oxigênio da chama real para alcançar o preaquecimento foi substancialmente reduzido para um valor de 0,0046 m3.

[0079] Os experimentos acima ilustram a viabilidade do uso das misturas de metano/hidrogênio da invenção como o gás oxicombustível em processos de fabricação de metal: corte, soldagem, aquecimento, solda ou brasagem.

[0080] Os experimentos de preaquecimento nos quais diferentes quantidades de hidrogênio foram adicionadas a hidrocarbonetos C1 (metano), C2 (etano) e C3 (propano) e hidrocarbonetos oxigenados C2 (éter dimetílico) confirmam que a adição de hidrogênio melhorou a eficiência da transferência de calor da chama oxicombustível para o metal de base, levando a um tempo de preaquecimento mais baixo.

[0081] As misturas de gases de corte oxicombustível com a adição de hidrogênio aqui apresentadas minimizam o tempo de preaquecimento, minimizam o oxigênio de preaquecimento e o consumo de gás combustível e minimizam os custos operacionais em processos de oxicombustível, embora sejam ambientalmente amigáveis e seguras durante o armazenamento, transporte e uso.

[0082] A presente invenção pode, obviamente, ser executada de outras maneiras além daquelas especificamente aqui apresentadas sem que se afaste das características essenciais da invenção. As presentes modalidades devem ser consideradas em todos os aspectos como ilustrativas e não restritivas, e todas as alterações que constam dentro do significado e da faixa de equivalência das reivindicações em anexo se destinam a estarem aqui abrangidas. O escopo desta invenção inclui modalidades, modificações e variações equivalentes que são abrangidas pelo escopo das reivindicações em anexo.

Claims (3)

1. Método para aquecer uma peça de trabalho metálica em um processo de fabricação de metais, o dito método caracterizado por compreender: fornecer uma mistura de gases combustíveis a um maçarico, a mistura de gases combustíveis compreendendo: 85 a 95% em volume de gás natural; e de 5% a 15% em volume de hidrogênio; fornecer oxigênio à mistura de gases combustíveis para formar uma mistura de gás oxicombustível; ignificar a mistura de gás oxicombustível para formar uma chama; colocar a chama em contato com a peça de trabalho metálica em um local predeterminado na peça de trabalho metálica; e aquecer a peça de trabalho metálica.

2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o dito processo de fabricação de metais ser selecionado dentre o grupo que consiste em corte, soldagem, aquecimento por chama, solda e brasagem.

3. Mistura de gás combustível para um processo de fabricação de metais com oxicombustível, em que o dito processo de fabricação de metais é selecionado dentre corte, soldagem, aquecimento por chama, solda e brasagem, a dita mistura caracterizada por compreender:85 a 95% em volume de gás natural; e de 5% a 15% em volume de hidrogênio.