BRPI0314597B1 - Processo de resfriamento rápido de peças metálicas com o auxílio de um gás de resfriamento sob pressão - Google Patents

Description

PROCESSO DE RESFRIAMENTO RÁPIDO DE PEÇAS METÁLICAS COM O AUXÍLIO DE UM GÁS DE RESFRIAMENTO SOB PRESSÃO A presente invenção visa, de forma geral, ao tratamento térmico dos metais e, mais particularmente, a operação de têmpera gasosa de peças em aço, que sofreram previamente um tratamento térmico (tal como aquecimento, antes da têmpera, recozimento, revenido) ou termoquimico (tal como cementação, carbonitrificação). Essas têmperas gasosas são geralmente feitas, fazendo-se circular um gás sob pressão em circuito fechado entre uma carga e um circuito de resfriamento. Por razões práticas, as instalações de têmpera ao gás funcionam geralmente sob pressões compreendidas entre oitenta vezes a pressão atmosférica (4 a 20 bárias ou 4xl05 a 20xl05 Pascais). Para designar a pressão, utilizar-se-á na presente descrição, como unidade, o bária, naturalmente que um bária é igual a 105 Pa. A figura 1 representa, de forma muito esquemática, um exemplo de instalação de têmpera gasosa. Essa instalação 1 contém uma carga 2 a resfriar disposta em um compartimento estanque 3. A carga é tipicamente envolvida por placas de deflexão 4, para orientar a circulação de gás. Uma entrada de gás 5 permite introduzir sob pressão uma mistura gasosa desejada, naturalmente que se pode, por exemplo, introduzir os gases de resfriamento sob a forma de uma mistura pré-formada ou que se podem prever várias entradas de gás distintas para introduzir separadamente diversos gases de resfriamento. É comumente previsto um acesso de colocação sob vácuo do compartimento (não representado). Uma turbina 6 acionada por um motor 7 permite assegurar a circulação dos gases, por exemplo, passando de um circuito de resfriamento 9 em direção à carga a resfriar 2. 0 circuito de resfriamento 9 é comumente constituído de tubulações nas quais circula um fluido de resfriamento. A instalação da figura 1 foi representada apenas a título de exemplo de uma das numerosas estruturas possíveis e existentes para assegurar a circulação de um gás de resfriamento em um compartimento. De forma clássica, a pressão é da ordem de 4x105 a 2 0X105 Pa durante a fase de resfriamento. Numerosas variantes são possíveis, quanto à disposição da carga, no sentido de circulação dos gases, e ao modo de colocação em circulação desses gases.

Por razões práticas, o gás o mais comumente utilizado para assegurar o resfriamento é o nitrogênio, considerando-se que se trata de um gás inerte e pouco oneroso. Além disso, sua densidade é bem adaptada a instalações simples com sopradores ou turbinas e seu coeficiente de transferência térmica é suficientemente satisfatório. Com efeito, é conhecido, nos sistemas de têmpera gasosa, que a descida em temperatura deve ser a mais rápida possível para que a transformação do aço se faça de forma satisfatória da fase austenítica à fase martensítica, sem passar por fases perlítica e/ou bainítica.

Todavia, percebe-se que, em certos casos críticos, as instalações de têmpera ao nitrogênio não permitem obter uma velocidade de diminuição em temperatura suficiente. Portanto, tentaram-se têmperas ao hidrogênio ou ao hélio. Um inconveniente da utilização do hélio é que as instalações existentes, dimensionadas para a têmpera sob nitrogênio, em particular no que se refere à potência de ventilação, não são otimizadas para a utilização de gás de densidade sensivelmente diferente. Além disso, o hélio é um gás sensivelmente mais oneroso que o nitrogênio, enquanto que o hidrogênio apresenta riscos de inflamabilidade e sua utilização necessita de tomar precauções particulares. É preciso, além disso, sublinhar que essas abordagens anteriores (tais como aquelas que recomendam a utilização de hidrogênio ou de hélio) eram baseadas em uma pesquisa de melhoria da única transferência convectiva no meio da câmara de tratamento.

Para ilustrar a técnica anterior, pode-se também citar a abordagem particular do documento EP-1 050 592, que prevê a presença de gases tais como CO2 ou NH3 no gás de têmpera, mas notando-se a melhoria suplementar na eficácia de têmpera em relação às misturas inertes já praticadas, a utilidade de sua presença sendo sobretudo ligada a partir do documento a dois aspectos, por um lado, a obtenção simultânea de efeitos termoquímicos (oxidação, nitrificação, etc...), o que se concebe e, por outro lado, a integração física facilitada em um processo global de tratamento térmico (exemplo: em um processo de cementação), já que a têmpera a jusante pode então utilizar os mesmos gases que o tratamento propriamente dito localizado a montante.

Sempre no domínio do C02, poder-se-á também se reportar aos dois documentos seguintes, nos quais C02 é evocado em operações de têmpera, isto ê, em toda uma outra aplicação (por exemplo, em plasturgia como no documento WO 00/07790) ou ainda sob a forma líquida, conforme no documento WO 07/15420.

Nesse contexto, um dos objetos da presente invenção é de prever uma instalação de têmpera utilizando um gás de resfriamento termicamente mais eficaz do que o nitrogênio, mas que seja pouco oneroso e simples de utilizar, permitindo assegurar o resfriamento dos materiais os mais exigentes.

Um outro objeto da presente invenção é de prever um processo de resfriamento utilizando um gás compatível com as instalações existentes que funcionam atualmente ao nitrogênio (e, portanto, não necessitando de qualquer modificação significativa de instalação).

Para atingir esses objetivos, a presente invenção prevê, em um processo de resfriamento rápido de peças metálicas com o auxílio de um gás de resfriamento sob pressão, a utilização de um gás de resfriamento que compreende um ou vários gases absorvendo a radiação infravermelha, escolhido(s) de forma a melhorar a transferência térmica à peça, conjugando os fenômenos de transferências radiativa e convectiva, e de forma a melhorar o coeficiente de transferência convectiva em relação às condições tradicionais de resfriamento sob nitrogênio.

Concebe-se que a noção de "melhoria em relação às condições tradicionais de resfriamento sob nitrogênio" deve ser entendida, de acordo com a invenção, como comparando condições idênticas de pressão, temperatura ou ainda instalação de têmpera. O processo, de acordo com a invenção, poderá, por outro lado, adotar uma ou várias das seguintes características técnicas: - o gás de resfriamento compreende também um gás aditivo escolhido dentre o hélio, o hidrogênio ou suas misturas; - o gás de resfriamento compreende, além disso, um gás complementar; - a composição do gás de resfriamento é ajustada também de forma a se obter uma densidade média do gás de resfriamento assim constituído que seja da mesma ordem de grandeza que aquela do nitrogênio; - a composição do gás de resfriamento é ajustada também de forma a otimizar o coeficiente de transferência convectiva em relação aos coeficientes de transferência convectiva de cada um dos constituintes do gás de resfriamento considerados individualmente; - a operação de resfriamento é feita no meio de um compartimento no qual são dispostas as peças a tratar, munida de um sistema de agitação de gás, e a composição do gás de resfriamento é ajustada também de forma a se obter uma densidade média do gás de resfriamento assim constituído que seja adaptada a esse sistema de agitação do compartimento, sem que seja necessário fazer aí modificações significativas; - a composição do gás de resfriamento é ajustada também de forma que se possam produzir, durante a fase de resfriamento das peças, reações químicas endotérmicas entre o ou um dos gases absorvente (s) e um outro dos constituintes do gás de resfriamento; - esse gás que absorve a radiação infravermelha é o C02; - esse gás que absorve a radiação infravermelha é escolhido no grupo formado dos hidrocarbonetos saturados ou insaturados, de CO, H20, NH3, NO, N20, N02 e suas misturas; - o teor em gás absorvente no gás de resfriamento está compreendido entre 5 e 100%, de preferência entre 20 e 80%; - o gás de resfriamento é uma mistura binária C02-He, cujo teor em C02 está compreendido entre 30 e 80%; - o gás de resfriamento é uma mistura binária C02-H2, cujo teor em C02 está compreendido entre 30 e 60%; - faz-se uma operação de reciclagem do gás de resfriamento, após o uso, apto a recomprimir o gás antes de uma utilização posterior, e, se for o caso, também a separar e/ou purificar, para assim recuperar todo ou parte dos constituintes do gás de resfriamento. A invenção se refere também à utilização em uma instalação de resfriamento rápido de peças metálicas com o auxílio de um gás de resfriamento sob pressão, instalação otimizada para um funcionamento sob nitrogênio, de um gás de resfriamento que compreende de 20 a 80% de um gás que absorve a radiação infravermelha e de 80 a 20% de hidrogênio ou de hélio ou de suas misturas, a composição do gás de resfriamento sendo ajustada para que não seja necessário fazer modificações significativas na instalação.

Conforme terá sido compreendido, as noções, de acordo com a invenção, de escolha do ou dos gases absorvente (s), ou ainda de ajuste, para atingir propriedades desejadas de coeficiente de transferência, ou de densidade ou ainda de caráter endotérmico, devem se entendidas como referentes à natureza dos constituintes da mistura e/ou ao respectivo teor nessa mistura.

Esse é, portanto, o mérito da presente invenção de ser desmarcada da abordagem tradicional da técnica anterior de melhoria simples das condições de transferência convectiva, para se considerar a parte da transferência radiativa na transferência térmica global que está situada entre aproximadamente 7 e 10% (na faixa que vai de 400 a 1050°C), portanto muito significativa, e que era, portanto, inteiramente vantajoso se interessar por esse aspecto da transferência para considerá-lo e explorá-lo.

Esses objetivos, características e vantagens, assim como outros da presente invenção serão expostos em detalhes na descrição seguinte de modos de realização particulares feita a título não limitativo em relação com as figuras anexadas, dentre as quais: - a figura 1, descrita anteriormente, representa um exemplo de instalação de têmpera ao gás; - as figuras 2A e 2B representam o coeficiente de transferência térmica convectiva de diferentes misturas de gás a diversas pressões, no caso de um fluido em escoamento paralelo entre cilindros; e - a figura 3 representa curvas de variação de temperatura em função do tempo para diversos gases de têmpera utilizados nas mesmas condições.

De acordo com a presente invenção, propõe-se utilizar como gás de têmpera um gás que absorve a radiação infravermelha ou uma mistura à base desses gases que absorvem a radiação infravermelha (a seguir designado por gás absorvente), tal como o dióxido de carbono (C02) e adicionado, se for o caso, de um ou de vários gases que apresentam uma boa aptidão à transferência de calor convectivo (a seguir designado por gás aditivo), tal como o hélio ou o hidrogênio.

Essa mistura apresenta a vantagem, em relação aos gases ou misturas de gás de imersão tradicionais que utiliza gases transparentes âs radiações infravermelhas, como o nitrogênio, o hidrogênio, e o hélio, de absorver calor ao mesmo tempo por fenômenos convectivo e radiativo, aumentando assim o fluxo de calor global extraído de uma carga a resfriar.

Podem-se, eventualmente acrescentar a essa mistura, outros gases, a seguir designados por gás complementar, tal como o nitrogênio, considerado tanto como simples gás portador, quanto em um papel mais ativo, permitindo conforme se verá depois otimizar as propriedades da mistura de gás, como a densidade, a condutividade térmica, a viscosidade, etc.

De acordo com um dos modos de realização da presente invenção, tal como ilustrado nas figuras 2A e 2B, propõe-se a utilizar certas misturas de gás, tais como definidos acima, que apresentam, além disso, melhores coeficientes de transferência térmica convectiva (kH) em Watt por metro quadrado e por Kelvin do que cada um dos gases considerados separadamente. Conforme se viu anteriormente com efeito, segundo um dos modos vantajosos de aplicação da invenção, vai-se ajustar a composição do gás de resfriamento, de forma a otimizar o coeficiente de transferência convectiva em relação aos coeficientes de transferência convectiva de cada um dos constituintes do gás de resfriamento considerado individualmente. Deve-se entender então por otimização, no caso, o fato de se situar no máximo da curva considerada, ou bem mais baixo (por exemplo, por razões econômicas), mas, em qualquer estado de causa, de forma a dispor de um coeficiente de transferência convectiva que seja melhor do que cada um dos coeficientes de transferência convectiva de cada um dos constituintes do gás de resfriamento considerado individualmente.

De acordo com um outro modo vantajoso de aplicação da presente invenção, é proposto utilizar uma mistura de gás absorvente (e se for o caso de gás aditivo), com eventualmente o acréscimo de gases complementares, em condições otimizadas de densidade tais que se pode efetuar uma têmpera em instalações de têmpera habitualmente previstas e otimizadas para funcionar em presença de nitrogênio. Para isso, mistura-se, por exemplo, ao dióxido de carbono do hélio, considerado como gás aditivo, de tal modo a combinar uma otimização do coeficiente de transferência de calor por convecção e uma densidade média da mistura que seja da mesma ordem de grandeza que aquela do nitrogênio. Podem-se então utilizar as instalações existentes com velocidades e potências de ventilação comparáveis e as estruturas de ventilação e de deflexão de gases existentes, sem ter de fazer modificações significativas na instalação.

Isto apresenta a vantagem de, em uma instalação determinada, otimizada para uma imersão no nitrogênio, o usuário poder, em tempo normal, quando isto convém aos materiais considerados, utilizar o nitrogênio como gás de imersão e, somente em casos particulares dos materiais mais exigentes, isto é, quando as condições específicas das peças ou aços a tratar necessitam dos tratamentos particulares, utilizar, por exemplo, a mistura de dióxido de carbono e de hélio determinada em exemplo ou ainda a mistura de dióxido de carbono e de hidrogênio também exemplificado no caso.

Naturalmente, conforme aparecerá claramente ao técnico, caso a invenção tenha sido particularmente ilustrada no que precede com o auxílio do C02, outros gases que absorvem a radiação IR serão também consideráveis no caso, sem sair em nenhum momento do âmbito da presente invenção, tais como os hidrocarbonetos saturados ou insaturados, CO, H20, NH3, NO, N20, N02 e suas misturas.

Da mesma forma, caso se tenha particularmente insistido no que precede sobre um modo vantajoso de aplicação da invenção, no qual se vão ajustar as concentrações dos diferentes gases para se obter ao mesmo tempo bons desempenhos de transferência térmicas e das condições de densidade próximas do nitrogênio, a fim de não ter de modificar, de forma significativa, a instalação, pode-se, sem se sair do âmbito da presente invenção, escolher privilegiar as condições ótimas de transferência térmica, deixar de utilizar misturas de densidade mais afastada daquela do nitrogênio, e devem-se então fazer modificações na instalação, notadamente no motor de agitação (adoção de um motor de potência nominal diferente, ou ainda de um sistema de variador de velocidade). Isto podería ser, por exemplo, o caso para uma mistura gasosa que comporta 90% de C02 e 10% de hidrogênio, cuja densidade é aproximadamente 40% mais elevada do que aquela do nitrogênio. A figura 2A representa, por pressões de 5xl05, 10xl05 e 20xl05 Pascal, o coeficiente de transferência térmica convectivo kH2 de uma mistura de C02 e de hélio, para diversas proporções de C02 na mistura. Assim, as abscissas dão a relação entre a concentração de C02, c(C02), e a concentração total de C02 e He c(C02+He). Percebe-se que o coeficiente de transferência térmica convectiva apresenta um máximo para valores de concentração de C02 compreendidos entre aproximadamente 40 e 70% no caso de aproximadamente 650 W/m2/K a 20xl05 Pa para uma concentração da ordem de 60%. Assim a mistura apresenta não somente a vantagem de ter uma densidade próxima daquela do nitrogênio, mas, além disso, de apresentar um coeficiente de transferência térmica convectiva mais elevado do que aquele de C02 puro. A figura 2B representa curvas similares para misturas de dióxido de carbono (C02) e de hidrogênio (H2). Percebe-se que se tem um máximo de coeficiente de transferência térmica convectiva kH para valores de concentração de C02 compreendidos entre aproximadamente 30 a 50%, no caso de aproximadamente 850 W/m2/K a 20xl05 Pa para uma concentração da ordem de 40%. Além disso, nota-se que o coeficiente de transferência térmica convectiva kH é melhor para uma mistura de dióxido de carbono e de hidrogênio que para uma mistura de C02 e de hélio.

Uma outra vantagem da utilização dessa mistura de dióxido de carbono e de hidrogênio é que, nas condições usuais de têmpera de peça em aço, se produzem reações químicas endotérmicas entre o C02 e o hidrogênio, o que contribui ainda para rigidez do resfriamento. Por outro lado, constata-se que, em presença de C02( o risco de explosão ligado ao hidrogênio é sensivelmente reduzido, mesmo se produzir uma introdução não bem sucedida de oxigênio. A figura 3 ilustra o resultado de cálculos que simulam o resfriamento por transferência convectiva de um cilindro em aço com diversos gases de resfriamento no caso do escoamento da mistura paralelamente ao comprimento dos cilindros (cilindros que simulam o caso de peças alongadas). Foram representadas curvas para o nitrogênio puro (N2), para uma mistura a 60% de C02 e 40% de hélio, para hidrogênio puro, e para uma mistura a 40% de C02 e 60% de hidrogênio. Constata-se que é esta última mistura que dá os melhores resultados, isto é, a maior velocidade de resfriamento entre 850 e 500°C. Para essa última mistura, a melhoria da velocidade de têmpera é da ordem de 20% em relação ao hidrogênio sozinho e da ordem de 100% em relação ao nitrogênio sozinho.

Naturalmente, conforme já foi mencionado anteriormente, a presente invenção é capaz de diversas variantes e modificações que aparecerão ao técnico, notadamente no que se refere à escolha dos gases, à otimização das proporções de cada gás, naturalmente que se poderão, caso se deseje, utilizar misturas ternárias, tais como C02-He-H2 e que se poderão eventualmente acrescentar outros gases, denominados mais acima gases complementares.

Claims (10)

1. Processo para resfriamento rápido de peças metálicas usando um gás de resfriamento pressurizado, caracterizado pelo fato de que as seguintes medidas são implementadas: o gás de resfriamento compreende um teor entre 5% e 80% por volume, preferivelmente entre 20% e 80% por volume, de um ou uma pluralidade de gases que absorve(m) a radiação infravermelha, selecionado(s) a partir do grupo formado de hidrocarbonetos saturados ou insaturados, C02, CO, H20, NH3, NO, N20, N02 e suas misturas, de forma a melhorar a transferência térmica na peça pela combinação de fenômenos de transferências térmicas radiativa e convectiva, e de forma a melhorar o coeficiente de transferência térmica convectiva em comparação com as condições convencionais de resfriamento sob nitrogênio; o gás de resfriamento também compreende um gás aditivo tendo uma boa capacidade de transferência térmica convectiva, selecionado a partir de hélio ou hidrogênio ou suas misturas; a composição do resfriamento como sendo também ajustada, de forma a obter uma densidade média do gás do resfriamento, então produzido, que é próximo ao do nitrogênio.

2. Processo de resfriamento, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o gás de resfriamento compreende ainda um gás complementar.

3. Processo de resfriamento, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato que a composição do gás de resfriamento é também ajustada de forma a otimizar o coeficiente de transferencia térmica convectiva em comparação com os coeficientes de transferência térmica convectiva de cada um dos componentes do gás de resfriamento considerado individualmente.

4. Processo de resfriamento, de acordo com uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que a operação de resfriamento é feita em um compartimento no qual as peças a serem tratadas são dispostas, o compartimento sendo equipado com um sistema de agitação de gás, e em que o referido ajuste torna possível obter uma densidade média do gás de resfriamento assim produzido, que é próximo ao do nitrogênio, que é adaptada ao referido sistema de agitação do compartimento, sem que seja necessário fazer modificações significativas no referido compartimento.

5. Processo de resfriamento, de acordo com uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que a composição do gás de resfriamento é também ajustada de forma que, durante a fase de resfriamento das peças, reações químicas endotérmicas possam ocorrer entre o gás absorvente ou um dos gases absorventes e um outro dos componentes do gás de resfriamento.

6. Processo de resfriamento, de acordo com uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que o referido gás que absorve a radiação infravermelha é C02.

7. Processo de resfriamento, de acordo com uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que o referido gás que absorve a radiação infravermelha é selecionado a partir do grupo formado de hidrocarbonetos saturados ou insaturados, CO, H20, NH3, NO, N20, N02 e suas misturas .

8. Processo de resfriamento, de acordo com uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que o gás de resfriamento é uma mistura binária C02-He, cujo teor de C02 está compreendido entre 30 e 80%.

9. Processo de resfriamento, de acordo com uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que o gás de resfriamento é uma mistura binária CO2-H2, cujo teor em C02 está compreendido entre 30 e 60%.

10. Processo de resfriamento, de acordo com uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato de que uma operação de reciclagem do gás de resfriamento é realizada após o uso, adequada para recomprimir o gás antes de um uso subsequente, e, conforme requerido, também para separar e/ou purificar para, assim, recuperar o total ou parte dos componentes do gás de resfriamento.