BRPI0905014A2 - forno de cuba para operaÇço com admissço de gases quente e redutores para aplicaÇço na fusço de metais, recuperaÇço de alumÍnio de borras de fundiÇço e no refino de rgc - Google Patents

Abstract

FORNO DE CUBA PARA OPERAÇçO COM ADMISSçO DE GASES QUENTES E REDUTORES PARA APLICAÇçO NA FUSçO DE METAIS, RECUPERAÇçO DE ALUMÍNIO DE BORRAS DE FUNDIÇçO E NO REFINO DE RGC. Trata-se de um forno de cuba para operação com gases quentes e redutores, gerados em gasogênios (2) anexos ao próprio equipamento e seu uso para a fusão de metais, tais como alumínio e outros sem oxidação parcial e conseqüente formação de borras. O forno também pode ser usado para a recuperação de alumínio contido em borras de fundição e produção simultânea de escória fundida para uso no refino de aços, sem quaisquer problemas de ordem ambiental. Além disso, o equipamento pode ser usado no refino de resíduo gasto de cubas (RGC) eletrolíticas de produção de alumínio primário, com a separação das impurezas nele contido do material refinado, sendo completamente inerte e, com isso respeitando e meio ambiente. O referido forno é compreendido por cãmara principal (1) , gasogênios (2); sopradores de ar (3); ventaneiras (4); bica superior (5); e, bica inferior (6).

Description

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Relatório descritivo da patente de invenção: "FORNO DE CUBA PARA OPERAÇÃO COM ADMISSÃO DE GASES QUENTES E REDUTORES PARA APLICAÇÃO NA FUSÃO DE METAIS, RECUPERAÇÃO DE ALUMÍNIO DE BORRAS DE FUNDIÇÃO E NO REFINO DE RGC".

Refere-se a presente invenção a um forno de cuba para operação com admissão de gases quentes e redutores para aplicação na fusão de metais, recuperação de alumínio de borras de fundição e no refino de resíduos gastos de cubas; um forno no qual a fusão de metais ocorre sem oxidação dos mesmos, evitando-se assim, não só perdas por oxidação, como também a formação de borras (óxidos sólidos retendo gotas de metais mecanicamente), como acontece no caso dos fornos atuais das fundições de alumínio primário ou secundário. Este equipamento é aplicável também no tratamento destas borras para recuperação de alumínio nelas contido, bem como no refino de outros materiais, tais como os rejeitos gastos de cubas eletrolíticas de extração de alumínio metálico chamados

A indústria extrativa de alumínio primário, na etapa de produção de lingotes, usa fornos que operam em condições oxidantes, ou seja, que fazem com que o alumínio tenha sua superfície oxidada, o que resulta na formação de borras chamadas borras brancas. Estas borras, além do óxido de alumínio, possuem ainda outros compostos, como o nitreto de alumínio e o alumínio metálico, retidos. Assim, os processos atualmente usados de recuperação de alumínio nas borras têm como produtos indesejáveis outros compostos que são de riscos ambientais, pois estes formam hidrogênio e amônia, quando em contato com água. Além disso, o despejo destes resíduos é hoje feito em aterros especiais, representando custos adicionais nos processos atuais.

A indústria de reciclagem de sucatas de alumínio também usa fornos operando em condições oxidantes, e produzem borras chamadas borras pretas, que são obtidas pela adição de fundentes, como cloretos de sódio e potássio, resultando em um resíduo não metálico também agressivo ao meio ambiente, o que resulta na necessidade de cuidados especiais, tais como despejo em aterros apropriados.

Em função das situações acima descritas, foi desenvolvido o forno de cuba para operação com admissão de gases quentes e redutores para aplicação na fusão de metais, recuperação de alumínio de borras de fundição e no refino de RGC; que tem, como principal vantagem, a otimização da fusão de metais sem a necessidade de aplicação de

de RGC. -V ^

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fundentes, minimizando, assim, a produção de resíduos tóxicos ao meio ambiente. Isto é possível devido a grande capacidade de geração de calor que tal forno possui, fazendo com que os metais, as borras de alumínio ou RGC atinjam seus respectivos pontos de fusão de modo natural, apenas com a elevação progressiva da temperatura no interior do forno.

Para melhor compreensão do objeto da presente invenção, faz-se referência às

seguintes figuras anexas:

FIGURA 01: vista em corte superior do forno de cuba, apresentando a câmara principal de fusão e reações com quatro fornalhas anexas chamadas de gasogênios; FIGURA 02: vista em corte transversal do forno de cuba, mostrando a disposição dos principais componentes compreendidos pelo equipamento;

FIGURA 03: desenho esquemáticodo coletor de gases quentes, detalhando suas partes.

De acordo com as figuras apresentadas, o forno de cuba, objeto da presente patente, é compreendido por: câmara principal (1), gasogênios (2); sopradores de ar (3); ventaneiras (4); bica superior (5); e, bica inferior (6). A câmara principal (1) refere-se ao corpo central do forno, sendo o local onde o

material a ser fundido ou tratado será colocado, a fim de receber altos níveis de temperatura para fusão ou reação dos mesmos.

Os gasogênios (2) são os geradores de gases quentes e redutores, constituídos por câmaras secundárias, acopladas à câmara principal (1), utilizadas como recipiente para armazenamento e queima de coque, biomassa ou outros combustíveis sólidos, como madeira, lenha, etc.

Os sopradores de ar (3) são os responsáveis por injetar ar para dentro dos gasogênios (2), sendo um soprador de ar (3) para cada gasogênio (2).

As ventaneiras (4) são responsáveis pela admissão dos gases quentes e redutores, provenientes dos gasogênios (1), para dentro da câmara principal (1).

A bica superior (5) é utilizada para o vazamento de escória líquida, enquanto que a bica inferior (6) destina-se ao vazamento de metais ou outros líquidos não metálicos.

O forno é compreendido, ainda, por um sistema típico de limpeza e resfriamento dos gases de saída, composto de coifa (7), tubulações (8), ciclone (9), exaustor (10) e filtro de mangas (11).

O forno pode se apresentar em formato cilíndrico ou prismático, semelhante aos fornos tipo "cubilot", usados em fundições de ferro fundido. No caso destes fornos > iapr^, -3/4- -ffr

^ Hub., -------

"cubilots", existe uma área de ventaneiras nas quais é injetado ar dentro do forno. No forno requerido pela presente patente, ao invés de injeção de ar é realizada, através das ventaneiras (4), a injeção de gás redutor em temperatura elevada, necessária para os processos de fusão e/ou de reação dos materiais. São usados, para isto, os gasogênios (2), que são câmaras geradoras de gases contendo coque ou biomassa ou outros combustíveis sólidos (madeira, lenha, etc...), sendo que o ar é insuflado pela parte superior do forno, por meio dos sopradores de ar (3), a fim de promover a queima parcial do combustível em excesso nela colocado. Assim, são obtidos gases redutores quentes, que são então introduzidos na região intermediária e baixa do forno. Dentro da câmara principal (1), que deverá estar previamente aquecida pela

combustão de lenha e/ou coque metalúrgico contidos nos gasogênios (2), é adicionada, através do topo, a sucata metálica a ser derretida ou outro produto a ser refinado ou tratado pelo contato com os gases ascendentes quentes em contra corrente. A sucata desce por gravidade, enquanto que os gases sobem. Estando pelo menos uma das bicas (5)(6) abertas, parte dos gases quentes introduzidos desce antes de sair pelas bicas (5)(6) e continuam a aquecer os materiais no mesmo sentido de fluxo. A sucata é, então, alimentada no forno através da parte superior da mesma, ocorrendo o vazamento do metal líquido obtido através da bica inferior (6), de modo intermitente ou contínuo. Caso haja presença de escória, esta será vazada de modo intermitente na bica superior (5). O metal líquido é assim produzido sem produção de óxido, evitando-se a formação

de borra, sendo que apenas o óxido contido em baixa proporção na sucata necessita ser escorificado com adição de fundentes, ou retirado posteriormente no fim da campanha diária ou semanal de operação do forno. Portanto, a principal vantagem do equipamento ora relatado é a de fundir o metal sem formação de borra e sem problemas de ordem ambiental. Outra vantagem é o maior rendimento de recuperação do metal da sucata. Os gases quentes liberados no topo do forno possuem calor sensível e latente para queima com ar, podendo ser aproveitados para a produção de vapor e energia elétrica ou energia térmica para pré-aquecimento do próprio ar de entrada dos gasogênios (2), o que é feito em câmaras regeneradoras e recuperadoras de calor. O mesmo equipamento pode operar com reação de gás natural ou GLP com ar nos

gasogênios (2), e com excesso de gás combustível para obtenção dos gases redutores. 4/4

Além disto, caso sejam necessárias temperaturas mais altas, o ar de entrada nos gasogênios (2) pode ser enriquecido com adição de oxigênio.

Além da função de forno de fusão e fundição de metais, o objeto da presente invenção pode ser usado para recuperação de alumínio contido em borras. Neste caso, a borra deverá ser alimentada no forno em mistura com calcário para produção de escória e, assim sendo, será necessária a introdução de oxigênio no fluxo de ar de entrada nos gasogênios (2). Além do calcário, podem ser alimentados outros óxidos, tais como sílica. O uso de ar enriquecido com oxigênio resulta em temperaturas de gases bem acima de 1390°C (ponto de fusão de escória contendo aluminato de sódio de composição 12Ca0.7A1203). Nestas temperaturas também ocorrerá a dissociação de nitretos existentes na borra original, gerando subproduto não agressivo ao meio ambiente. Neste processo de tratamento de borras, os produtos do forno são alumínio líquido e escória de aluminato de cálcio, sendo que esta é também aplicável nos processos de fabricação de aços nas usinas siderúrgicas e representam valores adicionais ao resultado da operação. No fim da vida útil do revestimento das células eletrolíticas, o material nela contido

possui cianetos e compostos de fluoretos, sódio, fósforo, alumínio e hidrogênio na forma de sais, óxidos e hidróxidos. O forno neste caso é operado a temperaturas acima de 1150°C por bateladas e, deste modo, sempre necessitando ser aquecido antes de cada batelada, mas opera com fornalhas de pré-aquecimento para introdução de gases quentes, na parte inferior ou superior da cuba do forno, podendo ou não ser enriquecido com oxigênio. Os cianetos são dissociados em temperaturas da ordem de 850°C, enquanto que os fluoretos e outras impurezas são retirados por formação de líquido, que se separa do resíduo gasto, e também no estado de vapores de fluoretos e óxidos. Os líquidos de sais, de óxidos e de alumínio metálico são retirados pelas bicas (5)(6) contidas na parte inferior da câmara principal (1). Uma câmara de coleta dos fumos de fluoretos condensados com ar frio, na saída do equipamento, evita a emissão destes produtos para o ambiente. Após a realização da batelada e quando não há mais vapores saindo do forno, este é descarregado, sendo removido o RGC refinado (catodos de grafite entram com até 24% de cinzas e saem do processo com menos de 0,5% de cinzas). É importante ressaltar que o número de gasogênios varia de acordo com as

dimensões da secção transversal do forno, ou, de acordo com a necessidade de operação.

Claims (3)

1. - "FORNO DE CUBA PARA OPERAÇÃO COM ADMISSÃO DE GÁfcftS " v QUENTES E REDUTORES PARA APLICAÇÃO NA FUSÃO DE METAIS, RECUPERAÇÃO DE ALUMÍNIO DE BORRAS DE FUNDIÇÃO E NO REFINO DE RGC", caracterizado pelo aquecimento de sua câmara principal (1) de fusão e de reações através de gases quentes introduzidos nela pela sua parte inferior através de ventaneiras (4), gases estes gerados em fornalhas anexas especiais de combustão, denominadas gasogênios (2), nas quais combustíveis sólidos, gasosos, ou líquidos são adicionados, bem como ar comburente enriquecido ou não com oxigênio, que é insuflado pela ação dos sopradores de ar (3) para refino de resíduos gastos de cuba eletrolítica de produção de alumínio (RGC) introduzidos na câmara principal (1); sendo que os gases quentes aquecem o RGC a temperaturas acima de 1.150°C e arrastam os vapores de fluoretos e outros compostos voláteis para a região de saída no topo do forno, onde são resfriados com ar atmosférico e aspirados para câmaras de separação sólido/gás, tais como ciclones (9) e filtros de mangas (11), nos quais estes produtos condensados são coletados; sendo que líquidos ígneos são liberados a temperaturas mais baixas, entre 650 e 1150°C, sendo colhidos por vazamento na calha do furo localizado próximo ao fundo do forno, denominada bica inferior (6), sendo que o RGC refinado pode ser retirado pelo fundo do forno no caso de processo por batelada, sendo que o forno pode operar com basculamento feito, por exemplo, pelo uso de um munhão e sistema de cremalheira e pinhão, podendo girar 180° ou 360° e operar inclinado e em diferentes posições, sendo que, deste modo o descarregamento de RGC refinado é feito com o topo voltado para baixo (giro de até 180° do forno), enquanto que o carregamento é feito pelo topo do forno, com este voltado para cima e com o forno inclusive ligeiramente inclinado, se necessário. QUENTES E REDUTORES PARA APLICAÇÃO NA FUSÃO DE METAIS, RECUPERAÇÃO DE ALUMÍNIO DE BORRAS DE FUNDIÇÃO E NO REFINO DE RGC", caracterizado por operação continua ou por batelada e pelo aquecimento de sua câmara principal (1) de fusão e de reações através de gases quentes e redutores introduzidos nesta câmara em sua parte inferior através das ventaneiras (4), gases estes gerados em gasogênios (2), nos quais combustíveis sólidos, gasosos ou líquidos são adicionados (em excesso sobre a quantidade estequiométrica da reação de sua oxidação),25

2. - "FORNO DE CUBA PARA OPERAÇÃO COM ADMISSÃO DE GASES bem como ar comburente enriquecido pela adição de oxigênio é insuflado para aumento da temperatura da câmara principal (1), quando necessário; para fusão de sucatas de alumínio ou de outros metais ou para reações de refino ou outras, sendo que, neste caso, o forno pode ser basculante para carga e descarga de materiais e produtos. QUENTES E REDUTORES PARA APLICAÇÃO NA FUSÃO DE METAIS, RECUPERAÇÃO DE ALUMÍNIO DE BORRAS DE FUNDIÇÃO E NO REFINO DE RGC", caracterizado por operação continua e pelo aquecimento de sua câmara principal (1) de fusão e de reações através de gases quentes e redutores introduzidos na mesma, em sua parte inferior, através de furos laterais, denominados ventaneiras (4), gases estes gerados em gasogênios (2), nos quais combustíveis sólidos, gasosos, ou líquidos são adicionados (em excesso sobre a quantidade estequiométrica da reação de sua oxidação), bem como ar comburente enriquecido ou não com oxigênio é insuflado, para a recuperação de alumínio de borras de fundição e pela fusão do material residual da mesma, produzindo escória através da adição de calcário ou outros fundentes na carga; sendo que tanto o metal quanto a escória líquidos são vazados separadamente nos furos inferiores, denominados bica superior (5) e bica inferior (6), sendo a escória isenta de componentes indesejáveis, com relação a riscos para o meio ambiente e própria para o uso no refino de aços.

3. - "FORNO DE CUBA PARA OPERAÇÃO COM ADMISSÃO DE GASES