IT201900013272A1

IT201900013272A1 - Struttura di protezione per crogiolo del tipo ribaltante o tilting per l’uso nei processi di distillazione, in particolare distillazione sottovuoto.

Info

Publication number: IT201900013272A1
Application number: IT102019000013272A
Authority: IT
Inventors: Giovanni Faoro
Original assignee: Ikoi S P A
Priority date: 2019-07-30
Filing date: 2019-07-30
Publication date: 2021-01-30

Description

STRUTTURA DI PROTEZIONE PER CROGIOLO DEL TIPO RIBALTANTE O TILTING PER L’USO NEI PROCESSI DI DISTILLAZIONE, IN PARTICOLARE DISTILLAZIONE SOTTOVUOTO

Il presente trovato si riferisce ad una struttura di protezione per crogiolo, in particolare per crogioli del tipo ribaltante o tilting, per l’applicazione in un impianto per processi di distillazione delle leghe, preferibilmente sotto vuoto.

Come è noto esistono diversi processi per il trattamento delle leghe, in particolare di metalli nobili, al fine di raffinarle. Tra questi processi i più diffusi sono quelli di separazione chimica dei materiali, che tuttavia presentano vari inconvenienti come la perdita di materiale o l’inefficienza e l’inquinamento.

Una soluzione alternativa che supera tali inconvenienti è quella dei processi di distillazione sotto vuoto, già descritta nei brevetti RU2609581C2 e PCT/EP2016/000121. I processi di distillazione sottovuoto prevedono il posizionamento della lega da trattare in un apposito crogiolo, posto in una camera sottovuoto, nel quale la lega sarà sottoposta a trattamenti per il riscaldamento, la fusione, l’evaporazione, la distillazione e infine la condensazione dei materiali che la compongono al fine di ottenere diversi strati di materiali condensati e separati dalla lega di partenza.

La lega contenendo materiali metallici nobili tipo oro, argento o palladio necessita di temperature estremamente elevate, dell’ordine dei 1450°C per raggiungere una efficiente velocità di evaporazione dei componenti che si desidera evaporare e separare dal bagno fusorio.

Pertanto, per la realizzazione dei crogioli è necessario utilizzare dei materiali resistenti alle condizioni estreme in cui avvengono questi trattamenti, ovvero a temperature estremamente elevate, in un ambiente sotto vuoto.

Un materiale adeguato a soddisfare i requisiti sopraelencati è la grafite pura che mantiene le caratteristiche di compattezza, non si fonde, e non inquina la lega trattata.

Questo processo di raffinamento sottovuoto, viene poi seguito, nella maggior parte dei casi, da successivi processi di raffinamento più accurati o ulteriori trattamenti; pertanto è necessario ottenere il materiale in forme prestabilite e atte a essere trattate nella maniera desiderata.

Infatti, a seconda del trattamento di raffinazione finale che si desidera effettuare, come ad esempio processi elettrochimici di raffinazione come l’elettrolisi o ancora idro metallurgici, come l’acqua ragia, occorre impiegare anodi o graniglia, o ancora semplici barre solide di varie dimensioni.

Tuttavia, la grafite pura usata per i crogioli presenta l’inconveniente che, se esposta all’aria a temperature al di sopra dei 400°C, si ossida molto velocemente, il che la porta ad una precoce usura del crogiolo, causando danni di costi elevati.

Pertanto, secondo la tecnica nota e secondo quanto descritto nei brevetti PCT’121 e RU’581 non è possibile dare la forma al materiale ottenuto in maniera continuativa durante lo stesso processo, versando il contenuto rimanente nel crogiolo su stampi o vasche in contenitori, proprio perché non è possibile aprire la camera in cui avviene tale processo ed esporre il crogiolo all’aria, prima di aver effettuato un raffreddamento opportuno.

La tecnica maggiormente utilizzata per dare la forma desiderata ai materiali che rimangono nel crogiolo è quella di far raffreddare la billetta fino a circa 400°C, estrarla per poi inserirla in appositi forni fusori tilting o ribaltanti per la produzione di anodi, graniglie o altre forme solide.

Com’è evidente, tale procedura comporta un elevato consumo di energia, nonché l’allungamento dei tempi necessari sia nella fase di raffreddamento della billetta che nella rifusione della stessa.

Per far fronte a tali inconvenienti e facilitare l'estrazione del materiale contenuto nei crogioli sono stati creati crogioli ribaltanti o tilting, che possono essere ruotati attorno ad un asse di oscillazione sostanzialmente orizzontale in modo da poter essere inclinati da consentire la colata del materiale che li contiene.

Un ulteriore soluzione è quella, come già specificato nei brevetti PCT’121 e RU’581, che prevede anche l’utilizzo di crogioli tilting o ribaltanti, che consentono di far colare il materiale condensato direttamente in stampi o in vasche, a seconda del prodotto finale richiesto.

Tuttavia, per mantenere l’efficienza del procedimento ed evitare l’usura del crogiolo ad ogni utilizzo è richiesto che tale colata sia eseguita all’interno della camera sotto vuoto.

Tale soluzione comporta anch’essa una serie di svantaggi, quali:

- la camera sotto vuoto deve essere di dimensioni molto più grandi di quelle richieste per il semplice impianto di sola distillazione, dimensioni tali da contenere tutto l’apparato di ricevimento della colata di metallo fuso, come ad esempio il portastampo con lo stampo e relativi supporti (nel caso di colata su stampo), oppure la vasca d’acqua per la produzione di graniglia o dei flakes, con relativi supporti e dispositivi (oppure la vasca d’olio nel caso di tempra sottovuoto, soluzione già nota).

Dette grandi dimensioni della camera sotto vuoto comportano un aumento del volume interno della camera stessa e di conseguenza la necessità di un aumento della capacità-grandezza del gruppo di pompaggio.

Tutto questo porta ad un notevole aumento dei costi di produzione e quindi del prezzo di vendita, ad un aumento dell’ingombro dell’impianto, e una aumentata difficoltà di gestione, manutenzione e pulizia dell’interno della camera, così complessa e piena di dispositivi necessari per creare all’interno della camera sotto vuoto un “ambiente da fonderia”;

- il sistema è poco flessibile, ovvero se l’impianto è progettato per la colata in stampo, non potrà essere utilizzato per la colata in vasca d’acqua, a meno di non cambiare ogni volta attrezzature e conformazione dell’impianto, cosa molto svantaggiosa in termini di efficienza produttiva;

- la difficoltà di utilizzare sistemi mobili a multi-stampi o multi-lingottiere.

Dato che il punto di colata è fisso, anche la posizione dello stampo deve essere fissa, in modo che ci sia la certezza che il flusso di metallo in colata “centri il bersaglio”, ovvero il punto di ingresso dello stampo.

Ciò è reso necessario inoltre dal fatto che la colata avviene all’interno della camera a vuoto, e quindi non è a cielo aperto a contatto visivo diretto dell’operatore, e quindi il controllo visivo della colata può avvenire se non attraverso specule, o sistemi di visione elettronici, che però devono essere continuamente manutenzionati a causa dell’“ambiente da fonderia” interno alla camera stessa.

Compito precipuo del presente trovato consiste nel fatto di realizzare una struttura protettiva per crogiolo ribaltante per l’uso in un impianto per processi di distillazione delle leghe, che risolva i problemi tecnici sopra esposti, ovvii agli inconvenienti e superi i limiti della tecnica nota consentendo di eseguire le fasi di tilting, colata e casting successive alla fase di condensazione in un processo di distillazione sottovuoto, sostanzialmente continuativamente.

Nell'ambito di questo compito, uno scopo del presente trovato è quello di realizzare una struttura di protezione per crogiolo ribaltante o tilting che sia in grado al contempo di raggiungere elevate temperature in condizioni sotto vuoto, ma anche di non presentare i rischi di ossidazione del materiale con cui è realizzato, in particolare la grafite, a contatto con l’atmosfera.

Un altro scopo del trovato consiste nel fatto di realizzare una struttura di protezione per crogiolo che, se usato in un processo di distillazione sottovuoto, ne consente un drastico aumento di efficienza, sia per quanto riguarda il consumo energetico che la durata temporale di tale processo.

Un ulteriore scopo del trovato consiste nel fatto di realizzare una struttura di protezione per crogiolo che sia in grado di dare le più ampie garanzie di affidabilità e sicurezza nell'uso.

Un altro scopo del trovato consiste nel fatto di realizzare una struttura di protezione per crogiolo che sia facile da realizzare ed economicamente competitiva se paragonato alla tecnica nota.

Questi ed altri risultati sono ottenuti secondo la presente invenzione, prevedendo una struttura di protezione per un crogiolo ribaltante o tilting.

Il compito sopra esposto, nonché gli scopi accennati ed altri che meglio appariranno in seguito, vengono raggiunti da struttura protettiva per crogiolo come descritta nella rivendicazione 1.

Altre caratteristiche sono previste nelle rivendicazioni dipendenti.

L’invenzione riguarda inoltre un procedimento di colatura secondo descritto nella rivendicazione 11 o nella rivendicazione 12.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi risulteranno maggiormente dalla descrizione di una forma di realizzazione preferita, ma non esclusiva, di un crogiolo, illustrata a titolo indicativo e non limitativo con l'ausilio degli allegati disegni in cui:

la figura 1 è una vista prospettica di una forma di realizzazione della struttura di protezione per crogiolo, secondo il trovato;

la figura 2 una vista prospettica dall'alto della struttura di figura 1, secondo il trovato, inserita in un impianto per la distillazione sottovuoto; e

la figura 3 è una vista generale del dispositivo di figura 1 in un impianto per la distillazione sottovuoto in ribaltamento per il versamento del materiale in un sistema porta-stampi per la produzione di barre anodiche.

Con riferimento alle figure citate, in particolare alle figure 1 e 2, la struttura di protezione per crogiolo del tipo ribaltante o tilting, indicato globalmente con il numero di riferimento 1, comprende un corpo 2, in questo caso cilindrico, contenente la parte inferiore del crogiolo 3, realizzato in materiale resistente a temperature elevate, avente superiormente una base di appoggio 4 sporgente rispetto al corpo 2.

Esternamente al corpo 2 trovano posto i mezzi di riscaldamento del crogiolo, di solito costituiti da una bobina di induzione elettromagnetica.

Un collare 5, sempre realizzato in materiale resistente ad alte temperature, appoggiato superiormente rispetto a detta base di appoggio 4 sporgente, il quale forma una parete circolare continua, che, in combinazione con un tappo amovibile 6, permette la chiusura dell’ambiente della struttura di protezione 1, all’interno del quale è contenuto il crogiolo 3.

Detto materiale resistente a temperature elevate è preferibilmente materiale ceramico, ancora più preferibilmente silice fusa SiO2.

La struttura 1 comprende inoltre un’apertura 7 sul collare 5, preferibilmente includente un becco 71 per indirizzare la colata di materiale fuso durante il ribaltamento/versamento della struttura 1.

Inoltre, la struttura di protezione 1 secondo il trovato include, al suo interno, in prossimità del collare 5, un distributore di gas 8 inerte, costituito da un tubo di materiale resistente ad alte temperature, come ad esempio acciaio inossidabile, che consente l’insufflazione/emanazione di gas inerte, tramite fori 81, nell’ambiente interno della struttura 1.

La base di appoggio 4 consente vantaggiosamente di connettere la struttura di protezione 1 all’impianto di distillazione stesso, in particolare ad una struttura 21 interna alla camera sotto vuoto 20. Tale impianto è visibile in figura 3.

La struttura 1 protettiva per crogioli secondo il trovato include ulteriormente attuatori pneumatici (non mostrati nelle figure) che consentono l’automazione dei movimenti di apertura-chiusura del coperchio amovibile 6.

Questa caratteristica consente, vantaggiosamente, di limitare il più possibile l’interazione del personale tecnico quando il processo comporta temperature elevate.

Il coperchio amovibile 6 è preferibilmente costituito da tre strati, ciascuno scelto in base a specifiche proprietà fisico-meccaniche. In un esempio di realizzazione il primo strato 61, esposto alle temperature elevate dell’interno della struttura, è in ceramica rinforzata con silice fusa, tale materiale essendo estremamente resistente alle temperature elevate, ed essendo un materiale di consumo.

Lo strato intermedio 62 è in feltro di grafite, per le sue caratteristiche di resistenza agli shock termici e di non rilascio di sostanze, con vantaggi sia ambientale che nella mancata contaminazione della lega trattata.

Lo strato finale, esterno, 63 è in acciaio inossidabile.

La struttura di protezione 1 include inoltre uno strato di materiale di rivestimento 9 tra il corpo 2 e il crogiolo 3, atto a svolgere da schermo termico fra il crogiolo 3 e il corpo 2. Tale materiale di rivestimento 9 è preferibilmente polvere di Zirconia ZrO2.

Il funzionamento della struttura di protezione per crogioli 1 è di seguito descritto, a titolo esemplativo con riferimento specifico alla figura 3.

Dopo le fasi di evaporazione, distillazione e condensazione, una volta che la temperatura del crogiolo 3 è scesa dalla temperatura di evaporazione dei metalli a quella di fusione della lega rimanente al suo interno, viene dato un comando che aziona l’immissione di gas inerte da parte del distributore di gas 8, in modo da creare una atmosfera inerte intorno al crogiolo 3.

Successivamente viene estratto il condensatore 99 per il recupero del materiale evaporato e condensato (questa fase non è obbligatoria).

Viene dato da parte dell’operatore il comando dell’apertura della camera 20 sotto vuoto, in modo da procedere alle successive fasi del processo. Tale comando aziona l’abbassamento del coperchio 6, creando all’interno della struttura di protezione 1 un’ambiente chiuso, tranne in corrispondenza dell’apertura 7 o del becco 71, ma in cui l’atmosfera inerte tiene lontana l’aria-ossigeno dal crogiolo.

Successivamente la camera a vuoto 20 si apre, con il crogiolo 3 che rimane protetto dall’atmosfera per merito della struttura di protezione 1.

Tale comando aziona l’abbassamento del coperchio 6, creando all’interno della struttura di protezione 1 un’ambiente chiuso, tranne in corrispondenza dell’apertura 7 o del becco 71, ma in cui l’atmosfera inerte tiene lontana l’aria-ossigeno dal crogiolo.

Vantaggiosamente il bagno fusorio potrebbe essere mantenuto riscaldato in modo da mantenerlo in forma liquida per tutta la durata delle fasi di versamento nelle apposite forme o vasche.

A tal punto, come illustrato in figura 3, la vasca per graniglia o il sistema porta-stampi (quest’ultimo mostrato in figura e indicato genericamente con il riferimento numerico 30) vengono portati nella zona di colata, per cominciare il versamento del materiale fusorio negli stessi.

La struttura di protezione 1, crea un ambiente inerte, formato da gas inerte come ad esempio azoto, o argon, ottenendo un ambiente in sovrappressione di tale gas attorno al crogiolo 3 e all’interno del crogiolo 3 stesso, che mantiene l’aria dell’ambiente esterno - e quindi l’ossigeno in essa contenuto - lontana dal crogiolo 3, evitando una ossidazione precoce del crogiolo 3 e dei suoi accessori in grafite.

Si è in pratica constatato come la struttura di protezione per crogiolo, secondo il presente trovato, assolva il compito nonché gli scopi prefissati in quanto consente di rendere utilizzabile all’aria aperta un crogiolo in grafite nonostante sia stato sottoposto a condizioni di vuoto e di elevate temperatura.

Un altro vantaggio della struttura di protezione, secondo il trovato, consiste nel fatto di concatenare il processo di colatura una volta che gli elementi evaporati sono stati condensati, in un processo di distillazione sotto vuoto.

Un ulteriore vantaggio della struttura di protezione, secondo il trovato, consiste nel fatto di aumentare l’efficienza dei processi di distillazione sottovuoto.

Un altro vantaggio della struttura di protezione, secondo il trovato, consiste nel fatto di ridurre le intervenzioni del personale specializzato.

La struttura di protezione per crogiolo così concepita è suscettibile di numerose modifiche e varianti tutte rientranti nell'ambito del concetto inventivo.

Inoltre, tutti i dettagli potranno essere sostituiti da altri elementi tecnicamente equivalenti.

In pratica, i materiali impiegati, purché compatibili con l'uso specifico, nonché le dimensioni e le forme contingenti potranno essere qualsiasi a seconda delle esigenze.

La presente invenzione è stata descritta, a titolo illustrativo, ma non limitativo, secondo sue forme preferite di realizzazione, ma è da intendersi che variazioni e/o modifiche potranno essere apportate da un esperto nel ramo, senza per questo uscire dal relativo ambito di protezione, come definito nelle rivendicazioni allegate.

Claims

RIVENDICAZIONI 1) Struttura di protezione (1) per crogiolo (3), in particolare per crogioli (3) del tipo ribaltante o tilting, per l’applicazione in un impianto per processi di distillazione delle leghe, preferibilmente sotto vuoto, comprendente un corpo (2), contenente la parte inferiore del crogiolo (3), realizzato in materiale resistente a temperature elevate, avente superiormente una base di appoggio (4) sporgente esternamente rispetto detto corpo (2), un collare (5), realizzato in materiale resistente a temperature elevate, che forma superiormente rispetto a detta base di appoggio (4) sporgente una parete circolare continua, avente un apertura per la fuoriuscita del liquido fusorio (7), detta struttura di protezione (1) comprendendo inoltre un coperchio (6) amovibile atto a chiudere superiormente detta struttura (1), detta struttura di protezione (1) prevendendo inoltre, al suo interno, in prossimità del collare (5), un distributore di gas (8) inerte, atto a insufflare gas inerte nell’ambiente interno a detta struttura (1) stessa.
2) Struttura di protezione (1) per crogiolo, secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detto distributore di gas inerte (8) è costituito da un tubo di materiale resistente ad alte temperature, come ad esempio acciaio inossidabile, ed è atto a insufflare detto gas inerte.
3) Struttura di protezione (1) per crogiolo, secondo le rivendicazioni 1 e 2, caratterizzata dal fatto che detto materiale resistente ad alte temperature è preferibilmente materiale ceramico.
4) Struttura di protezione (1) per crogiolo, secondo la rivendicazione 3, caratterizzata dal fatto che detto materiale ceramico è preferibilmente silice fusa SiO2.
5) Struttura di protezione (1) per crogiolo, secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che detto gas inerte immesso da detto distributore di gas inerte (8) è preferibilmente azoto o argon.
6) Struttura di protezione (1) per crogiolo, secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che detta apertura per la fuoriuscita del liquido fusorio (7) include un becco (71) per indirizzare la colata di materiale fuso durante il ribaltamento/versamento di detta struttura (1).
7) Struttura di protezione (1) per crogiolo, secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto di includere attuatori pneumatici che consentono l’automazione dei movimenti di apertura-chiusura di detto coperchio amovibile (6).
8) Struttura di protezione (1) per crogiolo, secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto di includere uno strato di materiale di rivestimento (9) tra detto corpo (2) e detto crogiolo (3).
9) Struttura di protezione (1) per crogiolo, secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che detto coperchio amovibile (6) include diversi strati in modo da raggiungere proprietà fisico-meccaniche ottimali.
10) Struttura di protezione (1) per crogiolo, secondo la rivendicazione 9, caratterizzata dal fatto che detto coperchio amovibile (6) include tre strati, rispettivamente un primo strato (61), esposto alle temperature elevate dell’interno di detta struttura (1), in ceramica rinforzata con silice fusa, uno strato intermedio (62) in feltro di grafite, per le sue caratteristiche di resistenza agli shock termici e di non rilascio di sostanze, ed uno strato finale, esterno, (63) in acciaio inossidabile.
11) Procedimento per la colatura di materiale fusorio tramite crogiolo (3), utilizzando una struttura di protezione (1) secondo una delle rivendicazioni da 1 a 10, detto procedimento comprendendo le fasi di: - azionare tramite apposito comando, una volta terminate le fasi del procedimento di distillazione e con la camera a vuoto ancora chiusa, l’immissione di gas inerte da parte del distributore di gas 8, in modo da creare una atmosfera inerte intorno al crogiolo 3; - estrarre il condensatore 99; - chiudere il coperchio amovibile (6) creando all’interno della struttura di protezione 1 un’ambiente chiuso, tranne in corrispondenza dell’apertura (7) ma in cui l’atmosfera inerte tiene lontana l’aria-ossigeno da detto crogiolo (3); - azionare, tramite apposito comando, l’apertura della camera 20 sotto vuoto; - portare in zona di colata la vasca o il sistema porta-stampi (30); - iniziare il versamento del materiale fusorio in detto sistema porta-stampi o vasche mentre detta struttura di protezione (1) crea un ambiente inerte, formato da gas inerte, ottenendo un ambiente in sovrappressione di detto gas attorno e all’interno di detto crogiolo (3), che mantiene l’aria dell’ambiente esterno lontana da detto crogiolo (3), evitando una ossidazione precoce di esso.
12. Procedimento per la colatura di materiale fusorio tramite crogiolo (3), utilizzando una struttura di protezione (1) secondo una delle rivendicazioni da 1 a 10, detto procedimento comprendendo le fasi di: - azionare tramite apposito comando, una volta terminate le fasi del procedimento di distillazione e con la camera a vuoto ancora chiusa, l’immissione di gas inerte da parte del distributore di gas 8, in modo da creare una atmosfera inerte intorno al crogiolo 3; - azionare, tramite apposito comando, l’apertura della camera 20 sotto vuoto; - chiudere il coperchio amovibile (6) creando all’interno della struttura di protezione 1 un’ambiente chiuso, tranne in corrispondenza dell’apertura (7) ma in cui l’atmosfera inerte tiene lontana l’aria-ossigeno da detto crogiolo (3); - portare in zona di colata la vasca o il sistema porta-stampi (30); - iniziare il versamento del materiale fusorio in detto sistema porta-stampi o vasche mentre detta struttura di protezione (1) crea un ambiente inerte, formato da gas inerte, ottenendo un ambiente in sovrappressione di detto gas attorno e all’interno di detto crogiolo (3), che mantiene l’aria dell’ambiente esterno lontana da detto crogiolo (3), evitando una ossidazione precoce di esso.
13. Procedimento per la colatura di materiale fusorio tramite crogiolo (3) secondo la rivendicazione 11 o 12 caratterizzato dal fatto che detto materiale fusorio viene riscaldato durante detto procedimento in modo da essere mantenuto in forma liquida per tutta la durata di detto procedimento stesso.