PT101807B

PT101807B - Dispositivo de aspiracao, de simples obturador, para vazeamento de ligas metalicas limpas, a temperaturas controladas e em quantidades regulaveis

Info

Publication number: PT101807B
Application number: PT10180795A
Authority: PT
Inventors: Antonio Pinto Barbed Magalhaes
Original assignee: Inegi Inst Eng Mecanica E Gest
Priority date: 1995-12-29
Filing date: 1995-12-29
Publication date: 1998-12-31
Also published as: PT101807A

Description

DESCRIÇÃO

DISPOSITIVO DE ASPIRAÇÃO, DE SIMPLES OBTURADOR, PARA VAZAMENTO DE LIGAS METÁLICAS LIMPAS,

A TEMPERATURAS CONTROLADAS E EM QUANTIDADES REGULÁVEIS presente invento refere-se a um DISPOSITIVO DE ASPIRAÇÃO, DE SIMPLES OBTURADOR, PARA VAZAMENTO DE LIGAS METÁLICAS LIMPAS, A TEMPERATURAS CONTROLADAS E EM QUANTIDADES REGULÁVEIS.

As práticas de vazamento mais correntes na indústria de fundição são, hoje, as duas seguintes:

a) vazar as ligas metálicas inclinando os recipientes que as contêm - fomos, cadinhos, colheres de vazamento, etc. - por forma a verter o líquido em contacto com o ar; ou

b) mergulhar uma colher no banho, retirando uma parte deste, geralmente da camada superior mais exposta ao ar e, por isso, mais oxidada, vazando-a em seguida.

Num caso e no outro o metal vazado é, normalmente, o mais oxidado, mesmo quando se faz uma limpeza da superfície com uma escumadeira ou similar; o próprio processo de vazamento promove a oxidação do banho e o arrastamento de filmes ou de partículas de óxidos no jacto metálico.

O recurso a filtros e a sistemas de enchimento das moldações com ratoeiras para os óxidos assim formados e arrastados reduz o volume de óxidos nas peças vazadas raramente os eliminando completamente - sem agir sobre a causa da sua formação e arrastamento. Os filtros, além do seu preço e custo de colocação, reduzem, normalmente, o rendimento metalúrgico e não são aplicáveis nalguns processos de fundição. É o caso, por exemplo, da fundição injectada, onde ás pressões de injecção poderiam destruir os próprios filtros e arrastá-los (ou bocados destes) para o interior das moldações. E também o caso dá fundição no estado semi-sólido ou do vazamento de misturas metálicas com partículas cerâmicas de reforço e de outras técnicas.

A melhoria da qualidade, em fundição, passa pois, em grande parte, pelo vazamento de ligas limpas, isentas de óxidos e de outras contaminações.

A qualidade das peças fundidas depende também da temperatura a que as ligas são vazadas. Com efeito essa temperatura vai condicionar a viscosidade do metal vazado e o enchimento das moldações; vai determinar a velocidade de dissolução de aditivos, (nodularizantes, inoculantes, afinadores, etc) que se adicionem ao metal já depois de o tirar do forno de fusão; vai determinar a estrutura de solidificação e a eficácia da alimentação, condicionando assim os defeitos (rechupes, porosidades e inclusões...) e as características mecânicas das peças vazadas; e, no caso do vazamento se fazer em moldações permanentes, vai afectar as temperaturas máximas atingidas por estas, e condicionar, assim, o tempo de vida útil das mesmas.

Por todas estas razões é muito importante controlar a temperatura do vazamento das ligas metálicas.

Finalmente, a automatização do vazamento requere, normalmente, que se possa fazer um doseamento automático da quantidade de metal vazado de cada vez (para cada moldação). Sem isso toma-se imprescindível o controlo humano de cada vazamento. E mesmo quando este é controlado visualmente por um operador, se se fizerem tratamentos, tais como a nodularização de ferros fundidos por adições no jacto, podem estes obrigar a um percurso relativamente longo, de tal modo que depois de parado o vazamento da colher ainda continue a correr para a moldação - com o risco de transbordar - metal líquido ainda existente no circuito estabelecido entre a colher e a própria moldação.

Para obviar a estes inconvenientes foi já desenvolvido um processo de vazamento em que o metal é forçado a subir por um tubo mergulhado no banho líquido, por meio de

-2uma ligeira pressão de ar aplicada no forno que o contém, até à móldação colocada rmediatamente acima deste. É o chamado processo de fundição de BAIXA PRESSÃO. O x

sistema responde às três condições atrás indicadas: - o forno permite controlar a temperatura do metal vazado; o metal com que é cheia a moldação é limpo (uma vez que não provém da superfície oxidada; o doseamento está automaticamente assegurado, porque sendo a moldação quase estanque, quando encheu já não pode receber mais metal, mesmo que este esteja sob ligeira pressão. O sistema de baixa pressão tem, no entanto, alguns inconvenientes: - obriga a uma concepção especial do forno a partir do qual se faz o enchimento, o qual deverá ser tomado estanque por forma a poder aplicar-se uma pressão, sobre o metal nele contido, de cada vez que se enche a moldação; além disso condiciona a posição da moldação, que deverá ficar imediatamente por cima do forno, o que dificulta a sua carga e a limpeza do banho. Com este sistema, empregue quase só para ligas leves, também não seria possível efectuar tratamentos tardios do metal, tais como a inoculação no jacto.

Uma segunda solução é a do chamado forno de vazamento PRESSPOUR. Este forno, que só pode ser carregado com metal já fundido, é do tipo de indução de canal. O seu corpo central tem apenas uma entrada e uma saída, através de canais que partem do fundo. A parte superior é completamente vedada, de modo a que uma ligeira pressão de ar (ou de um gás inerte) possa fazer subir o metal nos canais laterais até níveis superiores ao existente no corpo central. Um desses canais dá acesso a uma câmara de vazamento aberta superiormente, com um ou dois indicadores de nível e um orifício de vazamento tapado por um mecanismo de obturação (tipo rolha refractária) que bloqueia o fluxo de saída do metal líquido. Aplicando pressão no corpo central leva-se o metal até ao indicador de nível superior. Na altura do vazamento abre-se o obturador durante um tempo prédeterminado, ou até se atingir o nível inferior, fechando novamente. Deste modo se garante a quantidade vazada.

Também neste caso o corpo central é vedado, o que impossibilita a limpeza do banho. Além disso o sistema de aquecimento por indução no canal é caro. Este tipo de fomos adapta-se bem ao vazamento de ferros fundidos (não tratados ao magnésio por causa dos problemas relacionados com a formação de escórias em zonas não acessíveis durante funcionamento). Mas só se justifica, dado o seu elevado preço, para tratamento de grandes

-3quantidades de metal, em regime contínuo (como convém a fomos de canal) que exige trabalho por turnos. É pois uma solução com pouca flexibilidade, que dificilmente se adapta a interrupções diárias ou á mudanças frequentes de composição das ligas vazadas.

Outra solução consiste em colocar uma bomba electromagnética dentro do banho e bombear o metal líquido para dentro da moldação, colocada num nível superior ao do próprio banho.

Neste terceiro caso, chamado processo COSWORTH, deixa de ser necessário vedar o forno. Isto tem a vantagem de o deixar aberto para carga ou para limpeza do banho, mas tem o inconveniente de obrigar a ter uma bomba electromagnética dentro do próprio banho de metal fundido.

Uma quarta solução, usada em FUNDIÇÃO DE PRECISÃO (por cera perdida) EM VÁCUO consiste em criar o vazio na própria moldação, colocada por cima do banho em fusão, aspirando assim o metal do forno. Neste caso a moldação tem que estar por cima do forno, dificultando, tal como no processo da baixa pressão, a carga do forno e a sua limpeza. Como outros processos atrás referidos, a ligação directa do forno à moldação inviabiliza os tratamentos no jacto metálico.

Uma quinta solução consiste em utilizar uma bomba para bombear o metal fundido, conforme descreve a patente publicada em 2 de Setembro de 1993 sob o número WO 93/16829 (PCT).

Nesta patente descreve-se um PUMP APPARATUS FOR PUMPING MELT METAL constituído por uma câmara aquecida com um tubo vertical de pesca com uma válvula ou obturador através do qual, por sucção, é admitido metal líquido na câmara, fazendo uma depressão nesta, e com um tubo horizontal de vazamento, com um segundo obturador, através do qual o metal é vazado para a moldação. Uma bomba de vazio compressão com dois depósitos, um de vazio e outro de gás comprimido, permite criar a depressão conveniente na câmara durante a aspiração através do tubo de pesca mergulhado no forno de fusão, e criar a compressão adequada para o vazamento através do tubo horizontal que conduz o metal líquido até à moldação. Utilizando um gás neutro em circuito fechado, o sistema permite evitar oxidações do banho.

-4Nestg Bomba para o Bombeamento de Metal Líquido o doseamento é feito com base num indicador de nível constituído por um solenoide à volta da câmara, do qual o 'x núcleo é o próprio metal líquido dentro desta. Este sistema de medição de nível exige, segundo a descrição constante da própria patente, que a câmara seja de secção constante e com uma relação de altura sobre diâmetro entre 4:1 e 7:1, de preferência 5:1.

Tendo em conta as variações dimensionais no decurso de aquecimentos e arrefecimentos, a bomba descrita na patente WO 93/16829, já referida, tem um corpo constituído por diferentes partes ligadas entre si por um sistema de tirantes providos com molas que permitem absorver as variações volumétricas da câmara principal.

O texto da patente referida, que tem como inventor o Sr. Samuelson, Sven-Erik, nada diz sobre a forma de evitar o gotejamento final do metal líquido, quando se fecha o stoper ou válvula de saída.

A existência de duas válvulas tem consequências do ponto de vista geométrico e construtivo, já que é necessário garantir um certo alinhamento destas relativamento às sedes apesar das dilatações ocorridas desde a temperatura ambiente - a que se fez a montagem - à temperatura de funcionamento.

Um sistema de duas válvulas ou stopers, como o descrito na referida patente, exige uma boa vedação, à entrada, entre o tubo de pesca (vertical) e a câmara principal, que levanta algumas dificuldades e exige cuidados especiais de montagem, os quais são descritos no próprio texto dessa patente.

O presente invento, mantendo as principais três características dos cinco sistemas referidos, não tem nenhum dos inconvenientes atrás indicados.

Com efeito, o presente invento permite evitar os referidos problemas de ligação do tubo de pesca à câmara principal, permite simplificar o dispositivo suprimindo uma válvula ou stoper, e toma possível utilizar uma câmara com uma forma qualquer, mais compacta, isto é, com menor área específica de arrefecimento. Além disso toma desnecessário o sistema de compressão previsto no PUMP APPARATUS FOR PUMPING MELT METAL.

-5O recurso a uma boja ou volume imergível na bacia secundária de vazamento permite, no caso presente, fazer um corte rápido do jacto de metal a ser vazado,-eliminando o gotejamento que normalmer.te teria tendência a ocoiTer na fase final do vazamento.

De facto o dispositivo a que se refere o presente invento e que está representado, esquematicamente, na figura (1), faz a aspiração de metal líquido de um forno de fusão ou de manutenção, (1), para uma câmara principal ou de aspiração e doseamento, (2), por um tubo colocado no interior do banho, (3). Para o efeito a referida câmara, que é estanque, é ligada a uma bomba ou depósito de vazio pelo tubo (4). Uma vez cheia essa câmara com metal até um nível determinado por um sensor de nível máximo, (5), ou por um medidor de peso ou de volume ou por outro qualquer controlador quantimétrico, e reestabelecida a pressão atmosférica mediante a entrada de ar ou de um gás inerte, controlada pela válvula (6), e pelo manómetro (7), fica o mesmo pronto a ser vazado por gravidade para qualquer moldação. Para esse efeito existe um orifício na referida câmara, (8), que tem uma válvula ou obturador refractário, (9), cujo fecho é regulado por temporizador ou por um indicador de nível, através do qual o metal pode ser vazado para uma ou mais moldações, em quantidades controladas e facilmente reguláveis.

Um indicador de nível, (10), dá o sinal indicativo do nível mínimo a partir do qual nova aspiração deve ser feita. Diversos pirómetros, colocados quer no interior do banho, (11), quer nos tubos de pesca (3) e de vazamento, (12), permitem corrigir e manter a temperatura do metal vazado regulando elementos de aquecimento com resistências, (13), colocados à volta da câmara principal, dos tubos de pesca e de vazamento e da câmara secundária ou de vazamento, (14), que mfo têm um isolamento volta.

Nesta câmara de vazamento uma boia, (15), permite baixar rapidamente o nível do metal líquido e cortar o jacto ao ser emersa por acção do sistema de movimentação, (16), que pode ser coordenado com o sistema de fecho da válvula ou obturador, (17), através de um comando, (18), de actuação automática ou semi-automática. Esta câmara secundária poderá ter uma tampa (20) que dificulta a entrada de ar nos intervalos entre vazamentos, permitindo reduzir o caudal de gás necessário para manter uma atmosfera inerte nesta zona.

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-6A forma, em bengala, do tubo de pesca permite tomá-lo completam^nte autónomo do depósito existente na câmara principal, desaparecendo os problemas desligação a esse depósito, e da respectiva estanqueidade.

A solução apresentada permite eliminar um dos obturadores, simplificando a construcção e reduzindo os problemas de alinhamento entre obturadores e sedes.

A indicação de nível, que pode ser dada por detectores de contacto, resistivos, capacitivos ou indutivos, não condiciona a geometria da câmara principal. Mesmo sendo de tipo indutivo, basta que o indutor fique num tubo cilíndrico mergulhado no banho. O conhecimento da geometria do depósito permitirá conhecer qual o volume de metal líquido no seu interior correspondente a cada nível.

A regulação da quantidade de metal cedido em cada vazamento poderá ser feita por simples temporização ou por medição de variação do nível dentro da câmara principal.

Normalmente a câmara de vazamento ou secundária terá uma entrada de gás inerte (22) (azoto ou outro) a fim de criar uma atmosfera não oxidante na superfície livre do metal nesta câmara.

Um dispositivo com as características acabadas de indicar tem vantagens sobre os processos mais atrás referidos, nomeadamente os seguintes:

* Pode-se montar sobre a maior parte dos fomos existentes - nomeadamente fomos de cadinho, de canal, de soleira, etc - ou de colheres de vazamento, sem ser necessário alterá-los para os vedar (como vimos ser necessário nos processos de Baixa Pressão ou no Presspour, por exemplo);

^a Pela sua forma e dimensões, o dispositivo a que se refere o presente invento poderá ser colocado sobre os fomos de fusão (quando o metal estiver líquido), sem impedir que prossiga o seu carregamento e sem impossibilitar a limpeza da superfície do banho metálico já que esta superfície continuará acessível do exterior;

-73^a A partir da câmara de aspiração e vazamento, o vazamento pode-se fazer:

a) por gravidade, ao ar, - se as moldações trabalharem nessas condições;,

b) por gravidade em atmosfera controlada - se as moldações e o (ou os) tubo (ou tubos) de descarga contiverem uma atmosfera controlada (azoto ou outro gás inerte, por exemplo);

4^a- A câmara de aspiração e doseamento poderá também ser utilizada como câmara para eventuais tratamentos do banho tais como afinações, modificações, nodularização, inoculações, etc, imediatamente antes do vazamento, com a vantagem de esses tratamentos se poderem fazer com atmosfera controlada;

5^a O sistema proposto adapta-se a qualquer tipo de ligas, ficando a altura máxima de aspiração condicionada à sua densidade (em ligas de cobre, por exemplo, dificilmente se ultrapassará um metro de altura de aspiração; em ligas de alumínio e de magnésio, em contrapartida, a altura de aspiração poderá atingir valores muito maiores) e à tensão do vapor do metal à temperatura a que é vazado.

6^a O sistema proposto é mais simples do que o Pump Apparatus for Pumping Melt Metal: - tem menos um obturador, o desenho da câmara principal é mais livre, podendo esta ser mais compacta, e, ao evitar um obturador, permite concentrar num único ponto os problemas de alinhamento e posicionamento relativo de obturador e sede. Além disso dispensa a bomba de vazio-compressão, que é substituído apenas por uma bomba de vazio, com ou sem depósito acoplado.

O dispositivo pode ser suspenso ou pousado sobre o fomo por meio de pés (19) ou fixo (aparafusado, por exemplo) a este ou ao solo, sobretudo se o fomo fôr de manutenção, em que não há o risco de a carga inicial, com materiais exclusivamente sólidos, danificar o tubo de aspiração. Outra alternativa será proteger o tubo de aspiração por forma a evitar que seja danificado durante a carga de materiais sólidos.

-8)

Todos os indicadores, de temperatura, de pressão, e de nível, bem como os accionadces do obturador e da boia podem ser ligados a um computador que poderá estar ligado também aos próprios sistemas de moldação ou de transporte de moldações para o posto (ou postos) de vazamento, e que poderá assim, comandar automaticamente todo o processo.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1- DISPOSITIVO DE ASPIRAÇÃO, DE SIMPLES OBTURADOR, P.ARA VAZAMENTO DE LIGAS METÁLICAS LIMPAS, A TEMPERATURAS CONTROLADAS E EM QUANTIDADES REGULÁVEIS, para facilitar o vazamento de metais ou ligas metálicas (adiante designadas simplesmente por metal), ligas essas isentas ou quase isentas de óxidos, vazamento que é feito a temperatura controlada, compreendendo o dispositivo um tubo de pesca em grafite, material cerâmico ou refractário, tubo esse que é mergulhado num banho de metal fundido e que é aspirado para o interior duma câmara de aspiração e vazamento, por meio duma bomba de vácuo, sendo o dispositivo caracterizado por o referido tubo de pesca (3) não possuir nenhum obturador, preferencialmente com forma de bengala e verter para o interior dum recipiente contido no interior da mencionada câmara de aspiração (2), recipiente do qual o tubo de pesca preferencialmente está separado, sendo o enchimento do referido recipiente controlado automaticamente, visto a bomba de vácuo ligada à câmara proceder à aspiração em função das leituras dos sensores de nível dentro do recipiente ou da programação dum temporizador , escoando-se o metal por um orifício de vazamento com um obturador refractário (9) que, ao ser aberto, deixa passar o metal líquido através dum tubo (12) ou canal de vazamento, até uma câmara secundária (14) de onde o metal cai por acção da gravidade para as moldações, seja ao ar ou em atmosfera controlada.
2- DISPOSITIVO DE ASPIRAÇÃO, DE SIMPLES OBTURADOR, PARA VAZAMENTO DE LIGAS METÁLICAS LIMPAS, A TEMPERATURAS CONTROLADAS E EM QUANTIDADES REGULÁVEIS, de acordo com reivindicação 1, em que o depósito da câmara principal e os tubos de pesca e de vazamento são aquecidos por meio de resistências eléctricas por forma a corrigir ou manter a temperatura do metal a vazar, pondo-a de acordo com os valores desejáveis à bica de vazamento (ou à entrada da moldação).
3- DISPOSITIVO DE ASPIRAÇÃO, DE SIMPLES OBTURADOR, PARA VAZAMENTO DE LIGAS METÁLICAS LIMPAS, A TEMPERATURAS CONTROLADAS E EM QUANTIDADES REGULÁVEIS, de acordo com reivindicação 1, em que a quantidade de metal a vazar é regulada por temporizador, ou por indicadores de nível resistivos, capacitivos ou indutivos - colocados no interior da câmara principal.
4- DISPOSITIVO DE ASPIRAÇÃO, DE SIMPLES OBTURADOR, PARA VAZAMENTO DE LIGAS METÁLICAS LIMPAS, A TEMPERATURAS CONTROLADAS E EM QUANTIDADES REGULÁVEIS, de acordo com reivindicação 1, em que a limpeza do metal a vazar é assegurada pelo facto deste ser aspirado do interior do banho contido num fomo de fusão ou de manutenção, e não da sua superfície, através de um tubo de pesca com ou sem filtro, e pelo facto de se manter uma atmosfera inerte ou quase inerte quer no interior da câmara principal quer à superfície do banho na câmara secundária ou de vazamento, utilizando para isso um gás inerte (azoto, argon ou outro) para lavar todo o dispositivo antes de ser utilizado, para o alimentar sempre que haja entrada de gás para refazer a pressão atmosférica na câmara principal depois de uma fase de aspiração por depressão, e para varrer a superfície livre da câmara secundária, podendo esta última ter ou não na tampa amovível, à saída, para manter o sistema vedado do exterior nos intervalos entre vazamentos, abrindo-a apenas durante os vazamentos.