PT1456425E - Processo para a fusão do alumínio utilizando a análise dos fumos que saem do forno - Google Patents

Description

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DESCRIÇÃO

"PROCESSO PARA A FUSÃO DO ALUMÍNIO UTILIZANDO A ANÁLISE DOS FUMOS QUE SAEM DO FORNO"

Domínio técnico e técnica anterior A invenção refere-se ao domínio da fusão do alumínio e a fornos destinados à fusão do alumínio.

Aplica-se, nomeadamente, aos processos de reciclagem dos resíduos de alumínio.

No domínio da fusão do alumínio secundário, a impossibilidade de se poderem medir e controlar numerosos fenómenos e parâmetros durante a fusão constitui um obstáculo à compreensão do processo de fusão, assim como à obtenção de melhores desempenhos e à elaboração de regras que permitem a supressão das perdas durante a fusão. A fusão produz-se em fornos rotativos ou de reverberação. 0 processo pode ser contínuo, mas a maior parte dos fornos trabalham de maneira descontínua. Os materiais são carregados por imensas portas que se abrem nos fornos de reverberação e pela porta principal nos fornos rotativos. Para a introdução dos resíduos em grande volume, o forno deve ser carregado duas ou três vezes por ciclo de fundição. 0 alumínio ou as suas ligas devem ser fundidos acima da temperatura de fusão. Mas, para que o escoamento do alumínio líquido seja conveniente aquando do tratamento posterior, por exemplo, nas máquinas de vazamento, é preciso que o metal fundido atinja um nível de temperatura de 760°C. Procura-se assim evitar qualquer sobreaquecimento 2 do banho líquido, nomeadamente acima de 780°C, temperatura acima da qual a velocidade de oxidação aumenta consideravelmente, de forma quase exponencial.

No decurso de um ciclo de fundição, pode primeiro distinguir-se o período inicial, quando os materiais estão sólidos, que permite a absorção de uma grande quantidade de calor transformada em calor latente de fusão do alumínio a 660 °C.

Em seguida, quando o metal está líquido, a sua condutibilidade térmica diminui para metade do seu valor no estado sólido. Pode produzir-se um sobreaquecimento, mas de uma maneira não homogénea, por causa de problemas de distribuição de calor.

Os grandes fornos de reverberação são relativamente mais sensíveis a esta falta de homogeneidade. É introduzido calor a partir da superfície do líquido, mas a relação de densidades é tal que se produz uma estratificação estável: o líquido quente está na parte superior do banho e o líquido frio na parte inferior.

Os fornos de reverberação compreendem dispositivos suplementares, tais como, bombas ou injectores de gás, destinados essencialmente a assegurar a homogeneidade do banho liquido, e permitindo um processo mais eficaz de fusão.

Os fornos rotativos utilizam somente o seu próprio principio de mistura. É transmitido calor por aquecimento do refractário que rola sob o líquido: o calor é conduzido, simultaneamente, pela superfície superior exposta à chama e pelo fundo, que está em contacto com o refractário rotativo. A estratificação é assim desestabilizada. 3

Produzem-se perdas de metal durante a fusão, não somente na própria camada oxidada, mas também porque é retido líquido no esqueleto oxidado. Flutua então no líquido em fusão uma mistura de óxidos de alumínio e de alumínio retido. 0 alumínio retido pode representar 20 a 80% da massa do que se chama as escórias ou a escuma. A obtenção de um bom rendimento de alumínio a partir de resíduos reciclados necessita de uma limitação das perdas no fogo.

Além disso, são aplicadas duas soluções para a redução de perdas de metal nas escórias.

Os fornos rotativos, assim como certos fornos de reverberação, são primeiro carregados com fundentes, à base de sais (mistura essencialmente de NaCl e KC1), destinados a reduzir a molhagem dos esqueletos de óxido pelo alumínio retido. A outra solução é a escumação regular da superfície. Não somente a espuma que flutua sobre o metal líquido representa uma perda de metal, mas constitui, além disso, uma camada de material isolante, que cobre o líquido. Como é formada por alumínio, tem uma temperatura de fusão elevada (mais de 1300°C) : não se funde de novo, mas continua a crescer. A introdução de calor através de uma camada isolante deste tipo necessita então de uma potência cada vez maior, quer dizer, o sobreaquecimento da camada superior. Um velho ditado dos fundidores indica que "as escórias geram escórias". Estas escórias podem ser retiradas por raspagem da superfície: isto constitui o processo de escumação. 4

Esta operação de escumação é manual ou em qualquer caso muito pouco mecanizada. É realizada essencialmente, nos fornos de reverberação, pela abertura das portas, o que provoca a entrada de uma grande quantidade de ar no forno. Isto apresenta dois inconvenientes: o arrefecimento (o regresso à temperatura anterior necessita habitualmente de duas vezes mais tempo do que o período de abertura da porta) e a entrada de oxigénio do ar, que oxida facilmente o alumínio.

Por outro lado, não existe qualquer outro meio que permita determinar quando é que as portas devem ser abertas para a escumação. A avaliação do rendimento de metal é realizada por pesagem dos resíduos sólidos à entrada do forno, com dedução do peso estimado em pinturas e revestimentos, e por pesagem do peso do metal obtido à saída do forno. Estas pinturas e revestimentos são, durante o aquecimento, objecto de uma pirólise, verificando-se que esta está terminada quando a carga atinge 580°C.

No entanto, estas técnicas de produção não dão qualquer indicação sobre o momento no qual as escórias se formam e se acumulam durante o ciclo de fundição. Por consequência, a execução de uma acção qualquer, tal como a limitação do tempo passado a temperatura elevada para a redução da produção destas escórias ou escumas, assenta na experiência do operador ou em regras empíricas obtidas num longo período e de maneira fastidiosa. Qualquer conclusão relativa a uma acção deste tipo só pode ser tirada de maneira estatística, porque o material dos resíduos, pela sua própria natureza, varia na sua origem e na sua qualidade. 5

Nos fornos de reverberação, os produtores de alumínio mais avançados utilizam certos processos de regulação, tais como a verificação do nível de temperatura do refractário por um termopar, que reduz a potência dos queimadores ou que comanda a paragem de um ou mais queimadores, quando é atingido um nível crítico de temperatura. No entanto, estas operações são essencialmente destinadas a assegurar a segurança do refractário. Não constituem uma indicação directa da formação de pontos quentes, nos pontos onde se produz a oxidação.

Outros produtores verificam a temperatura do metal liquido por imersão de um termopar no metal. Logo que é detectada uma temperatura superior a 780°C, a potência dos queimadores é reduzida ou são carregados no forno novos materiais.

No entanto, trata-se apenas de uma indicação local, e podem aparecer pontos quentes em outros locais.

Uma vigilância do nível de temperatura do refractário ou do metal liquido não é, portanto, suficiente para estas operações.

Por outro lado, todas estas soluções podem ser utilizadas em fornos de reverberação, fixos ou basculantes, mas não são convenientes para os fornos rotativos. São apresentadas outras soluções na literatura, mas que visam sobretudo evitar a oxidação por ausência de contacto da superfície do metal com qualquer oxidante.

Assim, o Documento JP 58-227706 propõe a utilização da medição dos teores de CO e de H2 contidos nos fumos para 6 assegurar que, num forno de fusão de metais não ferrosos, os queimadores instalados funcionem em modo sub-estequiométrico numa gama de valores da relação do débito de oxidante para o débito de combustível compreendida entre 95 e 100%. O Documento EP 962 540 expõe uma técnica de combustão com vista à fusão de um metal num forno. De acordo com esta técnica, é enviado ao forno um gás contendo oxigénio, de maneira que fique separado do banho de metal pela chama do queimador. O queimador funciona então de maneira sub-estequio-métrica. O fornecimento de oxigénio provém da zona situada acima da chama, fazendo esta última uma barreira entre o oxigénio do gás e a superfície do metal fundido. 0 Documento US 5 563 903 descreve uma técnica de acordo com a qual um gás neutro ou não oxidante faz a protecção entre a superfície do metal (alumínio) fundido e uma zona de combustão situada na parte superior do forno. 0 Documento US 3 759 702 refere-se a uma técnica na qual a fusão tem lugar inicialmente ao ar livre, com um queimador móvel por cima da superfície dos materiais a fundir. A chama do queimador é redutora, em virtude, na alimentação do queimador, de um ligeiro excesso estequiométrico do combustível em relação ao oxigénio. A Patente JP-A-1992/293740 descreve a fusão do alumínio num forno com o auxílio do queimador de oxicombustível. A Patente JP-A-1992/314835 descreve um aparelho para controlar a temperatura de um banho de alumínio fundido e 7 regular a temperatura do forno para um valor pré-determinado . A Patente EP-A-793071 descreve um sistema de combustão optimizado que cobre uma combustão completa dos gases num forno chamado forno de "cubilote". A Patente GB-A-2286458 descreve um aparelho de medição de oxigénio numa atmosfera com o auxílio de um díodo laser.

Estas técnicas ou são complexas Na utilização, ou estão inadaptadas à fusão num forno.

Coloca-se, portanto, o problema de se encontrar uma técnica de obtenção de um bom rendimento de metal num forno de fusão.

Coloca-se, por outro lado, o problema da detecção precisa do momento em que se produz a oxidação do metal no decurso de um ciclo de fundição. 0 conhecimento do momento em que se produz a oxidação facilitaria a regulação das operações de combustão para a diminuição ou o controle desta oxidação, sem que seja necessário utilizar estatísticas de produção que reflectem tanto a qualidade dos resíduos, como a das próprias técnicas de fusão.

Por outro lado, o conhecimento do momento em que se produz a oxidação e da ordem de grandeza da quantidade de óxido formado facilitaria a tomada de decisões relativamente à realização da operação de escumação.

Descrição da invenção A invenção refere-se, primeiro, a um processo de detecção da formação de óxidos de alumínio à superfície de um banho de alumínio num forno de fusão de alumínio, caracterizado por se detectarem as variações de concentração de CO e da temperatura nos fumos que saem dos fornos. A invenção refere-se também a um processo para a fusão de alumínio, no qual: - se introduz alumínio sólido num forno, - se realiza a fusão do alumínio, para formar um banho de alumínio, - se detectam as variações de concentração de monóxido de carbono (CO) e da temperatura dos fumos que saem do forno, - se deduz daqui a formação de óxidos de alumínio à superfície do banho de alumínio, - se regula o processo de fusão em função da formação de óxidos de alumínio.

Durante uma oxidação de alumínio no forno, as variações de CO e da temperatura são no mesmo sentido, ou têm o mesmo sinal, o que permite detectar facilmente esta oxidação.

De acordo com a invenção, podem-se detectar, portanto, valores positivos do produto, ou da relação, das derivadas em relação ao tempo de CO e da temperatura, a fim de identificar o aparecimento da oxidação do alumínio, sem ter que se abrir o forno para realizar uma observação visual, e sem a intervenção de um operador. 9

Pode-se, portanto, recorrer à análise dos gases libertados durante a fusão para se detectar a formação dos óxidos, com o auxilio dos sinais da concentração de CO e da temperatura.

Eventualmente, podem ser igualmente observadas as variações de CO2, e/ou de O2 e/ou de H20.

Em particular, podem-se avaliar as entradas de ar no forno a partir da evolução da concentração de H20. A análise dos fumos do forno pode ser utilizada como base para a regulação de um processo de fusão por: - adaptação da densidade de potência da combustão, - ou o ajustamento da relação do débito de oxidante para o débito de combustível que alimenta os queimadores, - ou a agitação do banho por bombas ou por injecção de líquido, - ou a indicação do facto de o nível de potência de combustão acima do banho agitado poder ser aumentado ou não.

Uma análise dos fumos deste tipo pode também ser utilizada para optimizar a frequência da escumação.

Pode, além disso, ser aplicada uma medição de temperatura ou uma amostragem condicional da temperatura, a fim de estabelecer a diferença entre as variações de sinais devidas à oxidação e as que são devidas à pirólise das pinturas e dos revestimentos formados nos bocados ou resíduos de alumínio. A invenção refere-se igualmente a um dispositivo de detecção da formação de óxidos de alumínio à superfície de 10 um banho de alumínio num forno de fusão de alumínio, caracterizado por compreender meios de detecção da variação da concentração de CO e da temperatura nos fumos que saem do forno.

De acordo com uma variante de realização de acordo com a invenção, detecta-se a formação de óxidos de alumínio à superfície de um banho de alumínio num forno de fusão de alumínio, com o auxílio de meios de detecção da variação de concentração de hidrogénio da atmosfera acima da superfície do banho e de meios de medição da temperatura nos fumos que saem do forno.

Um dispositivo deste tipo pode compreender, além disso, meios para detectar variações da concentração de C02 e/ou H20 e/ou 02.

Podem ser previstos meios para realizar uma comparação dos sentidos de variação da concentração de CO e da temperatura, e/ou para realizar o produto ou a relação das variações temporais da concentração de CO e da temperatura.

Podem ser igualmente previstos meios para realizar uma comparação de valores dos teores medidos de CO e/ou de H2 com os valores, respectivamente, de CO e/ou de H2 que o queimador teria produzido na ausência da interacção com a carga. Os referidos valores podem ser estabelecidos por uma calibração do queimador. A invenção refere-se igualmente a um forno de fusão de alumínio, do tipo de reverberação ou de tipo rotativo, compreendendo dispositivos e/ou meios tais como os expostos acima. 11

Breve descrição das figuras - as figuras 1, 4 e 5 representam diferentes variantes de um forno de fusão de alumínio de acordo com a invenção, - as figuras 2, 3 e 6 representam medições de concentração de gás realizadas à saída de dois fornos.

Descrição pormenorizada de modos de realização da invenção

De acordo com a invenção, procede-se à detecção, nos fumos à saída do forno, das variações de concentração de monóxido de carbono (CO) e à medição das variações de temperatura dos fumos. A figura 1 representa esquematicamente um forno 2, no qual é obtido um banho de alumínio 4 por fusão de resíduos de alumínio. Um queimador 24, alimentado por um fluido oxidante (por exemplo, o oxigénio) e por um fluido combustível (por exemplo, um gás natural), permite produzir uma chama 11 para atingir a temperatura desejada no forno.

Podem igualmente ser utilizados vários queimadores.

Por outro lado, as referências 15 e 17 designam, respectivamente, meios para a alimentação de oxidante e de combustível. À saída do forno, mais precisamente, numa chaminé 13 de evacuação dos fumos 6, estão dispostos meios 10 de medição das variações da quantidade ou da concentração de CO.

Meios 12 permitem, por outro lado, medir as variações de temperatura aproximadamente no mesmo local. 12

Pode-se dispor, ainda, dos meios 14, 16, 18 de medição da concentração de vapor de água (H20) e/ou de dióxido de carbono (C02) e/ou de oxigénio (02) à saída do forno, na mesma conduta de chaminé.

De acordo com um exemplo de realização, os meios de medição 10, 14, 16, 18 podem compreender um ou vários díodos laser, enquanto os meios 12 podem compreender um termopar independente. A figura 2 representa diversas curvas I - V, que representam, respectivamente, no decurso de um processo de fusão num forno de soleira seca: - Curva I: a evolução do teor de monóxido de carbono (CO) , - Curva II: a evolução da temperatura, - Curva III: a evolução do teor de dióxido de carbono (C02), - Curva IV: a evolução do teor de oxigénio (02), - Curva V: a evolução do teor de vapor de água (H20). A evolução das curvas I e II mostra uma correlação entre as variações de CO e as da temperatura.

As figuras 3A e 3B representam, respectivamente, no decurso de um processo de fusão num forno rotativo: - Curva 1': a evolução do teor de CO, - Curva II': a evolução da temperatura, - Curva III' : a evolução do teor de C02, - Curva IV': a evolução do teor 02. 13 A figura 3A corresponde ao caso de um forno de alta temperatura, e a figura 3B ao caso de um forno de baixa temperatura.

As conclusões que permitem interpretar estas medidas são as seguintes. Referir-se-á igualmente ao quadro I abaixo. A composição dos fumos de combustão, essencialmente constituídos por dióxido de carbono CO2 e por vapor de água H20, é modificada pelo processo de oxidação. A oxidação produz-se não somente sob a acção do oxigénio puro ou do oxigénio contido no ar, mas também em virtude da presença de C02 e de vapor de água H20.

Dito de outra maneira, o oxigénio (02), o dióxido de carbono (C02) e o vapor de água (H20) podem interagir com a carga de alumínio, formando alumina.

Com efeito, a massa de escuma produzida após a dedução do alumínio retido não pode ser explicada apenas pela oxidação directa. A quantidade de oxigénio em excesso do queimador, aumentada do ar introduzido no forno, não basta para este efeito. 14

Quadro I

evolução de H20 modo de combustão rica em 02 modo de combustão pobre em 02 condições de amostragem caso de uma combustão simples - depende unicamente da entrada de ar - não há observação de CO - dCO/dt/dT/dt é negativa - (C0/C02) é conhecida para uma carência de 02 determinada caso de uma interacção fumos-carga - inferior ao valor dado acima de referência para as mesmas regulações dos debimetros l.° sub-caso: - dCO/dt/dT/dt é positiva - (CO/CO2) é maior que acima para as condições de débitos fixadas. T > 400 °C (aumento de 100 para 400 °C. (valor próprio do forno)) - não há observação de CO - 0 C02 é estável - aumento de temperatura 2.° sub-caso: observação de CO

No quadro I, os modos de combustão rica em oxigénio (O2) e pobre em oxigénio correspondem a um sinal de referência de queimador estabelecido em relação a um forno vazio ou em relação ao alumínio frio. Uma avaliação a partir de regulações dos medidores de débito pode ser utilizada como referência. A combustão simples refere-se a um sistema de combustão sem interacção com a carga (ou o forno está vazio, ou o alumínio está frio) mas com uma certa entrada de ar no forno. Pode tratar-se, em todos os casos, de combustão mista de ar e oxigénio. A concentração de vapor de água (H20) é então uma medida da entrada de ar.

Pode-se supor, para demonstrá-lo, que os resíduos carregados não contenham água. As explosões devidas à água e ao alumínio são um problema em toda a indústria do alumínio e a carga é desembaraçada de qualquer água e mesmo de humidade. 15 A concentração de vapor de água (H20) é então diluída pela entrada de ar e pode escrever-se: débito de entrada de ar = débito teórico dos fumos [ (H20) teórico - (H20) medido)/ (H20) medido] inclusive no caso de uma combustão mista de ar e de oxigénio, a concentração de H20 é uma medida da entrada de ar se for comparada ao teor de H20 determinado teoricamente a partir do conhecimento do débito do combustível.

Visto que a quantidade de oxigénio disponível é determinada por adição de: - o oxigénio introduzido pela entrada de ar, - o oxigénio medido pelos medidores de débito (oxigénio puro e ar adicionado no modo de combustão mista ou enriquecida), a concentração de vapor de água permite, portanto, a determinação da quantidade de oxigénio disponível para a combustão.

Quando se produz a interacção com a carga, a concentração de vapor de água diminui segundo a relação: 2 AI + 3 H20 = A1203 + 3 H2 que é acompanhada por uma libertação de hidrogénio. Há que ter em conta este fenómeno quando se avaliam as composições gasosas sobre fumos ditos secos, após a eliminação do vapor de água, habitualmente por condensação. A interacção entre o alumínio e o vapor de água aumenta o débito dos fumos secos. 16

Os sinais de monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO2) e de temperatura (T) nos sistemas de combustão simples podem ser explicados da seguinte maneira.

Nos sistemas pobres em oxigénio, forma-se o monóxido de carbono CO e o teor de dióxido de carbono CO2 diminui. Isto é imposto pelo constrangimento de massa aplicado aos átomos de carbono. A relação CO/CO2 é independente do processo de combustão ao ar e com oxigénio. Depende somente da falta de oxigénio. A energia libertada nos sistemas pobres em oxigénio é reduzida. Sabe-se que o rendimento máximo de combustão se produz para uma produção máxima de C02. 0 sinal indica que a relação das variações nos tempos de CO e de T (ou a relação das derivadas em relação ao tempo (dCO/dt)/(dT/dt) é negativa (a concentração de CO aumenta e este aumento resulta numa má combustão, portanto, T diminui).

Quando se produz a interacção com a carga, e em condições aparentes ricas em oxigénio, ou é observada uma produção de CO, ou pode ser observado um aumento de temperatura com C02 constante.

Mais precisamente, quando o CO é libertado pela reacção AI + 3 C02 = AI2O3 + 3 CO, arde, adicionando calor ao sistema (portanto, T aumenta), de acordo com a relação 3 CO + 3/2 02 = 3 C02 . 17

As condições de combustão de CO podem não ser eficazes por causa de uma mistura limitada dos reagentes (deficiência de intensidade de turbulência). A adição de calor devida ao processo de combustão é reforçada pelo carácter exotérmico da reacção do aluminio. 0 sinal é, portanto, tal que dCO/dt/dT/dt é positiva.

No entanto, observar-se-á que a maior parte dos produtores de aluminio têm tendência para trabalhar nestas condições pobres em oxigénio. 0 CO é então produzido por duas fontes: a combustão incompleta e a reacção com a alumina AI2O3. 0 CO produzido pelo queimador tem um valor determinado por uma deficiência de oxigénio conhecida. A produção de CO por oxidação deduz-se da medida total de CO menos esta quantidade produzida pelo queimador. Além disso, no decurso de uma fase de fusão de aluminio, as regulações do queimador variam pouco: as variações de CO associadas à oxidação são semelhantes às variações da quantidade de CO total.

Quando se produz a interacção com a carga, em condições pobres em oxigénio, um valor positivo de dCO/dt/dT/dt é uma indicação clara de oxidação, porque a reacção com a alumina é exotérmica.

Para uma mesma regulação pobre em oxigénio, quer dizer, as mesmas regulações dos débitos de injecção de combustível e de oxidante, (C0)/(C02) aumenta mais depressa do que no caso da combustão simples. 0 aumento da relação CO/CO2 confirma a detecção da oxidação, porque esta relação é independente do teor de hidrogénio H2, mesmo sobre fumos secos. 18 É preferível submeter um valor positivo de (dCO/dt/dT/dt) a uma medida da temperatura ou a uma amostragem condicional da temperatura. A baixa temperatura, uma parte do carbono é libertada da carga por pirólise das pinturas e revestimentos nos resíduos de alumínio, sendo então o monóxido de carbono CO proveniente, ao mesmo tempo, da combustão propriamente dita e da decomposição do dióxido de carbono CO2.

Se os resíduos de alumínio tiverem sido previamente tratados, esta pirólise não se produz no forno. A pirólise produz-se até uma temperatura de cerca de 580°C. A temperaturas mais baixas, o CO pode aparecer, ao passo que o oxigénio pode faltar e a temperatura aumenta. A relação (dCO/dt)/(dT/dt) é então positiva.

Com efeito, num deste tipo caso o processo de combustão é do tipo: combustível + partículas sólidas de carbono + oxigénio = produtos de combustão.

Se as condições de alimentação de oxigénio permanecerem inalteráveis em relação à combustão simples do combustível, falta o oxigénio. 0 processo de pirólise da pintura e dos revestimentos parece demasiado caótico no forno de alumínio para que se possa segui-lo ou observá-lo.

Por consequência, um valor positivo de (dCO/dt/dT/dt) é de preferência submetido a uma condição da temperatura. 19

Esta pode ser medida no metal liquido, mas de preferência nos fumos, reflectindo a temperatura dos fumos a temperatura do metal. Uma diferença de temperatura de 100 a 400°C permite a transferência de calor. A medida da temperatura pode ser comparada a um valor limiar pré-determinado, por exemplo, no computador 20.

Note-se igualmente que, em virtude desta correlação entre as temperaturas dos fumos e do metal, pode realizar-se previamente um período de aprendizagem em cada forno, apresentando os fornos que se encontram na indústria uma grande variedade.

Além disso, os diversos modos de transferência de calor não se prestam a uma solução fácil por modelização, e é possível um processo de aprendizagem, por exemplo, por redes de neurónios, sem exclusão de uma medida mais simples da diferença de temperatura entre o metal e os fumos.

Outras condições podem conduzir, na prática, a um sinal dCO/dt/dT/dt de valor positivo. É este o caso aquando da entrada em funcionamento dos queimadores sobre o metal quente, que se pode produzir, por exemplo, após um curto período de paragem dos queimadores, no seguimento de um sobreaquecimento dos refractários. Neste caso, o aumento de temperatura dos fumos não reflecte um desequilíbrio da combustão ou uma interacção química com a carga, mas simplesmente uma entrada de energia.

Todavia, se, ao mesmo tempo, for produzido monóxido de carbono CO, isto indica uma produção de óxido de alumínio no metal liquido quente, muito provavelmente sob o queimador. 20

Em seguida, quando a camada oxidada cobre o liquido, a oxidação abranda e o monóxido de carbono (CO) diminui. Um valor positivo de dCO/dt/dT/dt é então ainda um detector de oxidação.

Uma variante da invenção consiste em detectar a oxidação da superfície do alumínio por uma medição directa do teor de CO dos fumos, à qual se subtrai o teor de CO que o queimador teria produzido em condições semelhantes de temperatura e de injecção de oxidante e de combustível, na ausência de interacção com a carga. A realização prática implica um dispositivo em todos os aspectos semelhante ao apresentado na figura 1, mas adicionando-se ao meio de injecção de oxidante 15 um medidor de débito 21 e ao meio de injecção de combustível 17 um outro medidor de débito 23. Esta disposição está representada na figura 4.

Uma calibragem inicial do queimador permite determinar o teor de CO produzido pelo queimador isolado, determinando-se o teor de CO para diferentes valores de débito das injecções e de temperaturas dos fumos. Os referidos valores de CO medidos pelo dispositivo 10 são tabulados e introduzidos no computador 20.

Estes valores tabulados são subtraídos aos teores medidos por 10 durante a fusão do alumínio e nas mesma condições de débito de combustível, de débito de oxidante e de temperatura dos fumos. O valor assim obtido indica o teor de CO produzido pela reacção de oxidação entre o alumínio e o CO2, de acordo com a reacção

AI + 3 C02 = AI2O3 + 3 CO 21

Por razões semelhantes às descritas acima, convém validar esta detecção da oxidação por uma amostragem condicional da temperatura, uma vez que os produtos de pirólise libertados a baixa temperatura tornam a tabulação dos valores de CO inválida.

Uma terceira variante da invenção é obtida medindo-se o teor de H2 dos fumos, ao qual se subtrai o teor de H2 que o queimador teria produzido em condições semelhantes de temperatura e de injecção de oxidante e de combustível, na ausência de interacção com a carga. A realização prática implica um dispositivo em todos os aspectos semelhante ao apresentado na figura 4, mas adicionando-se aos meios de detecção da composição dos fumos um meio 19 de medição do teor de H2. Esta disposição está apresentada na figura 5.

Uma calibragem inicial do queimador permite determinar o teor de H2 produzido pelo queimador isolado, determinando-se o teor de H2 para diferentes valores do débito das injecções e da temperatura dos fumos. Os referidos valores de H2 medidos pelo dispositivo 10 são tabulados e introduzidos no computador 20.

Estes valores tabulados são subtraídos ao teor medido por 10 durante a fusão de alumínio e nas mesmas condições de débito de combustível, de débito de oxidante e de temperatura dos fumos. O valor assim obtido indica o teor de H2 produzido pela reacção de oxidação entre o alumínio e H20, de acordo com a reacção 2 AI + 3 H20 = A1203 + 3 H2 22

Por razões semelhantes às descritas acima, convém validar esta detecção da oxidação por uma amostragem condicional da temperatura, uma vez que os produtos de pirólise libertados a baixa temperatura tornam a tabulação dos valores de CO inválida. A medição de CO é preferida à de H2, porque a medição do teor de H2 é mais delicada de realizar, porque sendo o hidrogénio H2 solúvel no alumínio líquido, isto pode falsear a medição. No entanto, como a superfície de permuta entre a atmosfera e o metal líquido é limitada, a detecção da oxidação por H2 é possível, porque a medição de H2 é nítida e real, como o provam as figuras 6.

Estas figuras 6 apresentam valores dos registos temporais das concentrações de CO e de H2 no decurso de uma fusão num forno equipado com um queimador que funciona em modo de combustão com oxigénio. As curvas I representam os teores de CO e as curvas II os teores de H2. A figura 6.a corresponde a um nível de temperatura de fumos de 935°C e as figuras b e c a um nível de temperatura de 1080°C. A análise de fumos exposta acima pode ser utilizada como base para uma regulação de um processo de fusão do alumínio.

Após se ter introduzido o alumínio sólido num forno, realiza-se a sua fusão, no decurso da qual se detectam as variações de monóxido de carbono e da temperatura dos fumos que saem do forno.

Os sinais oriundos dos sensores 10, 12 e eventualmente 14, 16, 18, podem ser submetidos a um tratamento do sinal apropriado, e depois serem utilizados como entradas de um 23 processo de regulação. Todas estas operações podem ser realizadas com o auxílio de um computador 20.

Uma possibilidade de regulação é constituída pela redução da densidade da potência do queimador 24 aquando da detecção da oxidação, dando o computador 20, por exemplo, uma instrução aos meios de alimentação 15 e 17.

Uma outra possibilidade reside na modificação das relações dos débitos de combustível e de oxidante fornecidos ao queimador 24, ainda por acção sobre os meios 15 e 17. Habitualmente, esta composição é ajustada, quer para dar a potência máxima, com um pequeno excesso de oxigénio (teor de oxigénio nos fumos compreendido entre 0 e 2 a 3% de oxigénio), quer por utilização, em certos produtores, unicamente de queimadores de mistura pobre em oxigénio, assegurando assim a ausência de acesso directo do oxigénio ao alumínio. Obtém-se uma atmosfera de gás de combustão de carácter redutor deste tipo, quer fechando parcialmente o dispositivo 15 de injecção do oxidante, quer aumentando, se possível, a abertura do dispositivo de injecção de combustível 17. De um valor da relação do débito de oxidante para o débito de combustível de 100%, pode baixar-se esta relação a 70%. O revestimento do metal por uma atmosfera redutora, unicamente após a detecção da oxidação, permite realizar economias sobre o rendimento térmico quando não existem perdas de combustão.

Para este efeito, podem ser previstos meios (não representados na figura 1) para introduzir no forno um gás redutor deste tipo, por exemplo, meios de alimentação deste gás e uma conduta que introduz este gás no forno, sendo a 24 abertura da conduta comandada pelo computador 20 aquando de uma detecção da oxidação.

Com efeito, uma chama pobre em oxigénio produz monóxido de carbono CO, que contém uma parte de energia que não é transmitida à carga. Queimadores a oxigénio muito eficazes podem tolerar uma perda de energia desta natureza.

Um outro processo de regulação consiste, quando é detectado o inicio da oxidação, numa etapa de agitação do banho 4 por bombas 30 comandadas pelo computador 20.

Neste caso, a análise dos fumos pode também indicar se o nivel de potência de combustão acima do banho agitado pode ser aumentado ou deve ser reduzido.

Por outro lado, a análise dos fumos de acordo com a invenção, e a adição, no decurso do tempo, da quantidade de óxido produzido, podem ser utilizadas como ferramentas da tomada de decisões no que se refere à operação de escumação. A optimização da frequência da escumação é uma vantagem sob o ponto de vista do rendimento térmico (ausência de arrefecimento do interior do forno enquanto a porta não é aberta) e para o rendimento de metal (visto que se evitam acessos inúteis de ar ao metal quente).

Por fim, a análise de acordo com a invenção e, nomeadamente, a da concentração de vapor de água H20, pode ser utilizada para o diagnóstico do forno.

Um diagnóstico de entrada de ar é, com efeito, importante para o rendimento térmico e a avaliação do equilíbrio térmico. 25 A invenção tem aplicação no dominio da fusão de alumínio. Na indústria do alumínio secundário, uma melhoria de 1% da quantidade de metal produzido é equivalente a uma economia de 10% de energia.

Lisboa, 24 de Outubro de 2007

Claims (15)

1 REIVINDICAÇÕES 1. Processo para a fusão de alumínio, no qual: - se introduz alumínio sólido num forno (2), - se realiza a fusão do alumínio, para formar um banho de alumínio (4), - se mede a concentração de CO dos fumos e a sua temperatura, - se detectam as variações de concentração de monóxido de carbono (CO) e da temperatura nos fumos (6) que saem do forno, - se deduz destes valores a formação de óxidos de alumínio à superfície do banho de alumínio (4), sendo as variações de CO e da temperatura aquando de uma oxidação do alumínio no forno no mesmo sentido, ou tendo o mesmo sinal, - se regula o processo de fusão em função da formação de óxidos de alumínio.

2. Processo de acordo com a reivindicação 1, no qual se detecta, adicionalmente, a variação ou a formação de vapor de água (H20) e/ou do dióxido de carbono (C02) e/ou do oxigénio (02) .

3. Processo de acordo com as reivindicações 1 ou 2, no qual se realiza a comparação dos sentidos das variações da concentração de monóxido de carbono (CO) e da temperatura.

4. Processo de acordo com as reivindicações 1 ou 2, no qual se realiza o produto ou a relação das variações temporais da concentração de monóxido de carbono (CO) e da temperatura. 2

5. Processo para a fusão de alumínio, de acordo com uma das reivindicações 1 a 4, compreendendo, adicionalmente, as seguintes etapas: - a medição do débito de combustível e do débito de oxidante, - o estabelecimento da relação do débito de oxidante para o débito de combustível, para deduzir deste valor, com o auxílio de uma tabela de referência estabelecida por calibração do queimador, o teor de monóxido de carbono CO dos fumos que o queimador teria produzido sem a interacçâo com a carga.

6. Processo de acordo com a reivindicação 5, no qual se mede o teor de monóxido de carbono CO nos fumos, do qual se subtrai o valor do teor de monóxido de carbono que o queimador produz na ausência de carga, e se deduz deste valor a quantidade de óxido de alumínio formado.

7. Processo para a fusão de alumínio, de acordo com uma das reivindicações de 1 a 4, no qual: - se mede, adicionalmente, o débito de combustível e o débito de oxidante, - se estabelece a relação do débito de oxidante para o débito de combustível, para se deduzir deste valor, com o auxílio de uma tabela de referência estabelecida por calibração do queimador, o teor de hidrogénio Eh dos fumos que o queimador teria produzido sem a interacçâo com a carga.

8. Processo de acordo com a reivindicação 7, no qual se mede nos fumos o teor de hidrogénio H2, do qual se subtrai o valor do teor de hidrogénio que o queimador produz na ausência de carga e se deduz deste valor a quantidade de óxido de alumínio formado. 3

9. Processo de acordo com uma das reivindicações 1 a 8, no qual se determina, adicionalmente, se a temperatura do banho é superior à temperatura da pirólise dos revestimentos e das pinturas do alumínio.

10. Processo de acordo com uma das reivindicações 1 a 9, no qual o monóxido de carbono (CO) e/ou o vapor de água (H20) e/ou o dióxido de carbono (CO2) e/ou o oxigénio (O2) são detectados com o auxílio de um ou de vários díodos laser (10, 14, 16, 18).

11. Processo de acordo com uma das reivindicações anteriores, no qual, no seguimento de uma detecção da formação de óxidos de alumínio, se reduz a potência de pelo menos um queimador (24) que serve para realizar a fusão do alumínio.

12. Processo de acordo com uma das reivindicações 1 a 11, no qual, no seguimento de uma detecção da formação de óxidos de alumínio, se modifica a estequiometria de pelo menos um queimador (24) que serve para realizar a fusão do alumínio.

13. Processo de acordo com uma das reivindicações 1 a 12, no qual, no seguimento de uma detecção da formação de óxidos de alumínio, se realiza uma agitação do banho de alumínio.

14. Processo de acordo com uma das reivindicações 1 a 13, no qual, no seguimento de uma detecção da formação de óxidos de alumínio, se efectua uma operação de escumação da superfície do banho de alumínio. 4

15. Processo de acordo com uma das reivindicações 1 a 14, no qual, no seguimento de uma detecção da formação de óxidos de alumínio, se introduz uma atmosfera redutora no forno. Lisboa, 24 de Outubro de 2007