PT1613895E - Um forno, seu método de funcionamento e controlo - Google Patents

Description

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DESCRIÇÃO "UM FORNO, SEU MÉTODO DE FUNCIONAMENTO E CONTROLO"

Campo da Invenção A presente invenção refere-se a um forno, seu método de funcionamento e controlo.

Mais especificamente a invenção refere-se a um forno, a um método de funcionamento do forno e a um método de controlo do forno para recuperar metais não ferrosos, como por exemplo, e sem limitação: cobre, chumbo e aluminio. A invenção é particularmente adequada para a recuperação de aluminio.

Antecedentes

Os fornos para a recuperação de metais, como por exemplo o aluminio, são bem conhecidos. Existe uma procura cada vez maior para este tipo de fornos uma vez que a legislação tende a incentivar a recuperação e reciclagem de materiais, especialmente de resíduos de metais. A recuperação de resíduos de metais, em vez da mineração e fundição do minério virgem, também beneficia o ambiente. No caso do alumínio é especialmente adequado misturar-se material de alumínio novo ao alumínio recuperado (de resíduos).

Para os objectivos da presente especificação, e para se compreender a invenção, o forno e os métodos de funcionamento e controlo do mesmo serão descritos relativamente ao caso da recuperação do alumínio. Contudo, compreender-se-á que é possível variar os materiais, condições de funcionamento e parâmetros para 2 modificar o forno para se poder recuperar outros metais não ferrosos.

Os fornos de recuperação de resíduos de alumínio possuem um sistema de aquecimento que funde o alumínio. No forno é introduzido um fundente que ajuda a recuperar o alumínio. 0 fundente consiste em geral em NaCl e KC1 e a ele podem ser adicionados outros compostos químicos, como por exemplo, a criolite. 0 fundente ou mistura de sais auxilia o processo e é uma técnica bem conhecida. A alta temperatura, tipicamente entre 200°C e 1000°C, o fundente fundido flutua sobre o alumínio fundido por ser menos denso. 0 vazamento do alumínio líquido recuperado é então possível reclinando ou inclinando o forno de tal modo que o fundente permaneça no forno. Técnica Anterior

Os fornos de recuperação de metal existentes possuem um corpo substancialmente cilíndrico articulado sobre uma base de tal modo que pode movimentar-se de uma primeira posição predeterminada, geralmente horizontal, da fase de aquecimento (enquanto o alumínio é fundido) para uma segunda posição inclinada de vazamento, na qual o alumínio fundido pode ser vazado. Nalguns fornos existentes o corpo possui uma extremidade aberta afunilada para o interior do forno. 0 forno é carregado com os resíduos de alumínio e o alumínio fundido é vazado pela extremidade aberta do forno. 0 Pedido de Patente Europeia EP-A3-1243663 (Linde AG) descreve um exemplo de um forno de recuperação de metal com uma extremidade aberta afunilada para o interior do forno. É descrito um processo de fusão de sucata de alumínio contaminada. 0 processo compreende: a medição do teor de oxigénio do gás residual produzido na fusão da 3 sucata; e a utilização desse valor como parâmetro de controlo durante a pirólise das impurezas e/ou durante a fusão do alumínio.

Outros tipos de fornos foram instalados com uma ou mais portas do forno. A(s) porta(s) do forno situava(m)-se do lado da extremidade aberta (vazamento) do forno. Por vezes as portas do forno suportavam um aquecedor do forno. A(s) porta(s) estava(m) articulada(s) num ponto fixo separado do corpo cilíndrico do forno. Portanto, só era possível fechar as portas do forno quando o corpo cilíndrico do forno estivesse numa posição predeterminada.

Um requisito era que o forno podia adoptar uma posição predeterminada para reter o metal fundido. 0 facto de os fornos existentes terem de adoptar esta posição significava que só era possível operar o forno para um ângulo determinado. Isto era até certo ponto mitigado utilizando uma extremidade aberta afunilada para o interior do forno que definia um reservatório no interior deste no qual fluía o alumínio fundido. Quando era necessário vazar o alumínio fundido, por exemplo para dentro de um canal (recipiente refractário), o fundente era por vezes vazado juntamente com o material fundido porque era difícil separar o fundente do alumínio fundido. Uma das razões para isto acontecer assenta no facto de os fornos existentes terem de ser inclinados até um ângulo tal que originasse ou possibilitasse o vazamento do alumínio fundido. Consequentemente, por vezes vazava-se uma mistura de fundente e alumínio fundido sendo frequentemente necessário um raspador para separar os dois. Além disto a extremidade afunilada também reduzia, até certo ponto, o tamanho da extremidade 4 aberta do corpo do forno, limitando assim o tamanho dos objectos que podiam constituir a carga do forno.

Com a porta do forno fechada não era possível ver o processo de fusão. A abertura involuntária da porta originava uma reacção exotérmica que provocava a oxidação do alumínio por reacção com o excesso de oxigénio. 0 documento US-B-6 213 763 (LaVelle) descreve um forno rotativo que inclui um tambor e uma armação. A armação e o tambor estão suportados de modo a permitir um movimento de rotação em torno de um eixo de rotação horizontal. 0 Pedido de Patente nos Estados Unidos US-A-2002/074700 (Mansell) divulga um método de reciclagem de sucata metálica por fusão desta para separar o metal da sucata. 0 método inclui um forno que pode rodar e inclinar-se para várias posições. A invenção proporciona um forno que resolve os problemas associados aos fornos existentes.

Outro objectivo da invenção é proporcionar um forno com uma taxa de recuperação de resíduo metálico superior à que se tem conseguido até agora.

Sumário da Invenção

De acordo com a presente invenção oferece-se um forno compreendendo: um corpo do forno substancialmente cilíndrico com uma extremidade aberta e uma extremidade fechada, uma armação articulada a um elemento no solo, em que a referida armação suporta o corpo do forno para uma rotação em vários ângulos numa posição reclinada (a) em relação à extremidade aberta e a um ângulo de inclinação (β) em relação à extremidade aberta, um queimador para 5 aquecer o forno e pelo menos uma porta articulada disposta de modo a fechar a extremidade aberta do forno, em que a porta ou cada porta está articulada na estrutura e pode inclinar-se e reclinar-se em sintonia com a subida ou descida do forno, caracterizado por as paredes do interior do forno serem substancialmente paralelas e cilíndricas.

Em consequência do diâmetro substancialmente constante das paredes internas do cilindro do forno, já não é necessário inclinar o forno a um ângulo tão exagerado para vazar o metal fundido. Além disto, depois de vazado consegue-se obter uma percentagem muito maior de metal fundido porque já não fica um resíduo retido no interior do forno devido à existência de um lábio ou garganta do forno.

De um modo ideal, a porta está articulada à armação que suporta o forno podendo movimentar-se simultaneamente com a inclinação do forno (elevação e abaixamento) do forno. Uma vantagem subsequente é o facto de as portas se manterem sempre juntas à boca do forno. Isto resulta em dois benefícios: em primeiro lugar, o risco de entrada de oxigénio no forno (que podia contaminar a atmosfera do forno) é mais reduzido e em segundo lugar as perdas de calor são reduzidas porque o forno se mantém fechado durante o seu funcionamento. Deste modo o rendimento aumenta porque é necessário menos energia para fundir o alumínio. Portanto, é evidente que esta invenção oferece um processo económico (e mais rentável) para a recuperação do alumínio.

Preferencialmente a porta, ou cada uma das portas, possui uma ou mais portas de inspecção para se poder observar o processo de fusão e/ou através da qual se pode vazar o 6 material fundido. Uma vez que a área da porta de inspecção, ou de cada uma das portas de inspecção, é mais pequena do que a da própria porta, a fuga de energia quando se inspecciona o interior do forno é menor.

Vantajosamente a porta, ou cada uma das portas, é constituída por duas metades articuladas a cada um dos lados da armação. Num exemplo de uma forma de realização da invenção as articulações actuam como condutas de alimentação de ar/combustível integradas permitindo fechar as portas do forno e aquecer o forno com uma atmosfera controlada.

Preferencialmente o aquecedor é um queimador a gás montado na porta, como se descreve a seguir. Numa realização preferida da invenção o ar de combustão é encaminhado para o queimador através da articulação da porta do forno. 0 sistema de alimentação de ar e de gás combustível (tubagem de ar e de gás) está ligado ao forno e também pode ser inclinado e movimentar-se com o forno. Isto consegue-se usando ligações de fluido em cotovelo e/ou rotativas que utilizam juntas rotativas estanques ao gás.

Um forno pode compreender: um corpo substancialmente cilíndrico com uma extremidade aberta e uma extremidade fechada de diâmetro substancialmente constante; uma armação articulada a um elemento no solo em que a referida armação suporta o corpo do forno para permitir a rotação a vários ângulos numa posição reclinada em relação à extremidade aberta e numa posição inclinada na direcção da extremidade aberta, na qual existe uma porta que se abre e fecha em torno de uma articulação, e um queimador para aquecer o forno, em que a alimentação de ar e/ou gás do queimador é efectuada por meio de um 7 colector suportado pelas articulações ou passando por elas.

Isto consegue-se usando ligações de fluido em cotovelo e/ou rotativas que utilizam juntas rotativas estanques ao gás. Em consequência, o sistema de alimentação de ar e de gás combustível (tubagem de ar e de gás) pode inclinar-se e movimentar-se juntamente com o forno.

Idealmente o queimador está montado numa porta de tal modo e a um ângulo tal que um jacto de gás do queimador não incide sobre a carga útil de material que está a ser processada. Uma vantagem desta montagem é que o calor nunca é directamente aplicado sobre a carga útil do forno. Portanto, ao contrário dos fornos existentes, o risco de oxidação do metal fundido a recuperar é menor. Como corolário, há um aumento ainda maior do rendimento.

De um modo conveniente, o queimador é do tipo de alta velocidade, mas podem ser utilizados outros tipos de queimadores. Tipicamente a capacidade térmica do queimador é determinada pelo tamanho e capacidade de produção do forno, mas em geral não é inferior a 1.200 kW. O ângulo do queimador montado na porta ou portas do forno é tal que assegura uma transferência de calor óptima para o interior do refractário e do material que está a ser processado e, de um modo ideal, dirige o jacto para a parede do fundo do interior do corpo do forno.

De preferência, o forno está dotado de uma abertura de exaustão. Para controlar a pressão dentro do forno existe um jacto de ar ou uma cortina de ar ao longo da abertura de exaustão. 0 jacto de ar ou a cortina de ar permite equilibrar a pressão da atmosfera interna do forno relativamente à atmosfera exterior. Esta caracteristica aumenta o rendimento e a recuperação de energia porque a cortina de ar efectivamente veda o forno, reduzindo deste modo o oxigénio presente na atmosfera interior e, portanto, reduzindo a oxidação. Além disto, devido ao efeito de vedação o forno perde menos energia, por exemplo, em consequência de perdas por convecção. Assim, a cortina de ar do escape da porta do forno ajuda a controlar a pressão e as condições do forno. A cortina de ar é preferencialmente dimensionada e disposta de acordo com o tamanho e a aplicação do forno. A seguir descreve-se um sistema de controlo de inteligência artificial, tal como um sistema de controlo de rede neuronal de lógica difusa, que controla variáveis e subvariáveis importantes do processo.

De um modo conveniente, estão incluídos um ou mais sensores que detectam a temperatura de um revestimento refractário e do material fundido.

Os sensores de temperatura das portas do forno estão dirigidos para os revestimentos refractários e/ou para o material a ser processado para medir a temperatura do refractário e do material a ser processado. 0 conhecimento da temperatura da superfície externa do forno e da distribuição de calor ao longo desta superfície possibilita um controlo maior do regime de aquecimento.

Uma multiplicidade de sensores, colocados numa relação entre si conhecida, permite obter a média da temperatura do forno, assim como fornecer informação importante sobre os transientes térmicos da temperatura do forno. 9

De um modo conveniente, um anel circunferencial suporta uma engrenagem dentada ligada a um sistema de accionamento. 0 sistema de accionamento pode compreender um motor de accionamento ou ser accionado por corrente e está adaptado de modo a engatar em rodas de corrente ou dentes de engrenagem dispostos em redor de uma superfície externa do forno. Se for utilizada uma transmissão por corrente, o número ideal de dentes da roda de corrente no anel circunferencial em redor do perímetro do forno é igual a metade do passo da corrente. Isto reduz a resistência e o desgaste da corrente e portanto reduz a potência necessária do motor de accionamento. Além disto aumenta a vida útil da corrente e da roda de corrente.

Para assegurar uma adequação perfeita entre o anel circunferencial (pelo qual o forno roda) e a superfície externa do forno usam-se, idealmente, cunhas de empanque. Na situação ideal estas cunhas estão ligadas entre si por um elemento roscado que, quando apertado, faz com que a cunha aperte contra o anel e assegure um aperto forte concêntrico com as patilhas montadas sobre a superfície e com o anel. Isto é necessário devido à dilatação térmica diferencial que ocorre durante o ciclo de funcionamento do forno.

Na situação ideal o motor de accionamento pode rodar o forno a velocidades de rotação variáveis. A rotação do forno serve para agitar o material que está a ser processado e transferir o calor do refractário para o material. Na situação ideal a agitação é efectuada rodando o forno num sentido e no sentido oposto (isto consegue-se através da actuação rápida de um motor eléctrico de corrente alterna (CA)) a ângulos e 10 velocidades de funcionamento predeterminados e seleccionados. O motor eléctrico está ligado ao forno, como mencionado acima, quer por meio de uma ligação fixa como uma engrenagem ou um sistema de cremalheira e pinhão, ou idealmente por transmissão por corrente. A combinação de motor eléctrico, controlador do motor e mecanismo de ligação é doravante referido como sistema de rotação do forno. O sistema de rotação do forno é vantajosamente controlado para fins de travagem, por meio de um sistema de travagem dinâmica. Para controlar o motor na travagem é utilizado um inversor e como parte de um sistema de travagem dinâmica é injectada corrente continua (DC) de modo controlado. O sistema de travagem dinâmica envolve as etapas de: injecção de corrente continua (DC) sob controlo de um anel de realimentação, com base num sinal recebido de um ou mais sensores que detectam as caracteristicas de carga do forno. Estas caracteristicas de carga do forno incluem: o binário necessário e a suavidade da rotação. Para desacelerar rapidamente o forno, um controlador recebe um valor de DC baseado na configuração dos inversores e parâmetros e envia um sinal de realimentação que é utilizado para controlar o nivel e a taxa de injecção de DC para reduzir a velocidade do motor e/ou manter o motor com uma orientação determinada. 0 forno e o seu conteúdo são assim mantidos numa posição predeterminada. Uma vez que o metal fundido é mais denso que o fundente, o metal cai para uma área mais baixa do forno, da qual pode ser facilmente vazado ou rodado no sentido oposto para se conseguir uma mistura óptima do material do resíduo e do fundente (agitação). 11

Uma vez que as paredes do interior do forno são paralelas e cilíndricas e a porta do forno tapa a extremidade aberta do forno, é possível vazar o metal para um ângulo de vazamento inferior (ângulo de inclinação). Quando isto for necessário, o forno é inclinado de preferência estendendo dois cilindros ou macacos hidráulicos.

Um método de operação do forno pode compreender as etapas de: carregar o forno com uma mistura de fundente e de material a ser fundido, a partir do qual se deve recuperar o metal; aquecer a mistura até à fusão do metal; agitar a mistura para favorecer a aglomeração do metal fundido; e inclinar uma extremidade do forno para vazar o metal. 0 método de funcionamento do forno pode ser repetido reclinando para trás a extremidade elevada, introduzindo novo material para ser fundido, a partir do qual se deve recuperar o metal, agitando a mistura para favorecer a aglomeração e elevando uma extremidade do forno para vazar o metal recuperado. 0 ângulo de inclinação é de preferência inferior a 20°, com mais preferência para um ângulo de inclinação inferior a 15°, sendo ainda mais preferido um ângulo de inclinação inferior a 10°.

Um método de controlo do forno pode compreender as etapas de: aquecer o forno de modo controlado, controlando pelo menos as seguintes condições: temperatura; massa da carga útil; viscosidade da carga útil; tempo necessário para atingir a viscosidade; teor de oxigénio da atmosfera do forno; taxa de aplicação de energia e energia cumulativa aplicada. 12 A porta, ou portas, do forno está(estão) dotada (s) de portas de inspecçâo que podem ser abertas durante o processo para verificar o estado do material que está a ser processado com um minimo de fuga de energia. Contudo, a monitorização das variáveis acima mencionadas é efectuada idealmente por meio de uma multiplicidade de sensores e de um sistema remoto de aquisição de dados, tal como um sistema de Supervisão de Controlo e Aquisição de Dados (Supervisory Control And Data Acquisition -(SCADA). Na situação ideal o sistema SCADA está incorporado no sistema de equipamento de controlo do forno e recolhe e analisa todos os dados do forno e entradas e saidas de controlo. A utilização de sistemas SCADA permite diagnóstico do processo on-line e suporte de acesso remoto. Este aspecto da invenção melhora a monitorização on-line e o arquivo electrónico. De preferência à utilização de redes de cablagem de almas múltiplas usa-se idealmente um sistema de cablagem bus dedicado para dados de comunicação em campo, por exemplo, Profi-Bus (marca registada). As caixas de controlo remoto e local recebem e codificam sinais para os sensores do processo que idealmente estão posicionados de modo a medir as variáveis do processo incorporadas no sistema de controlo do processo do forno, por exemplo, e sem limitação, as temperaturas da superfície externa do forno, as temperaturas do refractário e os caudais e pressões de gás combustível e de ar. 0 ângulo da armação é de preferência alterado por meio de cilindro(s) hidráulico(s) para suportar o corpo durante a rotação a vários ângulos, numa posição inclinada para trás em relação à extremidade aberta e numa posição inclinada para frente em relação à extremidade aberta. Os 13 cilindros hidráulicos são idealmente do tipo água-glicol resistentes ao calor. A armação está de preferência articulada a um elemento no solo, de tal modo que o eixo de rotação está alinhado com um lábio de vazamento da extremidade aberta do corpo do forno. 0 forno está de preferência adaptado para recuperar resíduos de alumínio.

Tudo o que foi descrito acima contribui para a obtenção de maiores rendimentos de recuperação, menor consumo de energia, menor consumo de fundente e tempos de ciclo mais rápidos. A Figura 1 é uma vista em perspectiva de uma forma de realização preferida de um forno (com a porta removida) mostrando um corpo do forno, uma armação de suporte e um sistema de accionamento; A Figura 2 é uma vista lateral do forno ilustrado na Figura 1, com o forno fazendo um ângulo de inclinação (a) ; A Figura 3 é uma vista lateral do forno ilustrado na Figura 1, com o forno numa posição elevada para inclinação ou vazamento fazendo um ângulo de inclinação (β); A Figura 4 é uma vista de um corte parcial ao longo da linha X-X da Figura 5, mostrando um corte através de uma de, tipicamente, 18 cunhas de empanque assentes contra um "pneu" de aço que rodeia o forno; 14 A Figura 5 é uma vista ao longo da seta Y da Figura 4, mostrando uma vista em plano de uma das cunhas de empanque assentes contra o "pneu" de aço que rodeia o forno; A Figura 6A é uma vista frontal da porta do forno;

As Figuras 6B e 6C são vistas laterais da porta do forno; A Figura 6D é uma vista esquemática do plano acima das portas do forno (nas posições aberta e fechada), de modo a ilustrar os colectores rotativos de admissão de ar e de gás; A Figura 7a é uma estrutura do sistema que ilustra os processos de fluxo de inferência lógica "difusa" para alguns exemplos e (sem limitação) etapas de decisão chave de um sistema de inteligência artificial; A Figura 7b é um diagrama que ilustra funções de afiliação, por exemplo, de algumas variáveis e (sem limitação) algumas etapas de decisão chave de um sistema de inteligência artificial; e A Figura 7c é um fluxograma que ilustra o controlo de realimentação do sistema de inteligência artificial para as alimentações de gás e de ar do forno e que mostra como aumentar e reduzir a temperatura do forno.

Referindo-nos às figuras de modo geral e às Figuras 1 a 3 em particular, oferece-se um forno 1. 0 forno 10 possui um corpo do forno 12 substancialmente cilíndrico de diâmetro externo e diâmetro interno substancialmente constantes em consequência de possuir paredes laterais paralelas. O corpo do forno 12 tem uma extremidade 15 fechada 13 e uma extremidade aberta 14. 0 corpo 12 pode ser construído de aço e revestido internamente por revestimento refractário ou tijolos refractários, como é bem conhecido neste domínio. STEIN 60 P (marca comercial) e NETTLE DX (marca comercial) são exemplos de revestimentos ou tijolos refractários. A armação 15 é fornecida com o fim de suportar o corpo do forno 12 para este rodar no sentido do relógio e no sentido de contra-relógio, como indicado pelas setas A. Para rodar o corpo 12, a armação 15 pode incluir rodas de suporte sobre as quais se apoia o corpo 12 e um motor 20 que acciona um anel dentado 22 situado sobre o corpo 12. O motor 20 transmite um binário para o anel dentado por meio de uma corrente 24. A armação 15 está articulada a um elemento de suporte no solo constituído por pés 16A e 16B fixos ao solo, que proporcionam um eixo de rotação "Z-Z". 0 ângulo da armação pode ser alterado relativamente aos pés 16a, 16b de modo que a armação 15 pode suportar o corpo 12 para rodar a vários ângulos (a) a partir da posição horizontal, numa posição reclinada para trás em relação à extremidade aberta (boca do forno) e (β) numa posição inclinada para a frente em relação à extremidade aberta. O ângulo de inclinação da armação é alterado por meio de cilindros hidráulicos 16c, 16d. Os cilindros hidráulicos são, idealmente, do tipo água-glicol resistentes ao calor. O corpo do forno 12 possui um lábio de vazamento 17 no ponto inferior da extremidade aberta 14 e o eixo de rotação "Z-Z" está alinhado com o lábio de vazamento 17 situado na extremidade aberta 14 do corpo do forno 12. 16

Como ilustrado nas Figuras 6a, 6b e 6c, a armação 15 possui numa extremidade uma estrutura de suporte da porta 15a na qual está articulada uma porta 18 para vedar a extremidade aberta 14. A porta 18 possui duas portas 19a e 19b articuladas a lados opostos da estrutura de suporte da porta 15a. As portas podem rodar, afastando-se da extremidade aberta 14 para permitir que a carga seja introduzida no forno ou que o metal fundido seja vazado, ou aproximando-se da extremidade aberta 14 para a vedar. Na prática existe uma folga entre as portas e a extremidade aberta 14 quando as portas vedam a extremidade aberta. A porta 19b está dotada de um queimador 30. O queimador 30 pode ser alimentado com combustível (como gás natural) e ar através de um tubo de alimentação ou conduta 31, sendo o gás fornecido por meio de uma junta rotativa de gás 32 e o ar fornecido por meio de uma junta rotativa de ar 33. O tubo de alimentação 31, a junta rotativa de gás 32 e a junta rotativa de ar 33 são colectivamente designados por sistema de alimentação de combustível 35. O alcance dos gases de combustão do queimador 30 pode ir até 4 m ou mesmo 6 m em fornos mais compridos. Uma vez que o sistema de alimentação de gás é efectivamente capaz de se movimentar em dois planos ortogonais, por meio das juntas rotativas 32 e 33, é possível abrir a porta (ou cada uma das portas) do forno assim como inclinar o forno sobre os cilindros hidráulicos 16c e 16d, com o(s) queimador(es) 30 em funcionamento.

Cada uma das portas 19a e 19b possui uma porta de inspecção 34a e 34b para se observar o processo de fusão e/ou através da qual o material fundido pode ser vazado. 17

Isto representa uma vantagem em relação aos fornos da técnica anterior, como se explicou acima. São fornecidos sensores de temperatura (não ilustrados) para se detectar a temperatura de um revestimento refractário e do material fundido. Os sensores estão instalados no exterior do corpo do forno 12. Na situação ideal uma porta está equipada com uma abertura para o sensor poder "ver" o interior do forno 10. Como opção pode ser proporcionada uma camisa de refrigeração a ar (não ilustrada) para permitir que os sensores de temperatura funcionem a temperaturas ambientes baixas para evitar danificá-los. A camisa de refrigeração a ar também actua como purga para manter os sensores e outra instrumentação isenta de poeira e fumos e com boa visibilidade.

Cada porta 19a e 19b está equipada com cortinas de ar 45a e 45b. As cortinas de ar 45a e 45b permitem obter um equilíbrio preciso da pressão da atmosfera do interior do forno. A pressão diferencial entre a pressão da atmosfera do interior do forno e a pressão exterior (ambiente) pode ser rigorosamente controlada equilibrando a(s) cortina (s) de ar ao longo da abertura de escape 80. O forno 10 possui uma abertura de escape 80 na porta (ou portas) e é fornecido um jacto de ar 50 para controlar a pressão do forno. A percentagem de oxigénio na atmosfera do forno 10 é idealmente 0% e esta variável é controlada reduzindo a razão entre o caudal mássico de ar e o caudal de combustível. Mantendo a percentagem de oxigénio neste nivel, ou próximo dele, reduz-se o risco de oxidação do 18 alumínio quando este se torna plástico e, consequentemente, o rendimento aumenta.

Idealmente o forno 10 está adaptado para recuperar resíduos de alumínio e portanto durante a sua utilização é carregado com NaCl e KC1 e nalguns casos com pequenas quantidades de outros compostos químicos como a criolite, para auxiliar o processo de recuperação do alumínio.

Durante a sua utilização o corpo 12 do forno 10 é inclinado para trás em relação à extremidade aberta, de modo que a extremidade fechada fica mais baixa que a extremidade aberta. Nesta posição diz-se que o forno está inclinado para trás. As portas 19a e 19b podem rodar afastando-se da extremidade aberta 14 para possibilitar a introdução da carga no corpo do forno 12. A extremidade aberta larga facilita este processo. As portas 19a e 19b em seguida podem rodar na direcção da extremidade aberta 4 para a vedar. Em seguida opera-se o queimador 30 para fundir o metal carregado no corpo 12.

Uma vez que o corpo 12 está inclinado para trás, o metal fundido não é vazado da extremidade aberta. Assim evita-se a necessidade de o forno ter uma pequena extremidade afunilada, como acontece com os fornos da técnica anterior, o que facilita o carregamento do forno, possibilita o uso de cargas de objectos grandes e, o que é ainda mais importante, facilita o vazamento total do metal fundido. Uma vez que as portas 19a e 19b estão articuladas na armação 15, elas podem fechar-se para qualquer ângulo de inclinação (a ou β) do corpo do forno. Mais tarde as portas 19a e 19b podem rodar afastando-se da extremidade aberta 14 para deixar vazar o metal fundido. 19

Na reciclagem de metais como o alumínio existem diversas variáveis diferentes. Estas incluem: tipo de fundentes e percentagem dos mesmos, calor aplicado (a sua duração e temperatura) , perdas de metal fundido, método de carregamento do forno, tipos e peso de material a processar, estado do fundente usado e dos óxidos residuais, velocidade de rotação e direcção do corpo do forno e ângulo de inclinação. Outras variáveis que podem ser usadas na operação e controlo do forno incluem: caudal mássico de ar comprimido, temperatura atmosférica, valor calorífico do combustível de alimentação e taxa de alimentação de combustível.

As variáveis acima mencionadas, e possivelmente outras variáveis, por exemplo quando se recuperam outros metais, são idealmente controladas por um sistema de gestão do forno que incorpora um processador (tal como um microprocessador de um computador pessoal), que também pode fazer parte do forno da presente invenção. A carga de choque do motor de accionamento 20 pode ser monitorizada usando a actual informação de realimentação fornecida pelo controlador (não ilustrado) do motor de accionamento 20. A natureza da actual realimentação resultante do accionamento do motor 20 para rodar o forno 10 com lingotes sólidos, resíduos e pedaços de sucata metálica tem tendência a ser irregular. Assim que o material funde e o material fundido se aglomera, as características de rotação do forno 10 passam a ser muito mais suaves e os transientes de carga do motor 20 são reduzidos até eventualmente desaparecerem quando se atinge o estado estacionário. Os dados relacionados com esta informação podem ser utilizados com outras variáveis para determinar a altura óptima de vazamento do alumínio. 20

Os valores das variáveis operacionais na técnica anterior eram determinados ao longo do ciclo do processo por operadores do forno experientes, tendo cada operador as suas preferências pessoais para cada valor ou gama de valores da variável. Portanto verificava-se uma perda de consistência dos valores das variáveis durante o ciclo do processo, com uma variação correspondente das taxas de recuperação de metal. O controlo e a monitorização das variáveis contribuem directamente para a obtenção das maiores taxas de recuperação possíveis. Tal como acontece com muitos sistemas de engenharia, nem sempre é possível optimizar todas as variáveis no mesmo instante durante o processo de recuperação. Por exemplo, demasiada alimentação de calor quando o alumínio se encontra no estado plástico ou fundido tende a provocar a oxidação do alumínio devido à sua afinidade para com o oxigénio. Isto reduz grandemente o rendimento da recuperação. A quantidade de oxigénio no queimador 30 é idealmente reduzida em certas etapas do ciclo do processo para maximizar a recuperação. Contudo, isto acontece frequentemente em detrimento do custo do combustível. Portanto, as variáveis necessitam de ser cuidadosa e continuamente monitorizadas durante todo o processo.

Operadores experientes obtêm taxas de recuperação variáveis. Monitorizando as variáveis e utilizando um sistema de inteligência artificial com intervalos de variáveis optimizados, o aspecto da invenção que assegura que os valores das variáveis são sempre optimizados remove as inconsistências da operação do forno e melhora os rendimentos. 21 A seguir apresenta-se uma lista de algumas das variáveis do processo gue são monitorizadas na reciclagem do alumínio: 1. 0 tipo de fundente utilizado e a percentagem de mistura de fundente em termos de cloreto de sódio (NaCl) e de cloreto de potássio (KC1). A percentagem de fundente utilizado por tipo de metal processado; por exemplo, os recipientes de bebidas esmagados podem necessitar de mais fundente do que, por exemplo, um bloco sólido grande de motor. 0 processamento de escória requer em geral mais fundente do que, por exemplo, a sucata normal de alumínio. 2. A temperatura do fundente necessita de ser controlada durante o processo, assim como o instante em que se introduz novo fundente e a percentagem deste. Idealmente também se determina quando é que o fundente está usado. 3. A quantidade de calor necessária para processar diferentes tipos de produtos é uma variável importante. Os requisitos de temperatura para diferentes tipos de produtos podem ser guardados, por exemplo, em tabelas de consulta e utilizados para calcular o tempo necessário para aquecer diferentes tipos de produto. 4. As temperaturas dos gases de exaustão para as diferentes ligas são monitorizadas para fornecer uma indicação da extensão de um processo. 5. As perdas de material fundido (a quantidade de alumínio perdida durante o processo) fornecem uma indicação do rendimento da recuperação de um processo. Os conhecimentos das técnicas anteriores relativos a diferentes perdas de material fundido por tipo de liga 22 processada podem ser utilizados para aumentar o rendimento da recuperação. 6. 0 efeito da temperatura sobre diversas ligas; o efeito do tempo e temperatura necessários para as diferentes ligas. 7. 0 método de carregamento do material do processo varia conforme a carga for densa ou leve e com os efeitos da mesma. Pesos em percentagem do produto carregado no forno para se obterem os melhores resultados na recuperação. 8. Estado do fundente usado e dos óxidos residuais, assim como a quantidade de alumínio contida no fundente usado. 0 estado do fundente usado, óxidos residuais e a quantidade de alumínio contida nos mesmos é uma variável do processo que também é influenciada por outras variáveis do processo. Portanto, é vantajosa a monitorização do estado e a realimentação da informação para o sistema de controlo. 9. Velocidade de rotação e ângulo de inclinação do forno. A velocidade de rotação do forno permite a utilização de vários produtos. Direcção de rotação do forno (no sentido retrógrado ou directo) durante o processo. 0 ângulo de repouso durante o ciclo do forno é tipicamente um valor entre 0 ° e 20°.

Relativamente às Figuras 7a, b e c, pelo menos algumas das variáveis acima mencionadas, assim como outras listadas abaixo, são identificadas como importantes para a taxa de recuperação e rendimento do alumínio. As variáveis (listadas sem qualquer ordem de importância) são: a temperatura do refractário, tempo do ciclo, taxa de recuperação, temperatura do metal, fundente, 23 alimentação de calor, velocidade de rotação, tipo de material e liga, método de carregamento do forno e ângulo de inclinação do forno. Cada uma das variáveis principais mencionadas acima possui subvariáveis relacionadas. Por exemplo, a variável principal refractária depende das seguintes subvariáveis: temperatura do refractário, alimentação de calor total e duração da alimentação de calor. A temperatura da superfície externa do forno depende da temperatura do refractário, da relação entre a temperatura do refractário e a temperatura da superfície externa do forno no decorrer do tempo, da variação da temperatura do refractário quando se vaza o metal, da variação da temperatura do refractário quando se carrega o metal no forno e da temperatura do refractário durante a fusão do fundente.

Em resumo, pode haver dez ou mais variáveis principais e diversas subvariáveis das quais dependem as variáveis principais que contribuem para a obtenção das taxas de recuperação máximas possíveis. Há muitos tipos de ligas diferentes que podem ser processadas e todas elas requerem parâmetros individuais para a optimização das taxas de recuperação. Não é possível optimizar todas as variáveis ao mesmo tempo durante o processo; por exemplo, uma alimentação excessiva de calor quando o alumínio se encontra no estado plástico ou fundido origina a oxidação do alumínio devido à sua afinidade para com o oxigénio e, portanto, reduz muito a recuperação, o que afecta o tempo de ciclo do processo. A quantidade de oxigénio no queimador deve ser reduzida em determinadas etapas do ciclo do processo para maximizar a recuperação, mas em detrimento do custo do combustível e do tempo do ciclo.

Portanto, as variáveis têm de ser optimizadas sempre que possível no decorrer de todo o processo. Anteriormente os 24 valores das variáveis operacionais eram determinados pelos operadores do forno durante todo o ciclo do processo e cada operador tinha as suas preferências pessoais para o valor de cada variável. Portanto verificava-se uma perda de consistência dos valores das variáveis durante o ciclo do processo. Consequentemente, as taxas de recuperação do metal variavam. 0 aspecto do controlo da invenção identifica subvariáveis dentro das variáveis principais e prevê (por exemplo, usando algoritmos ou tabelas de consulta) o impacto das variáveis principais e das subvariáveis no processo global. Alternativamente, ou além de se usar um microprocessador, utiliza-se idealmente inteligência artificial (por exemplo, na forma de uma rede neuronal ou de regras de lógica difusa) para monitorizar e controlar o funcionamento do forno.

Passa-se agora a descrever, apenas a titulo de exemplo, uma variável que é controlada, referindo-nos para isso particularmente às Figuras 7b e 7c. A variável em questão é a temperatura da superfície externa do forno. Os sensores 100, 102 e 104 detectam a temperatura em três locais independentes da superfície do corpo do forno 12. A informação relacionada com as temperaturas nestes locais é transmitida a um sistema SCADA 119 directamente ou por meio de um bus resistente ao ruído. Os dados relacionados com estas variáveis e outras variáveis são transmitidos ao microprocessador 120. O microprocessador 120, sob o controlo de software adequado, extrai a informação de uma tabela de consulta 140 ou de um armazenamento 130 de dados de funções afiliadas. Os dados de funções afiliadas são derivados do conhecimento das características de um sistema ou podem ser obtidos por 25 interpolação, por exemplo, a partir de informação gráfica do tipo ilustrado na Figura 7b. Isto pode ser efectuado digitalmente. Utilizando redes lógicas difusas, do tipo ilustrado na Figura 7a, o microprocessador 120 calcula, neste caso especifico, gualguer variação ou redução do caudal de ar e/ou gás (combustível) necessária para alterar a temperatura interna do forno 10.

Os sinais de controlo gerados pelo microprocessador 120 são transmitidos à bomba pneumática 150 e à alimentação de gás 160 através das linhas de controlo LI e L2, respectivamente. Assim, neste exemplo específico o conhecimento das temperaturas da superfície externa do forno Tl, T2 e T3 pode ser utilizado juntamente com o sistema de controlo 200 para aumentar a temperatura interna do forno (e portanto a temperatura do conteúdo do forno) introduzindo mais energia por meio do gueimador 30. A Figura 7b é uma representação gráfica de uma estrutura do sistema que identifica o fluxo de inferência lógica difusa das variáveis de entrada para as variáveis de saída. O processo traduz os sinais de entrada analógicos em valores "difusos" nas interfaces de entrada. A inferência "difusa" ocorre nos chamados blocos de regras que contêm regras de controlo linguísticas. Estas podem variar em função do sistema exclusivo específico. A saída destes blocos de regras é conhecida por variáveis linguísticas.

Na etapa de saída as variáveis "difusas" são traduzidas para variáveis analógicas que podem ser utilizadas como variáveis alvo em relação às quais o sistema de controlo é configurado para accionar determinada peça de hardware 26 como a bomba 150, o motor 20 ou a válvula 165 da linha de alimentação de gás 166. A Tabela 1, juntamente com as Figuras 7a e 7b, mostra como se deriva o sistema "difuso" incluindo as interfaces de entrada, blocos de regras e interfaces de saída.

As linhas de ligação da Figura 7a simbolizam graficamente o fluxo de dados. No gráfico (Figura 7b) indicam-se os pontos de definição relacionados com determinados termos da Tabela. A Figura 7c mostra como se controla o forno, a título de exemplo e apenas para uma variável - controlo do queimador - utilizando a informação e os sinais de controlo derivados do processo de lógica difusa. Compreender-se-á que o sistema 200 controla simultaneamente muitas variáveis e subvariáveis e que o controlo da temperatura é descrito apenas a título de exemplo. A invenção pode tomar uma forma diferente da especificamente descrita acima. Por exemplo, para os que têm competência no domínio serão óbvias modificações que não se afastam do âmbito da presente invenção.

Lisboa, 18 de Dezembro de 2007

Claims (37)

1 REIVINDICAÇÕES 1. Um forno (10) compreendendo: um corpo do forno (12) substancialmente cilíndrico com uma extremidade fechada (13) e uma extremidade aberta (14), uma armação (15) articulada a um elemento no solo (16a, 16b) em que a referida armação (15) suporta o corpo do forno (12) para permitir a rotação a vários ângulos numa posição inclinada para trás (a) em relação à extremidade aberta (14) e a um ângulo para a frente (β) em relação à extremidade aberta (14), um queimador (30) para aquecer o forno e pelo menos uma porta articulada (19) disposta de modo a fechar a extremidade aberta (14) do forno (10), em que a porta ou cada porta (19), está articulada à armação (15) e pode ser inclinada e reclinada em sintonia com o levantamento ou abaixamento do forno (10), caracterizado por as paredes do interior do forno serem substancialmente paralelas e cilíndricas.

2. Um forno (10) de acordo com reivindicação 1 em que são proporcionados meios (16c, 16d) para elevar e baixar o forno (10) de modo que o corpo do forno (12) se recline numa posição afastada da extremidade aberta (14) e inclinada numa posição face à extremidade aberta (14) do forno.

3. Um forno (10) de acordo com a reivindicação 2 em que os meios (16c, 16d) proporcionados para elevar e baixar o forno (10) incluem um cilindro hidráulico.

4. Um forno (10) de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores em que o ângulo (β) de inclinação do forno (10) é inferior a 20°. 2

5. Um forno (10) de acordo com a reivindicação 4 em que o ângulo (β) de inclinação do forno (10) é inferior a 15°.

6. Um forno (10) de acordo com a reivindicação 4 ou 5 no qual o ângulo (β) de inclinação do forno (10) é inferior a 10°.

7. Um forno (10) de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores em que a porta, ou cada uma das portas (19a, 19b) possui pelo menos uma porta de inspecção (34a, 34b) através da qual o material fundido pode ser vazado.

8. Um forno (10) de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores dotado de um sistema de alimentação de combustível (35) ligado ao forno (10), no qual o referido sistema de alimentação de combustível (35) está adaptado para se elevar e baixar com o forno (10) .

9. Um forno (10) de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores no qual as condutas de alimentação de ar e de combustível (31, 32) através das quais o ar e o combustível passam para o queimador (30) são definidas, ou suportadas, por articulações (70, 72) das portas (19a, 19b).

10. Um forno (10) de acordo com a reivindicação 9 em que as condutas de alimentação de ar e de combustível (31, 32) estão em comunicação fluida com um sistema de alimentação de combustível (35), em que o referido sistema de alimentação de combustível está dotado de ligações de fluido em cotovelo e/ou rotativas (32, 33) utilizando juntas rotativas estanques a gás. 3

11. Um forno (10) de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores em que o queimador (30) está montado numa porta (19) de modo que, quando utilizado, dirige o calor para o interior do corpo do forno (12).

12. Um forno (10) de acordo com a reivindicação 11 em que o queimador (30) está inclinado em relação ao eixo de rotação do forno (10) de modo que, quando utilizado, a chama do queimador (30) não incide sobre o material da carga útil a ser processada.

13. Um forno (10) de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores dotado de um ou mais sensores de temperatura para detectarem a temperatura de um revestimento refractário e do material fundido.

14. Um forno (10) de acordo com qualquer das reivindicações anteriores dotado de meios de criação de uma cortina de ar na extremidade aberta (14) do forno (10), cuja cortina de ar, quando utilizada, permite variar a atmosfera do interior do forno relativamente à atmosfera exterior (ambiente).

15. Um forno (10) de acordo com qualquer das reivindicações anteriores em que o forno (10) possui uma abertura de exaustão (80) e em que é proporcionado um jacto de ar ao longo da abertura de escape (80) para controlar a pressão no interior do forno, o que permite equilibrar a pressão da atmosfera interior.

16. Um forno (10) de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores em que um motor de accionamento (20) está concebido para rodar o forno (10) a velocidades de rotação variáveis. 4

17. Um forno (10) de acordo com a reivindicação 16 no qual o motor de accionamento faz parte de um sistema de accionamento do forno (20, 22, 24) compreendendo: um motor eléctrico (20), um controlador do motor e um mecanismo de ligação (24) para transmissão do binário do motor (20) ao corpo do forno (12).

18. Um forno (10) de acordo com a reivindicação 17 em que o motor eléctrico (20) acciona o forno por meio de uma ligação fixa, tal como um trem de engrenagem, sistema de cremalheira e pinhão ou transmissão por corrente (24).

19. Um forno (10) de acordo com qualquer uma das reivindicações 16 a 18 em que o sistema de rotação do forno (20, 22, 24) actua como um sistema de travagem dinâmica por meio de um controlador, um inversor e o motor (20).

20. Um forno (10) de acordo com qualquer uma das reivindicações 17 a 19 dotado de um anel circunferencial (22) que suporta dentes de engrenagem e que está ligado ao motor (20) por meio de uma corrente (24), em que a referida corrente (24) está adaptada de modo a engatar em roda de corrente ou dentes de engrenagem.

21. Um forno (10) de acordo com a reivindicação 20 em que o número de dentes da engrenagem corresponde a metade do passo da corrente.

22. Um forno (10) de acordo com a reivindicação 21 ou 22 em que as cunhas de empanque variável (68) asseguram uma adequação precisa entre o anel circunferencial (22) e a superfície externa do corpo do forno (12). 5

23. Um forno (10) de acordo com a reivindicação 22 em que as cunhas de empanque (68) estão ligadas por meio de um elemento roscado que, quando apertado, aperta a cunha contra o anel (22) e assegura um aperto forte concêntrico com as patilhas montadas sobre a superfície (66) e com o anel (22) .

24. Um forno (10) de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores em que os sensores de temperatura se encontram dispostos de modo a medir e fornecer um sinal de saída indicativo da temperatura das portas do forno (19a, 19b); sendo processada a temperatura dos revestimentos refractários e a temperatura do material.

25. Um forno (10) de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores que está dotado de meios (75) de recepção, codificação e transmissão de sinais relacionados com as seguintes variáveis do processo: temperaturas da superfície externa do forno, temperaturas dos refractários, caudais de gás combustível e de ar, percentagem de oxigénio da atmosfera do forno e pressão do interior do forno.

26. Um método de funcionamento do forno (10) das reivindicações 1 a 25 compreendendo as etapas seguintes : carregar o forno (10) com uma carga útil constituída por uma mistura de fundente e de material a ser fundido a partir do qual se deve recuperar o metal; manter uma atmosfera controlada no forno, vedando o forno com uma ou mais portas do forno (19); aquecer a mistura da carga útil até fundir o metal; 6 agitar a mistura para favorecer a aglomeração do metal rodando o forno (10) num sentido e no sentido oposto e inclinando-o para trás (a) e para a frente (β) ; rodar o forno para separar o fundente do material fundido; e elevar uma extremidade do corpo do forno (12) para vazar o metal recuperado.

27. Um método de funcionamento de um forno (10) de acordo com a revindicação 26 compreendendo a rotação do forno (10) a uma velocidade variável e a inclinação do forno (10) a ângulos variáveis (α, β) para agitar o material e facilitar a transferência de calor para o material.

28. Um método de funcionamento de um forno de acordo com a revindicação 26 ou 27 compreendendo ainda as etapas seguintes: aquecer o forno em conformidade com um sinal de controlo obtido a partir de, pelo menos, o seguinte: temperatura da carga útil; massa da carga útil; viscosidade da carga útil; tempo necessário para a carga útil atingir a viscosidade; teor de oxigénio da atmosfera do forno; taxa de aplicação de energia e energia cumulativa aplicada.

29. Um método de funcionamento de um forno de acordo com a reivindicação 28 compreendendo ainda: a identificação das variáveis relacionadas com subvariáveis e a previsão do impacto da variação de uma variável principal e de uma subvariável no funcionamento do forno.

30. Um método de funcionamento de um forno de acordo com a reivindicação 28 ou 29 compreendendo ainda a utilização de algoritmos ou tabelas de consulta de variáveis e subvariáveis. 7

31. Um método de funcionamento de um forno de acordo com qualquer uma das reivindicações 28 a 30 no qual são obtidos um ou mais sinais de realimentação; é efectuada uma comparação entre o desempenho previsto e o desempenho actual; e é derivado um sinal de correcção para efectuar uma alteração de uma variável.

32. Um método de funcionamento de um forno de acordo com a reivindicação 31 no qual é utilizado um microprocessador para monitorizar e controlar o funcionamento do forno.

33. Um método de funcionamento de um forno de acordo com qualquer das reivindicações 28 a 31 no qual é utilizada inteligência artificial para monitorizar e controlar o funcionamento do forno.

34. Um método de funcionamento de um forno de acordo com a reivindicação 33 no qual é utilizada uma rede neuronal para monitorizar e controlar o funcionamento do forno.

35. Um método de funcionamento de um forno de acordo com a reivindicação 34 no qual são utilizadas regras de lógica difusa para monitorizar e controlar o funcionamento do forno.

36. Um método de funcionamento de um forno de acordo com qualquer uma das reivindicações 28 a 35 incluindo ainda as etapas de diagnóstico on-line do processo, suporte de acesso remoto, monitorização on-line e arquivo.

37. Um método de controlo de um forno de acordo com a reivindicação 36 em que o acesso remoto, a aquisição de dados e a monitorização on-line é obtida por meio de um sistema SCADA. Lisboa, 18 de Dezembro de 2007