PT2790856E - Assemblagem de bocal compreendendo primeiro e segundo elementos estando acoplados um ao outro numa relação de translação deslizante e um membro vedante feito de material termicamente intumescente, elemento refratário, método para produzir um elemento refratário, método para acoplamento de dois elementos refratários - Google Patents

Description

DESCRIÇÃO

ASSEMBLAGEM DE BOCAL COMPREENDENDO PRIMEIRO E SEGUNDO ELEMENTOS ESTANDO ACOPLADOS UM AO OUTRO NUMA RELAÇÃO DE TRANSLAÇÃO DESLIZANTE E UM MEMBRO VEDANTE FEITO DE MATERIAL TERMICAMENTE INTUMESCENTE, ELEMENTO REFRATÁRIO, MÉTODO PARA PRODUZIR UM ELEMENTO REFRATÁRIO, MÉTODO PARA ACOPLAMENTO DE

DOIS ELEMENTOS REFRATÁRIOS

Campo da invenção [0001] A presente invenção diz geralmente respeito a linhas continuas de fundição de metal. Em particular, refere-se a um vedante que é particularmente adequado para vedar a superfície entre elementos de uma assemblagem de bocal numa linha de fundição de metal que são acoplados numa relação de translação deslizante, tais como uma placa de porta num dispositivo de porta deslizante ou uma unidade de bocal adequada para ser usada com um dispositivo de troca de tubo.

Antecedentes da invenção [0002] Em processos de formação de metal, metal fundido é transferido de um vaso metalúrgico para outro, para um molde ou para uma ferramenta. Por exemplo, como mostrado na figura 1, uma panela de vazamento (100) é enchida com um metal derretido num forno e transferido para uma bacia de vazamento (200) . O metal fundido pode então ser moldado da bacia de vazamento para um molde continuo de fundição para formar folhas, blumes, biletes ou outro tipo de produtos fundidos continuamente ou lingotes ou outras formas definidas discretamente em moldes para fundição. 0 fluxo de metal derretido num vaso metalúrgico é conduzido por gravidade através de várias assemblagens de bocal (20, 30) localizadas no fundo de tais vasos.

[0003] Algumas dessas assemblagens de bocal compreendem elementos que são moviveis em relação de uns com os outros. Por exemplo, a panela de vazamento (100) é provida no seu fundo do chão (100a) com um dispositivo de porta deslizante (20) como ilustrado na Figura 2 acoplando um bocal interno (21) embebido num revestimento refratário do fundo da panela de vazamento a um bocal coletor (22) estendido para fora da panela de vazamento. Um carril móvel (25) compreendendo um furo passante é entalado entre o bocal interno e bocal coletor e é capaz de linearmente deslizar entre os dois para trazer o furo passante de lá para dentro ou para fora de registo com os furos de ligação dos bocais internos e externos.

[0004] Outro exemplo é um dispositivo de troca de tubo (30), montado no fundo do chão de uma bacia de vazamento (200) para descarregar o metal fundido contido na bacia de vazamento para dentro de um molde ou de uma ferramenta. Compreende um bocal interno (31) embebido no revestimento refratário do fundo da bacia de vazamento e um bocal de vazamento (32) estendido para fora da bacia de vazamento. Porque o tempo de serviço de tais bocais de vazamento é geralmente menor do que uma operação de fundição completa, um dispositivo de troca de tubo é frequentemente utilizado permitindo a mudança do bocal de vazamento (32) sem interromper a operação de fundição, deslizando um novo bocal de vazamento ao longo de meios de orientação apropriados para empurrar para fora e substituir o bocal de vazamento desgastado como ilustrado nas Figuras 3 e 4.

[0005] A perfeita hermeticidade das interfaces entre elementos acoplados é de primordial importância num equipamento de fundição de metal porque, por um lado, a maioria dos metais fundidos oxida imediatamente em contacto com o ar a tais altas temperaturas e, por outro lado, por causa do fluxo através do furo do bocal, sucção de ar é criada pelo efeito Venturi em qualquer interface não hermética. Este problema é particularmente sensivel em elementos que podem ser movidos durante a operação e ainda, têm de manter a sua plena hermeticidade.

[0006] Para evitar que o ar seja sugado para lacunas em interfaces entre elementos de uma assemblagem de bocal, dois elementos são acoplados um ao outro por meios de fixação, como molas, aplicando forças fortes para pressionar as superfícies de contacto dos dois elementos um contra o outro. Esta solução tem limitações, porque forças de fixação muito altas comprometeriam o deslizamento dos dois elementos em relação um ao outro e é ineficiente em caso de pequenos defeitos na interface, tais como alguma aspereza localizada. Uma manta de gás é frequentemente utilizada pela injeção de um gás, tal como árgon ou azoto, através de canais providos nas ou adjacentes às interfaces. No entanto, esta solução consome grandes volumes de gás e não previne completamente a entrada de ar. As superfícies em contacto deslizante são frequentemente revestidas com uma camada de lubrificante, como a grafite, embebido num aglutinante como silicato alcalino e aditivos tais como argilas, como bentonite ou similares. Tais camadas lubrificantes agem até certa medida como um vedante da interface entre duas superfícies refratárias, mas as condições ambientais em torno de assemblagens de bocal são tão extremas, com temperaturas locais muito elevadas e gradientes de calor intenso, que o efeito vedante é geralmente insuficiente para garantir a completa hermeticidade da assemblagem.

[0007] A presente invenção propõe uma solução para garantir uma interface hermética entre duas superfícies refratárias de uma assemblagem de bocal, mesmo quando são acopladas uma à outra numa relação de translação deslizante. A presente solução não requer qualquer maquinagem sofisticada das superfícies de acoplamento.

Sumário da invenção [0008] A presente invenção é definida pelas reivindicações independentes em anexo. As reivindicações dependentes definem formas de realização preferidas. Em particular, a presente invenção concerne uma assemblagem de bocal (20, 30) para um aparelho de fundição de metal selecionado de uma porta deslizante e um dispositivo de troca de tubo, a referida assemblagem de bocal compreendendo: - um primeiro elemento refratário (1) compreendendo uma primeira superfície de acoplamento (la), que inclui uma primeira abertura de furo, e - um segundo elemento refratário (11) compreendendo uma segunda superfície de acoplamento (11a), que inclui uma segunda abertura de furo, o primeiro e o segundo elementos estando acoplados um ao outro numa relação de translação deslizante através das suas respetivas primeira e segunda superfícies de acoplamento tal que a primeira e segunda aberturas de furo podem ser trazidas para dentro e fora de registo para definir, quando em registo, um furo contínuo (3,13) para descarregar metal fundido a partir de uma entrada de metal fundido (13a) para uma saída de metal fundido (3b) da referida assemblagem de bocal, - um membro vedante (2) provido entre a primeira e segunda superficies de acoplamento do primeiro e segundo elementos, caracterizada por o membro vedante (2) compreender um material termicamente intumescente.

[0009] No presente contexto, uma "assemblagem de bocal" é definida como qualquer assemblagem compreendendo pelo menos um bocal compreendendo um furo que permite a moldagem de metal fundido para fora de um vaso.

[0010] 0 membro vedante intumescente de uma assemblagem de bocal, de acordo com a presente invenção, tem preferencialmente: - uma temperatura inicial de expansão, Ti, de pelo menos 130°C, preferencialmente pelo menos 400°C, mais preferencialmente pelo menos 600°, e/ou uma expansão máxima relativa, Vmax / V20, a uma temperatura, Tmax, de expansão máxima compreendida entre, Ti, e 1400°C, com respeito ao seu volume medido a 20 °C, de pelo menos 10, de preferência pelo menos 25, mais preferencialmente pelo menos 50, muito preferencialmente pelo menos 80.

[0011] Um "material termicamente intumescente" é uma substância que incha como resultado da exposição ao calor, aumentando assim em volume, e diminuindo em densidade. 0 inchamento de um material intumescente é geralmente causado por uma fase de transformação de pelo menos um componente do referido material e é claramente distinto da expansão térmica normal que geralmente aumenta linearmente com a temperatura, DV = a DT, em que a é o coeficiente de expansão térmica. Um material intumescente adequado para a presente invenção pode ser composto por um material em camadas que é modificado por intercalamento de outros materiais entre as camadas para causar intumescimento na exposição ao calor, tais como: grafite expansível, argila, mica, ou perlite, que compreende um ou mais de ácido sulfúrico, ácido nítrico, ácido fosfórico, ácidos orgânicos tais como ácidos acéticos ou fenólicos, e seus sais, cloro e gás brómico intercalado entre camadas cristalinas adjacentes; grafite expansível intercalado com um composto contendo enxofre ou fósforo é preferido; vermiculite, preferencialmente na forma de camadas interestratifiçadas de vermiculite e biotite, [0012] Numa forma de realização da presente invenção, o membro vedante intumescente é uma camada de revestimento de espessura não expandida preferencialmente compreendida entre 0,1 e 3,0 mm, mais preferencialmente entre 0,2 e 1,0 mm, muito preferencialmente entre 0,3 e 0,6 mm. A referida camada de revestimento pode estar opcionalmente coberta por uma camada vedante final como por exemplo uma mistura padrão de grafite. O membro vedante pode assim ser revestido sobre uma porção substancial, de preferência a totalidade da primeira e/ou segunda superfícies de acoplamento. Em alternativa, o membro vedante pode ser aplicado numa ranhura na primeira e/ou segunda superfícies de acoplamento, circunscrevendo pelo menos parcialmente a primeira e/ou segunda aberturas de furo, respetivamente. A ranhura tem preferencialmente pelo menos 0,5 mm de profundidade, mais preferencialmente de pelo menos 1 mm de profundidade, muito preferencialmente, pelo menos 3 mm de profundidade.

[0013] Numa forma de realização alternativa, o membro vedante pode estar na forma de uma junta, preferencialmente alojada numa ranhura na primeira e/ou segunda superfícies de acoplamento, circunscrevendo pelo menos parcialmente a primeira e/ou segunda aberturas de furo, respetivamente.

[0014] 0 membro vedante pode compreender: - 5-95% em peso de um material intumescente, compreendendo grafite expansível e/ou vermiculite; - 5-95% em peso de um aglutinante, tal como vidro solúvel, preferencialmente misturado com um ou mais de polietilenoglicol (PEG) , argila, Na2CC>3, de CaCC>3, MgCC>3, NaHCOs, Ca (HC03) 2, Mg(N03)2; -0-80% em peso de um lubrificante, como grafite (não expansível); - 0-20% em peso de um antioxidante como alumínio, silício ou molibdénio, onde as percentagens em peso são medidas como peso seco de sólidos, em relação ao peso seco total da composição do membro vedante.

[0015] Numa forma de realização preferida, o material intumescente é encapsulado numa micro concha que pode fluir, volatilizar ou degradar na exposição a uma determinada temperatura ou a um stress mecânico, tal como cisalhamento no deslizamento de uma superfície de acoplamento sobre a outra. Tais micro conchas são vantajosamente compostas de vidro solúvel, sílica coloidal ou fosfato de alumínio, preferencialmente em combinação com um ou mais de argila, Na2CC>3, de CaCC>3, MgCC>3, NaHCCç, Ca(HCC>3)2, ou Mg(HCC>3)2. Preferencialmente presentes numa quantidade no intervalo de 0,5-80% em peso, mais preferencialmente 5-30%. Essa camada protetora em concha pode ser: - aplicada sobre um iniciador, preferencialmente composto por uma mistura de resina fenólica e furfural, num rácio de peso compreendido entre 3:8 e 3:1, preferencialmente entre 1:1 e 3:2, o referido iniciador sendo aplicado diretamente sobre os flocos intumescentes; e/ou coberta por uma camada superior de acabamento, preferencialmente compreendendo uma mistura de resina fenólica e furfural.

[0016] Esta forma de realização é particularmente adequada para bocais de vazamento substituiveis porque são frequentemente pré-aquecidos antes de montagem no dispositivo de troca de tubo. Com efeito, o encapsulamento garante que o material intumescente começa a inchar apenas quando a primeira superficie de acoplamento é montada numa assemblagem de bocal e exposta a tensões de cisalhamento no deslizamento e/ou a altas temperaturas quando em posição de moldagem.

[0017] A presente invenção também concerne um elemento refratário de uma assemblagem de bocal para aparelho de fundição de metal, o referido elemento refratário compreendendo um primeiro furo passante abrindo numa primeira, substancialmente plana superficie de acoplamento adequada para ser acoplada numa relação de translação deslizante com uma segunda superficie de acoplamento de um segundo elemento refratário, caracterizado por a primeira superficie de acoplamento do referido elemento refratário ser provida com um membro vedante compreendendo um material termicamente intumescente. 0 membro vedante e material intumescente é preferencialmente conforme discutido acima. 0 elemento refratário da presente invenção é preferencialmente um de: - um bocal de vazamento adequado para ser carregado e descarregado de um dispositivo de troca de tubo; - um bocal interno para ser montado no fundo do chão de um vaso e fixo a um dispositivo de troca de tubo; - uma placa deslizante num dispositivo de porta deslizante montado sob uma panela de vazamento ou uma bacia de vazamento; uma placa fixa em contacto deslizante com uma placa deslizante (25) num dispositivo de porta deslizante montado sob uma panela de vazamento ou uma bacia de vazamento.

[0018] A presente invenção também concerne um método para produzir um elemento refratário conforme discutido supra compreendendo as seguintes etapas: (a) prover um elemento refratário compreendendo um primeiro furo passante (3) abrindo numa primeira superfície de acoplamento, a referida primeira superfície de acoplamento sendo adequada para ser acoplada numa relação de translação deslizante com uma segunda superfície de acoplamento de um segundo elemento refratário; (b) aplicar um membro vedante sobre a primeira superfície de acoplamento, como para circunscrever preferencialmente a abertura de furo, caracterizado por o membro vedante compreender um material termicamente intumescente.

[0019] 0 membro vedante pode ser aplicado à primeira superfície de acoplamento como: - um revestimento cobrindo a totalidade ou apenas uma parte da primeira superfície de acoplamento, por pincelagem, pulverização, utilização de um rodo ou de um rolete, impressão, tal como serigrafia ou rotogravura; um revestimento preenchendo uma ranhura provida na primeira superfície de acoplamento e circunscrevendo a abertura do furo passante por injeção, secagem com rodo, fundição; ou - uma junta pré-formada encaixando numa ranhura provida na primeira superfície de acoplamento e preferencialmente circunscrevendo a abertura do furo passante.

[0020] Assim que um elemento refratário compreendendo um membro vedante intumescente circunscrevendo uma abertura de furo numa primeira superfície de acoplamento seja produzido pelo método exposto, pode ser: - acoplado por translação deslizante, a referida primeira superfície de acoplamento sobre uma segunda superfície de acoplamento compreendendo uma segunda abertura de furo de um segundo elemento refratário da assemblagem de bocal, de tal forma que o membro vedante contacte tanto com a primeira como com a segunda superfícies de acoplamento, e trazer a primeira e segunda aberturas de furo para dentro e fora de registo, para definir, quando em registo, um furo passante contínuo de uma entrada de metal fundido para uma saída de metal fundido; os assim primeiro e segundo elementos refratários podem ser, - aquecidos a uma temperatura pelo menos suficiente para inchar o material intumescente do membro vedante.

Em cujo ponto a moldagem de metal fundido através da assemblagem de bocal pode ter lugar com pouco risco de entrada de ar através da articulação entre o primeiro e o segundo elementos refratários. A etapa de aquecimento a uma temperatura suficiente para inchar o material intumescente pode depender do calor do metal fundido a ser transferido para o material intumescente ou implicar outra fonte de calor como um queimador à parte ou outros.

[0021] No caso do primeiro elemento refratário e membro vedante serem pré-aquecidos a uma temperatura de pré-aquecimento anterior ao acoplamento no segundo elemento refratário, o material intumescente deve ser impedido de atingir a sua expansão máxima antes de ser montado numa assemblagem de bocal correspondente. Isto pode ser alcançado: mantendo a temperatura de pré-aquecimento abaixo da temperatura, Tmax, de expansão máxima do material intumescente e preferencialmente abaixo da temperatura inicial de inchamento, T±, ou - encapsulando o material intumescente em conchas que são quimicamente e/ou mecanicamente e/ou termicamente danificados no deslizamento do primeiro elemento refratário para posição de moldagem na assemblagem de bocal e/ou (ii) na moldagem de metal fundido.

Breve descrição das figuras [0022] Várias formas de realização da presente invenção são ilustradas nas figuras em anexo:

Figura 1: mostra esquematicamente uma linha de fundição contínua típica.

Figura 2: mostra uma vista de corte lateral de uma primeira (a)&(b) e segunda (c)&(d) formas de realização de um dispositivo de porta deslizante de acordo com a presente invenção.

Figura 3: mostra uma vista em perspetiva de corte de um dispositivo de troca de tubo de acordo com a presente invenção

Figura 4: mostra uma vista em perspetiva de corte de um dispositivo alternativo de troca de tubo de acordo com a presente invenção

Figura 5: mostra as vistas laterais de várias formas de realização de uma superfície de acoplamento compreendendo um membro vedante em conformidade com a presente invenção.

Descrição detalhada da invenção [0023] A presente invenção resolve de uma forma simples e fiável o problema de prevenir o ar de ser sugado para dentro do metal fundido fluindo através de uma assemblagem de bocal pelo efeito Venturi através do interface entre dois elementos refratários. A presente invenção é particularmente vantajosa para vedar a interface entre duas superfícies refratárias que são acopladas numa relação de translação deslizante, como numa porta deslizante ou num dispositivo de troca de tubo como ilustrado nas Figuras 2 a 4. Quando dois elementos refratários são acoplados estaticamente, é de certa forma mais fácil - embora ainda um desafio - vedar a junta entre as duas peças. Quando dois elementos são acoplados dinamicamente, o desafio de vedar a junta entre os dois é substancialmente aumentado. A presente invenção responde a este desafio.

[0024] Quando dois elementos refratários estão para ser acoplados numa relação de translação deslizante, tal como um bocal de vazamento substituível (32) num dispositivo de troca de tubo (30) montado no fundo do chão de uma bacia de vazamento como ilustrado nas Figuras 3 e 4, ou uma porta deslizante (25) num dispositivo de porta deslizante (20) como ilustrado na Figura 2, é extremamente dificil garantir a completa estanqueidade entre as superfícies de acoplamento (la, 11a) dos dois elementos refratários. De facto, as forças de fixação aplicadas a elementos dinamicamente acoplados não podem ser tão altas quanto entre elementos estaticamente acoplados, porventura prejudicando o deslizamento entre as duas superfícies de acoplamento, o que aumenta o risco de uma abertura entre os dois elementos. O deslizamento de uma superfície de acoplamento sobre a outra pode provocar arranhões na junta, o que pode facilmente resultar em caminhos de passagem para o ar. Finalmente, não é possivel vedar a junta entre dois elementos com um rebordo correndo na periferia da referida junta, porque o rebordo seria quebrado ao mover um elemento em relação com o outro. A presente invenção soluciona este há muito tempo conhecido - embora nunca satisfatoriamente solucionado - problema de uma forma muito simples, barata e eficiente, provendo entre a primeira e a segunda superfícies de acoplamento dos dois elementos refratários um elemento vedante (2) compreendendo um material termicamente intumescente. Estritamente falando, o termo "termicamente" é redundante, uma vez que materiais intumescentes são definidos como materiais que incham na exposição ao calor, mas foi considerado necessário especificar o termo "termicamente" para evitar qualquer (injustificada) extensão do termo "intumescente' para inchamento provocado por outras fontes, tais como exposição à água, o que seria inaceitável numa assemblagem de bocal moldada de material fundido.

[0025] Existe uma grande variedade de materiais intumescentes com propriedades diferentes. São amplamente utilizados em aplicações à prova de fogo. Em tais aplicações, a libertação endotérmica de água por hidratos na exposição ao calor gerado por um incêndio é aproveitada para manter a temperatura de uma estrutura baixa e o resíduo carbonizado produzido por tal material é geralmente um mau condutor de calor. São geralmente aplicados em portas, janelas e tubos à prova de fogo. Em consideração à presente invenção, as características importantes de materiais intumescentes são as suas características de expansão. Um membro vedante intumescente (2) particularmente adequado à presente invenção deve preferencialmente ter uma temperatura de expansão inicial, Ti, de pelo menos 130 °C, preferencialmente pelo menos 400°C, mais preferencialmente pelo menos 600°C. A expansão máxima relativa, Vmax / V20, a uma temperatura, Tmax, de expansão máxima compreendida entre, Ti, e 1400°C, no que diz respeito ao seu volume medido a 20 °C, deve ser preferencialmente pelo menos 10, preferencialmente pelo menos 25, mais preferencialmente pelo menos 50, muito preferencialmente pelo menos 80.

[0026] Materiais intumescentes são geralmente compostos por um material hospedeiro em camadas que é modificado por intercalamento de outros materiais entre camadas adjacentes. Sob aquecimento, o material intercalado entre camadas muda de fase, geralmente transformando-se em gás e assim aumentando fortemente em volume, e produz uma forte pressão separando camadas adjacentes do material hospedeiro. Esta súbita e por vezes substancial expansão é chamada intumescência, ou esfoliação. A magnitude de expansão para um determinado material hospedeiro depende de um número de parâmetros. Em primeiro lugar, a natureza do material intercalado afeta a magnitude de expansão e a temperatura à qual ocorre expansão. Para um dado material intumescente, o tamanho das partículas do material hospedeiro pode também influenciar o rácio de expansão do material. A taxa de aquecimento de um material intumescente pode também afetar a sua resposta ao calor, uma expansão de redução a uma lenta taxa de aquecimento, comparada com uma alta taxa de aquecimento. Finalmente, encapsulando um material intumescente pode também atrasar o inchamento do material.

[0027] Exemplos de materiais intumescentes adequados para utilização no elemento vedante (2) de uma assemblagem de bocal de acordo com a presente invenção compreendem um ou uma mistura de: grafite expansível, argila, mica, ou perlite, que compreende um ou mais ácidos e sais, tais como ácido sulfúrico, ácido nítrico, ácido fosfórico, ácidos orgânicos tais como ácidos fenólicos ou acéticos, assim como halogénios, metais alcalinos, cloreto de alumínio, cloreto férrico, outros halogenetos metálicos, sulfeto de arsénio, sulfureto de tálio, cloro gasoso e gás brómico intercalados entre camadas adjacentes de grafeno cristalino; vermiculite, de preferência em forma de camadas interestratifiçadas de vermiculite e biotite como divulgado por exemplo na US5340643, cuja divulgação é aqui incorporada por referência; entre esses materiais, grafite expansível é preferida.

[0028] 0 material vedante compreende pelo menos um material intumescente, de preferência numa quantidade compreendida entre 5 e 95% em peso. Outros materiais são utilizados preferencialmente: - um aglutinante pode ser usado para aglutinar partículas intumescentes ou para encapsular tais partículas. Um exemplo de aglutinante adequado é vidro solúvel, preferencialmente aditivado com um ou mais de argila, Na2C03, de CaC03, MgC03, NaHCOs, Ca(HC03)2, Mg(HC03)2. 0 aglutinante é preferencialmente presente numa quantidade de 5-95% em peso. - um lubrificante é particularmente útil para facilitar deslizamento de uma superfície de acoplamento sobre a outra. Um exemplo de lubrificante adequado para a presente invenção é grafite (não-expansível). É preferencialmente presente numa quantidade compreendida entre 0 e 80% em peso, preferencialmente entre 10 e 50% em peso, mais preferencialmente entre 15 e 40% em peso, muito preferencialmente entre 20 e 35% em peso. - um antioxidante é usado para proteger o material vedante exposto a condições térmicas extremas. Um exemplo de antioxidante é aluminio, que pode estar presente numa quantidade de 0-20% em peso, de preferência entre 2 e 10% em peso.

[0029] As % em peso são medidas como peso seco de sólidos com relação ao peso seco total da composição do membro vedante.

[0030] 0 membro vedante (2) pode estar na forma de um revestimento numa superfície de acoplamento (la, 11a) . 0 membro vedante (2) pode ser revestido sobre uma parte substancial, de preferência a totalidade da primeira e/ou segunda superfícies de acoplamento (la, lb) (cfr. Figura 2, base da placa deslizante (25) e Figuras 3 e 5 (a) ) . A espessura do revestimento não expandido pode ser na ordem de 0,1 a 3,0 mm, de preferência de 0,2 a 1,0 mm, mais preferencialmente de 0,3 a 0,6 mm. Em alternativa, o revestimento intumescente pode ser aplicado numa ranhura circunscrevendo (pelo menos parcialmente) o furo (3a) como ilustrado na Figura 5(b). A ranhura pode ser de pelo menos 0,5 mm de profundidade, de preferência pelo menos 1,0 mm de profundidade, muito preferencialmente pelo menos 3 mm de profundidade e é preferencialmente preenchida com material vedante não expandido até pelo menos 50% da profundidade, preferencialmente pelo menos 75%. A ranhura também pode ser totalmente preenchida com material vedante ao nivel da superfície de acoplamento no seu estado não expandido.

[0031] Numa forma de realização alternativa, o membro vedante (2) pode ser transformado numa junta (cfr. Figura 2, topo da porta deslizante (25), Figuras 3 e 5 (c) ) . Tal junta pode ser posicionada numa ranhura circunscrevendo (pelo menos parcialmente) o furo (3a), como ilustrado na Figura 5(c).

[0032] Para evitar um choque térmico, refratários são pré-aquecidos antes de serem montados e postos em contacto com metal fundido a altas temperaturas. Em alguns casos, o pré-aquecimento é realizado in situ, mas às vezes é realizado num forno separado da instalação de fundição. Isto é chamado de " pré-aquecimento off-line". Este é tipicamente o caso em dispositivos de troca de tubo (30), nos quais um novo bocal de vazamento é pré-aquecido a uma temperatura de pré-aquecimento num forno antes de carregá-lo para o dispositivo e deslizá-lo o para posição de moldagem a fim de prevenir formação de rachadura devido a choque térmico demasiado alto. Em pré-aquecimento off-line, existe um risco de uma rápida expansão do membro vedante (2) durante o pré-aquecimento e estágios de transferência, que deve ser evitado. Isto pode ser conseguido muito simplesmente pré-aquecendo o bocal de vazamento a uma temperatura abaixo da temperatura de expansão inicial, Ti, ou pelo menos abaixo da temperatura, Tmax, de expansão máxima relativa. Numa forma de realização preferida, o material intumescente está na forma de flocos que são encapsulados em micro conchas. A micro concha deve ser "fechada" durante a fase de pré-aquecimento impedindo a expansão do material intumescente e "abrir" durante a moldagem de metal para libertar a expansão do membro vedante para alcançar a sua alta função vedante. A "abertura" das micro conchas pode ser desencadeada de várias maneiras. As micro conchas podem ser feitas de um material que é sólido à temperatura de pré-aquecimento, e derrete, volatiliza, ou degrada à temperatura de fundição. O termo "degradar" pode incluir um potencial mecanismo de falha devido ao facto de que a força aplicada pelo grafite expansível aumenta com a temperatura a um ponto que é grande o suficiente para romper as conchas. Em alternativa ou concomitantemente, as micro conchas podem ser quebradas mecanicamente por tensões de cisalhamento geradas no deslizamento da superfície de acoplamento de um bocal de vazamento para dentro do dispositivo de troca de tubo. As micro conchas são vantajosamente compostas por vidro solúvel, silica coloidal ou fosfato de aluminio, preferencialmente em combinação com um ou mais de argila, Na2CC>3, CaCCb, MgCCb, NaHCCb, Ca(HCC>3)2, ou Mg(HCC>3)2, preferencialmente presentes numa quantidade no intervalo de 0,5-80% em peso, mais preferencialmente 5-30%.

[0033] As micro conchas podem consistir em várias camadas, a composição precedente constituindo uma camada protetora da concha, que pode ser aplicada num iniciador previamente revestido nos flocos intumescentes, e/ou pode ser coberta por um revestimento superior de acabamento. Um iniciador é vantajoso para melhorar a molhabilidade e adesão da camada protetora da concha à superfície dos flocos intumescentes, em especial no caso de materiais tendo baixas energias superficiais como grafite expansível. Por exemplo, o iniciador pode ser composto por uma mistura de resina fenólica e furfural, num coeficiente de peso compreendido entre 3:8 e 3:1, preferencialmente entre 1:1 e 3:2, o referido iniciador sendo aplicado diretamente sobre os flocos intumescentes. Uma camada superior de acabamento pode ajudar a estabilizar a camada protetora da concha contra ataque quimico da fase aquosa do revestimento final que é geralmente aplicado a peças refratárias, a qual normalmente contém vidro solúvel, silica coloidal, fosfato de aluminio ou outros materiais. A camada superior de acabamento pode compreender uma mistura de resina fenólica e furfural.

[0034] O revestimento de grafite pode consistir em uma ou mais camadas. Materiais de revestimento devem estar disponíveis numa forma de dispersão ou de solução, e aplicados aos flocos intumescentes numa quantidade compreendida entre 1 e 50% em peso, de preferência 10-20% em peso de solução de revestimento com respeito ao peso dos flocos intumescentes, dependendo do tamanho e área de superfície dos flocos intumescentes. O revestimento deve ser capaz de secar ou ser definido como uma concha forte e dura prevenindo incidência de oxigénio sobre o material intumescente e assim reduzindo a sua tendência para esfoliar e expandir. A concha deve também exercer força mecânica suficiente para resistir ao processo de expansão a temperaturas mais baixas. A expansão do material intumescente é portanto prevenida até ser atingida a temperatura em que a concha perde sua força. A segunda função das micro conchas, além de restringir mecanicamente a expansão, é reduzir o acesso de oxigénio às camadas sobrepostas do grafite. Isto reduz maciçamente a expansão. Assim que as conchas são rompidas, então o ar pode entrar e a expansão é muito maior e mais poderosa.

[0035] Um membro vedante (2) como discutido acima pode ser aplicado a vários elementos refratários (1, 11) de uma assemblagem de bocal (20, 30) . Em particular, num dispositivo de troca de tubo (30) montado no fundo do chão de um vaso (100, 200), tal membro vedante pode ser aplicado à superfície de acoplamento de um bocal de vazamento (32) e/ou do bocal interno (31). Como ilustrado na Figura 2, num dispositivo de porta deslizante (20) montado no fundo do chão de uma panela de vazamento (100) ou de uma bacia de vazamento (200), do dispositivo de porta deslizante e das placas de deslizamento (25) desliza entre duas placas fixas uma placa de deslizamento (25) compreendendo um furo e encaixada entre um bocal interno (21) e um bocal coletor (22) pode deslizar para trazer o furo para dentro ou para fora de registo com o furo dos bocais interno e coletor (comparar Figuras 2(a)&(c) com Figuras 2 (b)& (d)) . Existem vários tipos de dispositivos de porta deslizante, os dois mais atuais sendo esquematizados nas Figuras 2(a)& (b) e 2 (c)&(d) . 0 bocal interno é embebido no fundo de um vaso e acoplado a uma placa superior fixa do dispositivo de porta deslizante. Numa primeira forma de realização ilustrada nas Figuras 2(a)& (b) o bocal coletor é fixado à placa deslizante (25) e move-se juntamente com ela à medida que desliza sobre a superfície de contacto da placa superior fixa. Numa segunda forma de realização ilustrada na Figura 2(c)&(d) o bocal coletor é acoplado a uma placa fixa inferior. 0 membro vedante (2) pode ser aplicado às superfícies de acoplamento de uma placa fixa e/ou numa ou em ambas as faces de uma placa deslizante (25), dependendo do tipo de dispositivo de porta deslizante. Um revestimento vedante (2) aplicado à superfície de acoplamento superior da placa deslizante (25) é ilustrado na Figura 2(c)&(d), e uma junta vedante (2) aplicada às superfícies superior e inferior da placa deslizante (25) é ilustrada nas Figuras 2 (a)& (b) e 2(c)&(d), respetivamente.

[0036] Um elemento refratário (1) provido com um membro vedante intumescente (2) de acordo com a presente invenção pode ser processado sem alterar significativamente a produção normal de tais elementos refratários tradicionais e requer apenas uma etapa adicional de revestimento de uma superfície de acoplamento de tais elementos refratários.

[0037] Um elemento refratário (1) compreendendo de acordo com a presente invenção um membro vedante intumescente (2) circunscrevendo uma abertura de furo numa primeira superfície de acoplamento (1 a) pode ser usado como se segue. Pode opcionalmente ser pré-aquecido a uma temperatura de pré-aquecimento, tomando cuidado para não acionar total expansão do membro vedante durante essa etapa opcional. Em seguida, o elemento refratário (1) pode ser acoplado transladando em deslizamento a referida primeira superfície de acoplamento (la) sobre uma segunda superfície de acoplamento (11a) compreendendo uma segunda abertura de furo de um segundo elemento refratário (11) da assemblagem de bocal. A translação de deslizamento das superfícies de acoplamento (la, 11a) traz a primeira e a segunda aberturas de furo para dentro e fora de registo, para definir, quando em registo, um furo passante contínuo de entrada de metal fundido (13A) para uma saída de metal fundido (3b) . Quando exposto à temperatura de fundição, o membro vedante (2) incha aplicando uma pressão sobre as superfícies de acoplamento (la, 11a) dos dois elementos refratários ligados (1, 11) e vedando assim de forma eficiente a junta. A fundição pode prosseguir com pouco ou nenhum risco de ingestão de ar através da junta. A pressão gerada pelo inchamento do membro vedante (2) é muito menor do que a pressão de fixação aplicada para acoplar os dois elementos refratários (1, 11), e portanto não cria qualquer separação substancial dos dois elementos. 0 inchamento do material vedante garante que qualquer folga na junta é propriamente preenchida vedando assim do ambiente o furo de fundição (3) .

[0038] Como mencionado acima, expansão do material intumescente deve ser contida durante a fase de pré-aquecimento, quanto mais não seja, para evitar que alcance a sua plena expansão antes de ser acoplado a um segundo elemento refratário numa assemblagem de bocal. Isto pode ser alcançado por: manter a temperatura de pré-aquecimento abaixo da temperatura, Tmax, de expansão máxima do material intumescente, preferencialmente abaixo da temperatura de expansão inicial, T±, ou - encapsular o material intumescente em conchas que estão quimicamente e/ou mecanicamente e/ou termicamente danificadas (i) no deslizamento do primeiro elemento refratário para posição de moldagem dentro da assemblagem de bocal e/ou (ii) na moldagem de metal fundido.

[0039] A tabela 1 fornece cinco composições de membros vedantes adequadas à presente invenção (EX1-5) e um exemplo comparativo (CEX6). Nos exemplos, o grafite expansível é obtido intercalando sulfato entre camadas de grafeno, às vezes chamado de "bissulfato de grafite.". A vermiculite é uma malha 100% pó de composição 37-42% SiCh, 9-17% AI2O3, 11-23% MgO, 5-18% CaO.

[0040] As propriedades térmicas do membro vedante podem ser moduladas de acordo com a necessidade. Por exemplo, enquanto que a composição do EX5 é totalmente expandida a 450 °C, a do EX4 expande somente a 650°C. Após testes em escala real num dispositivo de troca de tubo de uma linha de produção de fundição de aço, exame SEM-EDX de um bocal de vazamento cuja superfície de acoplamento foi revestida com membro vedante de composição EX1 não revelou substancialmente nenhuma erosão, com muito poucos poros na superfície, em comparação com a porosidade medida no todo da placa. Em contraste, testes semelhantes realizados em placas refratárias não revestidas, e em placas revestidas com uma composição CEX6 revelaram erosão substancial com um aumento da porosidade na superfície em comparação com o todo da porosidade, assim como a formação de uma camada espessa de reação formada na área de erosão, por material de revestimento CEX6 oxidado. Vestígios de MnO e outros óxidos foram detetados na superfície da placa, perto do furo, reagindo localmente e formando com o refratário um material que derrete a temperatura inferior que foi progressivamente descarregado pelo metal corrente. Tendo em vista a excelente estabilidade de placa do bocal revestido com a composição vedante EX1 de acordo com a presente invenção, é claro que a presença de um material intumescente melhora substancialmente o estanquicidade da junta da presente invenção, alargando assim a vida útil dos elementos refratários e melhorando a qualidade do metal fundido.

[0041] Testes de fogo efetuados a 1000°C no ar sugeriram que na ausência de um aglutinante forte, tanto vermiculite (cfr. EX2) como grafite expansível tenderam a oxidar fortemente e a perder integridade. A adição de um aglutinante, tal como vidro solúvel e vermiculite expansível e partículas de grafite melhorou a sua resistência à oxidação e a integridade dos revestimentos (cfr. EX1, 3-5).

Tabela 1: composição dos membros vedantes, de acordo com a presente invenção (EX1-5) e estado da técnica (CEX6).

[0042] A presente invenção constitui um avanço em equipamento de fundição de metal, uma vez que o membro vedante intumescente (2) aplicado a uma superfície de acoplamento (1 a) de um elemento refratário (1) aumenta substancialmente o tempo de serviço de tal elemento, e garante um metal de melhor qualidade, com menos inclusões de óxido formadas por reação a ar infiltrado, e com menos residuos de bocais devido à erosão da materiais refratários enfraquecidos do que alguma vez foi alcançado até à data.

Claims (17)

1. REIVINDICAÇÕES

   1. Assemblagem de bocal (20, 30) para um aparelho de fundição de metal selecionado de uma porta deslizante e um dispositivo de troca de tubo, a referida assemblagem de bocal compreendendo: - um primeiro elemento refratário (1) compreendendo uma primeira superfície de acoplamento (la) que inclui uma primeira abertura de furo, e - um segundo elemento refratário (11) compreendendo uma segunda superfície de acoplamento (11a), que inclui uma segunda abertura de furo, o primeiro e o segundo elementos estando acoplados um ao outro numa relação de translação deslizante através das suas respetivas primeira e segunda superfícies de acoplamento tal que a primeira e segunda aberturas de furo podem ser trazidas para dentro e fora de registo para definir, quando em registo, um furo contínuo (3,13) para descarregar metal fundido a partir de uma entrada de metal fundido (13a) para uma saída de metal fundido (3b) da referida assemblagem de bocal, - um membro vedante (2) provido entre a primeira e segunda superfícies de acoplamento do primeiro e segundo elementos, caracterizada por o membro vedante (2) compreender um material termicamente intumescente.
2. 2. Assemblagem de bocal de acordo com a reivindicação 1, em que o membro vedante intumescente (2) tem: - uma temperatura inicial de expansão, Ti, de pelo menos 130°C, preferencialmente pelo menos 400°C, mais preferencialmente pelo menos 600°C, e/ou uma expansão relativa máxima, Vmax / V20, a uma temperatura, Tmax, de expansão máxima compreendida entre, Ti, e 1400°C, com respeito ao seu volume medido a 20 °C, de pelo menos 10, preferencialmente pelo menos 25, mais preferencialmente pelo menos 50, muito preferencialmente pelo menos 80.
3. 3. Assemblagem de bocal de acordo com a reivindicação 1 ou 2, em que o material intumescente é composto por um material em camadas que é modificado por intercalamento de outros materiais entre as camadas para causar intumescência na exposição ao calor, e é preferencialmente selecionado de: grafite expansível, argila, mica, ou perlite, que compreende um ou mais de ácido sulfúrico, ácido nítrico, ácido fosfórico, ácidos orgânicos tais como ácidos acéticos ou fenólicos, cloro e gás brómico intercalado entre camadas cristalinas adjacentes; vermiculite, preferencialmente na forma de camadas interestratifiçadas de vermiculite e biotite, - ou suas misturas.
4. 4. Assemblagem de bocal de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, em que o membro vedante é uma camada de revestimento de espessura não expandida preferencialmente compreendida entre 0,1 e 3,0 mm, mais preferencialmente entre 0,2 e 1,0 mm, muito preferencialmente entre 0,3 e 0,6 mm; a referida camada de revestimento estando opcionalmente coberta por uma camada vedante final.
5. 5. Assemblagem de bocal de acordo com a reivindicação anterior, em que o membro vedante é revestido sobre uma porção substancial, preferencialmente a totalidade da primeira e/ou segunda superfícies de acoplamento (la, 11a) ou o membro vedante é aplicado numa ranhura na primeira e/ou segunda superfícies de acoplamento (la, 11a), circunscrevendo a primeira e/ou segunda aberturas de furo, respetivamente, em que a ranhura tem uma profundidade de preferencialmente pelo menos 0,5 mm, mais preferencialmente de pelo menos 1 mm, muito preferencialmente de pelo menos 3 mm.
6. 6. Assemblagem de bocal de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, em que o membro vedante está na forma de uma junta, preferencialmente alojada numa ranhura na primeira e/ou segunda superfícies de acoplamento (la, 11a), circunscrevendo a primeira e/ou segunda aberturas de furo, respetivamente,
7. 7. Assemblagem de bocal de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, em que o membro vedante compreende: - 5-95% em peso de um material intumescente, compreendendo grafite expansível e/ou vermiculite; - 5-95% em peso de um aglutinante, tal como vidro solúvel, preferencialmente misturado com um ou mais de polietilenoglicol (PEG), argila, Na2C03, de CaC03, MgC03, NaHC03, Ca(HC03)2, Mg(N03)2; -0-80% em peso de um lubrificante, como grafite (não expansível); - 0-20% em peso de um antioxidante como alumínio, silício ou molibdénio, onde as percentagens em peso são medidas como peso seco de sólidos, em relação ao peso seco total da composição do membro vedante.
8. 8. Assemblagem de bocal de acordo com a reivindicação anterior, em que o material intumescente está na forma de flocos encapsulados em micro conchas que podem fluir, volatilizar ou degradar na exposição a uma determinada temperatura ou a um stress mecânico, tal como cisalhamento no deslizamento de uma superfície de acoplamento sobre a outra.
9. 9. Assemblagem de bocal de acordo com a reivindicação anterior, em que as micro conchas compreendem pelo menos uma camada de proteção em concha, preferencialmente composta de vidro solúvel, sílica coloidal ou fosfato de alumínio, preferencialmente em combinação com um ou mais de argila, Na2C03, CaC03, MgC03, NaHC03, Ca(HC03)2, ou Mg(HC03)2, preferencialmente presentes numa quantidade no intervalo de 0,5-80% em peso, mais preferencialmente 5-30%, a referida concha de proteção sendo opcionalmente: - aplicada sobre um iniciador, preferencialmente composto por uma mistura de resina fenólica e furfural, num rácio de peso compreendido entre 3:8 e 3:1, preferencialmente entre 1:1 e 3:2, referido iniciador sendo aplicado diretamente sobre os flocos intumescentes; e/ou coberta por uma camada superior de acabamento, preferencialmente compreendendo uma mistura de resina fenólica e furfural.
10. 10. Elemento refratário (1) de uma assemblagem de bocal para um aparelho de fundição de metal, o referido elemento refratário compreendendo um primeiro furo passante (3) , abrindo numa primeira, substancialmente plana, superfície de acoplamento (1 a), adequada para ser acoplada numa relação de translação deslizante com uma segunda superfície de acoplamento (11a) de um segundo elemento refratário (11), em que a primeira superfície de acoplamento (la) do referido elemento refratário (1) é provida com um membro vedante (2) compreendendo um material termicamente intumescente, caracterizado por a referida primeira superfície plana de acoplamento (la) ser uma de: - a superfície de acoplamento (la) de um bocal de vazamento (32) adequado para ser carregado e descarregado de um dispositivo de troca de tubo (30) numa relação deslizante com uma superfície de contacto correspondente de um bocal interno embebido no fundo de uma bacia de vazamento; - a superfície de acoplamento (la) de um bocal interno (31) para ser montada no fundo inferior de uma bacia de vazamento e fixa a um dispositivo de troca de tubo (30), de tal forma que a referida superfície de acoplamento (la) entra em relação deslizante com um bocal de vazamento na introdução deste último no referido dispositivo de troca de tubo; a superfície de acoplamento (la) de uma placa de dispositivo de porta deslizante (25), de tal forma que a referida superfície de acoplamento (la) entra em relação deslizante com a superfície de acoplamento de uma segunda placa da referida porta deslizante.
11. 11. Elemento refratário de acordo com a reivindicação anterior, em que o membro vedante e o material intumescente são como definidos em qualquer uma das reivindicações 2 a 9.
12. 12. Método para produzir um elemento refratário (1) de acordo com a reivindicação 10 ou 11 compreendendo os seguintes passos: - prover um elemento refratário compreendendo um primeiro furo passante (3) abrindo numa primeira superfície de acoplamento (1 a), a referida primeira superfície de acoplamento sendo adequada para ser acoplada numa relação de translação deslizante com uma segunda superfície de acoplamento (11 a) de um segundo elemento refratário (11); - aplicar um membro vedante (2) sobre a primeira superfície de acoplamento (la), como que para circunscrever preferencialmente a abertura de furo, caracterizado por o membro vedante (2) compreender um material termicamente intumescente.
13. 13. Método de acordo com a reivindicação anterior, em que o membro vedante é aplicado à primeira superficie de acoplamento como: - um revestimento cobrindo a totalidade ou apenas uma parte da primeira superficie de acoplamento, por pincelagem, pulverização, utilização de um rodo ou de um rolete, impressão, tal como serigrafia ou rotogravura; um revestimento preenchendo uma ranhura provida na primeira superficie de acoplamento (1 a) e circunscrevendo a abertura do furo passante (3) por injeção, secagem com rodo, fundição; ou - uma junta pré-formada encaixando numa ranhura provida na primeira superficie de acoplamento (1 a) e preferencialmente circunscrevendo a abertura do furo passante (3).
14. 14. Método para acoplamento de dois elementos refratários (1, 13) de uma assemblagem de bocal (20, 30) para um aparelho de fundição de metal selecionado de uma porta deslizante e um dispositivo de troca de tubo, o referido método compreendendo os seguintes passos: - executar os passos do método da reivindicação 12 ou 13 para prover um elemento refratário (1) compreendendo um membro vedante intumescente (2) circunscrevendo uma abertura de furo numa primeira superficie de acoplamento (la) ; acoplar por translação deslizante a referida primeira superficie de acoplamento (la) sobre uma segunda superficie de acoplamento (11 a) compreendendo uma segunda abertura de furo de um segundo elemento refratário (11) da assemblagem de bocal, de tal forma que o membro vedante (2) contacte tanto com a primeira como com a segunda superfícies de acoplamento (la, 11a), e trazer a primeira e segunda aberturas de furo para dentro e fora de registo, para definir, quando em registo, um furo passante continuo de uma entrada de metal fundido (13a) para uma saída de metal fundido (3b); - aquecer os assim acoplados primeiro e segundo elementos refratários a uma temperatura pelo menos suficiente para inchar o material intumescente do membro vedante.
15. 15. Método de acordo com a reivindicação anterior, em que o primeiro elemento refratário (1) e membro vedante (2) são pré-aquecidos antes do acoplamento com o segundo elemento refratário (11), a uma temperatura de pré-aquecimento em condições tais como que para prevenir que o material intumescente atinja a sua expansão máxima, quer por: (a) manter a temperatura de pré-aquecimento abaixo da temperatura, Tmax, de expansão máxima do material intumescente, ou (b) encapsular o material intumescente em conchas que estão quimicamente e/ou mecanicamente e/ou termicamente danificadas (i) no deslizamento do primeiro elemento refratário para posição de moldagem na assemblagem de bocal e/ou (ii) na moldagem de metal fundido.
16. 16. Composição vedante para vedar a interface de contacto entre elementos refratários de uma assemblagem de bocal num aparelho de fundição de metal, a referida composição vedante compreendendo: 5-95% em peso de um material intumescente, tal como grafite expansível, 5-95% em peso de vidro solúvel como aglutinante, preferencialmente misturado com um ou mais de: argila, Na2C03, CaC03, MgC03, NaHC03, Ca(HC03)2, Mg(HC03)2; - 5-50% em peso de um lubrificante, tal como grafite (não expansível); - até 20% em peso de antioxidante tal como alumínio.
17. 17. Uso de um elemento intumescente vedante (2) para vedar a interface de contacto entre uma primeira e segunda superfícies de acoplamento de um primeiro e segundo elementos refratários de uma assemblagem de bocal num aparelho de fundição de metal, caracterizada por as referidas primeira e segunda superfícies de acoplamento estarem numa relação de translação deslizante.