PT825970E - Processo de fabrico de produtos refractários electro-fundidos - Google Patents

Description

ΡΕ0825970 - 1 - DESCRIÇÃO "PROCESSO DE FABRICO DE PRODUTOS REFRACTÁRIOS ELECTRO- FUNDIDOS"

Campo Técnico

Este invento pertence ao campo dos processos de fabrico de produtos refractários; mais especificamente, refere-se ao processo de moldagem por fusão para fabrico de refractários, especialmente processos nos quais a carga fundida é tratada com um agente de enriquecimento. Técnica Antecedente

Os produtos refractários, como por exemplo tijolos, blocos e outras formas diversas, podem ser fabricados de diferentes modos a partir de materiais cerâmicos. Por exemplo, os materiais cerâmicos podem ser processados por sinterização a altas temperaturas, ou os materiais podem ser colados entre si por intermédio de fases matriciais. Em alternativa, no processo de moldagem por fusão, os materiais cerâmicos são, em primeiro lugar, fundidos, descarregados para moldes com a dimensão e forma desejadas, e os corpos refractários são recuperados dos moldes após arrefecimento. Os materiais cerâmicos adequados para produtos electro-fundidos incluem óxidos, como por - 2 - ΡΕ0825970 exemplo sílica, alumina, zircónia, óxido de cálcio, óxido de crómio, magnésia, óxidos de metal alcalino, bem como cromites, zircónio, e respectivas misturas.

No processo de fabrico de refractários electro-fundidos, na indústria, a prática tem sido fundir os materiais cerâmicos em fornos eléctricos de arco voltaico, podendo utilizar-se outros tipos de fusão. No processo de arco eléctrico, o arco é desencadeado entre os eléctrodos e o material fundido. Os eléctrodos são activados na ou por cima da superfície do material fundido que está contido num cadinho, ou colher de fundição, aberto em cima ou coberto que tem paredes destinadas a conter o material cerâmico e está equipado com um tubo de descarga de fundição.

Os refractários electro-fundidos têm diversas aplicações, sendo uma muito importante a da indústria vidreira, na qual estes refractários são empregues como revestimento e/ou material estrutural para os fornos e depósitos que contêm o vidro fundido.

No fabrico do vidro, as interacções entre o revestimento refractário e o vidro fundido podem dar origem a bolhas, pedras e outros defeitos no vidro. Além disso, a exsudação de uma fase vítrea separada do refractário para o vidro fundido pode dar origem a uma contaminação adicional do material fundido e mesmo a uma falha prematura do refractário. - 3 - ΡΕ0825970 Têm sido feitos esforços, desde há décadas, para minimizar as reacções químicas entre o material refractário e o material fundido. Já, pelo menos, desde 1960 que se revelou na Patente Francesa 1.208.577 que os efeitos adversos anteriormente expostos são promovidos quer pela porosidade excessiva no corpo refractário electro-fundido quer por uma redução química do óxido fundido por grafite, o eléctrodo normalmente empregue na fusão por arco voltaico. Revelou-se ainda que as propriedades do produto refractário electro-fundido podem ser melhoradas desencadeando o arco numa configuração em que os eléctrodos estejam separados do material fundido e o comprimento do arco entre os eléctrodos e o material fundido seja aumentado. Esta situação é designada por "processo de arco elevado". O arco elevado minimiza a redução dos óxidos no material fundido por carbono ou monóxido de carbono proveniente dos eléctrodos. O arco que atravessa o material fundido origina uma agitação na superfície, diminuindo a porosidade no produto refractário. A patente '577 revela, em sentido lato, que a agitação também pode ser originada pela passagem de uma corrente de gás oxidante, como por exemplo ar ou oxigénio, através do material fundido.

Ainda de acordo com esta linha de pensamento, a Patente U.S. 3.079.452, que tem o mesmo titular que a supracitada patente '577, revela a renovação vantajosa da atmosfera gasosa por cima do óxido fundido através de uma corrente de ar que permite libertar essa atmosfera do monóxido de carbono produzido pela reacção entre o material - 4 - ΡΕ0825970 fundido e os eléctrodos de grafite. 0 ar pode ser introduzido ao dotar o cadinho com orificios de arejamento ou de ventilação, como por exemplo o furo de drenagem. A Patente Britânica 1.036.893, do mesmo titular, descreve resumidamente um cadinho no qual se introduziu ar por baixo da superfície do material fundido, sendo o material fundido aquecido por meios diferentes dos descritos na supracitada patente '577. A Patente U.S. 3.670.061 revela que a utilização de árgon seco, azoto ou gás de dióxido de carbono, introduzidos através de eléctrodos ocos utilizados para aquecer o material fundido, também melhora as propriedades do produto. A Patente U.S. 3.703.391 refere-se a um método de introdução de um gás oxidante no material fundido através da inserção de uma lança metálica arrefecida a água e pressurizada com o gás. Esta técnica genérica foi adoptada e é ainda utilizada por uma série de fabricantes de refractários electro-fundidos, sendo a lança, de um modo geral, inserida no material fundido e, depois, removida antes da descarga. No entanto, a utilização duma lança arrefecida a água deste tipo introduz um elemento de risco no processo, porque se uma vedação ceder, ou uma soldadura rachar, ou ocorrer outra anomalia no sistema de arrefecimento a água, poderá ocorrer uma explosão devida à rápida vaporização da água que escorre para o material fundido a 2000 °C. - 5 - ΡΕ0825970

Por conseguinte, se se utilizar a técnica convencional da lança, devem ser executados testes elaborados, devem repetir-se esses testes e devem fazer-se verificações de segurança. A patente '391 resolve estes problemas ao proporcionar uma mini-lança de injecção de gás arrefecida a água que é engatada de forma amovível na válvula de extracção no cadinho e é utilizada para injectar gás no material fundido durante o tempo em que se inclina o cadinho depois de se ter formado o material fundido mas antes de ser descarregado. Noutra linha de pensamento, a Patente U.S. 3.868.241 evita os problemas associados com a injecção directa de gás oxidante no material fundido ao fazer com que o material fundido entre em contacto com um gás oxidante apenas quando está a ser descarregado para o interior de moldes.

Ao implementar uma campanha de produção típica para fabricar um refractário electro-fundido, o cadinho emparedado é carregado com materiais cerâmicos, desencadeia-se o arco eléctrico, fundem-se os materiais, o material fundido é descarregado do cadinho para o interior de moldes ou de outros dispositivos de moldagem, recarrega-se o cadinho com materiais cerâmicos, os novos materiais são fundidos, descarregados para o interior de moldes, etc. Uma campanha de produção para um refractário electro-fundido dura, tipicamente, dias ou semanas e é, essencialmente, um processo descontínuo implementado repetitivamente. No fim de uma campanha de produção, a energia eléctrica é, tipicamente, diminuída ou desligada, - 6 - ΡΕ0825970 após o que, em qualquer caso, uma quantidade substancial de material cerâmico fundido residual se solidifica no cadinho. A campanha seguinte inicia-se, tipicamente, por um novo desencadear do arco eléctrico, tornar a fundir o resíduo cerâmico da campanha anterior, etc.

Revelação da Invenção

As melhorias supracitadas na técnica para tratar o material electro-fundido com um gás de enriquecimento não resolvem o facto das reacções de redução dos óxidos poderem continuar no material fundido ao longo da sua vida. Na técnica anterior, o tratamento com o gás de enriquecimento e agitação do material fundido não são, de um modo geral, contínuos ao longo de uma única etapa. A natureza descontínua do tratamento por gás fez com que alguns dos especialistas com experiência na técnica achassem desejável tratar o material fundido, de um modo vigoroso, com uma grande quantidade de gás logo antes da descarga do material fundido, mas isto pode dar origem a uma porosidade excessiva no produto electro-fundido. No actual estado da técnica compensa-se esta situação através da introdução de um atraso no corte da energia eléctrica entre o fim do tratamento por gás e a altura em que se descarrega o material fundido para permitir que as bolhas de gás escapem do material fundido. No entanto, com o fim da agitação, os componentes mais densos do material fundido - 7 - ΡΕ0825970 tendem a depositar-se no fundo do cadinho, dando origem a um produto electro-fundido não uniforme.

Deste modo, o invento tem como objectivo corrigir estas deficiências da técnica anterior. Ao alcançar este objectivo, também é desejável estar apto a tratar o material electro-fundido com um agente de enriquecimento sem utilizar um dispositivo de inserção de gás arrefecido a água, evitando, desse modo, os perigos e custo associado com uma lança arrefecida a água.

De acordo com o invento, estes objectivos são conseguidos através da utilização de um processo para o fabrico de um produto refractário electro-fundido. 0 processo inclui uma série de, pelo menos, duas campanhas de produção, compreendendo cada campanha um processo em descontinuo efectuado, pelo menos, uma vez, incluindo o referido processo em descontínuo as seguintes etapas: (1) carregar um cadinho dotado de paredes de um forno eléctrico de arco voltaico com material cerâmico, (2) fundir o material cerâmico activando o arco eléctrico, (3) tratar o material cerâmico fundido com um gás de enriquecimento, e descarregar o material fundido tratado para um ou mais moldes, (4) - 8 - ΡΕ0825970 em que cada campanha é finalizada fazendo com que uma quantidade substancial de material fundido se solidifique no cadinho, um gás de enriquecimento seja injectado por baixo da superfície do material fundido de uma forma substancialmente contínua durante cada campanha de produção a partir de, pelo menos, uma tubeira inserida por baixo da superfície do material fundido e que mantém a injecção de gás entre campanhas.

Em formas de realização preferenciais, o gás de enriquecimento é um agente oxidante, e o gás é administrado ao material fundido por meio de uma ou mais tubeiras que se estendem para o interior do cadinho por baixo da superfície do material fundido. Além duma protecção constante contra os agentes redutores, esta prática proporciona uma agitação contínua e controlável do material fundido durante cada fornada, incluindo a etapa de descarga. Com este invento, o arco eléctrico pode ser (mas não necessita de ser) continuamente alimentado, mesmo durante as etapas de descarga do material fundido, mantendo-se, desse modo, o material fundido com uma temperatura relativamente uniforme. 0 arco também aumenta a agitação proporcionada pelo gás injectado. A agitação melhora a composição química e a homogeneidade da temperatura do material fundido e reduz, significativamente, a quantidade de sedimentação dos componentes mais densos para o fundo da massa de material fundido durante uma campanha, o que dá origem à redução da - 9 - ΡΕ0825970 variabilidade da composição e temperatura no interior do material fundido a descarregar. A descarga com a energia eléctrica activada e com uma agitação continua dá origem a uma temperatura de fusão mais elevada do que se a energia estivesse desligada. A temperatura mais elevada é desejável porque as solubilidades dos gases utilizados neste processo são, de um modo geral, inferiores a temperaturas mais elevadas. 0 gás residual no material fundido conduz a propriedades indesejadas no refractário fundido, como por exemplo uma densidade baixa e uma tendência aumentada de exsudação. No entanto, se a energia eléctrica estiver activada durante a descarga, mas sem uma injecção continua de gás e a agitação resultante, a temperatura do material fundido pode tornar-se tão alta que os ligantes orgânicos, que são tipicamente utilizados no fabrico dos moldes, se decompõem em produtos de reacção gasosa, o que conduz novamente a produtos refractários com uma densidade diminuída e tendência para a exsudação. A relativa simplicidade e baixo custo de uma tubeira fazem com que seja possível tratar o material electro-fundido com gás de uma forma substancialmente contínua durante uma campanha de produção, ao mesmo tempo que se mantém a injecção de gás entre campanhas. A manutenção entre campanhas é necessária porque finalizar uma campanha de produção fazendo com que uma quantidade substancial de material fundido solidifique no cadinho pelo facto de diminuir ou desligar a energia eléctrica pode levar à solidificação do material fundido residual em torno -10- ΡΕ0825970 da tubeira. Esta acção pode imobilizar a tubeira e impedir a sua regeneração após o arranque da campanha seguinte. 0 invento, incluindo a forma e meios através dos quais pode ser implementado, irá ser clarificado fazendo-se referência aos desenhos, que ilustram formas de realização preferenciais, e à descrição pormenorizada que se segue.

Breve Descrição Dos Desenhos A Fig. 1 é uma vista em planta de um sistema de tubeira empregue neste invento. A Fig. 2 é uma vista lateral do sistema de tubeira da Fig. 1 em combinação com parte de um forno, que é mostrado em linha tracejada e em corte, empregue na implementação do invento. A Fig. 3 é uma vista lateral diagramática de um forno carregado de refractários electro-fundidos deste invento, parcialmente em corte, numa determinada fase numa produção em descontinuo. A Fig. 4 é uma vista idêntica à da Fig. 3, mas numa fase posterior da produção em descontinuo.

Melhor Modo de Implementar o Invento -11- ΡΕ0825970 0 processo deste invento proporciona meios para tratar o material fundido em continuo num forno de moldagem por fusão com um agente de enriquecimento durante uma campanha de produção e para manter o tratamento entre campanhas. Embora se possam utilizar outros agentes para além dos gases, o agente de enriquecimento empregue neste invento é um gás. Podem utilizar-se, de acordo com este invento, outros gases de enriquecimento para além dos gases oxidantes, e.g., árgon, azoto, etc. (vide, e.g., a Patente U.S. 3670061), mas prefere-se utilizar um gás oxidante. Entre os vários gases oxidantes, sabe-se que um gás seleccionado de entre o ar, oxigénio, óxido nitroso, dióxido de carbono e mistura destes dá bons resultados e é preferido. Entre estes gases oxidantes, o oxigénio é especialmente atractivo porque é rentável.

Para obter, de um modo simples, a injecção continua de gás no material fundido, pode utilizar-se a lança já bem conhecida na técnica. Uma lança deste tipo, de preferência não sobrecarregada com o arrefecimento associado, pode, por exemplo, ser inserida no sentido descendente através da superfície do material fundido até atingir um ponto por baixo da superfície onde se deseja que haja emanação de bolhas, e.g., no ponto em que a agitação associada com o gás em ebulição seja mais eficiente.

No entanto, de acordo com o presente invento, a injecção contínua de gás no material fundido é, de preferência, obtida, utilizando como injector, pelo menos, -12- ΡΕ0825970 uma tubeira de concepção apropriada que, para os objectivos deste invento, seja distinguida, de um modo vantajoso, da "lança" normalmente utilizada nesta técnica pelo facto de ser inserida, de preferência, através da parede do cadinho ou colher de fundição. Historicamente, uma tubeira é um dispositivo através do qual se distribui uma corrente de gás a um forno, e.g., um forno de soleira ou um alto-forno. As tubeiras podem ser produzidas com uma miríade de desenhos diferentes, consoante os fornos com que devem interagir, o tipo de gás a injectar, a natureza do meio em contacto com a tubeira, a sua temperatura, e por aí fora.

Uma tubeira pode ser inserida em qualquer ponto através da parede do cadinho que contém o material fundido, de preferência por baixo da superfície do material fundido. Em muitos casos, bastará uma tubeira, mas podem utilizar-se múltiplas tubeiras, eficientemente, em cadinhos de grande capacidade ou, por exemplo, se se desejar injectar mais do que um tipo de gás no material fundido. Um ponto de inserção preferencial para uma tubeira é no fundo, ou próximo deste, do cadinho para administrar o gás no interior do triângulo projectado pelos eléctrodos. i.e., o triângulo criado pela união virtual das pontas dos três eléctrodos normalmente empregues para fundir o material cerâmico e pela projecção do triângulo resultante no sentido descendente através do material fundido.

Quando uma tubeira é inserida deste modo no cadinho, e se faz com que uma quantidade substancial do -13- ΡΕ0825970 material fundido se solidifique, avisando a finalização da campanha de produção, a tubeira pode gelar dentro do material cerâmico. Esta situação pode conduzir a uma anomalia da tubeira; ou seja, o escoamento de gás através da tubeira não consegue, frequentemente, regenerar-se no começo da campanha seguinte quando o material cerâmico se torna de novo a fundir. Consequentemente, verificou-se que era desejável proporcionar meios para manter a injecção de gás entre campanhas, assegurando, desse modo, que o gás estaria disponível para que houvesse uma injecção substancialmente contínua durante campanhas subsequentes.

Existem diversos modos através dos quais se pode manter a injecção de gás entre campanhas. A tubeira pode incluir, por exemplo, metal refractário (listado em seguida). Se forem correctamente desenhadas, estas tubeiras podem sobreviver mesmo geladas dentro do material cerâmico, e o gás que se escoa a partir delas pode ser satisfatoriamente regenerado para várias campanhas, mantendo-se, desse modo, a injecção de gás entre campanhas, mesmo se a energia eléctrica tiver sido desligada, desde que o orifício da tubeira se projecte por cima do cascão que criou. No entanto, as tubeiras fabricadas com metal refractário podem ser bastante dispendiosas.

Em alternativa, a injecção de gás pode ser mantida entre campanhas fazendo simplesmente com que o forno trabalhe ao "ralenti", ou seja, fazendo diminuir a energia eléctrica de modo a minimizar a massa de material -14- ΡΕ0825970 cerâmico fundido e continuando o escoamento de gás através da tubeira e da massa minimizada. Noutros casos, especialmente se a tubeira for de fácil acesso e relativamente barata, é exequível finalizar a campanha desligando a energia, fazendo com que o material fundido solidifique no cadinho e substituindo a tubeira entre campanhas de produção. Esta última técnica para manter a injecção de gás entre campanhas é descrita pormenorizadamente em seguida. A substituição de tubeiras entre campanhas assegura que a injecção de gás irá ser regenerada para a campanha seguinte e, desse modo, é preferida.

Se a tubeira for correctamente concebida e inserida através da parede do cadinho num ponto apropriado, verificou-se que era desnecessário arrefecer a tubeira. No entanto, além da extra complexidade e despesa, não há nada que impeça o arrefecimento, se necessário, da tubeira, e a concepção duma tubeira deste tipo está abrangida pela perícia dos especialistas com experiência na técnica. Se se requerer o arrefecimento, é preferível que se evite a utilização de água como meio de transferência de calor pelos motivos definidos anteriormente. Em vez disso, pode empregar-se outro meio de transferência de calor, de preferência um que seja um fluido à temperatura de funcionamento da tubeira, e pode conceber-se um sistema pressurizado fechado, se requerido pela pressão do vapor ou reactividade do fluido escolhido. Os meios de transferência de calor adequados incluem, por exemplo, alumínio fundido, -15- ΡΕ0825970 bismuto, boro, cério, cobalto, cobre, germânio, lantânio, manganês, níquel, silício, estanho e combinações entre estes.

Será claro para os especialistas com experiência na técnica que as especificidades da concepção da tubeira não são críticas e que muitas concepções diferentes irão ser eficientes. Uma tubeira preferencial com acessórios de montagem associados a ser utilizada neste invento aparece nas Figuras 1 e 2. Esta tubeira é suficientemente elementar em termos de concepção o que permite, pelo facto de ser construída com materiais relativamente baratos, ser sacrificada depois de cada campanha de produção e substituída por uma nova tubeira, se necessário, para a campanha seguinte. Em alternativa, pode empregar-se uma tubeira com esta concepção, construída com metal refractário, para uma série de campanhas de produção.

No que se refere, agora, às Figuras, o sistema 10 de tubeira inclui um tubo 19 de cadinho que possui roscas 20 numa extremidade respectiva para se conjugar, de modo amovível, com uma passagem complementar através da parede 31 do cadinho. O tubo 19 de cadinho está soldado, pela sua outra extremidade, a uma flange 15 de cadinho. 0 tubo 13 de inserção é unido por intermédio da soldadura 14 ao tubo 11 de distribuição e estende-se através do tubo 19 de cadinho, cujo diâmetro interno é maior do que o diâmetro exterior do tubo 13 de inserção. O tubo 13 de inserção está soldado à flange 16 da tubeira e termina no tubo 17 de extremidade. A -16- ΡΕ0825970 flange 16 da tubeira está acoplada, de modo amovível, à flange 15 do cadinho por meio de combinações 18 parafuso/porca. 0 gás de enriquecimento é introduzido no tubo 17 de extremidade.

Deve observar-se que o gás de enriquecimento sai do tubo 11 de distribuição pelo orifício 12, que se situa por cima ou na superfície 39 de resíduo refractário ou cascão 34 como explicado em seguida. Em funcionamento, o tubo 17 de extremidade está conectado a uma fonte de um equipamento de manuseamento de gás, que inclui meios de regulação da pressão do gás, mas que não é mostrada por uma questão de simplicidade e por ser bem conhecida pelos especialistas com experiência na técnica. 0 sistema de tubeira pode ser construído a partir dum qualquer número de materiais diferentes ou suas combinações. Podem empregar-se, por exemplo, cerâmica, como por exemplo alumina, e metais, como por exemplo aço inoxidável, ou metais refractários, como por exemplo molibdénio, irídio, nióbio, ósmio, rénio, tântalo, tungsténio, e combinações entre estes. Entre estes materiais prefere-se o aço inoxidável, por exemplo aço inoxidável da série 300, porque é mais barato. Se o tubo 11 de distribuição for construído a partir de tubagem de aço inoxidável muito fina comercialmente disponível, a parte do tubo 11 de distribuição entre o orifício 12 e a superfície 39 do cascão é normalmente consumida durante uma campanha de produção, pelo que o tubo 11 de distribuição, -17- ΡΕ0825970 consequentemente, acaba, e o orifício 12 fica localizado na superfície 39. É muitíssimo conveniente e rentável utilizar também aço inoxidável para o tubo 13 de inserção, sendo que a escolha destes e de outros materiais não é crítica. É óbvio que, se desejado, as tubeiras tradicionais podem ser construídas e inseridas através da parede 31 do cadinho. 0 débito do gás pode ser controlado na fonte, entrando em linha de conta com a geometria do sistema, propriedades do material fundido, e do gás a utilizar. Pode obter-se um tratamento suficiente do material fundido utilizando uma gama de débitos de gás. A natureza específica do meio através do qual o sistema 10 de tubeira é montado no interior da parede 31 do cadinho não é crítica, mas prefere-se que a montagem seja concebida de modo a que o sistema de tubeira seja facilmente removido e substituído. A Fig. 2 ilustra um modo de execução desta montagem como descrito em seguida. A última fornada numa campanha de produção de moldagem por fusão é concluída, de um modo geral, pela descarga do último material fundido do cadinho para um ou mais moldes e, em seguida, fazendo com que uma quantidade substancial, que pode incluir todo, do material fundido se solidifique no cadinho desactivando a energia eléctrica e o escoamento de gás. Esta acção obstrui, de um modo geral, o orifício 12 se este se situar abaixo da superfície do material cerâmico. Uma alternativa consiste em deixar -18- ΡΕ0825970 activo o escoamento de gás e deixar o forno a funcionar "ao ralenti" entre campanhas de produção, como explicado em seguida.

Se o orifício 12 do tubo 11 de distribuição estiver obstruído, então, antes do arranque da campanha de produção seguinte, o tubo 13 de inserção pode ser torcido rodando a flange 16 de tubeira depois de retirar os elementos 18 de fixação. Esta acção, de um modo geral, resulta na separação do tubo 11 de distribuição do tubo 13 de inserção na solda 14, especialmente se o tubo 11 de distribuição for construído em tubagem de aço inoxidável muito fina. 0 tubo 13 de inserção e os restos do tubo 11 de distribuição podem, de seguida, ser removidos do cadinho. 0 tubo 13 de inserção e o resto dos componentes retirados podem, se necessário, ser recondicionados e reutilizados. A via de passagem que sai do orifício resultante na parede 31 do cadinho e atravessa o cascão 34 pode, de seguida, ser desobstruída, de preferência, removendo, em primeiro lugar, o tubo 19 do cadinho, e a flange 15 do cadinho a este fixada, da parede 31 do cadinho. Isto é feito de um modo relativamente fácil se, pelo menos, parte do cascão ou do revestimento do cadinho que envolve o tubo 13 de inserção e o tubo 11 de distribuição for construído em placas refractárias recuperadas. Este tipo de revestimento não funde no decurso da campanha de produção, pelo que a via de passagem para o tubo 13 de inserção e o tubo 11 de distribuição é, substancialmente, preservada de -19- ΡΕ0825970 uma campanha de produção para a outra. Pode empregar-se, de um modo efectivo, uma broca arrefecida a água, opcionalmente de ponta de diamante, para desobstruir o cascão refractário. A água de arrefecimento irá evaporar-se após entrar em contacto com o cascão se este continuar quente a seguir à campanha anterior.

Pode, então, inserir-se um tubo 13 de inserção novo com o tubo 11 de distribuição, adicionar-se materiais cerâmicos ao cadinho, activar-se a energia, etc. É óbvio que, se o tubo 11 de distribuição não estiver obstruído pela carga solidificada resultante da campanha anterior, o sistema de tubeira pode permanecer no lugar e ser reutilizado. Este pode ser o caso se a tubeira incluir metal refractário, especialmente quando o tubo 11 de distribuição sobressair do cascão 34.

Faz-se, agora, referência às Figuras 3 e 4, que ilustram a aplicação do invento durante um processo descontínuo refractário de moldagem por fusão levado a cabo no forno 30. O forno está equipado com uma orla 33, mas não se requer uma cobertura total. O forno 30 é do tipo bem conhecido pelos especialistas com experiência na técnica, e vários componentes do forno, como por exemplo o arrefecimento do cadinho, o sistema de suspensão dos eléctrodos 32, etc., são omitidos por uma questão de clareza. A energia eléctrica irá ser, de um modo geral, do tipo CA trifásica, com três eléctrodos, estando um oculto por trás de outro nas Figs. 3 e 4. Os eléctrodos estão, de -20- ΡΕ0825970 preferência, independentemente suspensos, sendo as suas posições longitudinais em relação à superfície 36 do material fundido controladas automaticamente de modo a manter-se uma corrente constante de fase a fase. O forno 30 pode ser concebido para que a tubeira, ou tubeiras, entre(m) na parede 31 do cadinho num ponto qualquer, desde que o orifício 12 do, pelo menos um, tubo 11 de distribuição de gás fique por baixo da superfície do material fundido a produzir. Esta acção é, de preferência, executada, posicionando o sistema 10 de tubeira no, ou perto do, fundo do cadinho 31, como se mostra nas Figs. 3 e 4. Ou seja, faz-se com que o tubo 11 de distribuição de gás e o tubo 13 de inserção do sistema 10 de tubeira atravessem a parede 31 do cadinho e o cascão 34 no fundo do cadinho, como se mostra na Fig. 2. No entanto, deve compreender-se que a tubeira poderia ser introduzida pelo lado ou por cima, através de uma cobertura se a houvesse, do cadinho e também desse modo posicionar o orifício 12 de gás.

Com o sistema 10 de tubeira no lugar e o forno 30 na vertical, como se mostra na Fig. 3, a primeira fornada da campanha de produção é iniciada, começando a passagem do gás de enriquecimento pelo espaço do cadinho logo acima do cascão 34, activando os eléctrodos 32 de modo a criar um arco eléctrico e adicionando os materiais cerâmicos desejados ao cadinho, apesar de, se desejado, um ou outro, ou os primeiros dois actos possam ser implementados depois de se ter adicionado o pó cerâmico. A carga no cadinho é -21- ΡΕ0825970 fundida e, durante todo o processo de fusão e depois, o escoamento de gás para o material fundido 35 é mantido, agitando e tratando, desse modo, o material fundido 35 com o gás. Durante este processo, a corrente de gás de entrada dá origem a um efeito de rolamento/agitação no material fundido que é ilustrado de modo diagramático nas Figs. 3 e 4.

Depois da carga no cadinho ter sido fundida deste modo, o cadinho é inclinado, como se mostra na Fig. 4, utilizando meios não ilustrados, para que o material fundido 35 entre no orificio 37 de drenagem e saia pelo bocal 38 de descarga para o interior de moldes ou de outros dispositivos de modelação (não mostrados) com a dimensão e forma desejadas. Durante este conjunto completo de etapas de processo, o escoamento de gás através do sistema 10 de tubeira é, substancialmente, mantido; a energia eléctrica para os eléctrodos 32 pode ou não permanecer, conforme desejado. Após a finalização da descarga, o cadinho é endireitado, e qualquer material fundido residual no cadinho continua a ser tratado com o gás. A introdução de materiais cerâmicos adicionais no cadinho inicia a fornada seguinte na campanha, embora uma campanha possa incluir uma só fornada. Estas etapas de processamento são repetidas conforme o número de fornadas requeridas para completar a campanha de produção, sendo mantido o escoamento de gás através do sistema 10 de tubeira e, de preferência, a energia eléctrica, ao longo de toda a campanha. No final da campanha, pode desligar-se o gás e a electricidade, ou pode pôr-se o forno a funcionar "ao ralenti" diminuindo a -22- ΡΕ0825970 energia eléctrica, mas mantendo uma pequena quantidade de líquido em torno da tubeira e, opcionalmente, continuando com o escoamento de gás de modo a manter a injecção de gás entre campanhas.

Aplicabilidade Industrial A execução deste invento está ilustrada de modo mais específico nos Exemplos que se seguem, sendo o Exemplo 1 uma série de duas campanhas de produção destinadas ao fabrico de um produto refractário de alumina/zircónia/sílica implementado através da utilização do processo deste invento e sendo a injecção de gás mantida entre campanhas pela substituição da tubeira. Como é óbvio a partir da supracitada discussão, a injecção de gás pode ser mantida entre campanhas, se desejado, utilizando outros meios. Os Exemplos 2 e 3 ilustram campanhas de produção destinadas ao fabrico do mesmo produto refractário mas empregando processos e equipamento da técnica anterior.

Os resultados das três experiências são apresentados nos Quadros I-IV que contêm dados resultantes de fornadas individuais em cada campanha de produção. Os Quadros I e II apresentam comparações de temperatura e uniformidade das composições do material fundido, enquanto os Quadros III-IV apresentam comparações dos produtos refractários electro-fundidos, respectivamente em termos do nível de oxidação e tendência de exsudação. -23- ΡΕ0825970

As temperaturas do material fundido que aparecem no Quadro I são medidas utilizando um pirómetro dirigido às correntes de material fundido que estão a ser descarregadas para os moldes; deseja-se uma temperatura de material fundido relativamente alta e, especialmente, uniforme de fornada em fornada e no interior das descargas de uma dada fornada.

Os teores em zircónia dos cones pirométricos de teste individuais obtidos durante várias descargas de fornadas em cada campanha de produção aparecem no Quadro II. Em cada caso, o teor em zircónia do cone é determinado por métodos familiares aos especialistas com experiência na técnica. A uniformidade do teor em zircónia nos cones, sem um desvio ao longo da campanha, é desejável.

Os dados apresentados no Quadro III são medições do estado de oxidação do material cerâmico em cones de amostra obtidos durante várias descargas de fornadas em cada campanha de produção. As cores dos cones são comparadas com uma série de cones coloridos padrão que variam de cinzento (não oxidados) com uma graduação de "1" até cor de creme (completamente oxidados) com uma graduação de "10". Calculam-se as médias das graduações obtidas das descargas numa dada campanha de produção para obter as graduações apresentadas. Neste teste deseja-se obter um número alto.

Emprega-se um método padrão, i.e., ASTM C1223-92, para produzir as graduações da exsudação que aparecem no -24- ΡΕ0825970

Quadro IV. 0 método mede o aumento do volume em percentagem de uma amostra padrão provocado pela exsudação de uma fase vítrea. Neste teste, deseja-se obter um número mais pequeno. EXEMPLO 1

Campanha de Produção de Acordo com Este Invento

Emprega-se um forno de moldagem por fusão que inclui um cadinho aberto por cima com um diâmetro de 3,05 m (10 pés), equipado com um orifício de drenagem e bocal de descarga, equipamento de arrefecimento e inclinação do cadinho, e um sistema de suspensão para três eléctrodos de grafite alimentados por um transformador de forno eléctrico de arco voltaico convencional, estando os eléctrodos independentemente suspensos e sendo as suas posições longitudinais controladas automaticamente de modo a manter-se uma corrente constante de fase a fase. O cadinho contém uma tubeira nova em aço inoxidável, como ilustrado nas Figs. 1-4. Uma fonte de gás de oxigénio está conectada ao sistema de tubeira, e o escoamento de oxigénio através da tubeira é iniciado a um débito de (1,25 SCFM) 3,54 x 10”2 m3/min., o qual é mantido durante toda a campanha de produção. -25- ΡΕ0825970 0 cadinho é, em seguida, carregado com uma fornada de material cerâmico que consiste em alumina, zircónia e sílica. A energia eléctrica é, depois, ligada, fundido o material cerâmico. Depois de cerca de uma hora, faz-se a primeira descarga mantendo-se ligada a energia eléctrica durante a descarga; torna-se a carregar o cadinho com material cerâmico, que é fundido, descarregado, etc., repetitivamente. Durante a campanha, as descargas com a "energia ligada" e novas fornadas são iniciadas de hora a hora. No fim da campanha de cinco dias, a energia eléctrica e o gás de oxigénio são desactivados fazendo com que o material fundido solidifique de modo a formar um cascão no cadinho.

Dois dias depois de finalizar a supracitada campanha, o tubo 13 de inserção é ligeiramente rodado com uma chave-inglesa, e os componentes da tubeira utilizada são removidos do cadinho através do orifício existente na parede do cadinho. Uma broca pneumática é, depois, conectada sobre o orifício no cadinho, e perfura-se uma via de passagem desobstruída completamente através do cascão. Insere-se e prende-se uma nova tubeira com o comprimento e diâmetro desejados no orifício na parede do cadinho, como ilustrado nas Figuras. A campanha de produção seguinte é iniciada pelo carregamento do cadinho com uma fornada de material cerâmico constituído por alumina, zircónia e sílica. A energia eléctrica é ligada para desencadear o arco e fundir -26- ΡΕ0825970 o material cerâmico; o material fundido é descarregado nos moldes, torna-se a carregar o cadinho, etc., até que se finalize a campanha. EXEMPLO 2

Campanha de Produção Utilizando uma Lança Arrefecida a Água

Emprega-se um forno de moldagem por fusão tal como o descrito no Ex. 1, salvo que o cadinho não está equipado com um sistema de tubeira para injectar oxigénio mas, em vez disso, está equipado com uma lança de cobre submersível arrefecida a água que pode ser inserida no material fundido a partir do topo do cadinho. 0 forno é carregado com o mesmo material cerâmico empregue no Ex. 1, e os materiais cerâmicos são, do mesmo modo, fundidos e descarregados, torna-se a carregar o cadinho, etc., em fornadas que duram uma hora. No entanto, nesta experiência, no final de cada ciclo de fusão, a energia eléctrica é desligada e, só depois disso, a lança é inserida no material fundido, sendo o oxigénio injectado através da lança, no material fundido, com um débito de (15 SCFM) 4,25 x IO-1 m3/min. durante, aproximadamente, 4 minutos. Depois da extracção da lança, deixa-se desgaseificar o material fundido durante 2-3 minutos que é, depois, descarregado. -27- ΡΕ0825970 EXEMPLO 3

Campanha de Produção Sem Oxigenação

Emprega-se um forno tal como o descrito nos Exs. 1 e 2, utilizando o mesmo material cerâmico e as mesmas quantidades, com um tempo de ciclo de fornada de uma hora durante a campanha. No entanto, nesta experiência, o material fundido não é oxigenado, e as descargas são feitas com a energia eléctrica desligada.

QUADRO I

Medições da temperatura do material fundido numa fornada Sequência de Temperatura do material fundido (°C) fundição Ex. 1 Ex. 2 Ex. 3 1 1859 1789 1839 2 1851 1762 1817 3 1850 1744 1791 4 1857 1751 1800 Média 1854 1762 1812 Gama de 9 45 48 variação

QUADRO II

Teor em zircónia Parâmetro Ex. 1 Ex. 2 Ex. 3 Φ p o £ 8 6 8 -28- ΡΕ0825970 amostras wt% média de Zr02 34, 6 34,1 34,2 wt% máxima de Zr02 34, 9 34,4 34, 6 wt% mínima de Zr02 34,3 33, 6 33, 8 Desvio padrão 0,19 0,27 0,42 Última wt% de Zr02 a 35,4 - 42,8 b a Teor em ZrC>2 típico da última descarga na campanha. b Valor elevado devido à crescente sedimentação no material fundido não agitado.

QUADRO III

Graduações de Oxidação de Produtos Refractários Ex. 1 Ex. 2 Ex. 3 10 8,3 8,0

QUADRO IV

Graduações de Exsudação de Produtos Refractários Ex. 1 Ex. 2 Ex. 3 1, 92% 2,25% 2,34% -29- ΡΕ0825970

Embora este invento tenha sido ilustrado fazendo referência a formas de realização especificas do mesmo, pretende-se que o invento seja limitado, não por essas formas de realização, mas apenas pelo âmbito das reivindicações que se seguem.

Lisboa, 28 de Setembro de 2006

Claims (18)

1. ΡΕ0825970 - 1 - REIVINDICAÇÕES 1. Processo para o fabrico de um produto refractário electro-fundido, incluindo o referido processo uma série de, pelo menos, duas campanhas de produção, compreendendo cada campanha um processo em descontinuo efectuado, pelo menos, uma vez, incluindo o referido processo em descontinuo as seguintes etapas: (1) carregar um cadinho dotado de paredes de um forno eléctrico de arco voltaico com material cerâmico, (2) fundir o material cerâmico activando o arco eléctrico, (3) tratar o material cerâmico fundido com um gás de enriquecimento, e (4) descarregar o material fundido tratado para um ou mais moldes, em que cada campanha é finalizada fazendo com que uma quantidade substancial de material fundido se solidifique no cadinho, caracterizado por se injectar um gás de enriquecimento por baixo da superfície do material fundido de uma forma substancialmente continua durante cada campanha de produção a partir de, pelo menos, uma tubeira inserida por baixo da superfície do material fundido e que mantém a injecção de gás entre campanhas. - 2 - ΡΕ0825970
2. 2. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por se finalizar a campanha desligando a alimentação do arco eléctrico e por se manter a injecção de gás entre campanhas removendo, pelo menos, uma tubeira anteriormente utilizada do cadinho e substituindo-a por uma tubeira nova.
3. 3. Processo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por, pelo menos, uma tubeira anteriormente utilizada ser removida extraindo, pelo menos, uma parte dos conteúdos do cadinho.
4. 4. Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por a parte dos conteúdos do cadinho ser extraída com uma broca arrefecida a água inserida através da parede do cadinho.
5. 5. Processo de acordo com as reivindicações 3 ou 4, caracterizado por uma parte de um sistema de tubeira ser montada de uma forma amovível no exterior da parede do cadinho, pelo que se facilita a extracção dos conteúdos do cadinho.
6. 6. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a injecção de gás ser mantida entre campanhas fazendo-se com que o forno funcione "ao ralenti".
7. 7. Processo de acordo com uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado por a injecção de gás - 3 - ΡΕ0825970 ser mantida entre campanhas empregando, pelo menos, uma tubeira que inclua metal refractário seleccionado do grupo que consiste em iridio, molibdénio, nióbio, ósmio, rénio, tântalo, tungsténio, e combinações entre estes.
8. 8. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, em que o gás de enriquecimento inclui um gás oxidante.
9. 9. Processo de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por o gás oxidante ser seleccionado do grupo que consiste em oxigénio, ar, óxido nitroso, dióxido de carbono e mistura destes.
10. 10. Processo de acordo com a reivindicação 9, caracterizado por o gás oxidante incluir oxigénio.
11. 11. Processo de acordo com a reivindicação 1, em que, pelo menos, uma tubeira inclui aço inoxidável.
12. 12. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizado por, pelo menos, se inserir uma tubeira através da parede do cadinho a uma distância suficiente para penetrar através de qualquer resíduo refractário solidificado que revista o interior do cadinho. - 4 - ΡΕ0825970
13. 13. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizado por se empregar uma única tubeira inserida através da parede do cadinho.
14. 14. Processo de acordo com a reivindicação 13, caracterizado por a tubeira ser inserida no cadinho para distribuir o gás no interior do triângulo projectado pelos eléctrodos.
15. 15. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender ainda a alimentação, de modo continuo, do arco eléctrico durante, pelo menos, uma fornada em, pelo menos, uma campanha.
16. 16. Processo de acordo com a reivindicação 1, em que, pelo menos, uma tubeira não é utilizada com qualquer meio de arrefecimento.
17. 17. Processo de acordo com a reivindicação 1, em que o material cerâmico é seleccionado do grupo que consiste em sílica, alumina, zircónia, óxido de cálcio, óxido de crómio, magnésia, óxidos de metal alcalino, bem como cromites, zircónio, e respectivas misturas.
18. 18. Processo de acordo com a reivindicação 16, em que o material cerâmico compreende uma mistura de alumina, zircónia e sílica. Lisboa, 28 de Setembro de 2006