PT84858B - Aperfeicoamento nos processos e dispositivos de fusao de materiais fibraveis - Google Patents

Description

Memória descritiva referente ao pedido de patente de invenção em nome de Isover Saint-Gobain, francesa, industrial, com sede em Les Miroirs, 18, avenue d'Alsace, 92400 Courbevoie, França, para:

APERFEIÇOAMENTO NOS PROCESSOS E DISPOSITIVOS

DE FUSÃO DE MATERIAIS FIBRÃVEIS

O invento refere-se ã fusão de materiais estiráveis, tais como, vidros basálticos, escórias de altos fornos ou outros, com a finalidade da produção industrial de lã de rocha.

Já é conhecido levar o material destinado a fibrar, no estado fundido, para a periferia de três ou quatro rodas de centrifugação, dispostas na proximidade umas das outras, sendo o material desviado numa primeira roda que o acelera e envia para a roda seguinte. Cada uma das rodas transforma parte do material fundido e envia o excesso para a roda seguinte.

Estas técnicas de produção de lã de rocha a partir de materiais com alto ponto de fusão são mais vulgarmente designadas como centrifugação livre. Estas já foram objecto de numerosos aperfeiçoamentos que visam sobretudo o melhoramento do rendimento de fibras. Desta forma, foi demonstrado que a percentagem de produtos infibrados é reduzida por uma optimiza ção do binómio diâmetro-velocidade de rotação das rodas. Da mesma forma, o estado de superfície das rodas, conforme este favorecer ou não a ancoragem do material fundido influencia a estiragem das fibras. Outras propostas referem-se às circulações de gãs ã volta das rodas de centrifugação.

O documento da patente francesa FR 84.16547 propõe

de resto o controlo das condições em que o material fundido é levado do recinto de fusão para a primeira roda de centrifugação. Para isso, é entreposta uma reserva no trajecto do material fundido, o que garante a homogeneização da temperatura e da composição deste material. Além disso, o estabelecimento desta reserva garante a regularização do débito de material fundido proveniente do recinto de fusão.

Com efeito, o material é vulgarmente fundido em fornos do tipo forno de cúpula utilizados em fundição. Os fornos de cupula são alimentados na sua parte superior com camadas sucessivas, alternadas, de combustível, geralmente coque e material a fibrar. A zona de combustão situa-se na zona infe rior do forno de cupula, na vizinhança das tubagens pelas quais é insuflado o gás de combustão, geralmente, ar eventualmente enriquecido de oxigénio. A temperatura liberta pela combustão acarreta a fusão do material a fibrar que se escapa por um furo de sangria da fundição, situado a um nível ligeiramente inferior ao nível das tubagens. Por fim, no fundo do forno de cupula acumulam-se os resíduos de ferro fundido, provenientes quer dos nodulos incluídos na escória, quer na redução dos óxidos de ferro do resto da carga. Embora o ferro fundido de maior densidade se separe naturalmente do material a fibrar no estado fundido, o furo de sangria de fundição deve ficar ao ní vel mais elevado possível afim de não se escaparem igualmente pequenas quantidades de ferro fundido que acarretariam um desgaste rápido das rodas de centrifugação.

Esses recintos de fusão são muito vantajosos, se forem considerados os débitos muito importantes de produtos fundi dos e o baixo custo energético desta fusão. No entanto, estes fornos de cupula fornecem um débito muito irregular de material fundido, como está frizado no pedido de patente francesa FR 84.16547.

As irregularidades de débito têm origens múltiplas. Em regime estacionário, o nível das cargas de comburente e de

combustível é realmente sensivelmente constante, no entanto, em intervalos regulares, produzem-se abatimentos de cargas, so bretudo de coque, que conduzem a um arrastamento de pedaços de coque não queimados com o fluxo de material fundido. Estas par tículas de coque são particularmente prejudiciais à instalação porque aumentam a quantidade de produtos infundidos e sobretudo as fibras produzidas simultaneamente com este arrastamento do coque devem ser eliminadas sob pena de formação dum produto inflamável.

Por outro lado, como já indicado anteriormente, para serem reduzidos os arrastamentos de ferro fundido, o furo de sangria de fundição do material a fibrar deve estar situado a um nível relativamente elevado, por outras palavras, na proxi midade da zona de combustão e das tubagens de insuflamento do gás comburente. 0 furo de sangria do material a fibrar estã então situado numa zona onde reinam grandes turbulências e quantidades importantes de gãs ou mesmo de materiais sólidos escapam-se em direcção ãs rodas de centrifugação.

presente invento tem por finalidade propor um pro cesso de alimentação melhorado dum recinto de fusão do tipo forno de cupula que permite obter-se uma fundição mais regular de materiais estiráveis, tais como, vidros basãlticos, escórias de altos fornos ou outros produtos utilizados para a produção de fibras chamadas de rocha.

Segundo o invento e de acordo com a característica da reivindicação 1, o carregamento do forno de cupula de gás comburente é conduzido de forma não uniforme para criar na secção do forno correspondente ao nível do furo de sangria de fundição, um gradiente de velocidade de circulação dos gases, situando-se as velocidades de circulação mais fracas na proxi midade do furo de fundição.

De maneira surpreendente, o estabelecimento desse gradiente de velocidade de circulação dos gases permite que

seja aumentada a quantidade de ar insuflado no forno, o que é favorável à produção de calor. Como os gases circulam na proxi midade do furo de sangria de fundição a uma baixa velocidade, fica fortemente reduzida a sua tendencia para se escaparem com o material fundido.

Este gradiente de velocidade de circulação dos gases é de maneira preferida tal que a pressão total medida em relação ã pressão atmosférica no limiar de fundição fica inferior a 60 % da pressão na primeira tubagem, quer dizer na tubagem mais próxima desta.

De preferência este aumento da quantidade de ar insuflado efectua-se sem aumento do débito nominal na secção do forno ao nível das tubagens de insuflação. Isto é obtido com o auxílio dum forno constituído por um recinto cilindrico com secção constante. Embora um débito normal elevado em relação à secção do forno ao nível das tubagens favoreça teoricamente a combustão do coque, segundo o invento foi demonstrado que a tendencia para o desaparecimento dos materiais no decurso da fusão é então muito forte e compensa esta vantagem. Além disso com uma grande secção do forno ao nível das tubagens de insuflamento de ar, estabelece-se mais fãcilmente um gradiente de velocidade de circulação de gás.

Para o estabelecer, pode ser utilizado, por exemplo, um forno provido duma série de tubagens de insuflamento de ar regularmente afastados ao longo de toda a circunferência e ali, mentar essas tubagens com débitos diferentes segundo o seu afastamento do furo de vasamento, por exemplo, com débitos qua se nulos para as tubagens colocadas dum lado e do outro do furo de fundição.

Segundo uma outra característica preferida do invento, o vasamento do material fundido é ainda regularizado por uma protecção à volta do furo de vasamento. O furo de vasamento forma evidentemente o limite superior do nível dos líquidos,

ou mais precisamente o limite inferior do nível de livre circu lação dos gases. Para reduzir a percentagem de gás dissolvido nos líquidos e para evitar o arrastamento para o furo de vasamento de partículas de coque não oxidadas ou de matérias primas ainda no estado sólido, foi proposto de acordo com o inven to, entulhar o fundo do forno até ao nível do furo de vasamento com uma carga de coque. Situada sob a zona de combustão, nu ma zona anaeróbia, esta carga de coque não contribui directamente para a produção de calor. Pelo contrário, representa um papel de filtro. Além disso, sustem a primeira carga de matérias primas e/ou de coque antes de se estabelecer um regime es tacionário de funcionamento.

Esta carga inicial de coque é composta de preferência por blocos de coque de grandes dimensões, colocados sobre o fundo do forno depois deste ter sido protegido por um apiloa do.

A combinação da presença deste filtro formado por blocos de coque e o estabelecimento dum gradiente de velocidade de circulação dos gases garantindo uma pequena velocidade de circulação na zona próxima do furo de vasamento, asseguram um débito de material fundido muito regular e homogéneo da com posição, o que leva a um melhoramento do rendimento da operação de fibragem.

Como a fusão da rocha é relativamente lenta, é preci. so velar para que o gases comburentes e os gases de combustão possam circular muito facilmente na zona de fusão e sobretudo se possam escapar em direcção da chaminé. Para isso, a carga não deve ser excessivamente compacta, sob pena de criação duma sobrepressão na zona de fusão, sobrepressão que conduz a um aumento das turbulências na zona de vasamento. Ê esta a razão pela qual a carga de matéria prima é introduzida, de preferência, sob forma de blocos ou briquetes extrudidos, por exemplo, cilindricos. Esse método de preparação da carga é bem conheci do, por exemplo, pela patente US 2 020 403. Apresenta para

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mais a vantagem de permitir a recuperação de infundidos, detri tos de fibras e um ajustamento da composição de matérias pri; mas.

Outras vantagens e características do invento serão evidentes na descrição que se segue dum modo de realização do invento feito com referência ao desenho único anexo que representa um esquema de funcionamento dum forno segundo o invento.

Um recinto de fusão para vidros basálticos, escórias de altos fornos metalúrgicos ou outros produtos com pontos de t fusão elevados deve aquecer a carga de maneira muito rápida, ' para um pequeno custo energético e sem necessitar de frequentes interrupções de produção. Os processos de fusão devem ter em conta, por um lado um baixo preço de compra das matérias primas, trata-se com efeito duma valorização dos produtos de rejeições de siderurgia, por exemplo e, por outro lado, de ren dimentos médios de fibras capazes de ser obtidos pelos processos de fibragem com centrifugação livre. Para ser industrialmente explorável, um processo que melhore a capacidade de fusão deve ser por isso simples e facilmente praticável.

A quantidade de calor necessária para a elevação da carga de rochas ou de escórias até ã sua temperatura de fusão I é fornecida pela combustão de coque, sendo as cargas de matérias primas e de coque introduzidas em estratos alternados ou eventualmente simultaneamente a partir de misturas de matérias primas e de combustível. Ê bem conhecido que a combustão de coque efectua-se normalmente na parte baixa do forno e mais exactamente na secção compreendida entre os bocais e 500 a 800 mm para cima. Esta combustão consome o oxigénio do ar dos bocais segundo a reacção C + CC^, os gases quentes libertos transferindo o seu calor para a carga situada por cima, provocando a sua fusão.

Até 900QC aproximadamente, uma parte do carbono presente na carga é consumida numa reacção endotérmica com o dió6

xido de carbono produzindo monóxido de carbono.

Se, partindo desta situação, se quiser aumentar o dé bito do aparelho, deve aumentar-se a quantidade de ar introduzido, de forma a aumentar o débito de transformação do coque em dióxido de carbono e em calor e, por consequência, o débito de materiais que passam do estado sólido ao estado líquido. Ora, nós verificámos que, para um dado forno, este aumento apresentava um limite que atribuímos ao efeito das turbulências na parte baixa do aparelho: em certas condições de turbulências excessivas, o coque queima-se mais depressa do que se funde a f carga, a ponto de a quantidade de coque ainda presente na zona de combustão ser excessivamente pequena. Como o oxigénio deixa se ser consumido na parte baixa, fica disponível para reagir com o coque situado nas zonas ou estratos superiores, o que provoca uma subida irreversível da zona de combustão e a para gem de funcionamento do aparelho pelo bloqueamento da coluna de materiais, desde as partes baixas.

Para evitar esta configuração, tenta-se em geral au mentar a quantidade de coque por carga mas o resultado princi pal é a transformação deste excesso de coque em monóxido de carbono, sem aumento sensível do débito máximo.

Uma solução melhor consiste em aquecer o ar dos bocais de 400 a 600°C. Recua-se assim o limite do débito do apa relho visto que, com uma composição igual, é necessária uma quantidade menor de coque, portanto de ar, para obter a fusão.

Por outro lado, como o furo de vasamento do material estirável deve estar situado a um nível muito elevado, para uma boa decantação do ferro fundido incluso no material em fu são, este encontra-se muito próximo da zona de combustão e de insuflamento do gás comburente. Um aumento do débito gasoso corresponde portanto a uma elevação das turbulências ao nível do furo de vasamento e o vasamento do material em fusão é então irregular e além disso materiais não fundidos ou ainda

ferro fundido são susceptíveis de ser arrastados para as rodas de centrifugação e de provocar um desgaste rápido.

Para remediar este inconveniente e como está esquema tizado na figura única anexa, o invento propõe carregar o forno com ar, de forma não uniforme para criar ao nível dos bocais de insuflação um gradiente de velocidade de circulação dos gases, situando-se as velocidades de circulação mais baixas na proximidade do furo de vasamento. Desta forma, o forno pode funcionar com débitos e velocidades médias de circulação dos gases, maiores, sem que sejam aumentadas as turbulências na zona do furo de vasamento. 0 forno em funcionamento não possui portanto senão um plano de simetria, o plano vertical cortando o furo de vasamento utilizado na figura 1.

Nesta figura, está esquematizado o escalonamento das várias zonas dum forno.

forno, encimado por uma chaminé 1 equipada de dispositivos de depuração dos gases, aqui não representados, está equipado dum dispositivo de alimentação 2, alimentado por uma fita sem fim 3. As paredes laterais 4 do forno são duplas para um arrefecimento com água. 0 fundo 5, de preferência é desmontável e fixado de maneira estanque ãs paredes, por união de pa rafuso e porca. Para mais, está protegido cuidadosamente por um apiloado 6. A alimentação de gases comburentes efectua-se por tubeiras 7. De preferência, essas tubeiras são em número de doze e colocadas a par, afastadas regularmente 60q umas das outras. 0 furo de fundição 8 está colocado entre duas tubeiras, ligeiramente abaixo destas. 0 fluxo de material fundido que dali escorre, é recebido de preferência por um cadinho, de acordo com os ensinamentos do pedido FR 84.16547. 0 material é em seguida enviado por intermédio duma calha de transporte para a primeira roda de centrifugação, chamada roda de distribui ção, com vista à produção de fibras.

Os produtos fundidos acumulam-se até ao nível do fu8

ro de fundição 8. Abaixo deste nível, é preciso evitar uma quantidade excessivamente grande de gases dissolvidos, porque acarretam irregularidades de débito. No entanto, o furo de fun dição 8 não pode estar situado sobre o fundo do forno de cupula, se forem utilizadas matérias primas na composição nas quais entrem quantidades importantes de óxido de ferro, que é nitidamente o caso das rochas basálticas. Além de deteriorar a fibra, o ferro fundido provoca realmente um desgaste rápido das rodas de centrifugação; por isso, é necessário conseguir a sua decantação no fundo do forno e evacuá-lo periodicamente, por um perfuramento através do fundo 5 e do apiloado 6, ao lon í go da calha de transporte 18. Desta forma, são mantidos os níveis dos dois líquidos, ferro fundido e rocha fundida, bem afastados.

Deve ser frizado igualmente que, ao contrário dos recintos habituais de fusão, o forno de cupula segundo o inven to tem, de preferência, uma secção cilíndrica sensivelmente constante, de forma que pode ser alimentado com débitos de com burente muito grandes, tendo uma velocidade de circulação em relação ã secção relativamente menor do que com os fornos de diâmetro reduzido na parte baixa. Esse forno de cupula de baixa velocidade de circulação dos gases permite débitos muito grandes de material fundido.

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São introduzidas cargas sólidas, por exemplo, sob a forma de estratos alternados de combustíveis (9, 10, 11) e de material a fundir (12, 13, 14).

Como combustível é particularmente conveniente coque sob a forma de pedaços com diâmetros bastante grandes e de gra nulometria superior a 150 mm. O material a fundir é segundo o tipo de produtos desejados e as possibilidades locais de abastecimento da escória de altos fornos, rochas basálticas ou quaisquer outras. De acordo com o referido na patente US 2 020 403, uma parte do material a fundir é alimentada, de preferência, no estado de briquetes, por exemplo, cilíndricos

ou paralelepipédicos e obtidos por extrusão do material húmido. As rejeições da produção de fibras, tais como os infibrados, rejeições dos filtros da água de lavagem, fragmentos cal cinados são assim aglomerados com a ajuda duma argila e reciclados. Na prática, perto de 15 % da carga de material fundido é constituída por produtos reciclados. Esta preparação do material fundido permite um ajustamento da sua composição e sobretudo o seu enriquecimento em alumina com a ajuda de argi la ou de bauxite, o que permite melhorar a qualidade das fibras. Além disso, com os briquetes são facilitados o armazena mento e carregamento do material a fundir.

A principal vantagem da utilização de briquetes apa rece, no entanto, na altura da fusão. Na verdade, quando os briquetes são deitados no forno, distribuem-se de forma aleatória, com um coeficiente de enchimento escasso, da ordem por exemplo de 80 % de espaço disponível. Isto permite prãticamen te uma livre circulação dos gases entre os briquetes e evita que se criem sobrepressões locais. Por estas razões, o coque é de preferência do tipo 60/100, o que garante igualmente um coeficiente de enchimento escasso, de acordo com o que foi es quematizado na figura para diferenciar mais facilmente as car gas de coque e de material a fundir.

As cargas 9 a 14 são renovadas durante todo o perío do de funcionamento do forno, ou seja durante uma duração de 2 a 3 meses. Para pôr em movimento o forno, são mantidas por uma carga inicial de coque que ocupa, pelo menos, toda a meta de inferior do forno de cupula. A linha a tracejado 15 indica neste caso a altura atingida pela carga inicial de coque.

Em funcionamento estacionário, esta carga inicial não persiste senão no exterior dum parabolóide 16 de fusão, zo nas mortas nas quais não se produz reacção química. De acordo com o invento e conforme aqui representado, o eixo de rotação do parabolóide 16 não está confundido com o eixo de simetria do forno mas está desfasado e muito afastado do furo de fundi10

ção 8. Isto é obtido regulando as tubeiras 7 de alimentação de ar de tal maneira que a pressão total medida em relação à pres í —» são atmosférica do furo de fundição 8 seja sempre inferior a 3000 Pa e de preferência a 2900 Pa, enquanto que a quantidade ' de ar insuflado pode atingir 6200 N m³/h, ou seja uma pressão total de 4900 Pa ao nível das tubeiras 7. Estabelece-se assim um gradiente de velocidade de circulação dos gases muito grande com uma zona de turbulências 17 muito afastada do furo de ' fundição. Isto leva directamente a uma diminuição muito grande das irregularidades do débito do material fundido que se escoa do furo de fundição. Assim, para um débito de 8 toneladas i

. hora de rocha em fusão, o desvio tipo de débito medido no caso l duma alimentação de ar simétrica é de 10 %. Se, pelo contrário, ’ a alimentação das tubeiras for regulada de acordo com o invento, o desvio tipo não é maior do que 6 %. Isto pode ser obtido ; de maneira muito simples alimentando mais as quatro tubeiras mais próximas do furo de fundição mas conservando o mesmo débi to de ar insuflado. No entanto, de preferência, é mantida a ι alimentação das doze tubeiras, mas o débito insuflado por cada tubeira ê regulado em função da posição das referidas tubeiras • em relação ao furo de fundição. Para isso, cada tubeira é alimentada pela sua própria bomba. Desta forma, é possível operar ί um controlo estreito da posição do parabolóide 16 e modificá-la no decurso de funcionamento. Igualmente, é possível atingir tiragens de mais de 10 toneladas hora, ficando as irregula ridades de débito toleráveis, quer dizer, inferiores a 10 %.

Essas tiragens não são encaráveis se não for possí!

vel uma boa evacuação dos gases combustíveis e portanto com ; cargas apresentadas sob a forma de briquetes conforme indicado anteriormente.

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Além disso, é ainda particularmente vantajoso utilizar a carga inicial de coque como carga filtrante.

Como segundo o invento o parabolóide de fusão 16 está descentrado, o furo de fundição 8 situa-se numa zona morta

muito importante na gual o coque da carga inicial nunca é oxiidado. Esta carga inicial pode ser assim constituída, na sua !parte inferior, por blocos 19 de coque de grandes dimensões, mau combustível, o que não tem qualquer importância, mas poden :do ser colocados muito cuidadosamente de forma a apresentar lima porosidade maior mas perfeitamente distribuída. Estes blocos 19 constituem assim uma série de chicanas que forçam o material em fusão a homogeneizar-se, a decantar o seu ferro fundido, a não arrastar até ao limiar de fundição senão partículas de coque muito pequenas para obturar este último e facilmente queimadas em seguida no cadinho colocado a jusante. A co locação correcta dos blocos 19 é grandemente facilitada se, du ma maneira preferencial for utilizado um forno de cupula de fundo amovível tal como o descrito anteriormente. Esta colocação pode ser efectuada então manualmente. Acima do nível de en trada das tubeiras 7, a carga inicial deve ser constituída por coque idêntico ao coque dos estratos 9, 10 e 11, mesmo que não se produzam reacções químicas nas zonas 20 e 21 exteriores ao parabolóide 16 de fusão.

Assim o processo de acordo com o invento melhora de forma sensível as tonalagens de material fundido sem aumentar no entanto o custo do tratamento das cargas de combustível e de material, nem o do recinto de fusão e isto graças a uma sim pies distribuição mais apropriada do conjunto das cargas, quer sejam as cargas de combustível, de comburente ou de matérias primas. Além disso, este processo pode ser eventualmente posto em prática a partir de instalações já construídas o que consti^ tui uma vantagem particularmente interessante.

RESUMO

A invenção refere-se a um processo de alimentação melhorado pa ra um recinto de fusão de materiais, tais como, escórias de al.

tos fornos ou de vidros basálticos, com vista ã produção de fi bras de rocha.

De acordo com a invenção, a alimentação de gás comburente é conduzida de forma não uniforme para criar na secção do forno de cupula correspondente, ao nível do furo de sangria da fundi ção (8) um gradiente de velocidade de circulação dos gases, en contrando-se as velocidades de circulação as mais baixas de to das na proximidade do referido furo de sangria de fundição.

Claims (7)

1. REIVINDICAÇ Õ E S

   1a - Processo de alimentação melhorado dum recinto de fusão do tipo forno de cupula para a fusão de materiais com ponto de fusão elevado, tais como, escórias de altos fornos ou de vidros basálticos com vista ã produção de fibras, chamadas fibras de rocha, caracterizado pelo facto de a alimentação de gás comburente ser efectuada de forma não uniforme para criar na secção do forno de cupula corresponden te ao nível do furo de fundição (8) um gradiente de velocidade de circulação dos gases, sendo as velocidades de circulação mais baixas na proximidade do furo de fundição (8).
2. 2a - Processo de acordo com a reivindicação 1, carac terizado pelo facto de a pressão total em relaI ção à pressão atmosférica no limiar de fundição ser inferior em 60 % da pressão na primeira tubeira.
3. 3a - Processo de acordo com a reivindicação 2, carac terizado pelo facto de o gradiente de velocidade de circulação dos gases ser tal que a pressão total em rela ção ã pressão atmosférica medida no furo de fundição (8) é inferior a 3000 Pa e de preferência a 2900 Pa.
4. 4a - Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo facto de as cargas 12, 13, 14 material a fundir serem introduzidas sob a forma de piquetes paralelepipédicos ou cilíndricos.
5. 5a - Processo de acordo com qualquer uma das reivin dicações precedentes, caracterizado pelo facto de as cargas 9, 10, 11 de coque serem constituídas por coque do tipo 60/100.
6. 6a - Processo de acordo com qualquer uma das reivin dicações anteriores, caracterizado pelo facto de ser colocada uma carga inicial (15) de coque antes de começar a alimentação propriamente dita e ainda pelo facto de a parte inferior desta carga ser constituída por blocos (19) de coque de grandes dimensões.
7. 7a - Dispositivo para a realização do processo de acordo com qualquer uma das reivindicações ante riores, caracterizado pelo facto de comportar um recinto de fu são cilíndrico com paredes duplas arrefecidas por água, munido dum fundo amovível (5) protegido por apiloado (6), dotado na sua parte superior dum dispositivo de alimentação (2) , o refei rido recinto comportando um furo de fundição (8) e doze tubeiras (7) para o insuflamento de ar, colocadas aos pares, afasta das 60q umas das outras e munidas cada uma duma bomba de regulação do débito.

   Correspondente pedido foi depositado em França, sob o n° 86.06821, em 13 de Maio de 1986, cuja prioridade reivindi ca.

   Foram inventores: Michel Besne, francês, domiciliado em 23, rue des Fusillés, 76800 Saint-Etienne du Rouvray, França; e

   Fernand Guillot, francês, domiciliado em 6, Square des Hêtres, Bonsecours, 76240 Le Mesnil Esnard, França.