BRPI0614845A2 - partìculas esféricas de corindo à base de óxido de alumìnio fundido bem como processo para sua preparação - Google Patents

Abstract

PARTìCULAS ESFéRICAS DE CORINDO à BASE DE óXIDO DE ALUMìNIO FUNDIDO BEM COMO PROCESSO PARA SUA PREPARAçãO. A presente invenção refere-se ao processo para preparação de grãos esféricos de corindo com densidade aparente entre 1,5 kg/I e 2,5 kg/I, sendo que óxido de alumínio é fundido sob adição de 0,1 até 1% de areia quartzífera no forno elétrico de arco voltaico, a massa fundida é fundida em molde com uma quantidade inferior a 100 kg/min e o jato de fundição é soprado com ar comprimido a uma pressão entre 300 a 1000 Kpa (3 até 10 bar).

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "PARTÍCU-LAS ESFÉRICAS DE CORINDO À BASE DE ÓXIDO DE ALUMÍNIO FUN-DIDO BEM COMO PROCESSO PARA SUA PREPARAÇÃO".

A presente invenção refere-se a grãos esféricos de corindo àbase de oxido de alumínio fundido, com diâmetro de esfera entre 0,001 e 5mm, um teor máximo de oxido de sódio de 0,5% em peso e um teor máximode óxido de titânio de 0,5% em peso, bem como a um processo para suapreparação.

Corindo esférico já é conhecido há aproximadamente 75 anos eé preparado em escala industrial há aproximadamente 30 anos. Assim, aspatentes U.S. 1.871.792 e U.S. 1.871.793 descrevem a moldagem por soprode um jato de massa fundida de corindo fluido sob condições redutoras pormeio de ar comprimido ou vapor. Com isto resultam esferas ocas de corindocom um diâmetro de cerca de 0 até 5 mm. Nas patentes U.S.s citadas acimajá foram descritas todas as etapas essenciais do processo de preparaçãoaté hoje empregado.

O corindo oco esférico é empregado preponderantemente comosubstância resistente ao fogo que, em virtude do espaço vazio no interiordas esferas, apresenta muito reduzida condutibilidade térmica. Outra aplica-ção do corindo esférico oco é como meio de filtração para gases e líquidosquentes e quimicamente agressivos.

Além das esferas ocas, também são de interesse técnico esferasmais compactas, as quais possuem elevada resistência mecânica contrapressão, golpes e atrito.

As propriedades físicas do corindo esférico são, sobretudo, cu-nhadas pelo tamanho das esferas (diâmetro das esferas), pela espessura daparede das esferas e pelo tamanho dos cristalitos dos cristais primários deóxido de alumínio, a partir dos quais o corindo esférico é formado. Depen-dendo da utilização, são impostas exigências diferentes quanto às proprie-dades do corindo esférico. Assim, no passado foram descritos inúmeros tes-tes para influenciar as propriedades do corindo esférico pela variação damatéria-prima empregada, aditivos na massa fundida ou também pela modi-ficação do processo na fundição (quantidade de massa fundida, manipula-ção do jato de massa fundida, pressão do ar ou do vapor, forma de extrusão,etc.).

A preparação de esferas compactas de oxido de alumínio porsopro é descrita na patente U.S. 2.261.639, sendo que pela adição de 1 até10% de oxido de alumínio à massa fundida e subseqüente moldagem porsopro são obtidas esferas compactas. A patente U.S. 2.340.194 descreve aadição de 1 até 1,5% de óxido de titânio à massa fundida, que leva a esferasocas resistentes à pressão com paredes relativamente grossas. As esferasde óxido de alumínio preparadas por meio desse processo possuem, no en-tanto, a desvantagem de estarem contaminadas com íons estranhos (sódio,titânio). Isto pode manifestar-se particularmente de modo negativo quandoesses materiais forem empregados como agentes de jateamento, pois osíons estranhos podem levar a reações indesejadas com as superfícies a se-rem tratadas. No caso do óxido de sódio como impureza ocorre a formaçãode aluminato de sódio cujo efeito abrasivo é somente reduzido.

A patente EP 1 157 077 descreve a preparação de grãos abrasi-vos policristalinos, sendo que o corindo fluido é vertido e seu resfriamento éajudado por dispersão do óxido de alumínio fundido em finas gotículas comemprego de ultra-som. Com isto, são obtidas partículas densas com diâme-tro médio menor que 1 mm. Exceto pelo fato de que as partículas são relati-vamente pequenas, o que limita seu campo de aplicação, o processo é rela-tivamente dispendioso e o emprego de ultra-som para uma produção emmassa não é apropriado.

Na patente DE 690 05 975 T2 são descritas partículas de óxidode alumínio esféricas, sendo que uma suspensão química aquosa de a-óxido de alumínio finamente moído e argila é processada por meio de seca-gem por atomização e subseqüente tratamento térmico para formar aglome-rados. Esse tipo de preparação de partículas de óxido de alumínio esféricasé muito dispendioso e requer matérias-primas caras.

Existe ainda, a necessidade de esferas de óxido de alumíniomais densas, que possam ser preparadas segundo um processo de execu-ção mais fácil e eficaz.

A tarefa da invenção consiste, pois, em prover consideráveisesferas de oxido de alumínio compactas que não apresentem as desvanta-gens do estado da técnica.

Essa tarefa é solucionada por grãos esféricos de corindo com ascaracterísticas da reivindicação 1, bem como por um processo com as ca-racterísticas da reivindicação 6. Outros aperfeiçoamentos da invenção sãoobjeto das sub-reivindicações 2 até 5.

Surpreendentemente verificou-se que esferas de oxido de alu-mínio com diâmetro entre 0,001 e 5 mm, uma fração máxima de oxido desódio de 0,5% em peso, uma fração máxima de oxido de titânio de igualmen-te 0,5% em peso, um teor de óxido de alumínio de mais de 98% em pesocom uma densidade aparente entre 1,5 kg/l e 2,5 kg/l podem ser obtidasfundindo-se óxido de alumínio sob adição de 0,1 até 1% em peso de óxidode silício sob condições oxidantes no forno elétrico de arco voltaico e, a se-guir, fundindo-se em molde o óxido de alumínio fundido com uma quantidadeinferior a 100 kg/min e soprando o jato de massa fundida com ar a umapressão de 300 a 1000 Kpa (3 até 10 bar).

Comparado com isto, a densidade aparente de corindo oco esfé-rico obtenível no comércio situa-se entre 0,5 e 1,2 kg/l.

Além disso, verificou-se que é vantajoso quando na moldagempor sopro do corindo fluido é empregado exclusivamente ar e prescinde-seda adição de água.

A adição de SiO2 influencia em primeiro lugar a viscosidade damassa fundida, sendo que SiO2 serve como fundente e SiO2 reduz a visco-sidade da massa fundida. Além disso, verificou-se que também a cor dosprodutos é influenciada pelo teor de SiO2 na massa fundida. Enquanto pro-dutos com teor de SiO2 de 0,8% em peso apresentam aparência de brancopuro, os produtos com teor de SiO2 abaixo de 0,5% em peso apresentam umnítido fingimento amarelado. A influência do SiO2 sobre a densidade do pro-duto é caracterizada com menos força e baseia-se, provavelmente, no sim-ples fato de que as condições de produção são melhoradas pela capacidadede fluidez aperfeiçoada com adição de SiO2 e assim também é obtida maiordensidade do produto com frações mais elevadas de SiO2.

No entanto, o teor de SiO2 parece ter relativamente grande influ-ência sobre as propriedades físicas do corindo esférico. Assim, com teormédio de 0,4% de SiO2, são encontrados os maiores valores para a resis-tência à ruptura do grão. Isto é possivelmente atribuído ao fato de que emum material que foi fundido sob essas condições é encontrada uma fraçãorelativamente elevada de microporos com um volume de poros abaixo de 3μπι, em relação ao volume total de poros. Essa elevada fração de micropo-ros homogeneamente distribuídos ou a reduzida fração de poros grandesprovoca uma correspondente resistência do corindo esférico, que se mani-festa numericamente com auxílio da medição da resistência à ruptura dogrão.

Em comparação com corindo oco esférico comercial, que apre-senta um volume relativo inferior a 3 pm de microporos de cerca de 0,5%, ocorindo de acordo com a invenção, que foi fundido com 0,4% de SiO2, comum volume total de poros de aproximadamente 40%, alcança uma fraçãorelativa microporos de aproximadamente 13%. No âmbito das pesquisas ve-rificou-se que o volume relativo de microporos abaixo de 3 μιτι é correlacio-nado com a resistência à ruptura do grão. Assim, nos materiais com fraçõeselevadas de microporos, com igual volume total de poros, é encontrada amaior resistência à ruptura do grão.

A diferença entre o corindo oco esférico comercialmente obtení-vel e os grãos de corindo esféricos de acordo com a invenção é particular-mente ilustrada por uma análise digital da imagem. A figura 1 mostra a ima-gem da lamínula de um corindo oco esférico convencional com um volumede poros de aproximadamente 90%. Aqui é nitidamente reconhecida a pare-de delgada do corindo oco esférico. Em comparação com isto, a figura 2mostra a lamínula de um corindo esférico de acordo com a invenção com umvolume de poros de aproximadamente 40%. É interessante notar que os po-ros são distribuídos quase homogeneamente sobre toda a esfera. Depen-dendo das condições de preparação, o volume de poros para o corindo esfé-rico de acordo com a invenção situa-se entre 25 e 50%, enquanto o volumede poros do corindo esférico convencional situa-se entre 85 e 95%.

Particularmente acentuada é a reduzida superfície específica docorindo esférico denso. Assim, dependendo do diâmetro da esfera, são en-contradas superfícies específicas entre 0,005 e 0,05 m2/g. Em comparação,as superfícies específicas para corindo oco esférico convencional situam-seem aproximadamente dez porcento a mais e oscilam na faixa entre 0,05 e0,5 m2/g, sendo que com diâmetros de partícula maiores, a superfície espe-cífica diminui. A superfície específica foi medida segundo BET.

As figuras 1 e 2 mostram a diferença na estrutura dos grãos decorindo esférico de acordo com a invenção e do corindo esférico convencio-nal. Essa diferença pode ser documentada por meio de métodos de mediçãofísicos. Um método particularmente apropriado para medição é, aqui, a de-terminação da resistência à ruptura do grão segundo Vollstãdt. Nesse pro-cesso trata-se de um teste de resistência de grão isolado monitorado porcomputador com análise de tamanho e forma dos grãos isolados.

Os componentes principais da aparelhagem são uma aplicaçãode força pneumática, um sensor de força de precisão, um motor de fasesbem como um microscópio especial com câmera embutida e iluminação,bem como uma câmera adicional de observação. O princípio de função dométodo de medição baseia-se no fato de que um determinado número departículas é colocado em uma tira de suporte e essa tira de suporte passa,então, pelo aparelho de medição. Aqui, com auxílio do microscópio são de-terminados o tamanho, a forma e os parâmetros de posição das partículas,as quais são transportadas para uma posição exatamente definida entrepunções superduros. Aqui, sobre os grãos isolados age, então, uma forçaconstantemente crescente até que ocorra a ruptura dos grãos. Essa força deruptura é detectada e adicionada à lista dos parâmetros já medidos para osgrãos.

Segundo o processo ilustrado acima, para o corindo esféricoconvencional na granulação 36 foi determinada uma resistência à ruptura dogrão entre 1 e 5 N, enquanto os grãos de corindo densos de acordo com ainvenção apresentaram uma resistência à ruptura do grão de mais de 20 N1de preferência mais de 40 N.

A seguir, a invenção é elucidada por meio de alguns exemplosselecionados.

EXEMPLO 1 - 3

Uma mistura de 1000 kg de oxido de alumínio e de cada vez 8kg, 4 kg e 1 kg de areia quartzífera foi fundida em um forno elétrico de arcovoltaico tampado (forno basculante) com um diâmetro de aproximadamente1,8 m, uma carga de 1,2 MW e uma tensão de 172 V. Assim que a misturaficou totalmente fluida, o forno foi basculado e o corindo fluido foi fundido emmolde sobre um bico de fundição. Durante a fundição em molde, o jato defundição foi moldado por sopro com auxílio de um dispositivo de sopro, queconsiste essencialmente de um tubo em forma de lança provido em seu topocom uma tubeira e adicionalmente com uma entrada de ar comprimido, sen-do que a tubeira estava direcionada para o jato de fundição, o ar comprimidofoi aberto e o jato de fundição do corindo fluido foi separado. A pressão de arempregada foi de 800 Kpa (8 bar). As esferas de corindo obtidas foram reco-lhidas em uma denominada câmera de sopro, cujo fundo consistia em placasde aço resfriadas com água. A partir dali as esferas foram transportadas comauxílio de ar por um tubo de resfriamento conectado com a câmera de sopro.

A seguir, as esferas de corindo foram transportadas para uma estação depeneiras e de acordo com seu diâmetro, peneiradas em frações isoladas. Natabela 1 a seguir, são reunidos os dados físicos das esferas de corindo obti-das. Para comparação é mencionado um corindo oco esférico convencional.

TABELA 1

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Tal como pode ser visto nos exemplos da tabela 1, a fração SiO2influencia, sobretudo, a distribuição de grãos e a resistência à ruptura dosgrãos. Quanto maior for a fração de SiO2, tanto mais fluida será a massafundida e mais finas serão as partículas de corindo obtidas na moldagem porsopro. Em contrapartida, densidades aparentes e superfícies específicasparecem ser relativamente independentes do teor de SiO2. Nitidamente podeser vista a dependência do volume relativo de microporos do teor SiO2, peloque evidentemente também é dado resistência à ruptura do grão.

Tal como pode ser visto na tabela 1, a densidade aparente e asuperfície específica diminuem com crescente tamanho de esfera. Acentua-da também é a influência do SiO2 sobre a distribuição de grãos.

Assim, com uma fração de SiO2 de 0,8% na preparação de co-rindo esférico espesso segundo o processo de acordo com a invenção é ob-tida uma fração de mais de 50% na fração de grão de 0 até 0,5 mm.

EXEMPLO 4 (TESTE DE JATEAMENTO)

Um campo de aplicação interessante para corindo esférico den-so é o jateamento de areia. A fim de testar a potência do corindo esférico, osmateriais dos exemplos 1 até 3 foram comparados com agentes de jatea-mento usuais obteníveis no comércio. Aqui foram encontradas as condiçõesde teste a seguir:

uma placa de aço (material: ST 37) foi jateada com 5 kg de areiacom emprego de uma tubeira a uma pressão de 450 Kpa (4,5 bar) e um ân-gulo de jato de aproximadamente 609 C com uma distância de 25 mm. Fo-ram medidas a potência da superfície, a formação de pó, o desgaste dogrão, a aspereza da superfície bem como a estrutura da superfície.

A potência da superfície é caracterizada pela quantidade neces-sária de agentes de jateamento para jatear de modo homogêneo 1 m2 deplaca de aço ST37. Isto é, quanto mais reduzido for o valor, menos materialde jateamento foi empregado, e maior é a potência da superfície do materialde jateamento.

No teste foi empregada a fração de grão 0,5 até 1 mm. Foi com-parado com os grãos de jateamento comercialmente obteníveis ZIRBLAST®(31% de SiO2 + 61% de oxido de zircônio, fração 425 até 500 μητι) e esferasde vidro SOVITEC ("SOVITEC glass beads") (fração 425 até 800 μητι). Osresultados do teste estão reunidos na tabela 2.

TABELA 2

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A tabela 2 mostra que as esferas de corindo de acordo com ainvenção apresentam uma potência de superfície comparável com a das es-feras de vidro. A vantagem das esferas de corindo de acordo com a inven-ção em relação às esferas de vidro consiste no fato de que no emprego dasesferas de corindo não precipita nenhum pó contendo quartzo, prejudicial àsaúde. Em comparação com as esferas contendo óxido de zircônio, as esfe-ras de corindo de acordo com a invenção apresentam reduzida potência desuperfície e simultaneamente desgaste nitidamente maior; aqui, no entanto,existe ainda a vantagem das esferas de corindo de acordo com a invenção,sobretudo em preço nitidamente menor.

Outra vantagem de corindo denso esférico consiste no fato deque com o corindo esférico denso de acordo com a invenção é obtida umaparticular estruturação da superfície, que é caracterizada por leve amolgadu-ra e moldagens da esfera, razão pela qual o corindo esférico é particular-mente apropriado para o acabamento de superfícies.

Claims (6)

1. Grãos de corindo esféricos à base de oxido de alumínio fundi-do com um diâmetro de esfera entre 0,001 e 5 mm, um teor máximo de oxi-do de sódio de 0,5% em peso e um teor máximo de oxido de titânio de 0,5%em peso, caracterizados pelo fato de apresentarem uma densidade aparenteentre 1,5 kg/l e 2,5 kg/l.

2. Grãos de corindo esféricos de acordo com a reivindicação 1,caracterizados pelo fato de apresentarem uma superfície específica (BET)entre 0,005 e 0,05 m2/g.

3. Grãos de corindo esféricos de acordo com a reivindicação 1ou 2, caracterizados pelo fato de apresentarem uma resistência à ruptura dogrão de > 20 N, de preferência > 40 N.

4. Grãos de corindo esféricos de acordo com uma das reivindi-cações 1 até 3, caracterizados pelo fato de apresentarem um volume de po-ros, medido por meio de análise digital de imagem, de menos de 50%, depreferência menos de 40%, particularmente preferido menos de 30%.

5. Grãos de corindo esféricos de acordo com uma das reivindi-cações 1 até 4, caracterizados pelo fato de apresentarem um volume relativode poros de microporos abaixo de 3 μιτι, de mais de 5%, de preferência maisde 15%, em relação a um volume total de poros de 30-40%.

6. Processo para preparação de grãos de corindo esféricos deacordo com uma das reivindicações 1 até 5, em quea) oxido de alumínio é fundido sob adição de 0,1 até 1%, de pre-ferência 0,2 até 0,6%, em relação ao peso total das substâncias de partida,de areia quartzífera em forno elétrico de arco voltaico,b) a massa fundida é fundida em molde com uma quantidadeinferior a 100 kg/min ec) o jato de fundição é soprado com ar comprimido a uma pres-são entre 300 a 1000 Kpa (3 até 10 bar),caracterizado pelo fato de que a massa fundida é conduzida sobcondições oxidantes.