BRPI0714213B1 - Impulsor para dispersar gás no metal fundido e eixo giratório alongado conectado ao impulsor - Google Patents

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "IMPULSOR PARA DISPERSAR GÁS NO METAL FUNDIDO E EIXO GIRATÓRIO ALONGADO CONECTADO AO IMPULSOR".

Este pedido de patente reivindica prioridade para o Pedido de Patente Provisória, número de série 60/830.647 publicado em 13 de julho de 2006.

Antecedentes A presente invenção refere-se à dispersão de gás em metal fundido e, mais particularmente, às técnicas para provocar bolhas de gás finamente divididas a serem dispersas uniformemente através do metal fundido.

No decurso do processamento de metais fundidos, algumas vezes é necessário tratar os metais com gás. Por exemplo, é costumeiro introduzir-se gases de processo tais como nitrogênio e argônio no alumínio fundido e em ligas de alumínio fundido para remover constituintes indesejáveis tais como gás hidrogênio, inclusões não-metálicas, e metais alcalinos. Os gases do processo adicionados ao metal fundido reagem quimicamente com os constituintes indesejáveis para convertê-los para uma forma (tais como um precipitado ou dejetos) que podem ser prontamente separados do remanescente do metal fundido. Para se obter os melhores resultados possíveis, é necessário que o gás de processo possa ser eficientemente combinado com os constituintes indesejáveis. Tal resultado requer que o gás seja disperso em bolhas tão pequenas quanto possível e que as bolhas sejam distribuídas uniformemente através do metal fundido. Quando a remoção do gás hidrogênio é desejada, as bolhas de gás do processo permitem que os átomos de hidrogênio se difundam na bolha e formem uma molécula de hidrogênio. Então as bolhas sobem até a superfície onde o hidrogênio pode ser liberado para a atmosfera ou para a fase dejetos ou para a cobertura de fluxo.

Conforme usado aqui, a referência a "metal fundido" será entendida como significando qualquer metal como alumínio, cobre, ferro, e suas ligas, que são condescendentes à purificação do gás. Além disso, o termo "gás" será entendido como significando qualquer gás ou combinação de ga- ses, inclusive argônio, nitrogênio, cloro, freon, e similares, que têm um efeito de purificação sobre metais fundidos com os quais eles são misturados.

Até aqui, os gases foram misturados com metais fundidos pela injeção através de membros estacionários tais como lanças, ou através de difusores porosos. Tais técnicas sofrem com a desvantagem de que pode ocorrer uma dispersão inadequada do gás através do metal fundido. Para melhorar a dispersão do gás através do metal fundido, injetores rotativos são comumente usados, o que fornece uma ação de corte das bolhas de gás e a agitação/mistura profunda do gás de processo com o metal líquido.

Apesar da existência de equipamentos de rotação/injeção combinados, certos problemas ainda permanecem. Equipamentos combinados frequentemente apresentam uma ação de mistura pobre. Algumas vezes ocorre cavitação ou é estabelecido um turbilhão que se move em torno do interior do recipiente no qual o metal fundido está contido. Frequentemente esses equipamentos distribuem bolhas que são muito grandes ou que na são uniformemente distribuídas através do metal fundido. Um problema com um equipamento antigo conhecido é que ele utiliza um impulsor tendo passagens que podem ser entupidas com dejetos ou objetos estranhos. A maioria dos equipamentos antigos são onerosos, complexos e usáveis apenas com um tipo de sistema de refino de metal fundido. Outro problema frequentemente encontrado é a longevidade pobre dos equipamentos devido à oxi-dação, erosão, ou falta de resistência mecânica. Essas últimas preocupações são particularmente problemáticas no caso do alumínio porque os equipamentos de rotação/injeção são, geralmente, feitos de grafite, e a grafite é submetida à oxidação progressiva e é erodida pelo alumínio fundido. Consequentemente, equipamentos que inicialmente executam frequentemente de forma adequada tornam-se rapidamente oxidados e erodidos de forma que sua eficácia de mistura e de dispersão de gás diminui rapidamente; em casos severos, pode ocorrer uma falha mecânica completa. O impulsor particular aqui descrito provou ser muito eficaz. O impulsor está na forma de um prisma retangular tendo cantos com bordas afiadas e múltiplas ranhuras que fornecem uma ação de mistura especial- mente eficaz.

Sumário Em uma primeira configuração, um impulsor para dispersar gás em metal fundido inclui um corpo de prisma retangular tendo faces superior e inferior e quatro paredes laterais. 0 corpo tem uma abertura se estendendo através das faces superior e inferior e define um centro em torno da abertura na face superior. O impulsor também inclui uma pluralidade de ranhuras alongadas estendendo-se radialmente exteriormente do centro. Cada ranhura tem um eixo longitudinal paralelo a uma dimensão maior da ranhura. Cada ranhura é disposta na face superior e nos eixos longitudinais sendo coli-neares com o raio da abertura.

De acordo com uma outra configuração, um impulsor para dispersar gás em metal fundido inclui um corpo impulsor tendo uma primeira face, uma segunda face espaçada da primeira face, paredes laterais se estendendo entre a primeira face e a segunda face, e uma abertura se estendendo através do corpo entre a primeira faoe e a segunda face. O impulsor também inclui ranhuras se estendendo no corpo a partir da primeira face na direção da segunda face e terminando acima da segunda face. Cada ranhura se estende de uma porção centrai do corpo do impulsor até uma parede lateral. Cada parede lateral é interceptada por pelo menos duas ranhuras.

De acordo com outra configuração, um impulsor para dispersar gás em metal fundido inclui uma primeira face, uma segunda face espaçada da primeira face, paredes laterais se estendendo entre a primeira face e a segunda face, e uma abertura se estendendo através do corpo entre a primeira face e a segunda face. O impulsor também inclui ranhuras se estendendo no corpo a partir da primeira face na direção da segunda face e terminando acima da segunda face e definindo um eixo simétrico ao longo da dimensão maior de cada ranhura. Cada ranhura tem uma área de seção transversal substancialmente constante ao longo da maioria do eixo simétrico .

Breve Descrição dos Desenhos A figura 1 é uma vista da seção transversal de um recipiente contendo metal fundido no qual o equipamento de dispersão de gás foi imerso; A figura 2 é uma vista ampliada do equipamento de dispersão da figura 1, com um impuisor e um eixo sendo ilustrados em relação espaçada; A figura 3 é uma vista em perspectiva do impuisor da figura 2;

As figuras 4 a 14 são vistas de outros ímpulsores que foram testados (as figuras 4 e 6 sendo vistas planas e as demais sendo vistas em perspectiva); A figura 15 é um gráfico descrevendo a velocidade mínima (RPM) requerida para 2,548 Nm3/h (90 scfh) para os ímpulsores descritos nas figuras 3-14; e A figura 16 é um gráfico descrevendo a classificação relativa da remoção de oxigênio para os ímpulsores descritos nas figuras 3-14. Descrição Detalhada Este pedido incorpora como referência a U.S. Patent n° 4.898.367 e a U.S. Patent n° 5.143.357. A presente invenção é dirigida a um impuisor mais eficiente. O equipamento 10 pode ser usado em uma variedade de ambientes, e um ambiente típico será descrito aqui. Com referência às figuras 1-3, um equipamento de injeção de gás conforme a invenção é indicado geral mente pelo numeral de referência 10. O equipamento 10 é adaptado para ser imerso no metal fundido 12 contido em um recipiente 14. O recipiente 14 é fornecido com uma cobertura removível 16 para evitar a perda de calor excessiva pela superfície superior do metal fundido 12. O recipiente 14 pode ser fornecido em uma variedade de configurações, tais como cúbica ou cilíndrica. Para os propósitos da presente invenção, o recipiente 14 será descrito como cilíndrico, com um diâmetro interno indicado pela letra D na figura 1. Para aplicações cilíndricas, a letra D identificará a dimensão que define o diâmetro médio do recipiente 14. O equipamento 10 inclui um impuisor 20 e um eixo 40, Um im-pulsor 20 e um eixo 40 serão geralmente feitos de grafite,particularmente se o metal fundido sendo tratado for alumínio. Se a grafite for usada, ele deve preferivelmente ser revestido ou tratado para resistir à oxidação e à erosão. Os tratamentos contra oxidação e erosão para peças de grafite são praticados comercialmente, e podem ser obtidos de fontes tais como Metaullics Systems, 31935 Aurora Road, Sólon, Ohio, 44139.

Conforme está lustrado na figura 1, o eixo 40 é um membro alongado que está rigidamente conectado ao impulsor 20 e que se estende para fora do recipiente 14 através de uma abertura 22 fornecida na cobertura 16. Conforme visto na figura 3, o impulsor 20 está na forma de um prisma retangular tendo uma face superior 24, uma face inferior 26, e paredes laterais 28, 30, 32, 34. O impulsor 20 inclui uma saída de descarga de gás 36 abrindo-se através da face inferior 26. Na presente configuração, a saída de descarga de gás 36 (figura 1) constitui uma porção de uma abertura rosque-ada 38 que se estende através do impulsor 20 e que se abre através das faces superior e inferior 24, 26. As faces 24, 26 são aproximadamente paralelas entre si como o são as paredes laterais 28, 32 e as paredes laterais 30, 34. As faces 24, 26 e as paredes laterais 28, 30, 32, 34 são superfícies planares que definem cantos afinados, em ângulo reto 39.

Conforme mostrado nas figuras 2 e 3, as paredes laterais 30, 34 têm uma largura identificada pela letra A, enquanto as paredes laterais 28, 32 têm uma profundidade indicada pela letra B. A altura do impulsor 20, isto é, a distância entre as faces superior e inferior 24, 26, é indicada pela letra C. Preferivelmente, a dimensão A é aproximadamente igual à dimensão B, e a dimensão C é aproximadamente igual a 1/3 da dimensão A. Desvios às dimensões acima são possíveis, mas as melhores desempenhos serão obtidas se as dimensões A e B forem aproximadamente iguais uma à outra (o impulsor 20 é um quadrado em vista plana), e se os cantos 39 forem afiados e aproximadamente em ângulo reto. Também os cantos 39 devem se estender aproximadamente perpendicularmente à face inferior 26 pelo menos por uma curta distância acima da face 26.

Conforme ilustrado, os cantos 39 são aproximadamente perpendiculares à face inferior 26 completamente até sua interseção com a face superior 24. É possível, embora não-desejável, que a face superior 24 possa ser maior ou menor que a face inferior 26 ou que a face superior 24 possa ser inclinada em relação à face inferior 26; em qualquer um desses casos, os cantos 39 não seriam aproximadamente perpendiculares à face inferior 26. O melhor desempenho é alcançado quando os cantos 39 são exatamente perpendiculares à face inferior 26. É também possível que o impulsor 20 pudesse ser triangular, pentagonal ou outra forma poligonal na vista plana, mas acredita-se que qualquer outra configuração diferente da retangular, o prisma quadrado apresenta um corte de bolhas e uma desempenho de mistura de bolhas reduzidos.

As dimensões A, B e C também devem ser relacionadas às dimensões do recipiente 14, se possível. Em particular, foi descoberto que o impulsor 20 tem melhor desempenho quando o impulsor 20 é centrado dentro do recipiente, 14 e a razão das dimensões A e D está dentro da faixa 1:6 a 1:8. Embora o impulsor 20 funcione adequadamente em um recipiente 14 de virtualmente qualquer tamanho ou forma, as relações anteriores são preferidas. O impulsor 20 tem também uma abertura rosqueada 38 se estendendo através do centro das faces superior 24 e inferior 26 do impulsor 20. O impulsor 20 também inclui uma porção central, ou centro, 50 que forma uma porção da face superior 24 no seu centro. Uma pluralidade de ranhuras 52, 54, 56, 58, 60, 62, 64, 66, 68, 70, 72, 74 se estende radialmente para fora do centro 50. As ranhuras 52, 54, 56, 58, 60, 62, 64, 66, 68, 70, 72, 74 são dispostas na face superior 24. Cada uma das ranhuras 52, 54, 56, 58, 60, 62, 64, 66, 68, 70, 72, 74 inclui um par de paredes laterais opostas paralelas 76. Cada ranhura se estende do centro até a respectiva parede lateral e a respectiva ranhura é aberta na parede lateral. Na configuração descrita cada parede lateral é cortada por três ranhuras.

Como fica aparente de um exame da figura 3, as ranhuras 52, 54, 56, 58, 60, 62, 64, 66, 68, 70, 72, 74 se estendem no corpo do impulsor 20 a partir da superfície superior 24 e tem uma superfície inferior que é espaçada a partir da, e geralmente paralela à, face superior e à face inferior 26. As ranhuras 52, 54, 56, 58, 60, 62, 64, 66, 68, 70, 72, 74 são dispostas a aproximadamente ângulos iguais entre si, isto é, qualquer ranhura considerada está disposta equidistantemente entre ranhuras adjacentes. Ale disso, as ranhuras 52, 54, 56, 58, 60, 62, 64, 66, 68, 70, 72, 74 incluem eixos longitudinais L (que é também um eixo simétrico) que são alinhados entre si e que se estendem de um lado para o lado oposto (um eixo para duas ranhuras, cada um em um lado oposto da abertura rosqueada 38). Os eixos longitudinais L são paralelos à maior dimensão de cada ranhura e são colineares com os raios das aberturas rosqueadas 38 (isto é, se estendem através do centro da abertura rosqueada). A extremidade mais externa (distai) de cada ranhura é geralmente quadrada ou retangular em uma seção transversal tirada na normal ao eixo longitudinal. Cada ranhura é arredondada em sua extremidade mais interna (proximal). A área da seção transversal tomada na normal ao eixo longitudinal permanece constante da extremidade mais distante do centro da ranhura até onde começa a extremidade arredondada mais próxima. A área da seção transversal permanece constante para a maioria do comprimento do eixo longitudinal.

Em referência de novo à figura 2, o eixo 40 inclui uma porção central alongada cilíndrica, da qual as extremidades rosqueadas superior e inferior 44, 46 se projetam. O eixo 40 inclui um furo se estendendo longitudinalmente 48 que se abre através das extremidades das porções rosqueadas 44, 46. O eixo 40 pode ser usinada de varas de grafite ou fabricada a partir de um tubo de fluxo disponibilizado comercialmente, ou tubo de injeção de gás, meramente usinando-se roscas em cada extremidade do tubo. Um tubo de fluxo adequado para uso com a presente invenção tem um diâmetro externo de 7,30 cm (2,875 polegadas), um diâmetro de furo de 0,29 cm (0,75 polegada), e um comprimento dependente da profundidade do recipiente.

Conforme está ilustrado nas figuras, a extremidade inferior 46 é rosqueada na abertura 38 formada no centro 50 até que um ressalto definido pela porção cilíndrica 42 se junte à face superior 24. O uso de roscas brutas (6,35 - 10,16 cm (2,5 - 4 polegadas) de inclinação, UNC) facilita a produção e a montagem. Se desejado, o eixo 40 pode ser rigidamente conectada ao impulsor 20 por técnicas diferentes a conexão rosqueada, tais como cimen- tada ou fixada que reforça a conexão se desejado. A extremidade rosqueada 44 é conectada a um mecanismo de direção giratória (não-mostrado) e o furo 48 é conectado a uma fonte de gás (não-mostrada). Imergindo-se o impulsor 20 no metal fundido e bombeando-se gás através do furo 48, o gás será descarregado através da abertura 36 na forma de grandes bolhas que fluirão visivelmente ao longo da face inferior 26. Com a rotação do eixo 40, o impulsor 20 será girado. Presumindo-se que o gás tenha uma gravidade específica menor que a do metal fundido, as bolhas de gás subirão à medida que elas ultrapassarem as bordas inferiores das paredes laterais 28, 30, 32, 34. Eventualmente as bolhas de gás serão contatadas pelos cantos afiados 39. As bolhas serão cortadas em bolhas finamente divididas que serão jogadas na direção externa e totalmente misturadas com o metal fundido 12 que está sendo agitado dentro do recipiente 14. No caso particular do metal fundido 12 ser alumínio e o gás de tratamento ser nitrogênio ou argônio, o eixo 40 deve ser girada dentro da faixa de 200-400 revoluções por minuto. Uma vez que há quatro cantos 39, haverá 800-1600 revoluções por minuto das bordas de corte.

Usando-se o equipamento conforme a invenção, altos volumes de gás na forma de bolhas finamente divididas podem ser bombeados através do metal fundido 12, e o gás assim bombeado terá um longo tempo de residência nas bolhas por meio do impulsor desta invenção. O equipamento 10 pode bombear gás a taxas de fluxo nominal de 0,028 a 0,56 m3/min (1 a 2 pés cúbicos por minuto) facilmente sem asfixia. O equipamento 10 é muito eficaz na dispersão de gás ou na sua mistura com o metal fundido 12. A invenção é excessivamente barata e fácil de produzir, ao mesmo tempo que é adaptável a todos os tipos de sistema de refino giratório de metal fundido. O equipamento 10 não requer peças intrincadas, usinadas com precisão, e tem portanto grande resistência à oxidação e à erosão, bem como uma resistência mecânica aumentada, propriedades que, em conjunto, fornecem uma capacidade de vida útil mais longa. Como o impulsor 20 e o eixo 40 apresentam superfícies sólidas para o metal fundido 12, não há orifícios ou canais que possam ser entupidos por dejetos ou objetos estranhos.

Quando o equipamento 10 está sendo usado como díspersador de gás, espera-se que o impulsor 20 seja posicionado relativamente próximo ao fundo do recipiente dentro do qual o equipamento 10 está disposto, Embora a invenção tenha sido descrita em sua forma preferida com um certo grau de particularidade, será entendido que a presente descrição da configuração preferida foi feita apenas como forma de exemplo e que pode ser lançada mão de várias mudanças sem sair do verdadeiro espírito e escopo da invenção conforme reivindicada aqui, Pretende-se que a patente possa cobrir, peia expressão adequada nas reivindicações anexas, quaisquer características de inovações patenteáveis que existam na invenção descrita.

Seção de Exemplo As seguintes condições de teste foram implementadas: ■ Tanque de água 121,92 x 121,92 x 78,7 cm (48" x 48" x 31") ■ Rotores mantidos a 10,16 cm (4") do chão ■ Sensores de oxigênio usados para medir o esvaziamento * O ar foi bombeado de volta após cada teste para ter um ponto de partida uniforme quanto ao teor de oxigênio * O nitrogênio foi usado para deslocar o oxigênio durante a "de-gaseificação" ■ Condições padrão: ° RPM: 250, 325, 400 0 Fluxo NrrvVh (scfh): 0,849 (30), 1,699 {60}, 2,548 (90) Os resultados acima demonstram desempenho superior com o rotor conhecido como "modified STAR". Esse rotor está mostrado como Figura 3. Devido à "similaridade dinâmica" entre os fluidos alumínio e água, isto é, eles terem viscosidades cinemáticas similares, a tendência da eficiência da degaseificação no alumínio fundido seguirá os resultados exibidos na depleção do oxigênio na modelagem da água, isto é, esperar-se-á que os rotores atuem na mesma comparação relativa entre si. A configuração de exemplo foi descrita em relação às configurações preferidas. Obviamente, modificações e alterações ocorrerão a outros quando da leitura e do entendimento da descrição detalhada precedente. É pretendido que a configuração exemplar seja construída como incluindo todas essas modificações e alterações na medida em que elas venham dentro do escopo das reivindicações anexas ou seus equivalentes.

Claims (14)

1. Impulsor (20) para dispersar gás no metal fundido, o impulsor (20) compreendendo um corpo de impulsor incluindo uma primeira face (24), uma segunda face (26) espaçada da primeira face, paredes laterais (28,30,32,34) formando uma configuração em prisma retangular se estendendo entre a primeira face (24) e a segunda face (26), e uma abertura (36) se estendendo através do corpo entre a primeira face (24) e a segunda face (26), caracterizado pelo fato de que compreende ranhuras (52,54...74) se estendendo para dentro do corpo a partir da primeira face (24) na direção da segunda face (26) e terminando acima da segunda face (26), cada ranhura (52,54...74) se estendendo a partir de uma porção central do corpo impul- sor até uma parede lateral (28,30,32,34) e definindo um eixo simétrico ao longo da maior dimensão de cada ranhura, cada ranhura tendo uma área de seção transversal constante ao longo da maioria do eixo simétrico.

2. Impulsor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o eixo longitudinal (L) de pelo menos duas ranhuras se alinham com um diâmetro da abertura (36).

3. Impulsor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que cada ranhura (52,54...74) é equidistantemente angularmen- te espaçada entre as ranhuras adjacentes.

4. Impulsor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pe- lo fato de que o corpo do impulsor inclui pelo menos cinco ranhuras (52,54...74).

5. Impulsor, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pe- lo fato de que o corpo do impulsor inclui pelo menos doze ranhuras (52,54...74).

6. Impulsor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o eixo longitudinal (L) de cada ranhura (52,54.74) se alinha com um raio da abertura (36).

7. Impulsor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a abertura (36) é rosqueada.

8. Impulsor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pe- Io fato de que cada ranhura (52,54.....74) tem uma área de seção transver- sal constante tirada na direção normal ao eixo longitudinal (L) ao longo da maioria dos eixos longitudinais.

9. Impulsor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pe- lo fato de que cada parede lateral (28,30,32,34) é interceptada por pelo menos três ranhuras (52,54....74).

10. Impulsor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que cada parede lateral (28,30,32,34) é interceptada por uma ranhura (52,54....74) tendo um eixo simétrico perpendicular à parede lateral.

11. Impulsor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a primeira face (24) é paralela à segunda face (26).

12. Impulsor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que cada ranhura (52,54.....74) tem uma extremidade proximal fechada e uma extremidade distai aberta, a extremidade proximal sendo curvada.

13. Impulsor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que cada parede lateral (28,30,32,34) é interceptada por pelo menos duas ranhuras.

14. Eixo giratório alongado (40) conectado ao impulsor (20) conforme definido na reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o eixo se projeta partir de uma face (24,26) do impulsor e tendo uma primeira e uma segunda extremidades (44,46), a primeira extremidade (44) configurada para se conectar a uma fonte associada de gás e a segunda extremidade (46) sendo recebida na abertura (36) do impulsor (20), o eixo tendo um furo (48) se estendendo longitudinalmente em comunicação fluida com a abertura (36) do impulsor, onde o gás a ser disperso no metal fundido é distribuído através do eixo e fora do impulsor ao longo de uma face do impulsor.