BR0307889B1 - processo de limpeza contìnua de um material revestido por uma substáncia orgánica e dispositivo para realização do processo. - Google Patents
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Description
"PROCESSO DE LIMPEZA CONTÍNUA DE UM MATERIAL REVESTIDO POR UMA SUBSTÂNCIA ORGÂNICA E DISPOSITIVO PARA REALIZAÇÃO
DO PROCESSO" Campo da Invenção
A presente invenção refere-se a um processo de limpeza da superfície de um material revestido com uma substância orgânica, a um gerador particular e a um dispositivo para a realização desse processo. Esse processo destina-se mais particularmente à limpeza de chapas metálicas, sem se limitar a isso.
Antecedentes da Invenção
As chapas provenientes das diferentes linhas de fabricação existentes são geralmente recobertas por um filme de óleo que pode ter duas origens. Primeiramente, esse filme pode ser aplicado a partir de um spray de óleo de proteção, a fim de proteger a superfície da chapa contra a corrosão. Mas pode se tratar também de um filme residual de óleo, no caso das chapas provenientes de um Iaminador a frio ou do skin-pass. Nos dois casos, as massas de óleo são da ordem centena de mg por m2.
A realização de um depósito metálico ou orgânico sobre essas chapas requer a eliminação do filme de óleo durante uma operação de limpeza ou de desengorduramento, seguida de avivagem para obter uma boa aderência desse revestimento. As técnicas geralmente utilizadas com esse objetivo nas linhas industriais estão sujeitas à exigência de não aquecer a chapa além de uma certa medida, a fim de conservar as propriedades mecânicas da banda de aço.
A mais usual dessas técnicas consiste em um desengorduramento alcalino assistido ou não por um processo eletrolítico. Por motivos de ordem ambiental, esse processo requer a instalação de oficinas anexas complexas para o retratamento dos co-produtos ecotóxicos. Outras soluções técnicas permitem evitar a formação desses produtos como, por exemplo, a ablação a laser, que tem por efeito dissolver os compostos orgânicos por via fotoquímica, mas atualmente ela não permite ainda tratar bandas em velocidades superiores a alguns metros por minuto, por falta de potência dos lasers.
Por outro lado, o documento US 5.529.631 ensina que uma técnica vantajosa de tratamento de superfície consiste em utilizar um plasma de alta pressão, realizado graças a descargas com barreira dielétrica em misturas gasosas que contêm preponderantemente hélio. Esse gás raro é de fato necessário para obter uma descarga Iuminescente estável, evitando assim passar ao regime de arco, o que levaria a um tratamento não homogêneo. O teor do hélio deve nesse caso ser superior a 70% em volume, o que implica que o teor de oxigênio é limitado. Os exemplos citados nessa patente mostram que um tratamento por plasma efetuado continuamente, nessas misturas gasosas, é suficiente para aumentar a energia de superfície de um polímero. Mas, no caso de um tratamento com plasma utilizado para limpar uma superfície metálica, são exclusivamente as espécies reativas de oxigênio (O*, etc...) formadas no plasma que oxidam o óleo que recobre a chapa, que permitem a transformação das cadeias carbonadas em espécies voláteis. Constata-se, portanto, que o tratamento não é suficientemente rápido, provavelmente em virtude da baixa densidade de espécies oxigenadas reativas, se forem utilizadas descargas elétricas com misturas gasosas que contêm teores iguais ou inferiores a 30 % em volume de oxigênio.
Para resolver esse problema, a patente US 5.968.377 descreve um processo de tratamento de superfície por plasma à pressão atmosférica, em que um campo elétrico pulsado é imposto entre os eletrodos. A imposição de um campo elétrico pulsado permite cortar a descarga antes que ela passe para um regime de arco e reinicializá-la no momento seguinte. Os pulsos de tensão aplicados apresentam a particularidade de serem simétricos. Mas os presentes inventores constataram que esse processo não era utilizável para limpeza de um material revestido por uma substância orgânica. De fato, observa-se que nesse caso somente uma parte da substância orgânica é oxidada e volatilizada, e que apenas uma parte é polimerizada. O filme assim formado na superfície só pode ser parcialmente eliminado, após um tempo elevado de imersão no plasma.
A finalidade da presente invenção é, portanto, corrigir os inconvenientes dos processos do estado da técnica, propondo um processo que permite limpar continuamente a superfície de um substrato sem obter co- produtos ecotóxicos, com uma velocidade de tratamento superior a 10 m/min.
Descrição da Invenção Para esse fim, um primeiro objeto da presente invenção é constituído por um processo de limpeza contínua de um material revestido por uma substância orgânica, caracterizado pelo fato de compreender as etapas que consistem em introduzir o referido material em uma zona de tratamento alimentada por um fluxo gasoso que compreende oxigênio, para aterrar o referido material e gerar um plasma impondo um campo elétrico entre a superfície do referido material e pelo menos um eletrodo recoberto de dielétrico, sendo que o referido campo elétrico é pulsado e compreende uma sucessão de pulsos de tensão positivos e negativos em relação ao referido material, a tensão máxima dos pulsos positivos (U+) é superior à tensão de ignição do arco (Ua) e a tensão máxima dos pulsos negativos (U-), em valor absoluto, é inferior à tensão de ignição (Ua).
Os presentes inventores constataram, em particular, que o pulso positivo era bastante elevado, ou seja, superior, em valor absoluto, à tensão de ignição do arco (Ua), para criar um plasma suficientemente denso na zona de tratamento, a fim de atingir velocidades de limpeza elevadas. Eles constataram ainda que era indispensável que a tensão máxima dos pulsos negativos (U-), em valor absoluto, fosse inferior à tensão de ignição (Ua)1 para não desencadear uma descarga elétrica entre os dois eletrodos, pois o uso de uma tensão negativa muito elevada conduz a uma polimerização do óleo, não permitindo obter um bom desengorduramento.
O valor da tensão de ignição do arco é principalmente função da pressão do gás no reator e da distância intereletrodos. Esses parâmetros estão ligados pela lei de Paschen.
O processo de acordo com a presente invenção pode também apresentar as seguintes características, isoladas ou em combinação:
- o tempo de subida de tensão do referido campo é inferior ou igual a 600 ns, particularmente 60 ns;
- a freqüência dos pulsos positivos é superior ou igual a 20 kHz;
- o fluxo gasoso é constituído de ar ou de oxigênio;
- o material é um material orgânico, de preferência um aço com carbono;
- a substância orgânica é um óleo de proteção temporária contra a corrosão, ou uma emulsão mecânica instável (mistura água-óleo) proveniente, por exemplo, da operação de laminação (skin-pass) do material metálico;
- o material está em forma de uma banda que se desloca, e as diferentes etapas do processo são realizadas continuamente por meio de instalações dispostas sucessivamente no trajeto da banda em deslocamento.
Um segundo objeto da presente invenção é constituído por um gerador que pode ser utilizado para a realização do processo de acordo com a presente invenção, e que compreende uma fonte de alimentação de baixa tensão que emite pulsos de baixa tensão a uma freqüência de 1 a 200 kHz, e componentes que permitem transformar os referidos pulsos de baixa tensão em pulsos de alta tensão. O tempo de elevação de tensão desse gerador é de preferência inferior ou igual a 600 ns, e de modo mais particular inferior ou igual a 60 ns.
Esse gerador se diferencia do descrito na patente US 5.968.377, pois ele permite obter pulsos assimétricos de tensão. Isso é possível porque, ao contrário do que ocorre com o gerador descrito no documento US5.968.377, não é realizada uma partição dos pulsos de alta tensão, mas em baixa tensão, e amplifica-se a seguir os sinais graças aos transformadores. De acordo com a presente invenção, entende-se por baixa tensão uma tensão inferior a 1.000 V.
Um terceiro objeto é constituído por um dispositivo de realização do processo de acordo com a presente invenção que compreende meios de deslocamento da banda ligados à terra, uma série de eletrodos recobertos de dielétricos dispostos na frente da superfície da referida banda que vai ser tratada, sendo que os dielétricos estão ligados a um gerador de acordo com a presente invenção; meios de alimentação de gás dispostos nas proximidades da superfície da banda; e meios de extração dos gases de decomposição da substância orgânica que reveste a banda.
De acordo com o presente relatório descritivo, entende-se por dielétrico um material que apresenta uma constante dielétrica superior a 6. Entende-se por substância orgânica, todo composto que contém pelo menos carbono, hidrogênio e oxigênio. O tempo de subida de tensão é definido como o tempo durante o qual a tensão continua a aumentar até atingir seu máximo.
Breve Descrição dos Desenhos A presente invenção vai ser agora explicada em relação a um
modo de realização, dado a título indicativo e não Iimitativo da presente invenção, fazendo-se referência aos desenhos anexos, nos quais:
- a figura 1 representa uma vista esquemática de um dispositivo de tratamento de acordo com a presente invenção;
- a figura 2A representa um esquema do princípio de alimentação elétrico de potência do dispositivo, e a figura 2B representa seu esquema sinótico;
- a figura 3 representa um oscilograma das variações de tensão obtidas com o gerador de acordo com a presente invenção;
- a figura 4 representa a evolução da porcentagem de refletividade (%R) de mostras calibradas em massas de óleo na faixa de comprimento de onda que corresponde aos estiramentos da banda CH;
- a figura 5 representa a curva de aferição estabelecida a partir dos registros IRRAS tratados matematicamente;
- a figura 6 indica a evolução da massa G de óleo residual em função do tempo de tratamento nas amostras inicialmente revestidas com 100 mg/m2 de óleo;
- a figura 7 indica a evolução da massa G de óleo residual em função do tempo de tratamento nas amostras inicialmente revestidas com 53 mg/m2 de óleo; e
- a figura 8 indica a evolução da massa G de óleo residual em função do tempo de tratamento nas amostras inicialmente revestidas com 110 mg/m2 de óleo.
Descrição de Realizações Particulares
A figura 1 representa um dispositivo de tratamento que compreende um cilindro rotativo de suporte (1) para uma banda de aço (2) recoberta por um óleo de proteção contra a corrosão e que se deseja desengordurar. Esse cilindro (1) gira no sentido indicado pela seta (F) e pode eventualmente ser resfriado, se necessário. Ele está ligado à terra por meio da banda (2).
Diante do cilindro (1), estão dispostos vários eletrodos (3) resfriados e revestidos por um dielétrico. A escolha recairá, particularmente, sobre uma cerâmica, tal como a alumina ou as estumatites, por exemplo, pois elas são capazes de suportar temperaturas elevadas. Será utilizado, de particularmente, um material cuja constante dielétrica é superior a 6, o que é caso da alumina, cuja constante dielétrica está compreendida entre 8 e 10, mas também as estumatites, cuja constante dielétrica está compreendida entre 6 e8, podem ser empregadas.
Cada eletrodo (3) é alimentado por um gerador de alta tensão (4) de acordo com a presente invenção. O gás ou a mistura de gases de tratamento pode ser alimentado de diversas maneiras e, em particular, ele pode ser introduzido de cada lado do eletrodo (3) por uma rampa (5). Prevê-se ainda um dispositivo de extração do gás e das espécies voláteis provenientes da decomposição de um filme de óleo de cada lado do dispositivo (não representados). A fim de facilitar a alimentação da zona de gás, pode ser vantajoso circunscrever a zona de tratamento em um compartimento que contorna a chapa e os eletrodos.
A banda de aço (2) está ligada à terra e desempenha assim o papel de contra-eletrodo. Ela se desloca sobre o cilindro (1) e expõe uma de suas superfícies à ação das espécies reativas criadas pela ação da descarga sobre o gás de tratamento, e que são em particular espécies oxigenadas do tipo O*. A descarga elétrica é alimentada pelo gerador (4) que emite uma
freqüência que pode variar entre 1 e 200 kHz de pulsos de tensão de monopolaridade, cuja forma depende da carga sobre a qual essa alimentação debita.
A figura 2A representa o tipo de circuito elétrico de alimentação com tensão pulsada, que utiliza um transistor MOS de potência ligada a um transformador elevador.
A figura 2B mostra o esquema sinótico da alimentação concebida especificamente para essa aplicação. Ela é constituída por um bloco de diodos rápidos cujo papel é gerir as inversões de tensão e de corrente nos transistores de potência e nos transformadores, de modo a reduzir as perdas químicas. Os transformadores são objeto de uma montagem específica a fim de obter baixa condutância, ausência de saturação do material magnético e baixa capacidade parasita.
A figura 3 representa uma curva com as variações da tensão durante uma sucessão de dois pulsos, tais como eles são emitidos por um gerador de acordo com a presente invenção.
Vê-se que o primeiro pulso de tensão é positivo e dura cerca de1,8 μβ, e é seguido de um pulso negativo de menor amplitude, e que dura 48 μβ. A tensão máxima do pulso positivo vale aqui 12,7 kV e o valor máximo do pulso negativo, em valor absoluto, (U-) vale 1,8 kV. O reator de tratamento utiliza uma descarga com barreira dielétrica (AI2O2), e a distância inter- eletrodos é regulada a 3 mm.
Durante o pulso de tensão positiva emitido pelo gerador elétrico sobre o eletrodo recoberto pelo dielétrico, registra um pulso de corrente positiva que é seguido 4 μβ, depois por um pulso de corrente negativa, de menor amplitude. A seguir, a corrente é praticamente nula quando a tensão medida no dielétrico for negativa. O tempo de subida da tensão positiva é da ordem de400 ns. Esse valor da elevação (subida) da tensão permite inicializar a descarga sob uma tensão mínima de 5 KV.
Exemplo 1
Tratam-se duas amostras de uma banda de aço doce revestidas por um óleo (Quaker Tinnol N200) de proteção contra a corrosão, submetendo- as a um campo elétrico pulsado de acordo com a presente invenção, a fim de desengordurá-las. A massa de óleo é respectivamente em cada uma das chapas de 100 mg/m2 e 53 mg/m2. O tratamento é efetuado em presença de um fluxo de 30 l/min de oxigênio e sob pressão atmosférica.
O reator de tratamento utiliza uma descarga com barreira dielétrica (AI2O3) que pode conter dois eletrodos retangulares de dimensões 25 χ 20 mm2. A distância intereletrodos é de 3 mm.
São realizados diferentes tempos de tratamento com plasma em cada uma das duas chapas. Mede-se então a massa residual de óleo de proteção em cada amostra tratada, por espectroscopia de absorção infravermelha à incidência rasante (IRRAS).
Previamente a essas medidas experimentais, estabelece-se uma curva de aferição a partir de amostras calibradas em título de massa com o mesmo óleo (Quaker Tinnol N200) no mesmo analisador IRRAS.
A figura 4 representa a evolução da porcentagem de refletividade (%R) de amostras calibradas em massa de óleo, na faixa do número de onda (expresso em cm"1) que correspondem aos stretchings da banda CH. As amostras calibradas comportam, a partir da curva mais próxima da horizontal, .10 mg/m2, 32 mg/m2, 50 mg/m2, 71 mg/m2, 100 mg/m2 e 150 mg/m2 de óleo. A ausência de óleo na amostra induz uma porcentagem de refletividade de 100%.
A figura 5 apresenta uma curva de aferição estabelecida a partir dos registros IRRAS feitos para cada amostra calibrada.
A figura 6 mostra a evolução da massa de óleo residual das amostras retiradas da chapa com 100 mg/m2 de óleo, após diferentes tempos de tratamento com plasma, a uma freqüência de 100 kHz. Constata-se que um tempo de 7 a 8 segundos é suficiente para limpar a chapa.
A figura 7 mostra a evolução da massa de óleo residual das amostras retiradas da chapa com 53 mg/m2 de óleo, após diferentes tempos de tratamento com plasma, a uma freqüência de 100 kHz. Constata-se que um tempo de 3 a 4 segundos é suficiente para limpar a chapa.
Exemplo 2
Trata-se uma chapa de aço doce untada com óleo e submetida a skin-pass a fim de limpá-la com o mesmo reator e nas mesmas condições experimentais que as descritas no exemplo 1. A massa de óleo na chapa é de110 mg/m2 de óleo.
São efetuados diferentes tempos de tratamento com plasma em amostras retiradas de uma chapa submetida a skin-pass. A seguir, de acordo com o método descrito no exemplo 1, mede-se a massa residual de óleo em cada amostra tratada, por espectroscopia de absorção infravermelha à incidência rasante (IRRAS).
A figura 8 mostra a evolução da massa de óleo residual nas amostras retiradas da chapa após diferentes tipos de tratamento com plasma. Constata-se que um tempo de 20 segundos é suficiente para limpar a chapa.
Exemplo 3
Repete-se o ensaio do exemplo 1, recobrindo uma chapa de aço com 150 mg/m2 de óleo QuakerTinnoI N200.
Tratam-se amostras retiradas de uma chapa, aplicando-lhes diferentes campos elétricos. São obtidos os espectros XPS das superfícies dessas amostras, e de amostras de referências, e calcula-se as relações Fe/C e O/C por integração dos picos correspondentes.
Os resultados obtidos e as condições dos testes estão reunidos no quadro a seguir:
<table>table see original document page 11</column></row><table> Quanto maior for a relação Fe/C, mais a superfície do material
estará limpa.
Comparando-se os três resultados obtidos com o gerador de corrente contínua pulsada, constata-se a notável melhora da velocidade do tratamento de desengorduramento quando os pulsos das tensões positivas tiverem uma freqüência de pelo menos 20 kHz.
Além disso, constata-se que para uma freqüência de 40 Hz, desengordura-se totalmente a chapa após 22 segundos, enquanto em uma freqüência de 100 kHz, não são precisos mais que 10 segundos para conseguir o mesmo resultado.
Claims (11)
1. PROCESSO DE LIMPEZA CONTÍNUA DE UM MATERIAL (2) REVESTIDO POR UMA SUBSTÂNCIA ORGÂNICA, caracterizado pelo fato de compreender as etapas de: - introduzir o referido material (2) em uma zona de tratamento alimentada por um fluxo gasoso que compreende o oxigênio; - aterrar o referido material (2); e - gerar um plasma impondo um campo elétrico entre a superfície do referido material (2) e pelo menos um eletrodo (3) recoberto de dielétrico, sendo que o referido campo elétrico é pulsado e compreende uma sucessão de pulsos de tensão positivos e negativos em relação ao referido material (2), a tensão máxima dos pulsos positivos (U+) é superior à tensão de inicialização do arco (Ua) e a tensão máxima dos pulsos negativos (U-), em valor absoluto, é inferior à tensão de inicialização (Ua).
2. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do tempo de elevação da tensão do referido campo ser inferior ou igual a 600 ns.
3. PROCESSO, de acordo com uma das reivindicações 1 ou2, caracterizado pelo fato da freqüência dos pulsos positivos ser superior ou igual a 20 kHz.
4. PROCESSO, de acordo com uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato do referido fluxo gasoso ser constituído de ar ou de oxigênio.
5. PROCESSO, de acordo com uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato do referido material (2) ser um material metálico.
6. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato do referido material ser um aço carbono.
7. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 5 ou 6, caracterizado pelo fato da referida substância orgânica ser um óleo de proteção temporária contra a corrosão ou uma emulsão mecânica instável.
8. PROCESSO, de acordo com uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato do material (2) estar em forma de uma banda em deslocamento, e pelo fato das diferentes etapas do processo serem realizadas continuamente por meio de instalações dispostas sucessivamente em relação ao trajeto da referida banda em deslocamento.
9. DISPOSITIVO, para a realização do processo definido nas reivindicações 1 a 8, caracterizado por compreender: - meios de deslocamento (1) da referida banda (2) ligados a terra; - uma série de eletrodos (3) recobertos de dielétrico e dispostos na superfície a ser tratada da referida banda (2), eletrodos (3) esses que estão ligados a um gerador (4); - meios de alimentação de gás dispostos nas proximidades da superfície da banda (2); e meios de extração dos gases de decomposição da substância que reveste a banda (2).
10. DISPOSITIVO, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato do referido dielétrico ser constituído de alumina.
11. DISPOSITIVO, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato do referido dielétrico ser constituído de uma estumatite.
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