BRPI0619050A2

BRPI0619050A2 - Elemento de resfriamento e método de fabricação do mesmo

Info

Publication number: BRPI0619050A2
Application number: BRPI0619050-2A
Authority: BR
Inventors: Kai Seppolo; Jyrki Koitto; Risto Saarinen
Original assignee: Outotec Oyj
Priority date: 2005-11-30
Filing date: 2006-11-23
Publication date: 2011-09-20
Also published as: ATE442563T1; US20080272525A1; DE602006009137D1; ZA200804323B; FI121429B; FI20051220A; FI20051220A0; EP1954999A1; KR101277112B1; PL1954999T3; CN101322003A; US8038930B2; AU2006319123A1; AU2006319123B2; KR20080074149A; WO2007063164A1; CN101322003B; EP1954999B1

Abstract

ELEMENTO DE RESFRIAMENTO E MéTODO DE FABRICAçãO DO MESMO. A presente invenção se refere a um elemento de resfriamento (1) a ser usado na estrutura de um reator pirometalúrgico, usado na fabricação de metais, cujo elemento de resfriamento compreende um elemento de carcaça (2) feito principalmente de cobre, provido de um sistema de canal para a circulação do meio de resfriamento, dito sistema de canal sendo feito de um tubo (3) que é feito principalmente de cobre, em que na superfície externa dos tubos (3) que formam o sistema de canal se dispõe um revestimento (7, A) que apresenta um ponto de fusão inferior ao do material do elemento de carcaça (2) e do tubo (3, B). A invenção também se refere a um método de fabricação do elemento de resfriamento.

Description

"ELEMENTO DE RESFRIAMENTO E MÉTODO DE FABRICAÇÃO DO MESMO"

A presente invenção se refere a um elemento de resfriamento usado na estrutura de um reator pirometalúrgico e a um método para fabricação do dito elemento de resfriamento.

Nos processos pirometalúrgicos, os revestimentos do reator são protegidos por elementos de resfriamento resfriados em água, de modo que devido ao resfriamento, o calor emitido sobre a superfície do revestimento é transferido para a água através do elemento de resfriamento, em cujo caso, o desgaste do revestimento é substancialmente reduzido, caso seja comparado a um reator que não foi resfriado. A redução no desgaste é obtida pelo chamado revestimento autógeno solidificado na superfície do revestimento refratário, cujo revestimento autógeno é formado pela escória e outras fases fundidas. 0 elemento de resfriamento deve apresentar uma satisfatória capacidade de transferência de calor e os elementos devem resistir a rápidas mudanças de temperatura de fornos metalúrgicos, geralmente, altas temperaturas.

Convencionalmente, os elementos de resfriamento podem ser fabricados, por exemplo, através de fundição de areia, onde, em um molde feito de areia, se dispõe um tubo operacional de resfriamento, feito de um material, tal como, cobre, com uma satisfatória capacidade de transferência de calor e durante o processo de fundição realizado em volta do dito tubo, o tubo é resfriado tanto pelo ar como pela água. Também, o elemento fundido em volta do tubo operacional é feito de um material com uma satisfatória capacidade condutora de calor, preferivelmente, cobre. Esse tipo de método de fabricação é descrito, por exemplo, na Patente GB 1.38 6.645. Também, a Patente US 5.904.893 descreve um elemento de resfriamento usado em fornos metalúrgicos e a fabricação dos mesmos. De acordo com a dita publicação, um elemento de resfriamento feito de cobre é produzido mediante fundição de cobre em um molde de cobre, em volta do tubo operacional de resfriamento. Pelo fato do material a ser fundido e do tubo de resfriamento serem feitos do mesmo material, o método descrito apresenta diversos notórios inconvenientes. O principal problema do dito método é que o tubo que serve como canal de fluxo é fixado de modo não-uniforme ao material de fundição envolvente, pelo fato de que parte do tubo pode ser completamente destacada do elemento de fundição envolvente e parte do tubo pode ser completamente fundida e, dessa forma, danificada. Se uma ligação metálica não for criada entre o tubo de resfriamento e o resto do elemento fundido em volta dele, a transferência de calor não é efetiva entre o elemento de resfriamento e o meio de resfriamento. Assim, também a resistência ao calor do elemento de resfriamento é enfraquecida. Se o tubo, novamente, se fundir completamente, isto irá impedir a passagem da água de resfriamento.

A publicação da patente US 6.280.681 Bl descreve um elemento de resfriamento em que diversos materiais diferentes, tais como, ligas de cobre/niquel, são sugeridos de serem usados nos tubos de resfriamento. Entretanto, nesse caso, a transferência de calor obtida entre o elemento de resfriamento e o liquido de resfriamento não é tão satisfatória quanto no caso do uso de tubos de cobre.

Além disso, da publicação de Patente WO 2004/057256, é conhecido um elemento de resfriamento e um método de fabricação do mesmo, em que os tubos de resfriamento de um elemento de resfriamento feito de cobre ou liga de cobre são revestidos eletroliticamente por uma fina camada de metal, tal como, uma camada de níquel.

O objetivo da presente invenção é de eliminar alguns dos inconvenientes citados no estado da técnica e produzir um novo tipo de elemento de resfriamento a ser usado na estrutura de um reator pirometalúrgico, indicado para a fabricação de metais, de modo que uma satisfatória transferência de calor seja obtida entre o elemento de resfriamento e o tubo de resfriamento. Além disso, o objetivo da invenção é de executar um método de fabricação do dito elemento de resfriamento. As essenciais novas características da invenção se tornarão evidentes, a partir da apresentação das reivindicações anexas.

A presente invenção proporciona notórias vantagens. A invenção se refere a um elemento de resfriamento a ser usado na estrutura de um reator pirometalúrgico, indicado para a fabricação de metais, o dito elemento de resfriamento compreendendo um elemento de carcaça feito principalmente de cobre, provido com um sistema de canal compilado de tubos feitos principalmente de cobre para circulação do meio de resfriamento, de modo que sobre a superfície externa dos tubos que constituem o sistema de canal se dispõe um revestimento com um ponto de fusão que é inferior ao do material do elemento de carcaça e do tubo. No presente contexto, cobre significa cobre puro, tal como, cobre desoxidado com fósforo, que é geralmente mais usado em elementos de resfriamento.

De acordo com uma modalidade da invenção, o revestimento é uma liga em que o cobre é ligado com pelo menos um ingrediente que diminui o seu ponto de fusão, em cujo caso é vantajosamente obtido um contato de bronze, com uma satisfatória capacidade de transferência de calor entre o tubo e o elemento de carcaça, isto é, o calor é transferido de forma mais efetiva do elemento de resfriamento para o meio de resfriamento. De acordo com uma modalidade, o revestimento é uma liga de cobre, estanho e/ou prata. De acordo com outra modalidade, o revestimento é de cobre com um teor de estanho de 10%. De acordo com a invenção, o revestimento pode ser também de cobre com 10% de prata ou uma liga de cobre, chumbo e estanho. De acordo com uma modalidade preferida, o revestimento é de prata, a qual é conhecida de possuir um ponto de fusão mais baixo (961°C) do que o cobre (1083°C) . A espessura do revestimento de acordo com a invenção, vantajosamente, é de 0,1-1 mm, em cujo caso a superfície limite entre o tubo e o revestimento é protegida contra a fusão, durante a fundição do elemento de carcaça. De acordo com a invenção, o elemento de carcaça do elemento de resfriamento é fundido em volta dos tubos, em cujo caso se proporciona a circulação do meio de resfriamento, tal como, água pressurizada, nos tubos, durante a fundição da carcaça do elemento de resfriamento, de modo que a superfície limite entre o tubo e o revestimento permanece sólida e que o tubo não deve ser danificado durante o processo de fundição devido ao calor.

O resfriamento nos tubos é proporcionado através da água de circulação, de modo que seja efetivo para que a fusão não ocorra na superfície de contato entre o revestimento e o cobre fundido, cuja coalescência intensifica a criação de um bom contato metalúrgico. Os tubos são revestidos anteriormente à fundição do elemento de resfriamento e os tubos são projetados no formato desejado, tanto antes como após o revestimento. Quando o elemento de carcaça fundido do elemento de resfriamento é solidificado em volta dos tubos e do revestimento, o resfriamento nos tubos é interrompido e o revestimento forma uma vantajosa superfície de contato entre o elemento de carcaça do elemento de resfriamento fundido e a superfície externa dos tubos. Quando o revestimento inclui como um ingrediente de formação de liga um metal com uma satisfatória solubilidade em cobre, isso intensifica a criação da superfície de contato. Através da presente invenção, é produzido um revestimento que é metalurgicamente bem fixado em volta do tubo, em cujo revestimento o ingrediente ligado em cobre para diminuição do seu ponto de fusão, intensifica a criação de uma durável ligação. Através do revestimento de acordo com a invenção, é obtida uma superfície de contato que apresenta satisfatórias capacidades de transferência de calor e satisfatória durabilidade entre o elemento de resfriamento e o tubo, cuja superfície envolve o tubo ao longo de sua inteira superfície externa. Geralmente, o formato e tamanho do elemento de resfriamento são dependentes do objetivo de utilização em cada caso.

De acordo com uma modalidade da invenção, os tubos são revestidos por meio de revestimento fundido, em cujo caso os tubos são imersos no material de revestimento fundido. De acordo com uma modalidade, o revestimento é feito mediante revestimento eletrolítico. De acordo com uma modalidade, os tubos são revestidos através da técnica de pulverização térmica, tal como, pulverização por chama, de modo que na medida em que queima a mistura de gás de combustão e oxigênio, ela funde o material de revestimento que apresenta o formato de arame ou de pó. O revestimento fundido é soprado na forma pressurizada sobre a superfície dos tubos mediante um certo tipo de sistema de borrifamento por bocais. Numa modalidade da invenção, o elemento de resfriamento é o elemento envolvente do orifício vertedor, indicado para deixar vazar o fundido, em cujo caso, pelo menos uma parte do elemento de resfriamento é disposta essencialmente para envolver o orifício vertedor.

A invenção será agora explicada em maiores detalhes com relação aos desenhos anexos, em que: - a figura 1 ilustra como a temperatura é distribuída em um elemento de resfriamento, de acordo com a invenção, quando o revestimento é de cobre com 10% de estanho; - a figura 2 ilustra como a temperatura é distribuída em um elemento de resfriamento, de acordo com a invenção, quando o revestimento é de cobre com 10% de prata; e

as figuras 3a, 3b e 3c ilustram um elemento de resfriamento, de acordo com a invenção.

As figuras 1 e 2 ilustram como a temperatura (T) se comporta no revestimento (A) de tubos fundidos no interior do elemento de carcaça (2) do elemento de resfriamento e na parede (B) do tubo. Na figura 1, o material de revestimento exemplificativo é uma liga em que o cobre é ligado a 10% de estanho e na figura 2, é ilustrada uma liga em que o cobre é ligado a 10% de prata. De acordo com o exemplo, a espessura (A) do revestimento é de 1 mm e a espessura (B) da parede do tubo é de 6 mm. No interior do tubo, é provida a circulação do meio de resfriamento, tal como, água, a fim de evitar que a superfície limite (K) entre o tubo e o revestimento seja fundida devido à temperatura do elemento de carcaça (2) , porém, mantendo a dita superfície no estado sólido. Na figura 1, a curva (C) e na figura 2 a curva (F) , descrevem o gradiente de temperatura no início do processo de fundição, no revestimento (A), entre a superfície de contato (L), disposta entre o elemento de carcaça (2) a ser fundido e o revestimento, e na parede (B) do tubo. Durante o processo de fundição, a temperatura do elemento de carcaça de cobre (2) sobe acima dse seu ponto de fusão (1083°C) . Devido à circulação do meio de resfriamento, a temperatura cai no revestimento (A) , ao prosseguir na direção da superfície de contato (K) , entre o tubo e o revestimento. As regiões (D) e (H) descrevem como o cobre e o ingrediente de formação de liga são coalescidos sobre a superfície externa do revestimento. A coalescência ocorre pelo fato de gue a temperatura na sua camada mais externa do revestimento é superior à temperatura do sólido da liga de revestimento (840°C para uma liga de Cu-Sn e 780°C para uma liga de Cu-Ag) . As regiões (I) e (J) descrevem regiões sólidas na camada do revestimento (A) que caem sobre o lado da parede (B) . Nas figuras 1 e 2, as curvas (E) e (G) descrevem o gradiente de temperatura no revestimento (A) e na parede (B) do tubo em um estágio posterior ao processo de fundição, quando o elemento de carcaça de cobre fundido (2), na vizinhança dos tubos de resfriamento já está solidificado. Nesse estágio, ambos os elementos de carcaça de cobre e tubo de cobre estão no estado sólido e a circulação do meio de resfriamento pode ser fechada. Entretanto, o revestimento de tubo (A) está ainda parcialmente fundido, pelo fato de que a temperatura é superior à temperatura do estado sólido do revestimento. O revestimento parcialmente fundido é solidificado, como o objeto fundido é posteriormente resfriado, dessa forma, criando um contato próximo, com satisfatórias capacidades de transferência de calor entre o elemento de carcaça de cobre fundido e o tubo de resfriamento.

Nas figuras 3a, 3b e 3c, é ilustrado por meio de exemplo um elemento de resfriamento (1), de acordo com a invenção. A figura 3b é uma seção transversal na direção (X) da figura 3a e a figura 3c é uma seção transversal da figura 3a na direção (Y) . De acordo com o exemplo, o elemento de resfriamento é um elemento envolvente do orifício vertedor (6), usado em um reator pirometalúrgico para vazar metal fundido, em cujo caso ele protege o revestimento cerâmico refratário (8) que envolve o orifício vertedor (6) de ser danificado durante o vazamento do fundido sob alta temperatura. 0 elemento de carcaça (2) do elemento de resfriamento é feito de cobre puro, onde o teor de oxigênio é minimizado. No interior do elemento de resfriamento (1), são dispostos tubos de cobre (3), feitos para a circulação do meio de resfriamento, cujos tubos são projetados de modo a envolver o orifício vertedor (6) para obtenção de um máximo efeito de resfriamento. Para o meio de resfriamento, são providas aberturas de entrada e saída (4) e (5), para circulação do meio dentro e fora dos tubos (3). Ao se fabricar o elemento de resfriamento, o meio de resfriamento de acordo com a invenção é água, a qual é pressurizada dentro dos tubos a uma pressão de cerca de 6 bar, a fim de se obter um eficiente efeito de resfriamento no revestimento (7) e no tubo (3), antes do fundido ser solidificado. 0 tubo empregado é qualquer tubo de cobre de parede espessa, isto é, com medidas adequadas para a finalidade do uso; o diâmetro interno do tubo no exemplo é de 24 mm. Sobre a superfície dos tubos (3) , é provido um revestimento (7) para realização de um contato durável com uma satisfatória capacidade de transferência de calor entre o elemento de carcaça (2) do elemento de resfriamento de cobre e o tubo de cobre (3) . O material de revestimento empregado é uma liga, em que o cobre é ligado a pelo menos um ingrediente que diminui seu ponto de fusão, a fim de se obter um contato de bronze com vantajosas capacidades de transferência de calor entre o tubo e o elemento de carcaça.

Para um especialista versado na técnica, é óbvio que diversas modalidades da invenção não estão limitadas às modalidades explicadas acima, podendo variar dentro do escopo das reivindicações anexas.

Claims

1. Elemento de resfriamento (1) a ser usado na estrutura de um reator pirometalúrgico, usado na fabricação de metais, cujo elemento de resfriamento compreende um elemento de carcaça (2) feito principalmente de cobre, provido de um sistema de canal para a circulação do meio de resfriamento, dito sistema de canal sendo feito de um tubo (3) que é feito principalmente de cobre, caracterizado pelo fato de que na superfície externa dos tubos (3) que formam o sistema de canal se dispõe um revestimento (7, A) que apresenta um ponto de fusão inferior ao do material do elemento de carcaça (2) e do tubo (3, Β) , onde o revestimento (7, A) é uma liga, em que o cobre é ligado por pelo menos um ingrediente que diminui o seu ponto de fusão.

2. Elemento de resfriamento, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o revestimento (7, A) é uma liga de cobre, estanho e/ou prata.

3. Elemento de resfriamento, de acordo com as reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o revestimento (7, A) é de cobre com 10% de teor de estanho.

4. Elemento de resfriamento, de acordo com as reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o revestimento (7, A) é de cobre com 10% de teor de prata.

5. Elemento de resfriamento, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o revestimento (7, A) é uma liga de cobre, chumbo e estanho.

6. Elemento de resfriamento, de acordo com quaisquer das reivindicações 1-5, caracterizado pelo fato de que a espessura do revestimento (7, A) é de 0,1-1 mm.

7. Método de fabricação de um elemento de resfriamento (1) a ser usado na estrutura de um reator pirometalúrgico, usado na fabricação de metais, cujo elemento de resfriamento compreende um elemento de carcaça (2) feito principalmente de cobre, provido de um sistema de canal para a circulação do meio de resfriamento, dito sistema de canal sendo produzido de um tubo (3) que é feito principalmente de cobre, em cujo método o elemento de carcaça (2) é fundido em volta dos tubos (3) e o meio de resfriamento circula nos tubos, caracterizado pelo fato de que os tubos, antes da fundição do elemento de resfriamento, são revestidos na sua superfície externa por um revestimento (7, A) que apresenta um ponto de fusão inferior ao do material do elemento de carcaça (2) e do tubo (3, Β) , onde o revestimento empregado (7, A) é uma liga, em que o cobre é ligado por pelo menos um ingrediente que diminui o seu ponto de fusão.

8. Método, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que os tubos são resfriados por um meio de resfriamento, por exemplo, água, durante a fundição do elemento de carcaça (2) do elemento de resfriamento, de modo que a superfície de contato (K) entre o revestimento (7, A) e o tubo permanece sólida.

9. Método, de acordo com as reivindicações 7 ou 8, caracterizado pelo fato de que a circulação do meio de resfriamento nos tubos (3) é interrompida quando o elemento de carcaça (2) é solidificado.

10. Método, de acordo com as reivindicações 7 ou 8, caracterizado pelo fato de que o revestimento (7, A) é formado por meio de revestimento fundido.

11. Método, de acordo com as reivindicações 7 ou 8, caracterizado pelo fato de que o revestimento (7, A) é formado por meio de revestimento eletrolítico.

12. Método, de acordo com as reivindicações 7 ou 8, caracterizado pelo fato de que o revestimento (7, A) é formado por meio de uma técnica de pulverização térmica.

13. Método, de acordo com as reivindicações 7, 8, 9, 11 ou 12, caracterizado pelo fato de que o revestimento empregado (7, A) é uma liga de cobre, estanho e/ou prata.

14. Método, de acordo com as reivindicações 7, 8, - 9, 11, 12 ou 13, caracterizado pelo fato de que o revestimento empregado (7, A) é de cobre, ligado com um teor de 10% de estanho.

15. Método, de acordo com as reivindicações 7, 8, - 9, 10, 12 ou 13, caracterizado pelo fato de que o revestimento empregado (7, A) é de cobre, ligado com um teor de 10% de prata.

16. Método, de acordo com as reivindicações 7, 8, - 9, 11, 12 ou 13, caracterizado pelo fato de que o revestimento empregado (7, A) é uma liga de cobre, chumbo e estanho.

17. Método, de acordo com quaisquer das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o elemento de resfriamento (1) é um elemento envolvente de um orifício vertedor (6), indicado para vazamento do material fundido, em cujo caso pelo menos uma parte do elemento de resfriamento se dispõe de modo a substancialmente envolver o orifício vertedor.