BRPI0803083A2 - injetor da gás ativado para uso com um reator de atmosfera controlada possuindo uma cámara do reator, sistema reator de atmosfera controlada, e método para ativação de uma atmosfera contida por uma cámara do reator de um reator de atmosfera controlada - Google Patents

Abstract

INJETOR DE GáS ATIVADO PARA USO COM UM REATOR DE ATMOSFERA CONTROLADA POSSUINDO UMA CáMARA DO REATOR, SISTEMA REATOR DE ATMOSFERA CONTROLADA, E MéTODO PARA ATIVAçãO DE UMA ATMOSFERA CONTIDA POR UMA CáMARA DO REATOR DE UM REATOR DE ATMOSFERA CONTROLADA. Um injetor de gás no qual um gás é passado através de descargas elétricas de alta voltagem/baixa corrente antes de ser descarregado dentro da câmara de um alto-forno de tratamento térmico. A ativação elétrica do gás acelera reações desejáveis entre o gás, gases na câmara do alto-forno, e a carga de trabalho na câmara. Preferivelmente, um eletrodo quente é eletricamente carregado e as outras partes do injetor de gás e o alto-forno estão aterrados.

Description

INJETOR DE GÁS ATIVADO PARA USO COM UM REATOR DE ATMOSFERACONTROLADA POSSUINDO UMA CÂMARA DO REATOR, SISTEMA REATORDE ATMOSFERA CONTROLADA, E MÉTODO PARA ATIVAÇÃO DE UMAATMOSFERA CONTIDA POR UMA CÂMARA DO REATOR DE UM REATOR DE

ATMOSFERA CONTROLADA

Fundamentos

A presente invenção está relacionada comtratamentos térmicos em temperatura elevada, de materiaismetálicos ou cerâmico-metálicos e partes funcionais emalto-fornos ou reatores que utilizam atmosferas reativas.As atmosferas e tratamentos no escopo da invenção incluemcementação, nitretação, carbonitretação, nitrocarburetação,boronização, recozido brilhante ou óxido-redução,atmosferas redutoras para brasagem, soldagem esinterização, atmosferas de /potencial carbono paratratamento térmico neutro de ligas de transformação defase, solubilização, envelhecimento, coalescimento,encruamento, alivio das tensões internas, normalização,recozimento era atmosfera inerte, e semelhantes. Oscomponentes da referida atmosfera podem incluir nitrogênio(N2) , hidrogênio (H2) , gases hidrocarbonetos (HC) tais comometano (CH4), acetileno ' (C2H2), etileno (C2H4) , propano(CsH8) e muitos hidrocarbonetos de pesos moleculares maispesados, amônia (NH3) , álcoois evaporados tais como metanol(CH3OH) ou etanol (C2H5OH) , monóxido de carbono (CO) ,dióxido de carbono (CO2)f vapor d'água (H2O), e gasesnobres tais como argônio (Ar) e hélio (He) . Componentesadicionais da atmosfera podem incluir subprodutos de reaçãoe gases que evoluem provenientes da carga ou das paredes doalto-forno e/ou do aquecimento dos componentes bem comogases que penetram no alto-forno provenientes do exterior,por exemplo, ar. Os gases da atmosfera podem serintroduzidos no alto-forno corno misturas pré-misturadas amontante do alto-forno no sistema de controle do fluxo degás, ou podem se misturar dentro da câmara do alto-forno.Outras opções para o suprimento de gás proveniente daatmosfera podem incluir correntes produzidas por geradoresendotérmicos e exotérmicos, por exemplo, misturaendotérmica de 20% "CO, 4 0% H2 e 4 0% N2 (a menos que deoutro modo estabelecido, todas as porcentagensidentificadas nesse pedido deverão ser entendidas estaremnuma base em volume) feita mediante reformar CH4 com ar,NH3 dissociado, ou injeção e evaporação de líquidos, porexemplo, CH3OH.

Existem três problemas usuais no controle deprocesso quando da utilização de atmosferas em tratamentostérmicos em temperatura elevada: (1) cinéticas reacionaislentas ou estabilidade do gás injetado, (2) condição dasuperfície do material da parte funcional carregada aoalto-forno, e (3) penetração do ar ambiental. Por exemplo,CH4 injetado no alto-forno para cementação pode reagirlentamente com e dispor de indesejado oxigênio (O2) ou CO2e/ou pode deslocar o potencial termodinâmico da atmosferado alto-forno, e/ou pode se dissociar e reagir apenasmarginalmente, a menos que a temperatura do alto-forno sejamuito alta; todavia, a alta temperatura possui um risco dedanificar o material metálico carregado ou a partefuncional. Situações similares ocorrem a um grau maior oumenor com H2, NH3 e outros HCs. Também, o material ou asuperfície funcional carregada ao interior do alto-fornopode estar revestido com um filme espesso de óxido,ferrugem, ou resíduos oleosos de base aquosa, e areatividade da atmosfera original pode se tornarinsuficiente para a remoção desse filme dentro do tempodesejado para o tratamento e a faixa de temperaturaempregada. Finalmente, penetração de ar no alto-forno e asoutras fontes de contaminação contendo O2 podem requereradições de redutores e, algumas vezes gases de cementação àatmosfera, mesmo se a atmosfera mais desejada possa ser umambiente inerte â partes para processos específicos detransformação térmica, isto é, uma sem gases redutores e/oude cementação. Tais técnicas in si t-u de acessibilidadeestão limitadas por muitas considerações de processo. Porexemplo, a quantidade de H2 acrescentada à atmosfera de M2para refluir soldas em placas de circuitos impressosprecisa ser mantida abaixo de 5% por segurança, isto é, aeliminação do risco de explosão em fornos abertos ou semi-abertos de refluxo, e a temperatura precisa ser mantidabaixa, tipicamente abaixo de 250 0Cf para prevenir danos àplaca e ao componente. Com essas baixas temperaturas econcentrações, a acessibilidade e o efeito de remoção deóxido do H2 é marginal devido à lenta cinética de redução.Limitações similares podem ser encontradas na cementação departes de aço com gás natural, em ausência de atmosferasendotérmicas, contendo CO. Por exemplo, CH4 se dissociatermicamente e reage com uma superfície de aço emvelocidades rápidas, industrialmente atraentes apenas acimade 1000 °C, mas muitos dos aços tratados revelam umindesejado crescimento de grãos em tais temperaturas altas.

Um número de modos são usados para lidar com osproblemas descritos. Altos-fornos em vácuo são usados paratratamentos térmicos para evitar a penetração do arambiental e evaporar condensados de impurezas provenientesdos materiais ou partes carregadas. Infelizmente, todos ossistemas de alto-forno em vácuo são dispendiosos do pontode vista do capital e operacional. Além disso, o uso dealto-forno em vácuo não soluciona o problema daestabilidade do gás.. Desse modo, no caso de cementação,hidrocarbonetos (HCs) mais caros e menos estáveis precisamser usados., por exemplo, C2H2, e o uso de CH4 de custo maisbaixo é muito limitado. Altos-fornos de vácuo em plasmaforam desenvolvidos para lidar com o problema daestabilidade do gás e filmes de superfície inicialmenterecobrindo partes funcionais carregadas, mas o custo dessessistemas, questões com o complexo processamento dasgeometrias de partes e a dificuldade de controlar atemperatura, limitam o uso de sistemas de plasma iônico. Acomplicação adicional com estes e similares métodos dedescarga elétrica, por exemplo, coroa, arco direto ou arcode plasma transferido, é a necessidade de produzir a partefuncional (a ser tratada) um dos eletrodos fechando ocircuito de descarga. O alto-forno ou vaso reacional setorna mais complexo e, no caso de intrincadas partesfuncionais eletrônicas, a corrente pode prejudicar aspartes funcionais. Sistemas térmicos de plasma de arco nãotransferidos capazes de operar era pressões atmosféricas têmsido explorados como injetores de gás de ativação que nãonecessitam fechar o circuito elétrico por meio da partefuncional. Não obstante, a alta temperatura e a correnterequerida nesses sistemas encurtam a vida dos eletrodospara 100 horas ou menos e resulta na contaminação do alto-forno. A geração mais recente dos sistemas de alto-fornoelimina a necessidade quanto a câmara de vácuo ou de baixapressão e das freqüentes trocas de eletrodos ao mesmo tempoem que ativa a superfície de materiais carregados ou partesfuncionais. Não obstante, os sistemas de alto-forno demicroondas em escala industrial são complexos, caros, e nãoflexíveis na aceitação de diversos materiais metálicos egeometrias das partes funcionais como os tradicionaisaltos-fornos aquecidos termicamente.

Drissen e outros (Patente norte americana U.S. No.5.717.18 6) propôs medidas adicionais para controlar o fluxodireto de corrente através de uma peça funcional em umalto-forno de tratamento térmico em vácuo, iônico. Law eoutros (Patente norte americana U.S. No. 5.059.757)vislumbrou um modo de limitar o recobrimento de fuligem domesmo tipo de alto-forno. Orita (Patente norte americanaU.S. No. 5.605.580) utilizou ura procedimento de tratamentotérmico multietapas para minimizar um efeito não uniformede cementação de bordas, muito mais agudo nos sistemas deplasma em vácuo que na cementação convencional em atmosferagasosa. George (Patente norte americana U.S. No. 5.989.363)demonstrou a necessidade de telas de radiação em nitretaçãoem plasma de vácuo de pós-descargas. Giacobbe (patenteEuropéia No. 0324294A1) descreveu superfície de pelafuncional e encruamento usando ura maçarico térmico deplasma resfriado em água. He e Paganessi (Publicação de PCTNo. WO 2005/009932A1) também utilizou um reator de plasmade alta freqüência (50-500 kW) para gerar gases detratamento que foram, em seguida, injetados num alto-fornode vácuo. Czermichowski (Patente norte americana U.S. No.6.007.742) revelou uma série de métodos de plasma"GlidArc", na pressão atmosférica normal, experimental parareformar gás natural e outros hidrocarbonetos. Centenas detextos de pesquisa existem com respeito ao uso de sistemasde plasma em escala de laboratório, tipicamente de baixapressão, mais ou menos elaborado, para o tratamento demetal nas aplicações de tratamento térmico bem comomodificações da composição da corrente de gás. Nãoobstante, uma grande parcela da indústria de tratamentotérmico de metal e os operadores do processo térmicocontinuam a procurar um aprimorado sistema atmosferareativo que possa melhorar a cinética das reações em fasegasosa e em superfícies funcionais ao mesmo tempo em que,simultaneamente, possam ser aprimorados aos altos-fornos oureatores de pressão reduzida normais, existentes, e nãonecessitem de altos custos de capital ou de manutenção eoperacionais.

Breve Descrição dos Desenhos

A descrição detalhada apresentada a seguir dasmodalidades preferidas da invenção serão mais bemcompreendidas quando lidas em conjunto com os desenhosanexos.

Para os propósitos de ilustração da invenção, osdesenhos descrevem modalidades as quais são atualmentepreferidas. É entendido, todavia, que a invenção não estálimitada às exatas disposições e apresentadainstrumentalmente nos desenhos:

A Figura 1 é uma vista esquemática em seçãotransversal de um alto-forno de tratamento térmico queinclui um injetor ativado a gás de acordo com a presenteinvenção;

A Figura 2A é uma vista frontal de uma modalidadealternativa de um injetor ativado a gás possuindo uma pontade saida aberta;

A Figura 2B é uma vista em seção transversal tomadaao longo da linha 2B-2B da Figura 2A;

A Figura 2C é uma vista frontal de uma outramodalidade alternativa de um injetor de gás ativado, o qualé similar ao injetor de gás ativado mostrado na Figura 2A,mas inclui múltiplos tubos de suprimento;

A Figura 3A é uma vista em seção transversal de umamodalidade alternativa de um injetor de gás ativado, o qualé similar ao injetor de gás ativado mostrado na Figura 2A,mas inclui uma ponta de saida mais restrita;

A Figura 3B é uma vista secional de uma outramodalidade alternativa de um injetor de gás ativado, o qualé similar ao injetor de gás ativado mostrado na Figura 3.A,mas inclui·um tubo de expansão na ponta de saída;

A Figura 3C é uma vista em seção transversal de umaoutra modalidade alternativa de um injetor de gás ativadoque inclui um tubo de suprimento · em linha e fendas emdeclive cortadas na cobertura do injetor;

A Figura 4 é um gráfico de barras que mostra osefeitos da ativação da atmosfera de NH3 e CH4 em diferentestemperaturas e utilizando diferentes métodos de ativação,incluindo ativação térmica, plasma-DC e centelha-AC.A Figura 5 é um gráfico que mostra as condições notempo de corrida de NH3e H2 em atmosferas ativadas de alto-forno, utilizando ativação térmica, plasma-DC e centelha-AC;

A Figura 6 é um gráfico de barras que mostra osefeitos da ativação da atmosfera C2H4, contaminada com O2,utilizando diferentes métodos de ativação, incluindoativação térmica, plasma-DC e centelha-AC;

A Figura 7 é um gráfico que mostra o micro-encruamento de testes de cementação ativado de partes deaço 1010 AISI-SAE usando plasma-DC (com um ou outro de Arou N2 como o componente primário do gás injetado) etratamento térmico (com N2 como o componente primário dogás injetado); e

A Figura 8 é um sumário dos testes de cementaçãoativada usando plasma-DC.

Sumário da Invenção

Em um aspecto, a invenção compreende um injetor degás ativado para uso com um reator de atmosfera controladapossuindo uma câmara do reator. O injetor de gás ativadoinclui urna carcaça que define uma câmara de ativaçãopossuindo uma saida, uma entrada do primeiro gás que estáadaptada a ser conectada a um suprimento de um primeiro gáse introduzir o primeiro gás no interior da câmara deativação, um· primeiro eletrodo que se estende ao interiorda câmara de ativação e termina dentro da câmara deativação, ura suprimento de energia conectado ao primeiroeletrodo o qual, quando provido de energia, proporciona umdébito médio de voltagem de pelo menos 1 kV e um débitomédio de corrente de menos de 10A, e um segundo eletrodoque está exposto à câmara de ativação e proporciona umpotencial de aterramento com respeito ao primeiro eletrodo.

O primeiro e segundo eletrodos estão posicionados tal.que adescarga elétrica ocorre entre o primeiro eletrodo e osegundo eletrodo quando o suprimento de energia éenergizado, a área na qual a descarga elétrica ocorredefinindo uma zona de descarga elétrica. A câmara deativação, o primeiro eletrodo, o segundo eletrodo, e aentrada do primeiro gás são configurados tal que o primeirogás é extraído através da zona de descarga elétrica antesde deixar a câmara de ativação através da saída.

Em um outro aspecto, a invenção compreende umsistema reator de atmosfera controlada que inclui umacâmara do reator adaptada para acomodar uma carga detrabalho a ser tratada, a câmara do reator possuindo umaexaustão, pelo menos uma fonte de calor que é capazcoletivamente de elevar a temperatura da câmara do reatoraté uma temperatura de pelo menos 90 °C, e pelo menos uminjetor de gás. Cada um dos injetores de gás inclui umacarcaça que define uma câmara de ativação possuindo umasaída que está em comunicação fluida com a câmara doreator, uma entrada do primeiro gás que é adaptada para serconectada a um suprimento de um primeiro gás e estáposicionada para introduzir o primeiro gás ao interior dacâmara de ativação, um primeiro eletrodo que se estende aointerior da câmara de ativação e termina dentro da câmarade ativação, um suprimento de energia conectado ao primeiroeletrodo o qual, quando energizado, fornece um débito médiode voltagem de pelo menos 1 kV e um débito médio decorrente de menos de 10A, e um segundo eletrodo que estáexposto à câmara de ativação e proporciona um potencial deaterramento com respeito ao primeiro eletrodo. O primeiro esegundo eletrodos estão posicionados tal que a descargaelétrica ocorre entre o primeiro eletrodo e o segundoeletrodo quando o suprimento de energia é energizado, aárea na qual a descarga elétrica ocorre definindo uma zonade descarga elétrica. A câmara de ativação, o primeiroeletrodo, o segundo eletrodo, e a entrada do primeiro gássão configurados tal que o primeiro gás é extraído atravésda zona de descarga elétrica antes de deixar a câmara deativação através da saída.

Em ainda um outro aspecto, a invenção compreende ummétodo para ativar uma atmosfera contida pela câmara de umreator de um reator de atmosfera controlada. De acordo comesse método, um primeiro gás é fornecido ao interior de umacâmara de ativação a partir de uma fonte de pressãoelevada. Descargas elétricas são geradas entre um primeiroeletrodo situado no interior da câmara de ativação e umsegundo eletrodo possuindo um potencial de aterramento comrespeito ao primeiro eletrodo mediante conectar o primeiroeletrodo a um suprimento de energia que fornece um débitomédio de voltagem de pelo menos 1 kV e um débito médio decorrente que é menor que IOA. O primeiro gás é exposto adescargas e é descarregado ao interior da câmara do reatoratravés de uma saida formada na câmara de ativação. Umapressão de não menos que 1 milibar é mantida na câmara doreator enquanto o primeiro gás está sendo descarregado aointerior da câmara do reator. Uma temperatura de menos de90 graus é mantida na câmara do reator enquanto que oprimeiro gás está sendo descarregado ao interior da câmarado reator.

Descrição Detalhada das Modalidades preferidas

A invenção detalhada adiante, compreende umequipamento de descarga elétrica e um método de utilizar oequipamento num alto-forno convencional para tratamentotérmico, termoquímico, ou de superfície de metais ou decomponentes contendo metal. 0 alto-forno convencional podeser qualquer tipo de um alto-forno de tratamento térmico deatmosfera controlada: um alto-forno do tipo batelada, caixaou sino, ou um alto-forno de esteira continua, alto-fornocontínuo provido de empurradores, alto-forno provido derolos transportadores, operando numa pressãoaproximadamente atmosférica, ou um assim chamado alto-fornode vácuo, operando numa pressão reduzida a qual não é maisbaixa que 1 milibar no momento de utilização cioequipamento. Em cada caso, o alto-forno convencional requerseus próprios elementos de aquecimento e sistema decontrole de temperatura. 0 equipamento e método pode seraplicado a qualquer tipo de atmosfera e operação de alto-forno definidos nos fundamentos da invenção.

Referindo à Figura 1, uma modalidade da invenção émostrada de modo esquemático. Essa modalidade compreende umalto-forno de tratamento térmico 100, possuindo uma paredede alto-forno 101, que define uma câmara de alto-forno 1,na qual uma carga de trabalho 2 está posicionada. 0 alto-forno também inclui uma pluralidade de aquecedores 5a, 5b,5c, uma exaustão 6 e, de acordo com a presente invenção, uminjetor de gás ativado 20.

O injetor de gás ativado 20 compreende umacarcaça de injetor 7 que se estende ao interior da câmarade alto-forno 1 e termina numa saida 103. Nessa modalidade,a carcaça de injetor 7 é um tubo de forma geralmentecilíndrica. Um tubo de suprimento de gás 21 se estende aointerior da carcaça de injetor 7 antes de atingir a saída103. O injetor de gás ativado 20 também inclui eletrodos 8,104 que se estendem ao interior da carcaça de injetor 7 eterminam dentro da saída 103, e estão preferivelmenteposicionados entre a ponta de saída do tubo de suprimento21 e a saída 103. O eletrodo 104, a carcaça de injetor 7,tubo de suprimento 21 e a parede de alto-forno 101 sãotodos preferivelmente aterrados (o que resulta em umpotencial de aterramento relativamente ao eletrodo 8 quandoo eletrodo 8 é energizado, do modo descrito aqui). 0eletrodo 8 está conectado a um suprimento de energia dealta voltagem 110 e está isolado do eletrodo 104, a carcaçade injetor 7, tubo de suprimento 21 e parede de alto-forno101 com um isolante 38. O isolante 38 é feitopreferivelmente de um material de oxido cerâmico, semaditivos orgânicos, pode ser usados para o isolamentoelétrico. Exemplos incluem alumina, silicatos, mica,magnésia, ou vidro.

Qualquer tipo de suprimento de energia de baixacorrente e alta voltagem 110 pode ser usado. Por exemplo,suprimento de energia de corrente alternada (AC) possuindouma voltagem de entrada de 110V a 230V, uma saída média devoltagem na faixa de 1 kV a 50 kV (ambos numa freqüência deaproximadamente 50 Hz a 60 Hz) podem ser usados. De modoalternativo, um suprimento de energia de corrente continua(DC) possuindo uma voltagem de entrada de 12V a 230V, umasaida média de voltagem na faixa de 1 Kv a 50 kV pode serusado. Se um suprimento de energia DC é usado, elepreferivelmente inclui um retificador de meia onda ou deonda inteira. Em ambos os casos, é preferível que acorrente média operacional para o suprimento de energia 110seja de não mais de 10A e, mais preferivelmente, de nãomais de 5A. De modo notável, a presente invenção pode serimplementada usando um suprimento de energia AC ou DCsimples, de baixo custo. Um suprimento de energia de altafreqüência e alta voltagem (assim chamado um suprimento deenergia de 'pulso' ou 'pulsada') não é exigido.

0 uso de um suprimento de energia de baixacorrente, de alta voltagem, para ativar o gás de processopermite ao injetor de gás ativado 20 operar em altastemperaturas da câmara do reator sem o uso de um sistema deresfriamento à base de fluidos (por exemplo, água) eproporciona uma vida útil de serviço mais prolongada que seum suprimento de energia de alta corrente fosse utilizado.O uso de baixa corrente irá reduzir a probabilidade dedanos ou de derretimento das superfícies do eletrodo. O usode alta voltagem garante grandes descargas volumosascontidas no produção de corrente de gás, mesmo que em baixacorrente.

É preferível que a carcaça de injetor 7 se projeteao interior da câmara de alto-forno 1 tal que os eletrodos8, 104 possam absorver calor proveniente da câmara de alto-forno 1. De modo alternativo, a carcaça de injetor 7compreende um volume interno (referido aqui como uma câmarade ativação) na qual um gás de processo é ativado antes deser descarregado ao interior da câmara de alto-forno 1.

Quando o eletrodo 'quente' 8 é energizado pelosuprimento de energia 110, descargas elétricas se formamentre o eletrodo 'quente' e o eletrodo aterrado 104 (etalvez a carcaça de injetor 7) . Em uma modalidade na qualum eletrodo aterrado em separado 104 não seja provido, asdescargas elétricas podem se formar entre o eletrodo'quente' 8 e a carcaça de injetor 7. A corrente de gás deprocesso 4 flui através do tubo de suprimento 21 e emseguida passa através da descarga elétrica, resultando numacorrente ativada por descarga elétrica 9, a qual édirecionada ao interior da câmara de alto-forno 1. Acorrente ativada por descarga elétrica 9, então se expandeao interior do alto-forno como mostrado pelas setas 10. Épreferível que os eletrodos 104, 108 sejam posicionados talque, quando o suprimento de energia é energizado, um campoelétrico possuindo um poder de 1 kV/cm e 100 kV/cm sejaformado entre os eletrodos 104, 108.

Sob condições mais operacionais, uma parcela dacorrente expandida 10 recircula no interior da câmara dealto-forno 1 e pode entrar em contato com a superfície 12da carga de trabalho 2 antes de deixar a câmara de alto-forno 1. À medida que a corrente ativada por descargaelétrica 9 se expande ao interior da câmara de alto-forno1, ela pode aspirar e arrastar uma parcela do volume do gásatmosférico já presente na câmara. Esse efeito de arrasteda aspiração, ilustrado na Figura 1 pelas setas 11a, 11b,resulta na interação química entre a corrente ativada pordescarga elétrica 9 e o restante da atmosfera do alto-forno. Desse modo, a introdução da corrente ativada pordescarga elétrica 9 possui dois efeitos na atmosfera doalto-forno: (1) a corrente ativada por descarga elétrica 9é acrescentada à atmosfera do alto-forno e (2) umainteração secundária ocorre entre a corrente ativada pordescarga elétrica 9 e os gases existentes na atmosfera doalto-forno. A interação secundária requer que o gás estejapresente dentro da câmara de alto-forno 1 antes daintrodução da corrente ativada por descarga elétrica 9.Portanto, a interação secundária não irá ocorrer em umacâmara de alto-forno de Vácuo pesado' possuindo umapressão abaixo de 1 milibar (mbar) durante o processo deativação atmosférico. Adicionalmente, a presente invençãonão se baseia numa colisão direta das espécies gasosasativadas na superfície 12 da carga de trabalho 2 e nãorequer que a carga de trabalho 2 seja parte do circuito queresulte na descarga elétrica (isto é, não é aplicada cargaelétrica à carga de trabalho 2) . Desse modo, a presenteinvenção proporciona uma aprimorada alternativa para osfornos de íon-nitretação e íon-cementação em plasma, osquais operam em pressões reduzidas e requerem uma conexãoelétrica a todas as peças de trabalho carregadas.

Oinjetor de gás 20 ativado (mais especificamente,a câmara de ativação) é adaptado para operarsubstancialmente na mesma temperatura como a temperaturaoperacional da câmara de alto-forno 1. O injetor de gásativado 20 pode operar numa temperatura ligeiramente maisbaixa que a temperatura operacional da câmara de alto-forno1 se o gás de processo é fornecido a uma temperatura maisbaixa que a temperatura operacional da câmara de alto-forno1 e/ou se uma parte da câmara de ativação está situada forada câmara de alto-forno 1.

O injetor de gás ativado da presente invenção podeser incorporado em muitos tipos alternativos de sistemasreatores de atmosfera controlada e configurações de câmarado reator. Em aplicações de câmara do reator continua (istoé, uma câmara do reator possuindo uma entrada decarregamento e uma .saída de descarga), é preferívelposicionar um ou mais injetores de gás ativado nasproximidades da entrada de carregamento e um ou maisinjetores de gás ativado nas proximidades da saída dedescarga.

O apresentado a seguir é um exemplo de umaimplementação específica da presente invenção. Não éincomum para uma atmosfera endotérmica, de alto-forno decementação com a composição nominal de 20% CO, 40% H2 e 40%N2 acumular uma quantidade excessiva de CO2 prejudicialdevido às reações de cementação, redução de incrustações deóxido sobre a carga de trabalho, ou o ingresso de ar aointerior do alto-forno. A injeção de um gás HC, tal comoCH4, pode ser usado para remediar o excesso de CO2 por meioda seguinte reação química: CH4 + CO2 - 2CO + 2H2.Infelizmente, essa reação requer ativação térmica e, mesmocom ativação térmica é lenta.

Se, de acordo com a presente invenção, gás CH4 éinjetado ao interior da câmara de alto-forno através de umadescarga elétrica e/ou plasma (daqui em diante referidocomo 'ativação elétrica'), uma parcela da corrente de gáspode ser convertida na forma de ions, átomos, radicais, emoléculas excitadas, tais como H, H*, H+, H2*, H3*, C2, CH,CH2, CH3, CH3+, etc. Reações de agrupamento na descargapodem também produzir, in-situ, diferentes tipos dehidrocarbonetos tais como acetileno reativo de base C2,C2H2, ou etileno, C2H4. A maior parte, senão a totalidadedesses produtos, injetados na atmosfera do alto-forno,reagem com o CO2 indesejado de modo muito mais completo emais rápido que a ativação convencional, apenas térmica, de CH4.

A presente invenção pode ser usada para injetar umgás modificador da atmosfera e/ou um gás formador daatmosfera no interior do alto-forno. Um gás modificador daatmosfera é um no qual pelo menos uma fração da corrente degás é convertida em ions, átomos, radicais, e moléculasexcitadas, tais como H, H*, H+, H2*, H3*, C2, CH, CH2, CH3,CH3+, etc. Um gás formador de atmosfera é um no qual acomposição do gás alimentado se altera, isto é, novasmoléculas são formadas devido à energia fornecida peloinjetor.

Cinco modalidades adicionais da presente invençãosão apresentadas nas Figuras 2A a 3C & 2B. Em cada sucessivamodalidade, aspectos mostrados nos desenhos quecorrespondem a características apresentada na Figura 1 sãodesignadas por referências numerais que são aumentadas porum fator de 100. Por exemplo, o injetor de gás ativado 20 édesignado pelas referências numerais 120 e 220 na segunda eterceira modalidades, respectivamente. Parte dascorrespondentes características estão numeradas nas Figuras2A a 3C para fornecer contexto mas não estãoespecificamente referidas na descrição das modalidadesadicionais.

As Figuras 2A & 2B apresentam uma segundamodalidade de um injetor de gás ativado 120 que inclui umcopo cilíndrico 113 possuindo uma ponta aberta 122, ura tubode suprimento 121 e um eletrodo 108. O volume Internodefinido pelo copo 113 e a extremidade aberta 122 é acâmara de ativação para essa modalidade. Como o eletrodo 8mostrado na Figura 1, o eletrodo 108 está preferivelmenteconectado a um suprimento de energia de alta corrente, debaixa voltagem (não mostrado). G eletrodo 108 se estende aointerior do copo 113 ao longo de seu eixo central, terminadentro do copo 113 (isto é, não se estende para além daextremidade aberta 122 do copo 113) e é isolado do copo113, preferivelmente por meio de um isolante cerâmico,resistente a altas temperaturas 138. O copo 113 épreferivelmente feito de um metal condutivo e está aterradopor meio de um aterramento em chumbo 115.

Quando operado, uma corrente de gás de processo 114é injetada para dentro do copo 113 a partir de uma fonteexterna por meio de uma entrada 14 0 a partir de um tubo desuprimento de gás 121. O tubo de suprimento de gás 121 e aentrada 140 estão preferivelmente posicionados tangentes aoperímetro do copo 113. Após entrar no copo 113, o gás deprocesso turbilhona dentro do copo 113, é . exposto adescargas elétricas 119, e deixa o copo 113 ao longo daslinhas apresentadas pelas setas 109a, 09b. Devido ànatureza do fluxo de vórtex formado dentro do copo curto ede extremidades abertas 113, uma região de baixa pressão éformada na zona central do copo 113, a qual puxa paradentro e aspira os gases da atmosfera do alto-forno(mostrados pela seta 117) . A corrente aspirada 117 semistura com a corrente de gás de processo emturbilhonamento 114 e sai ao longo das linhas 118a, 118b.

Nessa modalidade, as descargas elétricas 119 seestendem entre o eletrodo 108 e o copo 113 durante oprocesso de mistura em vórtex descrito, o que submete ambosa corrente de gás de processo 114 e a corrente aspirada(atmosfera do alto-forno) 117 a reações ativadas pordescarga elétrica. As descargas 119 são formadas por arcosdiscretos e/ou serpentinas que correm entre a ponta doeletrodo quente 108 e o diâmetro interno do copo 113. Aformação de um fulgor de plasma mais uniforme em tornodesses arcos é também notado se a velocidade de fluxo dacorrente 14 não é excessiva. É preferível que a velocidadede fluxo do gás de processo esteja situado numa faixa queresulte em um fulgor de plasma relativamente uniforme emtorno das descargas elétricas 119, que pode ser rompido poruma excessiva velocidade de fluxo do gás de processo. Asdescargas elétricas 119 também tendem a girar em torno daparte interna do copo 113 devido ao fluxo do vórtex que éforçado pela corrente de gás de processo injetado de modotangencial 114. A rotação das descargas elétricas 119assegura que não existe a anexação de raízes de arco deponto único sobre a superfície do copo 113, o que reduz apossibilidade de danos térmicos à superfície interna docopo 113.

A Figura 2C mostra uma terceira modalidade doinjetor de gás ativado mostrado nas Figuras 2A & 2B. Nessamodalidade o injetor de gás ativado 220 inclui múltiplasportas de injeção tangencial 221a, 221b, 221c, 221d para ogás de processo, o que pode proporcionar garantir umturbilhonamento mais uniforme dentro do copo 213.

As Figuras 3A, 3B e 3C apresentam três modalidadesadicionais do injetor de gás ativado. O injetor de gásativado 320 descrito na Figura 3A é idêntico ao injetor degás ativado 120 (mostrado nas Figuras 2A & 2B), exceto quea extremidade aberta 322 do copo do injetor 313 estáparcialmente coberta por uma tampa 330 que possui um furoaxial 331 formado nela. Como comparado ao injetor de gásativado 120, o injetor de gás ativado 320 reduz a aspiraçãoda atmosfera do alto-forno ao interior do copo 313 eaumenta a velocidade da corrente ativada por descargaelétrica 309 à medida que ela deixa o copo injetor 313.Como um resultado, a aumentada aspiração e arraste dosgases do alto-forno com a corrente ativada por descargaelétrica 309 ocorre no lado externo do copo. Desse modo, aatmosfera do alto-forno aspirada 311a, 311b se misturarapidamente com a corrente ativada por descarga elétrica309 para formar novas correntes reativas 310a, 310bexternas ao copo do injetor 313.

O injetor de gás ativado 420 descrito na Figura 3Bdifere do injetor de gás ativado 320, mostrado na Figura3A, porque ele inclui um tubo de expansão 432 se estendendodesde o furo axial 431. A corrente ativada por descargaelétrica 409 se movimenta mais rápido ao longo do eixo dotubo de expansão 4 32, o que induz pelo menos parte dasdescargas elétricas 419 a se estenderem ao interior do tubode expansão 432. Desse modo, nessa modalidade, a câmara deativação inclui um volume interno definido por ambos o copo413 e o tubo de expansão 432. A parte visível, da emissãode luz das descargas elétricas 4190 pode facilmente estaralém do tubo de expansão 432 (isto é, dentro da câmara dealto-forno) mediante utilizar velocidades maiores de fluxodo gás de processo. A aspiração, arraste e mistura dacorrente ativada por descarga elétrica 409 com a atmosferado alto-forno ocorre externamente, à jusante do tubo deexpansão 432. Como em outras modalidades, reaçõessecundárias ocorrem como o gás aspirado proveniente daatmosfera do alto-forno (identificado pelas referênciasnumerais 410a, 410b na Figura 3B) e a corrente ativada pordescarga elétrica 409. O gás de injeção é alimentado aosinjetores de gás ativado 320, 420 (Figura 3A e 3B) do mesmomodo como o injetor de gás ativado 120 mostrado na Figura 2.

O injetor de gás ativado 520 mostrado na Figura 3Cé similar ao injetor de gás ativado 420, mas inclui um tubode suprimento em linha 521 em lugar do tubo de suprimentoposicionado tangencialmente 421.. A fim de gerar o movimentorotacional do gás de processo, uma placa de turbilhonamento523 é provida dentro do copo de injeção 513, logo amontante da ponta do eletrodo quente 508. A placa deturbilhonamento 523 é feita preferivelmente de uma cerâmicadielétrica de alta temperatura e compreende uma série defendas enviesadas ou helicoidais 534 formadas sobre ela. Acorrente de gás de processo 514 é forçada através dasfendas 534, o que induz a corrente de gás de processo 514 aturbilhonar em torno do eixo do injetor e formar um fluxoem vórtex.

Na totalidade das modalidades discutidas acima, acarcaça de injetor e os eletrodos podem ser formados apartir de quaisquer metais ou ligas condutivos resistentesa corrosão e alta temperatura, tais como aço inoxidável,Kovar, ligas de níquel, tungstênio, molibdênio, e suasligas, por exemplo. 0 isolamento usado com os eletrodosquentes pode ser formado a partir de qualquer oxidocerâmico dielétrico e termoquimicamente resistente, talcomo alumina, mulita, alumino-silicatos, vidro cerâmico, ouzircônia modificada, por exemplo.

Além disso, múltiplos injetores de gás ativadopodem ser usados num alto-forno na mesma configuração, erequisitos de tratamento térmico ou de processo detratamento de superfície, dependendo do tamanho do alto-forno. Desse modo, no caso de altos-fornos contínuos deextremidades abertas, um ou mais injetores de gás ativadopodem ser instalados próximo das extremidades do alto-forno, a fim de prevenir a penetração do ar ambiente nãoreagido ao interior do alto-forno. Um tal sistema poderiaproporcionar aprimorado controle e uniformidade daatmosfera do alto-forno, bem como melhorada segurançadevido à eliminação de bolsões de misturas gasosaspotencialmente explosivas. Através da realização de testesdas modalidades da presente invenção, os requerentesobservaram que a presente combinação de características dedescarga de alta voltagem/baixa corrente e o arraste do gássecundário resultam em aprimoradas reações do gás emodificações da atmosfera do alto-forno mesmo se a energiatotal fornecida ao eletrodo 'quente' seja relativamentebaixa. No caso de injeção de gases HC de acordo com ométodo inventivo, a quantidade de partículas de fuligemproduzidas foi também desprezível. Isto contrasta com ossistemas convencionais de injeção (arco) de plasma térmico,isto é, 'aquecedores de gás', os quais são dispositivos debaixa voltagem/alta corrente, demandam freqüentementeresfriamento do anodo com água, e não podem funcionardentro de alto-forno quentes em temperaturas acima de 10500C (1922 °F) , as quais são desejáveis para algumasoperações de tratamento metálico. Uma vez que as moléculasde gás quente são mais fáceis de se dissociar e ativar nadescarga elétrica que aquelas frias, o equipamentoinventivo de alta voltagem/baixa corrente e oposicionamento da carcaça de injetor tal que ela absorva ocalor proveniente da câmara de alto-forno 1 torna possívelativar a atmosfera usando energia muito mais baixa que ados sistemas convencionais de injeção (arco) de plasmatérmico.

Como mencionado acima em conjunto com o suprimentode energia 110, o uso de uma fonte de energia de baixacorrente, e alta voltagem, prolonga a vida dos eletrodosinjetores. Os arcos de baixa corrente não tendem a derreteras superfícies dos eletrodos, e os arcos de alta voltagemgarantem grandes descargas volumosas dentro da corrente degás (mesmo em baixos níveis de corrente) . Para ospropósitos dessa invenção, uma fonte de energia de 'baixacorrente, e alta voltagem' deverá ser entendida ser umafonte de energia possuindo um débito médio de corrente demenos de 10 A e ura débito médio de voltagem de pelo menos1,0 kV. Embora vórtex estabilizado, colunas giratórias deplasma e reatores sejam conhecidos na arte, a unidade dapresente invenção difere da arte já existente medianteaspirar a atmosfera dos gases quentes do alto-forno aointerior de seu núcleo (por exemplo, o copo 113) através dadescarga elétrica, mistura dos gases quentes aspirados daatmosfera do alto-forno com a corrente do gás de processonovo, e expelir a mistura resultante, uma vez mais atravésda descarga elétrica, tudo para maximizar as interaçõesgás-plasma. O mesmo comentário pode ser feito com respeitoa descargas elétricas de alta voltagem/baixa corrente/altafreqüência ou pulsadas, quimicamente reativas, conhecidasna arte e chamadas, coletivamente plasmas frios ou de não-equilibrio. Os requerentes observaram que a presentecombinação das características de descarga de altavoltagem/baixa corrente, e o arraste do gás secundário,resulta em melhoradas reações do gás e modificações daatmosfera do alto-forno mesmo se a energia total dadescarga usada, (P = Volt χ Amp) seja baixa.

Uma série de testes de ativação da atmosfera doalto-forno foram realizados pelos requerentes usando osinjetores de gás ativado similares àqueles mostrados nasFiguras 2A a 3C. Os experimentos usaram velocidades defluxo de gás de processo variando de 0,28 m3/h (10 scfh) a5,95 m3/h (210 scfh), e dois tipos distintos de suprimentosde energia de alta voltagem: (1) uma unidade de plasma-DCoperando a 0,5 A e entre 2 kV a 10 kV (a voltagem médiasendo de aproximadamente 2 kV, ma aumentando até 10 kVquando a descarga elétrica é perdida ou o circuito éaberto), e (2) uma unidade de centelhamento ou plasma-AC(usando uma grade de energia elétrica pública residencialde 60 Hz AC) operando em aproximadamente 10 kV e 0,09 A. Adistância mais curta entre a ponta dos eletrodos quente edo aterrado no injetor AC (injetor de centelha) foiajustada para 0,355 cm (0,14 polegada) o que resultou numaforça de campo elétrico máximo E, de 28 kV/cm. A distânciamais curta entre a ponta do eletrodo quente (nesse caso ocatodo) e o eletrodo tetra (nesse caso o anodo), no injetorDC foi ajustada para 0,55 cm (0,218 polegada) o queresultou numa força de campo elétrico máximo E, de 4,5kV/cm durante a operação em estado estável e aumentandopara 18 kV/cm em modo invertido quando a descarga produzidafoi fraca ou perdida. Considerando uma entrada de energiatotal aproximada de cerca de 1 kW para cada tipo deinjetor, a energia molar acrescentada à corrente de gásprocessada, excluindo perdas de energia para a vizinhança,foi inversamente proporcional à velocidade de fluxo dacorrente: 23,9 eV para a velocidade de fluxo de 0,028 m3/h(1 scfh) , 2,39 eV para a velocidade de fluxo de 0,28 m3/h(10 scfh), 0,239 eV para a velocidade de fluxo de 2,8 m3/h(100 scfh), e 0,12 eV para a velocidade de fluxo de 5,7m3/h (200 scfh). Desse modo, na Ia aproximação, as maioresvelocidades de fluxo de gás de processo foramexperimentadas produzirem um número igual de espécies degás ativado quanto mais baixas as velocidades de fluxo, masnuma reduzida concentração volumétrica e com a preferênciapara formar produtos de mais baixa energia de ativação.Durante os testes na temperatura ambiente, um termopar,colocado em frente à saída do injetor, indicou que atemperatura média da corrente ativada em torno de 6,3 mm(0,25 polegada) à jusante não excedeu 93 °C (200 °F), comapenas pequenas variações devido à velocidade de fluxo dacorrente de gás de processo usada. Os experimentos deativação da atmosfera com o equipamento descrito foramexecutados pelos requerentes em um alto-forno tipo caixaem escala de semi-produção, aquecido eletricamente,revestido com material cerâmico, e as atmosferas do produtoforam amostradas a partir do respiro do alto-forno usandoum analisador de Gás ARI Laser, LGA 2017, com base nosprincípios da espectroscopia Raman. Os resultados sãoapresentados adiante.

A Figura 4 mostra os efeitos da ativação daatmosfera de acordo com a invenção mediante comparar acomposição dos gases do alto-forno usando dissociação'térmica' convencional corrente de gás de processo comcomposição de gás de alto-forno usando os métodos deativação do gás de processo da presente invenção: plasma-DC, ou 'plasma', e centelha-AC, ou 'centelha'. A avaliação envolveu a injeção de diversas misturas de base N2 de gasesreativos, NH3 e CH4, dentro de um alto-forno sendo mantidoa quatro diferentes temperaturas: 600 ºC (1110 °F), 800 ºC(1470 0F),850 ºC (1560 °F), e 1000 ºC (1830 0F). Aconcentração de NH3 e CH4 em todas as misturas foi mantida abaixo do limite inferior de explosividade/inflamabilidade(LEL) que significa que as misturas podem ser liberadas aoar ambiente sem o risco de explosão ou fogo, isto é, podemser usadas mesmo em altos-fornos de tratamento térmico quenão estejam dedicados ao manejo de gases inflamáveis.

A primeira mistura testada a 600 ºC (1110 °F)compreendeu N2 e 2,5% NH3 como medido na entrada para oalto-forno ou ao injetor de descarga elétrica. A segundamistura era N2 e 3,4% CH4. A terceira mistura consistiu deN2 e 2,2% CH4. A primeira mistura testada a 800 ºC (1470 °F) consistiu de N2 e 3,4% CH4, e a segunda consistiu de N2e 2,2% CH4. A mistura testada a 850 ºC (1560 °F) consistiu. de N2 e 2,4% CH4. A primeira mistura testada a 1000 ºC(1830 °F) consistiu de N2 e 3,41% CH4 e a segunda misturaconsistiu de N2 e 2,2% CH4. Todos os testes foram realizados num alto-forno revestido com cerâmica a fim deevitar a dissociação catalitica dos gases nas paredes doalto-forno.

A avaliação foi baseada na comparação da relaçãomolar média de H2/HC e H2/NH3 na exaustão do alto-forno paraas condições térmicas e a ativada, com o mesma composiçãode gás de processo. Relações maiores (apresentadas no eixo-Y) indicam dissociações maiores e reações da corrente degás na atmosfera do alto-forno enquanto que reações maisbaixas mostram a ausência de tais reações e inertizam,comportamento indesejado. Embora não seja claro aosrequerentes quais reações especificas de gás e de descargaelétrica foram responsáveis por liberar H2 dos injetadosNH3 e CH4, a estequiometria completa poderia sugerir o usoda reação normativa seguinte: m NH3 ->0,5 (m-n)N2 + (m-n)H2com a reação H2/NH3 marcada na Figura 4 igual a 1,5 (m/n-1) . A reação normativa para misturas CH4 poderiam serescritas no modo similar, exceto que o hidrocarbonetoproduzido poderia não ser especificado pelo sistema deanálise de gás usado para esses testes, e poderia diferirda composição CH4 originalmente injetada (provavelmentemais baixo teor de H na nova molécula HC, por exemplo C2H2)e oferecer uma aumentada reatividade para as superfíciesmetálicas. Como a Figura 4 mostra, a injeção do gás deprocesso na atmosfera do alto-forno usando descargas DC eAC resulta numa melhora das reações gasosas desejadas,especialmente nas temperaturas operacionais abaixo de 1000°C. Essas temperaturas operacionais são do maior interessenas indústrias de processamento de metais.

A Figura 5 uma concentração durante operação de NH3e H2 na atmosfera do alto-forno, amostrada a partir daexaustão do alto-forno, para experimentos a 525 0C (975 °F)envolvendo a injeção da corrente de gás de processocompreendendo 12% NH3 em N2. 0 primeiro teste (marcado 'semativação' na Figura 5) , onde não foi usada ativação pordescarga elétrica, apresentou a queda mais inferior naconcentração de NH3 e a mais baixa concentração de H2liberado do NH3 decomposto. O segundo teste (marcadovCentelha-AC' na Figura 5)., onde a injeção de centelha-ACfoi produzida, produziu a mais forte queda na concentraçãooriginal de NH3 (de 12% para 8,8%) e o maior ganho de H2(em torno de 4%) . O terceiro teste (marcado 'plasma-DC' naFigura 5), no qual foi usada injeção de plasma-DC, produziuconcentrações de NH3 e H2 caindo entre as concentraçõespara a primeira e segunda corridas.

A Figura 6 mostra os efeitos da ativação daatmosfera utilizando a mesma metodologia como a apresentadana Figura 4, com duas diferenças primárias: (1) o HCdiluído em N2 é C2H4 pref erentemente que CH4, e (2) umafonte de contaminação de O2 é acrescentada ao alto-forno naforma de partes de aço levemente oxidadas carregadas nele.

Uma vez que a redução dos óxidos de ferro bem como acementação de ferro metálico produz CO2, e a desejada mascineticamente lenta reação de HC com esse CO2 produz CO eH2, e a avaliação da ativação da atmosfera foi baseada narelação molar de H2/HC bem como aquela de (H2+CO)/HC. Comomostrado na Figura 6, o sistema de injeção de plasma-DC foia mais efetiva na ativação das reações desejadas dentro doalto-forno, o sistema de injeção centelha-AC foiligeiramente menos eficaz, e o sistema convencional deativação térmica (isto é, sem ativação por descargaelétrica) foi a menos eficaz.

A Figura 7 mostra resultados de testes de casocomparativo de cementação realizado em partes de aço AISI-SAE 1010 (possuindo um nível inicial de carbono de 0,1%, empeso), utilizando o método convencional de ativação térmicae o método de ativação plasma-DC da presente invenção. Acementação foi realizada a 850 0C (1560 °F) por 3 horasusando CH4 2,5% diluxdo em N2 durante a corrida térmica e aprimeira corrida plasma-DC, e CH4 2,5% diluído em argônio(Ar) na segunda corrida plasmaODC. Após a etapa decementação, todas as amostras foram resfriadas até atemperatura ambiente com o alto-forno sem adicionaisoperações de choque térmico e de têmpera. Os resultados dacementação foram avaliados mediante traçar o perfil dasmicrodurezas (dureza-HV na escala Vickers) de seçõestransvesais em aço como uma função da profundidade (emmicrometros) sob a superfície de aço cementada. A maiordureza de superfície e de sub-superfície indicando o maiorgrau de cementação foi encontrado para a corrente N2-CH42,5% ativada por plasma. A corrente Ar-CH4 2,5% ativada porplasma produziu resultados muito similares. A durezasuperficial das partes de aço as quais foram cementadasusando ativação térmica convencional foi significativamenteinferior. Notadamente, esses testes mostraram que N2 foiligeiramente mais eficaz que Ar (que é menos reativo e maisdispendioso que N2) quando usado como o gás primário nacorrente de processo injetada. Isso sugere que as reaçõesprimárias na descarga elétrica, as reações de gássecundário na atmosfera, e as reações na superfície do açosão governadas pela presença de espécies gasosas ativadas,instáveis, tanto quanto a injeção de veículos não reativosde energia.

A Figura 8 mostra os resultados dos testes decementação, ativados por plasma N2 apresentado na Figura 7,bem como testes adicionais de cementação realizados sob asmesmas condições usando as partes de aço com um nível decarbono inicial aumentado: 0,1% (era peso) para as partesaço 1010 classificação AISI-SAE, 0,5% (em peso) para partesaço 1050 classificação AISI-SAE e 0,75% (em peso) para aspartes de aço 1075 classificação AISI-SAE. No gráficomostrado na Figura 8, a temperatura é mostrada no eixo-Y(graus Celsius na esquerda e graus R na direita) e teor decarbono (% em peso) é mostrado no eixo-X. Os resultados dostrês testes estão representados pelas linhas providas desetas sobrepostas no diagrama de fase binária Fe-C. Osresultados mostram que os níveis de carbono na superfície,marcados na Figura 8 como 'case' foram aumentados para 0,9%(em peso) em todos os três testes independentemente do teord carbono inicial, desse modo determinando a potencialcementação da atmosfera N2-CH4 2,5% ativada por descargaDC.

Os testes adicionais foram realizados com opropósito de fulgor acelerado de recozimento das partes deaço oxidadas na superfície usando atmosferas de H2 puro.Três tipos de cupões de teste classificados para moagera aquente foram usados: aço carbono AISI-SAE 1010, aço deferramentas A2, e aço inoxidável austenítico 304. Os testesde recozimento foram realizados a 1000 0C (1830 °F) por 2horas usando a velocidade de fluxo de corrente H2 deprocesso de 2,55 m3/h (90 scfh). Um conjunto de três cupõesfoi corrido sob a atmosfera H2 térmica convencional,enquanto que a outra corrida foi realizada sob atmosfera H2injetada e ativada por centelha-AC. A superfície do açocarbono estava completamente reduzida e brilhante ao finalde ambos os testes. A superfície do aço de ferramenta foireduzida e brilhou apenas para os testes ativados porcentelha-AC e não para o teste térmico convencional. Asuperfície do aço inoxidável não brilhou após qualquer dostestes mas o teste -de centelha-AC substituiu o filme deóxido inicial com um filme de tonalidade marrom sugerindo apresença de nitretos metálicos.A tabela 1 ilustra algumas características dealgumas modalidades da invenção.

Tabela 1

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É reconhecido por aqueles usualmente versados natécnica que alterações podem ser feitas às modalidadesacima descritas da invenção sem se afastar dos seusconceitos inventivos mais amplos. É entendido, todavia, queessa invenção não está limitada às modalidades particularesreveladas, mas é pretendida a cobrir todas as modificaçõesque estejam inseridas no amplo escopo das reivindicações.

Claims (24)

1. injetor de gás ativado para uso com um reator deatmosfera controlada possuindo uma câmara do reator, oinjetor de gás ativado caracterizado por compreender:uma carcaça que define uma câmara de ativaçãopossuindo uma saída;uma entrada do primeiro gás que está adaptadapara ser conectada a um suprimento de um primeiro gás eintroduzir o primeiro gás ao interior da câmara deativação;um primeiro eletrodo que se estende ao interiorda câmara de ativação e termina dentro da câmara deativação;um suprimento de energia conectado ao primeiroeletrodo o qual, quando provido de energia, proporciona umdébito médio de voltagem de pelo menos 1 kV e um débitomédio de corrente de menos de 10A; eum segundo eletrodo que está exposto à câmara deativação e proporciona um potencial de aterramento comrespeito ao primeiro eletrodo;onde o primeiro e segundo eletrodos estãoposicionados tal que a descarga elétrica ocorre entre oprimeiro eletrodo e o segundo eletrodo quando o suprimentode energia é energizado, a área na qual a descarga elétricaocorre definindo uma zona de descarga elétrica; eonde a câmara de ativação, o primeiro eletrodo, osegundo eletrodo, e a entrada do primeiro gás sãoconfigurados tal que o primeiro gás é extraído através dazona de descarga elétrica antes de deixar a câmara deativação através da saída.

2. Injetor de gás ativado, de acordo com areivindicação 1, caracterizado por um campo elétrico sergerado entre o primeiro e segundo eletrodos quando osuprimento de energia é energizado, o campo elétricopossuindo uma força de entre 1 kV/cm e 100 kV/cm.

3. Injetor de gás ativado, de acordo com areivindicação 1, caracterizado por o segundo eletrodocompreender a carcaça.

4. Injetor de gás ativado, de acordo com areivindicação 1, caracterizado por a câmara de ativação seradaptada para operar substancialmente na mesma temperaturacomo a câmara do reator sem o uso de um sistema deresfriamento.

5. Injetor de gás ativado, de acordo com areivindicação 1, caracterizado por o suprimento de energiacompreender uma suprimento de energia não pulsado.

6. Injetor de gás ativado, de acordo com areivindicação 1, caracterizado por a câmara de ativação e aentrada do primeiro gás estarem configurados paraproporcionar um vórtex ou um turbilhonamento do fluxo doprimeiro gás proveniente da entrada do primeiro gás até asaída quando o primeiro gás é introduzido ao interior dacâmara de ativação através da entrada do primeiro gás.

7. injetor de gás ativado, de acordo com areivindicação 1, caracterizado por a câmara de ativaçãopossuir uma parte de configuração cilíndrica e a entrada doprimeiro gás está conectada de modo tangencial à parte deconfiguração cilíndrica.

8. Injetor de gás ativado, de acordo com areivindicação 1, caracterizado por adicionalmentecompreender uma placa de turbilhonamento localizada nacâmara de ativação.

9. SISTEMA REATOR DE ATMOSFERA CONTROLADA,caracterizado por compreender:uma câmara do reator adaptada para acomodar umacarga de trabalho a ser tratada, a câmara do reatorpossuindo uma exaustão;pelo menos uma fonte de calor, a pelo menos umafonte de calor sendo capaz de coletivamente elevar atemperatura da câmara do reator até uma temperatura de pelomenos 90 °C; epelo menos um injetor de gás, cada um do pelo menosum injetor de gás incluindo:carcaça gue define uma câmara de ativação possuindouma saída que está em comunicação fluida com a câmara doreator;uma entrada do primeiro gás que está adaptada paraser conectada a um suprimento de um primeiro gás e estáposicionada para introduzir o primeiro gás ao interior dacâmara de ativação;um primeiro eletrodo que se estende ao interior dacâmara de ativação e termina dentro da câmara de ativação,um suprimento de energia conectado ao primeiro eletrodo oqual/ quando energizado, fornece um débito médio devoltagem de pelo menos 1 kV e um débito médio de correntede menos de 10A; eum segundo eletrodo que está exposto à câmara deativação e proporciona um potencial de aterramento comrespeito ao primeiro eletrodo;onde o primeiro e segundo eletrodos estãoposicionados tal que a descarga elétrica ocorre entre oprimeiro eletrodo e o segundo eletrodo quando o suprimentode energia é energizado, a área na qual a descarga elétricaocorre definindo uma zona de descarga elétrica; eonde a câmara de ativação, o primeiro eletrodo, osegundo eletrodo, e a entrada do primeiro gás estãoconfigurados tal que o primeiro gás é extraído através dazona de descarga elétrica antes de deixar a câmara deativação através da saída.

10. Sistema reator de atmosfera controlada, deacordo com a reivindicação 9, caracterizado por o segundoeletrodo compreender a carcaça,

11. Sistema reator de atmosfera controlada, deacordo com a reivindicação 9, caracterizado por o campoelétrico ser gerado entre o primeiro e segundo eletrodosquando o suprimento de energia é energizado, o campoelétrico possuindo uma força de entre 1 kV/cm e 100 kV/cm.

12. Sistema reator de atmosfera controlada, deacordo com a reivindicação 9, caracterizado por a câmara deativação ser projetada para ser operada na mesmatemperatura como a câmara do reator sem o uso de um sistemade resfriamento.

13. Sistema reator de atmosfera controlada, deacordo com a reivindicação 9, caracterizado por a câmara doreator ser adaptada para manter uma pressão de pelo menos 1milibar quando o pelo menos um ativador de descargaelétrica é operado.

14. Sistema reator de atmosfera controlada, deacordo com a reivindicação 9, caracterizado por a câmara deativação estar situada pelo menos parcialmente dentro dacâmara do reator.

15. Sistema reator de atmosfera controlada, deacordo com a reivindicação 9, caracterizado por a câmara doreator ser adaptada para realizar uma ou mais das seguintesoperações na carga de trabalho:cementação, nitretação, carbonitretação,nitrocarburetação, boronização, recozimento brilhante,óxido-redução, brasagem, soldagem, sinterização,recozimento de potencial carbono neutro e recozimentoinerte.

16. Sistema reator de atmosfera controlada, deacordo com a reivindicação 9, caracterizado por a câmara doreator compreender uma câmara do reator continua possuindouma entrada de carregamento e uma saida de descarga e opelo menos um injetor de gás compreender um injetor doprimeiro gás situado nas proximidades da entrada decarregamento e um injetor do segundo gás situado nasproximidades da saida de descarga.

17. MÉTODO PARA ATIVAÇÃO DE UMA ATMOSFERA CONTIDAPOR UMA CÂMARA DO REATOR DE UM REATOR DE ATMOSFERACONTROLADA, o método caracterizado por compreender:fornecer um primeiro gás ao interior de umacâmara de ativação a partir de uma fonte de pressãoelevada;gerar descargas elétricas entre um primeiroeletrodo situado dentro da câmara de ativação e um segundoeletrodo possuindo um potencial de aterramento com respeitoao primeiro eletrodo mediante conectar o primeiro eletrodoa um suprimento de energia que forneça um débito médio devoltagem de pelo menos 1 kV e um débito médio de correnteque seja menor que 10A;expor o primeiro gás a descargas elétricas;descarregar o primeiro gás ao interior da câmarado reator através de uma saida formada na câmara deativação;manter uma pressão de não menos de um milibar nacâmara do reator enquanto o primeiro gás está sendodescarregado ao interior da câmara do reator de atmosferacontrolada; emanter uma temperatura de pelo menos 90 graus nacâmara do reator enquanto o primeiro gás está sendodescarregado ao interior da câmara do reator.

18. Método, de acordo com a reivindicação 17,caracterizado por:introduzir um primeiro gás dentro de uma câmarade ativação compreender introduzir um primeiro gás dentrode uma câmara de ativação que está pelo menos parcialmentesituada dentro da câmara do reator.

19. Método, de acordo com a reivindicação 17,caracterizado por adicionalmente compreender:aspirar pelo menos uma parcela da atmosfera paradentro da câmara de ativação; eexpor a pelo menos uma parcela da atmosfera adescargas elétricas.

20. Método, de acordo com a reivindicação 17,caracterizado por adicionalmente compreender:tratar termicamente uma carga de trabalho pelomenos parcialmente metálica situada dentro da câmara doreator; erealizar pelo menos uma parte da etapa detratamento térmico enquanto as etapas de acordo com areivindicação 18 estão sendo realizadas.

21. Método, de acordo com a reivindicação 17,caracterizado por adicionalmente compreender:operar a câmara de ativação substancialmente namesma temperatura como a da câmara do reator.

22. Método, de acordo com a reivindicação 17,caracterizado por adicionalmente compreender:enquanto as etapas de acordo com a reivindicação-18 estão sendo realizadas, realizar uma ou mais operações apartir do grupo de cementação, nitretação, carbonitretação,nitrocarburetação, boronização, recozimènto brilhante,óxido-redução, brasagem, soldagem, sinterização,recozimento de potencial carbono neutro e recozimentoinerte.

23. Método, de acordo com a reivindicação 22,caracterizado por adicionalmente compreender manter umaconcentração do primeiro gás na câmara do reator que sejaabaixo do limite inferior de explosividade/inflamabilidadepara o primeiro gás.

24. Método, de acordo com a reivindicação 17,caracterizado porposicionar o primeiro e segundo eletrodos talque, quando a etapa de geração está sendo realizada, umcampo elétrico seja formado entre os eletrodos, possuindouma força de campo entre 1 kV/cm a 100 kV/cm.