Resumo: O processo de desgaseificação online (unidade de desgaseificação) é estudado e, de acordo com as características de vários tipos de processos e equipamentos de desgaseificação em linha de alumínio e ligas de alumínio comumente utilizados atualmente, o desgaseificador do tipo caixa, o desgaseificador do tipo calha e o desgaseificador a vácuo são descritos em detalhes. As características estruturais e outras características notáveis desses desgaseificadores em linha típicos para alumínio e ligas de alumínio apresentam os novos desenvolvimentos em linha unidade de desgaseificação A tecnologia de desgaseificadores ultrassônicos e a avaliação abrangente desses desgaseificadores em linha típicos para alumínio e ligas de alumínio, bem como suas vantagens e desvantagens na oficina de fundição de alumínio, ajudarão na escolha do processo e do equipamento de desgaseificação adequados para melhorar a qualidade do alumínio e das ligas de alumínio.
Palavras-chave: alumínio fundido; processo de refinamento e desgaseificação em linha; vantagens e desvantagens
Existem muitos fatores que afetam a qualidade do alumínio e de suas ligas; entre eles, o teor de hidrogênio, as inclusões e a concentração de metais alcalinos no alumínio fundido são os mais importantes para a qualidade das ligas de alumínio. Os principais fabricantes e instituições de pesquisa, tanto no país quanto no exterior, têm investido muitos recursos em pesquisas sobre como reduzir o teor de hidrogênio e o teor de inclusões no alumínio fundido, e muitos novos processos e equipamentos surgiram no mercado.
1. Processo de desgaseificação em linha
O processo de desgaseificação online pode ser dividido, de forma geral, em método de injeção de gás, método de refino a vácuo e método de refino por ultrassom. Este artigo enfoca o método de injeção de gás.
1.1 Princípio do método de injeção de gás
O método de injeção de gás, também conhecido como método de flotação, consiste basicamente na formação de inúmeras bolhas minúsculas após a injeção de gás inerte no alumínio fundido. A pressão inicial do hidrogênio na bolha é zero, e há uma diferença de pressão do hidrogênio na interface entre a bolha e o alumínio líquido, de modo que o hidrogênio dissolvido no alumínio líquido é continuamente aspirado para dentro da bolha. Esse processo de sucção ocorre até que a pressão do hidrogênio na bolha e no alumínio líquido se igualem, momento em que cessa. Após as bolhas virem à superfície, o hidrogênio contido nelas se dissipa e é liberado na atmosfera.
O diagrama esquemático do princípio de remoção de hidrogênio é mostrado na Fig. 1.
Além disso, quando as bolhas atravessam a massa fundida, elas encontram as inclusões de óxido presentes nela; essas inclusões são adsorvidas na superfície das bolhas e flutuam até a superfície da massa fundida junto com as bolhas, sendo assim removidas. O diagrama esquemático da remoção das inclusões é mostrado na Fig. 2.
Portanto, o processo de subida das bolhas não só permite a remoção do hidrogênio, alcançando o efeito de desgaseificação, como também permite a remoção de inclusões de oxidação, alcançando o efeito de refinamento.
1.2 Método de alimentação com gás inerte
No método de injeção de gás, a forma de introduzir gás inerte no alumínio fundido exerce grande influência no efeito de desgaseificação e refinamento. Atualmente, existem três métodos comumente utilizados para introduzir gás inerte no alumínio fundido em instalações de fundição, incluindo tubos de desgaseificação, tijolos de ventilação e rotativos unidades de desgaseificação, conforme mostrado na Figura 3.
O método mais simples de injeção de gás consiste em inserir um tubo de refinamento (geralmente um tubo de aço esmaltado) no alumínio fundido e, em seguida, injetar um gás inerte. Esse método de desgaseificação com um único tubo e um único orifício apresenta um efeito de desgaseificação insuficiente. Há também algumas fábricas de fundição que instalam tijolos respiráveis no fundo do forno. O gás inerte passa pelos tijolos porosos, formando múltiplas bolhas. Em comparação com o método de insuflação de orifício único, o efeito de desgaseificação e refinamento do método de insuflação porosa é ligeiramente melhor; os tijolos apresentam desvantagens como fácil entupimento, vazamento de alumínio líquido, dificuldade de manutenção, forte agitação da superfície do líquido e maior formação de escória.
Com o aprofundamento das pesquisas, os métodos de desgaseificação rotativa têm surgido sucessivamente. O princípio básico consiste em pulverizar gás inerte no alumínio fundido por meio de um rotor giratório, a fim de formar um grande número de pequenas bolhas dispersas, realizando assim o tratamento de desgaseificação e refinamento. Para melhorar a eficiência da desgaseificação, o número de bolhas de gás inerte deve ser o maior possível, o diâmetro dessas bolhas deve ser pequeno, o tempo de permanência das bolhas de gás inerte no alumínio fundido deve ser longo e a superfície do alumínio fundido deve ser o mais estável possível.
Para atingir o objetivo acima, cada fabricante de desgaseificadores possui suas próprias características no projeto do rotor/haste rotativa, no revestimento interno da caixa e no método de vedação da caixa, formando assim os diversos tipos de desgaseificadores atualmente disponíveis no mercado. De acordo com o processo de desgaseificação e as características estruturais do desgaseificador, ele pode ser dividido, de maneira geral, em desgaseificador do tipo caixa, desgaseificador do tipo calha, desgaseificador a vácuo e desgaseificador ultrassônico.
De acordo com estatísticas incompletas, 99% dos desgaseificadores online atualmente disponíveis no mercado são desgaseificadores rotativos do tipo caixa. Entre os desgaseificadores do tipo caixa, destacam-se os modelos SNIF e ILDU da PYROTEK (Estados Unidos), os desgaseificadores Reveot da Apogee (Estados Unidos), os desgaseificadores APLUR da Novelis (França), os desgaseificadores Fujiko GBF (Japão) e os desgaseificadores da Mitsui (Japão). O desgaseificador TKR e o desgaseificador 622 da Alcoa (Alcoa) são os mais comuns; o desgaseificador do tipo calha é o modelo ACD mais comum, produzido pela empresa canadense STAS; o desgaseificador a vácuo é o Hycast, produzido pela Hydro. O I-60Sir é o modelo mais comum.
Nos últimos anos, a Southwire Co., Ltd. (Southwire), dos Estados Unidos, desenvolveu recentemente um desgaseificador ultrassônico.
2. On-line unidade de desgaseificação
2.1 Desgaseador de caixa
A estrutura do desgaseificador tipo caixa SNIF, fabricado pela American Pilotec, é mostrada na Figura 4.
O alumínio fundido flui para dentro da caixa de desgaseificação e permanece no revestimento refratário. A caixa possui um aquecedor para manter o alumínio fundido no estado líquido. Depois que o gás inerte é pulverizado pelo rotor giratório, ele é fragmentado em inúmeras pequenas bolhas pela rotação em alta velocidade do rotor, e essas pequenas bolhas se difundem e sobem no líquido de alumínio, removendo assim o hidrogênio. Durante o processo de ascensão das pequenas bolhas, devido ao efeito da tensão superficial, uma parte das inclusões é levada do alumínio fundido para a superfície do líquido, formando uma escória que remove as inclusões do alumínio fundido; ao mesmo tempo, por meio da agitação do rotor, a composição da liga de alumínio líquido torna-se mais uniforme.
A característica mais notável do desgaseificador do tipo caixa é a estrutura composta pelo estator de grafite e pelo rotor de grafite. O estator de grafite não gira no alumínio líquido e atua como uma camada externa de proteção para o conjunto do rotor de grafite. As hastes de grafite e os rotores de grafite são montados juntos para agitar o alumínio líquido. O gás inerte passa pelo espaço entre o estator e a haste de grafite e é injetado no alumínio fundido a partir da borda inferior do estator e da ranhura na borda superior do rotor de grafite. O modo de circulação do alumínio fundido com haste/rotor de grafite do SNIF é mostrado na Fig. 5.
Por meio da força de cisalhamento do rotor de grafite, o alumínio fundido é circulado para baixo, compensando assim a influência da flutuabilidade natural, de modo que as bolhas de ar ejetadas do rotor e do estator sejam injetadas radialmente e dispersas uniformemente no alumínio fundido para alcançar o melhor efeito de desgaseificação e refinamento. Em outra série de desgaseificadores do tipo caixa ILDU produzidos pela americana Parrotec, a característica marcante é a haste/rotor giratório (ver Figura 6).
O material da haste rotativa/rotor é o novo BTS. Atualmente, os materiais utilizados em outros rotores de desgaseificadores são, em geral, grafite, carboneto de silício e nitreto de silício. A grafite é propensa a queimar e oxidar em altas temperaturas (cerca de 750 °C), causando fraturas ou descascamento, contaminando assim o alumínio líquido; o rotor fundido de carboneto de silício não é resistente ao choque térmico e quebra facilmente sob resfriamento rápido e choque térmico; o custo da haste rotativa/rotor de nitreto de silício é muito alto. No entanto, o interior do rotor BST é feito de grafite e o exterior é sinterizado com material refratário, o que supera as deficiências dos três materiais acima mencionados. De acordo com as estatísticas, sua vida útil chega a mais de 1 ano na linha de lingotamento contínuo e laminação.
As vantagens evidentes do desgaseificador do tipo caixa são as seguintes: 1) Aumenta o tempo de permanência das bolhas, melhorando assim o efeito de desgaseificação e refinamento; 2) Mantém a temperatura do alumínio fundido na caixa igual ou superior à temperatura de fundição, reduzindo assim a temperatura do forno de manutenção; 3) Reduz a variação da temperatura de fundição. A desvantagem é que o espaço de instalação necessário para o dispositivo é relativamente grande.
2.2 Desgaseificador do tipo canal
O desgaseificador do tipo calha utiliza o rotor/haste para girar o desgaseificador e aperfeiçoar seu funcionamento. A principal diferença estrutural entre o desgaseificador do tipo calha e o desgaseificador do tipo caixa é que o substrato interno do desgaseificador do tipo calha fica nivelado com o substrato interno da calha na linha de produção de fundição, garantindo assim que o desgaseificador não apresente resíduos de alumínio. O diagrama da estrutura do desgaseificador do tipo calha é mostrado na Fig. 7.
A tampa de vedação e o tanque de desgaseificação do desgaseificador do tipo calha formam um espaço relativamente vedado. Ao iniciar a fundição, o alumínio fundido entra no tanque de desgaseificação por meio de um fluxo submerso. Quando o nível do alumínio líquido no tanque de desgaseificação ultrapassa 200 mm, o rotor começa a agitar o alumínio líquido e injeta gás inerte no alumínio líquido para desgaseificar e refinar o alumínio líquido no tanque de desgaseificação. Em comparação com o desgaseificador tradicional do tipo caixa, o desgaseificador do tipo calha apresenta as vantagens de não deixar resíduos de alumínio e ocupar pouco espaço. Suas desvantagens também são evidentes: devido à menor profundidade do alumínio líquido no desgaseificador tipo calha, o tempo de permanência das bolhas no alumínio líquido é mais curto, de modo que seu efeito de desgaseificação é ligeiramente inferior ao do desgaseificador tipo caixa. Como não há sistema de aquecimento, a temperatura do alumínio fundido diminuirá (geralmente em 10 a 35 °C) ao passar pelo unidade de desgaseificação, o que afetará o processo de fundição subsequente.
A velocidade da haste/rotor de grafite do desgaseificador do tipo calha é muito alta (>1.000 r/min), por isso a vida útil da haste/rotor de grafite é curta e há maior produção de escória. Como as bolhas permanecem no alumínio fundido por um curto período, o que afeta o efeito de desgaseificação, o operador geralmente neutraliza esse efeito adverso aumentando a vazão do gás inerte, o que leva a um grande consumo desse gás.
(filtro cerâmico poroso)
2.3 Desgaseificador a vácuo
A estrutura do desgaseificador a vácuo é semelhante à do desgaseificador do tipo calha, que se divide em duas partes: a unidade de desgaseificação e a câmara de desgaseificação a vácuo (ver Figura 8).
A câmara de desgaseificação a vácuo pode ser dividida em câmara única, câmara dupla e câmara múltipla, de acordo com a vazão do alumínio líquido. A diferença entre os desgaseificadores do tipo caixa e do tipo calha é que o rotor de grafite do desgaseificador a vácuo está instalado na parte inferior da câmara de desgaseificação. A parte inferior da câmara de desgaseificação possui ranhuras para que a câmara de desgaseificação a vácuo se comunique com a unidade de desgaseificação (ver Figura 9). Quando o alumínio fundido flui através da unidade de desgaseificação, a câmara de desgaseificação forma uma pressão negativa sob a ação de uma bomba de vácuo ou outros métodos, aumentando assim o nível do alumínio líquido na câmara de desgaseificação a vácuo. Depois que o nível do alumínio líquido atinge uma determinada altura, o rotor de grafite começa a girar e injeta gás inerte para desgaseificar e refinar o alumínio líquido. Quando a desgaseificação termina, a pressão negativa na câmara de vácuo é liberada, e o nível do alumínio líquido na câmara de vácuo cai até ficar igual ao nível da unidade de desgaseificação.
O desgaseificador a vácuo apresenta as vantagens de não deixar resíduos de alumínio e de ocupar pouco espaço. Além disso, como o alumínio líquido é desgaseificado e agitado em condições de vácuo, há menos óxidos e o alumínio líquido fica relativamente limpo. Desvantagens do desgaseificador a vácuo: 1) Altos requisitos quanto à limpeza do alumínio líquido; 2) Como o rotor de grafite está instalado na parte inferior e há mais escória no fundo do alumínio líquido, o rotor de grafite está sujeito a desgaste. Atualmente, os desgaseificadores a vácuo não são amplamente utilizados no mercado.
2.4 Desgaseificador ultrassônico
O desgaseificador ultrassônico é um novo tipo de desgaseificador desenvolvido com sucesso pela South Line Co., Ltd. nos Estados Unidos. O desgaseificador ultrassônico difere do desgaseificador tradicional com rotor giratório; sua estrutura inclui um transmissor ultrassônico e uma sonda ultrassônica (ver Figura 10).
