BR112020009777A2 - refrigeradores de placas de penetração única, resistentes ao desgaste - Google Patents

Abstract

Todo o peso de um refrigerador de placas (stave coolers) de ferro fundido ou cobre fundido é suportado dentro de uma carcaça de contenção do forno por um único colar de aço impermeável a gás na parte traseira. Toda a tubulação de refrigerante em cada refrigerador tem todas as conexões externas coletadas e encaminhadas juntas através do único colar de aço. Uma barreira de proteção contra o desgaste é disposta na face quente. Essa é limitada a incluir pelo menos uma das fileiras horizontais de nervuras e canais que retêm inserções metálicas ou tijolos refratários, ou bolsas que auxiliam na retenção de cimento fundido e / ou acúmulos congelados no lugar de uma massa fundida, ou uma aplicação de uma área de revestimento contra desgaste que é soldada no padrão de cordões, entrelaces ou escamas.

Description

“REFRIGERADORES DE PLACAS DE PENETRAÇÃO ÚNICA, RESISTENTES AO DESGASTE” Campo da Invenção

[0001] A presente invenção refere-se a refrigeradores de placas (“stave coolers”) para fornos circulares com carcaças de contenção de aço, e mais particularmente a refrigeradores de placas de ferro fundido e de cobre fundido com uma única penetração necessária de uma carcaça de contenção de aço para acomodar um colar de aço que suporte inteiramente o peso do refrigerador de placas dentro de fornos de fundição, e que passe através de todas as entradas e saídas de tubulação em um grupo para refrigeração de líquidos. O objetivo de construir os colares de aço dessa forma é fornecer uma correspondência de coeficientes de expansão em uma única penetração, usando ligas semelhantes para minimizar tensões e evitar problemas de ligação e fragilização com as soldas de conexão às carcaças de contenção. Fundamentos da Invenção

[0002] Aço e metais não ferrosos estão sendo fundidos em todo o mundo em fornos circulares com carcaças de aço. Alguns deles empregam refrigeradores de placas do tipo painel que revestem completamente as paredes internas para refrigerar os tijolos refratários montados em suas faces quentes. Suas ações individuais de refrigeração são realizadas por refrigerantes líquidos que circulam dentro de cada refrigerador de placas com tubulações que passam através das penetrações das carcaças de contenção de aço para acessar um trocador de calor externo. Cada penetração na carcaça de contenção de aço requer soldas e vedações confiáveis para manter os gases de processo perigosos dentro do forno e longe da equipe de operação.

[0003] Taxas de produção superiores a três toneladas de metal quente por metro cúbico de volume de trabalho por dia estão sendo atingidas nos modernos altos- fornos. Isso foi possível usando materiais de carga aprimorados, melhores técnicas de distribuição de carga, controles mais rigorosos de processo, temperaturas de sopro a quente muito altas, tecnologia de enriquecimento de oxigênio, injeção de carvão pulverizado, e enriquecimento de combustível de gás natural. Tudo isso resulta em cargas médias de calor e flutuações muito mais altas que ocorrem nos refrigeradores de placas montados dentro das carcaças de contenção de aço dos altos-fornos atuais.

[0004] Siderúrgicas integradas usam altos-fornos para se suprirem de gusa que elas usam para fabricar o aço. Os grandes ganhos obtidos na produtividade do forno também impuseram uma demanda esmagadora às capacidades do sistema de refrigeração. Os refrigeradores de placas refrigerados com líquido em altos-fornos desenvolvidos pela primeira vez no final dos anos 60 se tornaram inadequados. Os refrigeradores de placas de cobre de alta condutividade são necessários desde o final da década de 70, porque são mais capazes de lidar com os intensos processos de aquecimento que agora estão sendo gerados em fornos de alta tensão atuais. Os refrigeradores de placas de cobre também se mostraram capazes de fornecer vidas úteis de campanha em fornos que agora ultrapassam quinze anos.

[0005] Os níveis médios de carga térmica aos quais um refrigerador de placas estará sujeito dependem de onde ele será posicionado dentro de um alto-forno e de como o forno é operado. Ver a Figura 1. As placas (“staves”) de ferro fundido ainda podem ser usadas com sucesso nas zonas de média cuba e cuba superior de menos demanda dos altos-fornos, mas as cargas de calor médias muito mais altas abaixo na baixa cuba, ventre, rampa, ventaneiras e cadinho exigem o uso de placas de cobre com maior desempenho, mas mais dispendiosas.

[0006] As placas de ferro fundido são menos eficientes na refrigeração do que as placas de cobre, porque o metal ferro fundido tem condutividade térmica relativamente mais baixa. Sua resistência térmica inerente permite que o calor se acumule muito alto se muita carga for apresentada. A má ligação interna pode aumentar desnecessariamente a resistência térmica geral. Caso contrário, trincas se desenvolvem no ferro fundido e podem se propagar para as próprias tubulações de aço. As placas de ferro fundido têm uma camada de desprendimento que adiciona uma barreira térmica entre os refrigerantes que circulam em suas tubulações internas de refrigeração com água e as faces quentes do corpo da placa de ferro fundido. Ambos os efeitos conspiram na redução das capacidades gerais de transferência de calor das placas de ferro fundido.

[0007] Tais ineficiências no desempenho da transferência de calor da placa de ferro fundido podem sobrecarregar as placas de ferro fundido quando a temperatura da superfície quente sobe acima de 700° C. As deformações térmicas são difíceis de evitar. Os corpos das placas de ferro fundido também podem sofrer transformações de fase-volume quando operados em temperaturas muito elevadas. Trincas por fadiga, fragmentação de material do corpo da placa, e tubulações de refrigeração expostas diretamente ao calor do forno são falhas comuns. Os refrigeradores de placas também podem ser usados em vasos de redução para a produção de ferro- esponja (DRI).

[0008] Um refrigerador de placas é descrito por Todd Smith no Pedido de Patente publicado nos Estados Unidos US-2015-0377554-A1, publicado em 31/12/2015. O resumo cita

[0009] Uma placa compreendendo um alojamento externo, um circuito de tubulação interna compreendendo tubulações individuais alojadas dentro do alojamento externo, onde cada um das tubulações individuais tem uma extremidade de entrada e uma extremidade de saída e onde cada tubulação pode ou não ser mecanicamente conectado a outra tubulação, e um distribuidor, integrado ou disposto sobre ou no alojamento; onde as extremidades de entrada e / ou de saída de cada tubulação individual são dispostas ou alojadas pelo distribuidor. O distribuidor pode ser feito de aço carbono, enquanto o alojamento pode ser feito de cobre.

[0010] Todd Smith acrescenta ainda: “Cada uma das extremidades de entrada e de saída de cada tubulação individual pode ser circundada em parte por cobre fundido dentro de um alojamento do distribuidor”.

[0011] Quando os refrigeradores de placas refrigerados com líquido são dispostos dentro das carcaças de contenção de aço dos fornos de fundição, cada conexão de líquido refrigerante convencional deve ter uma janela de penetração ou de acesso correspondente na carcaça de modo a completar as conexões de mangueira externas. E, convencionalmente, cada refrigerador de placas deve ser aparafusado ou, de outra forma, fixado mecanicamente à carcaça de contenção de aço para fornecer suporte vertical a si mesmo e ao revestimento de tijolos refratários que ele suporta e resfria em sua face quente.

[0012] A fundição a quente no interior dos fornos produz gases de processo muito quentes, tóxicos e frequentemente inflamáveis, que encontrarão caminhos de escape entre os tijolos refratários e entre os resfriadores de placas e através de quaisquer aberturas na carcaça de contenção. Portanto, esses pontos de penetração devem ter boas vedações de gás. Uma penetração é mais fácil de vedar e manter vedada do que várias. Enquanto dois ou mais pontos fixos levarão a tensões mecânicas induzidas termicamente.

[0013] Mas como os refrigeradores de placas, as carcaças de contenção e os tijolos refratários estão todos sujeitos a forças de expansão térmica, as vedações de gás podem ser comprometidas ao longo dos anos de campanha, sendo constantemente trabalhadas em vai e vem. Os refrigeradores de placas como os descritos por Todd Smith, têm muitos circuitos independentes de tubulação de refrigerante no seu interior, e cada um produz pares de extremidades de conexão de líquido refrigerante que devem ser passadas por trás e através da carcaça de contenção.

[0014] Todd Smith descreve um “distribuidor” que pode ser feito de aço carbono na parte traseira de um alojamento que pode ser feito de cobre. Ele ressalta que sua placa 100 facilita a instalação, uma vez que reduz o número de orifícios ou aberturas de acesso necessários na carcaça do forno 51 necessários para a tubulação de entrada / saída 108 para e a partir 100 através da carcaça do forno 51. E ele cita, no parágrafo [0094], que a placa 100 é de construção muito forte para fornecer grande parte do suporte necessário para a instalação da placa 100 na carcaça do forno 51. Os efeitos da expansão / contração da placa devido a mudanças de temperatura no forno são minimizados, pois as conexões de tubulações individuais com a carcaça do forno foram eliminadas. E a placa 100 reduz as brechas de solda nas conexões de tubulações com a carcaça do forno 51, uma vez que essas conexões foram eliminadas. Todd Smith cita ainda que sua placa 100 reduz a importância / criticidade de quaisquer parafusos de suporte necessários para ajudar a suportar a placa 100 na carcaça do forno 51, uma vez que esses parafusos não são mais confiáveis para suportar independentemente a placa 100, pois o distribuidor 106 carrega grande parte da carga necessária para suportar a placa 100 na carcaça do forno 51.

[0015] É necessário na indústria um refrigerador de placas que tenha um pescoço de anteparo passante único, sempre com colar de um aço apropriado, para controlar o processo de vedação e contenção de gás. Toda a tubulação de líquido refrigerante de todos os circuitos de líquido refrigerante dentro de um único corpo retangular de cobre deve passar através de um único grupo impermeável para conectar-se externamente fora da carcaça de contenção de aço. Isso minimiza os efeitos adversos da expansão e da contração térmica para níveis gerenciáveis. Agrupar firmemente as conexões de tubulação individuais através da carcaça do forno limita as forças de deterioração no trabalho.

[0016] Para esse fim, os refrigeradores de placas devem depender inteiramente de seu suporte mecânico vertical com uma única suspensão do anteparo passante em uma única penetração correspondente da carcaça de contenção. O transporte de apenas “grande parte da carga” deixa a porta aberta para mais de uma penetração da carcaça de contenção de aço por refrigerador de placas. Os dois trabalhos de suportar o peso do refrigerador de placas e de conectar toda a tubulação de líquido refrigerante devem sempre ser compartilhados em um único pescoço de anteparo passante. Sumário da Invenção

[0017] Resumidamente, as modalidades de refrigerador de placas de ferro fundido e de cobre fundido da presente invenção têm todo o peso do refrigerador de placas suportado dentro de uma carcaça de contenção do forno por um único colar de aço impermeável a gás na parte traseira. Toda a tubulação de líquido refrigerante em cada refrigerador tem todas as conexões externas coletadas e encaminhadas juntas através do único colar de aço. Uma barreira de proteção contra o desgaste é colocada na face quente. Essa é limitada a incluir pelo menos uma das fileiras horizontais de nervuras e canais que retêm inserções metálicas ou tijolos refratários, ou bolsas que auxiliam na retenção de cimento fundido e / ou acúmulos congelados no lugar por uma massa fundida, ou uma aplicação de uma área de revestimento contra desgaste soldada em padrões de cordões, entrelaces ou escamas.

Breve Descrição dos Desenhos

[0018] A Figura 1 é um diagrama de vista transversal de uma modalidade de forno de conversão ou fundição de metal verticalmente orientado da presente invenção com uma carcaça de contenção de aço que tem apenas uma penetração por refrigerador de placas para circulação de líquido refrigerante.

[0019] A Figura 2 é um diagrama de vista transversal de uma seção intermediária de um forno como o da Figura 1, e representa a maneira como as modalidades de refrigerador de placas da presente invenção vedam o escape de gases de processo com soldas de aço / aço em torno dos colares de aço nos pescoços protuberantes, e têm cimento refratário moldável acondicionado atrás deles. Os tijolos são inseridos em ranhuras afuniladas. Quando bolsas são fornecidas, elas são preenchidas com cimento refratário moldável ou aríete. A carcaça de contenção de aço é penetrada apenas uma vez por refrigerador de placas, e todas as tubulações para circulação de líquido refrigerante são reunidas em um único grupo para passar através dos pescoços protuberantes dentro de seus respectivos colares de aço.

[0020] As Figuras 3A a 3C são diagramas de vista de face fria, lateral e borda inferior de uma modalidade de refrigerador de placas da presente invenção.

[0021] A Figura 4 é um diagrama transversal de um molde de fundição de cobre útil na fabricação dos refrigeradores de placas das Figuras 1, 2, 3A, 3B e 3C.

[0022] A Figura 5 é um diagrama de vista em perspectiva de uma modalidade de refrigerador de placas da presente invenção como o das Figuras 1, 2 e 3A-3C.

[0023] A Figura 6 é uma vista em perspectiva e um diagrama em corte de uma modalidade de refrigerador de placas da presente invenção como o das Figuras 1, 2 e 3A a 3C montado e soldado dentro de uma carcaça de contenção de aço.

[0024] A Figura 7 é um diagrama de blocos funcional em uma vista do tipo esquemático de uma modalidade de sistema de refrigeração da presente invenção que é intrinsecamente segura contra explosão de vapor expandido por líquido em ebulição (BLEVE) de qualquer de seu líquido refrigerante à base de água escape ou vaze para um forno pirometalúrgico.

[0025] A Figura 8 é um diagrama de vista transversal de uma modalidade de refrigerador de placas da presente invenção pendurado dentro de uma carcaça de contenção de aço. Esta vista detalha a localização de um “solda especial” que une partes de aço carbono e de aço inoxidável (ou liga de níquel) de uma modalidade de colar de aço da presente invenção.

[0026] A Figura 9A é um diagrama de vista planificada de uma face quente de um refrigerador de placas equipado com bolsas e sobreposições de soldagem de revestimento contra desgaste.

[0027] A Figura 9B é uma vista transversal de uma bolsa da Figura 9A tomada ao longo da linha 9B-9B. Descrição Detalhada da Invenção

[0028] Os fornos de fundição de ferro operam em ambientes altamente redutores e produzem níveis perigosos de gás monóxido de carbono (CO) tóxico e altamente inflamável. O monóxido de carbono é um gás incolor, inodoro e insípido, que é ligeiramente menos denso do que o ar. Ele é tóxico para animais hemoglóbicos quando encontrado em concentrações acima de cerca de 35 ppm. O monóxido de carbono é produzido a partir da oxidação parcial de compostos contendo carbono. Ele se forma quando não há oxigênio suficiente para produzir dióxido de carbono (CO 2), tal como na fundição de ferro. Na presença de concentrações atmosféricas de oxigênio, o monóxido de carbono queima com uma chama azul invisível, produzindo dióxido de carbono.

[0029] Portanto, é muito importante controlar e impedir gases de processo errantes de monóxido de carbono de atravessarem espaços entre refrigeradores de placas, trincas no cimento refratário moldável, e vedações soldadas nas carcaças de contenção de aço nas conexões de líquido refrigerante e nos fixadores de suporte de placas.

[0030] O cobre é altamente preferencial em relação ao ferro fundido para refrigeradores de placas porque a condutividade térmica do cobre é muito melhor do que a do ferro fundido. Mas o cobre é relativamente mole e de fácil abrasão, em comparação com o ferro fundido. A agitação e a movimentação do “coque” dentro de um forno são altamente abrasivas para as paredes, especialmente nas partes superiores. Os refrigeradores de placas de cobre devem, portanto, ter algum tipo de revestimento resistente à abrasão incorporado em suas faces quentes para que eles sobrevivam em uma campanha que se estende por dez anos ou mais.

[0031] A Figura 1 representa um alto-forno típico 100 no qual várias modalidades de refrigerador de placas da presente invenção foram instaladas dentro de uma carcaça de contenção de aço. A Figura 6 mostra a nova maneira como eles se montam em detalhes.

[0032] Na fundição de redução, o minério é reduzido pelo carbono na presença de fluxo para produzir metal fundido e escória. O carvão é usado em vez do coque em vasos de redução que produzem DRI. O alto-forno típico 100 inclui uma carcaça de contenção de aço 102 com várias zonas essenciais de operação no interior: uma cuba 104, um ventre 106, uma rampa 108, um nível de ventaneiras 110 e um cadinho 112. As temperaturas médias de operação são muito mais severas na baixa cuba 104 e abaixo e, portanto, a demanda de carga de calor é maior em seus refrigeradores de placas, em comparação com a da média cuba 104 e acima.

[0033] Uma modalidade de refrigerador de placas do tipo ferro fundido, refrigerado com líquido, da presente invenção é, portanto, usada na média cuba 104 e acima. Tais refrigeradores de placas de ferro fundido são aqui referidos pelo número de referência geral 114. O material de ferro fundido oferece resistência à abrasão superior, mas não é tão termicamente condutor quanto o cobre. Sua resistência térmica inerente é problemática e as placas de ferro são propensas a trincas.

[0034] Uma modalidade de refrigerador de placas do tipo cobre fundido da presente invenção é, portanto, usada na baixa cuba 104 e abaixo. Tais refrigeradores de placas de cobre fundido são aqui referidos pelo número de referência geral 116. O material de cobre de alta qualidade oferece condutividade térmica superior, mas é facilmente desgastado pela agitação e movimentação dos materiais no interior do forno e, portanto, deve incluir um revestimento resistente à abrasão incorporado em toda a área de superfície externa das faces quentes de cada refrigerador de placas de cobre fundido.

[0035] A Figura 2 representa uma seção de um forno de fundição de ferro 200 em uma modalidade da presente invenção que usa ou refrigeradores de placas de ferro fundido 114 (Figura 1), ou refrigeradores de placas de cobre fundido 116. Neste exemplo, a parte interna de uma carcaça de contenção de aço 202 é revestida com refrigeradores de placas de cobre 204. Cada um deles tem uma única protusão 206, e cada tal protusão 206 é encamisada em um colar de soldagem de aço / aço 208.

[0036] Uma solda anular completa de aço / aço 210 assegura a montagem de cada refrigerador de placas de cobre 204 e evita o escape descontrolado de gases de processo 212. Um cimento refratário moldável 214 é empacotado atrás de cada refrigerador de placas de cobre 204, em frente às paredes internas da carcaça de contenção de aço 202, para impedir ainda mais qualquer escape descontrolado de gases de processo 212.

[0037] Os refrigeradores de placas de cobre fundido exigem uma face ou camada resistente à abrasão incorporada às suas faces quentes para que a vida útil de campanha exceda dez anos. Os refrigeradores de placas de ferro fundido não o fazem porque o próprio ferro fundido é muito resistente ao desgaste.

[0038] As faces quentes dos refrigeradores de placas de cobre 204 podem, portanto, ser acabadas de várias maneiras diferentes para acomodar materiais para limitar a erosão causada por abrasão de agitação dentro de um coque típico de forno de fundição 218.

[0039] Uma técnica convencional consiste em ranhurar horizontalmente as faces quentes para reter fileiras de tijolos refratários, cimento refratário moldável, ou mesmo inserções de metal de ferro fundido. Em modalidades alternativas, as faces quentes incluem uma cobertura de solda ou revestimento de pulverização de metal ou cerâmica resistente à abrasão, por exemplo, níquel e cromo para a cobertura de solda e revestimentos de pulverização de metal. O dióxido de silício é útil para os revestimentos de pulverização de cerâmica.

[0040] Uma outra opção que aumentará a resistência à abrasão envolve a usinagem de ranhuras verticais ou horizontais nas faces quentes para posterior inserção de inserções de metal correspondentes durante a instalação.

[0041] A Figura 2 simplificou uma gama de possíveis tipos de faces resistentes à abrasão, mostrando fileiras de tijolos refratários 216 inseridos em ranhuras horizontais nas faces quentes. Tais tijolos normalmente continuariam cobrindo os bordos de cobre das ranhuras. Alternativamente, todas as faces quentes dos refrigeradores de placas podem ter sulcos ou bolsos profundos para reter melhor o cimento refratário moldável, em vez de ranhuras ou fendas.

[0042] O coque 218 do forno de fundição formará de maneira útil uma camada de acúmulo 220 à medida que esfria nas faces quentes dos refrigeradores de placas de cobre 204. Esse acúmulo inclui gases condensados, escória e metal. Uma disposição interna das tubulações de líquido refrigerante 222 dentro dos refrigeradores de placas de cobre 204 é que são todas encaminhadas em um único grupo para conexão externa com mangueiras 224 fora da carcaça de contenção de aço 202. Todas elas devem passar através da única protrusão 206 de seu respectivo refrigerador de placas

204.

[0043] O tipo convencional de bloco de tarugo perfurado da fabricação de refrigerador de placas não é uma modalidade alternativa prática da presente invenção porque é necessária muita perfuração e entupimento para que todas as passagens internas de refrigerante iniciem e terminem em um único grupo dentro da única protusão 206 (dentro do colar de soldagem aço / aço 208).

[0044] Os fornos de fundição de ferro que usam refrigeradores de placas de cobre refrigerados com líquido dentro de suas carcaças de contenção de aço podem vazar gás monóxido de carbono (CO) através de qualquer uma das muitas penetrações na carcaça de contenção fornecidas para as conexões do líquido refrigerante. Todas essas penetrações precisam ser vedadas, e as vedações devem permanecer firmes durante a vida útil de campanha do forno. O gás monóxido de carbono é muito tóxico, inodoro, incolor e pode queimar muito quente no ar comum com uma chama invisível. É por isso que é tão perigoso. Modalidades que exigem a soldagem de um colar de aço em um tarugo perfurado não são preferenciais devido a uma alta probabilidade inerente de falha na solda.

[0045] Em uma modalidade de um refrigerador de placas refrigerado com líquido da presente invenção para fornos de fundição com carcaças de contenção de aço, um corpo de placa de cobre sólido é fundido em uma forma achatada e retangular. Eles também podem ser ligeiramente curvos para se ajustarem melhor a fornos verticais, cilíndricos e redondos. Esses refrigeradores de placas geralmente têm cerca de 2,5 metros de altura, 1,0 metro de largura, e 120 mm de espessura. Portanto, em geral, as modalidades como refrigeradores de placas refrigerados com líquido 114, 116 e 204 são substancialmente mais altas do que largas, e são substancialmente mais largas do que espessas.

[0046] As Figuras 3A a 3C representam uma placa de refrigerador de cobre fundido 300 em uma modalidade típica da presente invenção. Todos os cantos e bordas são acabados para serem atenuados e arredondados. (Bordas afiadas concentram adversamente tensões mecânicas no cimento refratário moldável). Um corpo de cobre 302 é fundido sobre circuitos independentes preformados e pré- moldados da tubulação de refrigerante 304 e 306. Um único pescoço protuberante 308 é envolvido completamente por um colar de aço 310.

[0047] O colar de aço 310, a protrusão de pescoço de cobre 308, e o corpo de cobre 302 não se ligam muito bem em uma solda de aço / cobre. É necessário um acoplamento muito mais seguro e impermeável a gás. Assim, o colar de aço 310 é de preferência incorporado no cobre do pescoço 308 e no corpo 302 durante a fundição. Ver a Figura 4. Para fins de fundição, o colar de aço 310 pode ser fabricado em duas partes. Uma primeira parte, por exemplo, de aço inoxidável, fundida à placa de cobre e, em seguida, a segunda parte, por exemplo, aço carbono, somente acoplada à primeira parte por solda especial após a finalização da fundição.

[0048] O peso inteiro desses refrigeradores de placas de cobre suporta inteiramente seus colores de aço 310 e, portanto, os dois nunca devem se separar, mesmo com essa carga. A extremidade embutida do colar de aço 310 pode ser vantajosamente fabricada para ter suas bordas resultando em um alargamento para “travar” mecanicamente na carcaça de cobre. As âncoras 813 (Figura 8) também podem ser adicionadas aos colares de aço para aumentar o travamento mecânico com o cobre.

[0049] Voltando agora ao problema de vedar os pescoços 308 às suas penetrações correspondentes nas carcaças de contenção de aço, nem os refrigeradores de placas de ferro fundido nem os de cobre fundido soldariam muito bem diretamente, sem o colar de aço 310, por causa de suas respectivas dissimilaridades de metal, por exemplo, ferro fundido com aço ou cobre fundido com aço. Porém, boas soldas impermeáveis a gás fora da carcaça de contenção são obrigatórias para impedir a fuga de gases de processo errantes e para suportar e segurar mecanicamente o refrigerador de placas na carcaça de contenção.

[0050] E assim, qualquer parte dos refrigeradores de placas que passa através das carcaças de contenção de aço 102, 202 deve ser “adaptada” para ser capaz de ter essa parte soldada à carcaça de contenção de aço.

[0051] O cobre no pescoço 308 é uma parte contínua da fundição de cobre do corpo 302. Tal fundição de cobre no pescoço 308 pode não preencher completamente os espaços dentro da extremidade distal do colar de aço 310. E, portanto, esses espaços restantes podem ser recheados com um material de empacotamento para impedir quaisquer gases de processo desviados de que chegam dentro do pescoço

308.

[0052] As Figuras 3A a 3C têm como objetivo ilustrar que todos os circuitos independentes da tubulação de refrigerante em um refrigerador de placas devem ser agrupados e terminar apenas dentro do pescoço 308. Esses circuitos independentes são então conectáveis externamente, por exemplo, com mangueiras de refrigerante flexíveis 224 (Figura 2), fora do carcaça de contenção de aço 202.

[0053] A localização e a orientação do pescoço 308 na face fria do corpo 302 são críticas. Este ponto fornece todo o suporte vertical do peso inteiro do refrigerador de placas 300 no interior da carcaça de contenção 102, 202. O refrigerador de placas 300 deve se pendurar sozinho, como uma moldura de imagem em um único gancho em uma parede, como na Figura 3A. No entanto, em relação à Figura 3B, pode ser necessário que o fundo se incline para dentro ou para fora em direção ao interior da carcaça de contenção 102, 202, em relação ao topo, a fim de seguir o perfil interno e os contornos do forno.

[0054] Vários parafusos ou suportes podem ser dispostos na face fria para acoplamento ou afastamento da carcaça de contenção de aço. Eles podem ajudar a definir qualquer inclinação superior ou inferior para a frente do refrigerador de placas refrigerado com líquido, necessário para se afastar de sua configuração suspensa em linha reta e vertical com relação à Figura 3B.

[0055] O refrigerador de placas 300, como visto na Figura 3A, ficará suspenso mais reto se o pescoço 308 estiver disposto próximo à borda superior e se estender sobre uma linha média lateral imaginária. Se a construção do refrigerador de placas 300 for simétrica em torno dessa linha média lateral imaginária, seu centro de gravidade (COG) será dividido em duas partes.

[0056] O pescoço 308 e o colar de aço 310 são mostrados nas Figuras 3A a 3C quase quadrados com cantos arredondados. Mas eles também podem ser configurados na forma de uma “lata” cilíndrica. As penetrações correspondentes fornecidas nas carcaças de contenção de aço 102, 202, teriam, obviamente, que ser redondas ou ovais. Métodos especiais de fundição e fabricação podem ser necessários para construir refrigeradores de placas fundidos de cobre 300.

[0057] A Figura 4 representa um método 400 para fundição e fabricação, por exemplo, de refrigeradores de placas fundidos de cobre 300. Os métodos de fundição de cobre são antigos e bem conhecidos. Portanto, muitos dos detalhes convencionais da fundição de cobre não precisam ser descritos aqui.

[0058] Um molde 402 é aberto para receber uma rede 404 de tubulações e conexões preformados e pré-moldados. Um colar de solda de aço / aço 406 é preposicionado dentro do topo do molde 402, e fecha as extremidades de acoplamento da rede de tubulações 404.

[0059] O molde 402 é posicionado plano e nivelado com o colar de solda de aço / aço 406 apontando para cima e sobressaindo-se do molde. Deseja-se que um fluxo líquido derretido de cobre 408 suba suave e uniformemente de baixo do centro. A alimentação pelas bordas promoveria um encolhimento unilateral. O derramamento sobe para dentro e ao redor para embeber o colar de solda de aço / aço 406 e completamente imergir e unir-se à rede de tubulações 404. O derramamento é continuado até um nível específico 410 e, em seguida, o conjunto é permitido esfriar lentamente e solidificar.

[0060] Uma formação cristalina pura do cobre durante a fundição não é preferencial porque essas fundições de cobre não se ligam bem à tubulação de refrigerante. Um cobre de grão pequeno é o melhor, mas não às custas das medidas de controle de qualidade da condutividade elétrica que caem abaixo de um mínimo de 80% do Padrão Internacional para Cobre Recozido (IACS). (A condutividade térmica rastreia a condutividade elétrica, e a condutividade elétrica é simples e fácil de medir na fabricação).

[0061] O melhor desempenho sob altas cargas de calor médio no uso de refrigeradores de placas em fornos de fundição exige um equilíbrio de fatores como calor de metal fundido, taxa de refrigeração após o derramamento, ligas adicionadas para melhorar a resistência e controlar os tamanhos dos grãos, desoxidantes, ligação otimizada de tubulações com a fundição, e não cair abaixo de uma condutividade elétrica de 80% IACS, de modo que a condutividade térmica estará relativamente livre da resistência térmica e dos gradientes que afetam o ferro fundido.

[0062] Um espaço aberto 412 pode ser deliberadamente deixado dentro do colar de solda de aço / aço 406.

[0063] Os colares de solda de aço / aço aqui citados devem ter uma vedação firme com os pescoços protuberantes (para evitar o escape de gases de processo errantes). Uma maneira prática de construir esses colares de solda de aço / aço é usar um comprimento de tubo de aço estrutural com cantos arredondados e sem emendas ou soldas. Tubulação redonda de amplo diâmetro também é possível. De preferência, o aço utilizado na tubulação de aço estrutural compreende um tipo de aço que tem um coeficiente de expansão térmica que corresponde ao coeficiente de expansão térmica do aço do qual a carcaça de contenção de aço é composta.

[0064] A fundição de cobre dentro de um colar de solda aço / aço de aço carbono pode não resultar em uma junta limpa entre os dois. Pode ser melhor usar uma liga de aço inoxidável ou níquel aqui para o colar, se isso for um problema. O nível de cobre fundido líquido que é inundado no colar de solda de aço / aço a partir de baixo durante a fundição pode ser limitado ao preenchimento apenas da metade inferior. O interior da metade superior pode ser preenchido posteriormente com um empacotamento adequado para evitar o escape de gases de processo errantes.

[0065] Cada modalidade de refrigerador de placas refrigerado com líquido inclui pelo menos dois circuitos independentes de tubulação de refrigerante, todos dispostos como malhas planas em uma única camada comum. Uma malha geralmente pode ser colocada dentro de outra malha. Todos esses circuitos independentes de tubulação de refrigerante são dispostos dentro dos corpos de placa de cobre sólidos para serem uniformes, paralelos e próximos ao interior das faces quentes.

[0066] Cada extremidade de cada circuito independente da tubulação de refrigerante é reunida em um único grupo dentro e através do pescoço protuberante e dentro do colar de solda de aço / aço. As âncoras 813 (Figura 8) adicionadas aos colares de aço ajudariam a aumentar qualquer travamento mecânico com o cobre fundido. Esse requisito frustrará a perfuração nos métodos de tarugos, porque são necessários muitos plugues para que eles sejam práticos.

[0067] Em geral, um refrigerador de placas refrigerado com líquido para fornos de fundição com carcaças de contenção de aço compreende uma única fundição de cobre de um corpo de placa de formato retangular com uma borda superior, uma borda inferior, bordas laterais esquerda e direita, uma face quente, e uma face fria. Cada corpo de placa é substancialmente mais alto do que largo, e é substancialmente mais largo do que espesso. Cada placa pode ser reta ou curva em vista planificada, ou reta, dobrada ou curva quando vista de lado. As placas estão configuradas para serem cimentadas no interior de uma carcaça de contenção de aço de um forno de fundição, por exemplo, para vedar o escape de gases de processo.

[0068] Há pelo menos dois circuitos independentes de tubulação de refrigerante, todos fundidos no corpo de placa como malhas planas em uma única camada e dispostos para serem uniformes, paralelos e próximos ao interior da face quente.

[0069] Um revestimento resistente à abrasão é frequentemente incorporado em toda a área de superfície externa da face quente dos refrigeradores de placas de cobre. É necessário um material de proteção com maior resistência à abrasão que o cobre para agitar e movimentar o material dentro de um forno. Ele é colocado para proteger ambientalmente a fundição de cobre do corpo de placa. Se um refrigerador de placas de cobre não estiver protegido com uma face resistente à abrasão, o refrigerador de placas de cobre deve ser suficientemente refrigerado com líquido para sempre resfriar e manter para si uma camada de proteção de acúmulo congelado em sua face quente.

[0070] As modalidades de refrigerador de placas de cobre da presente invenção, portanto, invariavelmente terão um único pescoço alongado protuberante da única carcaça de cobre, disposto proximal ao meio da borda superior e na face fria do corpo de placa. Ele é configurado para suportar verticalmente todo o peso do refrigerador de placas refrigerado com líquido dentro da carcaça de contenção de aço a partir de uma única penetração. Um colar de solda de aço / aço envolve completamente a extremidade do pescoço alongado protuberante. Ele compreende preferencialmente um material pré-fabricado semelhante à tubulação de aço estrutural tendo cantos arredondados e sem emendas ou soldas.

[0071] Cada modalidade de refrigerador de placas da presente invenção sempre terá um colar de solda de aço / aço feito de um tipo de aço com um coeficiente de expansão térmica que corresponde substancialmente ao coeficiente de expansão térmica do tipo de aço do qual uma carcaça de contenção de aço é composta. Cada extremidade de cada circuito independente da tubulação de refrigerante é rotacionada em conjunto em um único grupo dentro e através do pescoço alongado protuberante envolvido pelo colar de solda de aço / aço.

[0072] Algumas modalidades de refrigerador de placas da presente invenção incluirão uma face resistente à abrasão incorporada em toda a área da superfície da face quente, podendo incluir várias ranhuras horizontais e paralelas fundidas no corpo da placa de cobre sólida para reter um tijolo refratário, cimento refratário moldável, e inserções de metal.

[0073] Essas faces resistentes à abrasão podem incluir, alternativamente, um padrão de grade de bolsas de superfície retangulares profundas ou cavidades fundidas no corpo da placa de cobre sólida para reter cimento refratário moldável.

[0074] Qualquer face resistente à abrasão incorporada em toda a área superficial de uma face quente pode ainda incluir, alternativamente, uma camada depositada de metal de solda no material de cobre.

[0075] A inclinação correta e a deformação angular de refrigeradores de placas pesados dentro das vedações de contenção em cimento refratário moldável por via úmida durante a construção podem ser auxiliadas colocando-se uma série de pinos ou parafusos em suas partes traseiras como espaçadores para a carcaça de contenção de aço. O material refratário moldável é colocado após os refrigeradores de placas serem instalados, e esses dispositivos podem manter uma descentralização e uma inclinação do refrigerador de placas refrigerado com líquido que, de outra forma, não seriam assumidas.

[0076] Em cada modalidade, é necessária uma solda anular aço / aço dos tipos correspondentes de aço entre o exterior do colar de solda aço / aço e o interior de uma penetração correspondente da carcaça de contenção de aço. A vantagem crucial de fazer uma boa vedação de gás durante a construção e, em seguida, manter mais longa a vida de campanha é evitar que os gases de processo escapem do interior da carcaça de contenção de aço e firam pessoas ou danifiquem o equipamento, limitando-se a uma penetração e evitando-se concentrações de tensões de metal a partir de incompatibilidades de materiais. Tais razões foram as falhas de causa de vedações convencionais, especialmente durante longos períodos de uso.

[0077] Invariavelmente, os circuitos independentes da tubulação de líquido refrigerante utilizados nas modalidades de refrigerador de placas de cobre compreendem tubulações de tubos flexíveis fundidos em cobre líquido dentro de um molde que foi inundado desde o fundo. O cobre líquido pode subir e esfriar lentamente dentro do colar de solda de aço / aço.

[0078] Como é convencional, várias fileiras de ranhuras paralelas e horizontais podem ser alternativamente dispostas em toda a face quente. Estas auxiliam na fixação de tijolos refratários ou cimento refratário moldável.

[0079] Geralmente, todos os cantos e bordas externas das modalidades de refrigerador de placas da presente invenção são acabados para serem atenuados e arredondados. Isso garante que menos tensões térmicas serão impostas a qualquer cimento refratário moldável em contato com esses pontos.

[0080] A Figura 5 representa um refrigerador de placas 500 em uma modalidade da presente invenção. Ele é ilustrado como um painel plano, mas pode ser vantajoso trabalhar em algumas curvaturas convexas ou côncavas. Aqui, o refrigerador de placas 500 compreende um corpo de painel plano 502 ou de ferro fundido ou de cobre fundido. Se for de cobre fundido, uma face quente 504 pode incluir ranhuras horizontais 506 para travar e segurar tijolos refratários convencionais (não mostrados). O cobre fundido desgasta e sofre abrasão mais facilmente do que o ferro fundido; portanto, os refrigeradores de placas de cobre fundido precisam da proteção oferecida pelos tijolos refratários convencionais e outros materiais resistentes à abrasão.

[0081] As modalidades de cobre fundido do refrigerador de placas 500 compreendem um pequeno grão de cobre com um equilíbrio de fatores como calor de metal fundido, taxa de refrigeração após o derramamento, ligas adicionadas para melhorar a resistência e controlar os tamanhos dos grãos, desoxidantes, ligação de tubulação otimizada com a fundição, e não cair abaixo de uma condutividade elétrica de 80% IACS, portanto sua condutividade térmica estará relativamente livre de resistência térmica e gradientes.

[0082] O refrigerador de placas 500 compreende ainda um número de malhas ou tubulações de tubos de líquido refrigerante incorporadas com o corpo de painel plano 502 logo dentro da face quente 504. Esse líquido refrigerante circulante que é bombeado e puxado através de um único grupo de conexão de tubulação externa 510 é todo coletado através de um único colar de aço 512. O colar de aço único 512 é embutido no corpo de painel plano 502 durante a fundição de ferro ou cobre e inclui um alargamento anular 514, âncoras, ou outro dispositivo para travar mecanicamente as peças juntas, uma vez que a ligação simples entre metais dissimilares pode ser inadequada nessas aplicações severas.

[0083] A segurança operacional das modalidades de refrigerador de placas da presente invenção pode ser melhorada circulando refrigerantes líquidos dentro deles, que são à base de água, mas ainda assim intrinsecamente seguros contra explosão de vapor expandido por líquido em ebulição (BLEVE). Essencialmente, não mais que

50% da água é misturada com um glicol álcool monofásico como metanol etileno glicol (MEG). O MEG opera como um dessecante e liga a água em uma absorção física. O presente inventor, Allan MacRae, descreveu seus detalhes no Pedido de Patente US. 15 / 968.272, depositado em 05/05/2018, e intitulado “Water-based heat transfer fluid cooling systems intrinsically safe from boiling liquid expanding vapor explosion (BLEBVE) in various pyrometallurgical furnace applications”.

[0084] Cada canto e borda do refrigerador de placas 500 é atenuado e arredondado para reduzir trincas e separação do cimento moldável que normalmente é empacotado em torno e atrás dos refrigeradores de placas para evitar vazamentos de gases de processo perigosos.

[0085] A Figura 6 representa a maneira vantajosa e inovadora pela qual o refrigerador de placas 500 é montado dentro de um forno circular 600 com uma carcaça de contenção de aço 602. Somente um orifício de penetração 604 é fornecido na carcaça de contenção de aço 602 para cada refrigerador de placas 500. O colar de aço 512 passa através e é continuamente soldado impermeável a gás em toda a volta com uma solda de aço / aço / aço 606. Essa solda 606 deve fornecer uma vedação contra gás de alta confiabilidade e longa vida útil para impedir que gases de processo internos perigosos, como monóxido de carbono (CO), escapem. O peso total do refrigerador de placas 500 é suportado pela simples suspensão do colar de aço 512 dentro do furo de penetração 604. A solda 606 e o cimento moldável ao redor do refrigerador de placas 500 impedem que ele escorregue.

[0086] A água é uma excelente escolha como um refrigerante, porque sua baixa viscosidade facilita o bombeamento e seu alto calor específico significa que os volumes e velocidades de bombeamento do refrigerante podem ser mantidos os mais baixos possíveis. Uma combinação equilibrada dessas considerações significa que as bombas em sistemas de refrigeração à base de água podem ser economizadas. Porém, a introdução de refrigerantes à base de água em fornos pirometalúrgicos ferrosos e não ferrosos de alto calor corre o risco de explosão de vapor expandido por líquido em ebulição (BLEVE).

[0087] A Figura 7 representa um sistema de refrigeração à base de água 700 em uma modalidade da presente invenção que é intrinsecamente segura contra BLEVE. Uma mistura de fluido de transferência de calor 702 compreende água, glicol álcool e inibidores de corrosão em uma solução homogênea que é circulada em torno em uma malha fechada por uma bomba de líquido 704. A porcentagem de água usada na mistura de fluido de transferência de calor 702 tem altos e baixos limites. Em geral, a água pode, nesse uso, variar de 10% a 50%.

[0088] A porcentagem mínima de água que pode ser usada é limitada pelos impactos adversos do aumento da viscosidade e da redução do calor específico que incide nos custos de aquisição e operação da bomba de líquido 704. À medida que a viscosidade aumenta, exige um maior esforço de bombeamento e uma bomba de líquido mais forte 704 para manter uma velocidade mínima do líquido refrigerante 706. E à medida que o calor específico da mistura de fluido de transferência de calor 702 diminui pela diluição da água, maior será o esforço de bombeamento necessário de uma bomba de líquido de maior capacidade 704 para manter uma velocidade de líquido refrigerante de nível mínimo mais alta 706 que compensará a ineficiência.

[0089] Na prática, a mistura de fluidos de transferência de calor deve ter uma viscosidade em temperatura ambiente inferior a 20 mPa.s. E a mistura de fluido de transferência de calor 702 deve ter um calor específico superior a 2,3 kJ / kg.K. Caso contrário, os requisitos para uma bomba 704 adequada tornam-se absurdos e / ou incontroláveis.

[0090] A porcentagem máxima de água que pode ser usada com segurança é limitada pelos riscos de BLEVE. Abaixo desse limite, a mistura de líquido refrigerante misturado 702 queima, e não BLEVE, se escapar a partir de um refrigerador 708 com um colar de aço 709 para um forno pirometalúrgico ferroso ou não ferroso de alto calor

710. Toda a circulação de refrigerante para cada refrigerador de placas 708 passa através de um único agrupamento dentro de seu respectivo colar de aço 709. O refrigerador de placas 708 é essencialmente o mesmo que os refrigeradores de placas 114, 116, 206, 300 e 500 das Figuras 1, 2, 3A a 3C, e 5.

[0091] Os tipos de ligação intermolecular determinam se quaisquer dois produtos químicos são miscíveis, ou seja, se podem ser misturados para formar uma solução homogênea. Aqui, a água e o glicol na mistura de fluido de transferência de calor 702 se juntam facilmente em uma solução homogênea. Quando dois produtos químicos, como água e glicol, se misturam, as ligações que mantêm as moléculas de cada produto químico juntas devem se romper, e novas ligações devem se formar entre os dois diferentes tipos de moléculas. Para que isso aconteça, os dois devem ter tipos de ligação intermolecular compatíveis. Água e MEG glicol têm. Quanto mais semelhantes em força os dois tipos de ligação intermolecular são, maior será a miscibilidade dos dois produtos químicos. Geralmente, há um limite para a quantidade de um produto químico que pode ser misturado com outro, mas em alguns casos, como com CH3OH (MEG) e ¾O (água), não há limites e qualquer quantidade de um é miscível em qualquer quantidade do outro.

[0092] Como uma consequência, a porcentagem de água na mistura de fluido de transferência de calor 702 terá uma faixa prática entre 10% e 50%. A porcentagem ideal de água mais inibidores de corrosão na mistura de fluido de transferência de calor 702 é geralmente de cerca de 25%. Nenhum excesso de água é deixado não absorvido para suportar um BLEVE.

[0093] A mistura de fluido de transferência de calor 702 é circulada em um sistema fechado e pressurizada por um sistema de pressurização 712. As pressões típicas variam de 2 a 7 bar. Aumentar a pressão dentro do sistema fechado aumenta o ponto de ebulição da mistura de fluido de transferência de calor 702. O ponto de ebulição mínimo da mistura de fluido de transferência de calor 702 sob pressão não deve ser inferior a 175° C.

[0094] Um filtro de partículas 714 é usado para remover partículas de ferrugem, incrustações de minerais esfoliados, e outros contaminantes sólidos a partir da mistura de fluido de transferência de calor 702 enquanto circula.

[0095] Um congelador ou trocador de calor 720 é usado para remover e eliminar o calor ganho pela mistura de fluido de transferência de calor 702 em circulação, por exemplo, um refrigerador 708 dentro do forno 710. Esses congeladores e trocadores de calor são convencionais.

[0096] Embora a Figura 7 mostre apenas um refrigerador de placas 708, poderia ser um resfriador de painel, ou uma camisa de refrigeração para uma lança submersa (TSL), tocha, ou ventaneira para receber os benefícios da operação intrinsecamente segura contra BLEVE. Aplicações convencionais colocam perigosamente líquidos refrigerantes à base de água em estreita proximidade com fornos pirometalúrgicos.

[0097] A Figura 8 refere-se às características de vários metais de se ligarem ou não com outros metais. Associado a isso está o quão bem os metais se ligam fisicamente com outros metais.

[0098] Uma instalação do refrigerador de placas 800 em uma modalidade da presente invenção monta um refrigerador de placas de ferro fundido ou de cobre fundido 802 dentro de uma carcaça de contenção de aço carbono 804. Um único colar de aço 806 embutido em uma extremidade no refrigerador de placas 802 fornece todo o suporte do peso suspenso em uma única penetração 808 na carcaça de contenção

804. Uma solda de aço carbono / aço carbono 810 evita que o gás de processo no interior passe através da penetração 808.

[0099] O aço carbono não se liga bem ao cobre, e os dois geralmente produzem uma interface “suja” entre eles que causa formação de gases e porosidade 812 durante a fabricação. As âncoras 813 podem ser adicionadas ao colar de aço 806 para melhorar seu travamento mecânico com a fundição do corpo de placa.

[0100] As modalidades da presente invenção unem uma parte de colar de aço carbono 814 a uma parte de colar de aço inoxidável ou de liga de níquel 816 com uma “solda especial” 818 que, juntas, servem como colar de aço 806.

[0101] A parte de colar 816 compreende tipicamente um aço inoxidável austenítico de série 300 ou uma liga de níquel. Os tipos 304 e 316 são aceitáveis, assim como os tipos 309 e 310. Referir-se a eles como “aço inoxidável austenítico de série 300” é um pouco mais claro para a maioria. Os aços inoxidáveis martensíticos de série 400 têm um coeficiente de expansão térmica próximo ao aço de baixo teor de carbono usado na chapa de aço, mas podem sofrer com fragilização durante o processo de fundição. Os graus dúplex, aqueles a meio caminho entre o grau 300 e o grau 400 de aço inoxidável, também podem ser usados efetivamente para a parte de colar 816.

[0102] Uma interface suja e porosidade 812 serão evitadas com o uso da parte de colar 816 porque o cobre entra em contato apenas com o aço inoxidável ou com uma liga de níquel. No entanto, a ligação de aço inoxidável ou liga de níquel com cobre não é melhor do que para aço carbono.

[0103] A soldagem de aços inoxidáveis austeníticos (parte de colar 816) a aço carbono e aços de baixa liga (parte de colar 814) é convencional nas indústrias de processo e construção. A Associação Britânica de Aço Inoxidável (Sheffield, Reino Unido) diz que soldas de metais dissimilares envolvendo aços inoxidáveis podem ser feitas usando a maioria dos métodos de solda por fusão total, incluindo gás inerte de tungstênio (TIG) e gás inerte de metal (MIG). As soldas que utilizam materiais de enchimento consumíveis permitem um melhor controle da resistência à corrosão das juntas e das propriedades mecânicas.

[0104] Ao decidir qual material de enchimento de solda usar, a junta (na solda 818) é considerada inoxidável, em vez de aço carbono. Os materiais de enchimento com excesso de liga, por exemplo, com maior teor de níquel, podem evitar a diluição dos elementos de liga na zona de fusão do aço inoxidável de origem.

[0105] Combinações comuns de aços dissimilares envolvendo o aço inoxidável inclui graus estruturais simples de carbono ou baixa liga e graus de aço inoxidável austenítico, como 1.4301 (304) ou 1.4401 (316). Aços carbono e ligas de aço com níveis de carbono inferiores a 0,20% normalmente não precisam de pré-aquecimento ao serem soldados a aços inoxidáveis austeníticos. Aços carbono e ligas de aço com níveis de carbono acima de 0,20% podem exigir um pré-aquecimento. Juntas de alta retenção, onde a espessura do material é superior a trinta milímetros, também devem ser pré-aquecidas. Temperaturas de 150° C são geralmente adequadas.

[0106] Os aços carbono são mais propensos a defeitos associados a hidrogênio do que os aços inoxidáveis austeníticos e, portanto, os consumíveis de soldagem devem estar secos. O material de enchimento padrão tipo 308 pode ser usado para unir um aço inoxidável ao aço carbono, e os materiais de enchimento de liga mais alta, como o tipo 309 (23 12L a BS EN 12072) são os preferenciais. Trincas na zona de diluição de solda podem ser um problema se for utilizado um material de enchimento do tipo 308 (19 9L para BS EN 12072), porque pode haver muito pouca ferrita, e martensita pode se formar na refrigeração.

[0107] Em serviços com temperaturas mais altas, as diferenças nas taxas de expansão térmica dos aços e dos materiais de enchimento podem levar a trincas por fadiga térmica. Tempos de exposição prolongados nessas temperaturas a soldas com níveis aprimorados de ferrita podem resultar em fragilização devido à formação da fase sigma. Os materiais de enchimento à base de níquel, tal como Inconel, podem produzir melhores soldas com taxas de expansão térmica mais baixas do que os materiais de enchimento de aço inoxidável.

[0108] A “solda especial” 818, portanto, não pode ser realizada eficazmente fora da oficina. Mas a solda 810 sempre pode ser feita no local.

[0109] A trinca 820 no interior do corpo do refrigerador de placas 802 pode levar à trinca da tubulação interna 822 e à perda de seu líquido refrigerante circulante 824. Os refrigerantes 824 compostos por água podem ser a causa de BLEVE e explosões graves e perda de vidas. Assim, no caso de ferro fundido usado no corpo do refrigerador de placas 802, uma tinta de desprendimento 826 é aplicada à tubulação interna 822 durante a fundição para impedir a propagação de trincas.

[0110] A propagação de trincas na tubulação interna 822 não é um problema quando a fundição de cobre é usada para o corpo do refrigerador de placas 802, e, portanto, a tinta de desprendimento 826 não é necessária.

[0111] Um revestimento contra desgaste 830 de um material resistente à abrasão pode ser aplicado como uma camada fina na face quente do refrigerador de placas 802 para proteger o refrigerador de placas do desgaste e aumentar sua vida útil de campanha. Dependendo dos materiais exatos utilizados no revestimento contra desgaste 830, pode ser necessária uma camada intermediária 832 para melhorar a ligação e a durabilidade.

[0112] Os materiais necessários para intermediar entre os materiais de um revestimento mais externo e uma base de cobre ou base de ferro fundido são geralmente entendidos pelos versados na técnica. No entanto, quais materiais e quais processos de deposição são necessários para aplicar essas faces duras nesses substratos de base do refrigerador de placas de cobre ou de ferro fundido são limitados àqueles que, por experiência empírica, produzem a vida útil de campanha mais longa.

[0113] O revestimento contra desgaste 830 aqui citado compreende uma liga de níquel e cromo, e / ou molibdênio e / ou nióbio.

[0114] A Sandmeyer Steel Company (Filadélfia, PA) diz que a liga 625 é um tipo austenítico de liga de níquel-cromo-molibdênio-nióbio com estrutura cristalina, com excelente resistência à corrosão e alta resistência ao longo de uma ampla faixa de temperaturas de criogênica a 982° C (1800 ° F).

[0115] A resistência da liga 625 deriva de um endurecimento em solução sólida da matriz de níquel-cromo na presença de molibdênio e nióbio. Tratamentos de endurecimento por precipitação não são necessários.

[0116] A liga 625 é excelente em uma variedade de ambientes operacionais severos devido à sua resistência à corrosão, fendas, corrosão por impacto, ataque intergranular, oxidação e carburização em serviço de alta temperatura, e é praticamente imune a trincas causadas pela corrosão de estresse por cloreto.

[0117] A liga 625 pode ser facilmente soldada ao cobre e processada por práticas padrão de fabricação em oficinas.

[0118] Os refrigeradores fundidos principalmente a partir de cobre puro e que a água circulante no interior oferece o melhor em alto desempenho são capazes de trabalhar nos ambientes severos dos modernos fornos de cobre e ferro. Contudo, o cobre relativamente mole precisa de proteção contra desgaste, e a água nos líquidos refrigerantes precisa ser evitada de BLEVE.

[0119] O desgaste nesses fornos é uma combinação de abrasão, impactos, efeitos metálicos, corrosão, calor e outros efeitos.

[0120] O cimento moldável espalhado nas superfícies da face quente dos refrigeradores de placas de cobre pode proteger o cobre do desgaste durante o uso. As superfícies relativamente frias precipitam e congelam as camisas de acúmulo a partir da massa fundida, e estas formam uma barreira de desgaste principal.

[0121] Outras ligas de níquel-cromo adequadas para resistência à abrasão incluem Alloy-122, Alloy-622, Alloy-82 e Alloy-686. Algumas ligas de níquel-cromo particularmente adequadas para resistência à corrosão incluem Alloy-122, Alloy-622, Alloy-686 e NC 80/20. Em cada caso, o teor mínimo de níquel deve ser de 55%, o teor mínimo de cromo 18%, e o teor máximo de ferro deveria ser de 6%.

[0122] Às vezes, porém, os acúmulos congelados trincam, incrustam, separam e arrastam para expor a superfície nua de cobre. Novos remendos se congelarão imediatamente no lugar, mas o processo e breves exposições podem causar desgaste significativo ao longo da vida útil de campanha. Ranhuras, texturas e bolsos embutidos como recursos de contorno nas superfícies de face quente ajudam a reter cimento moldável e acúmulos congelados.

[0123] Inserções de metal e tijolos refratários também são formas convencionais pelas quais os refrigeradores de placas de cobre foram protegidos contra desgaste. Mas a usinagem necessária para realizar o acabamento de ranhuras, nervuras e canais necessários para reter as inserções de metal e tijolo refratário é dispendiosa. Também é muito desafiador manter as inserções em contato firme com o refrigerador de placas. Qualquer folga no ajuste permitirá que as inserções fiquem muito quentes e isso acelerará o desgaste. Um refrigerador de placas que sofreria esse destino específico seria os tipos descritos por Todd Smith na Publicação de Pedido de Patente US 2015/0377554, publicada em 31/12/2015.

[0124] Os tijolos refratários ilustrados na Figura 3 por Todd Smith não mantêm firme as nervuras e os canais embutidos nas faces quentes do refrigerador de placas (conforme ilustrado nas Figuras 4 e 5 por Todd Smith). Esses tijolos refratários parecem ter a vantagem de serem inseridos diretamente, em vez de precisar deslizar pelos lados dos refrigeradores de placas. O deslizamento nem sempre é possível, especialmente em fornos cilíndricos verticalmente orientados.

[0125] As Figuras 9A e 9B representam aplicações nas quais os refrigeradores de placas de cobre 900 e suas faces quentes 902 não podem ser protegidos especialmente com inserções de metal ou tijolos refratários por razões práticas ou econômicas. Vários bolsos 904 são distribuídos na face quente 902. Uma camada de solda de revestimento contra desgaste 906 é aplicada em padrões de cordão, entrelace ou escama nos perímetros elevados mais expostos da face quente 902 em torno de cada bolso 904.

[0126] A Figura 8 representa um revestimento contra desgaste 830 que é aplicado sobre um tampão ou camada intermediária 832. Dependendo dos materiais utilizados no revestimento contra desgaste 830, pode não ser necessário incluir qualquer camada intermediária ou tampão 832.

[0127] Várias técnicas de soldagem podem ser usadas para fundir materiais similares e dissimilares à superfície de metal de cobre dos refrigeradores de placas 802 e 900. O revestimento contra desgaste 830 pode ser aplicado soldando os cordões 906 em grupos nessas partes da superfície de face quente mais sujeitas a desgaste do que outras. Em alguns casos, isso significa que a superfície inteira exigirá uma camada de solda, por exemplo, sem bolsos.

[0128] Uma modalidade aprimorada do refrigerador de placas de cobre da presente invenção aumentou a resistência ao desgaste a pelo menos um de abrasão, impacto, contato metal com metal, calor e corrosão em uma superfície de face quente incluída. Um revestimento contra desgaste compreendendo pelo menos uma liga de níquel e cromo é fundido por soldagem, às vezes, menos do que a superfície inteira, e apenas naquelas partes da superfície de face quente predeterminadas para serem mais expostas durante o uso ao desgaste do que quaisquer outras partes. O revestimento contra desgaste é normalmente aplicado como uma camada de solda de metal fundido em um gás de proteção inerte.

[0129] Nas Figuras 9A e 9B, esses refrigeradores de placas de cobre 900 podem ser melhorados ainda mais, incluindo uma pluralidade de bolsos de retenção de cimento moldável 904 dispostos na superfície da face quente 902. Cada um desses bolsos 904 inclui inclinações internas, paredes rasas e sapatas 908 que operam para reter melhor um enchimento de cimento moldável quando estiver em uso. Um perímetro de material base de cobre elevado e mais exposto envolve cada um da pluralidade de bolsos. Portanto, a aplicação de tal revestimento contra desgaste é economizada colocando-o nos padrões de cordão 906 apenas no material de base de cobre elevado e mais exposto do perímetro.

[0130] De preferência, o material de base de cobre para receber camadas de solda é o equivalente a UNS C12000 se forjado ou UNS C81100 se fundido, que inclui desoxidantes e baixo fósforo residual que promovem boas soldas, tamanho reduzido de grãos de cobre, uma condutividade elétrica de pelo menos 80% IACS, e melhor resistência à fragilização durante a soldagem.

[0131] Embora modalidades particulares da presente invenção tenham sido descritas e ilustradas, elas não são destinadas a limitar a invenção. Modificações e alterações, sem dúvida, se tornarão aparentes para os versados na técnica, e pretende-se que a invenção seja limitada apenas pelo escopo das reivindicações em anexo.

Claims (10)

REIVINDICAÇÕES

1. Refrigerador de placas resistente ao desgaste sujeito a uma combinação de abrasão, impactos, efeitos metálicos, corrosão, calor e outros efeitos durante o seu uso em um forno, caracterizado pelo fato de que compreende: um corpo de placa de cobre fundido no qual são fundidas tubulações de líquido refrigerante, e incluindo uma face quente sujeita a desgaste durante o uso; um único colar de aço embutido, ou de outra forma, ancorado em uma parte traseira do corpo de placa de cobre fundido, e lateralmente posicionado de modo que o refrigerador de placas fique suspenso apenas a ele reto, e no qual todas as conexões de tubulação externas da tubulação de líquido refrigerante são coletadas juntas como um único grupo e encaminhadas através do único colar de aço; e uma barreira de proteção contra desgaste disposta na face quente e limitada a incluir pelo menos uma de fileiras horizontais de nervuras e canais que retêm inserções de metal ou tijolos refratários, ou bolsos que auxiliam na retenção de cimento fundível e / ou acúmulos congelados no lugar a partir de uma massa fundida, ou uma aplicação de uma área de revestimento contra desgaste soldada em um padrão.

2. Refrigerador de placas resistente ao desgaste, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que: a tubulação de líquido refrigerante recebe uma mistura à base de água refrigerante que é intrinsecamente segura contra explosão de vapor em expansão de líquido em ebulição (BLEVE) e que inclui não mais de 50% de água misturada com álcool glicol, e inibidores de corrosão em uma solução homogênea que é circulada em torno de uma malha fechada e pressurizada por uma bomba de líquido.

3. Refrigerador de placas resistente ao desgaste, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o corpo de placa de cobre fundido é uma única fundição de metal de um refrigerador de placa de forma retangular com uma borda superior, uma borda inferior, bordas esquerda e direita, uma face quente e uma face fria e em que tal placa é substancialmente mais alta do que larga, e é substancialmente mais larga do que espessa, e que está configurada para ser cimentada e com vedadação de gás por soldagem do único colar de aço dentro de uma carcaça de contenção de aço de um forno piro-metalúrgico.

4. Refrigerador de placas resistente ao desgaste, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o único colar de aço compreende uma parte de aço carbono soldada a uma parte de aço inoxidável, e a parte de aço inoxidável sozinha é a que é embutida, ou de outra forma, ancorada na parte traseira do corpo de cobre fundido.

5. Refrigerador de placas resistente ao desgaste, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o colar de aço compreende um tipo de aço carbono com um coeficiente de expansão térmica que corresponde substancialmente ao coeficiente de expansão térmica do tipo de aço carbono do qual uma carcaça de contenção de aço é composta.

6. Refrigerador de placas resistente ao desgaste, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que um agrupamento de todas as extremidades de entrada e saída de todos os circuitos de qualquer tubulação de refrigerante no único colar de aço reduz o número de soldas separadas de outra forma necessárias para a vedação de gás, e minimiza um efeito adverso à vida útil de campanha manifestados pela expansão e contração térmica dos metais envolvidos.

7. Refrigerador de placas resistente ao desgaste, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o único colar de aço compreende adicionalmente: uma primeira parte de colar compreendendo aço carbono que é finalmente soldada e com vedação de gás dentro da penetração única da carcaça de contenção de aço; uma segunda parte de colar compreendendo um aço inoxidável austenítico, ou um aço inoxidável martensítico, ou uma liga de níquel, que é embutida no corpo de placa de cobre fundido; e uma solda especial que une a primeira e a segunda partes de colar.

8. Bloco de refrigeração de cobre de forno aprimorado com resistência ao desgaste aumentada para pelo menos um de abrasão, impacto, contato metal com metal, calor e corrosão em uma superfície de face quente incluída, caracterizado pelo fato de que compreende: um revestimento contra desgaste compreendendo pelo menos uma liga de níquel e cromo fundida por soldagem a menos do que a superfície inteira e apenas em partes da superfície de uma face quente do corpo de placa de cobre fundido predeterminadas para serem mais expostas durante o uso ao desgaste do que quaisquer outras partes, e em que o revestimento contra desgaste é aplicado posterior à fundição do corpo de placa de cobre fundido como uma camada de solda de metal fundido em um gás de proteção inerte; em que a liga de níquel e cromo tem um mínimo de 55% de níquel, um mínimo de 18% de cromo, e um máximo de 6% de ferro.

9. Bloco de refrigeradação de placas de cobre aprimorado, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente: uma pluralidade de bolsos de retenção de cimento fundível dispostos na superfície da face quente do corpo de placa de cobre fundido, e em que cada bolso inclui paredes rasas inclinadas para dentro que operam para reter melhor um enchimento de cimento fundível quando em uso; e um perímetro de material de base de cobre elevado e mais exposto que circunda cada um dentre a pluralidade de bolsos; em que o revestimento contra desgaste é aplicado em um padrão de cordão, entrelace ou escama e é limitado ao material de base de cobre elevado e mais exposto do dito perímetro.

10. Bloco de refrigeração de placas de cobre aprimorado, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o material de base de cobre é o equivalente de UNS C12000 se forjado ou UNS C81100 se fundido, que inclui desoxidantes e baixo fósforo residual que promovem boas soldas, tamanho reduzido de grão de cobre, uma condutividade elétrica de pelo menos 80% IACS, e melhor resistência à fragilização durante qualquer soldagem posterior.