ES2203870T3 - Elementos refrigerantes para hornos de cuba. - Google Patents
Elementos refrigerantes para hornos de cuba.Info
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Abstract
LA INVENCION TRATA DE UN ELEMENTO DE REFRIGERACION (1) PARA ALTOS HORNOS, QUE SE COMPONE DE UN PERFIL MOLDEADO POR EXTRUSION O LAMINADO CON CANALES DE REFRIGERACION (2) COLOCADOS EN EL INTERIOR, ESTA FORMADO POR COBRE O POR UNA ALEACION DE COBRE CON BAJA ALEACION. EL ELEMENTO DE REFRIGERACION (1) SE SUJETA MEDIANTE VARILLAS (7) AL ELEMENTO DE SUJECION (8) DE LA PARED DEL ALTO HORNO (9) Y DE LA PROPIA ALETA DE SUJECION (5), EL ESPACIO INTERMEDIO ESTA LLENO CON UN RELLENO RADIAL REFRACTARIO (10). LOS EXTREMOS SUPERIORES E INFERIORES DEL ELEMENTO DE REFRIGERACION (1) SE CURVAN CON EL CANAL DE REFRIGERACION (2) EN LA PARED DEL ALTO HORNO (9) UNOS 90 °, Y SE INTRODUCEN MEDIANTE ABERTURAS (19) DE LA PARED DEL ALTO HORNO (9). LAS PIEZAS DE UNION SUPERIORES E INFERIORES (3) Y LOS CONDUCTOS DE ESCORIAS (4) CORREN DE MANERA VERTICAL Y FORMAN MEDIANTE HENDIDURAS (10) UNA UNION QUE CUBRE LAS SUPERFICIES JUNTO CON EL SIGUIENTE ELEMENTO DE REFRIGERACION (1).
Description
Elementos refrigerantes para hornos de cuba.
La invención se refiere a un elemento
refrigerante para hornos de cuba dotados de un revestimiento
refractario, en especial altos hornos, compuesto de cobre o una
aleación de cobre de baja aleación, con canales de refrigerante
dispuestos en el interior.
En "Stahl und Eisen", 106 (1986), Nº 5,
páginas 205 - 210, se describen en profundidad sistemas
refrigerantes para la armadura de hornos de cuba, en especial altos
hornos. Aparte de la refrigeración con llamadas fresqueras, se ha
impuesto cada vez más en los últimos años la refrigeración con
planchas refrigerantes, llamadas staves, de hierro fundido y
cobre.
Del documento DE 39 25 280 se conoce una plancha
refrigeradora de fundición gris, en la que los canales
refrigerantes estaban formados por tubos refrigerantes que se habían
fundido dentro del cuerpo de fundición. Aquí existe el
inconveniente de que, para evitar la carburación, se requiere un
recubrimiento de los tubos refrigerantes, que impida el flujo de
calor desde el lado caliente de la plancha refrigerante o del
stave, a través del cuerpo del stave y la pared tubular, hasta el
agua de refrigeración. Los staves de este tipo alcanzaban por ello
con frecuencia elevadas temperaturas, a las que se producía una
descomposición de perlita (> 760ºC); se formaban grietas en el
cuerpo de fundición, e incluso después de un tiempo de
funcionamiento relativamente corto, el material de fundición se
erosionaba delante de los tubos refrigerantes.
Se ha intentado conseguir una mayor durabilidad
de este stave de hierro fundido, por medio de fundir dentro una
multitud de tubos refrigerantes y disponer estos, parcialmente
también en diferentes planos, en paralelo al lado caliente. Por
medio de esto, aunque los staves de fundición gris se hicieron
mucho más complicados y caros, su durabilidad aumentó sin embargo en
la misma medida.
Una mejora sustancia estuvo representada por los
llamados staves de cobre, que se conocen del documento DE 29 07 511
y están fabricados con material de cobre laminado, introduciéndose
los canales refrigerantes a través de un taladro de orificio
profundo en paralelo al lado caliente. Por medio de esto se obtiene
un flujo térmico no perturbado, no impedido por ningún recubrimiento
del tubo. Los staves de cobre de este tipo son por su lado caliente
notablemente más fríos que los staves de fundición gris, de tal
manera que allí - al contrario que en los staves de fundición gris -
se forma una costra estable de material de lecho de fusión, que
actúa como aislamiento. Así se llega a que los staves de cobre, a
pesar de la elevada conductividad térmica de este material, de un
alto horno evacuan menos calor que los staves de fundición gris.
Otra ventaja de los staves de cobre es que estos pueden ejecutarse
constructivamente más finos (aproximadamente 150 mm) que los staves
de fundición gris (aproximadamente 250 mm). Con un perfil de alto
horno dado aumenta por tanto notablemente el volumen útil si se
utilizan staves de cobre.
Del documento EP 0 741 190 A1 se conoce una
plancha refrigeradora de cobre o de una aleación de cobre de baja
aleación para hornos de cuba. Ésta presenta taladros ciegos para
conducir a través de ellos agua refrigerante, bridas laterales
verticales dispuestas alrededor del cuerpo refrigerador y bridas
laterales horizontales. Se han dispuesto almas y ranuras situadas
entre ellas en la plancha refrigeradora, en la región del cuerpo
refrigerador en el lado vuelto hacia el interior del horno, para
sujetar el material refractario,
La ventaja decisiva de los staves de cobre frente
a los staves de hierro fundido es sin embargo que, a causa de las
características del material, no muestran ninguna formación de
grietas y su desgaste superficial es extremadamente reducido. En un
ensayo a largo plazo que se desarrolló durante más de 10 años, se
observó una pérdida de material de tan solo 3 - 4 mm. De aquí se
deduce, con una altura de nervio de 50 mm, una vida útil calculada
de unos 150 años, que es muy superior a la del alto horno
correspondiente.
Un inconveniente de los staves de cobre conocidos
es que estos siguen estando ejecutados relativamente macizos y, de
este modo, son pesados y caros. La complejidad del tratamiento es
considerable, a causa del tratamiento mecánico por todos los lados,
del fresado de ranuras, del taladrado de orificios profundos y de
la soldadura de los entronques. El material desvirutado supone una
parte considerable del peso total y sólo se recoge a un precio
claramente inferior. Otro inconveniente es que, durante el
taladrado de orificios profundos a más de 2 - 3 m de profundidad, no
deben superarse determinados diámetros de canal, ya que en caso
contrario existe el riesgo de que la barrena se desvíe. Los canales
refrigerantes así producidos son mayores de lo necesario; lo mismo
puede aplicarse al volumen de agua de refrigeración, ya que se
necesita una velocidad mínima de aproximadamente 1,5 m/s, para
desprender, en el caso de una alta carga térmica, las burbujas de
vapor que pudieran formarse sobre la pared tubular. De este modo
las tasas de calentamiento del agua de refrigeración son
antieconómicamente bajas.
La misión de la invención consiste, al contrario
que en los staves de cobre conocidos, en reducir considerablemente
tanto la complejidad del material como del tratamiento y aún así
crear un elemento refrigerante estable, a la altura de los elevados
esfuerzos durante el funcionamiento del horno, que pueda montarse
con una baja complejidad de montaje y que presente una vida útil al
menos del mismo orden de magnitud que una instalación de altos
hornos.
Otra misión de la invención consiste en, mediante
una configuración apropiada del perfil del flujo para el agua de
refrigeración, distinta de la forma circular, llegar a unas tasas
de calentamiento superiores para el agua de refrigeración, sin que
con ello no se alcance la velocidad mínima requerida para el agua
de refrigeración, que es necesaria para, en el caso de unas elevadas
cargas térmicas, desprender las burbujas de valor que se forman
sobre la pared tubular y transportarlas a otro lugar.
Por último se configura de tal modo el lado
caliente que, con una complejidad reducida, se obtiene una
superficie sobre la que pueden adherirse bien costras de material de
lecho de fusión.
La solución de la misión se produce en la forma
indicada en las reivindicaciones 1 y 2, mientras que otra
configuración ventajosa de la invención se menciona en las
reivindicaciones subordinadas 3-8.
Una solución alternativa de la misión se produce
en la forma indicada en la reivindicación 9, mientras que otra
configuración ventajosa de la alternativa se menciona en las
reivindicaciones subordinadas 10-11.
La misión impuesta según las reivindicaciones 1 y
2 es resuelta en detalles de la forma siguiente:
mientras que un elemento refrigerante de Cu
convencional presenta casi siempre cuatro canales refrigerantes
paralelos, un elemento refrigerante conforme a la invención se
compone de una longitud, elegida de forma ajustada, de un perfil de
Cu extruido o laminado que contiene uno o varios canales
refrigerantes con una forma no circular. Mediante nervios
correspondientes, que parten del canal o de los canales
refrigerantes, se consigue que el perfil extruido o laminado aporte
una rigidez suficiente, con la que soporta los elevados esfuerzos
durante el funcionamiento del alto horno; esto se refiere en
especial al nervio o a los nervios de fijación, que están dispuestos
sobre el elemento refrigerante en el lado vuelto hacia la armadura
del alto horno. Las almas laterales de los elementos refrigerantes
de Cu, situadas en paralelo a la armadura del alto horno,
garantizan una protección de la armadura del alto horno que cubra
su superficie. Su anchura se establece de tal modo, que se solape o
quede enrasada con el alma correspondiente del elemento contiguo.
Por medio de esto también se compensan las diferencias de diámetro o
perímetro en partes cónicas de la armadura del alto horno (hogar,
cuba). Los nervios de escorias que penetran en el interior del
horno, por el lado caliente, se configuran de tal modo mediante
post-tratamiento mecánico, que facilitan la
formación y la adhesión estable de una capa de materiales de lecho
de fusión sólidos o pastosos sobre el lado caliente de los
elementos refrigerantes de Cu.
Los elementos refrigerantes de Cu pueden cortarse
y curvarse a la longitud correcta en la obra, cerca del lugar de
montaje. Para ello se separan o eliminan las almas laterales, en
los lados superiores e inferiores de los elementos refrigerantes de
Cu aislados, por medio de serrado, tronzado por abrasión o
combustión, se dobla correspondientemente la sección transversal del
canal no circular y se guía hasta la armadura de alto horno a
través de la correspondiente abertura de paso. A través de los
segmentos tubulares intermedios para la corriente de agua de
refrigeración, los elementos refrigerantes se conectan al circuito
de refrigeración del alto horno. Aquí puede la sección transversal
del canal situada en la armadura del alto horno o exteriormente,
para llegar a un diámetro lo más pequeño posible de las aberturas de
la armadura, volver a llevarse a la sección transversal redonda
mediante deformación en frío. Para fijar los elementos
refrigerantes en la armadura, en los elementos refrigerantes se
practican taladros en los nervios que discurren hacia la armadura;
en estos nervios encajan en la armadura del alto horno los elementos
soporte fijados; la unión entre los nervios y los elementos soporte
se realiza por ejemplo mediante pasadores de ajuste o pernos
asegurados introducidos. Después del montaje mecánico se produce de
forma conocida un llenado posterior de los elementos refrigerantes
de Cu con una masa refractaria poco termoconductora.
En una configuración alternativa de la invención
se utilizan perfiles de cobre extruido, estando estos configurados
rectangularmente y presentando, por los lados, una ranura y un
muelle para una unión de encaje unos en otros de los elementos
refrigerantes.
Mediante el acoplamiento unos en otros de varios
de estos elementos se forma un bloque de cobre, de manera
coherente, con canales refrigerantes rectangulares situados dentro
del mismo. Mediante esta ejecución de los lados de los elementos
refrigerantes se obtiene una transición sin costuras de las piezas
constructivas individuales, que se utiliza para compensar la
conicidad en la cuba del alto horno y el hogar del alto horno. De
este modo se garantiza en todos los puntos una protección térmica
sin junturas de la armadura del alto horno.
En los extremos superiores de los elementos
refrigerantes se anteponen perfiles extruidos similares en forma de
U, pero con una mayor sección transversal del canal refrigerante. La
entrada y salida del agua de refrigeración se realiza después a
través de un segmento tubular, respectivamente en la parte superior
y en la inferior del elemento refrigerante montado. Un elemento
refrigerante fabricado de este modo, aunque requiere una algo mayor
complejidad de material y confección, obligada por el acoplamiento
unos en otros de los perfiles de cajón y la fabricación de las
piezas inferiores y superiores, sigue siendo más plano que los
elementos refrigerantes de Cu configurados con la sección o las
secciones transversales tubulares y los nervios aplicados, y por
ello puede adaptarse en gran parte a la curvatura de la pared del
horno. La fijación a la pared del horno puede realizarse
convencionalmente a través de taladros ciegos con rosca en el
elemento refrigerante, así como mediante tornillos de fijación que
penetran la armadura del horno, que se hacen estancos a los gases
por el lado exterior mediante remates cubridores soldados
encima.
La invención se explica con más detalle con base
en dibujos de ejecución esquemáticos.
Aquí muestran:
la figura 1 un corte transversal a través de un
elemento refrigerante de Cu con nervios de escorias,
la figura 2 una vista lateral de un elemento
refrigerante de Cu con nervios de escorias,
la figura 3 un corte longitudinal de un elemento
refrigerante de Cu con nervios de escorias,
la figura 4 un corte transversal a través de un
elemento refrigerante de Cu de perfiles rectangulares,
la figura 5 una vista lateral de elementos
refrigerantes de Cu, dispuestos unos sobre otros, de perfile
rectangulares,
la figura 6 un corte longitudinal de un elemento
refrigerante de Cu de perfiles rectangulares,
la figura 7 una vista en planta sobre la tapa
superior del elemento refrigerante de Cu de perfiles
rectangulares,
la figura 8 una vista en planta sobre la tapa
inferior del elemento refrigerante de Cu de perfiles
rectangulares.
La figura 1 muestra un corte transversal a través
de un elemento refrigerante (1) a partir de un segmento perfilado
extruido o laminado, que contiene en su interior uno o varios
canales refrigerantes (2) conformados longitudinalmente, con una
forma no circular.
El elemento refrigerante (1) está dotado de almas
laterales (3), sobre las que se han dispuesto nervios de escorias
(4), que circulan en el lado alejado de la pared del alto horno (9)
y en dirección vertical. En el lado vuelto hacia la pared del alto
horno (9) se ha dispuesto un nervio de fijación (5).
El elemento refrigerante (1) se fija mediante
pernos (1) en taladros (6) del elemento de fijación (8), de la
pared del alto horno (9) y del nervio de fijación (5), y el espacio
intermedio entre el elemento refrigerante (1) y la pared del alto
horno (9) está relleno de un relleno posterior (10)
refractario.
De forma correspondiente a la figura 2, los
extremos superiores e inferiores del elemento refrigerante (1) con
el canal refrigerante (2) se han flexionado 90º en la dirección de
la pared del alto horno (9) y se guían a través de aberturas (19) de
la pared del alto horno (9). Las almas (3) y los nervios de
escorias (4) discurren asimismo verticalmente y las almas forman
mediante escotaduras (18), en cada caso con el siguiente elemento
refrigerante, una unión de empalme que cubre la superficie. La
fijación a la pared del alto horno (9) se realiza mediante un perno
(7), que es guiado mediante el nervio de fijación (5) y el elemento
de fijación (8).
La figura 3 muestra un corte longitudinal del
elemento refrigerante (1) con el canal refrigerante oval (2). Las
almas (3) están dispuestas a ambos lados del canal refrigerante (2).
En el lado vuelto hacia el elemento de fijación (8) de la pared del
alto horno (9) se ha previsto un nervio de fijación (5)
alargado.
A través de un taladro (6) en el nervio de
fijación (5) y el elemento de fijación (8) se desplaza un perno
(7), para fijar el elemento refrigerante a la pared del alto
horno.
La figura 4 muestra una vista en planta sobre
otra forma de ejecución alternativa de un elemento refrigerante
(1), que se compone de un elemento refrigerante rectangular (11)
con ranura y de un elemento refrigerante rectangular (13) con
muelle, en el que se ha practicado respectivamente un canal
refrigerante
(12).
(12).
El elemento refrigerante (1) se fija por medio de
elementos de fijación (14) a la armadura del alto horno (9). Entre
el elemento refrigerante (1) y la armadura del alto horno (9) se
introduce un relleno posterior refractario (10).
La figura 5 muestra una vista lateral de
elementos refrigerantes (1, 11, 12, 13) fijados unos sobre otros
sobre la armadura del alto horno (9). El elemento refrigerante (1)
se cubre respectivamente mediante una tapa superior (15) y una tapa
inferior (17), con segmentos tubulares (16) a prueba de presión
para la alimentación o evacuación de refrigerantes.
Por medio de escotaduras (18) dispuestas
alternadas en las tapas (15, 17) se consigue un tendido solapado de
los elementos refrigerantes (1) sobre la armadura del alto horno
(9).
La figura 6 muestra un corte longitudinal a
través de un elemento refrigerante (1) conforme al montaje, que se
compone de un elemento refrigerante rectangular (11) con ranura, un
elemento refrigerante rectangular (13) con muelle y una tapa
superior y otra inferior (15, 17), en cada caso con un segmento
tubular (16), y de una escotadura (18).
El agua de refrigeración entra, a través del
segmento tubular (16), en la tapa inferior (17) y abandona la misma
después de circular por los canales de refrigeración (12) por encima
de la tapa superior (15) con segmento tubular (16).
Las figuras 7 y 8 muestran respectivamente una
vista en planta sobre una tapa superior (15) y la tapa inferior
(17), con los segmentos tubulares (16) y segmentos del elemento
refrigerante (11) con ranura y (13) con muelle, incluyendo los dos
canales refrigerantes (12).
- 1
- Elemento refrigerante
- 2
- Canal refrigerante oval
- 3
- Almas laterales
- 4
- Nervios de escorias
- 5
- Nervios de fijación
- 6
- Taladro en 5 y 8
- 7
- Pernos
- 8
- Elemento de fijación
- 9
- Armadura del alto horno
- 10
- Relleno posterior refractario
- 11
- Elemento refrigerante, rectangular con ranura
- 12
- Canal refrigerante
- 13
- Elemento refrigerante, rectangular con muelle
- 14
- Elemento de fijación
- 15
- Tapa superior
- 16
- Segmentos tubulares
- 17
- Tapa inferior
- 18
- Ranura/Escotadura
- 19
- Aberturas en 9
Claims (11)
1. Elemento refrigerante para hornos de cuba
dotados de un revestimiento refractario, en especial altos hornos,
compuesto de cobre o una aleación de cobre de baja aleación, con
canales de refrigerante dispuestos verticalmente en el interior,
estando compuesto el elemento refrigerante de un segmento perfilado
laminado y dotado de almas laterales (3), caracterizado
porque el elemento refrigerante (1) contiene en su interior al
menos un canal refrigerante con una forma no circular, porque el
elemento refrigerante (1) está equipado en el lado alejado de la
pared del alto horno (9), en dirección vertical, con al menos un
nervio de escorias (4) circulante y porque el elemento refrigerante
(1) está equipado, en el lado vuelto hacia la pared del alto horno
(9), con al menos un nervio de fijación (5).
2. Elemento refrigerante para hornos de cuba
dotados de un revestimiento refractario, en especial altos hornos,
compuesto de cobre o una aleación de cobre de baja aleación, con
canales de refrigerante dispuestos verticalmente en el interior,
estando dotado el elemento refrigerante de almas laterales (3),
caracterizado porque el elemento refrigerante se compone de
un segmento perfilado extruido, porque el elemento refrigerante (1)
contiene en su interior al menos un canal refrigerante con una
forma no circular, porque el elemento refrigerante (1) está equipado
en el lado alejado de la pared del alto horno (9), en dirección
vertical, con al menos un nervio de escorias (4) circulante y porque
el elemento refrigerante (1) está equipado, en el lado vuelto hacia
la pared del alto horno (9), con al menos un nervio de fijación
(5).
3. Elemento refrigerante según la reivindicación
1 ó 2, caracterizado porque los extremos superiores e
inferiores del elemento refrigerante (1) con el canal refrigerante
(2) se han flexionado 90º en la dirección de la pared del alto
horno (9), y porque los extremos superior e inferior del elemento
refrigerante (1) están separados de las almas laterales (3).
4. Elemento refrigerante según la reivindicación
1 ó 2, caracterizado porque el elemento refrigerante (1)
está equipado en el lado alejado de la pared del alto horno (9), en
dirección vertical, con dos o una multitud de nervios de escorias
(4) que discurren en paralelo.
5. Elemento refrigerante según la reivindicación
1 ó 2, caracterizado porque en el nervio de fijación (5) se
ha practicado al menos un taladro (6).
6. Elemento refrigerante según la reivindicación
1 ó 2, caracterizado porque en las almas (3) se ha encajado
una escotadura (18).
7. Elemento refrigerante según la
reivindicaciones 1 ó 2-6, caracterizado
porque los nervios de fijación (5) de los elementos refrigerantes
(1) están aplicados, por medio de pernos (7), a elementos de
fijación (8) de la pared del horno de cuba (9), y las almas (3) se
disponen de forma que se solapan en la escotadura (18) de los
elementos refrigerantes (1).
8. Elemento refrigerante según las
reivindicaciones 1 ó 2-6, caracterizado
porque los nervios de fijación (5) de los elementos refrigerantes
(1) están aplicados, por medio de pernos (7), a elementos de
fijación (8) de la pared del horno de cuba (9), y las almas (3) de
los elementos refrigerantes (1) están dispuestas de forma
enrasada.
9. Elemento refrigerante (1) para hornos de cuba
dotados de un revestimiento refractario, en especial altos hornos,
compuesto de cobre o una aleación de cobre de baja aleación, con
canales de refrigerante dispuestos en el interior,
caracterizado porque el elemento refrigerante (1) se compone
de un segmento perfilado (11) rectangular extruido, con ranura por
un lado, y un segmento perfilado (13) rectangular extruido, con
muelle por un lado, para una unión de elementos refrigerantes que
encajan unos en otros, porque en los segmentos perfilados (11, 13)
se han dispuesto canales refrigerantes rectangulares (12), porque
los segmentos perfilados (11, 13) pueden obturarse con una tapa
superior (15) y con una tapa inferior (17) y porque en la tapa
superior (15) y en la tapa inferior (17) se ha aplicado,
lateralmente, en cada caso un segmento tubular (16), que están
unidos a los canales refrigerantes (12) del elemento refrigerante
(1).
10. Elemento refrigerante (1) según la
reivindicación 9, caracterizado porque el elemento
refrigerante (1) se fija a la pared del horno de cuba (8) por medio
de elementos de fijación (14).
11. Elemento refrigerante (1) según la
reivindicación 9, caracterizado porque la tapa superior (15)
y la tapa inferior (17) están dotadas, respectivamente, con una
escotadura (18).
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