ES2218169T3 - Metodo para taponar un agujero y un elemento de refrigeracion fabricado por dicho metodo. - Google Patents

Abstract

Método para taponar un agujero, particularmente un agujero de un elemento de refrigeración, método en el que se dispone en un agujero (9), formado en una pieza esencialmente fabricada en cobre principalmente, por ejemplo en el elemento de carcasa (2) de un elemento de refrigeración (1) un tapón (8) fabricado principalmente en cobre, en el que se dispone entre la superficie lateral (11) del tapón (8) y la superficie interior (13) del agujero, un agente de soldadura fuerte (10) con una temperatura de fusión menor que la de las piezas a unir entre sí, en el que sobre la superficie del agente de soldadura fuerte (10) y/o en por lo menos una de las superficie (11, 13) a unir, se aplica una capa de estaño (Sn), después de lo cual se calienta el área de unión entre el tapón (8) y la pieza, tal como el elemento de carcasa (2) de un elemento de refrigeración, al menos hasta la temperatura de fusión del agente de soldadura fuerte o su proximidad, después de lo cual se refrigera el área de unión.

Description

Método para taponar un agujero y un elemento de refrigeración fabricado por dicho método.

En general, la invención se refiere a un método para taponar un agujero, método en el que se inserta en un agujero formado en un objeto fabricado esencialmente en cobre principalmente, tal como el elemento de carcasa de un elemento de refrigeración, un tapón fabricado principalmente en cobre. Dichos agujeros a taponar de acuerdo con el objeto de la invención existen, por ejemplo, en elementos de refrigeración empleados para refrigerar las estructuras de hornos usados en la industria metalúrgica, tal como hornos de fusión rápida o altos hornos usados en la industria del acero, o en relación con los canales de refrigeración de vertederos usadas para conducir el metal fundido. Típicamente, los elementos de refrigeración se fabrican en cobre y son provistos de, por ejemplo, canales longitudinales y/o transversales por donde circula el agente de refrigeración. Parte de los agujeros que forman el sistema de canales del elemento de refrigeración son taponados, por lo que en el elemento sólo queda una cantidad necesaria de agujeros de entrada a través de los cuales se conduce el agente de refrigeración dentro del elemento, y agujeros de salida a través de los cuales se conduce el agente de refrigeración fuera de dicho elemento. De acuerdo con un método de taponamiento conocido, el elemento de refrigeración está provisto de un tapón que se dispone en el agujero a taponar por una junta prensada que se suelda externamente a la carcasa del elemento de refrigeración, típicamente con una soldadura que se extiende hasta la profundidad de aproximadamente 6 mm. Antes de la soldadura, las piezas de trabajo son recalentadas a alta temperatura, en la etapa de precalentamiento, el riesgo oxidante de la junta del tapón es alto, y en ese punto la junta de taponamiento de la técnica anterior es relativamente vulnerable a los daños causados por corrosión, entre otros. Por ejemplo, la atmósfera reinante en el espacio de horno de un horno de fusión rápida y que contiene, entre otros, gas S0_{2}, ocasiona corrosión que avanza como una reacción de sulfatación. Con el fin de evitar el riesgo de dañar la junta de taponamiento y la posible fuga del agente de refrigeración como consecuencia, se ha hecho necesario reemplazar muy frecuentemente los elementos de refrigeración.

Además, técnicas para fijar tubos metálicos en un termocambiador son conocidas, por ejemplo, por el documento US-A-3.710.473. De acuerdo con este documento el método comprende las etapas de formar agujeros en una placa de tubos de metal, poner una hoja de lámina de soldadura fuerte sobre una placa de tubos, perforar la lámina con una pluralidad de punzones alineados con los agujeros de los tubos, estaquillando así los segmentos de lámina de soldadura fuerte a través de los agujeros de la placa de tubos, presionar los extremos de los tubos a través de los agujeros de la placa de tubos y segmentos de lámina, y calentar el extremo del conjunto hasta que se funde la lámina de soldadura fuerte.

El objeto de la presente invención es realizar un nuevo método para taponar un agujero, particularmente el agujero de un elemento de refrigeración, de forma que se evite las desventajas de la técnica anterior. Así, otro objeto de la invención es realizar un nuevo elemento de refrigeración que tenga una vida de trabajo más larga que los elementos de la técnica anterior.

La invención es expuesta en las reivindicaciones que siguen.

En el método de acuerdo con la invención, entre la superficie lateral del tapón y la superficie interior del agujero, se coloca un agente de soldadura fuerte con una temperatura de fusión menor que la temperatura de fusión de las partes a unir entre sí, y se calienta al menos el área de unión del tapón y el elemento de carcasa del objeto, tal como el elemento de carcasa de un elemento de refrigeración, al menos hasta la temperatura de fusión del agente de soldadura fuerte o su proximidad, después de lo cual se refrigera el área de la juntura. Por medio del método de acuerdo con la invención, se consigue una junta que se extiende a una profundidad deseada en la dirección longitudinal del tapón. De acuerdo con una realización preferida de la invención, el agente de soldadura fuerte se presenta en forma de lámina. En tal caso, el agente de soldadura fuerte está presente en una forma que es fácil de manipular, y puede colocarse en la juntura exactamente en el sitio deseado, por lo que la realización de juntas es llevada a cabo sin dificultad.

De acuerdo con una realización del método de acuerdo con la invención, se escoge el agente de soldadura fuerte dentro del grupo que incluye como compuestos Ag+Cu, Al+Cu, Sn+Cu y Sb+Cu. En el método de acuerdo con la invención, se forma la junta aplicando una técnica de difusión, en la que los componentes de cobre o aleación de cobre y el agente de soldadura fuerte se disuelven parcialmente en la superficie de contacto. De este modo se obtiene una junta de calidad extremadamente alta. En el caso de las aleaciones de cobre, esto resulta posible con composiciones que ocurren al menos en los sistemas de aleación Cu-Ag, Cu-Al, Cu, Sn y Cu-Sb, que funden a temperaturas relativamente bajas y son ricos o incluso puros en lo que respecta a los componentes de aleación. Por tanto, en algunas realizaciones es posible usar, por ejemplo, una lámina portadora de Al exclusivamente. Además, los equilibrios de fase de dichas aleaciones binarias pueden ajustarse en el método pasando a equilibrios de aleación ternaria (o equilibrios de todavía más componentes). De acuerdo con una realización preferida de la invención, el agente de soldadura fuerte tiene una composición eutéctica con una composición de aleación dada con cobre. Aplicando los agentes de soldadura fuerte requeridos para la junta de difusión en capas optimizadas, suficientemente finas, con mecanismos de difusión es posible, incluso a bajas temperaturas de trabajo, obtener en la estructura final fases sólidas que funden a temperaturas más altas, incluso en cientos de grados, que el agente de soldadura fuerte original. Por tanto la junta se vuelve, en cierto modo, auto-reparadora, ya que soporta temperaturas más altas que las que soportaría el agente de soldadura puro. Se puede llevar a cabo la unión, por ejemplo, por medio de lámina (banda de soldadura fuerte), o hilo de soldadura fuerte; o de otro modo en las superficies a unir entre sí, puede usarse capas finas de material de aleación que se dispone sobre dichas superficies con anterioridad. El calor requerido por los mecanismos de difusión entre el agente de soldadura fuerte y las piezas a unir entre sí puede producirse por calentamiento con un medio de calentamiento, por ejemplo, un quemador de gas licuado. Se puede usar también otras disposiciones de calentamiento apropiadas para calentar el área de juntura, por ejemplo, calentamiento por inducción. Si, además de la junta de difusión, se usa también en la unión soldadura en superficie del tapón, la temperatura de soldadura de la soldadura en superficie puede utilizarse igualmente cuando se realiza la junta de difusión.

En la superficie de la lámina de soldadura fuerte y/o por lo menos en una de las superficies a unir entre sí, se aplica una capa de estaño (Sn) antes de realizar la junta. La aplicación de estaño rebaja la temperatura requerida para realizar la junta. Adicionalmente, se evita la oxidación de las superficies a unir, y no se necesita disposiciones de gas de apantallado en relación con la realización de la junta. Con el fin de iniciar las reacciones de transición de fase y para obtener una estructura de costura óptima, basta con una capa de estaño del orden de unos micrómetros entre la lámina de Ag+Cu y la pieza a unir. La técnica de acuerdo con el método no es crítica para la composición Ag+Cu, por lo que también es posible el uso de una lámina de Ag esencialmente pura. La creación de la junta tiene lugar rápidamente como resultado de una difusión de materiales fundidos y sólidos así como las sucesivas reacciones de transición de fase, ya a las temperaturas de precalentamiento preparadas para la soldadura. Mediante una aplicación del método de acuerdo con la invención, ha sido posible crear agentes de soldadura fuerte que son bien resistentes a una atmósfera que contiene los gases presentes en el espacio del horno. Por ejemplo, un agente de soldadura fuerte Ag+Cu soporta bien la atmósfera portadora de S0_{2} de un horno de fusión rápida. Con respecto a la corrosión que tiene lugar en las condiciones de trabajo, el estaño del oro mosaico creado no es dañino, porque no es sulfatado de manera similar al cinc y cobre. En cuanto a la plata que se disuelve en las fases de la costura de la unión, mejora la resistencia a la corrosión del oro mosaico.

La invención se refiere también a un elemento de refrigeración para hornos, comprendiendo dicho elemento un elemento de carcasa fabricado principalmente en cobre, y canales formados en dicho elemento de carcasa para la circulación del agente de refrigeración; cuando se forma dichos canales, en el elemento de carcasa se hace agujeros que se abren en la superficie del mismo; y al menos parte de dichos agujeros son taponados. Además, la junta entre el tapón y el elemento de carcasa es una junta de difusión. El elemento de refrigeración de acuerdo con la invención es extremadamente resistente a la atmósfera reinante en los hornos. Las superficies de la junta están formadas principalmente por la superficie lateral del tapón y la superficie interior del agujero. Así, la junta se hace suficientemente larga en la dirección longitudinal del tapón. La junta se realiza usando lámina de soldadura fuerte dispuesta entre las superficies de junta. El tapón comprende una sección roscada y una
sección de junta cónica. Por medio de la sección roscada, las superficies de la junta son presionadas entre sí, de manera que se forme una junta de alta calidad. La sección de junta del tapón es autocentradora, por lo que las superficies de la junta se aplican uniformemente una contra otra.

Se va a explicar la invención con más detalle haciendo referencia a los dibujos anexos, en los que:

la figura 1 es una ilustración simplificada de un elemento de refrigeración,

la figura 2 ilustra el elemento de refrigeración de la figura 1 a lo largo de la sección A-A, y

la figura 3 ilustra una etapa del método de acuerdo con la invención, en la que se suelda el tapón en un agujero previsto en el elemento de refrigeración.

La invención se refiere a un método para taponar un agujero, particularmente un agujero previsto en un elemento de refrigeración, método en el que, en un agujero 9 previsto en una pieza consistente principalmente en cobre, siendo dicha pieza por ejemplo un elemento de carcasa 2 de un elemento de refrigeración 1, se dispone un tapón 8 consistente principalmente en cobre. La figura 1 ilustra un elemento de refrigeración 1 aplicando el método de taponamiento de acuerdo con la invención. Típicamente, el elemento de refrigeración 1 se fabrica en cobre. En el elemento de carcasa 2 del elemento de refrigeración 1, se realiza por ejemplo por perforación o colada un sistema de canales 3, 4, 5, en el que circula un agente de refrigeración, tal como agua, cuando está instalado el elemento 1 en su sitio en la pared del horno. En el ejemplo ilustrado en el dibujo, se realiza el sistema de canales formando agujeros 3, 4, 5 a través del elemento de carcasa 2. Los agujeros 3, 4, 5 son previstos en el elemento de carcasa 2 de manera que estén interconectados y formen de este modo un sistema de canales para la circulación del agente de refrigeración. Parte de los agujeros 9 formados en la superficie del elemento de refrigeración 2 están provistos de tapones 8, de manera que sólo se deje en el elemento los conductos de entrada y salida 6, 7 necesarios con el fin de conectar los elementos a la circulación de agente de refrigeración. El elemento de refrigeración 1 se fija a las estructuras del horno, por ejemplo a una pared, en cuyo caso refrigera típicamente el revestimiento ignífugo del horno. Típicamente, la pared del elemento de refrigeración en el lado de los conductos de entrada y salida 6, 7 está dirigida hacia fuera con respecto al interior del horno (no ilustrado). El material típicamente empleado como material del elemento de refrigeración es el cobre, debido a sus buenas propiedades de conductividad calorífica, entre otras. El elemento de refrigeración ilustrado en los dibujos representa un ejemplo simplificado de la estructura del elemento de refrigeración. Típicamente, el elemento de refrigeración puede contener varios canales adyacentes en la dirección longitudinal y/o transversal del elemento. Con el fin de refrigerar las estructuras del horno, se usa varios elementos de refrigeración, que se conectan a la circulación de agente de refrigeración.

En el método de acuerdo con la invención para taponar un agujero de elemento de refrigeración, en el que se dispone en un agujero 9 previsto en el elemento de carcasa 2 de un elemento de refrigeración 1, fabricado esencialmente en cobre principalmente, un tapón 8 que se fabrica principalmente en cobre, entre la superficie lateral 11 del tapón 8 y la superficie interior 13 del agujero, se dispone un agente de soldadura fuerte 10 con una temperatura de fusión menor que la temperatura de fusión de las piezas que hay que unir entre sí, y se calienta al menos el área de unión del tapón y el elemento de refrigeración al menos hasta la temperatura de fusión de una parte del agente de soldadura fuerte, o a la proximidad de la misma, después de lo cual se refrigera el área de unión. Por medio del método de acuerdo con la invención, se crea una junta de difusión. Se puede elevar la temperatura hasta crear una fase fundida momentánea en la zona de unión.

De acuerdo con una realización preferida, el agente de soldadura fuerte 10 se presenta en forma de lámina. La lámina es fácil de manipular, y cuando se corta a una anchura y longitud apropiadas, puede instalarse con anterioridad exactamente en el punto deseado de la unión, en cuyo caso se obtiene juntas extremadamente buenas a lo largo de toda el área de la superficie de unión. De acuerdo con una realización preferida, el agente de soldadura fuerte se dispone en el agujero 9 previsto en el elemento de carcasa 2 y/o en la superficie de unión 11 del tapón 8 antes de insertar el tapón en el agujero. Se escoge el elemento de soldadura fuerte 10 de un grupo que incluye las combinaciones Ag+Cu, Al+Cu, Sn+Cu y Sb+Cu. En lo que respecta al comportamiento de fusión, los ingredientes del agente de soldadura fuerte, forman ventajosamente composiciones eutécticas con el cobre. Por ejemplo, con un agente de soldadura fuerte de Ag+Cu, la composición eutéctica comprende 71% en peso de Ag y 29% en peso de Cu. Los agentes de refrigeración pueden ser también Ag o Al puro.

Sobre la superficie de la lámina de agente de refrigeración 10, y/o en por lo menos una de las superficies 11, 13 a unir, se puede disponer una capa de estaño Sn, por lo que se puede rebajar la temperatura requerida para la soldadura fuerte, por ejemplo, aplicando a la superficie de una lámina de agente de refrigeración Ag+Cu con un espesor de 50 \mum, por ejemplo una capa de Sn con un espesor de 5-10 \mum, se ha conseguido juntas de calidad muy elevada. Las capas de estaño se pueden crear, por ejemplo, sumergiendo el agente de soldadura fuerte en forma de lámina en estaño fundido, y cuando es necesario, alisando posteriormente la lámina por rodadura. El espesor del agente de soldadura fuerte es típicamente de 10-500 \mum, ventajosamente 20-100 \mum. Cuando se usa capas de estaño, el espesor en la sección media de la lámina es 10-100 \mum y en las secciones de superficie 1-20 \mum.

Cuando se usa una capa de Sn en relación con la soldadura fuerte, se puede usar también un agente de soldadura fuerte en el que el contenido de Cu es menor que la composición eutéctica. Por ejemplo, el contenido de Cu de un agente de soldadura fuerte de Ag+Cu puede estar comprendido también dentro del intervalo de 0-29% en peso. Desde el punto de vista del método, la composición no es crítica cuando se usa capas de estaño.

Además de la soldadura fuerte, el tapón 8 puede soldarse también al elemento de carcasa 2 cuando se desea. En tal caso debajo de la soldadura, en la junta de soldadura fuerte, continúa la difusión de estaño y plata a cobre, y en lo que respecta a las fases creadas en la costura de la unión, la dirección es hacia fases que funden a temperaturas cada vez más altas. Ahora la temperatura requerida para la creación de una junta de difusión se alcanza ya en el calentamiento preliminar llevado a cabo para el proceso de soldadura.

En consecuencia, la junta realizada de acuerdo con el método de la invención entre el tapón 8 del elemento de refrigeración y el elemento de carcasa 2 es una junta de difusión y producida por tratamiento térmico. Las superficies de unión principales son la superficie lateral 11 del tapón 8 y la superficie interior 13 del agujero. El tapón comprende una sección roscada 12 y una sección de unión cónica 11. En forma, la sección de unión cónica 11 es un cono truncado que está estrechado hacia la sección roscada 12. Las holguras previstas en la sección roscada permiten centrar la sección de la unión 11 con la superficie interior 13 del agujero.

La figura 3 ilustra con más detalle una etapa del método de taponamiento de acuerdo con la invención. Típicamente, el material del tapón es cobre principalmente. En la realización del dibujo, el tapón 8 comprende una sección cónica 11 y una sección roscada 12. En el agujero 9 se forma contrapartes para el tapón 8, es decir, una parte cónica 13 y una parte roscada 14. En la situación ilustrada en la figura 3, en la proximidad de la pared interior del agujero 9, o en contacto con la superficie cónica 13, se dispone una capa de agente de soldadura fuerte 10, lo más ventajosamente en forma de lámina. Posteriormente se inserta el tapón 8 en el agujero 9, de forma que la superficie cónica 11 del tapón y la superficie cónica 13 del agujero se apliquen una contra otra, mientras que la capa de agente de soldadura fuerte 10 permanece entre ellas. El tapón 8 de acuerdo con la realización ilustrada en el dibujo es retorcido para que agarre las roscas 14 del agujero. De acuerdo con una realización preferida, el tapón 8 puede estar provisto de un dispositivo de arrastre 15 que se puede usar para sujetar el tapón en el agujero, a un grado de apriete deseado usando dicho dispositivo de arrastre. Posteriormente se calienta la unión del tapón 8 y el elemento de carcasa 2 para crear una difusión en el área de unión.

Unas pocas realizaciones preferidas de la invención están ilustradas con más detalle en los siguientes ejemplos.

Ejemplo I

En este ejemplo, el agente de soldadura fuerte utilizado fue un agente de soldadura fuerte de Ag+Cu que tenía una composición eutéctica y contenía 71% en peso de Ag y 29% en peso de Cu. El agente de soldadura fuerte se presentaba en forma de lámina, con un espesor de 50 \mum. La lámina fue cortada a una medida predeterminada y colocada en el agujero, contra la superficie interior del mismo, antes del tapón. Se colocó el tapón en su sitio, para presionarlo contra la lámina de agente de soldadura fuerte. El área de unión fue calentada por encima de la temperatura de fusión del agente de soldadura fuerte (779ºC), hasta 800ºC aproximadamente, y el gas de apantallado utilizado fue argón. El tiempo de mantenimiento fue de aproximadamente 5 minutos. Las juntas de acuerdo con el ejemplo dieron un excelente resultado. Se creó una junta compacta e ininterrumpida. Una vez que ha tenido lugar el contacto liquido, el cobre se disuelve en el agente de soldadura fuerte y viceversa, la plata se difunde en el cobre. Por tanto, la interfaz de unión es nuevamente cristalizada completamente.

Ejemplo II

En este ejemplo, se unió una pieza de cobre a otra pieza de cobre con un agente de soldadura fuerte de Ag-Cu conteniendo 71% de Ag y 29% de Cu. El agente de soldadura fuerte se presentaba en forma de lámina que tenía un espesor de 50 \mum. Y además sobre la superficie de lámina se formó también una capa de estaño con un espesor del orden de 5-10 \mum. Se elevó la temperatura hasta aproximadamente 600ºC. El tiempo de mantenimiento fue de aproximadamente 5 minutos. Las uniones de acuerdo con el ejemplo dieron un excelente resultado. Se creó una junta compacta e ininterrumpida, en la que después del tiempo de reacción el estaño, que se añadió originalmente como un elemento sensiblemente puro, formó una costura de oro mosaico con cobre.

Usando el método de acuerdo con la invención se puede unir cobre y/o compuestos de cobre con un contenido de cobre típico de por lo menos el 50%.

Para un experto en la materia, resulta obvio que la invención no se limita a las realizaciones anteriormente descritas, sino que puede modificarse dentro del ámbito de las reivindicaciones anexas.

Claims (12)

1. Método para taponar un agujero, particularmente un agujero de un elemento de refrigeración, método en el que se dispone en un agujero (9), formado en una pieza esencialmente fabricada en cobre principalmente, por ejemplo en el elemento de carcasa (2) de un elemento de refrigeración (1) un tapón (8) fabricado principalmente en cobre, en el que se dispone entre la superficie lateral (11) del tapón (8) y la superficie interior (13) del agujero, un agente de soldadura fuerte (10) con una temperatura de fusión menor que la de las piezas a unir entre sí, en el que sobre la superficie del agente de soldadura fuerte (10) y/o en por lo menos una de las superficie (11, 13) a unir, se aplica una capa de estaño (Sn), después de lo cual se calienta el área de unión entre el tapón (8) y la pieza, tal como el elemento de carcasa (2) de un elemento de refrigeración, al menos hasta la temperatura de fusión del agente de soldadura fuerte o su proximidad, después de lo cual se refrigera el área de unión.

2. Método de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque se aplica el agente de soldadura (10) al agujero (9) formado en el elemento de carcasa (2) y/o a la superficie de unión (11) del tapón (8) antes de insertar el tapón en el agujero.

3. Método de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el agente de soldadura fuerte (10) se presenta en forma de lámina.

4. Método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes 1-3, caracterizado porque se escoge el agente de soldadura fuerte (10) de un grupo que contiene las combinaciones Ag+Cu, Al+Cu, Sn+Cu y Sb+Cu.

5. Método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes 1-4, caracterizado porque el agente de soldadura fuerte (10) tiene, con una composición de aleación dada, una composición eutéctica con cobre.

6. Método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes 1-3, caracterizado porque el agente de soldadura fuerte (10) es esencialmente Ag.

7. Método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes 1-3, caracterizado porque el agente de soldadura fuerte (10) es esencialmente Al.

8. Método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes 3-7, caracterizado porque el espesor de la lámina de agente de soldadura fuerte es 10-500 \mum, ventajosamente 20-100 \mum.

9. Método de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizado porque el espesor de la lámina en la
sección media es 10-100 \mum y en las capas superficiales 1-20 \mum.

10. Método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes 1-9, caracterizado porque además de la soldadura fuerte, el tapón (8) se suelda con el elemento de carcasa (2).

11. Elemento de refrigeración para hornos, comprendiendo dicho elemento un elemento de carcasa (2) fabricado principalmente en cobre, y canales (3, 4, 5) formados en el elemento de carcasa para la circulación del agente de refrigeración; cuando se fabricaron dichos canales (3, 4, 5), se formaron en el elemento de carcasa (2) unos agujeros abiertos en la superficie de dicho elemento, taponando al menos parte de dichos agujeros por un tapón mediante una junta de difusión que contiene estaño (Sn), en el que el tapón tiene una parte roscada (12) y una parte de unión cónica (11).

12. Elemento de refrigeración de acuerdo con la reivindicación 11, caracterizado porque las superficies de unión son formadas principalmente por la superficie lateral del tapón (11) y la superficie interior del agujero (13).