ES2231191T3 - Metodo para la fabricacion de un elemento refrigerante de material compuesto para la zona de fusion de un reactor metalurgico y elemento refrigerante de material compuesto fabricado por dicho metodo. - Google Patents
Metodo para la fabricacion de un elemento refrigerante de material compuesto para la zona de fusion de un reactor metalurgico y elemento refrigerante de material compuesto fabricado por dicho metodo.Info
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Abstract
Método para la fabricación de un elemento de enfriamiento de material compuesto (1) para la zona de fusión de un reactor metalúrgico, en el que se fabrica el elemento (1) colocando secciones de revestimiento de cerámica (2) en un armazón (10) fabricado en acero y fijando entre sí las secciones de revestimiento de cerámica (2) por colada de cobre y formando al mismo tiempo una placa de cobre (5) detrás del revestimiento (2) que está equipado con canales de agua de enfriamiento (6), de manera que el armazón (10) forme la junta de la superficie del elemento y el cobre forme las juntas interiores y la placa de cobre detrás del revestimiento.
Description
Método para la fabricación de un elemento
refrigerante de material compuesto para la zona de fusión de un
reactor metalúrgico y elemento refrigerante de material compuesto
fabricado por dicho método.
La invención se refiere a un método para la
fabricación de un elemento de enfriamiento de material compuesto
para la zona de fusión de un reactor metalúrgico, por el que se
fabrica el elemento fijando entre sí secciones de revestimiento de
cerámico por colada de cobre y formando al mismo tiempo una placa de
cobre equipada con canales de agua de enfriamiento detrás del
revestimiento. La invención se refiere también a elementos de
enfriamiento de material compuesto fabricados por este método.
El refractario de los reactores en procesos
pirometalúrgicos está protegido por elementos de enfriamiento
refrigerados por agua de manera que, como resultado del
enfriamiento, el calor que llega a la superficie refractaria se
transfiera vía el elemento de enfriamiento al agua, reduciéndose
considerablemente el desgaste del revestimiento comparado con un
reactor que no esté refrigerado. Gracias al efecto de enfriamiento
se produce un desgaste reducido, formándose el denominado
revestimiento autógeno que se fija a la superficie del revestimiento
resistente al calor y que está formado por escoria y otras
sustancias precipitadas de las fases fundidas.
Convencionalmente, los elementos de enfriamiento
son fabricados de tres modos: primeramente, puede fabricarse
elementos por colada de arena, en la que los tubos de enfriamiento,
fabricados en un material de alta conducción térmica, tal como el
cobre, se ponen en un molde formado de arena, y se enfrían con aire
o agua durante la colada alrededor de los tubos. El elemento colado
alrededor de los tubos es también de material de alta conductividad
térmica, preferentemente de cobre. Este tipo de método de
fabricación es descrito, por ejemplo, en la patente GB nº 1.386.645.
Un problema de este método es la fijación irregular de la tubería
que actúa como canal de enfriamiento para el material colado que la
rodea. Algunos tubos pueden estar completamente libres del elemento
colado alrededor de ellos y parte del tubo puede fundirse
completamente y fusionarse así con el elemento. Si no se realiza
unión metálica entre el tubo de enfriamiento y el resto del elemento
colado a su alrededor, la transferencia de calor no será eficiente.
Nuevamente, si la tubería se funde completamente, ello impedirá el
flujo del agua de enfriamiento. Ventajas de este método son los
costes de fabricación comparativamente bajos y la independencia de
dimensiones.
Otro método de fabricación del elemento de
enfriamiento del tipo antes citado consiste en fabricar elementos
por colada de arena, con tubos de enfriamiento fabricados en un
material que no sea cobre. Se cuela cobre alrededor de los tubos
sobre un lecho de arena, y después por sobrecalentamiento del
cobre de colada, se consigue un buen contacto entre el cobre
y los tubos. Sin embargo, en general, la conductividad térmica de
dichos tubos sólo es del orden del 5-10% de
la del cobre puro. Esto debilita la habilidad de enfriamiento de
los elementos, especialmente en situaciones dinámicas.
La patente US 4.382.585 describe otro método muy
usado de fabricación de elementos de enfriamiento, de acuerdo con el
cual se fabrica el elemento, por ejemplo, a partir de chapa de cobre
laminada o forjada formando por maquinado los canales necesarios en
ella. La ventaja de un elemento fabricado de este modo es su densa y
robusta estructura y la buena transferencia del calor desde el
elemento a un agente de enfriamiento tal como el agua. Sus
desventajas son las limitaciones dimensionales (tamaño) y alto
coste.
El documento DE 29 49 998 describe también un
método para fabricar un elemento de enfriamiento compuesto de
acuerdo con el cual se forma una sección de revestimiento de
ladrillo que lleva incorporados alojamientos u oquedades, de forma
que colando cobre sobre la superficie del revestimiento de ladrillo,
el cobre se funda en estos alojamientos proporcionando una
conductividad formal.
Tomando el documento
US-A-2.686.666 se describe un método
para fabricar un medio de enfriamiento de solera, en el que se cuela
metal alrededor de los miembros de ladrillo refractario parcialmente
espaciados con el fin de envolver cada miembro por cinco superficies
con metal de contacto íntimo que es enterizo con el del elemento de
enfriamiento.
La máxima debilidad de los elementos de
enfriamiento fabricados con los métodos mencionados anteriormente,
es que resulta difícil obtener un buen contacto en la etapa de
ajuste entre el revestimiento de horno cerámico que hay que proteger
(el revestimiento resistente al fuego) y el elemento. Esto quiere
decir que el efecto protector del elemento de enfriamiento sobre el
revestimiento cerámico es muy dependiente del éxito del ajuste, y
muy a menudo no es posible sacar todas las ventajas de las
propiedades de enfriamiento del elemento.
Ahora se ha desarrollado un método por el que se
realiza un contacto metálico fijo entre el revestimiento cerámico
del reactor metalúrgico y una placa de cobre detrás del mismo está
equipada con tubería de agua de enfriamiento, formando juntos un
elemento de enfriamiento compuesto. Esto ocurre mejor cuando las
secciones del revestimiento cerámico, tales como ladrillos cocidos
refractarios, se unen entre sí por colada de cobre fundido entre los
ladrillos y colando al mismo tiempo una placa de cobre detrás de la
superficie formada por las unidades cerámicas. La placa de cobre de
sección posterior está equipada con canales de agua de enfriamiento,
preferiblemente dobles canales. La invención se refiere también al
elemento de enfriamiento compuesto propiamente dicho, con una
sección de superficie formada por ladrillos cerámicos entre los
cuales se cuela cobre de alta conductividad térmica, y donde se
cuela al mismo tiempo una placa de cobre equipada con canales de
agua de enfriamiento, detrás de la sección de superficie. Los rasgos
esenciales resultarán evidentes en las reivindicaciones anexas de la
patente.
En la práctica, el elemento de enfriamiento está
formado de manera que se cuele cobre alrededor de los ladrillos
cerámicos cocidos con el fin de que la mampostería cerámica esté
formada en gran parte durante la colada y haga un buen contacto con
el cobre colado. Debido a la gran conductividad térmica del cobre,
el efecto protector de las juntas de cobre en la mampostería es
eficaz. Para que no se transfiere calor innecesariamente, las juntas
de cobre entre los ladrillos se hacen lo más delgadas posible,
preferiblemente por razones técnicas de 0,5-2 cm de
grosor. Si las juntas son más gruesas, las mismas conducen demasiado
calor desde el horno al enfriamiento, aumentando innecesariamente
las pérdidas de calor y los gastos de explotación. La cantidad
preferible de cobre en la sección de superficie del elemento de
enfriamiento (la sección que va al interior del reactor) en relación
con el revestimiento cerámico es como máximo el 30% del área de
superficie, es decir, la cantidad de material de unión no debería
ser muy masiva, ya que el objetivo es incrementar las pérdidas
totales de calor sino proteger la mampostería.
Se usa ladrillos cocidos, apropiados para colada,
como material de revestimiento cerámico, es decir, material de
ladrillo, ya que tienen tradicionalmente buenas propiedades contra
los caldos metalúrgicos. El cobre es una calidad con buena
conductividad eléctrica, con preferencia superior a 85% IACS, ya que
existe una dependencia directa de la conductividad eléctrica y
térmica del cobre.
Mientras se está uniendo entre sí los ladrillos,
se cuela detrás del revestimiento cerámico una placa de cobre en la
que se han formado canales de agua de enfriamiento. Los canales son
formados como canales de doble tubo en la sección posterior del
elemento formado por la placa de cobre, por ejemplo mediante
taladrado, de manera que se perfore primeramente el tubo exterior,
con paredes perfiladas para incrementar la superficie de
transferencia del calor. Se coloca un tubo interior de menor
diámetro dentro del tubo exterior, y se alimenta agua a través de
este tubo interior al elemento y se le hace salir a través del tubo
exterior perfilado. Usando perfiles, tales como ranuras,
acanaladuras, roscas o similares en la superficie interior del tubo,
se puede incrementar la superficie de transferencia del calor de la
pared hasta el doble comparado con una superficie lisa.
Se forma canales en el elemento de transferencia
del calor de manera que exista una distancia máxima de
0,5-1,5 veces el diámetro del canal entre los
canales, y es por consiguiente una parte fija del elemento. Si se
realiza los canales más juntos, no se obtendrá beneficio, ya que
entonces la superficie de transferencia del calor de la parte
posterior de los canales se utilizaría innecesariamente y se
debilitaría también la estructura. Si, por otro lado, la
canalización se realiza más separado, no se utilizará la
maximización de la superficie de transferencia de calor y entonces
disminuirá la capacidad de enfriamiento.
Como se ha mencionado más arriba, se coloca un
tubo interior dentro de cada tubo perforado en el elemento de
transferencia de calor, a través del cual se conduce el agua de
enfriamiento al elemento. Desde el tubo interior el agua fluye por
el canal a modo de anillo formado por los tubos interior y exterior
y sale a la circulación. La estructura de doble tubo facilita una
reducción en el área de sección transversal de flujo por lo que se
consigue una mayor velocidad con una cierta cantidad de agua que si
sólo se usase un tubo. Una mayor velocidad de flujo tiene a su vez
un efecto notablemente positivo en la transferencia de calor entre
el elemento y el agua. Si se optimiza la superficie de transferencia
de calor usando tubos lisos convencionales, no se podría alcanzar
tal incremento en el área superficial de transferencia del calor
ya que las cantidades de agua serían excesivamente grandes.
Los elementos de transferencia del calor se unen
entre sí fuertemente formando los lados de los elementos en
lengüetas y ranuras o solapándolos de manera que las rajas de
elementos adyacentes formen un laberinto.
Un elemento de transferencia del calor de acuerdo
con esta invención es descrito con más detalle por medio de los
diagramas adjuntos, en los que:
la figura 1 muestra un elemento de transferencia
del calor visto desde delante,
la figura 2 muestra un elemento de transferencia
del calor visto desde el lado en sección transversal,
la figura 3 es otro elemento de transferencia del
calor de acuerdo con la invención visto desde el lado en sección
transversal, y
la figura 4 es un gráfico que muestra las
pérdidas de calor en función de la cantidad de cobre existente en la
superficie cerámica.
Las figuras 1 y 2 muestran que la parte de
superficie del elemento de transferencia del calor 1, en otras
palabras, la pared que va al interior del reactor, está formada por
revestimiento cerámico 2. El revestimiento cerámico, está formado a
su vez, por ejemplo, en ladrillos cocidos 3, que se unen entre sí
por colada de cobre como un material de junta 4 entre los ladrillos
de forma que la razón del material de junta al área de superficie
cerámica sea máxima 30/70. Mientras se unen los ladrillos entre sí
para formar un revestimiento cerámico uniforme, se cuela una placa
de cobre 5 detrás del revestimiento, en la que se forma los canales
de enfriamiento 6 requeridos. Con el fin de fijar los elementos de
enfriamiento entre sí, el borde de un extremo del elemento puede
hacerse siempre más delgado, de manera que se coloque los elementos
solapando a los adyacentes. Otra opción es dotar a los elementos de
patillas y ranuras (una junta machihembrada) con el fin de obtener
el contacto más apretado, de forma que se obtenga una junta estanca
cuando se ajusta los elementos entre sí.
La figura 2 muestra también la disposición de
tubería doble preferida para la tubería de agua de enfriamiento, en
la que se trabaja el elemento mismo perforando un agujero 7, por
ejemplo, que actúa como tubo exterior, y la superficie de dicho tubo
se perfila como se desee para lograr una gran sección de flujo. Se
coloca un tubo interior 8 de menor diámetro dentro del tubo
exterior, y se alimenta agua de enfriamiento dentro del elemento a
través de dicho tubo interior. El tubo interior no alcanza el fondo
del tubo exterior, sino que es más corto, y el agua de enfriamiento
fluye alrededor del espacio en forma de anillo previsto alrededor de
la parte posterior del tubo interior en el mismo extremo desde el
que se alimentó para salir vía una salida 9. El área en sección
transversal del espacio en forma de anillo es la misma que el tubo
interior o preferiblemente menor, por lo que aumenta la cadencia de
flujo en el tubo exterior. Cuando aumenta la pérdida de presión en
el área de transferencia de calor, esto tiene también un efecto
preventivo en la ebullición localizada del agua.
En algunas situaciones puede resultar ventajoso
prever el enfriamiento del elemento de enfriamiento de algún otro
modo que no sea con el doble tubo antes mencionado, por ejemplo,
fabricando la tubería normalmente por taladrado y taponando sin
doble tubería. En este caso se prefiere también mantener la misma
razón de cobre-cerámica de 30/70.
La figura 3 presenta la fabricación de un
elemento compuesto. Cuando se produce cobre ampolloso en un reactor
metalúrgico, no es deseable poner el cobre usado para el elemento de
enfriamiento unido en contacto directo con el cobre que se está
produciendo, porque su punto de fusión es prácticamente el mismo. A
pesar del enfriamiento, el cobre del elemento puede fundirse
ligeramente o bien el cobre ampolloso puede formar una capa sólida
encima del revestimiento cerámico, y la situación es difícil de
controlar. En este caso, está previsto realizar la colada formando
un marco de acero resistente al calor, por ejemplo, en el que se
ensamblan los ladrillos. La altura del marco es de aproximadamente
1-3 cm y el mismo se pone en contacto tanto con la
cerámica (ladrillo) como con el cobre a colar encima. De esta manera
el marco 10 forma la sección de superficie de la unión entre los
ladrillos en los elementos acabados, como se muestra en la figura
3.
Resulta ventajoso que el marco, es decir, la
superficie de unión entre los ladrillos en el elemento acabado, que
se pone en contacto con el cobre, sea trabajada para que el cobre
fundido a colar encima penetre en las cavidades que pueden ser, por
ejemplo, en forma de aletas. Esto incrementa la superficie de
transferencia de calor entre el acero y el cobre y liga también
perfectamente el cobre y el acero.
La figura 4 muestra cómo cambian las pérdidas
(flujo de calor en porcentaje del flujo de calor de un revestimiento
gastado) a través de la pared del reactor cuando varía la proporción
de cobre en el elemento de transferencia del calor. Las pérdidas de
calor en el caso de un revestimiento intacto disminuyen casi
linealmente, cuando aumenta la proporción de revestimiento cerámico
y disminuyen las pérdidas totales de calor, hasta que la proporción
de cobre desciende por debajo del 10%, en cuyo caso la pendiente se
hace más inclinada.
Normalmente, los revestimientos de las paredes
del reactor se desgastan por el efecto combinado de la temperatura y
la penetración del material fundido, por lo que se debilita el
aislamiento y aumentan las pérdidas de calor. La temperatura de un
revestimiento enfriado únicamente por detrás (cobre 0%), aumenta
hasta tal punto que la penetración de material fundido se incrementa
y la erosión es capaz de avanzar hasta que finalmente sólo queda
estable una fina capa de ladrillos en la superficie de un elemento
de cobre nivelado. Cuando hay algo de cobre dentro del elemento, la
temperatura del refractario es notablemente inferior y disminuye la
penetración del material fundido. En tal caso, las pérdidas de calor
disminuyen al reducirse la proporción de cobre del revestimiento
hasta un cierto limite (20-30% Cu), después de lo
cual las pérdidas de calor disminuyen bruscamente, pero aumentan de
nuevo cuando la proporción de cobre desciende por debajo del nivel
crítico (aproximadamente 5%). De acuerdo con la figura 4 debería
existir un máximo del 30% de cobre en el revestimiento,
manteniéndose la gama óptima entre 5-15%.
Claims (22)
1. Método para la fabricación de un elemento de
enfriamiento de material compuesto (1) para la zona de fusión de un
reactor metalúrgico, en el que se fabrica el elemento (1) colocando
secciones de revestimiento de cerámica (2) en un armazón (10)
fabricado en acero y fijando entre sí las secciones de revestimiento
de cerámica (2) por colada de cobre y formando al mismo tiempo una
placa de cobre (5) detrás del revestimiento (2) que está equipado
con canales de agua de enfriamiento (6), de manera que el armazón
(10) forme la junta de la superficie del elemento y el cobre forme
las juntas interiores y la placa de cobre detrás del
revestimiento.
2. Método de acuerdo con la reivindicación 1,
caracterizado porque las secciones de revestimiento de
cerámica (2) son de ladrillo refractario.
3. Método de acuerdo con la reivindicación
1, caracterizado porque los canales de agua de
enfriamiento (6) son fabricados por taladrado.
4. Método de acuerdo con la reivindicación 1,
caracterizado porque la superficie interior de los
canales de agua de enfriamiento (6) está perfilada.
5. Método de acuerdo con la reivindicación 1,
caracterizado porque los canales de agua de enfriamiento (6)
están equipados con tubos interiores (8).
6. Método de acuerdo con la reivindicación 1,
caracterizado porque los canales de agua de enfriamiento (6)
del elemento (1) se encuentran a una distancia uno de otro de
0,5-1,5 veces el diámetro del canal.
7. Método de acuerdo con la reivindicación 1,
caracterizado porque la cantidad de cobre existente en la
sección de superficie del elemento de enfriamiento es como máximo
del 30%.
8. Método de acuerdo con la reivindicación 1,
caracterizado porque las juntas de cobre entre los ladrillos
de cerámica (3) en la sección de superficie del elemento de
enfriamiento (1) son de 0,5-2 cm de grosor.
9. Método de acuerdo con la reivindicación 1,
caracterizado porque el cobre usado en el elemento es cobre
con una conductividad eléctrica de por lo menos 85% IACS.
10. Método de acuerdo con la reivindicación 1,
caracterizado porque el espesor del armazón (10) fabricado en
acero refractario es de 1-3 cm.
11. Método de acuerdo con la reivindicación 1,
caracterizado porque el armazón (10) está formado con aletas
paralelas al cobre colado.
12. Elemento de enfriamiento de material
compuesto para la zona de fusión de un reactor metalúrgico, en el
que el elemento comprende secciones (2) de elemento de cerámica que
se unen entre sí por/y a una placa de cobre (5) equipada con canales
de agua de enfriamiento (6) detrás del revestimiento por colada de
cobre, en el que el material de unión que une las secciones (2) de
revestimiento de cerámica del elemento de enfriamiento se compone
de acero en la sección de superficie del elemento, y detrás de
éste el material de unión es de cobre colado, que forma también la
placa de cobre (5) detrás del revestimiento durante la
colada.
13. Elemento de enfriamiento (1) de acuerdo con
la reivindicación 12, caracterizado porque las secciones de
revestimiento de cerámica (10) son fabricadas en ladrillos
refractarios (3).
14. Elemento de enfriamiento de acuerdo con la
reivindicación 12, caracterizado porque los canales de agua
de enfriamiento (6) del elemento se encuentran a una distancia uno
de otro de 0,5-1,5 veces el diámetro del canal.
15. Elemento de enfriamiento de acuerdo con
reivindicación 12, caracterizado porque los canales de agua
de enfriamiento (6) son fabricados por taladrado.
16. Elemento de enfriamiento de acuerdo con la
reivindicación 12, caracterizado porque la superficie
interior de los canales de agua de enfriamiento (6) está
perfilada.
17. Elemento de enfriamiento de acuerdo con la
reivindicación 12, caracterizado porque los canales de agua
de enfriamiento (6) están equipados con tubos interiores.
18. Elemento de enfriamiento de acuerdo con la
reivindicación 12, caracterizado porque la cantidad de cobre
existente en la sección de superficie del elemento de enfriamiento
es como máximo del 30%.
19. Elemento de enfriamiento de acuerdo con la
reivindicación 12, caracterizado porque las juntas de cobre
entre los ladrillos de cerámica (3) en la sección de superficie del
elemento de enfriamiento son de 0,5-2 cm de
grosor.
20. Elemento de enfriamiento de acuerdo con la
reivindicación 12, caracterizado porque el cobre usado en el
elemento es cobre con una conductividad eléctrica de por lo menos
85% IACS.
21. Elemento de enfriamiento de acuerdo con la
reivindicación 12, caracterizado porque el espesor de la
sección de superficie de la unión realizada en acero refractario es
de 1-3 cm.
22. Elemento de enfriamiento de acuerdo con la
reivindicación 12, caracterizado porque la superficie de
acero refractario que se pone en contacto con el cobre está formada
con aletas.
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