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

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.