ES2243892T3 - Horno de induccion de crisol frio. - Google Patents

Abstract

Horno de inducción que comprende una pared lateral (2) compuesta esencialmente por sectores (20) verticales pegados, estando los sectores revestidos (22) de cerámica al menos por las caras interiores (24) y las caras laterales (25, 26) de los sectores enfrentadas, y estando redondeadas al menos las aristas verticales (28, 29) que unen las citadas caras interiores con las citadas caras laterales.

Description

Horno de inducción de crisol frío.

El objeto de esta invención consiste en un horno de inducción para la incineración y vitrificación de materias orgánicas, la vitrificación de desechos radiactivos o no radiactivos, la vitrificación de desechos peligrosos, y la fusión de cuerpos refractarios.

La estructura de tales hornos comprende esencialmente una solera de hormigón refractario, que comprende circuitos de agua de refrigeración, en la que se instala una pared lateral denominada crisol, rodeada por un bobinado inductor por el que circula una corriente eléctrica a frecuencias superiores a 100 kHz que constituye la fuente de la potencia producida en el interior del crisol para fundir la materia que se encuentra allí presente. Estos hornos se utilizan principalmente para la incineración y la vitrificación de materias orgánicas, la vitrificación de desechos radiactivos o no, y la fusión de cuerpos refractarios. Las industrias susceptibles, sobre todo, de tener necesidad de los mismos, son las industrias de tratamiento de desechos, comprendiendo los nucleares y peligrosos, y la industria del vidrio.

La pared lateral del crisol es, normalmente, de material metálico permeable a los campos magnéticos. Ésta contiene un circuito de refrigeración para que, en primer lugar, la pared resista las temperaturas muy elevadas alcanzadas para fundir los materiales refractarios como el vidrio, y en segundo lugar, para compensar la potencia eléctrica disipada por efecto Joule en la estructura. Un crisol de este tipo se conoce como "crisol frío". Además, está normalmente dividida en sectores verticales, unidos por sus caras transversales por intercalación de un material de aislamiento eléctrico, para limitar las corrientes inducidas en la pared que producirían pérdidas térmicas y un acoplamiento electromagnético entre el inductor y el contenido del crisol. Los sectores verticales están dispuestos al igual que las duelas de un tonel. El circuito de refrigeración está compuesto habitualmente por canalizaciones verticales perforadas en cada uno de los sectores.

Los sectores de la pared lateral del crisol deben ser mantenidos conjuntamente. Un primer medio consiste en rodear el crisol con una banda circular realizada con cemento o con tela de vidrio impregnada de elastómero o de resina epoxi. Otro medio que ofrece una cohesión más grande consiste en soldar los sectores unos con otros, sobre una brida circular por encima del inductor, donde la intensidad de los campos magnéticos es más débil. Un último tipo de montaje, que es el preferido para la invención, consiste en ensamblar los sectores verticales que componen la virola por medio de tornillos sobre la brida circular, por encima del inductor. Para facilitar el montaje, los sectores se han dotado de patas de montaje sobre la parte montada por el exterior de la virola.

La solera que soporta la virola está compuesta por cajas metálicas atravesadas por un circuito de refrigeración, situadas en hormigón refractario, o compuestas por tubos metálicos de secciones diversas (redonda, cuadrada, rectangular), y montadas en paralelas o en espigas, y colocados en hormigón refractario. Las cajas o los tubos están distanciados unos de otros por una anchura de hormigón refractario. Una de las caras está situada de modo que queda perfectamente enfrentada con el contenido que está bajo fusión en el horno. Al igual que los tubos, la forma de las cajas puede ser diversa: rectangular, triangular, etc.

Los crisoles y las soleras que se conocen, adolecen de una insuficiencia que puede ser detallada como sigue. Para ser aplicable a la combustión-vitrificación de materias orgánicas en baños de vidrio bajo fusión, o a la fusión de cuerpos refractarios en horno de inducción, se necesitan frecuencias y cantidades de calor mucho más importantes que en otras aplicaciones. Pueden aparecer riesgos de cortocircuitos eléctricos entre los elementos metálicos que constituyen el crisol frío (los sectores, las bridas), que constituyen la solera soporte del crisol (cajas metálicas refrigeradas), y entre los elementos del crisol y de la solera. Estos cortocircuitos aparecen incluso cuando los aislantes eléctricos entre los sectores del crisol y las cajas de la solera son grandes.

Sin tratar de ser exhaustivos, estos cortocircuitos eléctricos entre los sectores del crisol y las cajas de la solera, son posibles debido a la presencia de carbono depositado sobre las paredes internas durante la combustión de las materias orgánicas, o debido a la formación de balsas de sulfatos sobre la superficie de los baños de vidrio que entran en contacto con diferentes sectores y con los aislantes eléctricos en los inter- sectores, o por ejemplo, debido en parte al desprendimiento de una gran cantidad de agua durante la fusión de óxidos refractarios. Estos cortocircuitos crean daños irremediables sobre los aislantes eléctricos situados entre los elementos que constituyen el crisol, sobre el hormigón refractario situado entre las cajas de refrigeración de la solera, o incluso perforan los elementos metálicos de la solera y del crisol. Estos cortocircuitos eléctricos son también perjudiciales para una buena utilización de la energía de inducción.

El documento JP-A-5 322 451 describe un horno de inducción que tiene la pared lateral compuesta por sectores verticales pegados. Una capa de cerámica, ha sido aplicada sobre la superficie de los sectores en contacto con el material fundido.

En las aplicaciones mencionadas, se producen atmósferas corrosivas a esas altas temperaturas, que dañan los elementos metálicos del horno constituidos por el crisol y la solera, u obligan a construirlos con materiales que tengan resistividades eléctricas elevadas, aumentando considerablemente las pérdidas eléctricas.

Cualquiera que sea la forma de los sectores del crisol (perfilados, paralelepípedos, formas en T, en triángulo, ...) y de la solera, las aristas vivas de estos elementos metálicos adyacentes son fuentes de arcos eléctricos importantes (efecto puntas eléctrico). Esta aparición de arcos eléctricos se ve principalmente favorecida por el régimen de funcionamiento impuesto a frecuencias elevadas superiores a 100 kHz para las aplicaciones de vidrio y de tratamiento de desechos en baños de vidrio bajo fusión. Estos arcos eléctricos son energéticos y perjudiciales para el comportamiento de los aislantes eléctricos y del hormigón de la solera. Se precisa que si los sectores del crisol fueran redondos u ovoides, esto suprimiría estos efectos de puntas, pero en detrimento de la estanquidad de la virola del horno, lo que se traduce en una reducción excesiva del espesor del aislante eléctrico entre los sectores, y con ello problemas de fugas de materias y gases tras la aparición de una ligera alteración del material aislante.

Para subsanar estos inconvenientes, se ha propuesto un nuevo tipo de crisol y de solera de horno de inducción, como se define en la reivindicación 1.

Para evitar la aparición de arcos eléctricos, la solución propuesta consiste en revestir los sectores metálicos que constituyen el crisol y las cajas metálicas de la solera por una o todas sus caras, con una capa de aislamiento eléctrico de cerámica: al menos por las caras internas y los laterales de los sectores enfrentados para suprimir los arcos eléctricos, o, en vista de las agresiones químicas y eléctricas, por todas las caras comprendida la cabeza, el pie y la cara que da al exterior del horno. Estos revestimientos de cerámica son complementarios con los aislantes eléctricos situados entre los sectores del crisol y las cajas de la solera, y permiten una perfecta protección eléctrica entre los diferentes elementos metálicos del horno, e incluso entre los elementos metálicos y el revestimiento en fusión. Además, revestidos de esa manera, los sectores del crisol y las cajas de la solera están protegidos respecto a las agresiones químicas debidas a los vidrios, a los gases y a los diferentes desechos alimentados al crisol soportado por la solera. Los revestimientos cerámicos refractarios, perfectamente aislantes eléctricos, se realizan por ejemplo mediante llama acetilénica o mediante antorcha de plasma. Los materiales proyectados más frecuentemente son a base de alúmina, mullita, cordierita, zircón, zircona, zirconato y carburo de silicio, con diferentes dopantes compatibles con las tensiones eléctricas.

Una vez revestidos por una o todas sus caras, las cajas metálicas se sitúan en la solera intercalando un aislante eléctrico como hormigón refractario. En lo que se refiere a los sectores del crisol, una vez revestidos por una o todas sus caras con aislantes eléctricos de cerámica, pueden ser montados y atornillados en la brida refrigerada, la cual puede estar asimismo revestida con aislante eléctrico. En la descripción de la invención se detallará un montaje de los crisoles por medio de tornillos, puesto que ello permite limitar las tensiones mecánicas de montaje (compresiones locales) y térmicas (si existen soldaduras), pero la invención se aplica perfectamente a los otros tipos de montaje detallados en el estado de la técnica.

Se ha encontrado en la literatura que es preferible realizar chaflanes en las aristas vivas para evitar la fragilización del revestimiento de cerámica y su escamado. Si un chaflán en las aristas vivas de los sectores ayuda al depósito satisfactorio de cerámica de aislamiento eléctrico sobre las caras de los sectores, no es en absoluto suficiente para oponerse a la aparición de arcos eléctricos a frecuencias superiores a 100 kHz entre las cajas de la solera y las caras de los sectores que constituyen la parte interna del crisol, que se enfrentan por ejemplo a los polvos carbonizados emitidos a partir de la combustión de materias orgánicas sobre el baño de vidrio en estado de fusión, o que se enfrentan a los elementos a vitrificar.

Las aristas vivas orientadas sobre la cara interna del horno, están mecanizadas con radios de curvatura redondeados. La supresión de cualquier arista viva por mecanizado con radio de curvatura, afecta a las aristas que dan al interior del horno de inducción. La presencia de chaflanes sobre las otras aristas, exteriores al crisol, puede ser suficiente sin que ello sea obligatorio. El dimensionamiento de estos radios de curvatura permite lograr las funcionalidades siguientes:

- el radio de curvatura no debe ser de dimensión reducida (inferior a 1 mm), por ejemplo, para evitar formar trampas para la materia en el entrehierro libre entre los sectores durante la variación de la altura del baño de vidrio,

- al igual que en determinadas configuraciones descritas en el estado de la técnica, se puede conservar un aislante eléctrico tal como la mica en los inter-sectores (espesor de mica comprendido entre 0,1 y 4 mm), o montar los elementos de unión sin otros aislantes eléctricos suplementarios aparte del depósito de cerámica. El radio de curvatura debe ser pequeño (inferior a 5 mm) para estar seguros de que los sectores metálicos refrigerados estén lo bastante próximos como para evitar que el vidrio en estado de fusión entre en contacto con el aislante eléctrico situado en los intervalos, con el riesgo de deteriorar y de hacer fluir la materia del interior del crisol hacia el exterior.

La invención se diferencia, en el caso preciso, de las aplicaciones de incineración y vitrificación de materias orgánicas, de vitrificación de desechos y de fusión de cuerpos refractarios, en los bajos valores de los flujos térmicos intercambiados entre la materia a vitrificar y las paredes del horno. A título de ejemplo, estos flujos son más bajos en un orden de magnitud que en los crisoles fríos de fusión de metales, en virtud de la creación contra la pared del horno de un auto-crisol de vidrio, sólido y refractario. En estas condiciones, los materiales de cerámica de protección eléctrica, están perfectamente refrigerados, impidiendo su degradación, su escamado, y sobre todo impidiendo la polución de la materia vitrificada.

La invención va a ser descrita ahora de manera más detallada y en todos sus aspectos con relación a las figuras:

La Figura 1 representa un crisol soldado conforme a la técnica anterior;

Las Figuras 2 y 3 ilustran una realización de un crisol de la invención;

Las Figuras 4 y 5 ilustran el modo de fabricación del crisol, y

Las Figuras 6 y 7 ilustran una solera conforme a la invención.

Haciendo referencia a la Figura 1, un crisol comprende una solera de hormigón refractario que lleva la referencia 1, una pared lateral que lleva la referencia 2, llevando sus sectores de acero inoxidable la referencia 3, las capas intermedias de aislante eléctrico la referencia 4, y las espiras del inductor la referencia 5. Los detalles de construcción y la disposición de estos elementos, son conformes con la descripción que antecede. La parte lateral 2 ha sido representada sólo parcialmente, pero está claro que se extiende a un círculo o una vuelta completa, como en cualquier otro crisol, comprendido el de la invención. Cada uno de los sectores 3 está ahuecado con un circuito de refrigeración 6 que se extiende a la casi totalidad de su altura, y que está aquí compuesto por un par de conductos paralelos verticales, y que se unen por la parte baja de los sectores 3 (siendo uno sólo de estos conductos visible en la representación en corte). Las perforaciones 7 y 8 de entrada y de salida del líquido de refrigeración, ponen en comunicación los conductos por el exterior de los sectores 3, y desembocan en los colectores 9 y 10 superpuestos que pertenecen a una misma brida 11 a la que se han soldado los sectores 3 por medio de un cordón 12 circular, por su borde externo superior. Incluso con esta soldadura, es posible añadir a la estructura una banda exterior 13 bajo la brida 11, para mejorar la cohesión de la pared lateral 2 y asegurar una estanquidad al gas. Los inconvenientes mencionados en lo que antecede, de los dos modos de ensamblaje de la pared lateral 2, no desaparecen por tanto aunque estos modos sean combinados. La solera 1 está refrigerada por medio de una circulación de agua en las cajas metálicas, que no ha sido aquí representada.

Una realización de la invención va a ser descrita a continuación, con la ayuda inicial de las Figuras 2 y 3.

Los sectores de la pared lateral llevan la referencia 20. Estos tienen la misma forma exterior y están también atravesados por un par de conductos de un circuito de refrigeración 21 cuyos extremos desembocan en el exterior mediante los tubos 23a y 23b (Figura 3). Pero contrariamente a la realización conocida, los sectores 20 de la invención no están desnudos, sino cubiertos por un revestimiento 22 de cerámica que puede ser elegida entre las composiciones a base de alúmina, mullita, cordierita, zircones, zirconas, o zirconatos, pudiendo ser añadidos diferentes aditivos en vista de las tensiones térmicas, químicas y eléctricas a las que el crisol tendrá que hacer frente. Solamente se ha representado un sector 20 con el revestimiento 22 en la Figura 2, pero todos ellos están revestidos en realidad. De igual modo, el revestimiento 22 está presente en el sector 20 de la Figura 3, pero no ha sido representado en virtud de una mayor claridad del dibujo. Se preconiza cubrir al menos la cara interior 24 de los sectores 20 y sus caras laterales 25 y 26, que son las caras sometidas a la corrosión y a la aparición de arcos eléctricos; sin embargo, no estaría mal cubrir también la cara exterior 27, lo que se ha representado aquí, o incluso las caras superior e inferior. Como las agresiones químicas o los riesgos de cortocircuitos eléctricos que pudieran justificar el empleo del revestimiento 22, provendrían de los gases que permanecen por encima de la materia fundida y de las partículas y las fugas arrastradas por estos gases, más que de la materia fundida en sí misma, puesto que una función de estos crisoles fríos consiste en mantener un espesor sólido del contenido del crisol sobre la pared lateral, el revestimiento 22 se extiende hasta la cúspide de los sectores 20. Su espesor está comprendido entre 50 \mum y 500 \mum, según las aplicaciones. Una disposición complementaria para reducir la probabilidad de arcos eléctricos, todo ello permitiendo una mejor adherencia del revestimiento 22, consiste en suprimir las aristas vivas entre las caras 24 a 27 de los sectores 20: en este caso, las aristas 28 y 29 interiores al horno (entre la cara inferior 24 y las caras laterales 25 y 26), han sido redondeadas con un radio de curvatura que puede ser de uno a cinco milímetros, y las otras aristas, tales como las 30 y 31 (entre la cara exterior 27 y las otras laterales 25 y 26), han sido simplemente achaflanadas; esta última disposición no es necesaria más que a efectos de facilitar la adherencia del revestimiento 22 a la unión de dos caras revestidas. Las aristas horizontales de los sectores 20, arriba y abajo, pueden estar también redondeadas o achaflanadas en caso de que se puedan crear arcos eléctricos con los elementos próximos.

Haciendo referencia, más específicamente, a la Figura 3, se aprecia que la brida 11 ha desaparecido, y que los circuitos de refrigeración 21 no están asociados a colectores tales como los 9 y 10 adyacentes al crisol, sino que son completamente distintos, prolongándose los tubos 23a y 23b por el exterior. Los sectores 20 comprenden una pata 32 superior, asimismo en sector circular, que está inclinada respecto a la cara exterior 27. La misma comprende una entalladura 33 que abre hacia el exterior. Una brida 34 plana, de forma circular, se encuentra colocada sobre todas las patas 32, y comprende roscados 35. Tornillos 36 se han encajado en los roscados 35 a través de las entalladuras 33, y apoyan por debajo de las patas 32, que los retienen contra la brida plana 34. De este modo, los sectores 20 son mantenidos en su lugar y forman un conjunto único. Una banda exterior 37 puede ser añadida para asegurar la estanquidad del crisol al aire, y hacer que el conjunto cierre aún mejor, sin que ello sea no obstante imprescindible; puede ser de tela de vidrio impregnada de elastómero o de resina epoxi. Por último, se pueden introducir capas de aislante eléctrico 38, por ejemplo de mica, entre las caras laterales 25 y 26 de sectores 20 contiguos.

Un revestimiento 57 de cerámica, puede ser también dispuesto sobre la brida 34, y ante todo, sobre su cara inferior 58 que toca las patas 32 de los sectores 20. También resulta útil achaflanar las aristas que unen dos caras revestidas de cerámica.

Otra disposición, que resulta posible merced a la brida plana 34, consistiría en añadir una cubierta 39 colocada sobre la misma, y retenida en la prisión 40 por medio de tornillos 41 encajados en los taladrados de la brida plana 34, con el fin de confinar la continuidad del crisol y asegurar una perfecta estanquidad.

Se ha mencionado ya que el ajuste preciso e invariable de los sectores 20 que ofrece el conjunto con el tornillo y la brida plana 34, permite revestir los sectores 20 con cerámica sin riesgo alguno para ésta. Ahora resulta conveniente describir un procedimiento de montaje de la pared lateral que permite no exponer la cerámica a daños, incluso en este momento: esto es lo que se ha hecho con referencia a las Figuras 4 y 5. Los sectores 20, tras haber sido mecanizados con una precisión suficiente en los lugares necesarios (en particular, en la cara inferior situada sobre la solera 1 de hormigón, en la cara superior de las patas 32 y en las caras laterales 25 y 26), y revestidos con cerámica por medio de un depósito con plasma y un pulido con abrasivo, se colocan toscamente sobre la brida plana tras haber sido vueltos, se coloca una cuña cónica de centrado 42 sobre los mismos, y se encajan abrazaderas de apriete 43 alrededor de los mismos y se aprietan para que se aproximen hasta que toquen todos ellos el flanco cónico de la cuña 42. Las capas de aislante eléctrico 38 han sido ya intercaladas. En función de la altura de la cuña 42 y del apriete de las abrazaderas 43, el diámetro de la pared lateral y su pretensado, pueden ser regulados. Los tornillos 36 son apretados a continuación para unir las patas 32 a la brida plana 34 situada por debajo de las mismas. El montaje está entonces completado. La banda 37 puede ser inicialmente formada por arrollamientos 371 situados entre las abrazaderas de apriete 43, y después por los arrollamientos complementarios cuando las abrazaderas de apriete 43 han sido retiradas. Esta colocación de la banda en dos tiempos permite que el pretensado de la pared lateral no se relaje al aflojar prematuramente las abrazaderas 43.

Las Figuras 6 y 7 ilustran la solera 46 de la realización de la invención. La misma comprende una placa principal 47 dotada de una concavidad central que ocupa las cajas 48 de refrigeración. Cada caja 48 comprende un conducto de llegada 49 y un conducto de salida de agua 50.

De una manera similar a los sectores 20 del crisol, se consigue una protección de las cajas 48 metálicas respecto a agresiones químicas y térmicas, y se previene la aparición de arcos eléctricos que surjan desde las mismas. También se han revestido de cerámica, al menos por la cara exterior 51 (que da al baño fundido); el revestimiento tiene la referencia 52. Y las aristas 53 que delimitan esta cara superior 51, están redondeadas, teniendo también un radio de curvatura de uno a cinco milímetros; las otras aristas 56 (verticales y que delimitan la cara inferior 55), pueden estar también redondeadas o al menos achaflanadas, sobre todo si las caras laterales 54 e inferior 55 que las mismas delimitan están también revestidas de cerámica.

Claims (7)

1. Horno de inducción que comprende una pared lateral (2) compuesta esencialmente por sectores (20) verticales pegados, estando los sectores revestidos (22) de cerámica al menos por las caras interiores (24) y las caras laterales (25, 26) de los sectores enfrentadas, y estando redondeadas al menos las aristas verticales (28, 29) que unen las citadas caras interiores con las citadas caras laterales.

2. Horno de inducción según la reivindicación 1, que comprende una solera sobre la que se coloca la pared lateral, que se caracteriza porque la solera está dotada de cajas de refrigeración (48) revestidas (52) de cerámica al menos por las caras superiores (51), y estando redondeadas al menos las aristas (53) que delimitan la citada cara superior (51).

3. Horno de inducción según la reivindicación 1 ó 2, que se caracteriza porque los sectores están también revestidos de cerámica por las caras exteriores (27).

4. Horno de inducción según la reivindicación 2, que se caracteriza porque las cajas de refrigeración están también revestidas de cerámica por las caras inferiores (54) y laterales (55).

5. Horno de inducción según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que se caracteriza porque los sectores están dotados de patas (32) de montaje en una brida superior, y porque la brida está revestida de cerámica al menos por una cara que toca los sectores.

6. Horno de inducción según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, que se caracteriza porque las caras de los sectores y de las cajas de agua que están revestidas de cerámica, están unidas entre sí por medio de aristas redondeadas o achaflanadas (28, 29, 30, 31).

7. Horno de inducción según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, que se caracteriza porque la cerámica tiene una base elegida entre la mullita, la alúmina, la cordierita, el zircón, la zircona, y el zirconato.