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