ES2273334T3 - Enfriador refractario interno. - Google Patents

Abstract

UN RECUBRIMIENTO DE PARED PARA UN HORNO (10) QUE INCLUYE UNA CAPA REFRACTARIA (14) QUE TIENE UNA CARA CALIENTE (16) EXPUESTA AL INTERIOR DEL HORNO. UNA PLURALIDAD DE ELEMENTOS CON UN MATERIAL ALTAMENTE CONDUCTIVO TERMICAMENTE (18), COMO ALAMBRES VARILLAS DE COBRE, SE EXTIENDEN DESDE EL ARMAZON EXTERNO (12) DEL HORNO HASTA EL RECUBRIMIENTO REFRACTARIO (14). LOS ELEMENTOS (18) PROPORCIONAN UN CURSO DE CONDUCCION DE CALOR CONTINUO AL ARMAZON EXTERNO (12) DEL HORNO. UNA CAMISA REFRIGERADORA (22) EXTRAE EL CALOR DEL ARMAZON EXTERNO. LOS ELEMENTOS SE ENCUENTRAN DISPERSOS EN EL RECUBRIMIENTO REFRACTARIO (14) PARA PROPORCIONAR UNA TEMPERATURA SUSTANCIALMENTE UNIFORME A LO LARGO DE LA CARA CALIENTE DEL HORNO EN LA PROXIMIDAD DE LOS ELEMENTOS. EL RECUBRIMIENTO DE PARED PUEDE FORMARSE FIJANDO UN CONJUNTO DE ELEMENTOS A LA PARED INTERIOR DEL ARMAZON EXTERNO DEL HORNO, Y APLICANDO U MATERIAL REFRACTARIO A LA PARED INTERNA.

Description

Enfriador refractario interno.

El presente invento hace referencia a los revestimientos murales refractarios que se utilizan en hornos. En especial, el presente invento hace referencia a los medios para enfriar revestimientos murales refractarios.

En varios procesos diferentes, entre ellos la fundición de metales, se utilizan hornos que funcionan a temperaturas elevadas. Casi todos los hornos constan de un armazón exterior fabricado con un material metálico, normalmente acero. El armazón exterior va revestido interiormente con una capa de ladrillos refractarios, para aislarlo de las temperaturas extremas registradas en el interior del horno y también para impedir su contacto con los materiales muy calientes que contiene el horno. Los revestimientos refractarios deben ser de larga duración, para minimizar el considerable tiempo de inactividad forzosa que requiere la renovación del revestimiento interior de un
horno.

En general, los revestimientos refractarios se fabrican con materiales que sólo reaccionan moderadamente al contenido del horno. Sin embargo, ello no impide la erosión y destrucción de los revestimientos refractarios, habiéndose comprobado que la velocidad de erosión y destrucción del revestimiento aumenta con el incremento de la temperatura del lado caliente del revestimiento; es decir, del lado del revestimiento expuesto al interior del horno. De ahí los numerosos intentos efectuados hasta la fecha para disminuir la temperatura del lado caliente del revestimiento, a fin de prolongar la duración del revestimiento refractario.

Una de las estructuras propuestas para disminuir la temperatura del lado caliente requiere la instalación de un circuito hidroenfriado en el revestimiento refractario. El agua que circula por el circuito de enfriamiento extrae calor del revestimiento refractario y hace bajar la temperatura del lado caliente del revestimiento. Aunque dichas estructuras reducen satisfactoriamente la temperatura del revestimiento, requieren el uso de circuitos hidroenfriados en el interior del revestimiento. Cualquier fuga del agua del circuito de enfriamiento puede filtrarse en el horno, ocasionando explosiones y la hidratación del producto refractario. Debido a la evidente peligrosidad de esta situación, hoy se considera que el hidroenfriado interno de los revestimientos refractarios debe evitarse.

Otro enfoque adoptado por la industria requiere el paso de componentes refrigerantes macizos de alta termoconductividad a través de la pared de un horno y su inserción en un revestimiento. La porción exterior de los componentes refrigerantes macizos se deja fuera del revestimiento refractario. Las porciones de los componentes refrigerantes situadas fuera del horno se enfrían mediante un circuito de hidroenfriamiento. Consecuentemente, si se producen fugas en el circuito de hidroenfriamiento, el agua no puede entrar en contacto con el contenido caliente del horno, eliminándose así la hidratación y reduciéndose el peligro de explosión. En general, los componentes refrigerantes macizos se distribuyen a intervalos de medio metro. Esto ocasiona acusados gradientes de la temperatura en el revestimiento refractario. Las zonas del revestimiento muy calientes se desgastan mucho antes que las de temperatura relativamente menor y el desgaste del revestimiento es muy desigual. Además, los acusados gradientes de temperatura del revestimiento ocasionan grandes termoesfuerzos en el revestimiento refractario.

La patente del Reino Unido 1.585.155 describe un horno de arco provisto de un revestimiento compuesto que incluye una capa interior expuesta de material refractario, encarada con el interior del horno. Se provee una capa exterior de material refractario apoyada en la capa interior, quedando la capa exterior de material refractario en contacto térmico con la capa interior. La capa exterior se fabrica con un material más termoconductor que la capa interior. La capa exterior puede estar en contacto con la cubierta del horno, lo cual disipa el calor hacia las inmediaciones o, más habitualmente, hacia un medio de aire a presión o de hidroenfriamiento. La construcción compuesta del revestimiento refractario aumenta el flujo térmico que atraviesa el revestimiento mural lateral, reduciendo así el desgaste del producto refractario. Esta construcción tiene la desventaja de requerir la instalación de una estructura mural refractaria compuesta en el horno. Además, aunque la descripción indique que la capa exterior del revestimiento refractario se fabrica con un material refractario muy conductor, la conductividad relativamente baja de dichos materiales refractarios limita en cierto modo la cantidad de calor que puede eliminarse del horno. Por otro lado, los revestimientos compuestos son caros y pueden ser reactivos.

En la patente de Estados Unidos 3.849.587, concedida a Hatch Associates Limited, se describe otra solución para la erosión y penetración de revestimientos refractarios en hornos que funcionan a temperaturas elevadas. Dicha patente describe la protección de revestimientos refractarios de hornos que trabajan a temperaturas elevadas, mediante el paso de componentes refrigerantes macizos muy termoconductores a través de la pared del horno y su introducción en el revestimiento. Las porciones exteriores de los componentes refrigerantes macizos se dejan fuera del revestimiento refractario. Los componentes refrigerantes integrados en el revestimiento carecen prácticamente de canales hidroenfriados en las porciones situadas en el revestimiento del horno, lo cual evita fugas de agua dentro del mismo. En general, las porciones de los componentes refrigerantes situadas fuera del horno se refrigeran con un circuito de hidroenfriamiento. La longitud, la sección transversal, el espaciado y el material de los componentes refrigerantes se seleccionan para impedir que los componentes refrigerantes se fundan y a fin de extraer del revestimiento una cantidad de calor que permita limitar la erosión del revestimiento.

Es preferible que los componentes refrigerantes insertados en el revestimiento sean de cobre. Los componentes refrigerantes descritos en esta patente son de diámetro grande, normalmente de unos 100 mm, y están bastante separados entre sí. Esto da origen a una gradiente de temperatura que abarca todo el lado caliente del revestimiento refractario, con las consiguientes desigualdades de desgastes y termoesfuerzos asociadas a dichas gradientes de temperatura.

El presente invento aporta un revestimiento refractario que supera, o al menos mejora, una o más desventajas del procedimiento anterior.

La solicitud de patente japonesa JP 5-9542 describe la incorporación de aletas separadas por distancias constantes al interior de un recipiente, para mejorar la eficacia de la termoextracción. Ahora bien, no aborda el problema de aportar una temperatura sustancialmente uniforme en todo el lado caliente del horno.

En un primer aspecto, el presente invento aporta un revestimiento mural para un horno provisto de un armazón exterior y una fuente de refrigerante externo en conjunción con el armazón exterior, comprendiendo dicho revestimiento mural un revestimiento refractario adyacente al armazón exterior, teniendo el revestimiento refractario un lado caliente expuesto a alta temperatura durante el funcionamiento del horno, incluyendo el revestimiento refractario diversos elementos de material muy termoconductor, penetrando dichos elementos en el revestimiento refractario hacia el lado caliente, aportando cada uno de estos elementos una vía termoconductora continua desde el extremo del elemento situado más cerca del lado caliente hasta el armazón exterior del horno, caracterizándose en que los elementos se distribuyen por el revestimiento refractario de manera que dichos elementos se hallen relativamente concentrados en puntos calientes de dicho horno y en que un número relativamente menor de elementos están situados en partes más frías de dicho horno, para aportar una temperatura sustancialmente uniforme en todo el lado caliente del horno.

"Temperatura sustancialmente uniforme" significa que la temperatura en todo el lado caliente no varía en más de 100ºC. Es preferible que la temperatura en todo el lado caliente no varíe en más de 50ºC.

Los diversos elementos pueden hallarse en la práctica totalidad del revestimiento mural, para alcanzar la temperatura uniforme deseada en todo el lado caliente. Otra posibilidad es disponer los diversos elementos en los revestimientos murales de manera que estén más concentrados en los que, de otro modo, serían los puntos calientes del horno. Igualmente, las partes más frías del horno pueden tener un número relativamente menor de elementos, siendo posible que éstos no lleguen a todos los puntos del horno. Esto es especialmente cierto cuando, sin los diversos elementos, el diseño y el funcionamiento del horno ocasionarían puntos marcadamente calientes y fríos en el mismo, apreciándose que la mayor extracción térmica aportada por los diversos elementos puede ser innecesaria en las zonas menos calientes del horno.

El revestimiento de horno del presente invento puede utilizarse para asegurar la obtención de una temperatura sustancialmente uniforme en la proximidad de los elementos situados en todo el lado caliente del horno. Otra posibilidad es que el revestimiento se diseñe para asegurar la obtención de una temperatura sustancialmente uniforme en todo el lado caliente del horno. Esto es preferible, porque impide la formación de gradientes de temperatura indeseables en el lado caliente. En cualquiera de los dos casos, la temperatura sustancialmente uniforme puede ser inferior a un nivel térmico en que la velocidad de destrucción y/o erosión del revestimiento refractario sea inaceptablemente alta. Se apreciará que, en hornos que sin los diversos elementos tendrían puntos marcadamente calientes y fríos, los elementos sólo pueden precisarse en o cerca de los que, de otro modo, serían los puntos calientes.

Es preferible que el material muy termoconductor sea un metal o una aleación metálica. El cobre es especialmente preferible.

En una forma de realización preferente del presente invento, los diversos elementos de material muy termoconductor penetran en el revestimiento refractario hacia el lado caliente, pero carecen de longitud suficiente para llegar hasta él. En consecuencia, los extremos de los elementos quedan separados del lado caliente por una capa refractaria, lo cual reduce el flujo térmico que atraviesa la pared y aísla los elementos de las temperaturas muy elevadas que se registran en el lado caliente durante el funcionamiento del horno. De este modo, los elementos quedan protegidos y se reduce su posibilidad de degradación y de deterioro térmico.

Los diversos elementos de material muy termoconductor se extienden desde la pared interior del armazón exterior del horno y penetran en el revestimiento refractario, para aportar una vía termoconductora continua entre los extremos de los elementos más próximos al lado caliente y el armazón exterior. El calor se transmite a lo largo de los elementos, hasta el armazón exterior. Puede asociarse un circuito externo de enfriamiento al armazón exterior, para eliminar calor de la pared del horno. Por consiguiente, los diversos elementos ayudan a eliminar calor del horno y hacen posible que el lado caliente del revestimiento refractario se mantenga a una temperatura que le permite funcionar correctamente durante mucho tiempo. La distribución de los diversos elementos a través del revestimiento refractario hace que el lado caliente tenga una temperatura sustancialmente uniforme en la proximidad de los elementos. Esto impide la aparición de puntos calientes en el horno, reduce la formación de termoesfuerzos en la capa refractaria y produce condiciones estables en el lado caliente. En este sentido, el horno descrito en la patente estadounidense 3.849.587, que utiliza cuerpos de enfriamiento relativamente grandes y ampliamente espaciados en todo el revestimiento, es incapaz de conseguir estas condiciones deseables.

Los elementos de material muy termoconductor pueden adoptar la forma de hilos metálicos o varillas metálicas, siendo el cobre el material de elección preferente. Las varillas o los hilos pueden tener un diámetro que oscile entre fracciones de milímetro y un máximo de 25 mm. No se recomiendan diámetros mayores que los indicados, porque dificultan la eliminación de calor deseada del horno sin renunciar a mantener una temperatura sustancialmente uniforme en todo el lado caliente del revestimiento refractario.

Otra posibilidad es la formación de los elementos impregnando ladrillos refractarios con metal fundido y dejando que el metal fundido se solidifique. Cuando los ladrillos refractarios se impregnan con metal fundido, éste penetra en sus poros. Al solidificarse el metal fundido, se forman cuerpos macizos de metal que se extienden desde una cara del ladrillo hasta el interior del mismo, y que, cuando los ladrillos se utilizan para revestir el horno, actúan como los diversos elementos de material muy termoconductor. Se apreciará que la cara de los ladrillos expuesta al metal fundido impregnante será la que se coloque adyacente a la pared interior del armazón exterior del horno. Por otra parte, el metal fundido sólo deberá impregnar parte del interior de los ladrillos, para asegurar que quede una capa refractaria entre el metal y el lado caliente del horno.

El revestimiento mural del presente invento permite enfriar el revestimiento refractario sin necesidad de enfriar internamente el revestimiento. Los diversos elementos transmiten calor al armazón exterior del horno y unos circuitos externos de enfriamiento pueden eliminar el calor del armazón exterior. El circuito externo de enfriamiento puede ser un dispositivo de enfriamiento por aire a presión o de convección natural, o preferiblemente un circuito de hidroenfriamiento. Por ejemplo, el armazón exterior puede ir metido en una camisa exterior de agua, aunque también pueden utilizarse otros dispositivos de hidroenfriamiento.

Los diversos elementos aportan una vía continua para la transmisión de calor al armazón exterior. Además, minimizan las resistencias de contacto a la termotransferencia desde el revestimiento refractario. Puede conseguirse una termotransferencia más eficaz que con los revestimientos compuestos descritos en documentos técnicos anteriores, porque el revestimiento mural del presente invento tiene una termoconductividad eficaz total más alta.

En una forma de realización posible, los diversos elementos pueden formarse integralmente con el armazón exterior. En otra forma de realización posible, los diversos elementos pueden acoplarse o fijarse al armazón exterior.

El revestimiento mural del presente invento puede incorporarse a hornos ya instalados, o diseñarse como parte de hornos nuevos. En el primer caso, los diversos elementos pueden insertarse en el revestimiento refractario a través de orificios perforados en el horno, aunque es posible que esto llegue a debilitar la estructura del horno. Es preferible incorporar el revestimiento mural cuando vaya a cambiarse el revestimiento refractario. El revestimiento puede incorporarse en ese momento mediante ladrillos refractarios impregnados con metal para revestir el horno, o utilizando ladrillos refractarios provistos de varillas metálicas o de hilos metálicos.

En otro aspecto posible, el presente invento aporta un método para revestir un horno con un revestimiento mural que comprende un revestimiento refractario provisto de diversos elementos muy termoconductores, extendiéndose dichos elementos desde un armazón exterior del revestimiento hasta el interior del revestimiento refractario, caracterizándose en que dicho método comprende: (a) el cálculo del flujo térmico que debe atravesar el revestimiento mural, para obtener una temperatura deseada en un lado caliente del revestimiento mural; (b) la determinación del grosor del revestimiento mural y de la termoconductividad del revestimiento mural que se necesiten para obtener el flujo térmico calculado en el paso (a); (c) la determinación de la situación física y de la separación de los diversos elementos de dicho revestimiento mural, necesarias para obtener dicha termoconductividad; y (d) la incorporación de dicho revestimiento mural a dicho horno, quedando dichos elementos en contacto térmico con el armazón exterior, y aportando dicho revestimiento mural una temperatura sustancialmente uniforme en todo el lado caliente del horno durante el funcionamiento de dicho horno; en virtud de todo ello dichos elementos se concentran en puntos calientes de dicho horno y una cantidad relativamente menor de elementos se dispone en zonas más frías de dicho horno.

El presente invento también puede posibilitar la incorporación de un revestimiento refractario a un horno, sin utilizar ningún ladrillo refractario.

En un aspecto más del presente invento, éste aporta un método para revestir un horno con un revestimiento refractario, constando dicho horno de un armazón exterior y comprendiendo dicho método: la incorporación de un conjunto de elementos fabricados con un material muy termoconductor a una pared interior del armazón exterior, de manera que el conjunto de elementos esté en contacto térmico con el armazón exterior, y la aplicación de un material que contenga un producto refractario a la pared interior del armazón exterior, para formar una capa en la pared
interior.

El material que contiene un producto refractario puede aplicarse en estado sustancialmente seco o en forma de compuesto acuoso o de pasta.

El material que contiene un producto refractario puede constar de un material refractario y de uno o más componentes que den lugar a la obtención de un revestimiento refractario compuesto, o el material que contiene un producto refractario puede constar sólo de material puramente refractario.

El revestimiento refractario puede ser un revestimiento compuesto formado mediante la aplicación secuencial, en el orden que se desee, de capas separadas de un material que contenga un producto refractario y de capas de materiales sin productos refractarios o con bajo contenido de los mismos.

Si se utiliza un compuesto acuoso o una pasta de un material que contenga un producto refractario, es posible que sea necesario aplicar el producto refractario o la pasta a la pared interior en varias etapas, empezando con una capa fina que se deja fraguar, seguida de una o más capas de compuesto acuoso o de pasta. La acumulación gradual del revestimiento refractario puede ser necesaria cuando se precisen revestimientos refractarios gruesos, apreciándose que pueden surgir dificultades con el secado y el agrietamiento de un revestimiento grueso, si el mismo se aplica en una sola capa.

El revestimiento refractario completo deberá tener un grosor suficiente para cubrir totalmente el conjunto de elementos. Así se aportará una capa de material refractario aislante entre los extremos de los elementos y el lado caliente del horno, que impedirá la fusión de los elementos durante el uso del horno.

El material que contiene un producto refractario puede aplicarse a la pared interior mediante cualquier método adecuado conocido por los expertos. Por ejemplo, el material que contiene un producto refractario puede aplicarse mediante aerosol, pistola o paleta. Debe entenderse que el presente invento incluye todos los métodos de aplicación del material que contiene un producto refractario a la pared interior del horno.

Si se utiliza un compuesto acuoso o una pasta, el compuesto acuoso o la pasta deberá tener el grosor o la viscosidad suficiente para permitir su fijación a la pared interior durante el fraguado. La realización de las pruebas habituales establecerá fácilmente la viscosidad necesaria del compuesto acuoso o de la pasta para alcanzar dicho fin.

Es preferible que el conjunto de elementos comprenda un conjunto de elementos metálicos. En una forma de realización posible, el conjunto de elementos comprende una malla de hilos de cobre que, en los puntos de intersección de la malla, tiene montados otros hilos de cobre que se extienden sustancialmente en sentido perpendicular al plano de la malla. Cuando la malla se fija a la pared interior del armazón del horno, los hilos de cobre montados en la malla se extienden generalmente hacia el interior del horno. En el uso del horno, estos hilos de cobre actúan como elementos refrigerantes que aportan una vía termoconductora continua desde el extremo de los hilos hasta una fuente de refrigerante externo en contacto con el armazón exterior, contribuyendo de este modo los elementos refrigerantes al enfriamiento del horno.

En otra forma de realización posible, la etapa consistente en fijar el conjunto de elementos a la pared interior del armazón exterior comprende la formación del conjunto de elementos integralmente con la pared interior del armazón exterior. Otra posibilidad es la formación del conjunto de elementos mediante la incorporación de metal fundido a la pared interior del armazón exterior.

Es preferible que la disposición del conjunto de elementos permita conseguir una temperatura sustancialmente uniforme en la proximidad de los mismos y en todo el lado caliente del horno, durante su funcionamiento.

Si se desea o se necesita una temperatura sustancialmente uniforme en todo el lado caliente del revestimiento refractario del horno, puede ser necesaria una distribución desigual de los elementos de material muy termoconductor en la totalidad del revestimiento mural. Por ejemplo, puede aumentarse el número de elementos situados en puntos calientes conocidos de un horno en funcionamiento, para eliminar cantidades proporcionalmente mayores de calor por metro cuadrado que en sus zonas más frías.

Se describirán más detalladamente varias formas de realización preferentes del presente invento en relación con las figuras, en las que:

La figura 1 presenta una sección transversal del revestimiento mural de un horno con arreglo al presente invento;

La figura 2 muestra un trazado del perfil de temperaturas a través del revestimiento mural;

La figura 3 es una vista transversal de un diseño de elemento refrigerante con arreglo al presente invento;

La figura 4 es un diagrama esquemático de la configuración utilizada para una prueba de fábrica que incluye el diseño del elemento refrigerante de la figura 3;

La figura 5 es un trazado del perfil de temperaturas a través del elemento refrigerante utilizado en la prueba de fábrica; y

La figura 6 es un trazado de la variación cronológica del coeficiente de termotransferencia del lado caliente, durante la prueba de fábrica.

En relación con la figura 1, la pared 10 del horno comprende el armazón exterior 12. En general, el armazón exterior es de acero. El horno incluye el revestimiento refractario 14. El lado caliente 16 queda expuesto a las altas temperaturas generadas en el interior del horno. El revestimiento mural incluye diversas varillas o diversos hilos de cobre 18 que se hallan en contacto térmico con el armazón exterior 12 y se introducen en el revestimiento refractario 14. Como se aprecia en la figura 1, las varillas de cobre 18 no se extienden para atravesar el revestimiento refractario 14, sino que más bien finalizan a cierta distancia del lado caliente 16. Esto asegura que, entre los extremos de las varillas de cobre 18 y el lado caliente 16, haya una capa de material refractario que aísla las varillas respecto a las altas temperaturas del horno, impidiendo en consecuencia la degradación y el deterioro térmico de las
varillas.

Durante el funcionamiento del horno se transmite calor entre el lado caliente 16, a través del revestimiento refractario 14, y las varillas de cobre 18. Las varillas están en contacto térmico con el armazón exterior 12 y transfieren rápidamente calor al armazón. Posteriormente, el agua refrigerante 20, que circula por la camisa refrigerante 22, elimina calor del armazón.

Las varillas de cobre 18 se distribuyen a través del revestimiento refractario para aportar una gradiente térmica sustancialmente uniforme en todo el lado caliente. Es preferible que las varillas se dispongan de modo que la transferencia térmica producida a través de la pared sea esencialmente unidimensional. Esto enfría el lado caliente de manera muy uniforme, eliminando eficazmente puntos calientes de la pared evidentes en diseños técnicos anteriores que ocasionan un desgaste desigual del lado caliente. Además, se ha demostrado que la transferencia térmica unidimensional es más eficaz, porque se necesita menos material muy termoconductor para eliminar la misma cantidad de flujo térmico.

El objeto del revestimiento mural es reducir la temperatura del producto refractario en el lado caliente hasta un nivel especificado (el nivel en que cesan las reacciones corrosivas, o el nivel en que el material del proceso se congela). El enfriador debe diseñarse para conseguir dicho fin mientras se minimizan las pérdidas térmicas del horno (flujo térmico a través de la pared). El flujo térmico Q (W/m^{2}) que atraviesa la pared de la figura 1 puede calcularse mediante la fórmula siguiente:

Q = \frac{T_{f} - T_{c}}{R_{TOT}}

siendo T_{f} la temperatura del horno (ºC); T_{c} la temperatura del refrigerante (ºC); y R_{TOT} la resistencia térmica total de la sección mural (m^{2}K/W). Por consiguiente, para controlar las temperaturas de los productos refractarios y el flujo térmico, hay que alterar la resistencia térmica de la sección mural. La resistencia térmica total es la suma de la resistencia a la conducción detectada en cada capa de material y de la resistencia a la convección detectada en los lados caliente y frío. Ahora bien, como las resistencias a la convección son inmodificables o insignificantes, el flujo térmico sólo puede controlarse mediante el valor de la resistencia a la conducción del elemento en cuestión. Una resistencia a la conducción térmica R_{COND} (m^{2}K/W) se representa con la fórmula

R_{COND} = \frac{L}{\lambda}

siendo L el grosor de la capa (m) y \lambda la termoconductividad del material (W/mk). El cambio de la conductividad y del grosor de las capas de material en la figura 1 permite controlar las temperaturas de los productos refractarios y el flujo térmico. El perfil de temperaturas en toda la sección mural puede calcularse fácilmente mediante la consideración separada de cada resistencia térmica utilizando la ecuación 1. Como ya se ha indicado, el elemento alcanza su máxima eficacia, y el procedimiento del diseño su máxima precisión, cuando se emplea una capa uniforme de material muy conductor al tiempo que se produce la transferencia térmica unidimensional. No obstante, el método sigue siendo aplicable a capas murales no homogéneas con una precisión razonable.

En un estudio experimental se ha utilizado un modelo de resistencia térmica, basado en el procedimiento anterior, para predecir la distribución térmica a través de un enfriador refractario como el de la figura 1. Los resultados experimentales y del modelo se presentan en la figura 2, para el caso en que las varillas de cobre tienen un diámetro de 20 mm y están distribuidas a intervalos de 60 mm. Dicho modelo produce una predicción razonablemente exacta del perfil de temperaturas y del flujo térmico (experimentado a 24,0 kw/m^{2}; modelo 21,2 kw/m^{2}), mostrando así la validez de este enfoque para el diseño de los elementos.

En consecuencia, el presente invento también aporta un procedimiento de diseño relativamente simple, aunque riguroso, inexistente en diseños técnicos anteriores.

La figura 3 presenta una sección transversal de un elemento refrigerante 30, con arreglo al invento. Dicho elemento consiste en una placa base de cobre 32, integralmente fundida con las varillas de cobre 34 para formar el cuerpo principal del elemento. Una camisa exterior de agua 36 va sujeta a la placa base 32, por ejemplo, con tornillos de sombrerete 38. Se utiliza una junta de politetrafluoroetileno 40 para aportar un cierre hermético entre la placa base 32 y la camisa de agua 36 e impedir fugas del paso de circulación del agua 42. El producto refractario 44 se distribuye alrededor de las varillas 34 para formar la pared. Como puede apreciarse en la figura 3, el producto refractario 44 se extiende desde la placa base 32 hasta un poco más allá de los extremos de las varillas de cobre 34.

Las características principales de este diseño de elemento refrigerante son la camisa exterior de agua, las varillas de cobre poco separadas entre sí, y el uso de un producto refractario moldeable para formar la pared. La camisa exterior de agua elimina eficazmente la posibilidad de fugas de agua perjudiciales en el horno. La poca separación entre varillas de cobre adyacentes (60 mm) debe reducir mucho las gradientes de temperatura perpendiculares al lado caliente, evidentes en los elementos refrigerantes convencionales. En consecuencia, la pared se enfría de manera mucho más uniforme, lo cual a su vez produce un desgaste más uniforme del lado caliente. El uso del producto refractario moldeable ha de reducir las resistencias térmicas atribuibles a los espacios de aire, normales entre los ladrillos refractarios. Todos estos factores deben aumentar la eficacia del sistema de enfriamiento.

Se realizaron pruebas de fábrica del diseño del elemento refrigerante utilizando el elemento refrigerante de la figura 3. La configuración utilizada en las pruebas de fábrica aparece en la figura 4. El elemento refrigerante 30 se instaló en el techo separador 50 del horno. El techo, expuesto a las condiciones más suaves del horno (es decir, temperaturas relativamente bajas y ningún lavado de escoria), se consideró sumamente apropiado para esta prueba. El elemento refrigerante 30 se suspendió de unas vigas (que no aparecen en la figura) mediante los soportes de apoyo 52 y 54, y el lado del elemento refrigerante se situó a paño con el lado caliente 56 del horno. El elemento refrigerante 30 se equipó con una entrada de agua 58, que incluía un rotómetro 60 para medir la velocidad de circulación del agua y la válvula 62 para controlar dicha velocidad. El agua de refrigeración se extrae del elemento refrigerante a través del tubo de salida del agua de refrigeración 64. Se conectaron los termopares de inmersión tipo K 65 y 66 a la camisa exterior de agua, para medir la temperatura del agua de entrada y de salida, respectivamente. Se colocaron veinticuatro termopares dentro del elemento refrigerante 30, para medir el perfil de temperaturas en el interior del elemento refrigerante. La salida de estos termopares (que se muestra esquemáticamente en 68) se conectó a un registrador de datos 70 que tomaba lecturas cada cinco minutos.

Se comprobó el correcto funcionamiento del nuevo elemento refrigerante en las pruebas de fábrica. La figura 5 presenta un ejemplo de perfil de temperaturas a través del elemento, desde el lado caliente al lado frío, registrado durante un período de funcionamiento constante del horno. La figura 5 recoge dos perfiles separados: el del cobre y el del producto refractario. El perfil del cobre está tomado desde el lado frío, pasando por el centro de una varilla de cobre para entrar en el producto refractario, tras superar la punta de la varilla, y llegar al lado caliente. El perfil del producto refractario discurre a través del producto refractario, equidistante de las varillas adyacentes, hasta llegar al lado caliente. La gradiente térmica es muy baja, 0,2ºC/mm, a través de la placa de cobre maciza (0 a 80 mm). La gradiente térmica aumenta a 0,7ºC/mm a través de la varilla de cobre (80 a 300 mm). Ésta es todavía una gradiente relativamente baja, alcanzando la punta de la varilla sólo 216ºC. La baja temperatura en la punta de la varilla demuestra la eficacia de la camisa exterior de agua para enfriar las varillas de cobre internas. La linealidad de la gradiente térmica a través de las varillas prueba que la transferencia térmica es principalmente unidimensional a lo largo de las varillas. En el producto refractario adyacente a las varillas, las temperaturas son similares a las del cobre hasta unos 25 mm del lado frío. Sin embargo, hacia las puntas de las varillas de cobre (a 225-305 mm del lado frío), las temperaturas del producto refractario son significativamente más altas que las del cobre a la misma profundidad. Esto indica la presencia de gradientes térmicas y transferencias térmicas multidimensionales en el elemento, entre el cobre y el producto refractario. Dichas gradientes se deben al enfriamiento desigual (no unidimensional) registrado en las puntas de varilla, por causa de la gran diferencia en conductividad entre el cobre y el producto refractario. Es conveniente minimizar estas gradientes térmicas desiguales, ya que unas temperaturas del producto refractario más altas pueden aumentar el desgaste, como se ha explicado. Ahora bien, las temperaturas en todo el resto de la sección de elementos, y (lo más importante) en el lado caliente, son razonablemente similares en ambos perfiles. Esto demuestra la eficacia del nuevo diseño del elemento para enfriar la pared con bastante uniformidad en todas las zonas, aparte de la que circunda las puntas de varilla.

En la figura 7, la gradiente térmica a través del producto refractario, desde la punta de la varilla de cobre hasta el lado caliente (305 a 330 mm), es mucho más alta que a través de las varillas de cobre y del producto refractario (80 a 305 mm). Esta gradiente, aproximadamente lineal, oscila entre 11ºC/mm para el producto refractario entre las varillas de cobre y 17ºC/mm para el producto refractario a lo largo de la línea de la varilla de cobre, cuando el lado caliente alcanza una temperatura de 752ºC. La alta gradiente térmica cerca del lado caliente demuestra el gran efecto aislante de un pequeño grosor (25 mm) de producto refractario, debido a su baja conductividad. Esta capa de producto refractario en el lado caliente protege las varillas de cobre contra las elevadas temperaturas del horno y limita el flujo térmico a través del elemento.

Durante la prueba de fábrica se formó una capa de acumulación del material de proceso congelado en el lado caliente del elemento refrigerante. El aumento de la resistencia térmica inducido por la capa de acumulación redujo significativamente el calor eliminado por el agua de refrigeración. El coeficiente de transferencia térmica del lado caliente quedó afectado de manera similar, como se aprecia en la figura 6, porque la resistencia térmica de la acumulación se sumó al coeficiente de transferencia térmica calculado. Parte de la variación presentada en la figura 6 se debe al funcionamiento irregular del horno y al carácter transitorio de la capa de acumulación. Sin embargo, los efectos de la acumulación pueden verse claramente por el descenso gradual del coeficiente de transferencia térmica. El coeficiente de transferencia térmica bajó desde un valor inicial aproximado de 50-60 W/m^{2}K a prácticamente cero. La temperatura del lado caliente (al final del elemento) también bajó desde 700ºC hasta menos de 100ºC, debido al efecto aislante de la capa de acumulación. El grosor de la capa de acumulación se calculó en 250 mm, colocando para ello un termopar grande de tipo K junto al elemento e introduciéndolo en la acumulación. La magnitud y la estabilidad de cualquier capa de acumulación dependen no sólo de la extensión del enfriamiento, sino también de las condiciones internas del horno y de las características del material del proceso. La formación de una capa de acumulación ayuda a proteger el material refractario.

Los técnicos en esta especialidad apreciarán que el presente invento es susceptible de variaciones y modificaciones distintas de las que se han descrito concretamente. Debe quedar entendido que el presente invento abarca la totalidad de dichas variaciones y modificaciones comprendidas en el ámbito de las reivindicaciones.

Claims (16)

1. Un revestimiento mural para un horno que tiene un armazón exterior y una fuente de refrigerante externo en conjunción con el armazón exterior, comprendiendo dicho revestimiento mural un revestimiento refractario adyacente al armazón exterior, teniendo el revestimiento refractario un lado caliente expuesto a altas temperaturas durante el funcionamiento del horno, incluyendo el revestimiento refractario diversos elementos de material muy termoconductor, penetrando los elementos en el revestimiento refractario hacia el lado caliente, aportando cada elemento una vía termoconductora continua desde el extremo del elemento más próximo al lado caliente hasta el armazón exterior del horno, caracterizándose en que los elementos están distribuidos por el revestimiento refractario de manera que quedan relativamente concentrados en puntos calientes de dicho horno y en que un número relativamente menor de elementos ocupa zonas más frías de dicho horno, para aportar una temperatura sustancialmente uniforme en toda la extensión del lado caliente del horno.

2. Un revestimiento mural para un horno, como se explica en la reivindicación 1, en virtud del cual los diversos elementos de un material muy termoconductor penetran en el revestimiento refractario hacia el lado caliente del horno, pero sin atravesar el revestimiento refractario.

3. Un revestimiento mural para un horno, como se explica en las reivindicaciones 1 o 2, en virtud del cual el material muy termoconductor es un metal o una aleación metálica.

4. Un revestimiento mural para un horno, como se explica en la reivindicación 3, en virtud del cual dicho metal es el cobre o dicha aleación metálica es de cobre.

5. Un revestimiento mural para un horno, como se explica en la reivindicación 3, en virtud del cual los elementos de material muy termoconductor comprenden hilos metálicos o varillas metálicas.

6. Un revestimiento mural para un horno, como se explica en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en virtud del cual dicho revestimiento refractario está formado por ladrillos refractarios y en virtud del cual los elementos de material muy termoconductor se forman mediante la impregnación de dichos ladrillos refractarios con metal fundido y la posterior solidificación de dicho metal fundido.

7. Un revestimiento mural para un horno, como se explica en la reivindicación 6, en virtud del cual el metal fundido impregna sólo parte del interior de los ladrillos refractarios.

8. Un revestimiento mural para un horno, como se explica en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en virtud del cual los diversos elementos se integran en el armazón exterior.

9. Un revestimiento mural para un horno, como se explica en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en virtud del cual los diversos elementos se incorporan o se fijan al armazón exterior.

10. Un revestimiento mural para un horno, como se explica en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en virtud del cual los diversos elementos se hallan presentes en sustancialmente la totalidad del revestimiento mural.

11. Un revestimiento mural para un horno, como se explica en la reivindicación 3, en virtud del cual dichos elementos de un material muy termoconductor comprenden una malla de hilos de cobre próxima a la superficie interior de dicho armazón exterior, teniendo dicha malla de hilos de cobre otros hilos de cobre montados en puntos de intersección de la malla y extendiéndose sustancialmente en sentido perpendicular respecto al plano de la malla, para penetrar en el revestimiento refractario.

12. Un método para revestir un horno con un revestimiento mural constituido por un revestimiento refractario (14) que tiene diversos elementos (18) muy termoconductores, extendiéndose dichos elementos (18) desde un armazón exterior (12) del revestimiento al interior del revestimiento refractario (14) y caracterizándose en que dicho método comprende: a) el cálculo del flujo térmico a través del revestimiento mural, requerido para obtener una temperatura en un lado caliente (16) del revestimiento mural en la cual cesen las reacciones corrosivas o se produzca la congelación del material del proceso; b) la determinación de una termoconductividad del revestimiento mural, requerida para obtener dicho flujo térmico calculado en el paso a); c) la determinación de la posición y de la separación de dichos diversos elementos (18) en dicho revestimiento mural, requeridas para obtener la termoconductividad mencionada en el paso b) y para aportar una temperatura sustancialmente uniforme en todo el lado caliente (16) del horno en la proximidad de dichos elementos (18) durante el funcionamiento de dicho horno, concentrándose los elementos (18) en puntos calientes de dicho horno y situándose un número relativamente menor de elementos en zonas más frías de dicho horno, y equipando dicho horno con dicho revestimiento mural, estando dichos elementos (18) en contacto térmico con el armazón exterior (12) y penetrando en el revestimiento refractario (14) hacia el lado caliente (16) del horno, aunque sin atravesar el revestimiento refractario (14).

13. Un método, como se explica en la reivindicación 12, en virtud del cual dicho flujo térmico se calcula mediante la ecuación

Q = \frac{T_{f} - T_{c}}{R_{TOT}}

siendo Q = flujo térmico; T_{f} = temperatura del horno; T_{c} = temperatura del refrigerante utilizado para enfriar el armazón exterior; R_{TOT} = la resistencia térmica total del revestimiento mural; obteniéndose R_{TOT} mediante la ecuación

R_{TOT} = \frac{L}{\lambda}

siendo L = grosor del revestimiento mural; y \lambda = termoconductividad del revestimiento mural.

14. Un método, como se explica en las reivindicaciones 12 o 13, que además comprende la fijación de un conjunto de dichos elementos a una pared interior del armazón exterior del horno, de tal manera que los elementos estén en contacto térmico con la pared interior, y la aplicación de un material que contenga un producto refractario a la pared interior del armazón exterior, para formar una capa en la pared interior.

15. Un método, como se explica en la reivindicación 14, en virtud del cual el grosor del revestimiento refractario le permite cubrir por completo el conjunto de elementos.

16. Un método, como se explica en la reivindicación 15, en virtud del cual el paso consistente en la fijación del conjunto de elementos comprende la fijación de una malla de hilos de cobre a la pared interior del armazón exterior, teniendo dicha malla de hilos de cobre otros hilos de cobre montados en puntos de intersección situados en la malla y extendiéndose sustancialmente en sentido perpendicular respecto al plano de la malla.