ES2292008T3 - Barra de obturador. - Google Patents
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Abstract
Barra de obturador para el control del flujo de metal fundido procedente de un recipiente metalúrgico, que comprende a) un cuerpo alargado (10) con un eje longitudinal A realizado en un material cerámico refractario, b) un taladro (14) que se extiende desde una superficie superior de dicho cuerpo hacia su extremo inferior opuesto (101) y terminando a una cierta distancia de una superficie exterior (10s) del extremo inferior (101) de dicho cuerpo (10), c) por lo menos, un canal de gas (22) que presenta un área de la sección transversal inferior a la del área de la sección transversal media del taladro (14) y que se extiende desde un extremo inferior (14b) del taladro (14) hasta, por lo menos, una sección de la superficie exterior, en el extremo inferior (101) del cuerpo (10), caracterizado porque d) la longitud de dicho canal de gas (22) es superior a la distancia definida mediante una línea recta entre sus extremos (22i, 22o).
Description
Barra de obturador.
La presente invención se refiere en general a un
obturador para controlar el caudal de un metal fundido, en un
recipiente metalúrgico tal como una artesa. Todas las referencias
realizadas a continuación con referencia al diseño, construcción
y/o función del obturador, se refieren a la posición típica de
utilización de dicho obturador, es decir, una posición orientada en
sentido vertical.
En la colada de acero resulta muy conocida la
utilización de dicho dispositivo de obturación, que en muchos casos
es una barra de obturador de una sola pieza de refractario, que
presenta en su extremo inferior una denominada "posición de
nariz", unos medios destinados a sujetar una barra de metal en su
extremo superior y a desplazarla verticalmente mediante un
mecanismo de elevación, con el fin de cerrar o variar el área de la
sección transversal de una abertura de salida del recipiente
metalúrgico correspondiente.
En la patente EP 0 358 535 B2, se describen
detalles adicionales del diseño general del obturador y de sus
medios de sujeción al mecanismo de elevación.
Se han utilizado asimismo unos obturadores del
tipo descrito para introducir en el acero fundido un gas, a menudo
un gas inerte tal como argón. Dichos gases se inyectan en el baño
metalúrgico fundido para mejorar su calidad proporcionando, entre
otras cosas, medios de flotación para las inclusiones no metálicas
en el baño fundido. Habitualmente, el gas se introduce en el baño
fundido a través de tapones de purga para el gas, tal como los que
se dan a conocer en el documento EP 0329645 A1.
El documento EP 1 401 600 B1 da a conocer un
obturador monobloque de dicho tipo adaptado para suministrar gas
durante el vertido del metal fundido. Dicho obturador presenta un
orificio que conecta una cámara interior (que corre de manera
coaxial al eje longitudinal de la barra del obturador) y una
abertura de evacuación del gas en el extremo inferior de la barra
de obturador, formando parte de la porción de la nariz del
obturador. Existe el riesgo de que, durante la operación de colada,
el flujo de gas introducido en el obturador no resulte suficiente
para igualar o superar el potencial de extracción del vacío creado
en la nariz del obturador por medio del acero que fluye, lo que se
denomina "efecto de bomba de agua".
En este caso, el vacío en la punta del obturador
aspirará todo el gas inerte suministrado en el interior del
obturador y en el sistema de alimentación, creando una baja presión
en el interior del sistema. Si existen algunas juntas imperfectas
en el sistema, se aspirará aire para compensar esta baja presión y a
continuación se inyectará en el caudal de acero en la punta del
obturador. Este es el aspecto que producirá el máximo perjuicio
tanto en la calidad del acero colado como en la estabilidad
operativa del proceso de colada.
No es posible incrementar la velocidad de
alimentación del gas inerte para superar el potencial de extracción
del "efecto de bomba de agua" ya que crearía problemas de
calidad inaceptables, tales como una turbulencia excesiva en el
molde, atrapado de inclusiones o "picaduras de aguja" en los
productos de acero solidificados.
En el documento EP 1 401 600 B1, se muestran
unos medios de calibrado, concretamente, una barra con uno o varios
pasos de gas que se extienden en sentido axial, cuyos medios se
disponen en dicho orificio para ofrecer una resistencia
predeterminada al flujo. La barra debe aplicarse en el diseño del
obturador, extendiéndose de este modo por encima del piso inferior
de la cámara interior. En la práctica, resulta muy difícil
predeterminar la resistencia al flujo y fabricar el obturador
correspondiente. Son necesarias etapas adicionales en el proceso
para introducir la barra en el obturador parcialmente terminado, y
existen dificultades relacionadas tanto para garantizar una
sujeción efectiva como una junta estanca al gas, para evitar cambios
en el comportamiento restrictivo durante el
funcionamiento.
funcionamiento.
Por consiguiente, un objetivo de la presente
invención es dar a conocer un dispositivo de obturación del tipo
descrito anteriormente, que es fácil de fabricar y proporciona
medios efectivos para el transporte y la expulsión de un gas
adecuado.
La presente invención se basa en la idea general
de introducir un canal restringido para el flujo del gas inerte en
el interior del obturador, para proporcionar una sobrepresión
predeterminada que impedirá que el vacío creado en la punta del
obturador bajo cualquier combinación de condiciones de servicio, se
transmite al orificio del obturador y al sistema de alimentación
del gas. La sobrepresión predeterminada característica dependerá
de:
- a)
- el caudal de gas (cantidad/presión) suministrado desde el exterior,
- b)
- la longitud del canal del gas,
- c)
- la sección transversal de dicho canal del gas,
- d)
- la disposición del canal del gas en el interior del cuerpo del obturador.
Las investigaciones realizadas para determinar
el rendimiento preferente del gas de purga han demostrado que los
canales del gas por debajo de un cierto diámetro no pueden
proporcionar una resistencia segura a lo largo de una secuencia
operativa, debido a los riesgos, tanto de bloqueo debido a residuos
en el interior del sistema, como por pequeños cambios relacionados
con el carácter termomecánico de los materiales cerámicos, que crean
un cambio de sección significativo a las temperaturas de
funcionamiento. Se ha demostrado que los canales restrictivos
inferiores a 1 mm en diámetro presentan un incremento de riesgo de
dicho comportamiento variable. Se ha descubierto que los canales de
un diámetro superior a 1 mm reducen estos riesgos.
Se ha descubierto además, que la resistencia
depende de los efectos de fricción sobre las paredes como resultado
de la longitud del canal y de las condiciones superficiales
correspondientes.
Se ha descubierto que la longitud de un canal de
gas correspondiente debe ser significativamente superior al
"espesor" del material refractario de la zona correspondiente
y/o sus secciones de pared deben proporcionar una superficie más o
menos rugosa, por lo menos, en sección.
En su forma de realización más general, la
presente invención se refiere a una barra de obturador para el
control del flujo de metal fundido desde un recipiente metalúrgico,
que comprenda las características de la reivindicación 1.
El canal restringido en el interior del
obturador crea una sobrepresión predeterminada en el interior del
orificio del obturador y en el sistema de alimentación con las
proporciones deseadas de volumen del gas. Esta sobrepresión
predeterminada debe garantizar que cualquier vacío creado en el
extremo del obturador durante la colada debido al "efecto de
bomba de agua" no podrá superar la resistencia de dicho canal y
aspirar todo el gas suministrado desde el sistema.
El grado de restricción y la sobrepresión
predeterminada del sistema del obturador deben compararse, por
consiguiente, con las condiciones reales de colada y la
configuración geométrica, tanto del extremo del obturador como de
la garganta de la tobera, que de hecho pueden cambiar durante un
proceso de colada.
A lo largo del taladro (principalmente a lo
largo de su extremo superior abierto) que se dispone de un modo
favorable de forma coaxial al eje longitudinal del cuerpo del
obturador, se disponen los medios de sujeción mencionados
anteriormente que encajan con los medios correspondientes de una
barra metálica introducida con un extremo en dicho taladro y
sujetada por el otro extremo a dicho mecanismo de elevación.
El taladro, denominado asimismo en general como
cámara interna, y todos los medios introducidos en su interior,
están diseñados de tal modo que permiten que un gas, tal como un gas
inerte, pase a lo largo de la longitud de dicho taladro y entre en
el canal del gas que se extiende desde el extremo inferior del
taladro, hasta el área de la superficie inferior del dispositivo
refractario de obturación.
La longitud de dicho canal del gas puede ser,
por lo menos, dos o tres veces la longitud de la distancia más
corta correspondiente, entre sus extremos de entrada y de salida, o
como la distancia entre sus extremos en la dirección del eje
longitudinal de la barra, respectivamente.
Esto comprende un diseño, según el cual la
longitud del canal del gas es entre 5 y 30 veces superior a una de
las distancias, tal como se han definido anteriormente. Pueden
disponerse 2 o más canales de gas.
Para proporcionar un canal largo correspondiente
en el interior de una sección de un tamaño limitado, de un
obturador de cerámica refractaria, el canal puede diseñarse, por
ejemplo, de forma helicoidal o como un meandro, respectivamente.
Pueden utilizarse cualesquiera otros diseños siempre que la longitud
del canal cumpla con la fórmula mencionada anteriormente.
El canal puede realizarse mediante cualquier
material apto que se queme durante un tratamiento con incremento de
temperatura, especialmente durante la sinterización del obturador
refractario. Como ejemplo: se integra una estructura plástica
helicoidal en un dispositivo de presión hidrostática, cuyo
dispositivo se llena a continuación con un material cerámico apto
rodeando dicha forma. Después de procesado y moldeado de nuevo, se
sinteriza el obturador prefabricado. En este momento, se quema el
plástico de forma helicoidal y proporciona el canal helicoidal
pretendido para el gas. Obviamente, dicho canal de gas puede estar
asimismo dispuesto mediante una tubería prefabricada del diseño
correspondiente.
El canal del gas puede disponerse de modo que
penetre en el taladro a una cierta distancia de su extremo inferior
(suelo) del taladro. Esto incrementa no sólo la distancia al extremo
inferior libre de la barra del obturador, sino que evita cualquier
riesgo de bloqueo por parte de materiales sólidos que puedan entrar
en el canal del gas (residuos).
Habitualmente, el canal se origina entre 10 a
100 mm por encima del extremo inferior del taladro, pero esto puede
ser distinto para aplicaciones específicas.
Según una forma de realización, el canal del gas
puede proporcionar un área media de la sección transversal
comprendida entre 0,5 y 4 mm^{2}. El canal del gas puede tener
casi cualquier forma. Su área de la sección transversal
perpendicular al flujo del gas puede definir un círculo, un
triángulo, un cuadrado o, por ejemplo, puede ser rectangular.
Por lo menos, uno de los canales puede
disponerse, por lo menos parcialmente, en el interior o alrededor de
una pieza moldeada refractaria, dispuesta en el interior de dicho
cuerpo o sujeta al mismo. Por ejemplo, el canal puede estar
diseñado en el interior o en la superficie de una pieza moldeada
refractaria dispuesta a lo largo de la abertura correspondiente del
obturador o del cuerpo refractario, respectivamente. Dicha pieza
separada puede estar sujeta firmemente al cuerpo de refractario, por
ejemplo, mediante tornillos, pernos o elementos similares.
Asimismo, la pieza moldeada puede sujetarse al cuerpo mediante un
mortero o un adhesivo. Dicha pieza puede ser una pieza prensada
isostáticamente, cocida o sin cocer. El canal puede disponerse en
el interior de dicha pieza, en su superficie y/o mediante una ranura
en la zona correspondiente del cuerpo.
Tal como ya se ha mencionado anteriormente, la
sección transversal del canal del gas puede variar a lo largo de su
longitud. Por ejemplo, puede estar ensanchada a determinados
intervalos a lo largo de su longitud. Esto incrementa la
contrapresión y evita cualquier riesgo de interrupción del flujo de
gas. El canal del gas puede estar dotado de resaltes, que reduzcan
el paso del gas, y/o con rebajes, que aumenten el paso del gas. Los
salientes y los rebajes deben ser de un tamaño discreto. Pueden
extenderse como un anillo alrededor de la zona de paso del gas.
Pueden presentar cualquier diseño. Pueden seguir las partes
regulares de la pared mediante bordes agudos o esquinas redondeadas
(o secciones intermedias, respectivamente).
Según una forma de realización la longitud total
de un canal de gas entre su entrada y su extremo de salida está
comprendida entre 50 y 1.000 mm. Aunque, según se ha descrito
anteriormente, su orientación, inclinación, forma y sección
transversal pueden variar, una forma de realización da a conocer un
diseño según el cual el canal del gas se extiende a lo largo del
eje longitudinal del cuerpo, desde la superficie de la sección
inferior del cuerpo, hasta dicho cuerpo. Dicho de otro modo: el
extremo final del canal del gas (en la dirección del flujo del gas)
es paralelo y coaxial al eje longitudinal de la barra del obturador.
Junto con una simetría, habitualmente de rotación, de la totalidad
del dispositivo de obturación, esto permite un flujo centrado del
gas hacia la tobera de salida y de este modo unas condiciones
optimizadas del flujo y un efecto optimizado del tratamiento del
material fundido. Como alternativa, el canal del gas puede presentar
2 o más extremos de salida.
En el ejemplo siguiente se muestra el efecto del
diseño de la presente invención. Partiendo de un diseño de un
obturador tal como el de la Figura 1 del documento EP 0 358 535 B2,
y aplicando una presión y un caudal constantes del gas, se produce
un incremento en la presión interna resultante de 0,3 bar cuando se
rediseña el canal 12 a partir del original que tiene un diámetro de
1,4 mm y una longitud de 100 mm, a uno que tiene el mismo diámetro
de 1,4 mm pero una longitud de 400 mm.
A continuación se describirán, a título de
ejemplo, dos formas de realización de la presente invención haciendo
referencia a los dibujos adjuntos, en los cuales las Figuras 1 y 2
son vistas esquemáticas de diferentes partes de dos obturadores
según diferentes formas de realización de la presente invención. En
ambas figuras, las barras se ilustran en sección transversal en una
vista vertical.
En la Figura 1, la referencia numérica 10
representa un cuerpo cerámico de refractario, en forma de barra. Su
eje longitudinal está marcado con A-A.
El extremo inferior del obturador está designado
mediante la referencia numérica 12. Este extremo forma parte de un
extremo inferior 101, la parte denominada nariz del obturador. A una
cierta distancia por encima de 12 (en este caso: aproximadamente
80 mm), un taladro 14 (en este caso: de un diámetro de
aproximadamente 40 mm) se extiende hacia arriba hasta el extremo
superior del obturador, siendo dicho extremo superior de un diseño
convencional y no se representa.
Entre el extremo superior y la parte inferior
101 del cuerpo 10 del obturador, se dispone una sección intermedia
10i, a lo largo de la que el taladro 14 presenta una pared roscada
16, que se acopla a la rosca exterior correspondiente 18 de una
barra metálica 20, introducida en dicho taladro 14 para sujetar de
forma segura el obturador 10 al mecanismo de elevación
correspondiente.
A una cierta distancia (h) del extremo inferior
14b del taladro 14 se origina un canal de gas 22 con su abertura de
entrada 22i. En su trayectoria hasta su abertura de salida 22o en la
parte inferior del cuerpo 12, el canal 22 del gas está diseñado
como un meandro, tal como se muestra de manera esquemática en la
Figura 1. Mediante dicho diseño en forma de meandro, se aumenta
característicamente la longitud del canal, en comparación con la
distancia axial H (a lo largo del eje longitudinal A) entre la
abertura de entrada 22i y la abertura de salida 22o, o comparada
con la distancia en línea recta entre la abertura de entrada 22i y
la abertura de salida 22o, marcada mediante "D" en la Figura
1. Mientras que "D" o "H" varían respectivamente entre 60
y 100 mm en las barras de obturador típicas, la longitud total del
canal del gas 22 estará comprendida habitualmente, según la
presente invención, entre 120 y 1.000 mm, pero puede ser incluso
superior.
La Figura 2 muestra un extremo (inferior), en
particular la zona de la nariz de una configuración alternativa
según la presente invención, cuyas diferencias principales se
comentarán posteriormente. En vez de un diseño del tipo de un
meandro, el canal del gas 22 se dispone helicoidalmente y termina en
una parte extrema ligeramente ensanchada 22o, que es de nuevo
coaxial con un eje longitudinal A, de tal modo que se evita o se
reduce al mínimo cualquier turbulencia en el metal fundido cuando
dicho obturador está dispuesto coaxialmente por encima de la tobera
de salida correspondiente.
De nuevo, mediante el diseño helicoidal del
canal del gas 22, su longitud será significativamente superior a la
distancia axial entre las posiciones 22i y 22o, de entrada y de
salida. Por consiguiente, aumentará la resistencia al flujo de
cualquier gas que pase a lo largo del canal del gas 22, permitiendo
evitar los problemas potenciales asociados al flujo de gas sin
restricciones y a los efectos del vacío durante el
funcionamiento.
La Figura 3 muestra el extremo inferior 101 de
un obturador, cuya parte de nariz comprende una pieza moldeada
separada 30, roscada en la abertura 32 correspondiente de la parte
de la nariz. La pieza 30 comprende un canal 22 para el gas,
dispuesto helicoidalmente con su extremo de entrada 22i en conexión
fluida con el taladro 14, y su extremo de salida 22o que termina en
la superficie exterior 10s del obturador 10 en su extremo más
inferior. El canal 22 puede disponerse asimismo entre las
superficies correspondientes de la pieza 30 y del cuerpo 10, tal
como se indica mediante las líneas de trazos 23 mediante depresiones
en una o en ambas superficies.
Claims (11)
1. Barra de obturador para el control del flujo
de metal fundido procedente de un recipiente metalúrgico, que
comprende
- a)
- un cuerpo alargado (10) con un eje longitudinal A realizado en un material cerámico refractario,
- b)
- un taladro (14) que se extiende desde una superficie superior de dicho cuerpo hacia su extremo inferior opuesto (101) y terminando a una cierta distancia de una superficie exterior (10s) del extremo inferior (101) de dicho cuerpo (10),
- c)
- por lo menos, un canal de gas (22) que presenta un área de la sección transversal inferior a la del área de la sección transversal media del taladro (14) y que se extiende desde un extremo inferior (14b) del taladro (14) hasta, por lo menos, una sección de la superficie exterior, en el extremo inferior (101) del cuerpo (10), caracterizado porque
- d)
- la longitud de dicho canal de gas (22) es superior a la distancia definida mediante una línea recta entre sus extremos (22i, 22o).
2. Barra de obturador según la reivindicación 1,
en la que la longitud del canal de gas (22) es entre 5 y 30 veces
superior a la distancia definida mediante una línea recta entre sus
extremos (22i, 22o).
3. Barra de obturador según la reivindicación 1,
en la que el canal de gas (22) se dispone helicoidalmente.
4. Barra de obturador según la reivindicación 1,
en la que el canal de gas se dispone como un meandro.
5. Barra de obturador según la reivindicación 1,
en la que el canal de gas (22) penetra en el taladro a una cierta
distancia del extremo más inferior (14b) del taladro (14).
6. Barra de obturador según la reivindicación 5,
en la que dicha distancia está comprendida entre 20 y 200 mm.
7. Barra de obturador según la reivindicación 1,
en la que el canal de gas dispone de un área media de la sección
transversal comprendida entre 0,5 y 4 mm^{2}.
8. Barra de obturador según la reivindicación 1,
en la que el área media de la sección transversal del canal de gas
(22) varía a lo largo de su longitud.
9. Barra de obturador según la reivindicación 1,
en la que el canal de gas (22) presenta una longitud total
comprendida entre 50 y 1.000 mm.
10. Barra de obturador según la reivindicación
1, en la que el canal de gas (22) se extiende a lo largo del eje
longitudinal A del cuerpo, desde la sección de la superficie más
inferior (12) del cuerpo (10) en dicho cuerpo (10).
11. Barra de obturador según la reivindicación
1, en la que dicho por lo menos un canal de gas (22) está dispuesto,
por lo menos un canal de gas (22), por lo menos en parte, en el
interior o alrededor de una pieza moldeada refractaria (30)
dispuesta en el interior de dicho cuerpo (10) y/o fijada al
mismo.
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