ES2296731T3 - Tuberia de intercambio de calor con aletas extruidas. - Google Patents
Tuberia de intercambio de calor con aletas extruidas. Download PDFInfo
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Abstract
Tubería de paredes gruesas, de acero, hierro, o de aleación de hierro para utilizarla en un panel que refrigeración en la pared interior de un horno metalúrgico de arco eléctrico comprendiendo: una tubería unitaria (10), que incluye una sección tubular; un reborde alargado (14) que se extiende hacia fuera desde la superficie exterior de dicha sección tubular, dicho reborde extendiéndose a lo largo de la longitud de la sección tubular; y una sección de la base (16) en la superficie exterior de dicha sección tubular, dicha sección de la base siendo opuesta a dicho reborde alargado, en la que dicha sección tubular incluye una primera mitad provista de dicho reborde y una segunda mitad provista de dicha sección de la base, la primera mitad y la segunda mitad estando orientadas para estar en lados opuestos de una línea central (30) de la sección tubular y la masa de dicha primera mitad siendo sustancialmente equivalente a la masa de dicha segunda mitad.
Description
Tubería de intercambio de calor con aletas
extruidas.
Esta solicitud reivindica los beneficios de la
solicitud provisional de patente americana US Nº 60/184, I47,
presentada el 22 de febrero de 2000.
Esta invención se refiere a un aparato para el
proceso metalúrgico, particularmente la fabricación de acero. Más
particularmente, la invención se refiere a un aparato de
refrigeración para un horno metalúrgico. Más específicamente, la
invención se refiere a un tipo de tubería utilizada en un aparato de
refrigeración para un horno para la fabricación de acero de arco
eléctrico y el aparato que incorpora la tubería en su interior.
El acero se fabrica mediante fusión y
refinamiento de hierro y chatarra de acero en un horno de arco
eléctrico (EAF - Electric Arc Furnace). Actualmente, el horno de
arco eléctrico es considerado por aquellos expertos en la técnica
de la fabricación de acero como el único aparato más crítico en una
fábrica siderúrgica o fundición. Por consiguiente, es de vital
importancia que cada horno de arco eléctrico permanezca operativo
durante tanto tiempo como sea posible.
Los daños estructurales causados durante el
proceso de carga afectan al funcionamiento de un horno de arco
eléctrico. Puesto que la chatarra tiene una densidad efectiva
inferior que el acero líquido, el horno de arco eléctrico debe
tener un volumen suficiente para acomodar la chatarra y producir
todavía la cantidad deseada de acero. A medida que el acero se
funde forma un baño de metal caliente en la cámara de fusión o área
de fundición en la parte inferior del horno. A medida que el
volumen de acero en el horno se reduce, sin embargo, el volumen
libre en el horno de arco eléctrico aumenta. La parte del horno por
encima de la cámara de fusión o área de fundición se debe proteger
contra las temperaturas interiores elevadas del horno. La pared, la
cubierta o el techo del recipiente y las canalizaciones tienen
particularmente el riesgo de tensiones térmicas, químicas y
mecánicas excesivas causadas por la carga y la fusión del acero.
Unas tensiones de este tipo limitan en gran medida la vida útil del
horno.
Históricamente, el horno de arco eléctrico
generalmente estaba diseñado y fabricado como una estructura de
acero soldada la cual estaba protegida contra las elevadas
temperaturas del horno mediante un recubrimiento refractario. El
documento FR-2,336,648 describe un sistema de
refrigeración para un alto horno. El sistema describe proporcionar
un panel de tubos de refrigeración contra la superficie exterior del
recubrimiento refractario del alto horno a fin de refrigerar el
refractario. El panel está formado por una serie de tubos que tienen
aletas que sobresalen hacia fuera de cada lado de su eje central de
modo que las aletas de tubos adyacentes se pueden soldar juntas para
formar una estructura unitaria.
A finales de los años 1970 y principios de los
1980, la industria del acero empezó a combatir tales tensiones
sustituyendo los ladrillos refractarios caros con paneles de techo
refrigerados por agua y paneles de las paredes laterales
refrigerados por agua colocados en partes de la vasija del horno por
encima del área de fusión. Los paneles refrigerados por agua
también han sido utilizados para recubrir canalizaciones de hornos.
Los paneles refrigerados por agua existentes están fabricados con
diversos grados y tipos de placas y tuberías.
La utilización de paneles refrigerados por agua
ha reducido los costes de los refractarios y también ha permitido a
los fabricantes de acero utilizar cada horno durante un número mayor
de cargas. Además, el equipo refrigerado por agua ha permitido que
el horno funcione a niveles incrementados de energía. Por
consiguiente, la producción ha aumentado y la disponibilidad del
horno se ha hecho crecientemente importante.
Aunque los paneles refrigerados por agua dura
más que los ladrillos refractarios, los paneles tienen problemas
con el desgaste y están sometidos a daños. Una rotunda crítica de
uno o más de los paneles ocurre comúnmente al cabo de unos pocos
meses de funcionamiento del horno. Cuando ocurre una rotura de este
tipo, el horno de arco eléctrico debe ser retirado de la producción
para un mantenimiento no programado para reparar los paneles
refrigerados por agua dañados. Puesto que no será producido acero
fundido por la fábrica siderúrgica durante el tiempo de paro,
pueden ocurrir pérdidas ocasionales tan elevadas como de cinco mil
dólares por minuto en la producción de ciertos tipos de acero.
Además de reducir la producción, las interrupciones no programadas
incrementan de forma significante los gastos de funcionamiento y
mantenimiento.
Para incrementar la vida de los componentes
refrigerados por agua, se hace un esfuerzo por promover la
adherencia de la escoria en la superficie del equipo refrigerado
por agua. La escoria adherida se "enfría", esto es se
solidifica, en el equipo refrigerado por agua formando de ese modo
una barrera térmica y química entre el equipo de refrigeración y el
interior del horno.
En los hornos de la técnica anterior, se
estimula que la escoria se adhiera al equipo de refrigeración
mediante soportes dobles soldados, aletas o elementos en forma de
copa sobre la superficie del equipo, o utilizando barras de escoria
o bien otros artículos similares. Por ejemplo, la patente americana
US Nº 4,221,922 expone una aleta soldada a un panel refrigerado por
agua. Sin embargo, estos procedimientos típicos causan elevaciones
de las tensiones, esto es, el inicio de grietas a escala molecular
dentro del material de las tuberías refrigeradas por agua. Las
elevaciones de las tensiones son causadas por diferenciales de
calentamiento localizados o diferenciales de tensión durante la
fabricación de las tuberías. Al igual que los ciclos del horno de
arco eléctrico, los componentes se dilatan y se contraen,
rompiéndose adicionalmente la estructura del grano del material de
las tuberías y ampliando las elevaciones de tensiones, hasta que
una tubería en el aparato de refrigeración falla prematuramente.
Las fugas de agua de una tubería dañada dentro del horno pueden
conducir potencialmente a una re-oxidación
catastrófica del metal caliente en el horno. Por lo tanto, un
elemento de refrigeración dañado debe ser remplazado a tiempo.
Existe, por lo tanto, la necesidad de un aparato
del panel de un horno refrigerado por agua mejorado que permanezca
operativo durante más tiempo que los paneles comparables existentes
y que continúe funcionando, a pesar de algún daño estructural,
hasta que ocurra el mantenimiento programado.
La presente invención se dirige a una tubería
unitaria de paredes gruesas, de acero, hierro, o de aleación de
hierro para utilizarla en un panel de refrigeración en un horno de
arco eléctrico.
De acuerdo con la presente invención, se
proporciona una tubería de paredes gruesas, de acero, hierro, o de
aleación de hierro como se establece en la reivindicación 1 y un
conjunto de horno como se establece en la reivindicación 11.
La presente invención proporciona también una
tubería de paredes gruesas, de acero, hierro, o de aleación de
hierro como se establece en la reivindicación 17.
De acuerdo con otro aspecto de la presente
invención, la tubería unitaria está formada mediante extrusión en
la cual la masa de la mitad de la sección tubular que incluye el
reborde es sustancialmente equivalente a la masa de la otra mitad
de la sección tubular la cual incluye la sección base.
De acuerdo con un aspecto adicional de la
presente invención, la tubería incluye las siguientes
características individualmente o en combinación: una pluralidad de
rebordes alargados, rebordes que se extienden radialmente, rebordes
de longitudes variables y rebordes segmentados.
De acuerdo con otro aspecto de la invención, una
pluralidad de tuberías unitarias están interconectadas a modo de
serpentín y conectadas a una placa. La placa está conectada al
interior de un horno de arco eléctrico.
De acuerdo con otro aspecto de la presente
invención, se proporciona un procedimiento para la refrigeración de
la pared interior de un horno de arco eléctrico como se establece en
la reivindicación 20. El procedimiento incluye proporcionar un
panel de refrigeración provisto de una pluralidad de tuberías
unitarias extruidas. Las tuberías tienen una sección tubular, un
reborde alargado y una sección de la base. El procedimiento
adicionalmente incluye las etapas de la fijación del panel de
refrigeración al interior del horno de arco eléctrico, la retención
de la materia transitoria del horno de arco eléctrico en un reborde
alargado y la extracción del conjunto de tubos del horno de arco
eléctrico.
La invención es una tubería de paredes gruesas,
de acero, hierro, o de aleación de hierro para un panel de
refrigeración, la tubería estando provista de estructuras en forma
de aletas que se extienden hacia fuera desde la superficie de la
tubería. Una matriz de tuberías están alineadas a lo largo de la
pared interior de un horno de arco eléctrico por encima de la
cámara de fusión formando de ese modo una superficie de
refrigeración entre el interior y la pared del horno.
Las aletas, que se extienden desde la superficie
de la tubería, tienden a retener la escoria y el material de las
salpicaduras de la mezcla de hierro y escoria en el horno de arco
eléctrico durante el refinado del metal fundido en el horno. La
escoria es recogida por las aletas y retenida contra la superficie
de la tubería. La escoria retenida actúa como una barrera aislante
entre el material de hierro fundido y las tuberías de refrigeración
así como con la pared la cual transporta las tuberías. Esto protege
la pared y las tuberías de unas condiciones extremas de calor y de
reacción química en el interior de un horno de arco eléctrico típico
y, por consiguiente, incrementa la longevidad de las tuberías y del
aparato de panel de refrigeración globalmente.
Lo expuesto anteriormente y otros objetos harán
más rápidamente evidentes mediante la referencia a la siguiente
descripción detallada y a los dibujos adjuntos en los cuales:
la figura 1 es una vista en sección transversal
de una matriz de tuberías de intercambio de calor conectadas a un
panel de acuerdo con la presente invención;
la figura 2 es una vista en sección transversal
de la tubería provista de una única aleta;
la figura 3 es una vista en sección transversal
de la tubería provista de una pluralidad de aletas;
la figura 4 es una vista en sección transversal
de la tubería provista de una pluralidad de aletas de diferentes
áreas de la sección transversal;
la figura 5 es una vista frontal de la tubería
provista de una aleta segmentada; y
la figura 6 es una vista frontal de una matriz
de tuberías intercambio de calor tomada desde el interior de un
horno.
La figura 1 muestra una matriz de tuberías de
intercambio de calor 10 provistas de una sección tubular 12, aletas
14 y una sección de la base 16 de acuerdo con la presente invención.
La tubería de intercambio de calor 10 está fijada a un panel 18 y
está colocada entre el interior y una pared de un horno de arco
eléctrico 19, 20. Las tuberías de intercambio de calor 10 son
utilizadas para refrigerar la pared del horno 20 por encima de la
cámara de fusión. Las aletas 14 mejoran la retención de escoria
sobre las tuberías de refrigeración 10. La escoria adherida enfría
las tuberías refrigeradas por agua 10 formando de ese modo una
barrera química y térmica entre las tuberías de refrigeración 10 y
el interior del horno 19.
Como se representa en las figuras 2, 3 y 4, la
tubería 10 incluye una sección tubular 12, una sección de la base
16 y por lo menos una aleta 14. La sección tubular 12 es hueca, para
transportar el agua o bien otros fluidos de refrigeración, la
sección de la base 16 tiene un fondo plano 22 para la conexión al
panel 18. La sección de la base 16 está provista de extremos que
sobresalen 24 los cuales preferiblemente se extienden la distancia
del diámetro exterior de la tubería 10 de forma que entran en
contacto con la sección de la base 16 de una tubería adyacente 10.
Alternativamente, los extremos que sobresalen 24 se pueden extender
más, o menos, que el diámetro exterior de la tubería 10. La sección
de la base 16 adicionalmente actúa como una barra de junta para
facilitar el proceso de fabricación.
La aleta 14 está colocada en el diámetro
exterior de la sección tubular 12 opuesta a la sección de la base
16. La tubería 10 puede tener una aleta 14, como se representa en la
figura 2, o una pluralidad de aletas 14 como se demuestra mediante
las figuras 3 y 4. Además, como se ilustra mediante la figura 4, la
cual tiene una aleta media más larga y aletas laterales más cortas,
las aletas 14 de la misma tubería 10 no necesitan estar
dimensionadas o tener la sección transversal de forma
progresiva.
En cada forma de realización, la aleta 14 es
alargada, extendiéndose a lo largo de la longitud de la sección
tubular 12 y prolongándose hacia fuera desde la superficie exterior
de la sección tubular 12. La aleta 14 se prolonga hacia fuera
perpendicularmente desde una tangente a la sección tubular 12.
Preferiblemente, la aleta 14 tiene una sección transversal
uniforme, globalmente trapezoidal, la cual forma conicidad
ligeramente hacia el extremo exterior 28. Dos lados 26 de la aleta
14 forman interfaz con la sección tubular 12 de un modo continuo
suave, cada uno de ellos formando una superficie cóncava. Se pueden
utilizar diseños, formas y orientaciones alternativas de la aleta
14 que promuevan la adherencia de la escoria a la tubería de
refrigeración. Por ejemplo, la aleta 14 se puede prolongar de forma
obtusa o de forma aguda desde la tangente a la sección tubular 12.
Adicionalmente, los lados 26 o el extremo exterior 28 de la aleta 14
pueden estar provistos con un nervio. Mediante el nervio se
pretende incluir una pluralidad de nervios, ondulaciones y
hendiduras. Además, la aleta 14 puede ser discontinua, esto es
formada de segmentos intermitentes de aleta 14, como se representa
en la figura 5.
Como se representa en la figura 3, la aleta 14 y
la sección de la base 16 están orientadas para estar en lados
opuestos de una línea central 30 de la sección tubular 12. Además,
el tamaño y la posición de la aleta 14 y de la sección de la base
16 son tales que la masa a cada lado de la línea central 30 es
equivalente. Por lo tanto, a medida que el número de aletas 14
incrementa, tanto se alarga la sección de la base 16 como se reduce
el área de la sección transversal de las aletas 14. El área de la
sección transversal se puede reducir estrechando la aleta 14 o
reduciendo la distancia en la que se extiende la aleta 14 desde la
sección tubular 12.
Además del equilibrio de la masa, la forma de la
sección transversal, el número, la longitud y la separación radial
de las aletas 14 están determinados por la retención de la escoria y
las características de la transferencia de calor de la tubería 10 y
del aparato de refrigeración globalmente. Se puede proporcionar
cualquier número de aletas 14, tal como desde una hasta seis, y
preferiblemente dos. Además, la aleta 14 se puede extender hacia
fuera cualquier longitud, preferiblemente de 1/4 hasta cuatro
pulgadas y, más preferiblemente, aproximadamente 5/8 de pulgada.
Además, las aletas 14 pueden estar separadas entre sí hasta por 120º
y preferiblemente aproximadamente 45º. La figura 3 expone la forma
de realización preferida de la tubería 10 con dos aletas 14 que se
extienden hacia fuera aproximadamente 5/8 de pulgada y las aletas
14 separadas por aproximadamente 45º.
Como se representa mediante la figura 1, una
pluralidad de tuberías 10 están conectadas al panel 18. Las tuberías
10 son paralelas entre sí y están preferiblemente dispuestas de
modo que la sección de la base 16 de cada tubería 10 se apoye en la
sección de la base 16 de una tubería adyacente 10. Las tuberías 10
están conectadas a modo de serpentín, esto es, un codo (no
representado) conecta cada tubería 10 a la tubería que le sucede
10. El panel de tuberías 10 puede estar dispuesto de un modo
horizontal o de un modo vertical. Además, las tuberías 10 pueden
ser lineales, o, las tuberías 10 pueden formar curva para seguir el
contorno interior de la pared del horno 20.
La tubería de intercambio de calor 10, que
incluye la sección tubular 12, la aleta 14 y la sección de la base
16, es unitaria y está fabricada preferiblemente mediante un proceso
de extrusión, sin embargo, se pueden utilizar otros procesos tales
como la fundición. Por unitaria se significa que la tubería 10 (esto
es la sección tubular 12, la aleta 14 y la sección de la base 16)
está formada como un aparato continuo en oposición a piezas
separadas las cuales se unen, tal como por ejemplo mediante
soldadura, para formar un solo aparato. Para la extrusión, la
tubería 10 está formada de paredes gruesas, de material de acero,
hierro, o ferroso. Preferiblemente, la masa a cada lado de la línea
central de la sección tubular 12 es equivalente de forma que,
durante la fabricación de la tubería 10, no se crean las
elevaciones de tensión. Puesto que se mantiene una temperatura
relativamente uniforme en las características de la tensión en el
interior del material de la tubería 10 durante su fabricación, la
tubería 10 está menos sometida al daño causado por los cambios
considerables de la temperatura que se encuentran durante los
ciclos del horno de arco eléctrico. Para la fundición, la tubería 10
puede estar formada de una aleación de fundición tal como, por
ejemplo, hierro fundido o acero fundido.
El funcionamiento, las tuberías de intercambio
de calor extruidas 10 están unidas al panel 18. El panel 18 se
cuelga en el interior del horno de arco eléctrico. El fluido que
circula provisto a las tuberías 10 se alimenta a través de cada
tubería 10 en forma de serpentín. Las salpicaduras de escoria de la
cámara de fusión del horno sobre las tuberías 10 son retenidas por
la superficie de las tuberías 10 y las aletas 14. La escoria,
refrigerada por las tuberías 10, enfría las tuberías 10 y forma una
barrera aislante entre el interior del horno y las tuberías 10 y,
por consiguiente, la pared del horno 20. Al fallar una tubería 10,
el panel de tuberías puede ser extraído para su reparación y
remplazado por un nuevo panel de tuberías.
Aunque han sido descritas en detalle formas de
realización particulares de la invención, se comprenderá que la
invención incluye todos los cambios y modificaciones que queden
dentro de los términos de las reivindicaciones adjuntas en este
documento.
Claims (20)
1. Tubería de paredes gruesas, de acero, hierro,
o de aleación de hierro para utilizarla en un panel que
refrigeración en la pared interior de un horno metalúrgico de arco
eléctrico comprendiendo:
una tubería unitaria (10), que incluye una
sección tubular; un reborde alargado (14) que se extiende hacia
fuera desde la superficie exterior de dicha sección tubular, dicho
reborde extendiéndose a lo largo de la longitud de la sección
tubular; y una sección de la base (16) en la superficie exterior de
dicha sección tubular, dicha sección de la base siendo opuesta a
dicho reborde alargado, en la que dicha sección tubular incluye una
primera mitad provista de dicho reborde y una segunda mitad provista
de dicha sección de la base, la primera mitad y la segunda mitad
estando orientadas para estar en lados opuestos de una línea central
(30) de la sección tubular y la masa de dicha primera mitad siendo
sustancialmente equivalente a la masa de dicha segunda mitad.
2. La tubería de paredes gruesas de la
reivindicación 1 en la que dicha tubería unitaria está formada por
extrusión.
3. La tubería de paredes gruesas de la
reivindicación 2 en la que dicha tubería unitaria está extruida a
partir de un material de acero o de aleación de hierro.
4. La tubería de paredes gruesas de cualquiera
de las reivindicaciones 1 a 3 en la que dicho reborde alargado es
una pluralidad de rebordes paralelos alargados.
5. La tubería de paredes gruesas de la
reivindicación 4 en la que dichos rebordes alargados se extienden
radialmente desde el exterior de dicha sección tubular.
6. La tubería de paredes gruesas de las
reivindicaciones 4 o 5 en la que dichos rebordes alargados están
separados aproximadamente 45º.
7. La tubería de paredes gruesas de las
reivindicaciones 4, 5 o 6 en la que cada uno de los rebordes
alargados se extiende hacia fuera desde dicha sección tubular desde
aproximadamente 1/4 de pulgada hasta aproximadamente 4 pulgadas.
8. La tubería de paredes gruesas de la
reivindicación 7 en la que cada uno de dichos rebordes alargados se
extiende de forma equidistante desde la superficie exterior de dicha
sección tubular.
9. La tubería de paredes gruesas de cualquiera
de las reivindicaciones 1 a 8 en la que dicho reborde alargado
tiene una sección transversal trapezoidal.
10. La tubería de paredes gruesas de cualquiera
de las reivindicaciones 1 a 9 en la que dicho reborde alargado es
discontinuo de tal modo que dicho reborde forma un reborde alargado
segmentado.
11. Conjunto de horno incluyendo:
una tubería de paredes gruesas de acuerdo con la
reivindicación 1;
un horno de arco eléctrico; y
una placa (18), conectada a dicho horno, en la
que dicha tubería unitaria es una pluralidad de tuberías unitarias
interconectadas (10) y dichas tuberías están conectadas a dicha
placa.
12. El conjunto de la reivindicación 11 en el
que dichas tuberías son paralelas y están orientadas
verticalmente.
13. La tubería de paredes gruesas de cualquiera
de las reivindicaciones 1 a 10 en la que dicha sección de la base
incluye una superficie plana encarada alejada de dicha sección
tubular y extremos que sobresalen opuestos.
14. La tubería de paredes gruesas de la
reivindicación 13 en la que dichos extremos que sobresalen se
extienden tangencialmente desde dicha sección tubular.
15. La tubería de paredes gruesas de cualquiera
de las reivindicaciones 1 a 10, 13 y 14 en la que dicho reborde
alargado incluye un nervio.
16. La tubería de paredes gruesas de cualquiera
de las reivindicaciones 1 a 10 y 13 a 15 en la que el reborde
alargado está configurado para retener materia transitoria.
17. Tubería de paredes gruesas, de acero,
hierro, o de aleación de hierro para utilizarla en un panel de
refrigeración en la pared interior de un horno metalúrgico de arco
eléctrico comprendiendo:
una tubería unitaria (10), que incluye una
sección tubular (12) provista de una primera parte y una segunda
parte; medios (14), que se extienden hacia fuera desde la superficie
exterior de dicha primera parte de dicha sección tubular, para
retener materia transitoria; y una sección de la base (16) en la
superficie exterior de dicha segunda parte de dicha sección
tubular, dicha sección de la base siendo opuesta a dichos medios que
se extienden hacia fuera (14), en la que dicha sección tubular
incluye una primera mitad provista de dichos medios que se
extienden hacia fuera y una segunda mitad provista de dicha sección
de la base, la primera mitad y la segunda mitad estando orientadas
para estar en lados opuestos de una línea central (30) de la sección
tubular y la masa de dicha primera mitad siendo sustancialmente
equivalente a la masa de dicha segunda mitad.
18. La tubería de paredes gruesas de la
reivindicación 17 en la que dicha tubería unitaria está extruida a
partir de material de acero o de una aleación de hierro; y dichos
medios comprenden un reborde alargado.
19. La tubería de paredes gruesas de cualquiera
de las reivindicaciones 1 a 10 y 13 a 18 en la que dicha tubería
unitaria está colgada en la pared interior de un horno metalúrgico
de arco eléctrico.
20. Procedimiento de refrigeración de la pared
interior de un horno de arco eléctrico comprendiendo las etapas
de:
proporcionar un panel, dicho panel incluyendo
una pluralidad de tuberías unitarias de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 10 y 13 a 19;
la fijación de dicho panel en el interior del
horno de arco eléctrico; y
la retención de la materia transitoria del horno
de arco eléctrico en dicho reborde alargado, en el que dicho panel
se puede extraer del horno de arco eléctrico.
Applications Claiming Priority (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US18414700P | 2000-02-22 | 2000-02-22 | |
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