ES2314817T3 - Inyector de polvo no obturable perfeccionado para un sistema de boquilla de rociadura cinetica. - Google Patents
Inyector de polvo no obturable perfeccionado para un sistema de boquilla de rociadura cinetica. Download PDFInfo
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Abstract
Un inyector (48) de polvo para una boquilla (34) de rociadura cinética, comprendiendo dicho inyector de polvo: un tubo (50) de inyector y caracterizado por un manguito (72); en el que dicho tubo (50) de inyector es recibido dentro de dicho manguito (72) y fijado a dicho manguito; y en el que un espacio (76) de aire es definido entre el diámetro interior de dicho manguito (72) y el diámetro exterior de dicho tubo (50) de inyector, en el que dicho espacio de aire es de 25 a 200 micrómetros.
Description
Inyector de polvo no obturable perfeccionado
para un sistema de boquilla de rociadura cinética.
La presente invención está relacionada con el
campo de la rociadura cinética, mas particularmente, la presente
invención se refiere a un inyector perfeccionado de polvo para un
sistema de boquilla de rociadura cinética. El inyector de polvo
supera problemas de obturación asociados con el inyector de polvo
anterior y al mismo tiempo mejora la formación de revestimiento por
el proceso de rociadura cinética.
En la Patente de EE.UU. nº 5.302.414, concedida
el 12 de abril de abril de 1.994, de Alkimov y otros, se describía
un proceso para producir revestimientos de capa continúa densa con
partículas de polvo que tienen un tamaño de partícula de 1 a 50
micrómetros usando una boquilla supersónica y una técnica de
rociadura. Esta técnica ha llegado a ser conocida en la tecnología
como rociadura cinética o rociadura gaseosa dinámica en frío.
Un inyector de polvo que comprende las
características del preámbulo de la reivindicación 1 es conocido por
el documento US 2005/211799.
Los fundamentos de la técnica fueron comunicados
en un artículo de T.H. Van Steenkiste y otros, titulado
"Revestimientos por rociadura cinética", publicado en
"Surface and Coatings Technology" (Tecnología de superficies y
revestimientos), volumen 111, páginas 62 a 71, 10 de enero de
1.999. El artículo trata de producir revestimientos de capas
continuas que tienen porosidad pequeña, gran adherencia, bajo
contenido de óxido y tensión térmica reducida. El artículo describe
revestimientos que son producidos arrastrando polvos metálicos en
una corriente gaseosa acelerada, a través de una tobera tipo de
Laval convergente-divergente, y proyectándose contra
un sustrato objetivo. Las partículas son aceleradas en la corriente
gaseosa de alta velocidad por el efecto de arrastre. El gas usado
puede ser cualquiera de diversos gases que incluyen aire, nitrógeno,
helio u otros gases nobles. Se descubrió que las partículas que
formaban el revestimiento no se fundían ni ablandaban térmicamente
antes de unirse al sustrato. Se teoriza que las partículas se
adhieren al sustrato cuando su energía cinética es convertida en un
nivel suficiente de energía térmica y deformación mecánica. Así, se
cree que la velocidad de partícula debe ser bastante alta para
superar una velocidad crítica para permitirla que se adhiera cuando
choca con el sustrato. Esto hace la rociadura cinética completamente
diferente que todas las formas de rociadura térmica. Todos los
sistemas de rociadura térmica tienen en común la característica de
que el material que es rociado es fundido en el aparato de
rociadura y el material choca con el sustrato en un estado fundido.
Así, todos los materiales, sean polvos, partículas en estado sólido,
etc., rociados por un método de rociadura térmica, experimentan un
cambio de fase durante el proceso de rociadura.
Se describió que el rendimiento de depósito de
una mezcla dada de partículas era aumentado cuando la temperatura
de gas de entrada era aumentada en el proceso de rociadura cinética.
Aumentar la temperatura de gas de entrada reduce su densidad y
aumenta su velocidad. La velocidad del gas varía aproximadamente
como la raíz cuadrada de la temperatura de gas de entrada. El
mecanismo real de la unión de las partículas a la superficie del
sustrato no es comprendido totalmente en este momento. Se cree que
las partículas deben superar una velocidad crítica antes de su
colisión con el sustrato para formar una unión con el sustrato. La
velocidad crítica depende del material de la partícula y los
materiales más duros tienden a tener velocidades críticas más altas.
Se cree que las partículas iniciales en adherirse a un sustrato
han roto la cáscara de óxido en el material de sustrato permitiendo
la formación subsiguiente de la unión metal con metal entre las
partículas deformadas plásticamente y el sustrato. Una vez que una
capa inicial de partículas ha sido formada sobre un sustrato, la
formación subsiguiente de revestimiento también implica la unión de
partículas con partículas. El proceso de unión no es debido a la
fusión de las partículas en la corriente gaseosa porque la
temperatura de las partículas es siempre menor que su temperatura
de fusión. La temperatura de las partículas es usualmente menor que
la temperatura de la corriente gaseosa. Esto es típico porque el
tiempo de exposición de las partículas a la corriente gaseosa es
relativamente corto.
El artículo de Van Steenkiste informaba sobre el
trabajo llevado a cabo por el National Center for Manufacturing
Sciences (NCMS) para mejorar el proceso y aparato de Alkimov
anteriores. Van Steenkiste y otros demostraron que el aparato y el
proceso de Alkimov podrían ser modificados para produce
revestimientos por rociadura cinética usando tamaños de partículas
mayores que 50 micrómetros y hasta unos 106 micrómetros.
Estos proceso y aparato modificados para
producir tales revestimientos de capa continua por rociadura
cinética con tamaños mayores de partículas son descritos en las
Patentes de EE.UU. n^{os} 6.139.913 y 6.283.386. El proceso y el
aparato se encargan de calentar un flujo gaseoso a presión alta
hasta unos 650ºC y combinar este con un flujo de partículas. El gas
calentado y las partículas son dirigidos de una tobera tipo de Laval
para producir una velocidad de salida de partículas de entre unos
300 m/s (metros por segundo) y unos 1.000 m/s. Las partículas así
aceleradas son dirigidas hacia, e impactan sobre, un sustrato
objetivo con energía cinética suficiente para unir las partículas a
la superficie del sustrato. Las temperaturas usadas son todavía
suficientemente más bajas que la necesaria para causar la fusión de
partículas o en el ablandamiento térmico de la partícula
seleccionada. Por tanto, no se produce transición de fase en las
partículas antes de la unión y durante el proceso de unión. Se ha
descubierto que cada tipo de material de partícula
tiene una velocidad crítica de umbral que debe ser superada antes de que el material se adhiera a un sustrato dado.
tiene una velocidad crítica de umbral que debe ser superada antes de que el material se adhiera a un sustrato dado.
Todos los sistemas de rociadura cinética usan un
inyector de polvo para inyectar las partículas de polvo que son
rociadas al interior de la boquilla donde se mezclan con la
corriente gaseosa, son arrastradas y calentadas en la corriente
gaseosa y desde la que son rociadas sobre un sustrato. La corriente
gaseosa usada para arrastrar las partículas es conocida
convencionalmente como el gas principal para distinguirla de la
corriente gaseosa de inyección usada para inyectar las partículas
dentro de la boquilla. La fuerza impulsora en un sistema típico
para hacer que el polvo sea arrastrado en la corriente gaseosa
principal es una diferencia de presiones desde 137,9 a 344,8 kPa en
la corriente gaseosa de inyección sobre la presión de la corriente
de gas principal. Las presiones de la corriente de gas principal
son de 1.379 a 3.448 kPa, más preferiblemente de 1.931 a 2.413 kPa.
Típicamente, el gas principal es calentado a una temperatura de 250
a 1000ºC o mayor para producir la aceleración requerida de las
partículas que son rociadas. Así, el inyector de polvo es expuesto a
temperaturas muy altas y es calentado el mismo a temperaturas
altas. El inyector de polvo que incluye el tubo de inyector, que
transporta realmente las partículas, es fabricado frecuentemente de
acero inoxidable. Debido al calentamiento por el gas principal, el
tubo de inyector puede resultar obturado frecuentemente con las
partículas que son rociadas. Esto puede ser un problema muy
significativo con partículas que se hacen "pegajosas" cuando
son calentadas. Las partículas calentadas pueden pegarse a las
paredes interiores del tubo de inyector y en muchos casos el tubo
de inyector puede quedar obturado en 2 a 10 minutos, dependiendo del
material que es rociado. Es un ciclo autoperpetuable porque el
flujo de la corriente gaseosa de inyector, que no es calentada
usualmente respecto a la temperatura ambiente, sirve inicialmente
para enfriar el tubo de inyector. Suficiente flujo gaseoso con
polvo en el inyector es necesario para impedir que partículas sean
depositadas en la pared interior del tubo de inyector. Sin embargo,
caudales gaseosos elevados de inyector tienden a reducir la
temperatura eficaz del gas principal debido a su diferencia de
temperaturas. Eso causa frecuentemente degradación del
comportamiento funcional de la boquilla. Por tanto, no es práctico
el uso de caudales elevados de gas a través del tubo de inyector
para impedir la obturación. Cuando partículas son depositadas en la
pared interior del tubo de inyector, el área de sección transversal
eficaz del inyector disminuye restringiendo más el flujo gaseoso lo
que reduce más el efecto de refrigeración en el ciclo antes
descrito. A su vez, esto acelera la velocidad de depósito de
partículas en el interior del tubo de inyector, lo que reduce más el
flujo de gas de inyector y causa finalmente que el inyecto sea
obturado completamente. Una vez que el tubo de inyector es
obturado, todo el sistema debe ser parado y el inyector sustituido
por uno nuevo y el obturado debe ser desobstruido o desechado.
Claramente, para que la rociadura cinética resulte un proceso útil
en una disposición industrial, será necesario superar esta
limitación. Hasta la fecha no han aparecido soluciones completamente
satisfactorias. Así, sería beneficioso desarrollar un sistema en el
que el inyector de polvo pudiera funcionar incluso a temperaturas
altas y con materiales tradicionalmente "pegajosos" durante
períodos prolongados de tiempo sin obturación del tubo de
inyector.
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En una realización, la presente invención es un
inyector de polvo para un sistema de boquilla de rociadura
cinética, comprendiendo el inyector de polvo: un tubo de inyector y
un manguito, siendo el tubo de inyector recibido dentro del
manguito y fijado al manguito, y un espacio de aire definido entre
un diámetro interior del manguito y un diámetro exterior del tubo
de inyector, en el que el espacio de aire es de 50 a 200
micrómetros.
\vskip1.000000\baselineskip
La Figura 1 es un diagrama esquemático de un
sistema típico de rociadura cinética según la presente
invención;
la Figura 2A es una vista en corte longitudinal
de una boquilla de rociadura cinética con un inyector de polvo de
técnica anterior;
la Figura 2B es una vista ampliada del inyector
de polvo de técnica anterior mostrado en la Figura 1;
la Figura 3A es una micrografía por microscopio
electrónico de exploración (SEM: scanning electronic microscope)
de un corte transversal del extremo de salida de un tubo de inyector
de polvo de técnica anterior, no usado;
la Figura 3B es una micrografía por microscopio
electrónico de exploración (SEM) del extremo de salida de un tubo
de inyector de polvo de técnica anterior, después de 10 minutos de
uso;
la Figura 4 es una vista en corte longitudinal
de una realización de un manguito de tubo de inyector de polvo
diseñado de acuerdo con la presente invención;
la Figura 5 es una vista en corte longitudinal
de otra realización de un manguito de tubo de inyector de polvo
diseñado de acuerdo con la presente invención;
la Figura 6 es una vista en corte longitudinal
de otra realización de un manguito de tubo de inyector de polvo
diseñado de acuerdo con la presente invención;
la Figura 7A es un gráfico que muestra el efecto
teórico de un espacio de aire de 100 micrómetros entre el manguito
y el tubo de inyector sobre la temperatura del tubo de inyector de
polvo en función de la conductividad térmica del manguito de tubo
de inyector de polvo;
la Figura 7B es un gráfico que muestra el efecto
teórico de extender el manguito de tubo de inyector de polvo más
allá del extremo de salida del tubo de inyector de polvo sobre la
temperatura del tubo de inyector en diversas posiciones del tubo de
inyector;
la Figura 7C es un gráfico que muestra el efecto
teórico de cambiar el espesor del manguito de tubo de inyector de
polvo sobre su capacidad para mantener frío el tubo de inyector de
polvo;
la Figura 8A es una micrografía por microscopio
electrónico de exploración de un corte transversal de una porción
interior de un tubo de inyector de polvo diseñado según la presente
invención, después de varias horas de uso;
la Figura 8B es una micrografía por microscopio
electrónico de exploración de un corte transversal del extremo de
salida de un tubo de inyector de polvo diseñado según la presente
invención, después de varias horas de uso; y
la Figura 9 es una vista en corte longitudinal
de otra realización de un tubo de inyector de polvo diseñado de
acuerdo con la presente invención.
Refiriéndose primero a la Figura 1, un sistema
de rociadura cinética según la presente invención es mostrado
generalmente en 10. El sistema 10 incluye un recinto 12 en el que
está situada una mesa 14 de soporte u otros medios de soporte. Un
panel 16 de montaje fijado a la mesa 14 soporta un portapieza 18
capaz de movimiento en tres dimensiones y capaz de soportar una
pieza a trabajar adecuada formada por un material de sustrato a ser
revestido. El portapieza 18 también puede ser capaz de alimentar un
material de sustrato a través del sistema 10. El recinto 12 incluye
paredes circundantes que tienen al menos una entrada de aire, no
mostrada, y una salida 20 de aire conectada por un conducto de
escape adecuado 22 a un colector de polvo, no mostrado. Durante
operaciones de revestimiento, el colector de polvo extrae aire
continuamente del recinto 12 y recoge cualquier polvo o partículas
contenidas en el aire de escape para eliminación subsiguiente.
El sistema 10 de rociadura incluye además un
compresor 24 de gas capaz de suministrar presión de gas hasta 3,4
MPa a un depósito 26 de lastre de gas a presión alta. El depósito 26
de lastre de gas está conectado a través de una tubería 28 con un
alimentador 30 de polvo y un calentador separado 32 de gas. El
alimentador 30 de polvo es típicamente un alimentador de polvo a
presión alta. El calentador 32 de gas suministra gas calentado a
presión alta, el gas principal descrito a continuación, a una
boquilla 34 de rociadura cinética. Es posible proveer a la boquilla
34 de capacidad de movimiento en tres direcciones además de, o más
bien que, el portapieza 18. La presión del gas principal es fijada
en un valor desde 1.034 a 3.448 kPa. El alimentador 30 de polvo
mezcla las partículas de un polvo de rociadura con el gas a una
presión deseada, más alta que la del gas principal evidentemente, y
suministra la mezcla de partículas a la boquilla 34. Un ordenador 35
de control funciona para controlar la presión de gas suministrado
al calentador 32 de gas y al alimentador 30 de polvo y controla la
temperatura del gas principal calentado que sale del calentador 32
de gas. Gases útiles incluyen aire, nitrógeno, helio y otros gases
nobles.
La Figura 2 es una vista en corte longitudinal
de una realización de técnica anterior de la boquilla 34 y sus
conexiones al calentador 32 de gas y a un alimentador 30 de polvo a
presión alta. Un pasaje 36 de gas principal conecta el calentador
32 de gas con la boquilla 34. El pasaje 36 conecta con una cámara 38
de premezcla que dirige el gas principal a través de un colimador
40 de gas y al interior de una cámara 42 de mezcla. La temperatura
y la presión del gas principal calentado son monitorizadas por un
termopar 44 de temperatura de entrada de gas en el pasaje 36 y un
sensor 46 de presión conectado a la cámara 42 de mezcla. El gas
principal tiene una temperatura que siempre es insuficiente para
causar fusión en la boquilla 34 de cualesquier partículas que son
rociadas. La temperatura del gas principal puede variar de 93 a
1.000ºC. La temperatura del gas baja rápidamente cuando se desplaza
a través de la boquilla 34. De hecho, la temperatura del gas medida
cuando sale de la boquilla 34 podría ser igual o menor que la
temperatura ambiente aunque su temperatura inicial sea bastante
superior a 550ºC. Un inyector 48 de polvo, que tiene un tubo 50 de
inyector, está fijado a la boquilla 34, preferiblemente por roscas.
El tubo 50 de inyector se extiende a través del colimador 40 de gas
y un extremo 52 de salida sobresale dentro de la cámara 42 de
mezcla. El tubo 50 de inyector suministra las partículas 64 al
interior de la cámara 42 de mezcla en la que se mezclan con el gas
principal calentado. El inyector 48 y el tubo 50 de inyector están
formados preferiblemente de acero inoxidable y el diámetro interior
del tubo de inyector es preferiblemente de 0,4 a 3,0 milímetros. El
acero inoxidable usado tiene una conductividad térmica de 16,3 W/m
K aproximadamente.
La cámara 42 está en comunicación con una tobera
supersónica 54 tipo de Laval. La tobera 54 tiene un cono 56 de
entrada que disminuye en diámetro hasta una garganta 58. El cono 56
de entrada forma la región convergente de la tobera 54. Aguas
debajo de la garganta 58 está en un extremo 60 de salida y una
región divergente 62 es definida entre la garganta 58 y el extremo
60 de salida. El diámetro máximo del cono 56 de entrada puede
variar de 5 a 20 milímetros, con 7,5 milímetros siendo preferido. El
cono 56 de entrada se estrecha hasta la garganta 58. La garganta 58
puede tener un diámetro desde 0,5 a 5,5 milímetros, con 2 a 3
milímetros siendo preferido. La región divergente de la tobera 54,
desde aguas abajo de la garganta 58 hasta el extremo 60 de salida,
puede tener formas diversas pero en una realización preferida tiene
una forma de corte transversal rectangular. En el extremo 60 de
salida, la tobera 54 tiene preferiblemente una forma rectangular con
una dimensión larga de 6 a 20 milímetros por una dimensión corta de
2 a 6 milímetros. La región divergente puede tener una longitud
desde unos 50 milímetros a unos 500 milímetros.
La tobera 54 produce una velocidad de salida de
las partículas 64 arrastradas desde 300 m/s hasta tan alta como
1.200 m/s. Las partículas 64 arrastradas ganan energía cinética y
energía térmica durante su circulación a través de la tobera 54.
Los expertos en la técnica reconocerán que la temperatura de las
partículas 64 en la corriente de gas principal variará dependiendo
del tamaño de partícula y de la temperatura del gas principal. La
temperatura del gas principal es definida como la temperatura del
gas a presión alta calentado medida por el termopar 44. La
temperatura del gas principal es elegida basada en los tipos de
materiales a ser rociados. Los materiales duros, que tienden a ser
más difíciles de rociar con rendimientos de depósito relativamente
altos, requieren frecuentemente temperaturas más altas del gas
principal. La temperatura de las partículas 64 debido al
calentamiento de gas principal es menor que la temperatura de fusión
de las partículas 64, incluso en el impacto no hay cambio en la
fase sólida de las partículas originales 64 debido a la
transferencia de energía cinética y térmica y, por tanto, no hay
cambio en sus propiedades físicas originales. Las propias
partículas 64 están siempre a una temperatura menor que su
temperatura de fusión. Las partículas 64 que salen de la tobera 54
son dirigidas hacia una superficie de un sustrato a ser
revestido.
Como se trató antes, un problema que continúa
con los inyectores 48 de polvo actuales es su tendencia a resultar
obturados por las partículas 64 de polvo durante el proceso de
rociadura. Este problema restringe el uso de temperaturas más altas
del gas principal, lo que es deseado frecuentemente para conseguir
gran rendimiento de depósito de materiales difíciles de rociar. De
modo más importante, el problema de obturación limita la capacidad
de utilizar el proceso de rociadura cinética en una disposición de
fabricación que exige períodos largos de funcionamiento del sistema
de rociadura sin interrupción frecuente. Un uso corriente para la
rociadura cinética ha sido aplicar aleaciones de soldadura fuerte;
estas son especialmente propensas a la obturación del tubo 50 de
inyector. Una aleación tal que es usada en la presente invención
como un material de ensayo es una aleación de 78% Al, 12% Zn y 10%
Si, todo en peso. En los experimentos descritos a continuación, esta
aleación fue usada y su margen de tamaños de partículas era de 53 a
106 micrómetros. Como comprenderá una persona de cualificación
ordinaria en la técnica, cualquier otro material de partículas puede
ser usado en la presente invención y el margen de tamaños puede ser
1 a 500 micrómetros. La cuestión de la obturación es especialmente
predominante con los materiales más dúctiles tales como la aleación
anotada anteriormente, el cobre y las aleaciones de cobre. Esta
aleación particular fue elegida porque tiene una tendencia a obturar
los tubos 50 de inyectores dentro de 2 a 10 minutos cuando es
rociada a la temperatura necesaria para el depósito eficiente y por
tanto es un polvo de ensayo ideal.
La Figura 3A es una micrografía por microscopio
electrónico de exploración (SEM) de un corte transversal del
extremo 52 de salida de un tubo 50 de inyector no usado. La Figura
3B es una micrografía por microscopio electrónico de exploración
(SEM) de un corte transversal del extremo 52 de salida de un tubo 50
de inyector mostrando un obturador casi completo de partículas 70
de polvo después de 10 minutos de uso solamente a una temperatura
de gas principal de 537ºC. El polvo de ensayo fue la aleación de
Al-Zn-Si descrita anteriormente y la
presión usada en el inyector 48 fue 2,21 MPa mientras que la del
gas principal fue 2,07 MPa. El extremo 52 de salida tiende a ser la
porción más caliente del tubo 50 de inyector.
La Figura 4 es una vista en corte transversal de
una realización de un inyector 48 diseñado de acuerdo con la
presente invención. El inyector 48 de técnica anterior es modificado
siendo insertado dentro de un manguito 72 de tubo 50 de inyector.
En esta realización, el manguito 72 está fijado al tubo 50 de
inyector en una pluralidad de puntos por un adhesivo 78. Cualquier
adhesivo de alta temperatura puede ser usado y tale son conocidos
en la técnica, por tanto no serán descritos. Un espacio 76 de aire
es definido entre el diámetro interior del manguito 72 y el
diámetro exterior del tubo 50 de inyector. En esta realización, el
extremo de salida del tubo 50 de inyector está enrasado con un
extremo 74 del manguito 72. Se ha descubierto que un espacio 76 de
aire es necesario por un número de razones. Primera, tiene en cuenta
los ciclos térmicos del manguito 72 sin roturas en el manguito 72.
Esto es porque un manguito 72 de ajuste apretado está sujeto a más
roturas a causa de la tensión térmica debido al desajuste de la
dilatación térmica de los diferentes materiales. Además, como se
muestra después en la Figura 7A, la presencia del espacio 76 de
aire, mostrado como línea 86 de referencia, aumenta la capacidad
del manguito 72 para mantener temperaturas de pared relativamente
más bajas del tubo 50 de inyector comparadas con la situación de
sin espacio de aire como se muestra en la línea 84 de referencia.
Preferiblemente, el espacio 76 de aire es de 25 a 200 micrómetros y
más preferiblemente de 50 a 150 micrómetros. El adhesivo 78
funciona para formar el espacio 76 de aire en esta realización. El
manguito 72 está formado de un material que tiene una conductividad
térmica menor que la del tubo 50 de inyector, por tanto aísla
térmicamente el tubo 50. Preferiblemente, el manguito 72 tiene una
conductividad térmica de 15,00 W/m K o menor, más preferiblemente
de 5,00 W/m K o menor y lo más preferiblemente de 2,00 W/m K o
menor. Materiales que cumplen estas especificaciones incluyen
ciertos materiales cerámicos. Preferiblemente, el manguito 72 está
formado de un material cerámico o un material vitrocerámico
mecanizable. Preferiblemente, el material puede ser usado en
aplicaciones de alta temperatura de alrededor de 500ºC o superior.
Un material especialmente útil es la vitrocerámica mecanizable
Macor® obtenible de Dow Corning. Este material tiene una
conductividad térmica de 1,46 W/m K. La composición del Macor®
es la siguiente, todo como porcentaje en peso aproximado: 46%
SiO_{2}, 17% MgO, 16% Al_{2}O_{3}, 10% K_{2}O, 7%
B_{2}O_{3} y 4% F. Es fácilmente mecanizable y puede ser usado
a temperaturas altas hasta 800ºC y todavía mantiene su
comportamiento funcional. También pueden ser usados otros
materiales de uso a temperatura elevada. El manguito 72 también
puede ser formado por procesos de sinterización o fundición como
son conocidos por los expertos en la técnica.
La Figura 5 es una vista en corte longitudinal
de otra realización de un manguito 72 de inyector de polvo diseñado
de acuerdo con la presente invención. En esta realización, el
manguito 72 incluye una porción rebajada 80 cerca de su extremo 74.
El tubo 50 de inyector incluye una porción abocardada 82 en su
extremo 52 de salida. La porción abocardada 82 es recibida en la
porción rebajada 80 y sujeta al manguito 72 al tubo 50 de inyector.
El espacio 76 de aire es definido entre el diámetro exterior del
tubo 50 de inyector y el diámetro interior del manguito 72 como
antes. Esta realización es muy sencilla de ejecutar y robusta.
La Figura 6 es una vista en corte longitudinal
de otra realización de un manguito 72 de inyector de polvo diseñado
de acuerdo con la presente invención. En esta realización, el
manguito 72 tiene un extremo 74 que se extiende más allá del
extremo 52 de salida del tubo 50 de inyector. Como se trata después
con respecto a la Figura 7B, extender el extremo 74 más allá del
extremo 52 de salida aumenta el efecto de refrigeración del
manguito 72. Preferiblemente, el extremo 74 está extendido en una
distancia más allá del extremo 52 de salida desde 1 a 5 veces el
diámetro del tubo 50 de inyector. El margen más preferido es desde 1
a 2 veces el diámetro del tubo 50 de inyecto. La misma extensión
puede ser conseguida con la realización mostrada en la Figura 5
dependiendo de la longitud del manguito 72 y de la profundidad de la
porción rebajada 80.
Los efectos de ciertos cambios de diseño pueden
ser simulados usando el programa FLUENT de ordenador de Dinámica de
Fluido Computacional (CFD: Computational Fluid Dynamics) obtenible
de Fluent, Inc. Las ecuaciones que gobiernan el proceso de
transmisión calorífica y flujo en estado permanente en un proceso de
rociadura cinética son las ecuaciones de conservación de la masa,
la cantidad de movimiento y la energía. El código de Dinámica de
Fluido Computacional (CFD) de Fluent puede manejar las interacciones
entre la fase de gas y las partículas en términos de la cantidad de
movimiento y la energía. Para tener en cuenta la turbulencia en un
flujo de gas, se empleó un modelo de turbulencia de
k-\varepsilon. Este modelo es hallado en "La
computación numérica de flujos turbulentos, métodos de ordenador en
ingeniería y mecánica aplicada", 3, de B. E. Launder y D.B.
Spalding, 1.974, pgs. 269-289. Un modelo axialmente
simétrico fue generado para simular el flujo de gas y la
transmisión de calor alrededor del tubo 50 de inyector de polvo.
Para las condiciones de frontera, un caudal másico de 0,0163 kg/s y
una temperatura de gas principal de 590ºC fueron especificados en la
entrada de boquilla 34. Para el inyector 48, se utilizaron un
caudal de polvo de 0,003 kg/s y una temperatura de flujo gaseoso
con polvo de 80ºC. En las paredes de la boquilla 34 se especificó un
estado no deslizante. El espacio 76 de aire fue fijado en 100
micrómetros. El modelo computacional para transmisión calorífica
conjugada puede predecir la temperatura del inyector 50, del
manguito Macor® 72 y la temperatura del gas alrededor del inyector
50. Las propiedades de materiales usadas en el modelo fueron las
proporcionadas a continuación en la Tabla 1.
La Figura 7A es un gráfico que muestra el uso
del programa FLUENT para simular el efecto con o sin un espacio 76
de aire de 100 micrómetros sobre la temperatura del inyector en
función de la conductividad térmica de un material de manguito. En
la Figura 7A, la línea 84 de referencia representa el caso sin
espacio 76 de aire y la línea 86 de referencia representa el caso
con un espacio 76 de aire de 100 micrómetros. Como se espera, puede
verse que cuanto menor es la conductividad térmica del material de
manguito más baja es la temperatura del inyector. Además, la
presencia de un espacio 76 de aire también ayuda a bajar la
temperatura del inyector en todas las conductividades térmicas. De
este modo, un espacio 76 de aire es muy beneficioso para proteger
el tubo 50 de inyector contra las temperaturas elevadas.
En la Figura 7B es mostrado el efecto de
extender el extremo 74 del manguito 72 más allá del extremo 52 de
salida del tubo 50 de inyector, como se muestra en la Figura 6, en
una distancia de 1,2 veces el diámetro del tubo 50 de inyector
sobre la temperatura del tubo 50 de inyector como se calcula usando
el programa FLUENT. Obsérvese que el eje horizontal es la longitud
normalizada de los inyectores 50. La línea 88 de referencia
represente un manguito 72 como se muestra en la Figura 4, en el que
el extremo 74 del manguito 72 está enrasado con el extremo 52 de
salida del tubo 50 de inyector. La línea 90 de referencia representa
un manguito 72 como se muestra en la Figura 6, en el que el extremo
74 del manguito 72 se extiende más allá del extremo 52 de salida
del tubo 50 de inyector en 1,2 veces el diámetro del tubo 50 de
inyector. Como una primera cuestión, puede verse que la temperatura
del tubo 50 de inyector aumenta a medida que se entra más en la
boquilla 34. Segunda, cuando el extremo 74 está enrasado con el
extremo 52 de salida, hay un aumento espectacular de temperatura
muy cerca del extremo 52 de salida. A modo de contraste, la línea 90
de referencia muestra el beneficio espectacular de extender el
manguito 72. En la realización extendida, la temperatura desciende
realmente cerca del extremo 52 de salida.
La Figura 7C también fue generada usando FLUENT.
El objeto era ensayar el efecto del espesor de pared del maguito
sobre el efecto de refrigeración para un manguito fabricado de
Macor®. La línea 92 de referencia representa un espesor de pared de
0,5 milímetros, la línea 94 de referencia representa un espesor de
pared de 1,1 milímetros y la línea 96 de referencia representa un
espesor de pared de 1,7 milímetros. Como puede verse en la figura,
hay poco beneficio en incrementar el espesor de pared más allá de
0,5 milímetros para Macor® en este sistema. Esto es porque cuando
el espesor de pared de Macor® es aumentado, también es aumentada el
área superficial del Macor® expuesta al gas principal circundante a
temperatura elevada. Por tanto, la velocidad de transmisión de
calor a través del área superficial expuesta supera el efecto del
aislamiento térmico causado incrementando el espesor de pared de
Macor®.
Las Figuras 8A y 8B son micrografías por
microscopio electrónico de exploración (SEM) de cortes transversales
de tubos de inyectores diseñados de acuerdo con la Figura 5 en la
que el manguito 72 incluye una porción rebajada 80 y el tubo 50 de
inyector incluye una porción abocardada 82. Este tubo 50 de inyector
fue usado durante 4 horas a una temperatura de 593ºC con la
aleación de Al-Zn-Si descrita
anteriormente. La Figura 8A es procedente de un corte interior y
puede verse que una porción interior 98 no tiene partículas
adheridas al tubo 50 de inyector. La Figura 8B es tomada del
extremo 100 de salida y puede verse que solo unas pocas partículas
102 están adheridas al interior del tubo 50 de inyector. Esto es en
contraste acusado con la Figura 3B que fue hecha funcionar a una
temperatura aún más baja y durante 10 minutos solamente. Las Figuras
8A y 8B muestran el beneficio del manguito 72 de la presente
invención. Ensayo subsiguiente durante bastante más de 100 horas ha
mostrado que no hay reducción en la eficacia del tubo 50 de inyector
cuando está acoplado con un manguito 72 según la presente
invención.
La Figura 9 representa otra realización de la
presente invención. En esta realización, el tubo 50 de inyector
inyecta el polvo 64 dentro de la cámara de mezcla de una manera no
coaxial, por tanto no es sometido a las temperaturas elevadas. Un
manguito 72 está incorporado todavía alrededor del tubo 50 de
inyector. Además, una cámara extendida 106 acondicionadora de
polvo/gas está incluida entre la cámara 42 de mezcla y la tobera 54
de Laval. Esta cámara 106 de intercambio ayuda a arrastrar el polvo
64. Preferiblemente, la longitud L de la cámara 106 de intercambio
varía de 20 a 1.000 milímetros. Cuando temperaturas altas de
partículas son necesarias para formación de revestimiento, la
cámara extendida 106 acondicionadora de polvo/gas puede ser
calentada por medio de un horno, serpentín calentador u otro
dispositivo calentador, no mostrados pero conocidos en la técnica.
En estos casos que implican altas temperaturas, serpentines 104 de
refrigeración opcionales también pueden ser usados para mantener
temperaturas adecuadas del tubo 50 de inyector.
Claims (19)
1. Un inyector (48) de polvo para una boquilla
(34) de rociadura cinética, comprendiendo dicho inyector de polvo:
un tubo (50) de inyector y caracterizado por un manguito
(72);
en el que dicho tubo (50) de inyector es
recibido dentro de dicho manguito (72) y fijado a dicho manguito;
y
en el que un espacio (76) de aire es definido
entre el diámetro interior de dicho manguito (72) y el diámetro
exterior de dicho tubo (50) de inyector, en el que dicho espacio de
aire es de 25 a 200 micrómetros.
2. Un inyector de polvo según la reivindicación
1, en el que dicho manguito (72) está formado de un material que
tiene una conductividad térmica que es menor que la conductividad
térmica del material del que está formado el tubo (50) de
inyector.
3. Un inyector de polvo según la reivindicación
1, en el que dicho manguito (72) está formado de un material que
tiene una conductividad térmica de 15,00 W/m K o menor.
4. Un inyector de polvo según la reivindicación
1, en el que dicho manguito (72) está formado de un material que
tiene una conductividad térmica de 5,00 W/m K o menor.
5. Un inyector de polvo según la reivindicación
1, en el que dicho manguito (72) está formado de un material
cerámico mecanizable.
6. Un inyector de polvo según la reivindicación
5, en el que dicho material cerámico mecanizable comprende
SiO_{2}, MgO, Al_{2}O_{3}, K_{2}O, B_{2}O_{3} y F.
7. Un inyector de polvo según la reivindicación
4, en el que dicho manguito (72) está formado por sinterización o
fundición.
8. Un inyector de polvo según la reivindicación
1, en el que dicho manguito (72) está formado de un material que
tiene una temperatura de uso continuo de al menos 400ºC.
9. Un inyector de polvo según la reivindicación
8, en el que dicho manguito (72) está formado de un material que
tiene una temperatura de uso continuo de al menos 500ºC.
10. Un inyector de polvo según la reivindicación
1, en el que dicho manguito (72) está formado de un material
cerámico.
11. Un inyector de polvo según la reivindicación
1, en el que dicho tubo (50) de inyector está fijado a dicho
manguito (72) por un adhesivo.
12. Un inyector de polvo según la reivindicación
1, en el que dicho tubo (50) de inyector tiene un extremo (52) de
salida y dicho extremo de salida de dicho tubo de inyector está
enrasado con un extremo (74) de dicho manguito (72).
13. Un inyector de polvo según la reivindicación
1, en el que dicho manguito (72) tiene un extremo (74) que se
extiende más allá del extremo (52) de salida de dicho tubo (50) de
inyector.
14. Un inyector de polvo según la reivindicación
13, en el que dicho extremo (74) de dicho manguito (72) se extiende
más allá de dicho extremo (52) de salida de dicho tubo (50) de
inyector en una distancia de 1 a 5 veces el diámetro de dicho tubo
de inyector.
15. Un inyector de polvo según la reivindicación
13, en el que dicho extremo (74) de dicho manguito (72) se extiende
más allá de dicho extremo (52) de salida de dicho tubo (50) de
inyector en una distancia de 1 a 2 veces el diámetro de dicho tubo
de inyector.
16. Un inyector de polvo según la reivindicación
1, en el que dicho manguito (72) tiene un extremo (74) que tiene
una porción rebajada (80) en él y dicho tubo (50) de inyector tiene
un extremo (52) de salida con una porción abocardada (82), siendo
dicha porción abocardada recibida en dicha porción rebajada y
fijando de tal modo dicho tubo de inyector a dicho manguito.
17. Un inyector de polvo según la reivindicación
1, comprendiendo además un serpentín (104) de refrigeración
arrollado alrededor de una porción de dicho manguito (72).
18. Un inyector de polvo según la reivindicación
1, en el que dicho espacio (76) de aire es de 50 a 200
micrómetros.
19. Un inyector de polvo según la reivindicación
1, en el que dicho espacio (76) de aire es de 50 a 150
micrómetros.
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