ES2316841T3 - Elemento de refrigeracion, en especial para hornos, asi como procedimiento para la fabricacion de un elemento de refrigeracion. - Google Patents

Abstract

Elemento de refrigeración, en especial para el empleo en paredes de hornos sometidos a grandes cargas térmicas, compuesto de cobre fundido o de una aleación de cobre poco aleada, con canales para el refrigerante dispuestos en su interior, de tubos de cobre insertados fundidos en el cobre o en la aleación de cobre, caracterizado porque los tubos de los canales para el refrigerante, son tubos de cobre que por fuera tienen un recubrimiento electrolítico.

Description

Elemento de refrigeración, en especial para hornos, así como procedimiento para la fabricación de un elemento de refrigeración.

La invención se refiere a un elemento de refrigeración, en especial para el empleo en paredes de hornos sometidos a grandes cargas térmicas, compuesto de cobre fundido o de una aleación de cobre poco aleada, con canales para el refrigerante dispuestos en su interior, de tubos de cobre insertados fundidos en el cobre o en la aleación de cobre.

La invención se refiere, además, a un procedimiento para la fabricación de un elemento de refrigeración provisto en su interior con canales para el refrigerante, formados de tubos de cobre, en especial para el empleo en paredes de hornos sometidos a grandes cargas, con los pasos:

a)

Fabricación del tubo incluidas todas las curvas deseadas, ramificaciones y estructuras semejantes de circulación.

b)

Dentro de un molde de fundición, refundición alrededor de los tubos con cobre fundido o aleación de cobre, con refrigeración preferentemente simultánea de las paredes interiores de los tubos.

c)

Enfriamiento del caldo de cobre.

Tales elementos de refrigeración se disponen comúnmente entre la envuelta y la mampostería de un horno, con frecuencia también para un aprovechamiento detrás de la mampostería refractaria, para lo cual los elementos de refrigeración están conectados al sistema de refrigeración del horno, por ejemplo, de un horno de fusión pirometalúrgico. Las superficies de estos elementos de refrigeración pueden estar provistas, como por ejemplo se describe en el documento EP 0 816 515 A1, en la cara vuelta hacia el interior del horno, con nervios o ranuras adicionales, o depresiones de forma de panal, para así hacer posible un mejor enlace con el revestimiento refractario del horno, o sea para asegurar una buena adherencia de la escoria o del metal que se genera en el proceso del horno, y que se solidifica a causa de la refrigeración intensiva mediante los elementos de refrigeración, como protección de elemento de refrigeración contra ataque químico y contra erosión. La inserción de los elementos de refrigeración se lleva a cabo habitualmente en forma de placas de refrigeración, en la zona de las paredes del horno, o de la cubierta, o en la zona de la solera, de cubilotes cilíndricos u ovales. Asimismo tales elementos de refrigeración entran en acción también, en hornos altos de arrabio, en hornos de arco, reactores de reducción directa y gasificadores de sellado. Otros ámbitos de empleo para los elementos de refrigeración son bloques de quemadores, toberas, artesas de colada, abrazaderas de electrodos, bloques para la sangría, ánodos de crisol o coquillas para moldes anódicos.

Básicamente se pretende en los elementos de refrigeración, un alto grado en disipación de calor, con lo cual se puede tanto mejorar el tiempo de exposición de los elementos de refrigeración, como también evitar que cargas térmicas de punta del proceso del horno, en especial en funcionamiento dinámico, conduzcan a una destrucción del elemento de refrigeración.

En elementos de refrigeración con tubos refundidos como canales para el refrigerante, junto a una buena conducción de la corriente con las menores pérdidas posibles, se pretende una buena transmisión térmica del metal fundido del elemento de refrigeración al líquido refrigerante que circula en los tubos. En el documento EP 0 816 515 A1 ya citado arriba, se propone con este fin un enlace mejorado entre tubo y masa de relleno, de modo que una parte de los tubos de cobre realizados de pared gruesa se fundan al refundirlos con el cobre líquido, lo cual no obstante va aparejado con notables dificultades técnicas del proceso, puesto que tubo y caldo presentan en lo esencial el mismo punto de fusión, a causa de la identidad de su material. En una colada relativamente fría, existe el peligro de que el tubo no se suelde suficientemente con el metal colado fundido. La consecuencia de esto es una resistencia muy grande a la transmisión térmica entre tubo y metal refundido. Por el contrario, si se eleva la temperatura de colada, apenas puede evitarse, incluso utilizando tubos de paredes gruesas, una descomposición y fusión de los tubos en algunos puntos, o si no, al menos una compresión de la sección transversal de los tubos. Un cuerpo de fundición combinada, así fabricado, no es utilizable para el empleo en un horno.

En el empleo de caldos de cobre son muy importantes también los condicionamientos metalúrgicos. Los caldos de cobre tienden a absorber gases. En el proceso de colada, el hidrógeno y el oxígeno afectan en especial en forma perturbadora. La duración del tiempo de colada y en su caso la temperatura de sobrecalentamiento, tienen asimismo importancia, y pueden variar de proceso de fusión a proceso de fusión. El hidrógeno y el oxígeno están en equilibrio entre sí, por lo que para alto contenido de oxígeno, se presentan bajos contenidos de hidrógeno, y viceversa. Puesto que la solubilidad del hidrógeno en cobre sólido, es esencialmente menor que en cobre líquido, se deduce de esto que la solubilidad para el hidrógeno se reduce claramente con la temperatura descendente. En la transición de la fase líquida a la sólida del caldo de cobre se produce una reducción extremadamente intensa de la capacidad de solubilidad para el hidrógeno, se habla en general de un salto de solubilidad al descender por debajo de la temperatura de licuefacción, aquel asciende a unos 3,5 ml de hidrógeno por 100 g de caldo de cobre.

Para la capacidad de absorción de un caldo, para los gases, la temperatura y la presión también tienen una importancia esencial. La colada de un caldo de cobre con contenido de hidrógeno, en presencia de oxígeno en forma de óxido de cobre en la superficie del tubo, es problemática, puesto que aquel se forma al colar, debido al oxígeno del aire, a causa del calentamiento extremadamente rápido por el caldo. A causa del salto de solubilidad al pasar el caldo de su estado líquido al sólido, el hidrógeno desprendido reacciona con el óxido de cobre, reduciendo este, y el vapor de agua así generado da lugar a una porosidad gaseosa de la pieza fundida. Tecnológicamente se puede ayudar contra esto, con un desgasificado al vacío, que no obstante representa un gasto adicional. Alternativamente, mediante una carga acertada de oxígeno, se puede conseguir un desplazamiento del equilibrio hidrógeno - oxígeno, en la dirección del oxígeno y, por tanto, una eliminación del hidrógeno. Inmediatamente después del tratamiento oxidante del caldo, se debe de disminuir el contenido de oxígeno, llevándose a cabo un tratamiento desoxidante del caldo en el caldero. A causa de este evidentemente costoso tratamiento metalúrgico de dos fases del caldo de cobre, una reacción con el oxígeno del óxido de cobre de los tubos refundidos de cobre, no puede conducir más a una formación no deseada de vapor de agua y, por tanto, a burbujas de gas dentro del caldo.

Mediante el contacto de un caldo sobrecalentado de cobre, con un tubo de cobre dispuesto en el molde de fundición, se llega como ya se ha descrito, a un debilitamiento mecánico del tubo de cobre. El tubo tiende a comprimirse en aquellos puntos en los que soporta una columna superior de metal. Para eliminar esta dificultad, se hace público en el documento DE-PS 726 599, hacer circular por los tubos durante la colada, gases o líquidos bajo una contrapresión elevada, correspondiendo esta contrapresión aproximadamente a la resistencia a la deformación del tubo a la temperatura de reblandecimiento. Pero tampoco en la aplicación de este procedimiento, se puede impedir una oxidación del tubo en sus superficies exteriores, durante el proceso de colada.

En el documento US 6,280,681 se describen distintas alternativas en la elección del material de los tubos fundidos. Junto a las posibilidades pero también las limitaciones del empleo de tubos de acero, acero fino y cobre, se describe también un tipo de elementos de refrigeración, en el que se utilizan tubos de un material designado en el comercio como "monel". Este material presenta una proporción de cobre del 31% y una proporción de níquel del 63%. Además, en esta publicación se describe que para obtener un buen enlace, se pueden utilizar no sólo tubos de cobre, sino también tubos de aleaciones de Cu-Ni, como por ejemplo, UNS C 71500 con una proporción de cobre del 70% y con una proporción de níquel del 30%. A causa de su superior punto de fusión, estos tubos tienen la ventaja de una mayor capacidad de carga térmica durante la colada, y se pueden preparar con frecuencia también sin circulación simultánea de agua de refrigeración por los tubos, durante y después de la colada. Con tales tubos se puede reducir esencialmente el peligro de irrupciones del caldo de cobre en el interior de los tubos. Para la salvaguarda de un diámetro libre de los tubos, se llena estos con arena antes de la colada, para así conservar la sección transversal del tubo, y evitar un colapso del tubo. Desgraciadamente los citados tubos de Cu-Ni y de aleaciones de Cu-Ni, tienen una conductividad térmica esencialmente peor que los tubos de cobre, con lo que en el funcionamiento posterior como elemento de refrigeración, sólo pueden evacuar claramente menos calor, y pueden llegar en especial a sobrecargas térmicas de zonas de la pared del horno. Además, las aleaciones de níquel y cobre son esencialmente más compactas, por lo que se pueden deformar y flexionar peor. En zonas críticas como, por ejemplo, codos estrechos de 180º, tienen que hacerse en lo esencial más costuras de soldadura a causa del empleo de codos preconformados, con lo que aparte de los mayores costes de fabricación, crece el peligro de pérdidas posteriores.

Además, existe el peligro ya descrito de porosidades elevadas de gas, a causa de la formación de vapor de agua, lo que asimismo empeora la calidad de la fundición, limita la evacuación del calor y, por tanto, reduce la propagación del calor, puesto que las burbujas de gas actúan en la fundición como aislantes. También es desventajoso el diferente coeficiente de dilatación térmica de los metales participantes. Se llega a tensiones de compresión y de tracción en el tubo embebido en el molde de fundición, lo cual puede conducir, en función de la conformación del tubo, a un enlace local peor entre el tubo y el cobre refundido alrededor y, por tanto, una vez más a un empeoramiento de la propagación del calor.

Al estado actual de la técnica pertenece, además, un elemento de refrigeración, como este que está descrito en el documento DE-PS 1 386 645. En este elemento de refrigeración, el tubo a refundir no se encuentra desde el principio en el molde de fundición, más bien se pone primeramente el caldo de cobre en el molde de fundición para la fabricación del bloque de cobre, y a continuación se sumerge el tubo prefabricado en este caldo, refrigerándose al mismo tiempo las paredes interiores del tubo. Para el caso de que el tubo y el caldo se compongan de metales diferentes, se propone la aplicación de una capa adicional en la cara exterior del tubo, componiéndose esta capa adicional de otro tercer metal que se puede aplicar sobre el tubo, por ejemplo, galvánicamente. Qué metales pueden ser apropiados para tales fines, queda abierto.

La misión de la invención se basa en crear un elemento de refrigeración, en especial para el empleo en paredes de hornos sometidos a grandes cargas térmicas, que se destaca en las superficies límites entre tubo de refrigeración y metal refundido alrededor, por un enlace mejorado del material y, por tanto, por una elevada transmisión térmica. Además, se debe de proponer un procedimiento con el que se pueda fabricar un elemento de refrigeración semejante.

Para la solución se propone un elemento de refrigeración con las notas características según la reivindicación 1.

Para la solución de la misión parcial de la preparación de un procedimiento apropiado para la fabricación de tales elementos de refrigeración, se propone un procedimiento con las notas características según la reivindicación 3.

Por eso, según la invención, los tubos a refundir alrededor en la fabricación del elemento de refrigeración, se recubren antes por vía galvánica, con una capa metálica apropiada, llevando consigo esta capa metálica, por una parte ningún empeoramiento, sino más bien una mejora de la transmisión térmica, o sea una buena propagación específica del calor. Por otra parte, la capa metálica aplicada galvánicamente, conduce a ventajas en la pasivación de la cara exterior del tubo contra influencias de la oxidación durante la colada, además se mejora la adherencia entre tubo y metal refundido alrededor, como consecuencia de procesos de difusión que se presentan en la zona límite. Así se hace posible un enlace directo entre el metal de refusión alrededor y el tubo refundido, la transmisión térmica se mejora fuertemente, y el cuerpo tubular así insertado fundido, favorece en el posterior empleo del elemento de refrigeración, una buena acción refrigerante, por ejemplo, en un horno industrial.

Son especialmente ventajosos los procesos de difusión que se presentan en la capa más exterior del recubrimiento electrolítico, después de que este se haya puesto en contacto con el caldo colado de cobre. Estos procesos de difusión conducen a una adherencia claramente mejorada del metal fundido al tubo, junto con una transmisión térmica casi sin pérdidas. Puesto que en la superficie límite entre el recubrimiento electrolítico del tubo y el cobre refundido alrededor, se genera una capa delgada de aleación, la superficie de unión es en esta zona, casi resistente a la corrosión.

En un acondicionamiento preferente del elemento de refrigeración se propone que los tubos sean tubos de cobre, y el recubrimiento un recubrimiento galvánico de níquel. Según el procedimiento se consigue esto, haciendo que el recubrimiento de las caras exteriores del tubo se lleve a cabo en un baño galvánico de níquel, siendo el espesor de la capa así formada de entre 3 y 12 \mum, de preferencia entre 6 y 10 \mum.

El níquel se caracteriza por una conductividad térmica relativamente buena, además, el níquel dispone de una densidad comparable a la del cobre, y de un diámetro atómico muy parecido. El punto de fusión del níquel está situado, con 1453ºC claramente superior al punto de fusión del cobre con 1083ºC, con lo que al echar el cobre líquido se impide o retrasa una soldadura por fusión de la capa electrolítica de níquel. En ensayos se ha puesto de relieve que el alto punto de fusión del níquel, protege la capa galvánica de níquel del tubo, contra un ataque por el caldo, como un tubo adicional. Al mismo tiempo la alta energía térmica conduce a que entre la capa galvánica de níquel y la refundición de cobre, ocurran procesos de difusión que conducen a una adherencia claramente mejor de la refundición al tubo de cobre. Gracias a la generación de una capa delgada de aleación en la superficie límite entre el tubo y la masa refundida, la superficie de unión se hace resistente a la corrosión, aquí sobre todo la solubilidad completa del cobre para el níquel, y el diámetro atómico aproximadamente igual, repercute positivamente. Después de la conclusión de la colada, y de la solidificación del cobre, apenas se puede detectar todavía en esta región el níquel de la capa galvánica de níquel. Aquí repercute también el largo tiempo de enfriamiento después de la solidificación del cobre, hasta el final de los procesos de difusión a unos 400ºC, lo cual supone por lo menos, en cada caso según el tamaño del elemento de refrigeración fundido, de 4 a 8 horas.

Con respecto al espesor de la capa de níquel aplicada galvánicamente en la cara exterior del tubo, el óptimo parece estar entre 6 y 10 \mum.

En otro acondicionamiento del procedimiento, se propone que los tubos de cobre no se recubran hasta después de la terminación de la forma tubular deseada. Así pues se lleva a cabo primeramente la preparación del tubo de cobre, incluidas todas las curvas deseadas, ramificaciones y estructuras semejantes de circulación. No es hasta entonces que se niquelan electrolíticamente los tubos de cobre en su cara exterior de los tubos, en un baño galvánico. Por el contrario, si se niquela ya antes de la realización de los distintos procesos de conformación, se pone de relieve que las capas de níquel varían fuertemente a causa del calentamiento en la zona, por ejemplo, de los codos y radios del tubo y, por tanto, no se produce después ningún enlace uniforme con la pieza metálica fundida.

Con otro acondicionamiento del procedimiento se propone, que las caras exteriores del tubo se chorreen mecánicamente antes del recubrimiento, de preferencia chorreando con granalla basta de vidrio. Antes de refinar galvánicamente es necesario un decapado enérgico. Por lo demás, es ventajoso cuando las caras exteriores recubiertas del tubo, se desengrasan antes de la refundición de los tubos, de preferencia, limpiando con acetona.

Los tubos de cobre terminados en su geometría, se chorrean primeramente con granalla basta de vidrio, para así obtener una superficie lo más rugosa posible y, por tanto, grande, con el resultado de una buena limpieza previa y una activación de los tubos. A continuación se lleva a cabo entonces el recubrimiento electrolítico de las caras exteriores del tubo en el baño galvánico de níquel. A causa de la superficie activada previamente por decapado, se consigue una buena adherencia de la capa de níquel. En la instalación subsiguiente de los tubos de cobre en la caja del molde de fundición debería de prestarse atención a que la superficie quede libre de grasa, recomendándose para ello la limpieza de los tubos con acetona. Luego se lleva a cabo la colada del cobre líquido en el molde de fundición. Basándose en la superficie previamente limpiada, durante la colada se podría evitar cualquier oxidación de las superficies del tubo. De este modo se puede impedir un empeoramiento del enlace. Incluso una ligera oxidación de la superficie del níquel, no parece atraer la atención con desventaja durante la fusión que ocurre, así como durante los procesos de difusión que se desarrollan.

Los resultados de ensayos efectuados muestran que también es posible un rápido enfriamiento desde el estado líquido, como consecuencia de una refrigeración muy intensiva de los tubos de cobre alimentados con agua de refrigeración, durante y después del proceso de colado. Normalmente una refrigeración intensiva semejante repercute desventajosamente sobre la calidad del enlace. Por el contrario utilizando tubos galvanizados de cobre, en los ensayos se pudieron obtener cualitativamente buenas piezas de fundición, incluso con potencia frigorífica intensa del agua que atraviesa por los tubos. Por consiguiente, se puede hablar de un proceso resistente de fundición relativamente insensible frente a variaciones de los parámetros del procedimiento.

Con otra forma de realización del elemento de refrigeración según la invención, se propone que los tubos no sean tubos de cobre, sino tubos de cuproníquel con una proporción de cobre del 30 al 70%, y una proporción de níquel del 20 al 65%, siendo el recubrimiento electrolítico un recubrimiento de cobre.

Análogamente, un procedimiento apropiado para la fabricación de un elemento de refrigeración semejante, se caracteriza porque los tubos utilizados son tubos de cuproníquel con una proporción de cobre del 30 al 70%, y una proporción de níquel del 20 al 65%, y porque el recubrimiento de las caras exteriores del tubo, se lleva a cabo en un baño galvánico de cobre.

En la tabla 1 siguiente, están resumidos los resultados por medio de en total once probetas realizadas, habiéndose probado también probetas comparativas sin refino electrolítico. La prueba se llevó a cabo utilizando mediciones calorimétricas con infrarrojos (análisis termográfico), así como subsiguientes ensayos de cizallamiento:

TABLA 1

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Los mejores resultados los mostraron pues las probetas nº 4 y nº 5, en cada una de las cuales se empleó un tubo de cobre con niquelado galvánico, siendo el espesor de la capa en la probeta 4, de 6 \mum, y en la probeta 5, de 9 \mum. Un buen enlace lo muestra también la probeta nº 3, con una capa reducida de níquel de 3 \mum. Pero también los ensayos realizados según el procedimiento paralelo, empleando un tubo de "Monel 400", todavía muestran un buen enlace entre tubo y masa refundida, únicamente en la zona del codo del tubo, mostraron malos resultados los ensayos de cizallamiento.

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(Tabla pasa a página siguiente)

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La tabla 2 siguiente reproduce los resultados de ensayos de la exploración termográfica mediante evaluación de la imagen de radiación térmica:

TABLA 2

2

Finalmente la tabla 3 siguiente reproduce los resultados de los ensayos de cizallamiento realizados, con indicación de la resistencia al cizallamiento \tau en N/mm^{2}, para los cuatro pares de materiales: cobre sin niquelado, cobre con niquelado, monel 400 sin capa de cobre y monel 400 con capa electrolítica de cobre. Son manifiestos los resultados especialmente buenos en el empleo de un tubo niquelado de cobre, así como de un tubo cobreado de monel 400:

TABLA 3

3

A los resultados de las probetas y de cizallamiento, resumidos en las tablas 1, 2 y 3, sirve de base el cuerpo de la probeta representado en la figura 1. El tubo adopta un curso en forma de U a través del cuerpo fundido, con una alimentación y una evacuación que sobresalen del cuerpo fundido. En los ensayos se utilizaron tubos con un diámetro exterior de 33 mm, y con un diámetro interior de 21 mm cada uno, las dimensiones del bloque fundido, fueron de 360 mm/200 mm/80 mm. Las dimensiones del tubo permiten reconocer que el espesor de pared de los tubos utilizados en los ensayos de colada, era en cada caso de 6 mm.

Los cuerpos de las probetas así terminados se calentaron en un horno de calcinar, durante la refrigeración subsiguiente con un caudal definido de agua y con una presión definida, se llevaron a cabo tomas termográficas con ayuda de una cámara de infrarrojos.

Claims (8)

1. Elemento de refrigeración, en especial para el empleo en paredes de hornos sometidos a grandes cargas térmicas, compuesto de cobre fundido o de una aleación de cobre poco aleada, con canales para el refrigerante dispuestos en su interior, de tubos de cobre insertados fundidos en el cobre o en la aleación de cobre, caracterizado porque los tubos de los canales para el refrigerante, son tubos de cobre que por fuera tienen un recubrimiento electrolítico.

2. Elemento de refrigeración según la reivindicación 1, caracterizado porque el espesor del recubrimiento es de entre 3 y 12 \mum, de preferencia entre 6 y 10 \mum.

3. Procedimiento para la fabricación de un elemento de refrigeración provisto en su interior con canales para el refrigerante, formados de tubos, en especial para el empleo en paredes de hornos sometidos a grandes cargas térmicas, con los pasos:

a)

Fabricación del tubo incluidas todas las curvas deseadas, ramificaciones y estructuras semejantes de circulación.

b)

Dentro de un molde de fundición, refundición alrededor de los tubos con cobre fundido o aleación de cobre de baja aleación, con refrigeración preferentemente simultánea de las paredes interiores del tubo.

c)

Enfriamiento del caldo de cobre,

caracterizado porque se utilizan tubos de cobre, y durante la fabricación de los tubos, se recubren eléctricamente al menos aquellas zonas de las caras exteriores del tubo que más tarde se cuela alrededor con el cobre o con la aleación de cobre.

4. Procedimiento según la reivindicación 3, caracterizado porque los tubos no se recubren hasta después de la terminación de la forma deseada del tubo.

5. Procedimiento según la reivindicación 3 ó 4, caracterizado porque las caras exteriores del tubo se chorrean mecánicamente antes del recubrimiento, de preferencia chorreando con granalla basta de vidrio.

6. Procedimiento según alguna de las reivindicaciones 3 a 5, caracterizado porque las caras exteriores recubiertas del tubo, se desengrasan antes de la refundición de los tubos, de preferencia, limpiando con acetona.

7. Procedimiento según alguna de las reivindicaciones 3 a 6, caracterizado porque los tubos utilizados son tubos de cobre, y porque el recubrimiento de las caras exteriores del tubo, se lleva a cabo en un baño galvánico de níquel.

8. Procedimiento según alguna de las reivindicaciones 3 a 7, caracterizado porque el espesor del recubrimiento galvánico es de entre 3 y 12 \mum, de preferencia entre 6 y 10 \mum.