ES2319309T3 - Metodo de regulacion de caudal de paso y tobera de descarga de un recipiente metalurgico. - Google Patents

Abstract

Método para la regulación del caudal de paso a través de una tobera de descarga de un recipiente metalúrgico con una tobera superior (3) colocada la base (1) del recipiente metalúrgico y una tobera inferior (7) colocada bajo la tobera superior (3), con al menos un orificio de entrada de gas inerte (13) y con un sensor (10) situado junto o en la tobera inferior (7) con el que se determinada el grosor de capa de depósitos en la tobera, regulándose el suministro de gas inerte en la tobera de descarga mediante las señales de medición del sensor (10).

Description

Método de regulación de caudal de paso y tobera de descarga de un recipiente metalúrgico.

La invención se refiere a un método para regular el caudal de flujo a través de una tobera de descarga de un recipiente metalúrgico. Asimismo, la invención se refiere a una tobera de descarga de un recipiente metalúrgico.

Especialmente en la fundición de acero, el metal en líquido es vertido desde un distribuidor por ejemplo a un sistema de colado continuo. En este proceso, el metal fluye por una tobera de descarga (o "nozzle" como se denomina en inglés) situada en la base del recipiente distribuidor. Cuando el material fluye, la adherencia de material en las paredes de la tobera de descarga supone inconvenientes. En este proceso, el diámetro del conducto se reduce influyendo de forma negativa en el caudal de paso. Para evitar la adherencia de material en el conducto se insufla repetidas veces un gas inerte como el argón en la abertura del conducto. Sin embargo, cantidades excesivas de gas pueden influir negativamente en la calidad del acero, ya que, por ejemplo mediante la formación de cavidades en el acero, se producen daños superficiales en el acero durante el posterior laminado.

En el documento JP1104814 A se describe una tobera de fondo para masas fundidas de metal en la que las toberas están rodeadas de una carcasa. En la carcasa se introduce gas con el objetivo de que entre en la tobera. En el documento JP2004243407 A se describe una tobera de descarga con suministro de calor. El documento JP59133955 A da a conocer un sistema de descarga en el que en ambos extremos de la tobera hay colocado un electrodo con los que suministrar calor a la tobera.

En el documento WO 2004/035249 A1 por ejemplo se describe un material para la tobera de descarga. Una tobera de descarga dentro de un recipiente metalúrgico se da a conocer en los documentos KR 2003-0017154 A o en US 2003/0116893 A1. En el último documento mencionado se representa el uso de gas inerte con el objetivo de reducir la adherencia de material (o "clogging" en su denominación inglesa) en la pare interior de la tobera de descarga, de forma similar a la descrita en el documento JP 2187239. Mediante el documento WO 01/56725 se conoce de forma bastante detallada un mecanismo para la regulación del suministro de gas. Según el documento japonés JP 8290250 se suministra nitrógeno. El documento JP3193250 da a conocer un método para la vigilancia de la adherencia o depósito de material con la ayuda de una pluralidad de sensores de temperatura situados después de la tobera de descarga. La introdución de gas inerte en el interior de la tobera de descarga se conoce por lo demás a través de los documentos JP 2002210545, JP 61206559, JP 58061954 y JP 7290422.

De algunos de estos documentos se conoce, además de la introducción de gas inerte, la reducción de la cantidad de oxígeno que entra mediante el uso de carcasas que rodean parte de la tobera de descarga. En parte aquí, como en el documento JP 8290250, se genera una sobrepresión de gas inerte dentro de dichas carcasas. Para evitar la entrada de oxígeno se da a conocer en el documento JP 11170033 una carcasa alrededor de una válvula de la tobera de descarga. El flujo de masa metálica fundida a través del sistema de descarga se controla según los documentos ya mencionados mediante válvulas de compuerta. En éstas válvulas de compuerta, la compuerta se desliza en verticalmente respecto a la dirección del flujo de metal y de este modo obturan la tobera de descarga. Otra posibilidad para regular el caudal de paso es la denominada varilla de cierre (o "stopper rod" en su denominación inglesa), como se conoce a través del documento JP2002143994.

En el documento coreano KR 1020030054769 A se describe la colocación de una carcasa alrededor de la válvula de una tobera de descarga. El gas que se encuentra en la carcasa se aspira fuera de ella mediante una bomba de vacío. El documento JP 4270042 describe una carcasa similar. Aquí, como en los documentos mencionados arriba, se genera dentro de la carcasa una atmósfera no oxidante. La carcasa presenta una abertura por la que se suministra el gas inerte. Otra colocación en la que se aspira el gas de la carcasa que rodea parcialmente la tobera de descarga para generar un vacío dentro de la carcasa se conoce mediante el documento JP 61003653.

La presente invención tiene como objetivo mejorar las técnicas existentes para evitar la adherencia de depósitos en las toberas de una tobera de descarga de forma sencilla y fiable, sin perjudicar la calidad de la masa de metal fundido y/o del metal una vez solidificado.

Dicho objetivo se alcanza gracias a las características de las reivindicaciones independientes. Otras formas de realización ventajosas se muestran en las subreivindicaciones.

Según el método de regulación de caudal de flujo a través de una tobera de descarga de un recipiente metalúrgico con una tobera superior colocada en la base del recipiente metalúrgico y una tobera inferior colocada debajo de la tobera superior, con al menos una abertura para la entrada de gas inerte y con un sensor junto o en la tobera para determinar el grosor de capa de los depósitos en la tobera, se regula el suministro de gas inerte hacia la tobera de descarga mediante las señales medidas por el sensor.

En especial partiendo de un valor de caudal de flujo del gas inerte o de una presión existente del gas inerte, se reduce el caudal de flujo y/o la presión hasta que el sensor señalize un aumento de depósitos y/o la cantidad de caudal de flujo y/o la presión aumentan hasta que el sensor señalize una reducción o disolución de los depósitos. En este proceso puede reglarse el suministro de gas inerte hasta un mínimo de tal forma que se introduzca poco gas inerte en la masa de metal fundido y que consecuentemente existan menos burbujas de gas dentro del metal procesado, por ejemplo dentro del acero. Preferentemente se utiliza un sensor de temperatura colocado junto o en la parte exterior de la tobera. La medición se puede realizar por inducción, resistencia, ultrasonido o rayos X. Conviene a tal objetivo que el caudal de flujo y/o la presión se reduzcan más rápido que un valor límite predeterminado y/o que el caudal de flujo y/o la presión aumenten más rápido hasta que la temperatura medida en la pared disminuya menos rápido que el valor límite predefinido para la refrigeración. Especialmente puede ser conveniente que el flujo de material fundido sea regulado mediante una válvula colocada entre la tobera inferior y superior o sobre la tobera superior. En el caso mencionado en primer lugar se utiliza entre la tobra superior e inferior una válvula de compuerta (o "sliding gate" en su denominación inglesa); en el caso nombrado por último una varilla de cierre (o "stopper rod" en su denominación inglesa). Conviene a tal fin que la introducción del gas inerte en la abertura de paso de flujo de la tobera de descarga se realize por debajo de la tobera superior. Preferentemente se utiliza argón como gas inerte.

Según la invención, un sistema de descarga para un recipiente metalúrgico presenta, para llevar a cabo el método, una tobera superior y una tobera inferior colocada por debajo de la superior en la base de un recipiente metalúrgico, habiendo dispuesta por debajo de la tobera inferior al menos una abertura de entrada de gas inerte hacia la abertura de caudal de flujo de la tobera de descarga, la cual está conectada a un conducto de gas inerte y habiendo colocado en la parte exterior de la tobera inferior un sensor, preferentemente un sensor de temperatura, para determinar el grosor de capa de los depósitos (o "clogging" según la denominación en inglés) en la tobera y estando conectado el sensor con un regulador del caudal de paso del gas inerte. Al menos una de las toberas puede presentar a tal fin un calefactor. Es adecuado asimismo disponer una válvula (válvula de compuerta o varilla de cierre) encima de la tobera superior para regular el flujo de metal fundido.

Una tobera de descarga objeto de invención para un recipiente metalúrgico con una tobera superior colocada en la base de un recipiente metalúrgico y una tobera inferior colocada debajo debajo de la tobera superior presenta al menos una pared de la abertura de flujo de caudal fabricada a prueba de masa metálica fundida a través de las toberas y está caracterizada porque las toberas al menos parcialmente están rodeadas por una carcasa hermética y por rodear la carcasa por su extremo inferior la tobera en su perímetro de forma hermética, estando en contacto una parte de su interior con la parte exterior de la tobera y por estar colocado entre la pared de la abertura de flujo de caudal y la carcasa un material sólido con propiedades termoaislantes. La expresión "al menos parcialmente" se debe interpretar teniendo en cuenta que la carcasa no puede rodear la tobera, por ejemplo, por las aberturas de la misma. La carcasa impide el paso de gas, presenta un extremo superior e inferior y es hermética entre éstos. Con esta colocación, el sistema de descarga presenta dos juntas básicas, a saber, una junta para el flujo de material fundido en la parte de la pared de la abertura de flujo de caudal y una junta hermética en la parte más fría de la tobera de descarga y más alejada de la abertura de flujo de caudal. De este modo se pueden utilizar materiales de menor termoresistencia para lograr la hermeticidad necesaria. Naturalmente la expresión "hermeticidad" no denota una hermeticidad absoluta, sino un flujo de gas menor, de por ejemplo menos de 10 ml/s, preferentemente de menos de 1 ml/s, especialmente se prefieren valores de 10-4 ml/s, en función del tipo y de la disposición de las juntas y/o materiales. Un valor de este tipo es menor que el antecedente de la técnica conocido en al menos un orden de magnitud. Esta hermeticidad a prueba de gas (especialmente la hermeticidad frente al oxígeno) contribuye a reducir los depósitos ("clogging" como se denominan en inglés) a un mínimo.

La carcasa presenta preferentemente varias piezas de carcasa colocadas superpuestas y unidas herméticamente, estando unida al menos una pieza de la carcasa con la tobera superior y/o con la base del recipiente metalúrgico de forma hermética, preferentemente a través de estar en contacto con una parte de su superficie lateral con la parte exterior de la tobera superior y/o de la base. Asimismo beneficia al objeto de la invención que encima de la tobera superior o entre la tobera superior y la inferior haya colocada una válvula para regular el flujo de metal fundido. En el primer caso mencionado, la válvula es una varilla de cierre, en el segundo caso la válvula es una válvula de compuerta. Dentro de la carcasa o en el material termoaislante se encuentra colocado un material con propiedades de absorción de oxígeno, especialmente del grupo del titanio, aluminio, magnesio o circonio.

La carcasa está realizada de acuerdo al objetivo de la invención al menos parcialmente de forma tubular (cilindro hueco) o cónica, preferentemente con una sección ovalada o circular. La carcasa de acuerdo al objetivo de la invención puede estar fabricada de acero y el material termoaislante puede contener óxido de aluminio. Puede ser adecuado que al menos una de las toberas presente un sistema de calentamiento.

A continuación se muestra la invención de forma ejemplar mediante una figura. La figura muestra:

En la figura 1, un sistema de descarga para la puesta en práctica del método objeto de invención;

en la figura 2, un diagrama de tiempo de temperatura/presión;

en la figura 3, el sistema de descarga estanco objeto de la invención.

La tobera de descarga en base 1 de un distribuidor de masa de acero fundida 2 representado en la figura 1 presenta dentro de su base 1 una tobera superior 3. En ésta hay colocados electrodos 4 para la generación de un efecto electroquímico o como calentadores. La base 1 en sí presenta diferentes capas de un material refractario y en su parte exterior una carcasa de acero 5. Debajo de la tobera superior 3 hay colocada una válvula de compuerta 6 para la regulación del flujo de acero fundido y por debajo de ésta una tobera inferior 7, que alcanza hasta el recipiente de metal fundido 8, el cual pertenece, por ejemplo, a una instalación de colado continuo de acero. Mediante aberturas 9, la masa fundida de acero 2 fluye al recipiente de metal fundido 8. Un sensor de temperatura 10 mide la temperatura en la parte exterior de la tobera inferior. Cuando ésta disminuye, dicha disminución marca el aumento de los depósitos dentro de la tobera inferior 7, ya que el aislamiento entre la parte exterior de la tobera inferior 7 y la masa de acero fundido 2 que la atraviesa aumenta. El sensor de temperatura 10 genera, junto con el sensor de presión 11 mediante un reglaje de presión 12, la regulación del suministro de argón a través de la abertura de gas inerte 13 a la masa de acero fundido 2.

En la figura 2 se representa la progresión de la temperatura en relación a la presión/tiempo. A menor temperatura (línea gruesa) aumenta progresivamente la presión de argón de forma que el flujo de argón en la abertura de paso causa la disolución de los depósitos en la pared. A consecuencia de ello aumenta la temperatura medida en la pared exterior de nuevo hasta un valor fijo. De este modo, la presión/flujo de argón puede configurarse a un valor mínimo que evita la formación de depósitos o que reduce dichos depósitos al mínimo.

La tobera de descarga representada en la figura 3 presenta una segunda junta compuesta básicamente de dos piezas, a saber, una junta a prueba de masa fundida a lo largo de la parte interior de la abertura de paso y una carcasa 14, la cual está realizada como junta a prueba de gases del exterior (entre la atmósfera y la abertura de paso), estando colocadas cada una de las juntas en una zona con una temperatura claramente más reducida. La carcasa 14 se compone de varias piezas 14a y 14b y se extiende hasta el casquillo metálico 15 que rodea la tobera superior 3 por su parte exterior y que acaba en una brida 16, en la que está en contacto una parte de la superficie exterior de la parte superior de la carcasa 14b de forma hermética. En la figura se muestran las diferentes juntas. Las juntas 17 denominadas de tipo 1 están colocadas entre piezas móviles en sentido opuesto en la válvula de compuerta 6. Están al menos parcialmente expuestas a la masa fundida. Las juntas 18 de tipo 2 están colocadas entre piezas refractarias de la tobera de descarga en la base 1 de un recipiente metalúrgico, por ejemplo entre las piezas de la válvula de compuerta 6 y de la tobera superior 3 y/o de la tobera inferior 7. También este tipo 2 de juntas 18 están expuestas al menos parcialmente a la masa fundida y/o a la temperatura del acero líquido. Por lo demás, la pared de la abertura de paso de la tobera de descarga en la base 1 de un recipiente metalúrgico representa también en sí una junta (junta del tipo 3), influenciada por el material seleccionado. Las juntas descritas existen en principio en todas las colocaciones conocidas. Pueden estar fabricadas por ejemplo de óxido de aluminio. El efecto sellante de las juntas del tipo 3 puede mejorarse a través de capas de vidrio de alta temperatura por ejemplo. Las piezas de la carcasa 14 exterior forman una junta del tipo 4 y no están expuestas a la masa fundida de acero o a temperaturas comparables. Estas juntas pueden estar fabricadas de metal, por ejemplo de acero, o de un material cerámico fuertemente sinterizado. Las juntas 19 del tipo 5 están colocadas entre piezas de la carcasa 14 y piezas móviles del reglaje de paso, como las varillas de cierre 20 y la válvula de compuerta 6. No están expuestas al acero líquido y pueden, en función de los estados de temperatura concretos, estar fabricadas de inconel (hasta 800ºC), aluminio, cobre, grafito (hasta aprox. 450ºC) o de un material elastomérico (en temperaturas hasta aprox. 200ºC), del mismo modo que las juntas 20 de tipo 6 entre cada una de las piezas de la carcasa. Asimismo, como transición entre el material refractario de la tobera superior 3 y/o de la tobera inferior 7 y la carcasa 14 y/o casquillo metálico 15 que las rodean hay instaladas juntas 21 del tipo 7 que evitan que el gas, especialmente el oxígeno, penetre a lo largo del punto de unión de estas piezas en la cavidad 22 entre la pieza de carcasa 14b y la válvula de compuerta 6. De este modo se asegura una presión negativa dentro de la cavidad 22 en relación con el entorno durante el paso de masa fundida 2 a través de la tobera de descarga en la base 1. Esta junta del tipo 7 puede fabricarse y configurarse por el fabricante de las toberas.

La tobera superior 3 puede estar fabricada de óxido de circonio y la inferior de óxido de aluminio. Oxido de aluminio emulsionado con una densidad reducida y poros cerrados pueden usarse también, del mismo modo que grafito-óxido de aluminio y otros materiales fibrosos o emulsionados. En el material termoaislante de la tobera inferior 7 o entre la tobera inferior 7 y la pieza de carcasa 14a puede estar colocado un material con propiedades absorbentes de oxígeno, como por ejemplo titanio, aluminio, magnesio, itrio o circonio, mezclado con el material refractario o por separado.

La tobera de descarga en base de recipiente metalúrgico objeto de la presente invención presenta un índice de fuga mucho más reducido que los sistemas ya conocidos. Las juntas del tipo 1 y/o 2 presentan un índice de fuga de aprox. 103 hasta 104 y/o 102 hasta 103 ml/s y los materiales estándar para las juntas del tipo 3 dan lugar a índices de fuga de aprox. 10 hasta 100 ml/s. Las juntas del tipo 4 dan lugar a un índice de fuga despreciable de menos de 10-6 ml/s, cuando se usa metal (por ejemplo acero) como material. Las juntas del tipo 5 y 6 puede alcanzar aplicando polímeros un índice de fuga de aprox. 10-4 ml/s y si se aplican juntas de grafito con las propiedades oportunas se alcanzan índices de 1 ml/s. Las juntas del tipo 7 son similares a una combinación de juntas del tipo 3 y el 4 y pueden alcanzar un índice de fuga de aprox. 1 hasta 10 ml/s. Los índices de fuga se refieren al estado de funcionamiento de la tobera de descarga.

El índice de fuga normalizado (Nml/s)=índice de fuga (ml/s) x P_{avg}/1 atm x 273K/T_{avg}

P_{avg}=(P_{in}+P_{out})/2<atm>

T_{avg}=(T_{in}+T_{out})/2<K>

AVG= valor medio

Con ello el índice de fuga normalizado de acuerdo a la presente invención se encuentra en un orden de magnitud de aprox. 1 hasta 10 Nml/s, mientras que la combinación de juntas del tipo 1, 2 y 3 da lugar también a índices de
150 Nml/s.

Claims (23)

1. Método para la regulación del caudal de paso a través de una tobera de descarga de un recipiente metalúrgico con una tobera superior (3) colocada la base (1) del recipiente metalúrgico y una tobera inferior (7) colocada bajo la tobera superior (3), con al menos un orificio de entrada de gas inerte (13) y con un sensor (10) situado junto o en la tobera inferior (7) con el que se determinada el grosor de capa de depósitos en la tobera, regulándose el suministro de gas inerte en la tobera de descarga mediante las señales de medición del sensor (10).

2. Método según la reivindicación 1, caracterizado porque, partiendo del caudal de paso existente del gas inerte o de una presión existente del gas inerte, el caudal de paso y/o la presión se reducen hasta que el sensor (10) señale un aumento de los depósitos y/o el caudal de paso y/o la presión se aumenten hasta que el sensor (10) señale una reducción o disolución de dichos depósitos.

3. Método según la reivindicación 1 o 2, caracterizado porque como sensor (10) se utiliza un sensor de temperatura situado junto o en la parte exterior de la tobera inferior (7).

4. Método según la reivindicación 3, caracterizado porque se reduce el caudal de paso y/o la presión tanto tiempo como la temperatura de pared medida quede por debajo de un valor límite de enfriamiento preconfigurado y/o el caudal de peso y/o la presión aumenten hasta que la temperatura de pared medida baje más despacio que un valor límite preconfigurado de enfriamiento.

5. Método según alguna de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el flujo de metal fundido se puede regular mediante una válvula (6) situada encima o debajo de la tobera superior (3).

6. Método según alguna de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el suministro de gas inerte por el orificio de paso de la tobera de descarga tiene lugar por debajo de la tobera superior (3).

7. Método según alguna de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado por el uso de argón como gas inerte.

8. Tobera de descarga para un recipiente metalúrgico para la realización del método según alguna de las reivindicaciones 1 a 7 con una tobera superior (3) colocada en la base (1) de un recipiente metalúrgico y una tobera inferior (7) colocada bajo la tobera superior, habiendo colocada debajo de la tobera superior (3) al menos un orificio de entrada de gas inerte (13) con una conexión para gas inerte, disponiendo junto o en la parte exterior de la tobera inferior (7) de un sensor (10) para determinar el grosor de capa de depósitos en la tobera y estando el sensor conectado a un regulador de paso de gas inerte.

9. Tobera de descarga según la reivindicación 8, caracterizada porque el sensor (10) es un sensor de temperatura.

10. Tobera de descarga según la reivindicación 8 o 9, caracterizada porque al menos una de las toberas (3,7) está dotada de un sistema calentador (4).

11. Tobera de descarga según alguna de las reivindicaciones 8 a 10, caracterizada porque por encima de la tobera superior (3) hay colocada una válvula (6) para regular el flujo de masa fundida.

12. Tobera de descarga para un recipiente metalúrgico con una tobera superior (3) colocada en la base (1) de un recipiente metalúrgico y una tobera inferior (7) colocada debajo de la tobera superior (3), estando fabricada la pared del orificio de paso a través de las toberas (3,7) al menos a prueba de masa de metal fundida, estando rodeadas las toberas (3,7) al menos parcialmente de una carcasa hermética (14), y rodeando la carcasa (14) por su extremo inferior la tobera inferior (7) de forma hermética en su perímetro,caracterizada porque la carcasa (14) está en contacto con una parte de su lado interior con la parte exterior de la tobera (7) y habiendo colocado un material sólido termoaislante entre la pared del orificio de paso y la carcasa (14).

13. Tobera de descarga según la reivindicación 12, caracterizada porque la carcasa (14) presenta varias piezas de carcasa (14a, 14b) unidas entre sí herméticamente, estando al menos una pieza de carcasa (14b) unida de forma hermética con la tobera superior (3) y/o con la base (1).

14. Tobera de descarga según la reivindicación 12 o 13, caracterizada porque encima de la tobera superior (3) o entre la tobera superior o inferior hay colocada una válvula (6) para regular el flujo de masa metálica fundida.

15. Tobera de descarga según alguna de las reivindicaciones 12 a 14, caracterizada porque dentro de la carcasa (14) o en el material sólido termoaislante hay instalado un material con propiedades absorbentes del oxígeno.

16. Tobera de descarga según alguna de las reivindicaciones 12 a 15, caracterizada porque al menos una parte de la carcasa (14) está fabricada en forma tubular o cónica.

17. Tobera de descarga según alguna de las reivindicaciones 12 a 16, caracterizada porque la carcasa (14) está fabricada de acero.

18. Tobera de descarga según alguna de las reivindicaciones 12 a 17, caracterizada porque al menos una de las toberas (3, 7) presenta un sistema calefactor (4).

19. Tobera de descarga según la reivindicación 13, caracterizada porque la carcasa (14) presenta piezas de carcasa (14a, 14b) colocadas superpuestas.

20. Tobera de descarga según la reivindicación 13, caracterizada porque la pieza de carcasa (14b) está en contacto con una parte de su superficie lateral con la parte exterior de la tobera superior (3) y/o de la base (1).

21. Tobera de descarga según la reivindicación 15, caracterizada porque el material absorbente de gases pertenece al grupo del titanio, aluminio, magnesio o circonio.

22. Tobera de descarga según la reivindicación 16, caracterizada porque la pieza tubular o cónica de la carcasa (14) está fabricada en sección ovalada o circular.

23. Tobera de descarga según alguna de las reivindicaciones 12 a 17, caracterizada porque el material sólido termoaislante contiene mayormente óxido de aluminio.