ES2324729T3 - Horno de arco electrico. - Google Patents
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Abstract
Horno de arco eléctrico (10) por fundición de arrabio, que comprende una envoltura exterior (12) y un revestimiento refractario interior (24), conteniendo dicho horno de arco eléctrico un baño de metal fundido (28) durante su funcionamiento y presentando dicho baño de metal fundido un nivel de funcionamiento mínimo y máximo, caracterizado porque en la zona (34) entre dicho nivel de funcionamiento mínimo y máximo, en dicha envoltura exterior (12) se monta un anillo (23) de placas de cobre relativamente espesas (20, 20''), que presentan un espesor de por lo menos 20 mm, estando dichas placas de cobre (20, 20'') en contacto termoconductor con dicho revestimiento refractario interior (24), en la zona (34) entre dicho nivel de funcionamiento mínimo y máximo y superponiéndose sobre las aberturas posteriores de refrigeración (39) previstas en dicha envoltura exterior (12), y estando provistas dichas placas de cobre (20, 20'') de unos medios de refrigeración por pulverización (40).
Description
Horno de arco eléctrico.
La presente invención se refiere a un horno de
arco eléctrico y a un dispositivo de refrigeración para el
revestimiento refractario de dicho horno. Más particularmente, la
presente invención se refiere a un horno de arco eléctrico para
fundición de arrabio, que produce arrabio con un baño firmemente
agitado con el fin de permitir un elevada entrada de energía
específica (en el orden de magnitud de 1 MW/m^{2}), y un
dispositivo de refrigeración para enfriar el revestimiento
refractario en este tipo específico de horno de fundición de
arrabio.
En un horno de arco eléctrico de fundición de
arrabio se funden y reducen hierro y otros óxidos metálicos con el
fin de producir aleaciones férricas. Durante el funcionamiento, la
temperatura del baño de metal fundido (por ejemplo arrabio) en el
horno está normalmente entre 1.450ºC y 1.550ºC. Con el fin de
asegurar una temperatura uniforme del baño y permitir una fundición
rápida del material insertado, la energía de arco eléctrico debe
propagarse rápidamente por todo el baño. En el tipo mencionado
anteriormente de horno de fundición de arrabio, esto se obtiene
agitando firmemente el baño, por ejemplo por medio de inyección de
nitrógeno a través de plugs porosos.
Es bien conocido en el campo de la producción de
acero eléctrico que una de las zonas de más deterioro refractario
es la zona adyacente al interfaz entre el baño de metal fundido y la
capa de escoria sobre el mismo. El deterioro refractario en esta
zona crítica se debe a diferentes efectos químicos, térmicos y
mecánicos. Independientemente de los efectos, se ha observado que
el deterioro refractario se eleva con un aumento de la temperatura
del revestimiento refractario y en particular en su cara caliente,
es decir donde el refractario está en contacto con el baño de metal
fundido o la capa de escoria. Dado que el deterioro del
revestimiento refractario es un factor importante de costes, se han
realizado diferentes tentativas para proporcionar un dispositivo de
refrigeración con el fin de enfriar el revestimiento refractario en
la zona crítica arriba mencionada.
Además, aparte del factor de costes, existe un
importante riesgo de seguridad relacionado con la erosión del
revestimiento refractario. En efecto, si el metal fundido entra en
contacto directo con la envoltura del horno debido a un exceso de
erosión local del revestimiento refractario, podría tener lugar una
fuga de metal fundido, en particular en la zona crítica. Este
riesgo se conoce específica, pero no exclusivamente, en relación con
los hornos de fundición de arrabio con un baño firmemente agitado y
sobrecalentado. Con el fin de evitar una posible fuga de metal
fundido en caso de una deficiencia localizada del revestimiento
refractario, es conveniente solidificar el metal fundido en
contacto con la envoltura del horno, o antes de entrar en contacto
la misma. Dado que el baño de metal fundido (por ejemplo arrabio)
se agita firmemente y se sobrecalienta a aproximadamente 300ºC
(siendo la temperatura de fusión del arrabio de aproximadamente
1.190ºC), es difícil solidificar el metal fundido por medio de un
dispositivo de refrigeración en el tipo de horno arriba
mencionado.
En el campo de la técnica se acepta generalmente
que la refrigeración del revestimiento refractario por medio de
agua interna forzada, que es bien conocida en altos hornos, no es
una solución viable para hornos de arco eléctrico. En efecto, la
introducción de líquido de refrigeración en el interior caliente del
horno de arco eléctrico, implica un grave riesgo de explosión. Este
problema puede superarse mediante la refrigeración externa por
pulverización de la envoltura del horno, que se describe por ejemplo
en EP 0 044 512. Enfriando la envoltura del horno externamente se
obtiene una reducción de la temperatura del revestimiento
refractario. No obstante, continúa existiendo el riesgo de una fuga
de metal fundido, en caso de que el revestimiento refractario se
deteriore excesivamente en la zona crítica. La patente US nº
3.777.043 describe un enfoque en el cual un refrigerante gaseoso se
circula a través de canales que penetran el revestimiento
refractario en la zona crítica arriba mencionada. Además de la
eficiencia limitada de la refrigeración del tipo de gas, esta
solución requiere una cara instalación de canales de refrigeración
y circuito refrigerante de gas y son necesarias importantes
modificaciones en el revestimiento refractario. En la patente US nº
3.849.587 se describe un enfoque diferente. En este enfoque, a
través de la envoltura del horno, y en el interior del revestimiento
refractario, se colocan miembros sólidos de refrigeración de
elevada conductividad térmica. La longitud, área en sección
transversal, separación y material de estos miembros en forma de
varilla se elige para conducir suficiente calor desde el
revestimiento refractario. Los miembros de refrigeración pueden
refrigerarse fuera de la envoltura de horno, por ejemplo, mediante
la refrigeración por agua forzada. Aunque con este enfoque se
obtiene la refrigeración del revestimiento refractario, tiene la
desventaja de crear gradientes considerables de temperatura en el
revestimiento refractario, y el debilitamiento de la estructura del
revestimiento debido a la penetración del revestimiento por los
miembros de refrigeración. Un enfoque similar se expone en el
documento WO 95/22732, en el que se afronta el problema de los
gradientes de temperatura multiplicando los elementos de
refrigeración y reduciendo su sección transversal. No obstante, en
este enfoque, la estructura del revestimiento también se debilita y
la reparación del revestimiento refractario se hace aún más
difícil. A partir del documento JP 52 048503 resulta conocido un
enfoque alternativo, que también tiene como objetivo impedir el
daño de los ladrillos refractarios gracias a la refrigeración. En
una forma de realización del documento JP 52 048503, los ladrillos
refractarios situados en el centro del horno de arco eléctrico se
enfrían mediante la pulverización de agua inmediatamente sobre estos
ladrillos refractarios. Un inconveniente de este enfoque es que, en
caso de un desgaste excesivo del refractario, existe un riesgo
notable de fuga de metal fundido.
En el documento EP 0 603 979, un horno
refrigerado mediante pulverización, por ejemplo un horno de arco
eléctrico, está provisto de un conjunto que incluye un bastidor de
acero realizado en placas de acero y una chapa de cobre soldada
previamente al mismo. El conjunto se monta en una parte recortada de
un miembro unitario de cierre de acero, en un lugar expuesto al
calor radiante desde el interior del horno. La placa de cobre tiene
normalmente un espesor de 12,6 mm (1/2 pulgada). El conjunto
proporciona una conductividad térmica más elevada, aliviando así la
tensión térmica y minimizando el riesgo de fallo debido a tensión
térmica.
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Un objetivo de la presente invención consiste en
proporcionar un horno de arco eléctrico que presente un dispositivo
de refrigeración mejorado, que reduzca o supere los problemas
mencionados anteriormente.
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Para alcanzar este objetivo, la presente
invención proporciona un horno de arco eléctrico que comprende una
envoltura exterior y un revestimiento refractario interior y
contiene un baño de metal fundido durante su funcionamiento. Este
baño de metal fundido tiene un nivel de funcionamiento mínimo y
máximo. Según un aspecto importante de la presente invención, en la
envoltura exterior, en la zona entre el nivel de funcionamiento
mínimo y máximo, se monta un anillo de placas de cobre, estando las
dichas placas de cobre en contacto termoconductor con el
revestimiento refractario interior en esta zona entre el nivel de
funcionamiento mínimo y máximo. Según otro aspecto importante, las
placas de cobre van equipadas con medios de refrigeración por
pulverización. Las placas de cobre son piezas normalmente planas y
comparativamente gruesas de material sólido, es decir, sin
cavidades y en particular sin canales internos de refrigeración.
Según los requisitos, por lo menos una de las caras de la placa de
cobre puede ser curva, pero su sección longitudinal es generalmente
cuadrada o rectangular. Su altura supera normalmente la distancia
vertical entre el nivel de funcionamiento mínimo y máximo y se
montan de manera que estos niveles de funcionamiento se sitúen
dentro de una zona activamente refrigerada de las placas de cobre.
Las placas de cobre se montan dentro de la envoltura exterior, donde
forman un anillo interior de refrigeración. Están en contacto
termoconductor con el revestimiento refractario en la zona crítica
entre el nivel de funcionamiento mínimo y máximo del baño de metal
fundido. El calor de disipa mediante el enfriamiento por
pulverización de las placas de cobre, de modo que se asegure una
reducción importante en la temperatura del revestimiento
refractario en la zona crítica, sin crear un riesgo de explosión
debido a que el líquido entre en el horno. Como se observará, la
presente invención puede aplicarse también a hornos de arco
eléctrico tanto de corriente alterna (CA) como corriente continua
(CC).
En una forma de realización preferida, las
placas de cobre son cuerpos sólidos que presentan una cara anterior
lisa en contacto con el revestimiento interior refractario y una
cara posterior curva para el enfriamiento exterior posterior
mediante los medios de refrigeración por pulverización. La cara
anterior y la cara posterior, que se giran respectivamente al
interior y al exterior del horno, forman las caras largas del cuerpo
que tiene aproximadamente la forma de un hexaedro o paralelepípedo
(salvo para la cara posterior curva). Las placas de cobre se montan
de modo que sus caras anteriores y posteriores estén prácticamente
verticales. La cara anterior lisa permite un contacto
termoconductor eficiente con el revestimiento refractario. La cara
anterior lisa se une con la superficie exterior del revestimiento
refractario y más específicamente con la superficie exterior
normalmente plana o curva de los ladrillos refractario del
revestimiento. Como podrá observarse, tanto durante la construcción
como durante la reparación, los ladrillos refractarios puede
colocarse fácilmente contiguos a la cara anterior lisa y no es
necesario ningún corte ni taladrado de los ladrillos refractarios.
La cara posterior curva está adaptada a la curvatura de la envoltura
exterior del horno, normalmente cilíndrica.
De modo ventajoso, la envoltura exterior está
provista de una abertura posterior de refrigeración correspondiente
para cada una de las placas de cobre. Las aberturas individuales
posteriores de refrigeración están dimensionadas de modo que las
placas de cobre puedan montarse directamente en la parte restante de
la envoltura exterior, de modo que se superpongan a la abertura.
Aunque podrían contemplarse aberturas mayores para una serie de
placas de cobre, mediante las aberturas posteriores individuales se
asegura una menor posibilidad de debilitamiento de la estructura de
la envoltura y un cierre más sencillo. En caso de adaptación de un
horno de arco eléctrico existente, antes de proporcionar las
aberturas posteriores de refrigeración, pueden instalarse los medios
de refuerzo para reforzar la capa exterior de acero.
En una forma de realización preferida, una serie
de placas de cobre se montan adyacentemente en el interior de la
envoltura exterior de modo que formen un anillo prácticamente
continuo. Normalmente, el anillo sólo debe ser interrumpido en el
lugar de la ranura de escoria y el orificio de colada del horno de
arco eléctrico. Con sólo estas interrupciones, se obtiene una
cobertura periférica máxima por el anillo interior de refrigeración.
En combinación con la altura determinada de las placas de cobre, se
reducen los gradientes de temperatura en la zona crítica del
revestimiento refractario.
Un sensor de temperatura se asocia
preferentemente a cada una de las placas de cobre para supervisar la
temperatura efectiva de las placas de cobre, en particular durante
el funcionamiento del horno. La información sobre temperatura
permite obtener previamente información sobre el estado del
revestimiento refractario, sin necesidad de un apagado de
inspección. Utilizando las mediciones de temperatura en cada una de
las placas de cobre, puede establecerse un perfil circunferencial
en cuanto al estado del aislamiento térmico del horno en general, y
el estado del resto del revestimiento refractario en particular. La
información sobre la temperatura puede utilizarse también en el
control de procesos del horno de arco eléctrico y el dispositivo de
refrigeración en particular.
Ventajosamente, la anchura de las placas de
cobre es igual a 1 m. Hoy en día, el deterioro refractario es
relativamente impredecible, en particular en hornos de arco
eléctrico del tipo con baño firmemente agitado y/o sobrecalentado.
La proporción de un número suficiente de placas de cobre sobre la
circunferencia del horno, teniendo cada una un sensor de
temperatura dedicado, asegura una detección fiable de cualquier
aumento local de la temperatura en la periferia del horno. En
efecto, dicho aumento indica un deterioro refractario y, así pues,
una fuga inminente de metal fundido. Dado que el deterioro del
refractario es impredecible, un calentamiento local de la envoltura
del horno conocido como "punto caliente" puede ocurrir en
hornos que no tengan el anillo de refrigeración descrito en la
presente. Hasta ahora, "puntos calientes" han tenido como
resultado a menudo fugas de metal fundido y las peligrosas
consecuencias relacionadas. La detección de un aumento de la
temperatura permite establecer un sistema de aviso temprano con el
fin de evitar posibles accidentes. Además, pueden tomarse medidas
preventivas tales como medidas de reparación (por ejemplo aplicación
de lechada o "chorreo con granalla" del revestimiento
refractario) eficazmente y de modo bien dirigido dado que el aumento
de temperatura detectado está bien localizado.
Con el fin de recoger el fluido de refrigeración
por pulverización y para garantizar una mínima contaminación del
mismo, por ejemplo por el polvo de combustión, cada una de las
placas de cobre va dotada preferentemente de una caja de
refrigeración. El uso de cajas cerradas en la cara posterior de las
placas de cobre es particularmente ventajoso cuando se necesita un
circuito de refrigeración cerrado. Las cajas de refrigeración pueden
abrirse a efectos de inspección y mantenimiento. Las cajas de
refrigeración van preferentemente montadas en las placas de cobre
de modo que sobresalgan en el exterior de dicha envoltura exterior.
Esta disposición hace que la cara posterior de las placas de cobre
y los medios asociados de refrigeración por pulverización resulten
de fácil acceso desde el exterior del horno, por ejemplo, efectos
de inspección o mantenimiento.
Convenientemente, una tobera de refrigeración
por pulverización está montada amovible en una tapa posterior de
dicha caja de refrigeración. La caja de refrigeración proporciona
así la doble función de alojamiento de protección y estructura de
montaje para la tobera de refrigeración por pulverización. Con el
fin de garantizar una descarga de flujo libre del fluido de
refrigeración por pulverización, la caja de refrigeración comprende
preferentemente una conexión de descarga y una admisión de aire.
Ventajosamente, las placas de cobre tienen un
espesor de 20 a 80 mm y preferentemente de 50 a 60 mm. Podrá
señalarse que esta indicación de espesor se refiere al punto de
máximo espesor de la pared, por ejemplo en caso de que la cara
anterior o posterior haya sido mecanizada para presentar una cierta
curvatura. Este intervalo se selecciona como un compromiso entre
maximizar el espesor por razones de seguridad y construcción y
minimizar el espesor para una transferencia térmica eficiente. En
efecto, una placa delgada favorece una conveniente resistencia
térmica mínima, mientras que una placa delgada favorece una
conveniente capacidad máxima de absorción térmica instantánea, por
ejemplo, para solidificar metal fundido, en particular arrabio
(sobrecalentado).
Una elevada eficiencia de refrigeración se
obtiene con placas de cobre de cobre puro de una aleación de cobre
que tiene una conductividad térmica que supera la de la envoltura
exterior en un factor de por lo menos cinco.
Las formas de realización mencionadas
anteriormente son particularmente aplicables a un horno de arco
eléctrico de fundición de arrabio del tipo con baño firmemente
agitado y/o sobrecalentado. En dichos hornos, la erosión
refractaria y el riesgo relacionado de fuga de metal fundido (es
decir arrabio fundido), son particularmente pronunciados inter
alia, debido a la elevada carga térmica de estos tipos de horno.
En efecto, el anillo de placas de cobre que se describe
anteriormente puede soportar las condiciones adversas en estos
hornos.
Como podrán apreciar los expertos en la materia,
el dispositivo de refrigeración con el anillo de placas de cobre
que se describe anteriormente puede ser adaptado a prácticamente
cualquier horno existente de arco eléctrico sin que sean necesarias
modificaciones excesivas. En particular, la instalación del anillo
interior de refrigeración requiere únicamente pequeñas
modificaciones en la estructura del revestimiento refractario.
Otros detalles y ventajas de la presente
invención resultarán evidentes a partir de la descripción siguiente
de una forma de realización no limitativa haciendo referencia a los
dibujos adjuntos, en los que:
La Fig. 1 es una vista horizontal transversal de
un horno de arco eléctrico que representa un anillo interior de
refrigeración;
La Fig. 2 es una vista parcial vertical en
sección transversal de una parte del horno de arco eléctrico de la
Fig. 1, durante su funcionamiento;
La Fig. 3 es una vista parcial vertical en
sección transversal que representa una placa de cobre equipada con
medios de refrigeración por pulverización;
La Fig. 4 es una vista en perspectiva de la
placa de cobre provista de unos medios de refrigeración por
pulverización según la Fig. 3;
La Fig. 5 es una vista parcial vertical en
sección transversal, según la Fig. 2, que representa un primer tipo
de defecto del revestimiento refractario;
La Fig. 6 es una vista parcial vertical en
sección transversal, según la Fig. 2, que representa un segundo
tipo de defecto del revestimiento refractario;
La Fig. 7 es una vista lateral en perspectiva
del horno de arco eléctrico de la fig. 1 sin que se haya instalado
el anillo interior de refrigeración.
La Fig. 1 representa una sección transversal
horizontal de un horno de arco eléctrico identificado en general
con el número de referencia 10. Una envoltura cilíndrica exterior
12, que está realizada en placas de acero soldadas, está revestida
en el interior con material refractario. La sección de la Fig. 1
pasa a través de un bloque orificio de colada 14 para descargar el
metal fundido, y representa asimismo una puerta de escoria 16 para
descargar la escoria formada sobre el baño de metal fundido, durante
el funcionamiento.
Como puede apreciarse en la Fig. 1, una serie de
placas de cobre 20, 20' se monta en el interior de la envoltura
exterior 12. Cada una de las placas de cobre 20, 20' está provista
de una caja de refrigeración 22. Las placas de cobre 20, 20' están
adyacentemente montadas de modo que formen un anillo interior de
refrigeración, prácticamente continuo, indicado por la flecha
circular 23. El anillo interior de refrigeración 23 enfría
uniformemente una zona específica del revestimiento refractario (no
ilustrado en la Fig. 1) durante el funcionamiento del horno de arco
eléctrico 10. Podrá observarse que, por razones de construcción, el
anillo interior de refrigeración 23 está interrumpido por el bloque
de orificio de colada 14 y la puerta de escoria 16. Salvo por las
placas de cobre 20' que tienen una forma adaptada específicamente a
las circunstancias, en la localización de la puerta de escoria 16,
las placas de cobre 20 tienen generalmente la misma configuración.
Las placas de cobre 20' son tangencialmente alargadas hacia la
puerta de escoria 16 de modo que se aproximan mucho a esta
última.
La configuración de las placas de cobre 20, 20'
y sus medios asociados de refrigeración por pulverización, será más
evidentes a partir de la Fig. 2. La fig. 2 muestra un revestimiento
interior refractario 24 de la envoltura exterior 12, en la parte
inferior del horno de arco eléctrico 10, es decir, en el hogar del
horno. De una manera conocida per se, el revestimiento
refractario 24 está realizado en ladrillos refractarios 26. El
revestimiento refractario 24 protege la envoltura exterior 12 contra
un baño de metal fundido 28 y una capa 30 de escoria fundida, e
impide la fuga de cualquiera de los anteriores. Como es bien
conocido, el nivel de metal fundido indicada en 32, puede variar
durante el funcionamiento entre un nivel de funcionamiento máximo
superior y un nivel de funcionamiento mínimo inferior, tal como se
indica por el intervalo vertical 34. Las placas de cobre 20, 20' se
disponen en la zona determinada por este intervalo 34 y sobresalen
en cierta medida por encima y por debajo del intervalo 34, con sus
extremos respectivos superior e inferior. Como se observará, dado
que el anillo interior de refrigeración 23 se extiende
circunferencialmente sobre prácticamente toda la periferia del
revestimiento refractario 24, y verticalmente sobre su zona crítica
de deterioro, se garantiza un perfil de temperatura relativamente
uniforme del revestimiento refractario 24, en y alrededor del
intervalo 34. En consecuencia, se reduce notablemente en esta zona
cualquier tensión térmica debida a gradientes verticales y
tangenciales de temperatura en el revestimiento refractario 24.
La placa de cobre 20 ilustrada en la Fig. 2, es
un cuerpo sólido sin cavidades, realizada en cobre o una aleación
de cobre con elevada conductividad térmica (>300 W/Km). La placa
de cobre 20 presenta una cara anterior larga 36 que está en
contacto con el revestimiento interior refractario 24, y una cara
posterior larga 38 que es accesible para la refrigeración posterior
externa de la placa de cobre 20. Podrá observarse que la cara
anterior 36 de la placa de cobre 20 es lisa con el fin de garantizar
un contacto termoconductor eficiente con los ladrillos refractarios
26. En esta realización, la cara anterior 36 es plana debido a que
los ladrillos refractarios 26 tienen un lado posterior plano. No
obstante, dependiendo de la forma de los ladrillos refractarios 26,
no se excluyen otras formas. En efecto, durante el funcionamiento
del horno de arco eléctrico 10, el contacto
termo-conductivo entre los ladrillos refractarios 26
y la placa de cobre 20 se refuerza por la dilatación térmica. La
caja de refrigeración 22 está realizada en cualquier material
adecuado y está fijada herméticamente a la cara posterior 38, por
ejemplo por medio de soldadura. El borde de la cara posterior 38
está fijado herméticamente al interior de la envoltura exterior 12,
por ejemplo por medio de pernos de fijación. Como se aprecia en la
Fig. 2, la placa de cobre 20 se superpone a una abertura posterior
de refrigeración correspondiente 39, proporcionada en la envoltura
exterior 12. La abertura posterior de refrigeración 39 proporciona
acceso a la placa de cobre 20 para una refrigeración externa por
pulverización de la misma.
Como se aprecia más claramente en la Fig. 3, una
tobera de refrigeración por pulverización 40 se fija en una tapa
posterior extraíble 42 de la caja de refrigeración 22. Durante el
funcionamiento, la tobera de refrigeración por pulverización 40
pulveriza un fluido de refrigeración sobre la cara posterior 38 de
la placa de cobre 20. El ángulo de cono de la tobera de
refrigeración por pulverización 40 es aproximadamente 120º de modo
que la pulverización cubre la totalidad de la parte de la cara
posterior 38 cubierta por la caja de refrigeración 22, formando
dicha parte la zona activamente refrigerada de la placa de cobre 20.
Cualquier exceso de fluido de refrigeración en la caja de
refrigeración 22 se descarga inmediatamente a través de la conexión
de descarga 44 de modo que únicamente una pequeña cantidad de
fluido líquido de refrigeración esté dentro de la caja de
refrigeración 22 en cualquier momento dado.
Como muestra la Fig. 4, un elemento de retención
43, extraíble y en forma de U, permite la retirada de la tobera de
refrigeración por pulverización 40 de su asiento de soporte en la
tapa posterior 42. Esto hace que la tobera de refrigeración por
pulverización 40 resulta de fácil acceso para su inspección,
mantenimiento o sustitución. La tapa posterior 42 puede abrirse
fácilmente por medio de palomillas 45 para acceder al interior de
la caja de refrigeración 22, por ejemplo a efectos de inspección o
mantenimiento. Como se ve también en la Fig. 4, la cara posterior
38 de la placa de cobre 20 es ligeramente curva, de modo que se
adapte a la curvatura de la envoltura exterior cilíndrica 12. La
cara posterior curva 38 permite el montaje hermético de la placa de
cobre 20 en el interior de la envoltura exterior 12, garantizando
una presión uniforme de contacto para una guarnición intermedia de
brida (no ilustrada). Las dimensiones de la placa de cobre 20
seleccionadas en un ejemplo específico fueron: altura 490 mm,
anchura 425 mm y profundidad máxima (espesor de pared) 60 mm. Estas
dimensiones dependen no obstante de las características del horno de
arco eléctrico respectivo y se considerarán como simplemente
ilustrativas. En la tapa posterior 42 de la caja de refrigeración 22
está prevista una admisión de aire 46. La admisión de aire 46
garantiza la libre descarga del fluido de refrigeración de la caja
de refrigeración 22, independiente del funcionamiento de la tobera
de refrigeración por pulverización 40. En la caja de refrigeración
22 está prevista una conexión a un sensor de temperatura 47 para
medir la temperatura de la placa de cobre 20. El sensor de
temperatura 47 está montado de modo termoconductor en un oficio (no
ilustrado) en la placa de cobre 20 y protegido contra el fluido de
refrigeración por medio de una funda de protección 48. Podrá
observarse que, salvo por la anchura, la configuración y
características de las placas de cobre 20' corresponden en general
a las de la placa de cobre 20 detallada anteriormente.
Las mediciones de temperatura obtenidas por
medio del sensor de temperatura 47 permiten controlar la efectividad
de la refrigeración en función de la temperatura efectiva de la
placa de cobre 20, 20'. Dado que todas las placas de cobre 20, 20'
están provistas de un sensor de temperatura dedicado 47, la
efectividad de refrigeración puede adaptarse localmente según el
perfil circunferencial de temperatura del horno de arco eléctrico
10. Además, el flujo total de refrigeración puede optimizarse según
las condiciones actuales de operación. De igual modo, las
mediciones de temperatura permiten obtener (a priori)
información sobre el estado actual del revestimiento refractario 24
durante el funcionamiento. El equipo de control para los objetivos
anteriores es bien conocido en el campo de la ingeniería de control
automático y no se detallarán en la presente memoria.
Haciendo de nuevo referencia a la Fig. 1 y la
Fig. 2, es bien conocido en metalurgia que una de las zonas de
erosión más severa del revestimiento refractario (por ejemplo 24) en
un horno de arco eléctrico (por ejemplo 10) es la zona entre el
nivel de funcionamiento mínimo y máximo del metal fundido (indicado
por el intervalo 34). Se conoce bien también que esta erosión
depende de la temperatura del revestimiento refractario (por
ejemplo 24) en esta zona (indicado por el intervalo 34). Esto se
aplica también a la formación de grietas y la penetración posterior
del metal en el revestimiento refractario (por ejemplo 24), que es
otro efecto perjudicial que provoca el deterioro del refractario.
Cuando se compara con la refrigeración externa conocida de la
envoltura del horno (véase por ejemplo EP 0 044 512), el anillo
interior de refrigeración 23 de las placas de cobre refrigeradas
por pulverización 20, 20' asegura una refrigeración más efectiva
del revestimiento interior refractario 24 en esta zona crítica del
intervalo 34. En efecto, debido a la elevada conductividad térmica
de las placas de cobre 20, 20' (aproximadamente
350-390 W/Km) cuando se compara con la
conductividad térmica de la envoltura exterior 12 realizada en acero
(aproximadamente 45-55 W/Km), la cantidad de calor
que puede disiparse a través de las placas de cobre 20, 20' en un
tiempo y superficie determinadas, es notablemente mayor que el que
puede disiparse a través de la envoltura exterior 12 realizada en
acero. Como se observará, esta mejora se obtiene sin introducir el
riesgo de explosiones implícito en otros tipos conocidos de
circuitos de refrigeración forzada. Incluso en el improbable caso de
una avería de una de las placas de sobre 20, 20', es decir, una
fuga de metal o escoria caliente, la poca cantidad de fluido líquido
de refrigeración que permanece dentro de la caja de refrigeración
22 se evapora inmediatamente sin provocar un riesgo de explosión.
En consecuencia, con el dispositivo de refrigeración que se ilustra
en la Fig. 1 y la Fig. 2, se evita cualquier inclusión notoriamente
peligrosa de líquidos de refrigeración en el metal o escoria
fundidos. Además, dado que el anillo interior de refrigeración 23
está prácticamente a nivel vertical con el interior de la envoltura
exterior 12, esta mejora se obtiene sin provocar el debilitamiento
estructural del revestimiento refractario 24, mediante los
elementos de refrigeración que sobresalen y que penetran el
revestimiento y sin que sean necesarias modificaciones importantes
del reves-
timiento.
timiento.
Haciendo referencia a continuación de nuevo a la
Fig. 5 y la Fig. 6, a continuación se ilustrarán dos tipos de
defectos en el revestimiento refractario 24 según la Fig. 2, y la
función de las placas de cobre refrigeradas por pulverización 20,
20', en estos casos.
En la Fig. 5 parte del revestimiento refractario
24 en la zona del intervalo 34 está notablemente erosionado o
gastado, por ejemplo, después de un tiempo elevado de funcionamiento
del horno de arco eléctrico 10 sin reparación del revestimiento
refractario 24. Como se aprecia en el revestimiento refractario 24
de la Fig. 5, una zona erosionada indicada con 50 se llena con
escoria procedente de la capa de escoria 30. Debido a la
refrigeración efectiva por medio de las placas de cobre refrigeradas
por pulverización 20, 20' la escoria contenida en la zona 50 puede
enfriarse por debajo de su punto de fusión de modo que se
solidifique en una capa refractaria restante 24' frente a la placa
de cobre 20, 20'. Como resultado, el anillo interior de
refrigeración 23 de la Fig. 1 permite el "parcheo en caliente"
o reparación del revestimiento refractario 24 en la zona del
intervalo 34, incluso durante el funcionamiento del horno de arco
eléctrico 10. Con el fin de promover la solidificación de la
escoria en la zona 50, puede influirse activamente sobre el nivel de
funcionamiento 32 del metal fundido correspondiente al nivel de
escoria más bajo, por ejemplo variarse sobre el intervalo 34, con
el fin de efectuar un ciclo de reparación del tipo de
"revestimiento de escoria" para cubrir la capa refractaria
restante 24' con una capa de escoria solidificada. Este proceso
puede utilizarse para permitir reparaciones temporales pero también
contribuir a un alargamiento significativo del intervalo de
reconstrucción del material refractario.
La Fig. 6 muestra un tipo más extremo de defecto
en el revestimiento refractario 24. Una zona particularmente
erosionada indicada por 52 en el revestimiento refractario 24 de la
Fig. 6 se extiende horizontalmente a la cara anterior 36 de la
placa de cobre 20. En la situación inconveniente que se ilustra en
la Fig. 6, esta zona 52 se llena de metal fundido procedente del
baño de metal fundido 28. Se observará que la placa de cobre 20
puede impedir la fuga de metal fundido incluso en esta situación
adversa. Podrá señalarse que, debido a la elevada conductividad
térmica del cobre, la temperatura de la cara anterior 36 es sólo
ligeramente superior que la de la cara posterior 38 durante la
transferencia térmica. El efecto combinado de la elevada
conductividad térmica del cobre y el espesor relativo (es decir, la
capacidad de absorción térmica) de las placas de cobre 20, 20'
permite solidificar una capa de metal fundido frente a la placa de
cobre 20 en una situación tal como se ilustra en la Fig. 6. Una vez
creada, esta capa solidificada de metal actúa como aislamiento
térmico que protege la placa de cobre 20 de la fusión. En
contraste, en una situación en la cual la envoltura exterior 12
está en contacto directo con el metal fundido, puede producirse
fácilmente una fuga peligrosa debido a la relativamente baja
conductividad térmica y a la finura de la envoltura exterior de
acero 12. Como resultado, el anillo interior de refrigeración 23
permite solidificar no sólo la escoria fundida, sino también el
metal fundido en la zona del intervalo 34, incluso si el
revestimiento refractario 24 está erosionado hasta una o más placas
de cobre 20, 20'. De este modo, el anillo interior de refrigeración
23 contribuye también a la seguridad operativa del horno de arco
eléctrico 10.
La Fig. 7 muestra aberturas posteriores de
refrigeración 39 en la parte inferior del horno de arco eléctrico
10 con más detalle. Como se aprecia en la Fig. 7, los rebordes de
refuerzo 70 se sueldan verticalmente a la envoltura exterior 12
entre las aberturas posteriores de refrigeración 39. Un anillo
superior embridado 72 y un anillo inferior embridado 74 se suelda
horizontalmente a la envoltura exterior 12, sobre y por debajo de
las aberturas posteriores de refrigeración 39, respectivamente. Los
rebordes de refuerzo 70 se fijan también con sus extremos superior
e inferior respectivos al anillo embridado superior e inferior 72 y
74, respectivamente. Como se observará, los rebordes de refuerzo 70
junto con los anillos embridados 72, 74 proporcionan un refuerzo
estructural rígido de la envoltura exterior 12 que se debilita
debido a las aberturas posteriores de refrigeración 39. Además,
debe señalarse que, aunque no se ilustran las placas de cobre 20,
20', la Fig. 7 indica el plano AA' de la Fig. 1.
Se conocen bien los hornos de arco eléctrico
equipados con un hogar móvil de horno, es decir, donde es móvil la
envoltura inferior del horno, que está recubierta hacia el interior
con el revestimiento refractario. Entre otros, permiten que el
hogar se sustituya por ejemplo cuando es necesaria la remodelación
del revestimiento refractario. Evidentemente, la acción de
refrigeración por medio del anillo de refrigeración 23 deberá estar
también disponible durante el transporte del hogar del horno,
durante el enfriamiento antes de la remodelación y/o durante el
precalentado después de la remodelación. Si debieran asegurarse
también durante el transporte del centro el suministro de agua de
las toberas de refrigeración por pulverización 40 y la descarga
guiada desde las conexiones de descarga 44, se obstaculizaría el
transporte y sería necesario un sistema de transporte caro y
complejo capaz de adaptarse al recorrido de transporte. En
consecuencia, a continuación se presentarán dos procedimientos
suplementarios de refrigeración, que se pretende que se empleen en
caso de que el horno de arco eléctrico 10 tenga un centro móvil de
horno, por ejemplo una envoltura inferior móvil 12 de horno, y se
aproveche el anillo de refrigeración 23 según la presente
invención.
Un primer procedimiento posible comprende los
aspectos siguientes. Se cierra y desconecta un conducto común de
descarga, que forma la salida de un colector (no ilustrado), que
está conectado a las conexiones de descarga 44. Como resultado, las
cajas de refrigeración 22 forman un anillo de recipientes en
comunicación. Las cajas de refrigeración 22 se llenan con agua. El
relleno de las cajas de refrigeración 22 con agua no representa un
riesgo de seguridad en este caso, dado que el hogar móvil del horno
se vacía de metal fundido antes del transporte. La cantidad de agua
que se contiene en las cajas de refrigeración rellenas 22 es
normalmente suficiente para garantizar la refrigeración durante el
transporte. Optativamente, por ejemplo en caso de que sea necesario
un tiempo considerable para el transporte, las cajas de
refrigeración 22 pueden actuar en un modo de refrigeración por
evaporación. A este efecto, algunas de las cajas de refrigeración
están provistas de un detector de nivel bajo, un detector de nivel
alto y un conducto de suministro de agua. Cuando el nivel de agua en
las cajas de refrigeración caiga por debajo del nivel bajo, se
suministrará al anillo de refrigeración 23 agua adicional a través
del conducto o más conductos de suministro, hasta que se alcance el
nivel alto. El procedimiento anterior podrá utilizarse también
durante el transporte del hogar del horno desde su posición de
remodelado de regreso a su posición de funcionamiento. Durante la
fase de enfriamiento, es decir, antes de la remodelación, y la fase
de calentamiento o precalentamiento, es decir después de la
remodelación, el anillo de refrigeración 23 puede utilizarse en
modo de refrigeración por pulverización, tal como se ha descrito
anteriormente.
En un segundo procedimiento posible, las cajas
de refrigeración 22 se llenan con agua durante el transporte y
durante las fases de enfriamiento y precalentamiento. Como se ha
descrito anteriormente, el único conducto o, más comúnmente, los
diversos conductos de descarga se cierran de modo que las cajas de
refrigeración 22 formen recipientes en comunicación y las cajas de
refrigeración 22 se llenan con agua. Además de un detector de nivel
bajo y un detector de nivel alto, algunas de las cajas de
refrigeración van equipadas con sensores de temperatura para medir
la temperatura del agua dentro de las cajas de refrigeración 22. Se
proporcionan un conducto auxiliar de suministro de agua y un
conducto auxiliar de descarga, de diámetro reducido, para llenar o
vaciar respectivamente las cajas de refrigeración en comunicación
22. En este segundo procedimiento, se controla la temperatura del
agua en las cajas de refrigeración de modo que tengan un valor
dentro de un cierto intervalo, es decir entre
60-80ºC. Cuando se alcanza el límite superior de
temperatura, se descarga el agua caliente en las cajas de
refrigeración 22 hasta que el nivel de agua alcanza el nivel bajo,
fijado preferentemente por debajo de la mitad de la altura de las
cajas de refrigeración 22. Se añade agua fría a las cajas de
refrigeración 22 hasta que se alcanza el nivel alto, con lo que se
reduce la temperatura del agua. Dado que las cargas térmicas
durante el enfriamiento y el precalentamiento son significativamente
menores que durante el funcionamiento, se comprenderá que los
caudales requeridos de flujo de suministro y descarga permanezcan
siendo relativamente bajas.
Claims (14)
1. Horno de arco eléctrico (10) por fundición de
arrabio, que comprende una envoltura exterior (12) y un
revestimiento refractario interior (24), conteniendo dicho horno de
arco eléctrico un baño de metal fundido (28) durante su
funcionamiento y presentando dicho baño de metal fundido un nivel de
funcionamiento mínimo y máximo,
caracterizado porque
en la zona (34) entre dicho nivel de
funcionamiento mínimo y máximo, en dicha envoltura exterior (12) se
monta un anillo (23) de placas de cobre relativamente espesas (20,
20'), que presentan un espesor de por lo menos 20 mm, estando
dichas placas de cobre (20, 20') en contacto termoconductor con
dicho revestimiento refractario interior (24), en la zona (34)
entre dicho nivel de funcionamiento mínimo y máximo y
superponiéndose sobre las aberturas posteriores de refrigeración
(39) previstas en dicha envoltura exterior (12), y estando provistas
dichas placas de cobre (20, 20') de unos medios de refrigeración por
pulverización (40).
2. Horno de arco eléctrico según la
reivindicación 1, en el que dichas placas de cobre (20, 20') son
cuerpos sólidos que presentan una cara anterior lisa (38) en
contacto con dicho revestimiento refractario interior (24) y una
cara posterior curva (38) para el refrigeración posterior externa
por dichos medios de refrigeración por pulverización (40).
3. Horno de arco eléctrico según la
reivindicación 1 ó 2, en el que dicha envoltura exterior (12) está
provista de una abertura de refrigeración posterior correspondiente
(39) para cada una de las placas de cobre (20, 20').
4. Horno de arco eléctrico según cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 3, en el que están montadas de manera
adyacente una pluralidad de dichas placas de cobre (20, 20') al
interior de dicha envoltura exterior (12) para formar un anillo
sustancialmente continuo (23).
5. Horno de arco eléctrico según cualquiera de
las reivindicaciones anteriores, en el que un sensor de temperatura
(47) se asocia en cada una de dichas placas de cobre (20, 20').
6. Horno de arco eléctrico según la
reivindicación 5, en el que la anchura de dichas placas de cobre
(20, 20') es inferior o igual a 1 m.
7. Horno de arco eléctrico según cualquiera de
las reivindicaciones anteriores, en el que cada una de dichas
placas de cobre (20, 20') está provista de una caja de refrigeración
(22).
8. Horno de arco eléctrico según la
reivindicación 7, en el que dichas cajas de refrigeración (22) están
montadas a dichas placas de cobre (20, 20') de manera que
sobresalgan hacia el exterior de dicha envoltura exterior (12).
9. Horno de arco eléctrico según la
reivindicación 7 u 8, en el que en una tapa posterior (42) de dicha
de caja de refrigeración (22) se monta de manera amovible una
tobera de refrigeración por pulverización (40).
10. Horno de arco eléctrico según una de las
reivindicaciones 7 a 9, en el que la caja de refrigeración (22)
comprende una conexión de descarga (44) y una admisión de aire
(46).
11. Horno de arco eléctrico según cualquiera de
las reivindicaciones anteriores, en el que dichas placas de cobre
(20, 20') presentan un espesor de 20 a 80 mm.
12. Horno de arco eléctrico según la
reivindicación 11, en el que dichas placas de cobre (20, 20')
presentan un espesor de 50 a 60 mm.
13. Horno de arco eléctrico según cualquiera de
las reivindicaciones anteriores, en el que dichas placas de cobre
(20, 20') están realizadas en cobre puro o una aleación de cobre que
presenta una conductividad térmica que supera la de la envoltura
exterior (12) por un factor de por lo menos cinco.
14. Utilización del horno de arco eléctrico
según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, como un horno
de arco eléctrico por fundición de arrabio con un baño fuertemente
agitado y/o sobrecalentado.
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