ES2365462A1 - Procedimiento y dispositivo para el patentado de alambre por transferencia de calor por radiación-convección. - Google Patents
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Abstract
La invención se refiere a un procedimiento y dispositivo de enfriamiento de alambre para procesos de patentado, donde el dispositivo comprende un bloque de material de capacidad térmica muy elevada con un canal adaptado para permitir el paso de un alambre a enfriar y al menos un conducto para la circulación de un fluido refrigerante, y además comprende al menos una tobera capaz de inyectar un chorro de fluido turbulento en dirección al alambre a enfriar. El chorro turbulento es capaz de producir un enfriamiento en el tiempo y medida necesarios para el proceso de patentado, obviando así la necesidad de utilizar baños de plomo.
Description
Procedimiento y dispositivo para el patentado de
alambre por transferencia de calor por
radiación-convección.
La presente invención se aplica al patentado de
alambre. Más concretamente, se refiere a un procedimiento y un
dispositivo para el patentado de alambre de alto carbono.
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En los procesos de producción de alambre el
acero de partida (en forma de alambrón) es trefilado. La operación
de trefilado confiere al material unas propiedades metalográficas y
mecánicas poco aconsejables para su utilización posterior. Por esta
razón se hace necesaria una etapa de patentado, que retorna al
alambre las características adecuadas, bien sea para continuar el
proceso o como producto final.
El patentado es un tratamiento térmico de
transformación isotérmica que consiste en una austenización del
acero alrededor de unos 900ºC (puede variar en función del contenido
de carbono) y un enfriamiento rápido hasta 550ºC. El resultado es
una estructura de perlita fina (troostita) que confiere al alambre
una elevada resistencia acompañada de una buena ductilidad.
Actualmente, la mayoría de fabricantes de alambre utiliza hornos de
llama abierta o lecho fluido de alta temperatura y baños de plomo en
la etapa de enfriamiento rápido del patentado.
La utilización de plomo en el enfriamiento hace
que en las etapas posteriores (enfriamiento del alambre en agua,
limpieza de óxido con ácidos, lavado, incluso en el baño de zinc en
el caso de galvanizarse), éste aparezca como contaminante. Este
hecho clasifica los residuos como especiales, haciendo necesario su
tratamiento y eliminación por parte de una empresa gestora de
residuos. La alta toxicidad del plomo hace por ello necesaria la
búsqueda de alternativas.
Por lo tanto, en la búsqueda de nuevos procesos
de patentado hay que tener en cuenta que sean altamente sostenibles
con el medio ambiente y eficientes energéticamente, así como
saludables para el usuario.
La patente ES 2039708 T3 describe un proceso de
patentado de alambre utilizando uno o varios tubos llenos de un gas,
desprovisto de ventilación forzada, modulando los intercambios
térmicos a lo largo del recorrido de enfriamiento del alambre y
variando las dimensiones de los tubos, su longitud y su ordenación
en línea. El proceso descrito en este documento es un proceso de
transferencia de calor basado en convección natural en un gas y la
posterior conducción térmica a través de la pared del tubo al fluido
refrigerante que circula por un canal anular coaxial. Este proceso
presenta los problemas de poca eficiencia energética, deficiente
modulación térmica, compleja adaptabilidad a alambres de diferentes
diámetros, gran longitud del dispositivo para alcanzar el grado de
enfriamiento deseado del alambre, y elevado coste de la instalación.
En particular, según se desprende de la lectura de la descripción
del sistema, la transferencia de calor durante la fase de
enfriamiento depende casi exclusivamente del caudal de fluido
refrigerante y de su temperatura media logarítmica. Del proceso de
transferencia de calor comentado ha de resultar una diferencia de
temperatura media logarítmica pequeña; por consiguiente, para que el
flujo específico de calor a través de la pared del tubo en contacto
interno con el gas sea grande, el caudal de fluido refrigerante
necesario ha de ser muy elevado; y recordemos: el agua es un recurso
escaso. Por otra parte, como quiera que el gas inerte que llena cada
tramo de tubo se encuentra prácticamente inmóvil, se irá calentando
progresivamente, acumulando calor, lo cual va en detrimento de la
eficacia del proceso de transferencia de calor desde el alambre al
fluido refrigerante.
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Estos inconvenientes y problemas, entre otros,
quedan resueltos por el sistema y procedimiento de enfriamiento de
alambres de la invención. La invención propone un procedimiento de
patentado de alambre que comprende una etapa de enfriamiento, y
donde dicha etapa de enfriamiento se produce mediante la aplicación
de un chorro de fluido turbulento en dirección a la superficie del
alambre. Preferentemente, el chorro turbulento es producido por al
menos una tobera de chorro plano situada de manera que el chorro sea
perpendicular a la superficie del alambre.
El procedimiento comprende opcionalmente una
etapa de calentamiento en línea del alambre, antes de dicha etapa de
enfriamiento, que es utilizado para alcanzar la temperatura de
austenización de los alambres que circulan por su interior. Puede
comprender además una etapa de estiramiento antes de la entrada en
el sistema de calentamiento y una etapa de limpieza previa, mediante
la cual se eliminan todos los restos de lubricantes procedentes de
la etapa de estiramiento anterior. En la etapa de calentamiento se
puede usar un sistema de calentamiento por medio de corrientes de
inducción electromagnética de forma individual alambre a alambre.
Preferentemente, en el proceso todo el tránsito del alambre se
realiza en total ausencia de oxígeno.
La invención se refiere también a un dispositivo
para llevar a cabo los procedimientos descritos anteriormente. Dicho
dispositivo comprende un bloque de material de capacidad térmica muy
elevada con un canal adaptado para permitir el paso de un alambre a
enfriar y al menos un conducto para la circulación de un fluido
refrigerante, y además comprende al menos una tobera capaz de
inyectar un chorro de fluido turbulento en dirección al alambre a
enfriar. Preferiblemente, las toberas son de chorro plano y el
dispositivo es de simetría axial. Opcionalmente, comprende medios
para modular la intensidad de transferencia de calor desde el
alambre. También preferentemente, el número de toberas está
predeterminado en función de una tasa de enfriamiento asignada y las
mismas están orientadas según radios perpendiculares al eje
principal del bloque.
Gracias al dispositivo y procedimiento de la
invención se sustituyen los procesos de patentado de alambre
actuales, que utilizan: ácido sulfúrico/clorhídrico en sus sistemas
de limpieza y plomo en sus baños de enfriamiento, y consumen gran
cantidad de energía.
El número de toberas, sus dimensiones
geométricas, longitud, ancho de la ranura de descarga, ángulo del
cono, etc., así como la relación entre ellas y su orientación
respecto a la normal a la superficie del alambre pueden ser variados
según sean las necesidades del proceso de transferencia de calor por
convección desde el alambre caliente.
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Con objeto de ayudar a una mejor comprensión de
las características de la invención de acuerdo con un ejemplo
preferente de realización práctica de la misma, se acompaña la
siguiente descripción de un juego de dibujos en donde con carácter
ilustrativo se ha representado lo siguiente:
La figura 1 es un esquema general del sistema de
enfriamiento de alambre patentado objeto de solicitud de
patente.
La figura 2 muestra una vista en corte y otra
longitudinal de una de las posibles configuraciones de toberas,
conductos de gas y conductos de fluido refrigerante que responden a
los requisitos fluido-dinámicos y de transferencia
de calor antes expuestos.
La figura 3 muestra un ejemplo alternativo de la
invención, pero mantiene el mismo principio de funcionalidad.
La figura 4 es una gráfica que muestra cómo la
no uniformidad del flujo sobre el objeto se traduce en una
distribución no uniforme de temperatura y de transferencia de calor
sobre su superficie.
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El proceso de patentado comprende una etapa de
estiramiento del alambre, una etapa de limpieza para eliminar
posibles restos de lubricante usados en la etapa anterior y una
etapa de calentamiento en línea del alambre hasta la temperatura de
austenización. Tras el calentamiento, se produce el enfriamiento sin
necesidad de baños de plomo.
Como complemento de los argumentos expuestos
anteriormente, cabe aquí ampliar la información sobre los fenómenos
físicos en los que se fundamenta el sistema de refrigeración de
alambre por transferencia de calor desde él por los procesos
combinados de radiación-convección y conducción.
Para extraer calor del alambre sin contacto con
una superficie sólida fría sólo cabe considerar, desde un punto de
vista de la práctica industrial, los procesos de transferencia de
calor por radiación y por convección.
Dada una superficie de alambre a elevada
temperatura, la intensidad de emisión de calor por radiación depende
de su temperatura y de la temperatura de la superficie receptora
vista por el alambre, ambas a la cuarta potencia, de la emisividad
compuesta y del factor de visión, aparte del valor de la constante
de Stefan-Boltzmann. Por consiguiente, en el caso
que nos ocupa la variable fuerte es la temperatura a la que se
encuentra la superficie receptora.
Supuesta una capacidad calorífica del material
de la superficie sólida, su temperatura dependerá de la eficacia con
la que se le enfría. Dicho enfriamiento puede ser conseguido sea
sólo por conducción de calor a través del material sólido hacia las
superficies en contacto con el fluido refrigerante, sea por la
combinación de dicha conducción con un proceso de convección forzada
producido por soplado de dicha superficie por un gas que se
encuentra a menor temperatura.
Es evidente que la capacidad de enfriamiento del
proceso de transferencia de calor por la asociación de conducción
térmica y convección forzada es considerablemente mayor que la
capacidad de enfriamiento sólo por conducción térmica.
La capacidad de transferencia de calor por
convección forzada está caracterizada por su número de Nusselt. De
todas las técnicas de aplicación de la convección forzada para
transferencia de calor en procesos industriales, la que se ha
probado más eficaz es la utilización de chorros de fluido, sea un
gas, sea un líquido, sea una neblina gas-líquido,
de elevada intensidad de turbulencia, lo que se consigue mediante
toberas, principalmente las denominadas de chorro plano. La tobera
de chorro plano, cuya ranura longitudinal se hace coincidir con la
dirección del eje del cuerpo cilíndrico sobre el que se proyecta el
chorro de gas, es la configuración óptima por las siguientes
razones:
- 1.
- La relación distancia de la sección de descarga de la tobera a la superficie que recibe el chorro, respecto al ancho de su ranura, es constante a lo largo de toda la zona de acción.
- 2.
- El núcleo de flujo, o sea el ancho del chorro en el que la velocidad del fluido eyectado es máxima, es constante a lo largo de toda la zona de acción.
- 3.
- El diámetro hidráulico de la sección de descarga de la tobera, que interviene en la definición del número de Reynolds, es pequeño frente al que corresponde a otras configuraciones geométricas con idéntica área de la abertura de descarga.
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Como resultado de la característica anterior, el
régimen de la corriente en el chorro es bidimensional, la intensidad
de la turbulencia es muy alta y su distribución espacial uniforme.
De ello resulta una elevada capacidad de transferencia de cantidad
de movimiento y de calor en la superficie en la que impacta el
chorro.
La característica bidimensional de la ranura de
descarga de la tobera y su orientación longitudinal facilitan la
evacuación del chorro una vez impactado en la superficie del sólido
con el que intercambia calor, dirigiéndole hacia las superficies de
la pared envolvente, enfriándolas.
Con ellas se consigue elevados valores del
número de Nusselt que, en el caso de toberas planas, está dado
por
fórmula en la que c es una
constante numérica dependiente de la configuración geométrica tobera
- superficie contorno, Re es el número de Reynolds, Pr es el número
de Prandtl y m, n y p son coeficientes numéricos que dependen de la
forma y dimensiones de la tobera, así como de la orientación del
chorro respecto a la normal a la superficie sobre la que el fluido
impacta, y muy dependientes de la relación entre la distancia desde
la sección de descarga de la tobera a la superficie que recibe el
chorro y el diámetro hidráulico de
éste.
\vskip1.000000\baselineskip
En el sistema de enfriamiento de alambre que es
objeto de la invención, es precisamente este proceso de
transferencia de calor por convección forzada mediante toberas
planas de flujo altamente turbulento el que contribuye en una gran
medida a la intensificación de la transferencia de calor, pues no
sólo activa el enfriamiento directo del alambre sino también el de
toda la superficie que recibe el flujo radiante emitido por el
alambre y hace disminuir parte del calor conducido por la masa
sólida hacia el fluido refrigerante, con lo cual se consigue
disminuir considerablemente la longitud de conducto necesario para
enfriar el alambre y el consumo de fluido
refrigerante-agua-requerido. El
sistema de enfriamiento que se reivindica presenta la novedad de
utilizar un circuito de convección forzada altamente eficaz que
incorpora toberas planas generadoras de chorros de gas muy
turbulentos, cuyo caudal y temperatura pueden ser regulados a
conveniencia. Estos chorros, y el reflujo de gas resultante después
del impacto sobre la superficie del alambre, aseguran no solo la
obtención de un número de Nusselt muy elevado en el intercambio de
calor con el alambre, sino también el control de la temperatura del
tubo envolvente que, a su vez, controla el flujo radiante de calor
desde el alambre y, en definitiva, la disminución del caudal de
fluido refrigerante necesario como también a la disminución de la
longitud de la instalación.
El dispositivo de tratamiento térmico de la
invención es un dispositivo de transferencia de calor por la
correcta combinación de radiación, convección y conducción,
preferentemente con simetría axial, por ejemplo de forma cilíndrica.
Se compone de un canal, continuo o formado por varios tramos
consecutivos de diferente dimensión alineados según un mismo eje,
provisto de varias toberas planas orientadas radialmente por las que
se eyecta sea un gas, sea una mezcla de gases, un líquido finamente
atomizado o una neblina en régimen altamente turbulento a
temperatura regulable externamente.
El dispositivo está constituido por un bloque de
material (figura 1) cuya capacidad térmica es muy elevada, en el que
se encuentran varios conductos 5 sea para la alimentación de fluido
a las toberas 1, sea para la posterior extracción de la cámara, o
para la circulación de fluido refrigerante a fin de controlar la
temperatura del material del bloque y, por consiguiente, para
regular la transferencia de calor por
radiación-convección del sólido que se desplaza a
velocidad regulable por el interior del bloque a través de un canal
9 (figura 2).
Presenta además medios para modular la
intensidad de transferencia de calor desde el sólido en movimiento
por control externo de la temperatura del gas, del fluido
refrigerante, y de sus respectivos caudales. De acuerdo a los
elementos detallados en la figura 1, el funcionamiento se describe
como sigue:
La tobera plana 1 descrita en la figura 1 es
utilizada para eyectar un chorro turbulento de gas hacia el alambre
que atraviesa el tubo. Una vez el gas ha incidido sobre la
superficie del alambre, es orientado hacia una cámara 2, que es
utilizada para recircular dicho gas. En el sistema, el gas es
introducido en la cámara mediante la impulsión de una soplante 3 de
gas de velocidad variable, a presión y caudal regulados. Dicho gas
es introducido a una temperatura controlada mediante el sistema de
control 4 de regulación de temperatura programada del gas. El
sistema es enfriado mediante los conductos de refrigeración 5 (del
gas recirculado, del tubo de recepción de la radiación emitida por
el alambre y las partes sólidas estructurales del sistema). Por
dichos conductos de refrigeración circula el fluido refrigerante
impulsado por una bomba 6 de circulación del fluido del circuito
refrigerante con regulación de velocidad variable para control del
caudal. Dicho sistema de refrigeración incluye una regulación
programada para la temperatura 7 del fluido refrigerante.
La modulación de la intensidad de transferencia
de calor, dada una velocidad de paso del alambre por el dispositivo
de enfriamiento, se consigue regulando la temperatura del gas
eyectado por las toberas planas sobre el alambre mediante el sistema
4, regulando el flujo másico de gas o variando la velocidad de
accionamiento del compresor de gas, o actuando sobre ambos.
A la anterior acción de modulación, básica,
contribuye también la que se puede conseguir variando caudal y
temperatura del líquido refrigerante, equipo de control de
temperatura del líquido refrigerante 7, y caudal de líquido
impulsado por la bomba 6.
El sistema está concebido de manera que se le
pueden incorporar medios como cámaras de mezcla, cámaras de neblina,
atomizadores, etc., para que el fluido de los chorros proyectados
por las toberas planas sea una mezcla de gases, una neblina, un
líquido atomizado o un vapor de producto químico que sirvan sea para
efectos de transferencia de calor o para efectos
químico-reactivos sobre la superficie del sólido en
movimiento, por ejemplo: descascarillado por ácido de superficies
metálicas, pasivación de superficies de aceros al
Cr-Ni mediante niebla de ácido nítrico, reacciones
de enlace en la entrefase de materiales compuestos, etc.
El número de toberas necesarias es función de la
tasa de enfriamiento del alambre asignada al proceso de convección.
Fijada esta tasa, queda determinado el valor del número de Nusselt
y, a partir de éste, se calcula el número de Reynolds. El número de
Reynolds se expresa Re = Vd_{h}/\nu donde d_{h}
es el diámetro hidráulico de la sección de descarga de la tobera, V
es la velocidad del fluido en ella, y \nu es la viscosidad
cinemática del fluido.
El número de Reynolds es un parámetro
adimensional de medida relativa de las fuerzas de inercia respecto a
las fuerzas viscosas en una corriente de fluido. Del valor de este
parámetro depende el valor del número de Nusselt que, a su vez,
define el coeficiente de transferencia de calor.
Conocido el número de Reynolds, se desarrolla un
proceso de optimización fluido-dinámico en el que
intervienen de modo interactivo la longitud de tobera, el ancho de
la sección de descarga de la misma y la separación entre ellas,
quedando determinado de esta manera su número. El proceso de
optimización comporta la comparación de los resultados analíticos
obtenidos aplicando las correlaciones empíricas disponibles.
La orientación de las toberas en las
aplicaciones más importantes está definida por la dirección del
chorro que eyecta, habitualmente según la línea normal a la
superficie sobre la que impacta. En el caso que nos ocupa, sobre la
superficie del alambre. No obstante, cabe aplicar otras
orientaciones en búsqueda de una mayor superficie de contacto del
chorro con la superficie del alambre, existiendo un compromiso entre
dicha orientación y la uniformidad del campo de temperaturas en la
superficie de impacto.
La figura 4 muestra cómo la no uniformidad del
flujo sobre el objeto se traduce en una distribución no uniforme de
temperatura y de transferencia de calor sobre su superficie.
La regulación externa del flujo másico de gas y
su temperatura se llevan a cabo externamente conforme al esquema del
sistema mostrado en la figura 1. La regulación del flujo másico se
realiza variando la velocidad del motor de accionamiento de la
soplante conforme a una rutina que está determinada por la curva
característica de la soplante instalada. La señal necesaria para
aplicar la rutina de regulación procede de uno, o dos, sensores de
presión instalados en el circuito de gas. La regulación de la
temperatura del gas se consigue mediante un intercambiador de calor
externo cuyo flujo de fluido refrigerante se establece mediante una
rutina cuya señal procede de los termopares instalados en el
circuito de gas. La regulación puede ser on-off,
proporcional o proporcional-integral, según sea la
precisión deseada para el valor de la temperatura del gas en la
descarga de las toberas.
Por control on-off se entiende
todo-nada. p. ej. fijada una temperatura de
referencia en el circuito de N_{2}, cuando el termopar de medida
de la temperatura a la salida de la soplante detecta una diferencia
de temperatura respecto a la de referencia, se produce una señal
mediante la cual se actúa sobre el intercambiador de calor externo
cerrando o abriendo totalmente la válvula de paso de agua por el
intercambiador (una regulación en escalón).
La regulación diferencial se implementa
utilizando la diferencia de temperatura leída en la corriente de
N_{2}, antes del intercambiador de calor y después de la soplante
y, de acuerdo con la banda proporcional del regulador, se abre o se
cierra proporcionalmente la válvula de paso de agua por el
intercambiador.
En el control integral se combina la medida de
diferencia de temperatura y la del caudal impulsado por la soplante
para integrarlas mediante una rutina que determina sea la regulación
del caudal de la soplante, sea la diferencia de temperatura del gas
al paso por el intercambiado externo, sea ambas para alcanzar un
estado operativo de máxima eficiencia energética.
Claims (13)
1. Procedimiento de patentado de alambre que
comprende una etapa de enfriamiento, caracterizado porque la
etapa de enfriamiento se produce mediante la aplicación de un chorro
de fluido turbulento en dirección a la superficie del alambre.
2. Procedimiento según la reivindicación 1
caracterizado porque el chorro turbulento es producido por al
menos una tobera de chorro plano situada de manera que el chorro sea
perpendicular a la superficie del alambre.
3. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque comprende una
etapa de calentamiento en línea del alambre hasta la temperatura de
austenización, antes de la etapa de enfriamiento.
4. Procedimiento según la reivindicación 3
porque comprende una etapa de estiramiento antes del
calentamiento.
5. Procedimiento según la reivindicación 4
caracterizado por una etapa de limpieza previa, mediante la
cual se eliminan todos los restos de lubricantes procedentes de la
etapa de estiramiento anterior.
6. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones 3-5 caracterizado porque el
calentamiento se produce por medio de corrientes de inducción
electromagnética de forma individual alambre a alambre.
7. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores caracterizado porque todo el
tránsito del alambre se realiza en total ausencia de oxígeno.
8. Dispositivo de enfriamiento de alambre para
procesos de patentado, que comprende un bloque de material de
capacidad térmica muy elevada (8) con un canal (9) adaptado para
permitir el paso de un alambre a enfriar y al menos un conducto (5)
para la circulación de un fluido refrigerante, caracterizado
porque además comprende al menos una tobera (1) capaz de inyectar un
chorro de fluido turbulento hacia la superficie del alambre.
9. Dispositivo según la reivindicación 8
caracterizado porque las toberas son de chorro plano y están
situadas de manera que el chorro inyectado es perpendicular a la
superficie del alambre.
10. Dispositivo según cualquiera de las
reivindicaciones 8-9 caracterizado porque es
de simetría axial.
11. Dispositivo según cualquiera de las
reivindicaciones 8-10 caracterizado porque
además comprende medios para modular la intensidad de transferencia
de calor desde el alambre respecto a la velocidad de paso del
mismo.
12. Dispositivo según cualquiera de las
reivindicaciones 8-11 caracterizado porque
el número de toberas está predeterminada en función de una tasa de
enfriamiento asignada.
13. Dispositivo según cualquiera de las
reivindicaciones 8-12 caracterizado porque
las toberas están orientadas según radios perpendiculares al eje
principal del bloque.
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