ES2444620T3

ES2444620T3 - Electrodo para hornos de arco continuo de corriente continua

Info

Publication number: ES2444620T3
Application number: ES10803070.1T
Authority: ES
Inventors: Maurizio Picciotto; Marco Ansoldi; Stefano Morsut; Alfredo Poloni
Original assignee: Danieli and C Officine Meccaniche SpA
Current assignee: Danieli and C Officine Meccaniche SpA
Priority date: 2009-12-15
Filing date: 2010-12-15
Publication date: 2014-02-26
Anticipated expiration: 2030-12-15
Also published as: RU2516116C2; JP2013513924A; ITMI20092192A1; KR20120099490A; WO2011073244A1; RU2012129987A; CN102656415B; US20120269225A1; KR101398663B1; EP2513581A1; JP5475143B2; MX2012006907A; EP2513581B1; MY159297A; CN102656415A; US9335097B2; IT1396945B1; UA102203C2

Abstract

Un electrodo para horno de arco de corriente continua para fundir metales, adaptado para alojarse en el fondode dicho horno, que comprende: - una barra bimetálica (2), que define un eje longitudinal (X), que comprende a lo largo de la extensiónlongitudinal del mismo una primera porción de acero (4,5), de la que un primer extremo está adaptado paraentrar en contacto con un baño de metal dentro del horno, y una segunda porción de cobre (6, 7) soldada a unsegundo extremo de dicha primera porción de acero (4, 5); - medios de refrigeración (3) para enfriar dicha barra bimetálica (2); - una cavidad (50) obtenida dentro de dicha segunda porción de cobre (6,7), en la que dichos medios derefrigeración (3) están acomodados al menos parcialmente; - un hueco entre dicha cavidad (50) y dichos medios de refrigeración (3); en el que los medios de refrigeración (3) comprenden: - un colector (17), colocado en un primer extremo de los medios de refrigeración (3), con una pared terminalprovista de una serie de canales (20), que comunican dicho colector (17) con una primera porción de dichohueco, que es proximal a dicha primera porción de acero; (4, 5); - una primera tubería (19) para llevar un liquido refrigerante hacia el colector (17); en el que el colector (17) tiene una zona de sección transversal de al menos 1,5 veces la zona de seccióntransversal de la primera tubería (19) con respecto a dicho eje longitudinal (X); y en el que cada uno de los canales (20) tiene un eje longitudinal del mismo, perpendicular a un plano tangente ala sección de salida respectiva, mediante los cuales se produce una serie de chorros de líquido refrigeranteperpendiculares a una superficie primaria (23) de la cavidad proximal (50) a dicha primera porción de acero (4,5), en la primera porción del hueco.

Description

Electrodo para hornos de arco continuo de corriente continua

5 Campo de la invención

[0001] La presente invención se refiere a un electrodo para hornos de arco continuo de corriente continua, que se utilizan, en particular, como ánodos en el fondo de dichos hornos.

10 Estado de la técnica

[0002] Los hornos de arco continuo de corriente continua (CC EAF, por sus siglas en ingles de Horno de Arco Eléctrico) se utilizan en la tecnología del acero para fundir y refinar aleaciones de metales a base de hierro.

15 [0003] En estos hornos, el arco eléctrico se descarga entre al menos un electrodo de grafito dispuesto en la parte superior (cátodo) y al menos un electrodo de fondo (ánodo) dispuesto al fondo, en el hogar del horno. El paso de corriente permite la formación del arco eléctrico que por efecto de la radiación y convección del mismo hace que los fragmentos de hierro se fundan.

20 [0004] Con respecto a un horno de arco de corriente alterna (CA EAF), el horno de arco de corriente continua ventajosamente permite un menor consumo de energía eléctrica, un menor consumo de electrodos y de materiales refractarios, una rápida y uniforme fundición de los fragmentos de hierro (debido a la gran longitud del arco obtenido), una disminución en el ruido y en las tensiones mecánicas y una buena cocción del baño de metal líquido. Además, las variaciones de potencia reactiva y el efecto "flicker" (parpadeo) son considerablemente inferiores.

25 [0005] Típicamente los hornos de arco continuo de corriente continua tienen un electrodo o cátodo superior, asociado con la corona del horno y que se extiende dentro del mismo horno, y una serie de electrodos inferiores o electrodos de fondo o ánodos incorporados en el hogar refractario del horno para cerrar el circuito eléctrico.

30 [0006] En estos hornos los ánodos son uno de los componentes más delicados ya que les atraviesan corrientes de muy alta intensidad y están sujetos a tensiones térmicas y fuerzas magnéticas considerables.

[0007] Hay varios tipos de electrodos de fondo que pertenecen al estado de la técnica.

35 [0008] Dichos electrodos de fondo se fabrican, por ejemplo, con forma de barras metálicas, incorporadas en el hogar refractario del horno, que se extienden parcialmente por el extremo de fondo del mismo, fuera del horno en sí. El número de dichas barras y la disposición de las mismas, que es simétrico con respecto al centro del horno, dependen de la potencia del horno y de la configuración del hogar del mismo.

40 [0009] De acuerdo con otro tipo de electrodo de fondo, dichas barras metálicas pueden dividirse en una serie de varillas con muy poco diámetro, que se fijan al fondo sobre una placa común, en general refrigerada por aire y que se conecta a la fuente de alimentación mediante tuberías refrigeradas con agua.

[0010] En otra realización conocida, en lugar de las varillas, cada unidad de electrodo puede consistir en una serie

45 de pestañas metálicas soldadas a un soporte metálico común y dispuestas de manera que cooperen con otras unidades de electrodo para formar un anillo, que sea concéntrico al horno.

[0011] De acuerdo con la técnica conocida que se describe en el documento US 4 101 725 A, los electrodos de tipo barra pueden fabricarse completamente de acero o de acero y cobre.

50 [0012] La parte superior de acero de dichas barras al estar en contacto con el baño de metal fundido, se funde hasta determinada altura. De acuerdo con la eficiencia de refrigeración, la barra tiene una parte superior líquida y una parte inferior sólida, divididas por una zona de separación.

55 [0013] En este tipo de electrodo de fondo, el principal problema consiste en desarrollar un sistema de refrigeración capaz de garantizar una parte inferior sólida, a lo largo de la altura de la barra, tan extensa como sea posible también bajo las condiciones de las elevadas cargas eléctricas y térmicas que conducen dichos electrodos de fondo.

[0014] Entre otras cosas, esto es necesario para evitar la formación de posibles rutas de escape para el metal

60 fundido. Si, no obstante, el frente de fundición dentro del ánodo prosiguiera hasta perforar completamente la base del ánodo, el metal líquido entraría en contacto con el agua u otro líquido refrigerante utilizado para enfriar la base del ánodo, provocando así una verdadera explosión con consecuencias considerablemente peligrosas.

[0015] Se han propuesto varias soluciones para obtener una eficiencia térmica mejorada de la acción refrigerante de 65 los electrodos de fondo.

[0016] Una primera solución prevé el uso de un ánodo bimetálico de acero-cobre, con forma de varilla, provisto de canales para el paso de un fluido a fin de enfriar la parte de cobre, de manera similar a un cristalizador de colada continua. El mecanismo de intercambio de calor es el de convección forzada con un fluido de fase única (agua en estado líquido). El movimiento del fluido refrigerante discurre sustancialmente paralelo a la superficie que se quiere

5 refrigerar, lo que requiere una velocidad y unas dimensiones determinadas de los canales para garantizar un intercambio de calor apropiado.

[0017] Esta solución es adecuada si las corrientes utilizadas no son elevadas. Cuando las corrientes aumentan es necesario aumentar los diámetros y los flujos a la vez que sin embargo, se mantiene las secciones de los canales de paso tan inalteradas como sea posible para mantener a su vez inalteradas la velocidad del fluido, de la que dependen los coeficientes de intercambio de calor. Dado que en dichas condiciones, las deformaciones de las estructuras de metal pueden amplificarse enormemente, los canales a través de los cuales pasan los fluidos refrigerantes también podrían sufrir modificaciones con una posible disminución considerable del intercambio de calor. Estos fenómenos pueden comprometer sinceramente la integridad de la estructura del ánodo con

15 consecuencias sobre el funcionamiento del horno. En su lugar, una segunda solución prevé el uso de un ánodo bimetálico de acero-cobre, equipado con un sistema de refrigeración, dentro de la parte de cobre del ánodo, que use un fluido refrigerante de dos fases (líquida-gaseosa) mediante el rociado de gotas y la sucesiva ebullición de las mismas cuando entran en contacto con la superficie que se quiere refrigerar. La transición de fases (la denominada "ebullición") permite eliminar calor eficientemente, pero de manera desventajosa, sólo hasta una temperatura crítica. Más allá de esta temperatura crítica, se produce un rápido deterioro de las propiedades de intercambio de calor, lo que por lo tanto conlleva una falta de fiabilidad en el sistema. Si la base del ánodo llegara a perforarse completamente, se prevén una serie de barreras para bloquear las pérdidas de fluido fundido dentro del alojamiento del sistema de refrigeración, lo que implicaría, no obstante, una construcción más compleja.

25 [0018] Por lo tanto se siente la necesidad de fabricar un electrodo de fondo, que permita superar los inconvenientes mencionados anteriormente.

Sumario de la invención

[0019] El principal objeto de la presente invención es proporcionar un electrodo o ánodo de fondo para hornos de arco continuo de corriente continua, provisto de un sistema de refrigeración capaz de garantizar que haya una parte sólida, a lo largo de la extensión longitudinal de la varilla, que sea lo más alta posible, también en condiciones de elevadas cargas eléctricas a fin de garantizar constantemente una distancia apropiada entre la interfase sólidalíquida del ánodo y el agua de refrigeración, y en consecuencia una seguridad absoluta.

35 [0020] Otro objeto de la invención es obtener una eficiencia de la acción refrigerante del electrodo de fondo, fabricado con forma de varilla bimetálica, muy superior a la que se podía obtener hasta la fecha, optimizando el intercambio de calor mediante una geometría particular de los canales de refrigeración.

[0021] Un objeto adicional de la presente invención es garantizar simultáneamente que se mantienen las condiciones de una óptima conducción térmica y eléctrica en la zona de unión entre la parte refrigerada y la parte no refrigerada de la varilla, obteniendo así un mejor funcionamiento del horno en términos de eficiencia de producción, mayor duración del electrodo, mayor fiabilidad y seguridad.

45 [0022] Por lo tanto, la presente invención propone alcanzar los objetivos tratados anteriormente, fabricando un electrodo para hornos de arco continuo de corriente continua para fundir metales, adaptado para acomodarse en el fondo de dicho horno, que, de acuerdo con la reivindicación 1, comprende:

-: una barra bimetálica, que define un eje longitudinal X, que comprende a lo largo de la extensión longitudinal del mismo, una primera porción de acero, de la que un primer extremo está adaptado para entrar en contacto con un baño de metal dentro del horno, y una segunda porción de cobre soldada a un segundo extremo de dicha primera porción de acero;

-: unos medios de refrigeración para enfriar dicha barra bimetálica;

-: una cavidad obtenida dentro de dicha segunda porción de cobre en la que dichos medios de refrigeración están 55 acomodados al menos parcialmente;

-: un hueco entre dicha cavidad y dichos medios de refrigeración; en el que los medios de refrigeración comprenden:

-: un colector, colocado en un primer extremo de los medios de refrigeración, con una pared terminal provista de una serie de canales que comunican dicho colector con una primera porción de dicho hueco, que es proximal a dicha primera porción de acero;

-: una primera tubería para llevar un liquido refrigerante hacia el colector; en el que, con respecto a dicho eje longitudinal X, el colector tiene una zona de sección transversal de al menos 1,5 veces la zona de sección transversal de la primera tubería con respecto a dicho eje longitudinal; y en el que cada uno de los canales tiene un eje longitudinal del mismo, sustancialmente perpendicular a un plano tangente

65 a la sección de salida respectiva, mediante los cuales se produce una serie de chorros de líquido refrigerante, perpendiculares a una superficie primaria de la cavidad proximal a dicha primera porción de acero, en la primera porción del hueco. Un segundo aspecto de la presente invención prevé un proceso de refrigeración del electrodo mencionado anteriormente, que, de acuerdo con la reivindicación 13, comprende los siguientes pasos:

-: llenar el hueco previsto entre la cavidad y los medios de refrigeración, con un líquido refrigerante;

-: introducir de forma continuada líquido refrigerante adicional en la primera tubería, de manera que dicho líquido 5 refrigerante llegue al colector;

-: la refrigeración primaria del electrodo mediante el vertido continuo de una serie de chorros de líquido refrigerante, a través de la serie de canales, que de manera sustancialmente perpendicular golpean las porciones correspondientes de la superficie primaria de la primera porción del hueco proximal a la porción de acero del electrodo;

-: la refrigeración secundaria del electrodo mediante el subsecuente flujo descendente de líquido refrigerante por la segunda porción del hueco distal desde la porción de acero del electrodo.

[0023] Ventajosamente, la solución de la invención utiliza el mecanismo de intercambio de calor por convección usando un fluido de fase-única, preferentemente agua en estado líquido. La acción refrigerante es ventajosamente

15 doble.

[0024] La refrigeración primaria se genera mediante el movimiento del líquido refrigerante sustancialmente en sentido perpendicular con respecto a la pared que se quiere refrigerar, aprovechando así el golpe ("incidencia") de los chorros para eliminar calor. La característica de la perpendicularidad de los chorros confinados permite desvincular la distancia del sistema de refrigeración de la superficie primaria del ánodo que se quiere refrigerar, siendo el intercambio térmico igual. Pudiendo por tanto proporcionarse una mayor holgura o distancia entre dicha superficie primaria y la sección de salida de los orificios de inyección del líquido refrigerante de manera que las deformaciones mecánicas del ánodo, bajo el efecto de la elevada corriente, no influyan en la eficacia de la refrigeración, tal y como ocurría en la primera solución del estado de la técnica.

25 [0025] Es más, con los chorros es posible aumentar la velocidad del líquido simplemente variando la sección del chorro, sin intervenir por lo tanto en el aumento del caudal. Por tanto es posible separar la velocidad del líquido de su caudal.

[0026] En su lugar, la refrigeración secundaria se genera moviendo el líquido refrigerante en sentido substancialmente paralelo a la superficie que se quiere refrigerar. Una refrigeración secundaria de este tipo ya se manifiesta en la zona de la placa o cubierta perforada, puesto que tras golpear la superficie curvada de la camisa del electrodo, el líquido de los chorros tiende a rodearla hasta que alcanza las paredes verticales del conducto o hueco entre la camisa del electrodo y la lanza de refrigeración, por las que el líquido desciende entonces verticalmente en

35 sentido paralelo a la superficie correspondiente del ánodo, dirigiéndose así hacia la sección de descarga.

[0027] El sistema de refrigeración del electrodo de la invención funciona como una fase-única (solo agua, sin aire dentro del sistema) y un sistema cerrado. Dicho sistema puede funcionar indistintamente con una presión de salida, alta o baja.

[0028] El número de orificios de la placa o cubierta perforada depende de la superficie que se quiere refrigerar. También pueden preverse boquillas de inyección de líquido refrigerante.

[0029] El uso de la varilla de acero-cobre permite garantizar una conductividad eléctrica excelente y extender los

45 efectos refrigerantes en la dirección del baño de acero líquido. Esto permite mantener la interfase sólida-líquida del acero tan lejos como sea posible de la zona refrigerada. Un sistema eficiente de refrigeración permite mejorar aún más este aspecto, aumentando considerablemente los factores de seguridad.

[0030] Las reivindicaciones dependientes describen realizaciones preferentes de la invención.

Breve descripción de los dibujos

[0031] Características y ventajas adicionales de la invención se pondrán de manifiesto a la vista de la descripción detallada de una realización preferente, aunque no exclusiva, de un electrodo para hornos de arco continuo de

55 corriente continua, que se muestran mediante ejemplos no limitantes, con la ayuda de los dibujos adjuntos, en los que:

la Fig. 1 muestra una primera vista lateral del electrodo de acuerdo con la invención; la Fig. 2 muestra una vista en sección del electrodo de la Fig. 1, a lo largo del plano A-A; la Fig. 2a muestra una vista en sección de una primera parte del electrodo de la Fig. 1, a lo largo del plano A-A; la Fig. 2b muestra una vista en sección de una segunda parte del electrodo de la Fig. 1, a lo largo del plano A-A"; la Fig. 3 muestra una vista inferior del electrodo de la Fig. 1; la Fig. 4 muestra una vista en sección del electrodo de la Fig. 3, a lo largo del plano B-B; la Fig. 5 muestra una vista del electrodo de la invención incorporado dentro del hogar del horno de arco;

65 la Fig. 6a muestra una vista lateral en sección de un componente del sistema de refrigeración del electrodo de la invención; la Fig. 6b muestra una vista superior del componente de la Fig. 6a.

Descripción detallada de una realización preferente de la invención

5 [0032] Con referencia a las figuras, se ha representado una primera realización de un electrodo para hornos de arco continuo de corriente continua, denotada globalmente con la referencia numérica 1, y en particular de un electrodo o ánodo de fondo que se va a incorporar dentro de los hogares refractantes de dichos hornos.

[0033] El electrodo 1, objecto de la presente invención, comprende: 10

-: una barra o varilla bimetálica 2, que preferentemente tenga una parte superior de acero y una parte inferior de cobre convenientemente soldadas entre sí;

-: unos medios de refrigeración 3, acomodados dentro de la parte inferior de cobre de la varilla 2.

15 [0034] En particular, en términos de estructura, con referencia a las Figuras 1 y 2, se ha previsto en la varilla 2, de arriba a abajo:

-: una primera porción de acero 4;

-: una segunda porción de acero 5, soldada a dicha primera porción de acero 4; 20 -una tercera porción de cobre 6, soldada a dicha segunda porción de acero 5;

-: una cuarta porción de cobre 7, soldada a dicha tercera porción de cobre 6.

[0035] La tercera porción de cobre 6 presenta con referencia a la Fig. 2, una variación de sección, en particular un ensanchamiento desde la parte superior hacia el fondo de la sección transversal de la misma.

25 [0036] La figuras 1 y 2 muestran un cordón de soldadura acero-acero 8 entre la primera porción 4 y la segunda porción 5; un cordón o línea de soldadura acero-cobre 9 entre la segunda porción 5 y la tercera porción 6; un cordón de soldadura cobre-cobre 10 entre la tercera porción 6 y la cuarta porción 7.

30 [0037] La cuarta porción de cobre 7 consiste sustancialmente en un tubo cilíndrico. La tercera sección de cobre 6 en el fondo de la misma incluye un rebaje 13, que se practica en la porción más ancha de la tercera porción 6. La segunda porción de acero 5 y la tercera porción de cobre 6 definen el susodicho "espaciador" para espaciar convenientemente la zona de refrigeración del electrodo de la parte de acero de la varilla 2, que se convertirá en líquida cuando el horno de arco entre en funcionamiento. La parte de cobre y la parte de acero de la varilla 2 que

35 permanecen sólidas se sueldan juntas para garantizar el paso de corriente y la continuidad térmica. Ventajosamente, los medios de refrigeración 3 se acomodan al menos parcialmente, en la cavidad longitudinal 50 definida por el interior del tubo cilíndrico 7 y por dicho rebaje 13 de la tercera porción de cobre 6. El espaciador 5, 6 y el tubo cilíndrico 7 definen la susodicha camisa del electrodo.

40 [0038] Los medios de refrigeración 3 comprenden una lanza de refrigeración sustancialmente cilíndrica 11 preferentemente de material metálico, que a su vez comprende los siguientes elementos:

-: un tubo cilíndrico 12 con un diámetro exterior ligeramente inferior al diámetro interno del tubo cilíndrico 7;

-: una tapa convexa o sustancialmente plana 14 prevista para cerrar un primer extremo de dicho tubo 12, prevista 45 en la pared exterior del mismo con una serie de canales 20, por ejemplo, con forma de simples orificios pasantes;

-: una tubería de transporte 19 del fluido refrigerante, por ejemplo agua, que pasa por dentro del tubo 12 y que está acoplada a dicha tapa 14 de manera que comunique con un colector 17 obtenido dentro de la misma tapa. El tubo 12 es preferentemente coaxial a dicha tubería de transporte 19.

50 [0039] Como alternativa a los simples orificios pasantes 20, es posible prever boquillas roscadas, enroscadas en la rosca correspondiente de los orificios pasantes 20.

[0040] En una variante preferente, la tapa 14 está asociada a un elemento anular 16, en el orificio central 18 en el que la tubería de transporte 19 está insertada.

55 [0041] Ventajosamente, el orificio central 18 se ensancha hacia el colector 17. Ventajosamente, con respecto al eje longitudinal X del electrodo, el colector 17 tiene una zona de sección transversal de al menos 1,5 veces la zona de sección transversal de la tubería 19 con respecto a dicho eje longitudinal X. En una variante preferente, la sección transversal del colector 17 es igual a al menos el doble de la sección transversal de la tubería 19.

60 [0042] Si la tubería 19 y el colector 17 tienen una sección transversal circular, el diámetro del colector 17 es preferentemente igual a 1,5 veces el diámetro de la tubería 19. En el caso de secciones distintas a las circulares, preferentemente habrá la misma relación entre los respectivos diámetros equivalentes.

65 [0043] El elemento anular 16 se fija integralmente, por ejemplo, por soldadura, al tubo cilíndrico 12.

[0044] La misma tapa 14 puede fijarse íntegramente, por ejemplo, por soldadura, por encima de dicho elemento anular 16, definiendo así el colector 17 dentro del mismo.

[0045] Los orificios 20 se practican en el espesor de la tapa 14 comunicando el colector interior 17 con el exterior de 5 los medios de refrigeración.

[0046] La tapa 14 puede tener forma de cubierta hemisférica o de cúpula más o menos aplastada por la parte superior o de placa sustancialmente plana, según la forma de la superficie central interna que se quiera refrigerar. De este modo, el perfil del rebaje 13 se corresponde sustancialmente al perfil externo de la tapa 14.

[0047] La tubería de transporte 19 sobresale del tubo cilíndrico 12 en el segundo extremo del último, es decir por el lado opuesto con respecto a la tapa 14, y está conectada a un reborde de entrada 21 del agua de refrigeración.

[0048] Una vez ensamblado el electrodo, la lanza 11 se acomoda dentro de la camisa del electrodo. La forma del

15 rebaje 13 es tal que permita recibir la tapa 14 de la lanza 11. Se ha previsto una holgura predeterminada o distancia H entre el rebaje 13 y la tapa 14, en la superficie interior central o primaria 23 del electrodo que se quiere refrigerar, que, preferentemente, disminuye desde la superficie lateral interior o secundaria 24 del electrodo.

[0049] Ventajosamente, la distancia H entre la superficie primaria 23, también denominada "superficie mojada", y la superficie correspondiente de la tapa 14, que se encuentra entre la superficie primaria 23 y la sección de salida de los orificios o boquillas 20, se encuentra en un intervalo de entre 5 y 30 mm, preferentemente entre 6 y 12 mm. En una variante preferente, la distancia H es igual a 8 mm. Esta distancia H corresponde a la anchura de una primera porción del hueco entre la cavidad 50 y los medios de refrigeración 3 o lanza11.

25 [0050] La anchura del conducto 25 entre el tubo 7 y el tubo 12 , preferentemente es de entre 2 y 12 mm, dicha anchura del conducto 25 corresponde a la anchura de la segunda porción del hueco, entre la cavidad 50 y los medios de refrigeración 3 o lanza 11.

[0051] Semejante conducto 25 está conectado a una tubería de descarga 26 del agua de refrigeración provista de un reborde de salida 27.

[0052] El diámetro "di" de los orificios o boquillas 20 está ventajosamente en el intervalo de entre 1 y 10 mm, preferentemente entre 1 y 5 mm. En una variante preferente, el diámetro "di" es igual a 3 mm.

35 [0053] En su lugar, con respecto a la distribución de los orificios 20 de la tapa 14, el espaciado entre los orificios 20, denotado con Ld, es función del diámetro de los orificios, preferentemente pero no necesariamente igual a un múltiplo de dicho diámetro. Pueden estar uniformemente distribuidos o no sobre la superficie de la tapa 14. El espaciado Ld se encuentra en un intervalo de entre 3 y 15 veces el diámetro di de los orificios 20, preferentemente en un intervalo de entre 6 y 11 veces el diámetro de los orificios. En una variante preferente, Ld es igual a 31,5 mm.

[0054] El criterio de distribución de los orificios en la tapa 14 se basa en una cobertura óptima de la superficie primaria 23 que se quiere refrigerar por parte del total de las regiones de refrigeración de alta eficiencia generadas por el golpe de los chorros individuales.

45 [0055] Ventajosamente, los orificios 20 se practican en la tapa 14 de manera que el eje longitudinal de los mismos sea sustancialmente perpendicular al plano tangente a la sección de salida del mismo, es decir sustancialmente perpendicular a la porción correspondiente de la superficie primaria 23.

[0056] Es más, la superficie primaria 23 o "zona mojada" puede ser plana o curvada y la extensión de la misma en términos de diámetro equivalente Deq depende del diámetro de la varilla 2 y tiene un valor máximo de aproximadamente 700 mm, preferentemente en el intervalo comprendido entre 250 y 600 mm. En una variante preferente, Deq es igual a 550 mm.

[0057] Tal y como se ilustra en la figura 6, la varilla bimetálica 2 del electrodo de fondo 1 se incorpora en el hogar

55 refractario 30 de un horno de arco continuo de corriente continua. Dentro del hogar 30, la varilla 2 está rodeada por al menos una sucesión de casquillos anulares refractarios 31. El extremo superior 32 de la varilla 2 se encuentra en contacto con el baño de metal líquido (no se muestra) dentro del horno. Dicho contacto con el metal líquido, junto con el efecto del paso de las altas corrientes a lo largo de la varilla en sí, determina la formación a lo largo de la varilla 2 de una parte superior líquida 33 y de una parte inferior sólida 34, separadas por una zona de interfase 35.

[0058] El líquido refrigerante del electrodo, preferentemente aunque no necesariamente agua, se introduce de forma continuada, con un flujo predeterminado en la tubería de transporte 19, fluye a lo largo de la misma hasta llegar al orificio central 18 del elemento anular 16, alcanzando así el colector 17 dentro de la tapa 14.

65 [0059] Es posible prever el uso de otros líquidos refrigerantes alternativos al agua, tales como por ejemplo, metales líquidos como el sodio y los eutécticos de varias composiciones.

[0060] Ventajosamente, el orificio central 18 del primer elemento anular 16 se ensancha hacia el colector 17 para minimizar las pérdidas de carga y recuperar la presión más elevada dentro del colector 17. La presión del líquido refrigerante dentro del colector 17 está comprendido en el intervalo de entre 0,10 y 1,5 MPa (1-15 bar(g)), preferentemente igual a aproximadamente 1,2 MPa (12 bar(g)).

5 [0061] A partir del colector 17, también denominado "colector de fondo", el líquido se inyecta perpendicularmente sobre la superficie primaria de cobre 23, a través de la serie de orificios 20. La velocidad Vjet de los chorros de líquido que salen de los orificios 20, y que afecta a la transferencia local de calor, tiene un valor máximo de 50 m/s, preferentemente dentro del intervalo de entre 25 y 30 m/s. En una variante preferente del procedimiento, semejante

10 velocidad es igual a aproximadamente 27 m/s. La velocidad de los chorros de líquido, que salen de forma continuada de los orificios 20, es tal que permita prevenir cualquier posibilidad de evaporación del líquido en contacto con la superficie interior de la parte de cobre del electrodo.

[0062] La distribución de los orificios 20 y los parámetros del procedimiento son tales que permiten obtener un flujo 15 térmico máximo a través de la parte de cobre del electrodo igual a aproximadamente 20 MW/m2.

[0063] Ventajosamente, se ha previsto una serie de termopares 40 (Figuras 3 y 4) instalados en el tramo de cobre del ánodo, en particular en la tercera sección 6, para hacer un seguimiento del flujo térmico que se desarrolla a través de la parte de cobre del electrodo.

20 [0064] En una variante preferente, los termopares 40 se acomodan inclinados a aproximadamente 60° con respecto al eje longitudinal del electrodo y los extremos frontales de los mismos se disponen cerca de dichos ejes. Esta configuración de los termopares 40 tiene la ventaja de permitir la supervisión continuada del estado de una de las zonas que sufren más tensiones termo-mecánicas.

25 [0065] Además, dentro del tubo 7 y de la sección de cobre 6 del electrodo, se han previsto alojamientos para termoresistencias 41, como instrumento adicional de diagnóstico y de control de la temperatura.

[0066] De este modo el sistema de refrigeración del electrodo de la invención permite generar y descargar chorros

30 de líquido refrigerante en una zona, o "colector superior", que por la parte superior delimita con la superficie primaria 23 que se quiere refrigerar.

[0067] Todos los chorros están confinados, perpendiculares a la porción correspondiente de la superficie primaria 23, y totalmente sumergida en el mismo líquido refrigerante, que ya ocupa el "colector superior" y el conducto lateral

35 25 entre el tubo 12 y el tubo 7. Ventajosamente, en funcionamiento, ninguna de las zonas de paso del líquido contiene aire sino que están totalmente ocupadas por el líquido en sí. Por lo tanto, el sistema de refrigeración del electrodo de la invención funciona como una fase-única (solo agua, sin aire dentro del sistema) y un sistema cerrado. Dicho sistema puede funcionar indistintamente con una presión de salida, alta o baja.

40 [0068] La configuración de la tapa 14, con forma de cubierta o placa perforada, y de la zona entre la superficie primaria 23 y la misma cubierta o placa perforada es tal que permite promover el golpe sustancialmente perpendicular de los chorros de líquido sobre la superficie primaria 23 y el flujo sucesivo que desciende hacia la descarga del sistema de refrigeración donde el efecto refrigerante de los chorros se convirtió totalmente en convección turbulenta.

45 [0069] Los chorros de líquido golpean la "zona mojada" 23 que es la zona superior refrigerada del ánodo; el resto del interior de la camisa de cobre del electrodo, es decir, el conducto 25, que es refrigerado por el flujo descendente del líquido procedente de dicha zona superior refrigerada (refrigeración secundaria).

50 [0070] Unas pruebas experimentales han confirmado que el golpe de los chorros de líquido confinado constituyen un medio muy eficaz para obtener una elevada eficiencia en la refrigeración de la parte de cobre del electrodo de fondo de un horno de arco continuo de corriente continua.

[0071] Un chorro turbulento que golpea perpendicularmente sobre una superficies plana genera, en la región

55 próxima al punto de estancamiento del chorro, uno de los mayores valores del coeficiente de intercambio de calor que se hayan encontrado en la convección de fase-única (sin aire).

[0072] Este comportamiento se debe al adelgazamiento de la capa limítrofe en la zona donde golpea el chorro, lo que permite en semejante zona, poner el líquido refrigerante en contacto directo con la superficie de intercambio.

60 Asimismo, la presión de estancamiento, es decir, la presión que se registra en la zona de desaceleración del chorro donde éste golpea la superficie, aumenta considerablemente la temperatura de saturación, es decir, la temperatura a la que se produce el fenómeno de ebullición a una presión dada. De este modo, debido a estos fenómenos, es posible que se alcancen temperaturas elevadas en la pared y en consecuencia flujos térmicos elevados en la zona de estancamiento sin que se establezcan necesariamente las condiciones de ebullición.

65 [0073] La presión y el intercambio de calor disminuyen rápidamente a medida que aumenta la distancia a partir del punto de estancamiento del chorro. En consecuencia, para enfriar grandes porciones de superficie, se concibió una realización con una serie de chorros, que golpean perpendicularmente la superficie plana. La hidro-dinámica entre los distintos chorros difiere considerablemente de las condiciones de refrigeración de un chorro individual. En

5 particular, en las zonas donde se juntan las líneas de flujo procedentes de chorros adyacentes, se crean zonas de estancamiento sobre la superficie secundaria que se quiere refrigerar en la que se produce un aumento local de los coeficientes de intercambio de calor.

[0074] De este modo, con respecto a la configuración de un único-chorro, se producirá un aumento de los valores 10 medios de los coeficientes de intercambio de calor sobre toda la superficie que golpea el líquido, según las distancias recíprocas entre los chorros.

[0075] La solución con una serie de chorros de líquido que golpean de manera sustancialmente perpendicular dicha superficie plana se probó entonces de forma válida en una superficie curvilínea, por ejemplo, una superficie 15 hemisférica. .

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un electrodo para horno de arco de corriente continua para fundir metales, adaptado para alojarse en el fondo

de dicho horno, que comprende: 5

-

una barra bimetálica (2), que define un eje longitudinal (X), que comprende a lo largo de la extensión longitudinal del mismo una primera porción de acero (4,5), de la que un primer extremo está adaptado para entrar en contacto con un baño de metal dentro del horno, y una segunda porción de cobre (6, 7) soldada a un segundo extremo de dicha primera porción de acero (4, 5);

-

medios de refrigeración (3) para enfriar dicha barra bimetálica (2);

-

una cavidad (50) obtenida dentro de dicha segunda porción de cobre (6,7), en la que dichos medios de refrigeración (3) están acomodados al menos parcialmente;

-un hueco entre dicha cavidad (50) y dichos medios de refrigeración (3); en el que los medios de refrigeración (3) comprenden:

15 -un colector (17), colocado en un primer extremo de los medios de refrigeración (3), con una pared terminal provista de una serie de canales (20), que comunican dicho colector (17) con una primera porción de dicho hueco, que es proximal a dicha primera porción de acero; (4, 5);

-una primera tubería (19) para llevar un liquido refrigerante hacia el colector (17); en el que el colector (17) tiene una zona de sección transversal de al menos 1,5 veces la zona de sección transversal de la primera tubería (19) con respecto a dicho eje longitudinal (X); y en el que cada uno de los canales (20) tiene un eje longitudinal del mismo, perpendicular a un plano tangente a la sección de salida respectiva, mediante los cuales se produce una serie de chorros de líquido refrigerante perpendiculares a una superficie primaria (23) de la cavidad proximal (50) a dicha primera porción de acero (4, 5), en la primera porción del hueco.
2.

Electrodo de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicha pared terminal es una tapa (14), bien convexa o plana, que cierra un tubo (12) de los medios de refrigeración (3), siendo dicho tubo (12) coaxial y externo a dicha primera tubería (19) de líquido refrigerante.
3.

Electrodo de acuerdo con la reivindicación 2, en el que dicha tapa (14) está asociada a un elemento anular (16), en el que la primera tubería (19) se acopla en el orificio central (18) de dicho elemento anular.
4.

Electrodo de acuerdo con la reivindicación 3, en el que el orificio central (18) se ensancha hacia el colector (17).

35 5. Electrodo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 4, en el que dicha tapa (14) tiene forma de cubierta hemisférica o de cúpula aplastada por la parte superior o de placa plana, según la forma de la superficie primaria (23) que se quiera refrigerar.
6.

Electrodo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 5, en el que dicha primera tubería (19) sobresale del tubo (12) por el lado opuesto al de la tapa (14) y está conectada a un reborde de entrada (21) del líquido refrigerante.
7.

Electrodo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el espaciado (Ld) entre las

secciones de salida de los canales (20) está comprendido en un intervalo de 3 a 15 veces el diámetro (di) de dichos 45 canales (20).
8.

Electrodo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la anchura de dicho hueco disminuye desde dicha superficie primaria (23) hasta una superficie lateral secundaria (24) de dicha cavidad (50).
9.

Electrodo de acuerdo con la reivindicación 8, en el que dicha primera porción del hueco, en dicha superficie primaria (23), tiene una anchura (H) comprendida en el intervalo de 5 a 30 mm.
10.

Electrodo de acuerdo con la reivindicación 9, en el que una segunda porción (25) del hueco que es distal a dicha

primera porción de acero (4, 5), en dicha superficie secundaria (24), tiene una anchura comprendida en el intervalo 55 de 2 a 12 mm.
11.

Electrodo de acuerdo con la reivindicación 10, en el que dicha segunda porción (25) del hueco está conectada a una segunda tubería de escape (26) del líquido refrigerante.
12.

Electrodo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el líquido refrigerante es agua.
13.

Un procedimiento para refrigerar un electrodo de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende los siguientes

pasos: 65

-

llenar el hueco previsto entre la cavidad (50) y los medios de refrigeración (3), con un líquido refrigerante; -introducir de forma continuada líquido refrigerante adicional dentro de la primera tubería (19), de manera que dicho líquido refrigerante alcance el colector (17);

-

la refrigeración primaria del electrodo mediante el vertido continuo de una serie de chorros de líquido

refrigerante, a través de la serie de canales (20), que de manera sustancialmente perpendicular golpean las 5 porciones correspondientes de la superficie primaria (23) de la primera porción del hueco;

-

la refrigeración secundaria del electrodo mediante el subsecuente flujo descendente de líquido refrigerante por la segunda porción (25) del hueco.
14. Procedimiento de refrigeración de acuerdo con la reivindicación 13, en el que la presión del líquido refrigerante

10 dentro del colector (17) está comprendida en el intervalo de 0,10 a 1,5 MPa (1-15 bar(g)), y la velocidad (vjet) de los chorros que salen de los canales (20) tiene un valor máximo de 50 m/s.
15. Un horno de arco continuo de corriente continua para fundir metales que comprende al menos un electrodo de acuerdo con la reivindicación 1 en el fondo del mismo.