ES2582863T3

ES2582863T3 - Cúpula de estufa cowper y estufa cowper

Info

Publication number: ES2582863T3
Application number: ES11705133.4T
Authority: ES
Inventors: Floris Van Laar; Jacobus Van Laar
Original assignee: Allied Mineral Products LLC
Current assignee: Allied Mineral Products LLC
Priority date: 2010-02-12
Filing date: 2011-02-14
Publication date: 2016-09-15
Anticipated expiration: 2031-02-14
Also published as: CA2789603A1; WO2011100693A1; CA2789603C; EP2534269A1; ZA201206303B; US9194013B2; US20110200958A1; EP2534269B1

Abstract

Una cúpula de estufa cowper, que tiene una forma semihemisférica y que comprende una primera porción de la cúpula adaptada para el apoyo en la parte superior de una pared vertical de una cámara de combustión de un alojamiento cilíndrico de la estufa cowper, y una segunda porción de la cúpula adaptada para el apoyo en la parte superior de una pared vertical de una cámara de regeneración de calor de un alojamiento cilíndrico de la estufa cowper, en la que la primera porción de la cúpula y la segunda porción de la cúpula se disponen adyacentes la una a la otra para formar la forma semihemisférica, una junta de expansión se proporciona en la cúpula de la estufa cowper entre la primera porción de la cúpula y la segunda porción de la cúpula en bordes adyacentes de la primera porción de la cúpula y de la segunda porción de la cúpula, y la junta de expansión está adaptada para permitir que la primera porción de la cúpula y la segunda porción de la cúpula den cabida de manera independiente a la expansión vertical de sus paredes de soporte respectivas del alojamiento cilíndrico.

Description

DESCRIPCION

Cupula de estufa cowper y estufa cowper.

5 CAMPO DE LA INVENClON

La presente invencion esta dirigida a una cupula de estufa cowper y a una estufa cowper que tiene una camara de combustion interna y que incluye la cupula de la invencion. La cupula de la estufa cowper proporciona una resistencia mejorada al dano termico de la cupula en una estufa cowper que tiene una camara de combustion interna 10 y da como resultado reducciones significativas en costes de ingenierfa, de materiales y de construccion en comparacion con los aparatos comunes convencionales.

ANTECEDENTES DE LA INVENClON

15 Las estufas cowper, a veces denominadas estufas de alto horno, se emplean habitualmente en la fabricacion de hierro para precalentar aire de combustion antes de que se introduzca en un alto horno. Una estufa cowper tiene habitualmente una estructura de pared cilfndrica en forma de silo construida de ladrillo refractario y aislante, y rodeada por una cubierta de metal. Unas camaras contiguas de combustion y de regeneracion de calor se definen por una pared divisoria interna que se extiende verticalmente tambien construida de materiales refractarios. Las 20 camaras se comunican a traves de un paso formado adyacente a una cupula en la parte superior de la estructura cilfndrica. La cupula protege la cubierta de acero en la parte superior de la estufa cowper contra temperaturas demasiado altas. La cupula en una estufa cowper esta soportada habitualmente por una estructura de soporte de acero de diametro extendido con soportes de acero o bien, en el caso de una cupula interna, por medio de la pared cilfndrica.

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La camara de regeneracion de calor, tambien denominada camara regeneradora, incluye hileras de ladrillo refractario que tienen pasos de flujo alineados que se extienden desde la parte superior hasta la parte inferior de la camara. Los ladrillos absorben y almacenan calor de los gases de escape calientes que pasan a traves de la camara de regeneracion de calor durante un ciclo de calentamiento. Los gases calientes fluyen hacia arriba en la camara de 30 combustion y despues se desplazan hacia abajo a traves de la camara de regeneracion de calor y salen por la parte inferior de la camara de regeneracion de calor. Una vez que el ladrillo de la camara de regeneracion de calor ha conseguido una temperatura predeterminada, se termina el ciclo de calentamiento y comienza el ciclo de soplado. En el ciclo de soplado, se introduce aire del exterior en la parte inferior de la camara de regeneracion de calor y se desplaza hacia arriba y absorbe el calor almacenado. El aire precalentado se desplaza entonces hacia abajo a 35 traves de la camara de combustion, sale de la estufa, y se introduce en el alto horno.

La temperatura de funcionamiento interna en la estufa cowper varfa de forma considerable y esta muy por encima de los 2000°F (1093°C) en ciertas porciones de la camara. En la estructura de cupula interna descrita anteriormente, la pared en el lado de la camara de combustion de la estufa cowper se expande mas rapido y termicamente se somete 40 a mas ciclos, provocando una expansion y una contraccion significativas durante los ciclos de funcionamiento normales, en comparacion con la pared en el lado de la camara de regeneracion de calor de la estufa cowper. Esta diferencia de expansion por encima de la gran altura de las estufas cowper, habitualmente de 200, 300 o mas pies (61-91 m) de alto, contribuye a la formacion de grietas en la cupula y a menudo lleva a un fallo prematuro de la cupula. Una vez que la cara caliente de la cupula refractaria comienza a agrietarse, se ve comprometido el 45 aislamiento entre la cupula y la cubierta de metal. Esto da como resultado puntos calientes locales en la cubierta de acero. Habitualmente, para hacer frente a estos puntos calientes, la estufa cowper se debe aislar del alto horno para llevar a cabo reparaciones. Tales reparaciones se pueden realizar accediendo a la estufa desde el exterior, requiriendose un andamio en el exterior de la estufa por encima de grandes alturas, habitualmente de 200 a 300 pies (61-91 m) o mas. Comunmente, se identifican ubicaciones estrategicas en la cubierta y se perforan aberturas para 50 soldar niples de lechada en la cubierta en la proximidad de un punto caliente. Los niples de lechada se conectan a una bomba que inyecta un material aislante refractario semiplastico en el area. Este procedimiento se usa a menudo muchas veces durante la vida util de una estufa para proteger la cubierta de la estufa contra el sobrecalentamiento en la proximidad de una cupula agrietada. En algunos casos, el fuerte agrietamiento es tan excesivo y el dano en el interior de la cupula es tan grande que localmente la cupula se desploma y se requieren reparaciones en el interior. 55 Para facilitar estas reparaciones, la estufa cowper necesita aislarse del alto horno y enfriarse a temperaturas ambiente para permitir el acceso al interior. Todas estas reparaciones descritas contribuyen de forma significativa a una perdida financiera debido a los costes de mantenimiento y a la incapacidad de operar la estufa cowper durante la reparacion y mantenimiento.

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En las estufas cowper convencionales, (veanse por ejemplo los documentos GB-1259192, GB2172982-A, DE3717497-A1, US2163149), se han tornado diversas medidas en intentos por evitar el dano termico a la cupula que resulta de las diferencias de expansion en la pared externa de la estufa cowper que soporta la cupula. Habitualmente, la pared externa de la estufa cowper en el area de la camara de combustion esta provista de una pared de aislamiento adicional asf como de una pared refractaria compacta en el interior de la pared que soporta la cupula. Estas paredes adicionales proporcionan un aislamiento adicional de la pared de soporte de la camara de combustion para reducir la expansion de la pared que soporta la cupula en el lado de la camara de combustion e igualar su expansion a la de la pared mas fresca que soporta la cupula en el lado de la camara de regeneracion de calor. Este diseno no solo requiere ingenierfa, material y construccion adicionales, su efecto en la prevencion de grietas en la cupula y del deterioro de la estructura de la cupula a lo largo de la vida de la estufa cowper ha estado limitado ya que se siguen produciendo variaciones en la expansion termica de la pared de soporte en el area de la camara de combustion y a menudo provocan un agrietamiento de la cupula significativo.

Segun esto, hay una necesidad de un diseno mejorado de la estufa cowper que supere una o mas desventajas de los disenos convencionales.

RESUMEN DE LA INVENCION

Segun esto, es un objeto de la presente invencion proporcionar una cupula de estufa cowper y una estufa cowper que supere una o mas desventajas de las estufas cowper convencionales.

En una forma de realizacion, la invencion esta dirigida a una cupula de estufa cowper de acuerdo con la reivindicacion 1.

En otra forma de realizacion, la invencion esta dirigida a una estufa cowper de acuerdo con la reivindicacion 7.

La junta de expansion que se proporciona en la cupula permite que la porcion de la cupula soportada por la pared de la camara de combustion crezca de manera independiente con respecto a la porcion de la cupula soportada por la pared de la camara de regeneracion de calor. De ese modo, el efecto termico de la expansion de la pared en el lado de la camara de combustion no tiene un impacto adverso en la integridad estructural de la cupula y el agrietamiento se reduce o se elimina. Adicionalmente, la cupula de la estufa cowper de la presente invencion permite la eliminacion de las paredes de aislamiento y compacta en la camara de combustion, proporcionandose de ese modo ahorros significativos de ingenierfa, material y construccion.

Estos y otros objetos y ventajas adicionales de la presente invencion seran mas plenamente evidentes en vista de la siguiente Descripcion Detallada.

BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS

La invencion y la siguiente Descripcion Detallada se entenderan mas plenamente en vista de los Dibujos, en los que: La Fig. 1 es un diagrama esquematico de una estufa cowper convencional;

La Fig. 2 es un diagrama esquematico de una vista en seccion transversal de una estufa cowper convencional;

La Fig. 3 es un diagrama esquematico de una vista en seccion transversal parcial de una cupula de acuerdo con la invencion; y

La Fig. 4 es una fotograffa de una cupula de acuerdo con la presente invencion, instalada en una estufa cowper.

Los dibujos se describen mas a fondo en la siguiente Descripcion Detallada.

DESCRIPCION DETALLADA

La presente invencion esta dirigida a una cupula de estufa cowper y a una estufa cowper que incluye una cupula de acuerdo con la invencion.

Una estufa cowper tfpica se muestra esquematicamente en las Figs. 1 y 2, generalmente indicada en el numero 10. La estufa cowper 10 comprende una camara de combustion 12, una camara de regeneracion de calor 14, un

alojamiento cilfndrico 16 que comprende una pared de la camara de combustion 18 y una pared de la camara de regeneracion de calor 20, y una cupula refractaria 22. El alojamiento 16 comprende convencionalmente una cubierta de metal y un revestimiento refractario, y una cubierta de metal de cupula 23 envuelve la cupula refractaria 22. Como se muestra en las Figs. 1 y 2, la porcion del alojamiento que comprende la pared de la camara de combustion 18 5 incluye capas de pared adicionales 24, formadas habitualmente de una capa aislante y una refractaria compacta, para reducir la expansion vertical aumentada de la pared en la proximidad de la camara de combustion 12. Como se muestra adicionalmente, la pared de la camara de combustion 18 separa la camara de combustion 12 de la camara de regeneracion de calor 14. La cupula 22 esta soportada por medio del alojamiento cilfndrico 16 que comprende la pared de la camara de combustion 18 y la pared de la camara de regeneracion de calor 20.

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Como se observa anteriormente, en las estufas cowper convencionales, el efecto de las capas de pared adicionales 24 en la prevencion de grietas en la cupula y del deterioro de la estructura de la cupula a lo largo de la vida de la estufa cowper ha estado limitado ya que todavfa se producen variaciones en la expansion termica de la pared de soporte en el area de la camara de combustion en comparacion con la pared de soporte en el area de la camara de 15 regeneracion de calor. En muchos casos, se producen grietas en la cupula y se quedan sin detectar ya que no se ven claramente sin una monitorizacion interna de la estufa cowper o una monitorizacion de temperatura de areas de la cubierta adyacentes, es decir, en la parte superior de la estufa cowper, lo cual, en vista de la altura vertical de estas estructuras, no es conveniente a lo largo de la vida de la estufa cowper. Ya que las grietas en la cupula se quedan sin detectar y se multiplican en numero, se puede obtener como resultado el deterioro termico de la cupula, 20 llevando a un fallo estructural de la cupula.

La estructura de la cupula de la presente invencion reduce la tendencia al agrietamiento de la cupula y el fallo de la cupula resultante. Es importante observar que, con referencia a la Fig. 3, la cupula de la estufa cowper 22 de acuerdo con la invencion comprende una primera porcion de la cupula 26 adaptada para el apoyo en la pared de la 25 camara de combustion 18 de la estufa cowper, y una segunda porcion de la cupula 28 adaptada para el apoyo en la pared de la camara de regeneracion de calor 16 de la estufa cowper. Una junta de expansion vertical 30 se proporciona entre la primera porcion de la cupula 26 y la segunda porcion de la cupula 28 y esta adaptada para permitir que la primera porcion de la cupula 26 y la segunda porcion de la cupula 28 den cabida de manera independiente a la expansion vertical de sus paredes de soporte respectivas, es decir, la pared de la camara de 30 combustion 18 y la pared de la camara de regeneracion de calor 16, respectivamente. Como resultado, si la pared de la camara de combustion 18 se expande termicamente en vertical a un mayor grado que la pared de la camara de regeneracion de calor 16 debido a las diferencias de temperatura en la camara de combustion y en la camara de regeneracion de calor, la junta de expansion vertical permite que la primera porcion de la cupula 26 se mueva de manera independiente con respecto a la segunda porcion de la cupula 28, resistiendo al agrietamiento de la cupula 35 debido a tales diferencias de expansion vertical de las paredes de soporte respectivas. De ese modo, el efecto termico de la expansion de la pared en el lado de la camara de combustion no tiene un impacto adverso significativo en la integridad estructural de la cupula. Asimismo, se pueden omitir las capas aislante y refractaria compacta adicionales 24 empleadas en las construcciones convencionales ya que la junta de expansion vertical es suficiente para impedir el agrietamiento de la cupula debido a las diferencias de expansion termica. La estructura de la cupula 40 de la presente invencion puede proporcionar por lo tanto ahorros significativos en ingenierfa, materiales y construccion en comparacion con las estufas convencionales.

Como sera evidente, la vida util tanto de la cupula como del sistema de estufa refractario se incrementara de acuerdo con la presente invencion por medio de la eliminacion, o la reduccion sustancial del acaecimiento de grietas 45 verticales en la cupula. Los costes asociados encontrados en los sistemas convencionales para el mantenimiento adicional y los costes de tiempo de inactividad tambien se eliminan mediante la estructura de la cupula de la presente invencion, que requiere un mantenimiento muy bajo. Adicionalmente, ya que las paredes aislante y refractaria compacta adicionales 24 se pueden omitir, se aumenta el espacio de proceso tanto para la capacidad de almacenamiento de calor asf como para la superficie disponible en la camara de combustion. Esto en si mismo 50 aumentara la posibilidad de almacenamiento de calor de la estufa cowper del mismo modo que permitira un area mas grande de la camara de combustion que reducira la velocidad del gas y aire quemados en la camara de combustion. La velocidad reducida reducira el potencial de vibracion en la estufa.

La junta de expansion vertical se puede extender de forma continua o de forma discontinua a lo largo de un arco que 55 se extiende desde la primera interseccion de bordes adyacentes de las paredes de las camaras de combustion y de regeneracion de calor hasta la interseccion opuesta de bordes adyacentes de las paredes de las camaras de combustion y de regeneracion de calor, es decir, desde el punto A, a lo largo de un arco de la cupula, hasta el punto B, como se muestra en la Fig. 2. En una forma de realizacion especffica, la cupula de la estufa cowper tiene una forma sustancialmente semihemisferica como se muestra en la Fig. 3, y la junta de expansion vertical 30 se extiende

de forma continua desde una primera porcion de borde de la forma sustancialmente semihemisferica hasta una segunda porcion de borde de la forma sustancialmente semihemisferica. Una porcion de tal junta de expansion 30 se muestra en la Fig. 3.

5 La cupula puede estar construida de los elementos indicados usando cualquier material adecuado deseable. En una forma de realizacion, las porciones de la cupula estan formadas de piezas moldeadas monolfticas o ladrillo refractario. Como se muestra en la Fig. 3, las piezas moldeadas o el ladrillo se pueden asegurar con una construccion machihembrada, aunque alternativamente se pueden usar otras formas de realizacion estructurales. Los materiales adecuados de moldeo y refractarios para el uso en las porciones de la cupula incluyen los conocidos 10 en la materia para el uso en areas de alta temperatura de estufas cowper. En formas de realizacion especfficas, las porciones de la cupula estan formadas de materiales de silicato de aluminio, incluyendo, pero no estando limitado a andalucita, mullita, mullita fundida, y una combinacion de las mismas. En una forma de realizacion, las porciones de la cupula estan formadas de un hormigon refractario que contiene andalucita, mullita, mullita fundida, o combinaciones de las mismas. El hormigon puede incluir opcionalmente cemento o puede estar libre de cemento. En 15 otra forma de realizacion, las porciones de la cupula estan formadas de un material de hormigon de bajo contenido en cemento que contiene andalucita, mullita, mullita fundida, o combinaciones de las mismas. En una forma de realizacion, las porciones de la cupula estan totalmente o parcialmente formadas y moldeadas in situ. La forma de realizacion moldeada in situ es ventajosa en cuanto a que se reducen los requisitos del ladrillo con una forma especial asf como el extenso tiempo de carga para los materiales y la ingenierfa para formas de tolerancia estrecha. 20 El moldeo de las porciones de la cupula in situ tambien permite la reduccion de costes de mano de obra e instalacion que se asocian habitualmente con la instalacion de una cupula con forma de ladrillos multiples de tolerancia estrecha. Las tolerancias dimensionales y las tolerancias de expansion se consiguen mas facilmente con estructuras de porciones de cupula moldeadas in situ.

25 Finalmente, las estufas cowper de la presente invencion permiten que se lleve a cabo el apagado de la estufa durante periodos de tiempo cortos o mas largos sin efectos negativos sobre la estructura de la cupula ya que el agrietamiento por calentamiento y enfriamiento observado en las cupulas de estufa cowper convencionales y provocado por una expansion vertical diferencial se reduce sustancialmente en la estructura de la cupula de la presente invencion.

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Una estructura de cupula como se ha descrito en este documento se instalo en una estufa cowper de un alto horno. La Fig. 4 es una fotograffa de la cupula despues de la instalacion pero antes de la operacion de la estufa cowper para determinar la efectividad de la operacion de la cupula en la resistencia al agrietamiento. Con el paso del tiempo, la estufa cowper ha sido operada y la cubierta en el area de la cupula ha sido monitorizada periodicamente para 35 detectar posibles puntos calientes durante la operacion. La monitorizacion ha revelado una operacion eficiente de la estructura de la cupula y no se ha detectado ningun punto caliente en la cubierta, lo que indica que la capa aislante esta intacta y se ha evitado un agrietamiento significativo.

Los ejemplos especfficos y formas de realizacion descritos en este documento solo son de naturaleza ejemplar y no 40 estan destinados a ser limitadores de la invencion definida por las reivindicaciones.

Claims

1. Una cupula de estufa cowper, que tiene una forma semihemisferica y que comprende una primera porcion de la cupula adaptada para el apoyo en la parte superior de una pared vertical de una camara de

5 combustion de un alojamiento cilfndrico de la estufa cowper, y una segunda porcion de la cupula adaptada para el apoyo en la parte superior de una pared vertical de una camara de regeneracion de calor de un alojamiento cilfndrico de la estufa cowper, en la que la primera porcion de la cupula y la segunda porcion de la cupula se disponen adyacentes la una a la otra para formar la forma semihemisferica, una junta de expansion se proporciona en la cupula de la estufa cowper entre la primera porcion de la cupula y la segunda porcion de la cupula en bordes 10 adyacentes de la primera porcion de la cupula y de la segunda porcion de la cupula, y la junta de expansion esta adaptada para permitir que la primera porcion de la cupula y la segunda porcion de la cupula den cabida de manera independiente a la expansion vertical de sus paredes de soporte respectivas del alojamiento cilfndrico.

2. La cupula de estufa cowper de la reivindicacion 1, en la que la primera porcion de la cupula y la 15 segunda porcion de la cupula comprenden piezas moldeadas monolfticas.

3. La cupula de estufa cowper de la reivindicacion 2, en la que las piezas moldeadas monolfticas en cada porcion de la cupula se aseguran con una construccion machihembrada.

20 4. La cupula de estufa cowper de la reivindicacion 1, en la que la primera porcion de la cupula y la

segunda porcion de la cupula comprenden ladrillos refractarios.

5. La cupula de estufa cowper de la reivindicacion 4, en la que los ladrillos en cada porcion de la cupula se aseguran con una construccion machihembrada.

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6. La cupula de estufa cowper de la reivindicacion 1, en la que la junta de expansion se extiende de forma continua desde una primera porcion de borde de la forma semihemisferica hasta una segunda porcion de borde de la forma semihemisferica.

30 7. Una estufa cowper, que comprende una camara de combustion, una camara de regeneracion de calor,

un alojamiento cilfndrico que comprende una pared vertical de la camara de combustion y una pared vertical de la camara de regeneracion de calor, y una cupula que tiene una forma semihemisferica, en la que la cupula comprende una primera porcion de la cupula apoyada en la parte superior de la pared de la camara de combustion, y una segunda porcion de la cupula apoyada en la parte superior de la pared de la camara de regeneracion de calor, en la 35 que la primera porcion de la cupula y la segunda porcion de la cupula se disponen adyacentes la una a la otra para formar la forma semihemisferica, una junta de expansion se proporciona en la cupula de la estufa cowper entre la primera porcion de la cupula y la segunda porcion de la cupula en bordes adyacentes de la primera porcion de la cupula y de la segunda porcion de la cupula, y la junta de expansion esta adaptada para permitir que la primera porcion de la cupula y la segunda porcion de la cupula den cabida de manera independiente a la expansion vertical 40 de sus paredes de soporte respectivas del alojamiento cilfndrico.

8. La estufa cowper de la reivindicacion 7, en la que la pared de la camara de combustion y la pared de

la camara de regeneracion de calor estan formadas de los mismos materiales.

45 9. La estufa cowper de la reivindicacion 8, en la que la pared de la camara de combustion y la pared de

la camara de regeneracion de calor comprenden una cubierta de metal y un revestimiento refractario.

10. La estufa cowper de la reivindicacion 7, en la que la pared de la camara de combustion y la pared de la camara de regeneracion de calor se conectan mediante juntas de expansion en sus bordes adyacentes.

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11. La estufa cowper de la reivindicacion 7, en la que la primera porcion de la cupula y la segunda porcion de la cupula comprenden piezas moldeadas monolfticas.

12. La estufa cowper de la reivindicacion 11, en la que las piezas moldeadas monolfticas en cada porcion 55 de la cupula se aseguran con una construccion machihembrada.

13. La estufa cowper de la reivindicacion 7, en la que la primera porcion de la cupula y la segunda porcion de la cupula comprenden ladrillos refractarios.

14. La estufa cowper de la reivindicacion 13, en la que los ladrillos en cada porcion de la cupula se aseguran con una construccion machihembrada.

15. La estufa cowper de la reivindicacion 7, en la que la junta de expansion se extiende de forma continua 5 desde una primera porcion de borde de la forma semihemisferica hasta una segunda porcion de borde de la forma

semihemisferica.