ES2635145T3 - Horno de inducción y procedimiento de tratamiento de los desechos metálicos que hay que almacenar - Google Patents

Abstract

Horno de fusión de desechos metálicos de inducción, de bajo consumo energético y de alto nivel de seguridad, que comprende un inductor (10), una envoltura (7) metálica circular dividida en sectores (8) separados por unas capas aislantes de la electricidad, rodeada por el inductor y provista de unos conductos (21) de fluido de enfriamiento, una solera (11) que se extiende debajo de la envoltura, caracterizado porque comprende un crisol (1) interior a la envoltura (7) y constituido por una pared circular y por un fondo, estando el crisol: - puesto sobre la solera (11), - rodeado por la envoltura (7), - separado de la envoltura por un juego, - continuo y homogéneo en circunferencia y - compuesto por tres capas concéntricas, a saber: una capa interna (4) refractaria, una capa intermedia (5) compuesta por una materia comprimible y una capa externa (6) metálica.

Description

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DESCRIPCION

Horno de induccion y procedimiento de tratamiento de los desechos metalicos que hay que almacenar

La invencion presente se refiere a un horno de induccion, destinado a la fusion de desechos metalicos, asf como a un procedimiento de tratamiento de desechos metalicos de este tipo.

Ciertos desechos metalicos u otros deben almacenarse durante largos perfodos de tiempo en contenedores apropiados, debido a una fraccion peligrosa, contaminada o toxica, que contienen. La fusion preliminar de los desechos es ventajosa con el fin de reducir su volumen. Ademas, permite distribuir los elementos contaminantes mas reducibles que el metal en todo el volumen del lingote que se obtiene finalmente, y transferir los elementos contaminantes mas oxidables que el metal en una escoria de composicion adaptada, si posible a base de oxido. Se obtienen de este modo buenas propiedades de confinamiento, reduciendo la superficie libre del metal expuesta a la corrosion, y de este modo el riesgo de oxidacion futura de los elementos peligrosos.

Los hornos de fusion son de varios tipos. Se usa a menudo el calentamiento por induccion, y un devanado inductor esta dispuesto entonces alrededor de un crisol en el que se vierten los desechos. El inductor produce corrientes electricos de alta intensidad en los desechos y un calentamiento suficiente para la fusion. El crisol debe enfriarse a menudo mediante una circulacion permanente de fluido frfo, normalmente el agua, que ocupa unos conductos acoplados al crisol o taladrados en el crisol. Un ejemplo de un horno de induccion de este tipo se describe en la patente FR-2835620-A.

El disenador se enfrenta a diversas dificultades. El crisol se somete primero a grandes esfuerzos termicos, qufmicos y mecanicos, producidos por el calor del bano fundido, separando sus propiedades corrosivas y las dilataciones diferenciales consecutivas a la menor distancia el bano fundido del circuito de enfriamiento. La cara interior del crisol, que es la mas expuesta a los danos ya que esta banada por el bano fundido, esta constituida a menudo por un revestimiento refractario de ceramica, siendo el resto del crisol metalico, sin embargo, subsisten riesgos de desprendimiento entre el metal y la ceramica, o de desmenuzamiento de la misma, siendo las dilataciones diferenciales particularmente grandes en su interfaz. Cabe protegerse todavfa contra una rotura del crisol, que llevarfa a una mezcla entre el bano fundido y el agua de enfriamiento. Los esfuerzos a los que se somete el crisol pueden conducir a su desgaste precoz o incluso a su rotura, despues a una mezcla arriesgada entre el bano fundido y el agua de enfriamiento.

Cabe protegerse todavfa contra un consumo excesivo de energfa de induccion por una produccion de corrientes parasitas en la pared del crisol. Se suele remediar esto mediante una sectorizacion del crisol, es decir su division en sectores angulares, separados por unas juntas aislantes, pero todavfa aparecen dificultades adicionales en la cara interna del crisol, en la que estas juntas estan expuestas al bano fundido, y los problemas que resultan de las dilataciones diferenciales se empeoran por la multiplicacion de interfaces de diferentes materiales. Una concepcion de este tipo se expone en WO-03/067166-A, en la que los sectores estan revestidos de ceramica, sin que se resuelvan todos los problemas encontrados.

Otras dificultades aparecen durante el procedimiento. El metal fundido puede colarse en una lingotera, al final de la fusion, o progresivamente retirado en forma de un lingote, durante este proceso. Los primeros de estos procedimientos pueden llevar a una mezcla no deseada entre el metal y su escoria durante la colada, mientras que los segundos, que se basan en el uso de crisoles frfos, implican una solidificacion del metal cerca del orificio de extraccion del lingote, y por tanto una gran proximidad entre el metal fundido y el agua de enfriamiento, y peligros incrementados de accidentes consecutivos a una rotura del crisol. En todos los procedimientos, cabe mantener tambien la estanqueidad de la instalacion para evitar la difusion de los vapores producidos con la fusion del metal.

La invencion permite resolver al menos parcialmente estas diferentes dificultades. Se basa ante todo en la necesidad de un procedimiento de fusion seguro, en el que se eliminaran los riesgos de accidentes por derrame y dispersion del bano fundido, durante la fusion, a causa de una rotura del crisol, o durante la colada final. Nos hemos preocupado tambien, concibiendo la invencion, por obtener un crisol con perdidas electricas aceptables y que es, asimismo, robusto y duradero.

Se conservo en primer lugar la concepcion, usual para los tratamientos por fusion de desechos de la energfa nuclear, de un crisol que tiene una envoltura metalica. Las envolturas metalicas no estan sujetas a roturas imprevistas y es facil incorporar en ellas un circuito de enfriamiento, pero las perdidas de energfa electrica por induccion son, en ellas, excesivas, a menos que se construyan en sectores separados por unas juntas aislantes, como se ha visto; pero se debe asegurar la proteccion de las juntas en la proximidad del bano fundido.

Una idea caracterfstica de la invencion ha sido por tanto la de disociar el dispositivo entre la envoltura construida de este modo y un recipiente interior a la envoltura que constituye ahora el crisol. Este ultimo incluye una capa interna refractaria, una capa externa metalica, y en general una capa intermedia. La capa interna asegura el confinamiento de la materia en fusion a pesar de las temperaturas alcanzadas, la capa externa asegura la resistencia mecanica y la cohesion del crisol contra los riesgos de rotura de la materia refractaria, y la capa intermedia se elige para

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absorber las dilataciones termicas diferenciales y de ser posible para proporcionar un aislamiento termico que protege el metal de la capa externa contra calentamientos excesivos. El crisol es continuo en circunferencia, a diferencia de la envoltura, con el fin de garantizar su cohesion y su impermeabilidad. La capa externa se somete entonces a perdidas electricas que podrian ser grandes, pero que son en realidad aceptables e incluso pocas, con la condicion de respetar ciertas reglas de dimensionamiento descubiertas por los inventores. Y el crisol, cuya estructura es simple, puede atribuirse a una carga unica, y servir de recipiente definitivo para esta carga despues de la fusion: se levanta fuera de la envoltura y se transporta, despues se sustituye por un crisol nuevo para la carga siguiente. Desaparece la etapa delicada de colada de los desechos fundidos, y la continuidad de estructura del crisol permanece apreciable para garantizar el confinamiento de los desechos y oponerse a las fugas de radiaciones. Los crisoles llenos se bajan sencillamente en unos recipientes estancos de almacenamiento previstos para ellos. El crisol se monta en la envoltura con un juego que subsiste a todas las temperaturas, ya que la capa externa del crisol y la envoltura son normalmente de metales identicos, o similares en cuanto a los coeficientes de dilatacion.

La division del dispositivo en dos partes encajadas la una en la otra (crisol y envoltura) ya se ha practicado y expuesto en el documento US-7197061-B, en el que no obstante la envoltura y el crisol son ambos de material refractario, lo que se excluye en este documento para aplicaciones que exigen una alta seguridad, y en el documento DE-2243769-A, cuyo contenido es analogo.

La invencion se refiere por tanto, de forma general, a un horno de fusion de desechos metalicos de induccion, de bajo consumo energetico y de alto nivel de seguridad, que comprende un inductor, una envoltura metalica circular dividida en sectores separados por unas capas aislantes de la electricidad, rodeada por el inductor y provista de conductos de fluido de enfriamiento, una solera que se extiende debajo de la envoltura, caracterizado porque comprende un crisol interior a la envoltura y constituido por una pared circular y por un fondo, estando el crisol puesto sobre la solera, rodeado por la envoltura, y separado de la envoltura por un juego, continuo y homogeneo en circunferencia y compuesto por tres capas concentricas de las que una capa interna refractaria, una capa intermedia compuesta por una materia comprimible y una capa externa metalica.

El procedimiento tipico de la invencion, que usa este horno, se caracteriza porque los desechos se dejan hasta su solidificacion en el crisol, despues de haberse vertido y fundido en el mismo, y luego, el crisol se retira y se almacena con los desechos.

La capa interna resiste al calor del bano fundido con la que esta en contacto, la capa externa contribuye a la cohesion del crisol, y la capa intermedia limita las transferencias termicas hacia el exterior. La capa interna debe resistir a la corrosion por el metal liquido durante un periodo de tiempo limitado (de unas horas a unos dias); puede ser de ceramica (a base de carburo de silicio por ejemplo); la capa intermedia puede ser de materia comprimible (con el fin de absorber las dilataciones termicas diferenciales sin tensiones en el crisol), y la capa externa, preferentemente - al igual que la envoltura metalica - de un metal mal conductor de la electricidad, con el fin de reducir en la misma las corrientes inducidas.

La solera puede estar desunida de la envoltura, con el fin de poder bajarse y de descubrir el crisol, despues de la solidificacion, lo que permite retirarlo sin dificultad.

Los diferentes aspectos de la invencion se describiran ahora mas ampliamente con relacion a la Figura unica, que representa una realizacion dada unicamente a titulo ilustrativo.

El dispositivo de fusion comprende un crisol 1 multicapa, que comprende una pared lateral 2 cilindrica y un fondo 3 unido a dicha pared lateral 2. La pared lateral 2 y el fondo 3 comprenden cada uno tres capas que van desde el interior hacia el exterior, y primero una capa interna 4 de material resistente a la corrosion por el metal del bano fundido 20, presente en el crisol 1, mientras dure la operacion, habitualmente de unas horas; este material debe ser poco conductor de la electricidad para no apantallar demasiado el campo electromagnetico inducido, destinado a calentar la carga del crisol. El crisol 1 comprende tambien una capa intermedia 5, como aislante termico, para limitar el flujo termico hacia el exterior; el aislante es un poco comprimible, sin perder sus propiedades de aislamiento termico, para adaptarse a las dilataciones diferenciales entre la capa interna 4 y una capa externa 6 entre las que esta interpuesto; puede tratarse de un fieltro compuesto de fibras refractarias. Para terminar, la capa externa 6 sirve para la delimitacion y para la manipulacion del crisol 1; es metalica, de nuevo de un metal que no es un conductor electrico muy bueno; que no esta en contacto con el metal fundido 20 y que esta a una temperatura menos caliente que la capa interna 4, servira de barrera de confinamiento, en caso de rotura de esta ultima.

El crisol 1 esta colocado en un horno constituido primero por una envoltura 7 circular, que rodea el crisol 1 y mantiene su superficie exterior a una temperatura tan baja como sea posible, de unos cientos de grados. La envoltura 7 es tambien de un metal poco conductor de la electricidad. Con el fin de reducir mas las perdidas de campo magnetico, la envoltura 7 esta dividida ventajosamente en sectores 8, que se extienden en sectores de circulo y separados por unas juntas aislantes 9, como se conoce en la tecnica anterior, lo que suprime casi completamente las corrientes inducidas. El enfriamiento puede asegurarse mediante una circulacion interna de agua, o incluso de aire, por unos canales no representados, excavados en los sectores 8. La potencia perdida en los sectores 8 llega a ser insignificante si el diametro equivalente de cada sector 8 (diametro equivalente D calculado a

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partir de la superficie S de su seccion, D = (4.S/n)0,5) es inferior a la mitad de la profundidad de penetracion P de las corrientes inducidas en el material constitutivo de los sectores (P = 503 (resistividad del material del sector / frecuencia de las corrientes inducidas)0,5). La envoltura 7 asegura el confinamiento del metal fundido en caso de rotura del crisol 1. La envoltura 7 es bien adecuada para la estanqueidad con respecto a los gases producidos por la fusion de la carga del crisol 1, y puede completarse a tal fin con una cubierta, no representada, puesta sobre la misma. Se senala que le crisol 1 no es sin embargo sectorizado sino continuo y homogeneo en su circunferencia, lo que le permite resistir bien al bano fundido.

Un solenoide inductor 10 rodea la envoltura 7; esta alimentado por una corriente alterna y crea el campo electromagnetico de calentamiento de la carga, hasta la licuefaccion.

Se va a desarrollar ahora como el dispositivo esta optimizado en cuanto a la moderacion de las perdidas electricas, esencialmente en la capa externa 6 de la envoltura 7. Para evaluar la frecuencia a partir de la que la potencia perdida en la envoltura 7 es insignificante, unas medidas de resistencia se han efectuado a diferentes frecuencias en una envoltura 7 sectorizada.

La envoltura esta constituida por 32 sectores de diametro equivalente igual a 2,4 cm y de una altura de 40 cm, que forma un cilindro de diametro interior de 33,2 cm. Los sectores 8 estan constituidos de acero inoxidable de una resistividad de 70.10-8 Ohm.m.

Esta envoltura 7 esta rodeada por un inductor 10 de 17 espiras de diametro interior de 38 cm, y de una altura de 30 cm. Su seccion es igual a 50 mm2.

La resistencia de esta envoltura 7 vista por el inductor 10 y por tanto la potencia que se disipa en el mismo se ha medido a diferentes frecuencias y comparado con la resistencia del inductor 10 y por tanto con la potencia disipada en el inductor 10 (tabla 1).

Tabla 1

FRECUENCIA EN Hz

RESISTENCIA DEL INDUCTOR EN m.Q RESISTENCIA DE LA ENVOLTURA EN m.Q RELACION RESISTENCIA DE LA ENVOLTURA SOBRE RESISTENCIA DEL INDUCTOR PROFUNDIDAD DE PENETRACION DE LAS CORRIENTES EN LA ENVOLTURA EN cm

30

6,84 0 0 7,68

50

6,95 0 0 5,95

60

7 0 0 5,43

80

7 0,02 0,003 4,71

100

7 0,06 0,009 4,21

120

6,85 0,12 0,017 3,84

140

6,76 0,18 0,027 3,56

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6,88 0,23 0,033 3,33

180

7,03 0,27 0,038 3,14

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7 0,32 0,045 2,98

400

7 1,10 0,157 2,1

800

7,3 4,74 0,649 1,49

1600

7 18,5 2,643 1,05

Se puede comprobar que la potencia perdida en la envoltura 7 sectorizada llega a ser insignificante (inferior a un 0,3 % de la potencia perdida en el inductor no optimizado) cuando la profundidad de penetracion de las corrientes inducidas es superior a dos veces el diametro equivalente de los sectores.

Un especialista de la induccion habria podido pensar que bastaria con que la profundidad de penetracion de las corrientes inducidas fuera igual al diametro equivalente de los sectores 8 para minimizar las perdidas, ahora bien se comprueba que a 200 Hz (para una profundidad de penetracion de las corrientes inducidas igual a 2,98 cm que hay que comparar con los 2,4 cm de diametro equivalente de los sectores 8) la potencia perdida en la envoltura 7 es aun igual al 4,54 % de la que se pierde en el inductor 10, es decir 15 veces mas alta que a 80 Hz.

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El horno comprende tambien una solera 11 sobre la que se pone el crisol 1. La solera 11 puede estar dividida tambien en sectores 12 con el fin de evitar las perdidas de energia electromagnetica. Unos canales 22 de circulacion de fluido estan excavados en los sectores 12, con el fin de enfriarlos. El crisol 1 esta alojado en la envoltura 7 con juego en frio, es decir antes del inicio del calentamiento o despues del enfriamiento del crisol 1, y la solera 11 esta dispuesta tambien en la envoltura 7 con juego, lo que permite elevarlo y bajarlo a voluntad por un dispositivo cualquiera, para poder hacer salir el crisol 1 de la envoltura 7 por arriba o por debajo. En caliente durante la fusion, este juego se recupera con la dilatacion del crisol 1 que entra en contacto con la envoltura 7, lo que permite mejorar el enfriamiento del crisol 1 y evitar su sobrecalentamiento.

El procedimiento de tratamiento de los desechos es el siguiente. Se vierten primero en el crisol 1, despues el solenoide 10 se pone en marcha para inducir un campo electromagnetico, que induce a su vez corrientes inducidas en la carga, que la calientan hasta licuarla. El bano fundido 20 se mantiene todo el tiempo necesario, despues se deja enfriar hasta solidificarse en un lingote. De manera caracteristica de la invencion, el crisol 1 se saca luego del horno y se almacena con el lingote en un contenedor apropiado. Se evita de este modo una colada del bano fundido 20 o una salida progresiva de un lingote solidificado, y, entre otros, las dificultades consecutivas al mantenimiento de la estanqueidad con respecto a los gases. Un contacto accidental entre el bano fundido 20 y el agua de los conductos de enfriamiento 21 y 22 es extremamente improbable, gracias a la multiplicidad de las capas y a la temperatura mas baja de las capas externas, que reduciria la corrosion y los riesgos de accidentes incluso despues de una rotura de la capa interna 4. El tratamiento de la escoria en la parte superior del bano fundido 20 es facil, en ausencia de movimientos de perturbaciones. Una temperatura bastante elevada puede tolerarse por la capa interna 4, incluso a expensas de una corrosion mas intensa, ya que el crisol 1 es de uso unico y su duracion de funcionamiento es corta (de unas horas a unos dias). La capa interna 4 puede tener por tanto una vida util corta. La capa intermedia 5 limita las perdidas termicas hacia la envoltura 7 y la solera 12 enfriada, lo que permite una menor potencia de calentamiento. Las dilataciones diferenciales producen unas tensiones mucho menos grandes, gracias al juego entre el crisol 1 y la envoltura 7 y a la presencia de la capa intermedia 5 comprimible.

En un modo de realizacion particular, la capa interna 4 era de ceramica, a base de carburo de silicio, de diametro interior 330 mm, de altura 1050 mm y de espesor 25 mm. La capa intermedia 5 era de fibras minerales de espesor de 10 mm y de altura de 1050 mm. La capa externa 6 era de acero inoxidable, de espesor 5 mm y de altura 1050 mm. La envoltura 7 tenia un diametro interior de 412 mm, un espesor de 20 mm y comprendia treinta sectores 8, separados por 3 mm de aislante electrico para las juntas 9, y una altura de 1300 mm. La dilatacion diferencial de la capa externa 6 permitia recuperar el juego de 2 mm entre el crisol 1 y la envoltura 7, para una temperatura de aproximadamente 300°° de esta capa externa 6.

El solenoide 10 tenia un diametro interior de 500 mm y una altura de 500 mm, y estaba alimentado a una frecuencia de aproximadamente 50 Hz. Incluia cinco espiras y era movil en altura para seguir la subida de nivel del bano fundido 20. La profundidad de penetracion de las corrientes inducidas con una frecuencia de este tipo era de 7 cm en el acero inoxidable. Un radio de al menos 10 cm para el bano fundido 20 (en este documento es de 16,5 cm) permitira obtener entonces un buen rendimiento de calentamiento electromagnetico, evitando producir corrientes inducidas antagonistas mas alla del centro del bano fundido 20.

La solera 11 tenia un diametro exterior de 412 mm y se encontraba a aproximadamente 20 mm mas bajo que la parte inferior del solenoide 10. Era de acero inoxidable.

Para una capacidad de fusion del orden de 60 kg a la hora, a aproximadamente 1450 °C, la potencia inductiva necesaria era igual a aproximadamente 230 kW, obtenida aplicando una tension de aproximadamente 45 Voltios, en los bornes del solenoide 10. La potencia termica que hay que evacuar en el inductor era entonces aproximadamente de 68 kW. La potencia termica perdida por efecto Joule en la capa externa 6 del crisol 1 era del orden de 48 kW, lo que es aceptable. La duracion de la operacion de fusion es entonces del orden de 12 horas, lo que es compatible con la resistencia a la corrosion de la ceramica usada.

Se obtienen las ventajas siguientes. Separando el propio crisol de la envoltura metalica exterior, sometida al enfriamiento, las dilataciones diferenciales termicas se reducen tanto en el uno como en la otra. El propio crisol llega a ser una parte sustituible y consumible despues de cada fusion, mientras que la envoltura metalica deja de estar en contacto con el metal fundido y no se somete por tanto a la corrosion. Si el calor del metal fundido es responsable de un accidente, la rotura concierne al crisol, y la envoltura metalica, que alberga los conductos de enfriamiento, permanece completa. La envoltura puede estar dividida en sectores sin inconveniente, ya que la superficie del crisol permanece continua en cuanto a ella. Manteniendo los desechos en el crisol hasta la solidificacion, es posible evacuar los vapores antes de sacar el crisol de la envoltura y de disponer de los desechos solidificados, de modo que la estanqueidad del horno puede mantenerse sin la menor dificultad. Para terminar, es obvio que la extraccion y el almacenamiento del lingote son extremamente faciles, ya que basta con manipular el crisol.

Claims (6)

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   REIVINDICACIONES

   1. Horno de fusion de desechos metalicos de induccion, de bajo consumo energetico y de alto nivel de seguridad, que comprende un inductor (10), una envoltura (7) metalica circular dividida en sectores (8) separados por unas capas aislantes de la electricidad, rodeada por el inductor y provista de unos conductos (21) de fluido de enfriamiento, una solera (11) que se extiende debajo de la envoltura, caracterizado porque comprende un crisol (1) interior a la envoltura (7) y constituido por una pared circular y por un fondo, estando el crisol:

   - puesto sobre la solera (11),

   - rodeado por la envoltura (7),

   - separado de la envoltura por un juego,

   - continuo y homogeneo en circunferencia y

   - compuesto por tres capas concentricas, a saber: una capa interna (4) refractaria, una capa intermedia (5) compuesta por una materia comprimible y una capa externa (6) metalica.
2. 2. Horno de fusion segun la reivindicacion 1, caracterizado porque la capa interna es de ceramica, por ejemplo a base de carburo de silicio.
3. 3. Horno de fusion segun la reivindicacion 1 o 2, caracterizado porque la capa intermedia esta compuesta de una materia aislante termica.
4. 4. Horno de fusion segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque la capa intermedia tiene una estructura fibrosa.
5. 5. Horno de fusion segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los sectores (8) tienen un diametro equivalente (D) inferior a la mitad de una profundidad de penetracion (P) de corrientes inducidas en el material constitutivo.
6. 6. Procedimiento de tratamiento de desechos metalicos que hay que almacenar, en el que se usa un horno segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, vertiendose los desechos en el crisol (1) y poniendose en marcha el inductor (10) para fundir los desechos, caracterizado porque los desechos se dejan hasta su solidificacion en el crisol y luego el crisol (1) se retira y se almacena con los desechos.