ES2715328T3 - Dispositivo de transferencia de metal - Google Patents

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Abstract

Un dispositivo de transferencia de metal que comprende: a. un cuerpo del canal de colada que comprende un recipiente para recibir el metal líquido, b. un calentador para calentar el cuerpo del canal, c. una capa de relleno entre el cuerpo del canal y el calentador, dicha capa de relleno comprende un material refractario de colada que tiene una conductividad térmica de al menos 3 W/m.K, y d. un detector para detectar fugas de metal líquido del cuerpo del canal, en donde el detector comprende un elemento conductor de la electricidad y se incorpora dentro de la capa de relleno, adyacente a una superficie exterior del cuerpo del canal.

Description

DESCRIPCION
Dispositivo de transferencia de metal
La presente invencion se refiere a un dispositivo de transferencia de metal para transferir metales Kquidos y en particular, pero no exclusivamente, para transferir metales tales como el aluminio, el zinc y las aleaciones de estos y otros metales no ferrosos.
Los dispositivos de transferencia de metal conocidos como "lavadores" se usan ampliamente en plantas de refinacion y procesamiento de metales para transferir un metal lfquido, por ejemplo, de un horno a un molde. Un lavador tfpico comprende un canal fabricado de un material refractario, a traves del cual el metal fluye bajo la influencia de la gravedad.
Los lavadores pueden calentarse o no calentarse. Los lavadores calentados se prefieren para ciertas aplicaciones, ya que ayudan a mantener la temperatura del metal mientras se transfiere. El precalentamiento del lavador reduce ademas el choque termico en el material refractario cuando se introduce el metal lfquido, reduciendo de esta manera el riesgo de agrietamiento.
Un ejemplo de un lavador calentado se describe en la solicitud de Patente de los Estados Unidos con numero de publicacion 2010/0109210 A1. Este dispositivo incluye un cuerpo del canal para transportar el metal lfquido, un elemento de calentamiento ubicado adyacente al cuerpo del canal, una capa aislante y una carcasa exterior definida por una parte inferior y dos paredes laterales. El cuerpo del canal se hace de un material refractario de colada conductor termico, que permite que el calor se transfiera desde los elementos de calentamiento hacia el metal lfquido. La conductividad termica de esta capa depende del material refractario a partir del cual se fabrica, que esta en el intervalo de aproximadamente 9 a 11 W/m.K para refractarios a base de carburo de silicio, pero solamente de aproximadamente 1,5 a aproximadamente 1,9 W/m.K para refractarios a base de alumina. Como resultado, se limita la eficiencia de la transferencia de calor, particularmente cuando se usan refractarios a base de alumina.
Otro problema es que, si el cuerpo del canal se agrieta, puede ser posible que el metal lfquido se fugue hacia los elementos de calentamiento, que podnan danarse por el contacto con el metal lfquido.
Un objetivo de la presente invencion es proporcionar un dispositivo de transferencia de metal que mitigue al menos una de las desventajas mencionadas anteriormente.
De acuerdo con la presente invencion , se proporciona un dispositivo de transferencia de metal que incluye un cuerpo del canal de colada que comprende un recipiente para recibir metal lfquido, un calentador para calentar el cuerpo del canal, una capa de relleno entre el cuerpo del canal y el calentador, dicha capa de relleno comprende un material refractario de colada que tiene una conductividad termica de al menos 3 W/m.K, y un detector para detectar fugas de metal lfquido del cuerpo del canal, en donde el detector comprende un elemento conductor de la electricidad y se incorpora dentro de la capa de relleno, adyacente a una superficie exterior del cuerpo del canal. Este detector puede usarse para alertar a un operador de una fuga, quien entonces puede tomar las medidas para reparar la fuga antes de que el metal que se fuga provoque un dano sustancial al calentador u otros componentes no sacrificables del dispositivo.
La capa de relleno asegura la transferencia de calor eficiente desde el calentador hacia el cuerpo del canal. Esta tambien permite el uso de diferentes materiales para el cuerpo del canal, de acuerdo con la aplicacion que se le dara al dispositivo de transferencia de metal. Por ejemplo, el material del cuerpo del canal puede seleccionarse para proporcionar alta conductividad termica, alta resistencia al choque termico o alta resistencia al desgaste. El dispositivo puede usarse, por lo tanto, con una variedad de metales diferentes en numerosas aplicaciones diferentes.
La capa de relleno proporciona una barrera para el metal que se fuga, lo que evita que alcance el calentador y otros componentes no sacrificables del dispositivo de transferencia de metal, en el caso de que el cuerpo del canal desarrolle una fuga.
Ventajosamente, el material refractario de colada de la capa de relleno tiene una conductividad termica de al menos 5 W/m.K, con mayor preferencia de al menos 7 W/m.K
En una modalidad preferida, el material refractario de colada de la capa de relleno se basa en carburo de silicio. Preferentemente, el material de relleno tiene una alta proporcion de carburo de silicio, por ejemplo, mas del 75 % en peso. Este tambien puede incluir otros materiales como la alumina y/o finos de metal para aumentar la conductividad termica. En una modalidad preferida, la capa de relleno es un refractario de colada relleno en una deshornadora.
El dispositivo de transferencia de metal puede incluir una carcasa metalica entre la capa de relleno y el calentador. La carcasa metalica proporciona una barrera adicional para el metal que se fuga, lo que evita que alcance el calentador y otros componentes no sacrificables del dispositivo de transferencia de metal, en el caso de que el cuerpo del canal desarrolle una fuga. Esta tambien es compatible con el cuerpo del canal y la capa de relleno.
La carcasa metalica y cualquier componente del dispositivo ubicado en el interior de la carcasa pueden construirse y disponerse de manera que puedan separarse de cualquier componente del dispositivo ubicado en el exterior de la carcasa. Esto les permite ser reemplazados facilmente.
El dispositivo de transferencia de metal incluye, preferentemente, una carcasa exterior ubicada en el exterior del calentador.
El dispositivo de transferencia de metal incluye, preferentemente, una capa aislante ubicada entre el calentador y la carcasa exterior.
El dispositivo de transferencia de metal incluye, preferentemente, un espacio vado entre la capa aislante y la carcasa exterior. Esto permite ajustar la posicion del calentador o los calentadores y permite eliminar o reemplazar el canal y la capa de relleno.
El dispositivo de transferencia de metal incluye, preferentemente, un recubrimiento superior. El dispositivo incluye, preferentemente, una capa aislante ubicada debajo del recubrimiento superior.
Ciertas modalidades de la invencion se describiran ahora a manera de ejemplo con referencia a las figuras acompanantes, en las cuales:
la Figura 1 es una vista en seccion transversal a traves de un dispositivo de transferencia de metal; y
la Figura 2 es una vista isometrica de un cuerpo del canal, que comprende parte del dispositivo de transferencia de metal de la Figura 1, y
la Figura 3 es una vista isometrica de un cuerpo del canal, de acuerdo con una segunda modalidad de la invencion.
El dispositivo de transferencia de metal 1 mostrado en las Figuras 1 y 2 comprende un lavador: es decir, este consiste en un canal a traves del cual puede verterse el metal lfquido, por ejemplo, de un horno a un molde. El dispositivo es alargado y tiene una seccion transversal sustancialmente uniforme como se muestra en la Figura 1.
El dispositivo de transferencia de metal 1 incluye un cuerpo del canal 2 que comprende un recipiente con la forma de un canal en forma de U para recibir el metal lfquido. El cuerpo del canal 2 define un canal sin cubierta 3 para contener el metal lfquido a medida que fluye a traves del dispositivo. El cuerpo del canal 2 se hace, preferentemente, de un material refractario de colada. Por ejemplo, el cuerpo del canal puede hacerse de sflice fundida (SiO2) o alumina (Al2O3), de acuerdo con la aplicacion para la cual se desea el dispositivo.
El cuerpo del canal 2 se ubica centralmente dentro de una carcasa metalica 4 en forma de U que se hace, por ejemplo, de acero inoxidable. La carcasa 4 es mas ancha y profunda que el cuerpo del canal 2, dejando un espacio alrededor de los lados y la base del cuerpo. Este espacio, preferentemente, se rellena en una deshornadora con un material refractario de colada y conductor termico que forma una capa de relleno 6. La capa de relleno 6 se fabrica, preferentemente, de un material refractario de colada y tiene una alta conductividad termica: es decir, una conductividad termica de al menos 3 W/m.K, preferentemente al menos 5 W/m.K y con mayor preferencia al menos 6,5 W/m.K.
Por ejemplo, el material de relleno puede ser Pyrocast™ SCM-2600 vendido por Pyrotek, Inc. Este es un refractario de colada a base de carburo de silicio de alta pureza con bajo contenido de cemento. Tiene una conductividad termica de 7,19 W/m.K a 816 °C.
Mas generalmente, el material de relleno puede ser refractario de colada a base de carburo de silicio con un alto porcentaje de carburo de silicio, por ejemplo, de aproximadamente un 80 % del peso en carburo de silicio. El refractario tambien puede contener otros materiales como finos metalicos para incrementar la conductividad termica.
Tambien pueden usarse otros materiales como el nitruro de aluminio, ya sea como el componente principal del material de relleno o incluido como un componente adicional dentro de un refractario basado en carburo de silicio. El nitruro de aluminio tiene una conductividad termica extremadamente alta, pero es muy costoso y por lo tanto su uso debe limitarse solamente a las aplicaciones mas exigentes.
Los materiales que tienen una conductividad termica ligeramente menor, tales como alumina y nitruro de silicio, pueden usarse ademas en aplicaciones menos exigentes.
Un detector 8 para detectar la fuga de metal lfquido desde el cuerpo del canal 2 se proporciona adyacente a una superficie exterior del cuerpo del canal 2. El detector comprende un conductor electrico, por ejemplo, un alambre, que se incorpora dentro de la capa de relleno 6 en la superficie del cuerpo del canal 2. El alambre detector 8 se enrolla hacia atras y hacia adelante sustancialmente sobre toda la superficie exterior del cuerpo del canal, de manera que pueda detectarse una fuga en cualquier parte del canal.
Cualquier patron de enrollado adecuado puede usarse, siempre y cuando el alambre detector 8 no se cruce sobre sf y la separacion entre las partes adyacentes del alambre sea razonablemente pequena (por ejemplo, aproximadamente de 1 a 5 cm). En la modalidad de la Figura 2, los cordones del alambre 8 corren hacia atras y hacia adelante a lo largo de la longitud del cuerpo del canal 2, cubriendo primero un lado, luego la base y finalmente el otro lado. En la modalidad alternativa de la Figura 3, el alambre 8 se extiende por un lado a traves de la base y por el otro lado antes de regresar en la direccion opuesta. En ambos ejemplos, un extremo 10 del alambre se extiende hacia arriba por encima del borde superior del cuerpo del canal 2, de manera que puede conectarse a un dispositivo detector externo 12. El otro extremo del alambre (no mostrado) se incorpora dentro de la capa de relleno 6.
El cuerpo del canal 2, la carcasa metalica 4, la capa de relleno 6 y el alambre detector 8 juntos comprenden una estructura unitaria que puede separarse de las otras partes del dispositivo de transferencia de metal, que se describen a continuacion. Esta estructura unitaria, que se referenciara en la presente descripcion como un cartucho del canal 13, puede hacerse y venderse de manera separada como un componente reemplazable del dispositivo de transferencia de metal.
El cartucho del canal 13 puede fabricarse de la siguiente manera. Primero, el cuerpo del canal 2 se forma o moldea en el "estado verde" a partir de un material refractario de colada adecuado, y luego se hornea a una temperatura elevada para producir una estructura dura similar a la ceramica que tiene la forma deseada. Luego el alambre detector 8 se une a la superficie exterior del cuerpo del canal 2 con el patron de enrollado elegido, por ejemplo, mediante el uso de cinta adhesiva.
A continuacion, los extremos de la carcasa metalica 4 se sellan mediante el uso de placas a prueba de calor. Un material refractario de colada se vierte en la carcasa 4 para formar la parte de base de la capa de relleno 6. El cuerpo del canal 2 con el alambre detector 8 unido, se asienta en esta capa de material de relleno, de modo que su borde superior este a nivel con el borde superior de la carcasa 4. Luego, se coloca mas material de relleno entre los lados del cuerpo del canal 2 y los lados de la carcasa 4 para rellenar el espacio restante. Pueden aplicarse vibraciones de presion y/o mecanicas para compactar la capa de relleno, que luego queda establecida. Luego, este ensamble se cuece para expulsar el agua restante.
Durante la coccion, la cinta adhesiva que sujeta el alambre detector 8 al cuerpo del canal 2 se quema, dejando el alambre incorporado en la capa de relleno 6, adyacente a la cara exterior del cuerpo del canal 2.
La parte exterior 14 del dispositivo de transferencia de metal incluye una carcasa exterior de metal 15, la cual se hace, por ejemplo, de acero y comprende una base 15a y dos paredes laterales 15b que forman un canal en forma de U. Una capa base 16 del material aislante termico, por ejemplo, una placa de fibra de baja densidad rellena la parte inferior de este canal y soporta el cartucho del canal 13.
Montado dentro de la carcasa 15, adyacente a los lados del cartucho del canal 13 hay un par de paneles calentadores 18, cada uno que comprende un elemento de calentamiento electrico incorporado dentro de una matriz de soporte de ceramica. Estos paneles calentadores 18 pueden moverse horizontalmente dentro de la carcasa 15 hacia o lejos del cartucho del canal 13 y pueden sujetarse en la posicion elegida. Durante el uso operacional, los paneles calentadores 18 se ubican contra la carcasa metalica 4 del cartucho del canal 13, para asegurar la transferencia de calor eficiente desde los paneles calentadores a traves de la carcasa 4 y la capa de relleno 6 conductora termica hasta el cuerpo del canal 2. Los paneles calentadores 18 pueden moverse ademas lejos del cartucho del canal 13, para permitir la eliminacion y el reemplazo del cartucho del canal 13 si este se desgasta o dana.
Cada panel calentador 18 incluye en su cara exterior una capa aislante 20 de un material aislante termico adecuado, por ejemplo, una placa de fibra de baja densidad. Un espacio vacfo 22 se proporciona entre la capa aislante 20 y la pared lateral adyacente 15b de la carcasa para permitir el desplazamiento lateral del panel calentador 18, y ademas para reducir la transferencia de calor a la carcasa 15. Las partes superiores del cartucho del canal 13, la carcasa 15 y los paneles calentadores 18 se cubren por un par de placas superiores 24 de acero, cada placa superior 24 que se afsla termicamente por una capa superior de material aislante 26, por ejemplo, una manta de fibra de ceramica o una placa de fibra de baja densidad. Las placas superiores 24 pueden eliminarse o unirse a la carcasa mediante bisagras, de manera que pueden eliminarse o reubicarse para permitir el acceso al interior del dispositivo de transferencia de metal, por ejemplo, para la eliminacion y reemplazo del cartucho del canal 13 o el ajuste o mantenimiento de los paneles de calentamiento 18.
Un sistema de lavado completo consta de un numero de dispositivos de transferencia de metales individuales como se describio anteriormente, que se unen extremo a extremo para formar un canal continuo 3 a traves del cual puede fluir un metal lfquido. Antes de verter el metal lfquido, cada dispositivo de transferencia de metal 1 se precalienta mediante el suministro de corriente electrica a los paneles calentadores 18, de manera que el cuerpo del canal 2 alcanza una temperatura deseada. Normalmente, esta temperatura estara cerca de la temperatura del metal lfquido, de manera que el cuerpo del canal 2 experimenta poco o ningun choque termico cuando se vierte el metal. El precalentamiento del dispositivo de transferencia de metal 1 asegura ademas que el metal lfquido pierda poco calor o ninguno a medida que fluye a traves del dispositivo. La alta conductividad termica de la capa de relleno 6 asegura una transferencia de calor eficiente desde los paneles calentadores 18 hasta el cuerpo del canal 2.
El dispositivo de transferencia de metal 1 se desea principalmente, pero no exclusivamente, para su uso con metales no ferrosos, por ejemplo, aluminio o zinc y aleaciones de estos y otros metales no ferrosos. Sin embargo, puede usarse ademas para metales ferrosos, por ejemplo, acero.
Si el dispositivo se desea para su uso con aleaciones de aluminio o zinc, el cuerpo del canal 2 puede hacerse, por ejemplo, de un material refractario a base de dioxido de silicio (dioxido de silicio fundido), el cual tiene un coeficiente de expansion termica muy bajo y por lo tanto es resistente al choque termico. Esto lo hace particularmente adecuado para su uso en aplicaciones donde los calentadores se encienden y apagan frecuentemente.
Si van a usarse aleaciones mas agresivas, tales como esas que contienen litio o magnesio, el silicio fundido puede ser un material inadecuado para el cuerpo del canal 2, ya que este se reduce (erosiona) muy rapido por estos metales. Para estas aplicaciones, puede usarse, preferentemente, un material refractario a base de alumina (oxido de aluminio), el cual es inerte y por lo tanto tiene mucha mayor resistencia a la erosion. Normalmente, la alumina no se considerana para su uso como un material del cuerpo del canal ya que tiene un coeficiente de expansion termica mayor y, por lo tanto, es mas vulnerable al choque termico. Sin embargo, en la presente invencion el riesgo de choque termico se reduce grandemente por la posibilidad de precalentamiento del dispositivo.
Para las aplicaciones en las que la temperatura del metal tiene que controlarse activamente, por ejemplo, en operaciones de colada continua, puede ser preferente usar un material refractario a base de carburo de silicio para el cuerpo del canal, ya que este tiene una conductividad termica muy alta, lo que asegura una transferencia de calor eficiente desde los calentadores.
En cada una de estas aplicaciones el material de relleno debena tener una alta conductividad termica para asegurar una transferencia de calor eficiente. Un material refractario a base de carburo de silicio es una opcion adecuada para la mayona de las aplicaciones.
A pesar de las ventajas proporcionadas por el precalentamiento del dispositivo, es posible que con el tiempo el cuerpo del canal 2 pueda agrietarse o debilitarse, lo que permite al metal lfquido fugarse desde el canal 3 hacia los paneles de calentamiento 18 (ya que hay una tendencia para el metal lfquido de fluir hacia la fuente de calor). Sin embargo, tan pronto como el metal lfquido alcance el alambre detector 8 en la interfaz del cuerpo del canal 2 y la capa de relleno 6, se conectara electricamente el alambre 8 a la tierra (el metal lfquido estara conectado a tierra electricamente). La unidad detectora 12 se disena para aplicar una pequena tension al alambre detector 8 y detecta una corriente cuando el alambre se conecta a tierra. Entonces se genera una senal de alarma para alertar al operador de que se ha detectado una fuga.
Ademas, si se produce una fuga, se evita que el metal que se fuga alcance los paneles calentadores 18, primero por la capa de relleno 6 y luego por la carcasa metalica 4. Por lo tanto, se reduce grandemente el riesgo de danar las partes externas del dispositivo de transferencia de metal 1.
Una vez que se ha detectado una fuga, el cartucho del canal 13 en la seccion de fugas del sistema de lavado puede eliminarse y reemplazarse facilmente sin tener que reemplazar las partes externas del dispositivo de transferencia de metal 1.
Aunque la invencion se ha descrito en gran parte en relacion con su uso como un sistema de lavado, se entendera facilmente que lo esencial del diseno y la configuracion ffsica del dispositivo pueden aplicarse facilmente a otros dispositivos que manejan metal lfquido, tales como contenedores, crisoles y filtros.

Claims (10)

Reivindicaciones
1. Un dispositivo de transferencia de metal que comprende:
a. un cuerpo del canal de colada que comprende un recipiente para recibir el metal lfquido,
b. un calentador para calentar el cuerpo del canal,
c. una capa de relleno entre el cuerpo del canal y el calentador, dicha capa de relleno comprende un material refractario de colada que tiene una conductividad termica de al menos 3 W/m.K, y
d. un detector para detectar fugas de metal lfquido del cuerpo del canal, en donde el detector comprende un elemento conductor de la electricidad y se incorpora dentro de la capa de relleno, adyacente a una superficie exterior del cuerpo del canal.
2. Un dispositivo de transferencia de metal, de acuerdo con la reivindicacion 1, en donde el material refractario de colada de la capa de relleno tiene una conductividad termica de al menos 5 W/m.K, con mayor preferencia al menos 7 W/m.K.
3. Un dispositivo de transferencia de metal, de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el material refractario de colada de la capa de relleno se basa en carburo de silicio.
4. Un dispositivo de transferencia de metal, de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que incluye una carcasa metalica entre la capa de relleno y el calentador.
5. Un dispositivo de transferencia de metal, de acuerdo con la reivindicacion 4, en donde la carcasa metalica y cualquier componente del dispositivo ubicado en el interior de la carcasa se construyen y se disponen para poder separarse de cualquier componente del dispositivo ubicado en el exterior de la carcasa.
6. Un dispositivo de transferencia de metal, de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que incluye una carcasa exterior ubicada en el exterior del calentador.
7. El dispositivo de transferencia de metal, de acuerdo con la reivindicacion 6, incluye una capa aislante ubicada entre el calentador y la carcasa exterior.
8. Un dispositivo de transferencia de metal, de acuerdo con la reivindicacion 7, que incluye un espacio vacfo entre la capa aislante y la carcasa exterior.
9. Un dispositivo de transferencia de metal, de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que incluye un recubrimiento superior.
10. Un dispositivo de transferencia de metal, de acuerdo con la reivindicacion 9, que incluye una capa aislante ubicada debajo del recubrimiento superior.
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