ES2854899T3 - Bomba de burbujas mejorada resistente al ataque por aluminio fundido - Google Patents
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Abstract
Una bomba de burbujas que tiene un interior formado a partir de un material que es resistente al ataque por aluminio fundido, estando formada dicha superficie interior por una cerámica, y estando formada el exterior de la bomba de burbujas por tuberías de acero al carbono.
Description
DESCRIPCIÓN
Bomba de burbujas mejorada resistente al ataque por aluminio fundido
Campo de la invención
[0001] La presente invención se refiere a un aparato para el recubrimiento de metal fundido sobre acero. Más específicamente, se refiere a bombas de burbuja utilizadas en baños de metal fundido para eliminar la escoria superficial del metal fundido en la proximidad de la tira de acero que se está recubriendo. Más específicamente, se refiere a la protección del interior de dichas bombas de burbuja del ataque y destrucción por el metal fundido.
Antecedentes de la invención
[0002] El aluminio fundido y el zinc fundido se han utilizado durante años para recubrir la superficie de acero. Una de las etapas del procedimiento de recubrimiento es sumergir la lámina de acero en el aluminio fundido o zinc fundido. La calidad superficial del recubrimiento es muy importante para producir productos recubiertos de alta calidad. Sin embargo, la introducción del acero aluminizado para el mercado estadounidense en 2007 fue todo un desafío para las líneas de aluminizado. Los primeros ensayos resultaron en >50 % de rechazos debido a defectos de recubrimiento.
[0003] Una de las principales fuentes de defectos fue la escoria que flotaba en el baño de aluminio dentro de la embocadura y se pegaba a la tira. Para lograr un acabado superficial de alta calidad, las escorias flotantes y los óxidos en el baño de metal fundido, especialmente en las regiones confinadas dentro de la embocadura, deben desviarse de la superficie que se está recubriendo. La bomba neumática de escoria de acero al carbono, también conocida como bomba de burbujas, se ha utilizado para eliminar la escoria de la zona de recubrimiento. La implementación de bombas de empuje y extracción en la embocadura para garantizar una superficie de fusión sin escoria dentro de la embocadura hizo posible un recubrimiento de alta calidad. La bomba de burbujas (tcc (también conocida como) bomba de escoria)) utiliza la técnica de elevación artificial para elevar un fluido tal como agua o aceite (o en este caso metal fundido) al introducir burbujas de gases comprimidos, aire, vapor de agua u otras burbujas de vapor en el tubo de salida. Esto tiene el efecto de reducir la presión hidrostática en el tubo de salida frente a la presión hidrostática en el lado de entrada del tubo. La bomba de burbujas se utiliza en el baño de metal fundido de las líneas de recubrimiento de metal para eliminar las escorias flotantes de la superficie del baño de aluminización dentro de la embocadura con el fin de evitar defectos relacionados con la escoria en la tira recubierta. Por lo tanto, la bomba de burbujas es un componente crítico del hardware en la producción de lámina aluminizada automotriz de alta calidad.
[0004] Uno de los principales factores que influyen en los costes de producción es la aluminización de las fallas de hardware del crisol. Entre las fallas de hardware destaca la falla de la bomba de burbujas (bomba de extracción). La vida útil media de las bombas de burbujas de acero al carbono es de 8-12 horas, lo que resulta en el uso de 35-40 bombas cada mes (para una producción de 2 semanas). El cambio de las bombas de burbujas de acero al carbono durante la producción conduce a la interrupción de la producción y la contaminación del baño de metal fundido. Además, la «calidad» de la lámina de acero recubierta debe degradarse (lo que resulta en un producto menos valioso) durante los cambios de bomba de acero al carbono. Además, los cambios de bomba requieren paradas de línea y reinicios, lo que conduce al consumo excesivo de bobinas de arranque. Las pérdidas medias atribuibles a las bombas de burbujas están cerca de un millón de dólares estadounidenses por año. Un aumento en la vida útil de la bomba de burbujas reducirá significativamente la cantidad de lámina degradada y reducirá el tiempo de inactividad y los costes.
[0005] Por lo tanto, existe una necesidad en la técnica de bombas de burbujas para su uso en baños de aluminio fundido que pueden durar significativamente más que las bombas de tubo de acero al carbono desnudo.
[0006] Los documentos US 5650 120, US 6 051 183 y US 6 039 917 describen bombas accionadas por burbujas para recircular metal fundido en un baño de dicho metal.
[0007] El documento US 2005/013714 describe componentes para una bomba de metal fundido.
[0008] El documento US2007/0253807 describe una bomba de metal fundido y componentes asociados que permiten que el gas se libere en una corriente de metal fundido.
[0009] El documento JPH11256298 describe un dispositivo de eliminación de escorias en un equipo de galvanización.
Resumen de la invención
[0010] La presente invención es una bomba de burbujas según la reivindicación 1.
[0011] La cerámica puede seleccionarse del grupo que consiste en alúmina, magnesia, silicato, carburo de silicio o grafito, y las mezclas. La cerámica puede ser un refractario fundible unido a fosfato AI2O3 al 85 % libre de
carbono.
[0012] La bomba de burbujas puede formarse a partir de múltiples secciones de tubería unidas entre sí. La bomba de burbujas puede incluir 3 piezas rectas de tubería y 3 piezas de codo de tubería. Las múltiples secciones de tubería pueden unirse entre sí mediante uniones de brida de compresión. Las uniones de brida de compresión pueden comprimir el material cerámico interior de modo que el aluminio fundido no pueda penetrar en la unión. Las uniones de brida de compresión del material interior que es resistente al ataque por aluminio fundido pueden formar una unión macho/hembra de ángulo de 45 grados entre secciones de la bomba de burbujas.
Breve descripción de los dibujos
[0013]
La Figura 1 es un diagrama esquemático, no a escala, de una bomba de burbujas; y
La Figura 2 es una representación esquemática de una sección transversal de la unión entre piezas de la bomba de burbujas.
Descripción detallada de la invención
[0014] Los presentes inventores buscaron desarrollar una manera de mejorar el rendimiento de la bomba y aumentar significativamente la vida útil de las bombas, preferentemente a al menos cinco días. Se realizaron amplias investigaciones de los modos de falla de las bombas de burbujas de acero al carbono. Con base en los resultados, los presentes inventores han desarrollado una bomba de burbujas mejorada con un revestimiento protector de cerámica fundida. Una realización de la bomba mejorada ha durado continuamente hasta 167 horas (~7 días) sin falla, lo que demuestra una gran ventaja de rendimiento sobre las 8 -12 horas de vida útil que normalmente se experimentan con las bombas de acero al carbono en aluminio fundido. Los cambios en el diseño de la bomba y la incorporación de un revestimiento refractario fundido son los factores clave en la mejora.
[0015] La Figura 1 es un diagrama esquemático, no a escala, de una bomba de burbujas. La bomba de burbujas incluye: una parte de entrada vertical 1, un codo 2 que conecta la entrada vertical 1 a una pieza horizontal 3, otro codo 4 conecta la pieza horizontal 3 a una pieza de salida vertical 5, un codo de salida para dirigir el metal saliente, que contiene escoria no deseada, lejos de la zona de recubrimiento del baño de metal. Unida a la pieza de salida vertical 5 hay una línea de entrada de gas 6. La línea 6 se usa para inyectar gas en el metal fundido causando una presión menor en el tramo de salida vertical, lo que da como resultado que el metal fluya hacia abajo en la entrada vertical 1 y hacia arriba/fuera de la salida vertical 5.
Análisis del modo de falla
[0016] La bomba de 5burbujas en forma de U funciona en el crisol a una temperatura de 668 °C (1235 °F). La química de la masa fundida es típicamente Al = 9,5 % de Si “ 2,4 % de Fe. La entrada de la bomba se coloca dentro del baño de aluminio fundido, dentro de la embocadura y la salida se coloca en el exterior de la embocadura. La acción de bombeo se crea burbujeando nitrógeno en el tramo vertical de la bomba en el lado de salida. El nitrógeno a temperatura ambiente se introduce a 40 psi y a velocidades de flujo de ~120 pies cúbicos estándar por hora (scfh, 90 150 scfh). La expansión del nitrógeno crea burbujas que escapan a través de la salida expulsando simultáneamente metal líquido. La expulsión crea una diferencia de presión entre los dos lados de la bomba, generando succión que permite que la escoria fundida y flotante sea aspirada en la entrada. El procedimiento es continuo, permitiendo así la eliminación continua de escoria desde el interior de la embocadura y la expulsión hacia el exterior.
[0017] Hay tres áreas principales de falla en las bombas de burbujas, en orden de gravedad: 1) dentro del cabezal de descarga (codo 6); 2) alrededor de la boquilla de entrada de nitrógeno en sección vertical en el lado de salida (pieza vertical 5); y 3) en el centro de la sección vertical en el lado de entrada (pieza vertical 1). Con el fin de comprender mejor el modo de falla, una bomba regular de acero al carbono que falló después de aproximadamente 12 horas de servicio se dividió a la mitad y se analizó. El análisis muestra que la parte inferior horizontal de la bomba está casi intacta, mientras que las secciones de entrada y salida están gravemente dañadas. Además, la pérdida de material se produce principalmente en el interior de la bomba de burbujas, mientras que el diámetro exterior permanece inalterado. El grado de ataque es diferente en diferentes ubicaciones de la bomba.
Modelado de agua de la bomba de burbujas
[0018] Los inventores creían que la dinámica de fluidos dentro de la bomba afectaba el modo de falla. Sin embargo, los factores de diseño que influyeron en el flujo de fluido no se entendieron bien. Con el fin de investigar la influencia de la turbulencia de fusión, se construyó un pequeño modelo de bomba de burbujas de plexiglás (escala 1:2) y se hizo funcionar en agua. El modelo permitió investigar el efecto de la presión del gas, la posición de entrada, el radio del codo, la orientación y la forma de la salida en el funcionamiento y el rendimiento de la bomba. Se determinaron las características del flujo de agua en la bomba durante el funcionamiento normal y se determinó que
las ubicaciones de corrosión y pérdida de metal observadas en las bombas fallidas corresponden a las ubicaciones de turbulencia dentro del modelo de agua.
Mecanismo de ataque de aluminio
[0019] El mecanismo de pérdida de material en la bomba de acero al carbono se investigó mediante técnicas metalográficas. Hay varias etapas de ataque de aluminio. En los primeros momentos de contacto del aluminio con la bomba, se forma una capa intermetálica dura y quebradiza en la pared interior como resultado de la reacción entre el aluminio líquido y la superficie de acero. Esta capa restringe sustancialmente la difusión de aluminio y hierro a través de ella y limita el ataque adicional al acero. Por lo tanto, la capa intermetálica sirve como un recubrimiento cuasiprotector en el cuerpo metálico. Sin embargo, cada vez que aparecen tensiones mecánicas en la superficie, esta capa quebradiza desarrolla microgrietas y se desprende de la superficie de acero, creando hoyos profundos. Debido a que el fondo del hoyo ya no está protegido por la capa intermetálica, es atacado por la masa fundida hasta que se forma una nueva capa. Este procedimiento se repite mientras las tensiones continúan estando presentes en la superficie del acero y la pérdida de metal continuará aumentando como resultado. Es probable que las tensiones involucradas en el ataque sean el resultado de la turbulencia de fusión e/o impacto de partículas extrañas en ubicaciones susceptibles. Por lo tanto, el procedimiento de ataque puede caracterizarse como erosión dinámica por el aluminio líquido.
[0020] Por lo tanto, la falla de las bombas de burbujas de acero al carbono en servicio es por picadura dinámica y desgaste abrasivo (erosión dinámica). El grado de ataque es diferente en diferentes lugares. La superficie exterior de la bomba, al no estar expuesta a la turbulencia de fusión, sufre menos daños y, por lo tanto, sobrevive en la masa fundida con una protección mínima. El ataque de la masa fundida y la pérdida de metal progresan principalmente desde el interior hacia el exterior.
[0021] Los presentes inventores han determinado que es probable que los recubrimientos que pueden resistir el ataque de aluminio fundido en fundiciones estancadas fallen en condiciones de turbulencia experimentadas en la bomba. Una fuerte adherencia del recubrimiento al cuerpo de la bomba es crucial para la protección en dichas condiciones dinámicas. Los inventores han determinado además que para mejorar el rendimiento de la bomba es necesario aislar la superficie interna de la bomba del aluminio fundido. La capa aislante debe ser adherente, gruesa y continua. Cualquier abertura en la capa protectora podría provocar la falla de la bomba.
Selección de material refractario para revestimiento protector
[0022] Basándose en el conocimiento de la investigación de fallas y el modelado de agua, los presentes inventores desarrollaron una nueva bomba de burbujas. Los requisitos para los materiales de revestimiento protector fueron: 1) materiales no humectantes contra la penetración de aluminio líquido; 2) materiales resistentes a choques térmicos para evitar el precalentamiento; 3) materiales resistentes a la erosión; 4) bajo coste; y 5) flexibilidad de diseño. Para cumplir con los requisitos, se realizó una búsqueda de bibliografía y pruebas de laboratorio. Se seleccionó un refractario fundible unido a fosfato AI203 al 85 % libre de carbono.
Diseño de bomba inventiva
[0023] La forma de la bomba de burbujas de acero al carbono estándar contiene tres secciones de codo de 90 grados. La forma complicada hace que sea muy difícil fundir el revestimiento de cerámica dentro de toda la carcasa sin uniones. Por lo tanto, era necesario cortar la carcasa en varias secciones, fundir cada sección por separado y montar la bomba posteriormente. También es necesario que la unión de cada pieza ensamblada mantenga la integridad durante el uso. Para abordar estos estrictos requisitos, se aplicaron las siguientes ideas al ensamblar la bomba: 1) uniones únicas macho/hembra de ángulo de 45 grados entre secciones de revestimiento refractario; 2) dos uniones de brida para ensamblar las tres piezas de la bomba, permitiendo que las uniones del revestimiento protector cerámico se coloquen bajo compresión; 3) revestimiento cerámico continuo en codos para reducir el ataque de aluminio a través de las uniones; y 4) modificación de brida en el área de salida para poner el revestimiento cerámico bajo compresión.
[0024] La Figura 2 es una representación esquemática de una sección transversal de la unión entre piezas de la bomba de burbujas. La unión consiste en la carcasa de acero al carbono 8 de las bombas de burbujas de la técnica anterior, cada pieza de las cuales está revestida con la cerámica resistente al metal fundido 9. Los extremos de la cerámica 9 que van a colindar entre sí están inclinados en un ángulo de aproximadamente 45 grados para permitir un buen ajuste de compresión. Las partes de la bomba de burbujas se unen entre sí bajo compresión por las uniones de brida 10, utilizando medios de sujeción 11.
[0025] Las uniones de compresión se utilizan para mantener la unión de revestimiento protector bajo compresión para sellar la unión de revestimiento protector contra la penetración de metal fundido. El revestimiento protector puede formarse a partir de cualquier material que sea resistente al ataque por aluminio fundido, tal como materiales humectantes contra metales fundidos. Los ejemplos de los materiales no humectantes son alúmina,
magnesia, silicato, carburo de silicio o grafito, y las mezclas de estos materiales cerámicos.
Ċ
Claims (8)
1. Una bomba de burbujas que tiene un interior formado a partir de un material que es resistente al ataque por aluminio fundido, estando formada dicha superficie interior por una cerámica, y estando formada el exterior de la bomba de burbujas por tuberías de acero al carbono.
2. La bomba de burbujas de la reivindicación 1, donde dicha superficie interior se forma a partir de una cerámica seleccionada del grupo que consiste en alúmina, magnesia, silicato, carburo de silicio o grafito, y las mezclas.
3. La bomba de burbujas de la reivindicación 1, donde dicha cerámica es un refractario fundible unido al fosfato AI203 al 85 % libre de carbono.
4. La bomba de burbujas de la reivindicación 1, donde dicha bomba se forma a partir de múltiples secciones de tubería unidas entre sí.
5. La bomba de burbujas de la reivindicación 4, donde las múltiples secciones de tubería incluyen 3 piezas rectas y 3 piezas de codo.
6. La bomba de burbujas de la reivindicación 4, donde las múltiples secciones de tubería están unidas entre sí por uniones de brida de compresión.
7. La bomba de burbujas de la reivindicación 6, donde dichas uniones de compresión de brida comprimen el material cerámico interior de modo que el aluminio fundido no pueda penetrar la unión.
8. La bomba de burbujas de la reivindicación 7, donde dichas uniones de compresión de brida del material interior que es resistente al ataque por aluminio fundido forman una unión macho/hembra de ángulo de 45 grados entre secciones de la bomba de burbujas.
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