ES2902376T3 - Caja enfriada por agua para un horno de fabricación de metales - Google Patents

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Kenneth W Geibel
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    • F27D2009/0062—Use of high thermoconductive elements made from copper or copper alloy

Abstract

Una caja enfriada por agua (1) para su uso en un horno de fabricación de metales (2), la caja enfriada por agua (1) que comprende: una carcasa exterior (10) que tiene una sección transversal sustancialmente en forma de U, una superficie interior (11) y al menos un paso de conducto (14); una carcasa interior (20) que tiene una sección transversal sustancialmente en forma de U, una superficie interior (21), una pluralidad de deflectores de agua (23), al menos un paso de conducto (24) y al menos un reborde de montaje (13a, 13b); en donde la carcasa exterior (10) se compone principalmente de un metal que tiene una conductividad térmica más alta que la de un metal que comprende principalmente la carcasa interior (20); en donde la carcasa exterior (10) y la carcasa interior (20) están unidas en al menos un reborde de montaje (13a, 13b), definiendo así una cámara (30) a través de la cual fluye el agua a lo largo de un trayecto definido por los deflectores de agua (23), la superficie interior de la carcasa exterior (11) y la superficie interior de la carcasa interior (21); y en donde el al menos un paso de conducto de la carcasa interior (24) o la carcasa exterior (14) comprende una junta flexible (40, 42, 50a, 52a).

Description

DESCRIPCIÓN
Caja enfriada por agua para un horno de fabricación de metales
Campo de la invención
Esta tecnología se refiere a cajas enfriadas por agua que se instalan en una pared lateral de un horno de fabricación de metales con el propósito general de alojar y proteger varios implementos utilizados para afectar el contenido (es decir, un baño de metal fundido) del horno.
Antecedentes de la invención
Los hornos de fabricación de metales funcionan en condiciones severas. Por ejemplo, se ejercen grandes tensiones mecánicas, particularmente en los recipientes de los hornos, cuando se vierten desde arriba grandes cantidades de chatarra de metal que pesan muchas toneladas en el recipiente. La tensión mecánica se agrava aún más al inclinar el recipiente para verter el metal fundido. Aún más significativamente, los hornos de fabricación de metales están expuestos a condiciones térmicas extremadamente estresantes. La temperatura alrededor de los electrodos en un horno de arco eléctrico ("EAF") puede alcanzar los 6000 grados Celsius ("°C"), o aproximadamente 11 000 grados Fahrenheit ("°F"). Además, el horno debe soportar grandes y frecuentes fluctuaciones de temperatura, ya que un horno EAF puede reciclarse (es decir, llenarse con chatarra, escurrir la masa fundida y llenarse y prepararse para volver a llenarse con chatarra) más de una vez por hora.
Hasta principios de la década de 1970, los fabricantes de hornos industriales para la fabricación de metales intentaron proteger la carcasa exterior de acero del horno de las condiciones extremas recubriendo completamente la pared de la carcasa con ladrillo refractario. El ladrillo refractario por sí solo estaba sujeto a un desgaste considerable que resultó en interrupciones periódicas del horno que disminuyeron la producción y causaron gastos considerables. A mediados de la década de 1970, se introdujeron paneles tipo caja enfriados por agua y otros paneles de varios diseños para reemplazar el ladrillo refractario en partes del recipiente del horno fuera de la zona de fusión donde el metal fundido está contenido en el recipiente del horno. La presente invención se refiere a mejoras de estas cajas enfriadas por agua para hornos de fabricación de metales.
Se conocen numerosos tipos de cajas enfriadas por agua. Por lo general, estas comprenden un recinto metálico que incluye generalmente, pero no se limita a, la forma de una pirámide truncada en su mayor parte de sección transversal rectangular. El interior del recinto se dispone típicamente para tener una entrada y una salida para el agua de enfriamiento que circula a través del recinto con el fin de enfriar la caja. En vista de su forma general de "caja" y el agua de enfriamiento que circula, estos dispositivos se denominan comúnmente "cajas de enfriamiento". Los hornos de fabricación de metales de la técnica anterior tienen aberturas en la pared del recipiente del horno para alojar estas cajas de enfriamiento. Las cajas de enfriamiento están montadas en las aberturas, por lo que las cajas generalmente se extienden hacia el interior hacia el diámetro interior de la pared del recipiente. Las cajas típicamente comprenden además una punta que, cuando la caja se monta en la pared, se proporciona típicamente en una orientación que se orienta y está próxima al metal fundido en el recipiente. Además, la punta de la caja generalmente está ubicada de tal manera que aloje un dispositivo, como un quemador, una lanza o un dispositivo de inyección de material (es decir, carbón o cal), más cerca del baño de metal para aumentar la eficiencia del proceso de fusión o inyección, según sea el caso. Cuanto más cerca esté la inyección del baño, más profundamente penetrará el calor, el oxígeno o el material en el baño. Esta construcción es ventajosa porque, por ejemplo, una ubicación más cercana del dispositivo de inyección con respecto al baño de metal fundido reduce la cantidad de material inyectado que de otro modo se pierde por una corriente de aire por un orificio de escape superior del horno. El documento EP 3480543 A2 divulga un alojamiento para un quemador auxiliar utilizado en la fusión, refinación y procesamiento de metales, por ejemplo, la fabricación de acero en un horno de arco eléctrico (EAF) o un alto horno, que comprende un cartucho interno con una pluralidad de puertos y fabricado de un primer material, y un alojamiento externo fabricado de un segundo material. El documento GB 1451 601 A divulga un quemador de combustible que comprende un conducto de aire de enfriamiento formado en un espacio entre un tubo interior y un tubo exterior fabricado de materiales resistentes a altas temperaturas, el documento US 7824 604 B2 divulga un panel de quemador de horno ahusado que se extiende alejándose de una pared del horno y que tiene una pluralidad de ranuras en forma de v.
Algunas de las cajas de enfriamiento conocidas están fabricadas de acero, de modo que son fáciles de fabricar y pueden soldarse sin dificultad sustancial. Además, las cajas de enfriamiento compuestas de acero son relativamente económicas. Sin embargo, la vida útil de las cajas de acero es corta debido a la baja conductividad térmica del acero, lo que permite que se sobrecaliente y finalmente se deteriore por medio del agrietamiento térmico. Una consecuencia del agrietamiento térmico es la posibilidad de que se permita que el agua de enfriamiento se filtre hacia la masa fundida, lo que puede provocar una explosión.
Otras cajas de enfriamiento de la técnica anterior están fabricadas de cobre o aleación de cobre, que se benefician de la alta conductividad térmica del metal. La principal desventaja de la caja completamente de cobre es el precio muy alto debido al costo del material. Muchas de estas cajas son fabricaciones soldadas por tapones o bloques monolíticos fundidos con juntas frecuentes entre los lados expuestos (es decir, frente a la masa fundida) y los lados no expuestos. Las caras de cobre de la caja que están expuestas al alto calor del horno se expandirán significativamente, en comparación con las caras de cobre que de otra manera no están expuestas al calor del horno. Este crecimiento térmico provoca una tensión mecánica significativa en las ubicaciones de las juntas en la caja. Una consecuencia de la tensión térmica es el agrietamiento térmico, que puede permitir la fuga del agua de enfriamiento en el lote de metal fundido del horno y provocar una explosión.
Por lo tanto, existe una necesidad no satisfecha hasta ahora en la técnica de una caja enfriada por agua novedosa que solucione las desventajas mencionadas anteriormente de las cajas de enfriamiento de la técnica anterior.
Resumen de la invención
La presente invención comprende una caja enfriada por agua para su instalación en un horno de fabricación de metales, en donde la caja puede alojar las tensiones térmicas inherentes al proceso de fabricación de metales sin agrietarse, mientras que también tiene un costo de fabricación que es significativamente menor que el de una caja cobre principalmente.
La presente invención proporciona cajas enfriadas por agua como se define en las reivindicaciones adjuntas. Una caja enfriada por agua preferida según la presente invención comprende una caja enfriada por agua para un horno de fabricación de metales, la caja enfriada por agua que comprende: (i) una carcasa exterior de cobre preferiblemente en forma de U; (ii) un revestimiento de carcasa interior de acero preferiblemente en forma de U; (iii) la carcasa y el revestimiento se sueldan entre sí para formar una cámara a través de la cual pasa el agua de enfriamiento; (iv) al menos una conexión de agua de entrada y una de salida a la cámara; (v) uno o más pasos de conductos entre la carcasa de cobre y la carcasa de acero para montar los dispositivos utilizados para acceder al baño de metal; (vi) una junta flexible donde el paso de conducto está unido a una de las carcasas; (vii) la carcasa de cobre comprende además barras de escoria para la retención de escoria sobre la carcasa de cobre; (viii) la carcasa de acero comprende además un reborde para montar la caja enfriada por agua en una pared del horno; y (ix) la cámara entre la carcasa de cobre y la carcasa de acero que comprende deflectores de agua para dirigir el flujo de agua en la cámara en una trayectoria serpenteante para un enfriamiento constante de la carcasa exterior de cobre de la caja enfriada por agua que está expuesta al calor del horno.
La junta flexible puede estar compuesta por una junta flexible de diafragma, que es preferiblemente uno o más diafragmas metálicos delgados de alta resistencia que reducen la restricción tanto en la dirección radial como axial de los pasos de conductos.
La junta flexible puede estar compuesta por una o más latas delgadas de alta resistencia que permiten la deformación en la lata de alta resistencia que reduce la restricción en los pasos de conductos.
La junta flexible puede estar compuesta por un fuelle con una o más circunvoluciones de fuelle que reducen la restricción en las direcciones radial y axial entre la carcasa de cobre y la carcasa de acero.
La junta flexible puede estar compuesta por un reborde adelgazado en el lado orientado hacia el baño de la carcasa exterior o en el lado orientado hacia la carcasa interior de la carcasa exterior, la junta flexible reduce la restricción radial entre las carcasas.
Uno de los beneficios de la presente invención es la capacidad de separar y reemplazar el armazón exterior o el interior si uno de los armazones se desgasta o daña. La conservación y reutilización de la carcasa no dañada proporciona un beneficio económico significativo sobre las cajas tradicionales enfriadas por agua.
Específicamente, la presente invención comprende:
una caja enfriada por agua para su uso en un horno de fabricación de metales, la caja enfriada por agua que comprende:
una carcasa exterior que tiene una sección transversal sustancialmente en forma de U, una superficie interior y al menos un paso de conducto;
una carcasa interior que tiene una sección transversal sustancialmente en forma de U, una superficie interior, una pluralidad de deflectores de agua, al menos un paso de conducto y al menos un reborde de montaje; en donde la carcasa exterior está compuesta principalmente por un metal que tiene una conductividad térmica más alta que la de un metal que comprende principalmente la carcasa interior;
en donde la carcasa exterior y la carcasa interior están unidas en la al menos un reborde de montaje, definiendo así una cámara a través de la cual fluye el agua a lo largo de un trayecto definido por los deflectores de agua, la superficie interior de la carcasa exterior y la superficie interior de la carcasa interior; y en donde el al menos un paso de conducto de la carcasa interior o la carcasa exterior comprende una junta flexible.
En otro aspecto, la presente invención proporciona:
una caja enfriada por agua para su uso en un horno de fabricación de metales, la caja enfriada por agua que comprende:
una carcasa exterior que tiene una sección transversal sustancialmente arqueada, una superficie interior y al menos un paso de conducto;
una carcasa interior que tiene una sección transversal sustancialmente arqueada, una superficie interior, una pluralidad de deflectores de agua, al menos un paso de conducto y al menos un reborde de montaje; en donde la carcasa exterior está compuesta principalmente por un metal que tiene una conductividad térmica más alta que la de un metal que comprende principalmente la carcasa interior;
en donde la carcasa exterior y la carcasa interior están unidas en la al menos un reborde de montaje, definiendo así una cámara a través de la cual fluye el agua a lo largo de un trayecto definido por los deflectores de agua, la superficie interior de la carcasa exterior y la superficie interior de la carcasa interior; en donde el al menos un paso de conducto de la carcasa exterior comprende una junta flexible de reborde formada de un material que es más delgado que el material metálico que comprende la carcasa exterior; y en donde el al menos un paso de conducto de la carcasa interior comprende una junta flexible.
De acuerdo con la presente invención, se proporciona así una caja enfriada por agua para su uso en un horno de fabricación de metales, la caja enfriada por agua que comprende:
una carcasa exterior que tiene una sección transversal sustancialmente en forma de U, una superficie interior y al menos un paso de conducto;
una carcasa interior que tiene una sección transversal sustancialmente en forma de U, una superficie interior, una pluralidad de deflectores de agua, al menos un paso de conducto y al menos un reborde de montaje; en donde la carcasa exterior está compuesta principalmente por un metal que tiene una conductividad térmica más alta que la de un metal que comprende principalmente la carcasa interior;
en donde la carcasa exterior y la carcasa interior están unidas en la al menos un reborde de montaje, definiendo así una cámara a través de la cual fluye el agua a lo largo de un trayecto definido por los deflectores de agua, la superficie interior de la carcasa exterior y la superficie interior de la carcasa interior; y en donde el al menos un paso de conducto de la carcasa interior o la carcasa exterior comprende una junta flexible.
Preferiblemente, la capa exterior está compuesta principalmente de cobre.
Ventajosamente, la carcasa interior está compuesta principalmente de acero.
Convenientemente, la carcasa exterior comprende además una o más barras de retención de escoria.
Preferiblemente, la carcasa exterior comprende además una o más ranuras de retención de escoria.
Convenientemente, tanto el al menos un paso de conducto de la carcasa interior como el al menos un paso de conducto de la carcasa exterior comprenden una junta flexible.
Ventajosamente, la carcasa exterior comprende al menos dos pasos de conductos y la carcasa interior comprende al menos dos pasos de conductos, una entrada de agua y una salida de agua.
Preferiblemente, la carcasa exterior y la carcasa interior también se unen en el al menos un paso de conducto de la carcasa exterior y el al menos un paso de conducto de la carcasa interior, los pasos de conductos son estructuras complementarias a través de las cuales se puede desplegar un implemento.
Convenientemente, el implemento se selecciona del grupo que consiste en un quemador, lanza o inyector de material.
Ventajosamente, el horno de fabricación de metales puede comprender un diámetro interior definido por la pared del recipiente del horno, y cuando la caja está montada en la pared del recipiente, la caja puede extenderse dentro del diámetro interior hacia el centro del horno.
Convenientemente, la carcasa exterior comprende una cara curvada definida por la parte curvada de la sección transversal en forma de U, la cara curvada se extiende dentro del diámetro interior y se orienta hacia el centro del horno cuando la caja está montada en una pared del recipiente del horno.
Preferiblemente, la al menos una junta flexible de la carcasa interior es una junta flexible de diafragma.
Ventajosamente, la al menos una junta flexible de la carcasa interior es una junta flexible de lata.
Convenientemente, la al menos una junta flexible de la carcasa exterior es una junta flexible de fuelle.
Preferiblemente, la carcasa interior comprende tanto una junta flexible de diafragma como una junta flexible de lata, y la al menos una junta flexible de la carcasa exterior comprende una junta flexible de fuelle.
Ventajosamente, la al menos una junta flexible de la carcasa exterior comprende una junta flexible de reborde formada de material que es más delgado que el material metálico que comprende la carcasa exterior.
De acuerdo con la presente invención, se proporciona además una caja enfriada por agua para su uso en un horno de fabricación de metales, la caja enfriada por agua que comprende:
una carcasa exterior que tiene una sección transversal sustancialmente arqueada, una superficie interior y al menos un paso de conducto;
una carcasa interior que tiene una sección transversal sustancialmente arqueada, una superficie interior, una pluralidad de deflectores de agua, al menos un paso de conducto y al menos un reborde de montaje;
en donde la carcasa exterior y la carcasa interior están unidas en la al menos un reborde de montaje, definiendo así una cámara a través de la cual fluye el agua a lo largo de un trayecto definido por los deflectores de agua, la superficie interior de la carcasa exterior y la superficie interior de la carcasa interior;
en donde la carcasa exterior está compuesta principalmente por un metal que tiene una conductividad térmica más alta que la de un metal que comprende principalmente la carcasa interior;
en donde el al menos un paso de conducto de la carcasa exterior comprende una junta flexible de reborde formada de un material que es más delgado que el material metálico que comprende la carcasa exterior; y
en donde el al menos un paso de conducto de la carcasa interior comprende una junta flexible.
Convenientemente, la al menos una junta flexible de la carcasa interior es una junta flexible de diafragma.
Preferiblemente, la al menos una junta flexible de la carcasa interior es una junta flexible de lata.
Breve descripción de las figuras
La Figura 1 es una vista en perspectiva elevada de una caja enfriada por agua proporcionada de acuerdo con una realización preferida de la presente invención, la caja enfriada por agua se instala en una pared del recipiente de un horno de fabricación de metales.
La Figura 2 es una vista en perspectiva elevada de una superficie exterior de una carcasa exterior de una caja enfriada por agua proporcionada de acuerdo con una realización preferida de la presente invención.
La Figura 3 es una vista en perspectiva frontal (las superficies orientadas hacia el baño cuando están montadas en un horno) de una caja enfriada por agua proporcionada de acuerdo con una realización preferida de la presente invención.
La Figura 4 es una vista en perspectiva elevada de una superficie interior de una carcasa interior de acero de una caja enfriada por agua proporcionada de acuerdo con una realización preferida de la presente invención.
La Figura 5 es una vista posterior en perspectiva (las superficies orientadas hacia fuera del baño cuando se montan en un horno) de una caja enfriada por agua proporcionada de acuerdo con una realización preferida de la presente invención.
La Figura 6 es una vista en sección transversal de una caja enfriada por agua proporcionada de acuerdo con una realización preferida de la presente invención, la caja que comprende juntas flexibles.
La Figura 7 es una vista en sección transversal de una caja enfriada por agua proporcionada de acuerdo con una realización preferida de la presente invención, la caja que comprende juntas flexibles alternativas.
Descripción detallada de la invención
La Figura 1 ilustra una caja enfriada por agua 1 proporcionada de acuerdo con una realización preferida de la presente invención, la caja enfriada por agua 1 se instala en un horno de fabricación de metales 2. Como se muestra, el horno 2 comprende además un recipiente 3, una pared del recipiente 4 y, durante el funcionamiento normal del horno 2, un baño de metal fundido 5 contenido en el recipiente 3.
Como se muestra en la Figura 1, la caja 1 se monta preferiblemente en la pared del recipiente 4 del horno de fabricación de metales 2 usando sujetadores como lo apreciará un experto en la técnica. Como se muestra, el horno 2 tiene un diámetro interior definido por la pared del recipiente 4, en donde cuando la caja 1 está montada en una pared 4, la caja 1 se extiende dentro del diámetro interior hacia el baño 5. Esto permite que los implementos que se despliegan a través de los pasos de conductos 14, 24 (véanse las figuras 3, 5-7) afecten al baño 5 a una distancia más cercana que la que ofrecen las cajas tradicionales.
Las figuras 2-7 ilustran la caja enfriada por agua 1 que comprende una carcasa exterior 10 y una carcasa interior 20. La carcasa exterior 10 comprende una superficie interior 11, una superficie exterior 12, uno o más pasos de conductos 14 y una o más barras de retención de escoria 15. En algunas realizaciones alternativas, la carcasa exterior 10 puede comprender ranuras 16 de retención de escoria en lugar de barras 15 en la superficie exterior 12. En otras realizaciones alternativas, la carcasa exterior 10 puede comprender una combinación de ranuras 16 y barras 15. La superficie exterior 12 comprende además una pluralidad de caras, que incluyen la cara inferior 17a, las caras laterales 17b, 17c, la cara curvada 17d, la cara del conducto 17e y la cara superior 17f.
La carcasa exterior 10 está compuesta preferiblemente principalmente de cobre y está formada para tener un perfil sustancialmente en forma de U o sustancialmente arqueado en sección transversal, en donde la cara curvada 17d está dirigida hacia el baño 5. Más específicamente, como se muestra mejor en la Figura 2, el perfil en forma de U de la carcasa exterior 10 está sustancialmente definido por la forma de la cara superior 17f, que normalmente está orientada perpendicularmente a la pared del recipiente 4 cuando la caja 1 está montada sobre esta. Como se muestra, las patas de la cara superior en forma de U 17f son sustancialmente lineales y colindan con los respectivos bordes superiores de las caras laterales 17b, 17c, mientras que la parte curva de la cara superior 17f colinda con un borde superior de la cara curvada 17d. De este modo, se forma el perfil sustancialmente en forma de U de la carcasa exterior 10, y este persiste lejos de la cara superior 17f hasta una cierta profundidad de la carcasa exterior 10 hasta que el perfil en forma de U es truncado en la cara curvada 17d por la cara del conducto 17e hacia la cara inferior 17a.
La carcasa interior 20 comprende una superficie interior 21, una superficie exterior 22, deflectores de agua 23, uno o más pasos de conductos 24, una entrada de agua 25, una salida de agua 26, un primer y un segundo rebordes de montaje 13a, 13b y un reborde superior 28. La carcasa interior 20 también proporciona resistencia para mantener la forma y posición de la carcasa exterior 10, y el uso de acero en lugar de cobre en la carcasa interior 20 reduce el coste de la caja 1. El uno o más pasos de conductos 14, 24 de la carcasa exterior 10 y la carcasa interior 20, respectivamente, también son de forma complementaria. Varios implementos, tales como un quemador, una lanza o un dispositivo de inyección de material (es decir, carbón o cal) pueden protegerse y desplegarse a través del cuerpo de la caja 1 a través de los conductos 14, 24 y dentro del horno 2.
La carcasa interior 20 está formada preferiblemente de acero y tiene un perfil sustancialmente en forma de U o sustancialmente arqueado en sección transversal que es complementario a la forma de la carcasa exterior 10. La carcasa interior 20 puede estar formada de acero inoxidable. La carcasa interior 20 comprende además una pluralidad de caras, que incluyen la cara inferior 27a, las caras laterales 27b, 27c, la cara curvada 27d y la cara del conducto 27e. Más específicamente, como se muestra mejor en la Figura 4, el perfil en forma de U de la carcasa interior 20 está sustancialmente definido por los respectivos bordes superiores de las caras laterales 27b, 27c y la cara curvada 27d. De este modo, se forma el perfil sustancialmente en forma de U de la carcasa interior 20, y este persiste hasta una cierta profundidad de la carcasa interior 20 hasta que el perfil en forma de U se trunca en la cara curvada 27d por la cara del conducto 27e hacia la cara inferior 27a.
Volviendo a las figuras 2 y 3, como se muestra, las barras de retención de escoria 15 y/o las ranuras 16 de la carcasa exterior 10 capturan la escoria del horno 2 y provocan la acumulación de escoria en la superficie exterior 12 de la carcasa exterior 10. La acumulación de escoria actúa como aislante térmico y eléctrico para la caja enfriada por agua 1. Esto se debe a que la conductividad térmica de la acumulación de escoria es bastante baja, lo que reduce la cantidad de calor que se transfiere desde el baño de metal fundido 5 a la superficie exterior 12 de la carcasa exterior 10. La conductividad térmica del cobre que comprende preferiblemente la capa exterior 10, por el contrario, es muy alta, lo que permite que el calor que se transfiere a la carcasa exterior 10 pase eficiente y rápidamente a través de la capa exterior 10 hacia el agua que circula a través de una cámara de agua 30 (que se describe más adelante), que aleja el calor de la caja 1.
Como se muestra mejor en las figuras 6 y 7, la caja enfriada por agua 1 se forma haciendo caber la carcasa interior 20 en la carcasa exterior 10. Más específicamente, la superficie interior 11 de la carcasa exterior 10 está unida a la superficie interior 21 de la carcasa interior 20 de manera que las carcasas 10, 20 se unen para definir la cámara de agua 30 entre las superficies interiores 11, 21. La carcasa exterior 10 se enfría con agua que entra en la caja 1 a través de la entrada 25, se dirige a través de la cámara de agua 30 por los deflectores 23 y sale de la caja 1 a través de la salida 26. La entrada 25 y la salida 26 están soldadas preferiblemente a los rebordes de montaje 13a, 13b, y la entrada 25 y la salida 26 definen aberturas respectivas que se extienden a través de los rebordes 13a, 13b hacia la cámara 30.
Las carcasas 10, 20 se unen en los bordes laterales posteriores 18 de la carcasa exterior 10 a los rebordes de montaje 13a, 13b, preferiblemente mediante soldadura, en la parte de la superficie interior 11 de la cara superior 17f al reborde superior 28, preferiblemente mediante soldadura, y también en los pasos de conductos complementarios 14, 24. Los pasos de conductos 14, 24 tienen preferiblemente una conexión flexible en una unión a una de las carcasas 10, 20, o los pasos de conductos 14, 24 tienen un miembro flexible que comprende los propios pasos de conductos 14, 24.
Por ejemplo, en una realización preferida como se muestra en la Figura 6, la caja 1 comprende pasos de conductos 14, 24 en donde el paso de conducto 14 de la carcasa exterior 10 está formado preferiblemente de metal que tiene un grosor sustancial y que comprende una junta flexible de reborde 40 que se une a la carcasa exterior 10, preferiblemente mediante soldadura. Mientras tanto, el paso de conducto 24 de la carcasa interior 20 se compone preferiblemente de una junta flexible de diafragma 50a y una junta flexible de lata 52a, en donde las juntas 50a, 52a conectan el paso de conducto 14 de la carcasa exterior 10 a la carcasa interior 20. La junta flexible de diafragma 50a y una junta flexible de lata 52a son preferiblemente dispositivos en forma de anillo que rodean el paso de conducto 14.
En una realización alternativa, como se muestra en la Figura 7, la caja 1 comprende pasos de conductos 14, 24 en donde el paso de conducto 14 de la carcasa exterior 10 está preferiblemente formado por una junta flexible de fuelle 42. La junta flexible de fuelle 42 es sustancialmente cilíndrica. Mientras tanto, el paso de conducto 24 de la carcasa interior 20 se compone preferiblemente de una junta flexible de diafragma 50b y una junta flexible de lata (o copa) 52b. Como se muestra en la Figura 7, la junta flexible de fuelle 42 está conectada en un primer extremo a la carcasa exterior 10 y en un segundo extremo a la junta flexible de diafragma 50b. La junta flexible de lata 52b está conectada en un primer extremo a la junta flexible de diafragma 50b y en un segundo extremo a la carcasa interior 20.
Como se muestra en las figuras 6 y 7, el agua en la cámara 30 fluirá entre los mecanismos de junta flexible 40, 42 de la carcasa exterior 10 y los mecanismos de junta flexible 50a, b, 52a, b de la carcasa interior 20.
Cuando aumenta la temperatura de la mayoría de los objetos, aumenta el volumen (largo, ancho y alto) del objeto. Mientras el objeto no esté restringido, el estado de tensión del objeto permanece sin cambios. Cuando la temperatura de un objeto aumenta y el objeto está restringido en uno o más planos, el volumen del objeto no puede aumentar en la dirección de la restricción. Esto somete al objeto a una tensión mecánica.
Durante el funcionamiento del horno 2, la temperatura de la carcasa interior 20 formada de acero es casi la misma que la temperatura del agua de enfriamiento que circula a través de la cámara de agua 30. La temperatura del agua de enfriamiento es mucho más fría que la temperatura de la carcasa exterior 10 formada de cobre y, por lo tanto, la temperatura de la carcasa interior 20 es mucho más baja que la de la carcasa exterior 10. Además, el coeficiente de crecimiento térmico del acero es mucho más bajo que el del cobre. Entre la diferencia de temperatura y los diferentes coeficientes de crecimiento térmico entre el cobre y el acero que comprenden preferiblemente la carcasa exterior 10 y la carcasa interior 20, respectivamente, la carcasa exterior 10 crece térmicamente mucho más que la carcasa interior 20. Por consiguiente, los puntos de restricción entre las dos carcasas 10, 20 pueden crear una tensión mecánica térmica en la caja 1.
Para compensar esta tensión mecánica potencial, la forma de U curvada de la caja 1 permite que la carcasa exterior 10 se mueva fuera del plano, reduciendo así la restricción en el plano experimentada por la carcasa exterior 10, en comparación con la restricción en el plano experimentada por superficies tradicionales de placa plana fijadas entre dos paredes laterales. Este es uno de los mecanismos de reducción de tensión mecánica de la presente invención. Se observa que los procesos de fabricación de metales en los que se emplean hornos como el horno 2 son, por naturaleza, procesos muy violentos que provocan vibraciones en prácticamente todo lo que tiene cierta proximidad al proceso que se está realizando. Cuando un objeto vibra a su frecuencia natural, la energía vibratoria se amplifica y la energía de esta amplificación puede crear grietas en los componentes tradicionales del horno. Este agrietamiento puede hacer que el agua de enfriamiento se filtre en el horno, lo que puede resultar en una explosión. La superficie en forma de U de la carcasa exterior 10 tiene una frecuencia natural más alta que una superficie de placa plana de las cajas enfriadas por agua tradicionales. La vibración de alta frecuencia tiene menos energía que la vibración de baja frecuencia, lo que reduce la energía disponible para crear grietas y, por lo tanto, mejora la durabilidad e integridad de la capa exterior 10.
Además, la carcasa exterior 10 y la carcasa interior 20 de la caja 1 están unidas en los rebordes de montaje 13a, 13b y en los pasos de conductos 14, 24 entre las carcasas 10, 20. Los rebordes 13a, 13b son las partes más frías de la caja 1 y la diferencia de crecimiento térmico entre la carcasa exterior 10 y la carcasa interior 20 en los rebordes de montaje 13, 13b es mínima. En consecuencia, la tensión mecánica térmica en la conexión de las carcasas 10, 20 en los rebordes de montaje 13, 13b es lo suficientemente baja como para no provocar grietas.
Por el contrario, los pasos de conductos 14, 24 entre las carcasas 10, 20 están ubicados a la temperatura diferencial más alta entre las carcasas 10, 20 y experimentarán la alta tensión mecánica térmica suficiente para provocar el agrietamiento en las cajas tradicionales enfriadas por agua. Los pasos de conductos 14, 24 de la presente invención, sin embargo, tienen uno o más mecanismos de unión flexibles 40, 42, 50a,b, 52a,b en la unión del pasaje 14, 24 a su correspondiente carcasa 10, 20 o un miembro flexible diseñado en el propio paso de conducto 14, 24. Los mecanismos de junta flexible 40, 42, 50a,b, 52a,b se forman preferiblemente de una aleación de cobre, tal como una aleación de cobre-níquel.
Este mecanismo de junta flexible reduce la restricción entre las carcasas 10, 20 debido al crecimiento térmico y, por lo tanto, reduce la tensión mecánica térmica experimentada por la caja 1. Algunos mecanismos de junta flexible para esta invención, tales como juntas flexibles de diafragma 50a, 50b, incluyen el uso de una pluralidad de diafragmas metálicos delgados de alta resistencia que reducen la restricción tanto en la dirección radial como axial de los pasos de conductos 14, 24. Los mecanismos alternativos de unión flexible, tales como las juntas flexibles de latas 52a, 52b, incluyen el uso de latas metálicas delgadas de alta resistencia que permiten la deformación en la lata que reduce la restricción de los pasos de conductos 14, 24. Otros mecanismos alternativos de junta flexible, tales como la junta flexible de fuelle 42, están diseñados en el paso de conducto, particularmente en el paso de conducto 14. La junta flexible de fuelle 42 está formada como un fuelle con una pluralidad de circunvoluciones de fuelle para reducir la restricción tanto axial como radial entre la carcasa exterior 10 y la carcasa interior 20. A medida que la caja 1 se calienta y experimenta crecimiento térmico, la junta de fuelle 42 tenderá a enderezarse, absorbiendo así la tensión mecánica de la caja 1. Otro mecanismo de junta flexible alternativo, tal como la junta flexible de reborde 40, comprende un artículo separado que es preferiblemente más delgado que el metal circundante de la carcasa exterior 10, y soldado a la carcasa exterior 10 en la superficie interior 11 o en la superficie exterior 12. Se pueden usar una o más juntas flexibles de reborde 40. Por ejemplo, si se utilizan dos juntas flexibles de reborde 40, una puede estar conectada a la superficie interior 11 y otra puede estar conectada a la superficie exterior 12. La junta flexible de reborde 40 reduce la restricción radial entre las carcasas 10, 20. Los mecanismos de junta flexible 40, 42, 50a, 50b, 52a, 52b se pueden utilizar de forma independiente (es decir, sin otros mecanismos de junta flexible en la caja 1) o en combinación con uno o más mecanismos de junta flexible 40, 42, 50a, 50b, 52a, 52b.

Claims (14)

REIVINDICACIONES
1. Una caja enfriada por agua (1) para su uso en un horno de fabricación de metales (2), la caja enfriada por agua (1) que comprende:
una carcasa exterior (10) que tiene una sección transversal sustancialmente en forma de U, una superficie interior (11) y al menos un paso de conducto (14);
una carcasa interior (20) que tiene una sección transversal sustancialmente en forma de U, una superficie interior (21), una pluralidad de deflectores de agua (23), al menos un paso de conducto (24) y al menos un reborde de montaje (13a, 13b);
en donde la carcasa exterior (10) se compone principalmente de un metal que tiene una conductividad térmica más alta que la de un metal que comprende principalmente la carcasa interior (20);
en donde la carcasa exterior (10) y la carcasa interior (20) están unidas en al menos un reborde de montaje (13a, 13b), definiendo así una cámara (30) a través de la cual fluye el agua a lo largo de un trayecto definido por los deflectores de agua (23), la superficie interior de la carcasa exterior (11) y la superficie interior de la carcasa interior (21); y
en donde el al menos un paso de conducto de la carcasa interior (24) o la carcasa exterior (14) comprende una junta flexible (40, 42, 50a, 52a).
2. La caja enfriada por agua de la reivindicación 1, en donde la carcasa exterior (10) está compuesta principalmente de cobre y/o
en donde la carcasa interior (20) está compuesta principalmente de acero.
3. La caja enfriada por agua de la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en donde la carcasa exterior (10) comprende además una o más barras de retención de escoria (15).
4. La caja enfriada por agua de cualquier reivindicación anterior, en donde la carcasa exterior (10) comprende además una o más ranuras de retención de escoria (16).
5. La caja enfriada por agua de cualquier reivindicación anterior, en donde tanto el al menos un paso de conducto de la carcasa interior (21) como el al menos un paso de conducto de la carcasa exterior (11) comprenden una junta flexible (40, 42, 50a, 52a).
6. La caja enfriada por agua de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la carcasa exterior (10) comprende al menos dos pasos de conductos (14) y la carcasa interior (20) comprende al menos dos pasos de conductos (24), una entrada de agua (25) y una salida de agua (26).
7. La caja enfriada por agua de cualquier reivindicación anterior, en donde la carcasa exterior (10) y la carcasa interior (20) también están unidas en al menos un paso de conducto de la carcasa exterior (14) y el al menos un paso de conducto de la carcasa interior (24), los pasos de conductos son estructuras complementarias a través de las cuales se puede desplegar un implemento, y preferiblemente
en donde el implemento se selecciona del grupo que consiste en un quemador, lanza o inyector de material.
8. La caja enfriada por agua de cualquier reivindicación anterior, en donde la carcasa exterior (10) comprende una cara curvada (17d) definida por la parte curvada de la sección transversal en forma de U, la cara curvada (17d) se configura para extenderse dentro del diámetro interior y se orienta hacia el centro del horno cuando la caja está montada en una pared del recipiente (4) del horno.
9. La caja enfriada por agua de cualquier reivindicación anterior, en donde la al menos una junta flexible de la carcasa interior (20) es una junta flexible de diafragma (50a), y/o
es una junta flexible de lata (52a).
10. La caja enfriada por agua (1) de cualquier reivindicación anterior, en donde la al menos una junta flexible de la carcasa exterior (10) es una junta flexible de fuelle (42).
11. La caja enfriada por agua de cualquier reivindicación anterior, en donde la carcasa interior (20) comprende una junta flexible de diafragma (50a) y una junta flexible de lata (52a), y la al menos una junta flexible de la carcasa exterior (10) comprende una junta flexible de fuelle (42).
12. La caja enfriada por agua de cualquier reivindicación anterior, en donde la al menos una junta flexible de la carcasa exterior (10) comprende una junta flexible de reborde (40) formada de material que es más delgado que el material metálico que comprende la carcasa exterior (10).
13. Una caja enfriada por agua (1) para su uso en un horno de fabricación de metales (2), la caja enfriada por agua (1) que comprende:
una carcasa exterior (10) que tiene una sección transversal sustancialmente arqueada, una superficie interior (11) y al menos un paso de conducto (14);
una carcasa interior (20) que tiene una sección transversal sustancialmente arqueada, una superficie interior (21), una pluralidad de deflectores de agua (23), al menos un paso de conducto (24) y al menos un reborde de montaje (13a, 13b);
en donde la carcasa exterior (10) se compone principalmente de un metal que tiene una conductividad térmica más alta que la de un metal que comprende principalmente la carcasa interior (20);
en donde la carcasa exterior (10) y la carcasa interior (20) están unidas en al menos un reborde de montaje (13a, 13b), definiendo así una cámara (30) a través de la cual fluye el agua a lo largo de un trayecto definido por los deflectores de agua (23), la superficie interior de la carcasa exterior (21) y la superficie interior de la carcasa interior (21);
en donde el al menos un paso de conducto de la carcasa exterior (14) comprende una junta flexible de reborde (40) formada de un material que es más delgado que el material metálico que comprende la carcasa exterior (10); y
en donde el al menos un paso de conducto de la carcasa interior (24) comprende una junta flexible (42, 50a, 52a).
14. La caja enfriada por agua (1) de la reivindicación 13, en donde la al menos una junta flexible de la carcasa interior (20) es una junta flexible de diafragma (50a), y/o
es una junta flexible de lata (52a).
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