CANAL DE ALIMENTACIÓN PARA EL VACIADO DE COBRE FUNDIDO
Campo de la Invención La invención se relaciona con un canal de alimentación utilizado en la fabricación y colado de metal fundido, tal como cobre.
Antecedentes de la Invención La fabricación de cobre incluye una etapa en donde se vacían ánodos de cobre a partir de cobre grueso en equipo de vaciado para la limpieza electrolítica del cobre. El cobre se dirige y dosifica desde un horno de fundición hacia una máquina de vaciado a través de canales de alimentación y tolvas. Los canales de alimentación, los cuales se proveen con encamisados de acero, se recubren con material refractario y son canales de alimentación abiertos o canales de alimentación proveídos con cubiertas. Los canales de alimentación están instalados con una inclinación adecuada a fin de efectuar el flujo de masa fundida por medio de la gravedad. Para transferir y dosificar la masa fundida, también se requieren tolvas, tal como una tolva de estabilización, vertiéndose la masa fundida dentro de la tolva de estabilización desde el horno de fundición y el movimiento del metal fundido siendo estabilizado allí antes de dirigirlo hacia los canales de alimentación. Además, con frecuencia también se necesitan tolvas intermedias y tolvas de dosificación. Cuando se incrementa la capacidad del equipo de vaciado, los canales de alimentación de la masa fundida deben tornarse aún más largos, causando un problema mayor con el enfriamiento y solidificación del cobre en los canales de alimentación que el que existía antes. Cuando el cobre se solidifica en el canal de alimentación, se evita el flujo de la masa fundida y el metal fundido fluye por encima del canal de alimentación. Para prevenir la solidificación, el cobre fundido se calienta hasta una temperatura suficientemente alta en un reactor de fundición de manera que la temperatura del metal fundido mantenga el escurrimiento del metal y al canal de alimentación caliente hasta la máquina de vaciado. Los canales de alimentación están recubiertos con material refractario, su desgaste siendo directamente proporcional a la temperatura del metal que está siendo transportado: mientras más alta sea la temperatura de la masa fundida, más rápido se desgasta el recubrimiento de
los canales de alimentación. Naturalmente, esto trae consigo costos extras de mantenimiento. La solidificación de la masa fundida en los canales de alimentación es especialmente probable en la etapa inicial del vaciado, cuando los canales de alimentación están todavía fríos. Al final del vaciado, los canales de alimentación y tolvas se enfrían rápidamente, por medio de lo cual el metal fundido que se encuentra en ellos se solidifica. De manera similar, en relación con cualquier distorsión de proceso, el flujo de metal fundido en las tolvas y canales de alimentación puede ser interrumpido o reducido al grado que el metal se solidifica y a todo el sistema de canales de alimentación se le debe dar servicio antes de continuar con el vaciado o antes de comenzar con una nueva colada. Intentos previos para resolver el problema técnico descrito se han basado en el uso de un quemador de gas o resistencias eléctricas. La flama del quemador de gas ha sido arreglada de manera que caliente el metal fundido, el canal de alimentación y las tolvas. Sin embargo, el problema es que los quemadores no pueden calentar los canales de alimentación hasta la temperatura de fusión del cobre y, de aquí que, tienen un efecto de enfriamiento durante el colado. Hasta ahora, no ha sido posible alcanzar un efecto de calentamiento suficiente por medio de resistencias eléctricas en el canal de alimentación principalmente debido a la excesivamente elevada pérdida de calor. La descripción de la patente de los Estados Unidos de América número 5,744,093 describe una construcción de canal de alimentación utilizada en relación con el colado de cobre, en donde un canal de alimentación, que tiene una camisa de acero y la cual está recubierta con un material refractario, se provee con una cubierta de aislamiento. El calentamiento extra del canal de alimentación se implementa mediante un quemador de gas. Un sistema de descarga para los gases procedentes del canal de alimentación está dispuesto en la cubierta del canal de alimentación. La cubierta del canal de alimentación también funciona como aislamiento para el calor de radiación liberado desde el canal de alimentación. Una debilidad del sistema de canal de alimentación presentado en esta publicación consiste en que, como consecuencia del efecto de chimenea, se forma un flujo ascendente de gas en el canal de alimentación caliente e inclinado que se provee con una cubierta, por medio de lo cual el metal caliente que se encuentra en el canal de alimentación se enfría. El tapón de sello que se presenta como una solución al problema no es adecuado
para el sistema de canal de alimentación de acuerdo con nuestra invención, la cual explota las tolvas de estabilización e intermedia para ajustar el flujo de metal fundido.
Objetivo de la Invención El propósito de la presente invención consiste en eliminar los problemas de la técnica anterior y en proveer una construcción de canal de alimentación mejorado para la transferencia de metal fundido. Otro propósito de la invención consiste en proveer una construcción de tolva y canal de alimentación, que se utiliza para transferir metal fundido desde el horno de fundición hacia la máquina de vaciado de manera confiable y con tolerancia a interrupciones en el vaciado. En particular, el objetivo es una transferencia confiable de cobre desde el homo de ánodo hacia la máquina de vaciado de los ánodos.
Breve Descripción de los Dibujos La Figura 1 muestra la sección transversal de la construcción de canal de alimentación de acuerdo con una modalidad de la invención. La Figura 2 muestra la sección del canal de alimentación de acuerdo con la Figura 1 desde la dirección lateral B-B. La Figura 3 muestra la implementación del control de una construcción de canal de alimentación de acuerdo con la invención. Las Figuras 4-6 muestran una tolva de vaciado provista con una cubierta eléctricamente calentada. La Figura 5 es una vista lateral de sección transversal de la tolva de vaciado de acuerdo con la Figura 4. La Figura 6 es la sección transversal de la tolva de vaciado de acuerdo con la Figura 4 en la dirección B-B.
Descripción Detallada de las Modalidades Preferidas de la Invención En lo siguiente, la invención se describe con detalle con referencia a los dibujos anexos. La solución de acuerdo con la invención a los problemas de la técnica anterior se basa en el hecho de que una cubierta que está proveída con resistencias eléctricas se
dispone en la construcción del canal de alimentación de la masa fundida, sus canales de alimentación y tolvas, calentando el canal de alimentación y las tolvas, en donde el cobre fluye, y en el hecho de que el efecto de chimenea que se crea en el canal de alimentación proveído con la cubierta es limitado por la presión de estancamiento generada en el extremo superior de la porción cubierta del canal de alimentación. Las cubiertas de calentamiento de acuerdo con la invención pueden ajustarse para su utilización, por ejemplo, en los canales de alimentación del metal fundido, las tolvas intermedias, desde las cuales el metal se dosifica dentro de las tolvas de vaciado, desde las cuales la masa fundida se dosifica dentro de los moldes de vaciado. La invención provee ventajas considerables. La invención hace posible el calentamiento de la construcción de canal de alimentación con menos energía en comparación con las soluciones tradicionales de quemador. La producción de calor es fácil de ajustar y se evita la tensión térmica local, por medio de lo cual también se evita el agrietamiento de las incrustaciones del canal de alimentación. Se reduce la tendencia a la interrupción del funcionamiento del equipo de vaciado, ya que el vaciado puede ser interrumpido sin el riesgo de la solidificación del metal en los canales de alimentación y las tolvas. La invención alarga la vida útil de las incrustaciones de las tolvas y los canales de alimentación y especialmente del horno de ánodo. En la construcción de canal de alimentación de acuerdo con la invención, metal fundido, tal como cobre fundido, se dispone para que fluya por gravedad en un canal de alimentación inclinado que está recubierto con material refractario y tiene una camisa de metal, y cuando menos parte del canal de alimentación y las tolvas está cubierta con una cubierta de aislamiento. Cuando menos un elemento de resistencia eléctrica se dispone en la cubierta del canal de alimentación para calentar el canal de alimentación y para mantener el metal fundido, y se dispone un quemador de un soplador de gas caliente en el extremo superior de la porción cubierta del canal de alimentación para proveer una presión de estancamiento en el cauce del canal de alimentación para desacelerar el flujo de gas o para evitar que fluya o aún para hacerlo que fluya hacia abajo. Las cubiertas que están dispuestas en la parte superior de las tolvas se utilizan durante el vaciado y durante los periodos que existen entre los colados y durante cualquier interrupción en el colado. Las cubiertas de las tolvas son fáciles de ajustar en su lugar y de retirarlas debido a sus estructuras ligeras.
Los elementos de calentamiento pueden ser colocados en la cubierta de las tolvas de manera que los elementos de calentamiento se extiendan al área en el foso de la tolva, en donde la masa fundida fluye durante el proceso. La parte inferior del canal de alimentación en la construcción de canal de alimentación de acuerdo con la invención comprende el canal de alimentación mismo, en donde el metal fundido fluye. La sección transversal del espacio del canal de alimentación para la masa fundida es, por ejemplo, una forma de "U" que se abre y ensancha hacia arriba. La superficie interior del canal de alimentación, el cual está en contacto con el metal fundido, se define por material refractario, tal como una composición cerámica de desgaste. Un material adecuado es un mortero refractario de colaje. El material refractario forma un canal de flujo para el metal fundido, el cual preferiblemente es una acanaladura que se ensancha hacia arriba y que tiene un fondo redondeado. Es preferible dimensionar el canal de flujo de manera que, en una condición de operación normal, la superficie superior del metal fundido que fluye se extienda hasta una altura, la cual es de 10 o 20% de la altura total del canal de flujo. La coraza exterior del canal de alimentación preferiblemente está hecha de metal, tal como acero. Cuando se produce el recubrimiento cerámico, la coraza exterior sirve como un molde y facilita el transporte hacia el sitio de instalación. La construcción de canal de alimentación de acuerdo con la invención comprende una coraza de metal, tal como una camisa de acero, la cual forma la superficie exterior de la parte inferior del canal de alimentación, un recubrimiento refractario, el cual define un cauce de flujo para el metal fundido, y una capa de aislamiento que está dispuesta entre el recubrimiento refractario y la coraza de metal, la capa de aislamiento siendo considerablemente mejor en el aislamiento del calor que el revestimiento refractario. En una modalidad de la invención, la temperatura del cobre que fluye en el canal de alimentación está dentro del rango de 1,080 a 1,300 °C. El revestimiento refractario del canal de flujo de la construcción de canal de alimentación preferiblemente está hecho tan grueso que la temperatura de la superficie exterior de su parte inferior está dentro del intervalo de 700 a 900 °C en estado funcional, en donde existe cobre fluyendo en el canal de alimentación. El cobre que va a ser vaciado, el cual fluye en el canal de alimentación, se solidifica a aproximadamente 1,070 °C. El cobre fundido penetra el recubrimiento refractario poroso y se solidifica allí, formando una capa fija de cobre en el revestimiento
en un lugar, en donde la temperatura está en el área del punto de solidificación del cobre. En consecuencia, es preferible hacer que el revestimiento refractario sea grueso y disponer el aislamiento de calor del canal de alimentación de manera que, en el estado de operación, el rango de temperatura que corresponde al punto de solidificación del cobre esté dentro del revestimiento refractario. En algunas otras modalidades de la invención, fluye en el canal de alimentación aluminio fundido, cinc o aleación de metal, por lo cual los aislamientos del canal de alimentación son construidos para que correspondan con las temperaturas de fusión de estos metales. De acuerdo con una modalidad preferida de la invención, el recubrimiento refractario del canal de alimentación es un elemento separado, el cual puede ser desprendido como una parte integral y reemplazado de manera que el aislamiento térmico y/o la coraza de acero se mantenga instalada en su lugar. En ese caso lana cerámica separa el compuesto de la camisa de acero y hace que sea fácil reemplazar el compuesto. El compuesto está anclado a la coraza de acero por medio de miembros de sujeción, tal como tornillos. Los tomillos de anclaje se atornillan a tuercas, las cuales han sido vaciadas en el compuesto, a través de la coraza de acero y el aislamiento de lana. El gradiente de temperatura preferido que se describió anteriormente se provee para el revestimiento refractario, por ejemplo, seleccionando de manera adecuada el espesor y la capacidad de aislamiento térmico de la capa aislante que se coloca entre el revestimiento refractario de la construcción de canal de alimentación y la coraza exterior. Un material aislante que se prefiere de manera particular para dicha capa aislante es un aislamiento de lana cerámica. La importancia de la capa aislante es esencial, ya que sin ella, las pérdidas de calor son bastante grandes y la energía requerida por la resistencia de calentamiento hará que se funda la resistencia misma. Por otro lado, si el aislamiento es demasiado bueno, el metal fundido, tal como el cobre, se permitirá que se infiltre a través del compuesto refractario cerámico y el canal de alimentación fugará. La cubierta de la construcción de canal de alimentación de acuerdo con la invención está dispuesta sobre la parte superior del canal de alimentación de manera que no habrá cantidades importantes de gases descargándose hacia el exterior procedentes del espacio entre la cubierta y el canal de alimentación, y las pérdidas de calor ocurrirán a través de la radiación o los flujos de gas. Las superficies de la cubierta y el canal de alimentación, las
cuales se colocan una contra la otra, son preferible y esencialmente uniformes, por medio de lo cual el canal de alimentación sostiene la cubierta de manera continua en sus bordes largos y esencialmente a través de toda su longitud. La cubierta de la construcción de canal de alimentación de acuerdo con la invención comprende una cubierta de metal, tal como una camisa de acero; cuando menos una resistencia eléctrica, la cual está dispuesta a fin de calentar la parte inferior del canal de alimentación; y una capa aislante para evitar la pérdida de calor por radiación a través de la coraza de metal. La(s) resistencia(s) de calentamiento está(n) ubicada(s) por arriba del canal de flujo del canal de alimentación de manera que el calor procedente de la(s) resistencia(s) se irradia esencialmente sin obstrucción sobre el metal, el cual fluye en la parte inferior del canal de alimentación, y sobre el revestimiento refractario. En el estado de operación, las resistencias eléctricas son calentadas a 1,100 - 1,300 °C. El aislamiento de calor preferiblemente está hecho de aislamiento de lana cerámica, por medio de lo cual el aislamiento puede comprender una o más capas de revestimiento. El aislamiento de lana en la cubierta y el canal de alimentación preferiblemente comprende lana de silicato de aluminio, lana de silicato de magnesio, o lana de óxido de aluminio, las cuales soportan altas temperaturas. Las resistencias de calentamiento son suficientemente gruesas, por lo cual es mínimo cualquier distorsión o deformación causada por el calor. Las resistencias de calentamiento preferiblemente consisten en una varilla o tubo de metal con un diámetro redondo. Puede disponerse una o más resistencias de calentamiento en la cubierta para que viajen lado a lado en la dirección longitudinal del canal de alimentación. Las resistencias son se seleccionan preferiblemente a fin de que tengan su propio voltaje de operación en la así denominada área de voltaje seguro. Las resistencias son preferiblemente alojadas en la parte de la cubierta en los así denominados brazos de soporte transversal, los cuales están dispuestos en la dirección longitudinal del canal de alimentación transversalmente debajo de las resistencias. Los brazos de soporte transversal pueden ser varillas o tubos de metal que están revestidos con material refractario cerámico. La porción de cubierta cubre parte de la construcción de canal de alimentación. La cubierta sobrepuesta y el canal de alimentación constituyen un cauce del canal de alimentación. En un lugar, en donde el cauce del canal de alimentación termina en el
extremo superior, esto es, en el costado del flujo de metal que entra, se forma una abertura, a través de la cual son descargados los gases como resultado del efecto de chimenea procedentes de entre el canal de alimentación y la cubierta. En la construcción de canal de alimentación de acuerdo con la invención, se dispone en este lugar un quemador de gas o soplador de gas caliente, proveyendo una presión de estancamiento para limitar o prevenir que el flujo de gas que se descarga desde el canal de alimentación. El gas caliente del quemador o soplador se dirige hacia la abertura entre la cubierta y la parte inferior, por medio de lo cual el efecto de la presión de estancamiento se convierte en el más fuerte. El combustible del quemador puede ser, por ejemplo, gas natural o gas líquido. El quemador de gas caliente puede ser aún calentado de manera eléctrica. La energía del quemador o del soplador se controla por medio de un termo elemento instalado en la parte inferior del cauce del canal de alimentación. El termo elemento indica la temperatura del espacio de gas en el extremo inferior del cauce del canal de alimentación y el efecto de enfriamiento del aire frió que fluye dentro del cauce del canal de alimentación. En la construcción de canal de alimentación de acuerdo con la invención, puede disponerse un control de energía para las resistencias de calentamiento para evitar que las resistencias se sobre calienten. El material de aislamiento térmico del canal de alimentación se utiliza para limitar sus pérdidas de calor a un nivel tal que la propia temperatura de las resistencias de calentamiento no sobrepase su rango de operación normal. La invención proporciona ventajas considerables. La invención disminuye la necesidad de materiales incrustados y los intervalos de mantenimiento de los canales de alimentación que se utilizan en relación con el vaciado de cobre, cualquier interrupción causada por las incrustaciones, y la energía utilizada para el pre-calentamiento y calentamiento del horno de fundición durante el vaciado. En virtud de que se reduce el bloqueo de los canales de alimentación durante el vaciado, el proceso de colado se hace más confiable. La cubierta es ligera, ya que no existen cables o conductos de gas, los cuales son difíciles de desmontar, que estén conectados a ésta. En consecuencia, la cubierta puede proveerse con miembros de elevación fijos o desprendibles y que estén conectados a un mecanismo de elevación. En esta forma, la cubierta es fácil de desplazar hacia un costado durante el mantenimiento y el reemplazo de la parte inferior del canal de alimentación.
La Figura 1 muestra la parte 5 de cubierta y la construcción de canal de alimentación 10, ambas comprendiendo una camisa de acero 1, 2. Está dispuesto un bucle 3 de resistencias de calentamiento en los brazos transversales de soporte 32 en la acanaladura definida por el aislamiento de lana cerámica 11 de la cubierta 5. Los brazos transversales de soporte 32 están dispuestos a intervalos iguales debajo del bucle de resistencias. Un aislamiento cerámico 33 está dispuesto en el área susceptible de calentamiento de los brazos transversales 32. Las terminales 31 de conexión de la alimentación corriente de las resistencias 32 de calentamiento son llevadas a través del revestimiento aislante 11 de la cubierta y la camisa 1 de metal. El metal fundido 4 fluye en el cauce de flujo formado por un revestimiento refractario 22. El revestimiento refractario 22 se forma de una composición de incrustación. Una capa de aislamiento 21 de lana cerámica está dispuesta entre el revestimiento refractario 22 y la camisa de acero 22. La cubierta 5 descansa sobre la parte inferior, siendo soportada por la misma de manera que esencialmente se evita el flujo de gas y la radiación de calor en los largos costados de la construcción de canal de alimentación. La parte 5 de cubierta solo cubre parte de la longitud total del canal de alimentación, como se ilustra en la Figura 2. El canal de alimentación está instalado en una posición inclinada para hacer posible que flujo del metal fundido en el canal de alimentación. La parte de cubierta y el canal de alimentación forman un cauce del canal de alimentación, un quemador de gas o un soplador 23 de gas caliente estando dispuesto en su extremo superior, el flujo de gas caliente siendo dirigido a la abertura del cauce del canal de alimentación para proveer una presión de estancamiento, por medio de lo cual el flujo de gas en el cauce del canal de alimentación se desacelera o se evita. Las resistencias de calentamiento 3 se extienden esencialmente a todo lo largo de la longitud de la porción de canal de alimentación cubierta. Un termo elemento 24 mide la temperatura de la resistencia de calentamiento y está dispuesto en un circuito de control, el cual evita que se sobre caliente la resistencia de calentamiento. Dicho control, el cual evita el sobre calentamiento, preferiblemente está dispuesto en relación con cada resistencia de calentamiento. Un termo elemento 25 mide la temperatura del aire frío que fluye dentro del canal de alimentación y está dispuesto en un circuito de control, el cual controla la energía del quemador o del soplador 23de gas caliente. Mientras más frío sea el aire que fluye
dentro del canal, más fuerte será el efecto de chimenea y mayor será la energía que se requiera en el quemador 23. En la Figura 3, TI es una temperatura medida por el sensor 24 de temperatura en la cubierta del canal de alimentación, y T2 es una temperatura medida por el sensor 25 de temperatura en el extremo inferior del canal de alimentación, indicando el efecto de enfriamiento del gas que fluye dentro del cauce del canal de alimentación. El control del quemador de gas ajusta la energía del quemador o un soplador de gas caliente de acuerdo con la variación del efecto de enfriamiento del aire que fluye dentro del canal de alimentación. En ese caso, la presión de estancamiento causada por el quemador en el extremo superior del canal de alimentación permanece siendo adecuada a lo largo del todo el proceso. La energía de la cubierta del canal de alimentación se ajusta mediante un control separado de la energía eléctrica. El termo elemento TI mide la temperatura en la vecindad de la resistencia eléctrica. La tolva 40 de vaciado de las Figuras 4 a 6 está provista con una cubierta aislante 41, la cual se provee con resistencias eléctricas. El material de la resistencia y el cableado asociado están dispuestos en el volumen 45, el cual se forma por la camisa de acero de la cubierta 41. Los soportes 43, 44 para la cubierta están dispuestos en las paredes 42 de la tolva de vaciado. La cubierta 41 que está dispuesta en las tolvas es, por ejemplo, una armazón de acero rígida que soporta los elementos de calentamiento eléctrico a una distancia adecuada desde la tolva 40. La cubierta preferiblemente tiene tres puntos de soporte 43, 44, en los que es soportada por la tolva de manera que se adapta con suficiente precisión en la tolva. Se provee una capa de aislamiento de calor entre la cubierta 41 y los elementos de calentamiento. La lana de aislamiento de la cubierta es adecuadamente blanda, por medio de lo cual la lana se coloca herméticamente contra el borde de la tolva, cuando la cubierta está en posición, permitiendo pequeñas variaciones y que cualquier metal solidificado salpique sobre el borde de la tolva. Es obvio para aquellos capacitados en la técnica que la invención no está limitada a la descripción anterior y a las soluciones de acuerdo con los dibujos anexos únicamente. También es obvio que la construcción de canal de alimentación de acuerdo con la invención es adecuada para la transportación de muchos tipos de masas fundidas.