MX2012006907A - Electrodo para horno de arco continuo de corriente directa. - Google Patents

Abstract

Electrodo de la parte inferior o ánodo para hornos de arco de corriente directa continua, provisto con un sistema de enfriamiento el cual permite mejorar la eficacia de la acción de enfriamiento de) electrodo de la parte inferior, hecho en la forma de una barra bimetálica, para el propósito de asegurar una altura suficiente de la porción del electrodo la cual permanece sólida durante la operación de horno, también cuando existe una carga eléctrica muy alta.

Description

ELECTRODO PARA HORNO DE ARCO CONTINUO DE CORRIENTE DIRECTA CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere a un electrodo para hornos de arco continuo de corriente directa, usado en particular como ánodo en la parte inferior de los hornos.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Hornos de arco continuo de corriente directa (DC EAFs) son usados en la tecnología de acero para fundir y refinar aleaciones de metal basadas en hierro.

En estos hornos, el arco eléctrico es descargado entre al menos un electrodo de grafito dispuesto en la parte superior (cátodo) y al menos un electrodo en la parte inferior (ánodo) dispuesto en la parte inferior en el corazón del horno. El paso de la corriente permite la formación del arco eléctrico cuyos efectos de radiación y convección hacen que el trozo de hierro se funda.

Con respecto a un horno de arco de corriente alterna (AC EAF), el horno de arco de corriente directa permite ventajosamente tener un consumo más bajo de energía eléctrica, un consumo más bajo de electrodos y material refractario, fusión rápida y uniforme de trozo de hierro (debido a la gran longitud del arco obtenible), una disminución en el ruido y en las tensiones mecánicas y buen cocido del baño de metal líquido. Además, las variaciones de energía reactiva y el efecto de "fluctuación" son significativamente menores.

Generalmente hornos de arco de corriente directa continua tienen un electrodo superior o cátodo, asociado con la corona del horno y el cual se extiende dentro del mismo horno, y una pluralidad de electrodos inferiores o electrodos de la parte inferior o ánodos incorporados en el corazón refractario del horno para cerrar el circuito eléctrico.

En estos hornos los ánodos son uno de los componentes más delicados cuando éstos son cruzados por corrientes teniendo intensidad muy alta y son sujetos a tensiones térmicas significativas y fuerzas magnéticas.

Varios tipos de electrodos de la parte inferior pertenecen al estado de la técnica.

Tales electrodos de la parte inferior son, por ejemplo, hechos en la forma de barras de metal, incorporados en el corazón refractario del horno, los cuales se extienden parcialmente en el extremo de fondo del mismo fuera del mismo horno. El número de las barras y la disposición de las mismas, la cual es simétrica con respecto al centro del horno, depende de la energía del horno y de la conformación del corazón del mismo.

De conformidad con otro tipo de electrodo de la parte inferior, las barras de metal pueden ser divididas en una pluralidad de barras metálicas teniendo diámetro muy pequeño, las cuales son fijadas al fondo sobre una placa común, generalmente enfriada con aire y conectada a la fuente de energía por medio de tubos enfriados con agua.

En otra modalidad conocida, en lugar de las barras metálicas, cada unidad de electrodo puede consistir de una pluralidad de lengüetas de metal soldadas sobre un soporte metálico común y dispuesto en cooperación con otras unidades de electrodo para formar un anillo, el cual es concéntrico al horno.

De conformidad con la técnica conocida, los electrodos tipo barra pueden ser hechos completamente en acero o en acero y cobre.

La parte superior de acero de las barras estando en contacto con el baño de metal fundido, ésta se funde hasta una cierta altura. De conformidad con la eficiencia del enfriamiento, la barra tiene una parte líquida superior y una parte sólida inferior, divididas por una zona de separación.

En este tipo de electrodo inferior, el problema principal es uno de desarrollar un sistema de enfriamiento capaz de asegurar una parte inferior sólida, a lo largo de la altura de la barra, la cual es tan extendida como sea posible también bajo condiciones de carga térmica y eléctrica altas conducidas por los electrodos inferiores.

Entre otras cosas, existe una necesidad de evitar la formación de rutas de escape posibles para el metal fundido. Si, de hecho, la fusión frontal dentro del ánodo continuara hacia la perforación completa de la base del ánodo, podría ocurrir contacto del metal líquido con el agua u otro líquido de enfriamiento usado para enfriar la base del ánodo causando así una explosión verdadera con consecuencia significativamente peligrosas.

Varias soluciones han sido propuestas para obtener eficiencia térmica mejorada de la acción de enfriamiento de los electrodos de la parte inferior.

Una primera solución provee el uso de un ánodo de acero-cobre bimetálico en la forma de una barra metálica, equipado con canales para el paso de un fluido para enfriar la parte de cobre, similarmente a un cristalizador de fundición continuo. El mecanismo de intercambio de calor es uno de convección forzada con un fluido de fase única (agua en el estado líquido). El movimiento del fluido de enfriamiento ocurre sustancialmente paralelo a la superficie a ser enfriada, lo cual requiere una cierta velocidad y una cierta dimensión de los canales para asegurar un intercambio de calor adecuado.

Esta solución es adecuada si las corrientes empleadas no son altas. Cuando las corrientes incrementan existe la necesidad de incrementar los diámetros y los flujos mientras sin embargo mantiene las secciones de los canales de paso tan inalterados como sea posible para a su vez mantener inalterada la velocidad del fluido sobre el cual dependen los coeficientes de intercambio de calor. Dado que bajo tales condiciones, las deformaciones de las estructuras de metal pueden ser amplificadas enormemente, los canales a través de los cuales pasan los fluidos de enfriamiento también serán modificados con disminuciones significativas posibles del intercambio de calor. Este fenómeno puede poner en peligro seriamente la integridad de la estructura del ánodo con consecuencias en la operación del horno.

En lugar de eso, una segunda solución provee el uso de un ánodo bimetálico de acero-cobre equipado con un sistema de enfriamiento, dentro de la parte de cobre del ánodo, el cual usa un fluido de enfriamiento de dos fases (líquido-gaseoso) por medio de atomización de gotas y el cocimiento sucesivo del mismo cuando éstos están contacto con la superficie a ser enfriada. La transición de fase (el llamado "cocimiento") permite retirar eficientemente el calor, pero desventajosamente, solamente hasta una temperatura crítica. Existe un decaimiento rápido de las propiedades de intercambio de calor más allá de esta temperatura crítica lo cual por lo tanto conduce a confiabilidad del sistema deficiente. Si ocurriera perforación completa de la base del ánodo, una serie de barreras es provista para bloquear la fuga del fluido fundido en el alojamiento del sistema de enfriamiento, así sin embargo involucrando complejidad de construcción incrementada.

Así se percibe la necesidad de crear un electrodo de la parre inferior el cual permita superar las desventajas mencionadas anteriormente.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Es el objeto principal de la presente invención proporcionar un electrodo de la parte inferior o ánodo para hornos de arco de corriente directa continua, provistos con un sistema de enfriamiento el cual es capaz de asegurar una parte sólida, a lo largo de la extensión longitudinal de la barra metálica, la cual es la más alta posible también bajo condiciones de carga eléctrica alta para asegurar constantemente una distancia adecuada entre la interfaz sólido-líquido del ánodo y el agua de enfriamiento y, en consecuencia, absoluta seguridad.

Otro objeto de la invención es obtener eficiencia de la acción de enfriamiento del electrodo de la parte inferior, hecho en la forma de barra bimetálica, altamente superior a ese posible a la fecha, optimizando el intercambio de calor por medio de una geometría particular de los canales de enfriamiento.

Un objeto adicional de la presente invención es asegurar simultáneamente que las condiciones son mantenidas de conducción eléctrica y térmica óptima en la zona de unión entre la parte enfriada y la parte no enfriada de la barra metálica, obteniendo así operación de horno mejorada en términos de eficiencia de producción, duración incrementada del electrodo, seguridad y confiabilidad incrementadas.

Así la presente invención propone lograr los objetos discutidos arriba haciendo un electrodo para horno de arco de corriente directa continua para fundir metales, adaptado para ser alojado en la parte inferior del horno, el cual, de conformidad con la reivindicación 1 , comprende - una barra bimetálica, definiendo un eje longitudinal X, comprendiendo a lo largo de la extensión longitudinal del mismo una primera porción de acero, un primer extremo el cual es adaptado para estar en contacto con un baño de metal dentro del horno, y una segunda porción de cobre soldada a un segundo extremo de la primera porción de acero; - medios de enfriamiento para enfriar la barra bimetálica; - una cavidad obtenida dentro de la segunda porción de cobre en la cual el medio de enfriamiento está la menos parcialmente alojado; - un espacio entre la cavidad y el medio de enfriamiento; en el cual el medio de enfriamiento comprende - un recolector, colocado en un primer extremo del medio de enfriamiento, teniendo una pared de extremo provista con una pluralidad de canales los cuales ponen el recolector en comunicación con una primera porción del espacio el cual es proximal a la primera porción de acero; - un primer tubo para transportar un líquido de enfriamiento hacia el recolector; en el cual, con respecto al eje longitudinal X, el recolector tiene un área de sección transversal de al menos 1.5 veces el área de sección transversal del primer tubo con respecto al eje longitudinal, y en el cual cada uno de los canales tiene un eje longitudinal del mismo sustancialmente pérpendicular a un plano tangente a la sección de salida respectiva, con lo cual una pluralidad de chorros de líquido de enfriamiento sustancialmente perpendiculares a una superficie primaria de la cavidad proximal a la primera porción de acero es generada en la primera porción del espacio.

Un segundo aspecto de la presente invención provee un proceso de enfriamiento del electrodo mencionado anteriormente el cual, de conformidad con la reivindicación 13, comprende los siguientes pasos: - llenar el espacio provisto entre la cavidad y el medio de enfriamiento, con un líquido de enfriamiento; - introducir continuamente líquido de enfriamiento adicional en el primer tubo, con lo cual el líquido de enfriamiento alcanza el recolector; - enfriamiento primario del electrodo mediante una fuga continua de una pluralidad de chorros de líquido de enfriamiento, a través de la pluralidad de canales, los cuales golpean sustancialmente perpendicularmente las porciones correspondientes de la superficie primaria en la primera porción del espacio proximal hacia la porción de acero del electrodo; - enfriamiento secundario del electrodo por medio de un flujo de descenso subsecuente del líquido de enfriamiento en la segunda porción del espacio distal de la porción de acero del electrodo.

Ventajosamente, la solución de la invención usa el intercambio de calor mediante un mecanismo de convección usando un fluido de fase única, preferiblemente agua en el estado líquido. La acción de enfriamiento es ventajosamente doble.

Enfriamiento primario es generado por medio de mover el líquido de enfriamiento sustancialmente en dirección perpendicular con respecto a la pared a ser enfriada, tomando así ventaja del golpe ("colisión") de los chorros para retirar calor. Las características de la perpendicularidad de los chorros confinados permite liberar la distancia del sistema de enfriamiento de la superficie primaria del ánodo a ser enfriado, intercambio térmico siendo igual. Por lo tanto un espacio libre o distancia mayor puede ser provisto entre la superficie primaria y la sección de salida de los orificios de inyección del líquido de enfriamiento de tal manera que deformaciones mecánicas del ánodo, bajo el efecto de la corriente alta, no ejerce influencia sobre la eficiencia del enfriamiento, como en cambio ocurrió en la primera solución del estado de la técnica.

Además, con los chorros es posible incrementar la velocidad del líquido variando simplemente la sección del chorro, por lo tanto sin intervenir en el incremento en flujo. Por lo tanto es posible separar la velocidad del líquido de su flujo.

En lugar de eso, enfriamiento secundario es generado moviendo el líquido de enfriamiento sustancialmente en dirección paralela a la superficie a ser enfriada. Tal enfriamiento secundario ya se manifiesta por sí mismo en la zona de la placa o cubierta agujerada, puesto que después de haber golpeado la superficie curva de la camisa de electrodo, el líquido de los chorros tiende a pulir hasta que éste alcanza las paredes verticales del conducto o espacio entre la camisa de electrodo y la lanza de enfriamiento, en la cual el líquido entonces desciende verticalmente en dirección paralela a la superficie correspondiente del ánodo, dirigiéndose así hacia la sección de descarga.

El sistema de enfriamiento del electrodo de la invención opera como una fase única (solamente agua, sin aire dentro del sistema) y sistema cerrado. El sistema puede operar indiferentemente con presión de salida alta o baja.

El número de orificios de la placa o cubierta agujerada depende de la superficie a ser enfriada. Boquillas de inyección del líquido de enfriamiento también pueden ser provistas.

El uso de la barra de acero-cobre bimetálica permite asegurar una conductividad eléctrica excelente y extender los efectos de enfriamiento en dirección de baño de acero líquido. Esto permite mantener la interfaz sólido-líquido del acero tan lejos como sea posible de la zona enfriada. Un sistema de enfriamiento eficiente permite mejorar adicionalmente este aspecto incrementando significativamente los factores de seguridad.

Las reivindicaciones dependientes describen las modalidades preferidas de la invención.

BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS Características y ventajas adicionales de la invención serán evidentes a la luz de la descripción detallada de una modalidad preferida, pero no exclusiva, modalidad de un electrodo para hornos de arco de corriente directa continua, mostrada a manera de ejemplo no-limitante, con la ayuda de los dibujos anexos, en los cuales: La Fig. 1 muestra una primera vista lateral del electrodo de conformidad con la invención; La Fig. 2 muestra una vista en sección transversal del electrodo en la Fig. 1 , a lo largo del plano A-A; La Fig. 2A muestra una vista en sección transversal de una primera parte del electrodo en la Fig. 1 ; a lo largo del plano A-A; La Fig. 2B muestra una vista en sección transversal de una segunda parte del electrodo en la Fig. 1 , a lo largo del plano "A-A"; La Fig. 3 muestra una vista inferior del electrodo en la Fig. 1 ; La Fig. 4 muestra una vista en sección transversal del electrodo en la Fig. 3, a lo largo del plano B-B; La Fig. 5 muestra una vista del electrodo de la invención incorporado dentro del corazón del horno de arco; La Fig. 6A muestra una vista lateral en sección transversal de un componente del sistema de enfriamiento del electrodo de la invención; La Fig. 6B muestra una vista superior del componente en la Fig. 6A.

DESCRIPCION DETALLADA DE LAS MODALIDADES PREFERIDAS DE LA INVENCIÓN Con referencia a las figuras, es representada una primera modalidad de un electrodo para hornos de corriente directa continua, indicado generalmente con el número de referencia 1 , en particular un electrodo de la parte inferior o ánodo a ser incorporado dentro del corazón refractario de los hornos.

El electrodo 1 , objeto de la presente invención, comprende: - una barra o barra bimetálica 2, preferiblemente teniendo una parte superior en acero y una parte inferior en cobre soldadas de manera conveniente entre sí; - medios de enfriamiento 3, acomodados dentro de la parte de cobre inferior de la barra metálica 2.

En particular, en términos de estructura, con referencia a las Figuras 1 , 2, 2A y 2B, se proporciona en la barra metálica 2, desde la parte superior hasta la parte inferior: - una primera porción de acero 4; - una segunda porción de acero 5, soldada a la primera porción de acero 4; - una tercera porción de cobre 6, soldada a la segunda porción de acero 5; - una cuarta porción de cobre 7, soldada a la tercer porción de cobre 6.

La tercera porción de cobre 6 tiene una variación de sección, en particular un alargamiento desde la parte superior hacia la parte inferior de la sección transversal del mismo con referencia a las Figuras 2, 2A y 2B.

Las Figuras 1 , 2, 2A y 2B muestran un cordón de soldadura acero-acero 8 entre la primera porción 4 y la segunda porción 5, un cordón de acero-cobre o línea de soldadura 9 entre la segunda porción 5 y la tercera porción 6; un cordón de soldadura cobre-cobre 10 entre la tercera porción 6 y la cuarta porción 7.

La cuarta porción de cobre 7 consiste sustancialmente de un tubo cilindrico. La tercera porción de cobre 6 en su parte inferior incluye un receso 13, hecho en la porción más ancha de la tercera porción 6. La segunda porción de acero 5 y la tercera porción de cobre 6 definen el llamado "separador" para separar de manera conveniente la zona de enfriamiento del electrodo de la parte de acero de la barra 2 la cual se tornará líquida durante la operación del horno de arco. La parte de cobre y la parte acero de la barra metálica 2 las cuales permanecerán sólidas son soldadas juntas para asegurar el paso de corriente y la continuidad térmica.

Ventajosamente, el medio de enfriamiento 3 es alojado, al menos parcialmente, en la cavidad longitudinal 50 definida por el interior del tubo cilindrico 7 y por el receso 13 de la tercera porción de cobre 6. El separador 5, 6 y tubo cilindrico 7 definen la llamada camisa de electrodo.

El medio de enfriamiento 3 comprende una lanza de enfriamiento sustancialmente cilindrica 1 1 en material preferiblemente de metal, a su vez comprendiendo los siguientes elementos: - un tubo cilindrico 12 teniendo un diámetro externo ligeramente menor que el diámetro interno del tubo cilindrico 7; - una tapa sustancialmente plana o convexa 14 provista para cerrar un primer extremo del tubo 12, provisto en la pared exterior del mismo con una pluralidad de canales 20, por ejemplo en forma de orificios pasantes simples; - un tubo transportador 19 de fluido de enfriamiento, por ejemplo agua, pasando dentro del tubo 12 y acoplado a la cubierta 14 para comunicarse con un recolector 17 obtenido dentro de la misma cubierta. El tubo 12 preferiblemente es coaxial al tubo transportador 19.

Alternativamente a los orificios pasantes simples 20, es posible proveer boquillas roscadas atornilladas sobre una rosca correspondiente de los orificios pasantes 20.

En una variante preferida, la cubierta 14 está asociada con un elemento anular 16, en el orificio central 18 del cual el tubo transportador 19 está insertado.

Ventajosamente, el orificio central 18 tiene una expansión gradual hacia el recolector 17. Ventajosamente, con respecto al eje longitudinal X del electrodo, el recolector 17 tiene un área de sección transversal de por lo menos 1.5 veces el área de sección transversal del tubo 19 con respecto al eje longitudinal X. En una variante preferida, la sección transversal del recolector 17 es igual a por lo menos el doble de la sección transversal del tubo 19.

Si el tubo 19 y el recolector 17 tienen una sección transversal-circular, el diámetro del recolector 17 es preferiblemente igual a 1.5 veces el diámetro del tubo 19. En el caso de secciones diferentes de circulares, la misma relación está preferiblemente entre los diámetros equivalentes respectivos.

El elemento anular 16 está fijado integralmente, por ejemplo, por rmedio de soldadura, hacia el tubo cilindrico 12.

La misma cubierta 14 puede ser fijada integralmente, por ejemplo, por medio de soldadura, sobre el elemento anular 16, definiendo así el recolector 17 con éste.

Los orificios 20 están hechos en el grosor de la cubierta 14 colocando el recolector interno 17 en comunicación con el exterior del medio de enfriamiento.

El recolector 14 puede tener la forma de una cápsula hemisférica o de un domo más o menos achatado en la parte superior o de una placa sustancialmente plana, de conformidad con la forma de la superficie central interna del electrodo a ser enfriado. Así el perfil del receso 13 corresponde sustancialmente al perfil externo de la cubierta 14.

El tubo transportador 19 se proyecta desde el tubo cilindrico 12 en el segundo extremo del último, esto es desde el lado opuesto con respecto a la cubierta 14, y está conectado a un reborde de entrada 21 del agua de enfriamiento.

Una vez que el electrodo es ensamblado, la lanza 11 es alojada dentro de la camisa de electrodo. La forma del receso 13 es tal como para recibir la cubierta 14 de la lanza 11. Un espacio libre predeterminado o distancia H es provisto entre el receso 13 y la cubierta 14, en la superficie primaria o central interna 23 del electrodo a ser enfriado, el cual, preferiblemente, disminuye desde el lado interno o superficie secundaria 24 del electrodo.

Ventajosamente, la distancia H entre la superficie principal 23, también llamada "superficie húmeda" y la superficie correspondiente de la cubierta 14, que está entre la superficie primaria 23 y la sección de salida de los orificios o boquillas 20, está en el intervalo entre 5 y 30 mm, preferiblemente entre 6 y 12 mm. En una variante preferida, la distancia H es igual a 8 mm. Esta distancia H corresponde a la anchura de una primera porción del espacio entre la cavidad 50 y el medio de enfriamiento 3 o lanza 11.

La anchura del orificio 25 entre el tubo 7 y el tubo 12 está preferiblemente entre 2 y 12 mm, la anchura del orificio 25 correspondiendo a la anchura de una segunda porción del espacio entre la cavidad 50 y el medio de enfriamiento 3 o lanza 11.

Tal conducto 25 está conectado a un tubo de descarga 26 del agua de enfriamiento provista con un reborde de salida 27.

El diámetro "d¡" de los orificios o boquillas 20 está ventajosamente en el intervalo entre 1 y 10 mm, preferiblemente entre 1 y 5 mm. En una variante preferida, el diámetro "d¡" es igual a 3 mm.

En lugar de eso, con respecto a la distribución de los orificios 20 sobre la tapa 14, el espaciamiento entre los orificios 20, indicado con Ld, es una función del diámetro de los orificios, preferiblemente pero no necesariamente igual a un múltiplo del diámetro. La distribución puede ser uniforme o no uniforme sobre la superficie de la cubierta 14. El espaciamiento l_d está en un intervalo entre 3 y 15 veces el diámetro d¡ de los orificios 20, preferiblemente en el intervalo entre 6 y 11 veces el diámetro de los orificios. En una variante preferida, La es igual a 31.5 mm.

El criterio de distribución de los orificios sobre la cubierta 14 está basado en una cobertura óptima de la superficie principal 23 a ser enfriada por parte del total de las regiones de enfriamiento de eficiencia alta generadas por el golpe de los chorros individuales.

Ventajosamente, los orificios 20 son hechos en la cubierta 14 para tener un eje longitudinal del mismo sustancialmente perpendicular al plano tangente a la sección de salida del mismo, que es sustancialmente perpendicular a la porción correspondiente de la superficie primaria 23.

Además, la superficie primaria 23 o "área húmeda" puede ser plana o curva y la extensión de la misma en términos de diámetro equivalente Deq depende del diámetro de la barra metálica 2 y tiene un valor máximo de aproximadamente 700 mm, preferiblemente en el intervalo entre 250 y 600 mm. En una variante preferida, Deq es igual a 550 mm.

Como es ilustrado en las Figuras 6A-6B, la barra bimetálica 2 del electrodo inferior 1 es incorporada en el corazón refractario 30 de un horno de arco de corriente directa continua. Dentro del corazón 30, la barra metálica 2 está rodeada por al menos un orden de férulas refractarias anulares 31. El extremo superior 32 de la barra metálica 2 está en contacto con el baño de metal líquido (no mostrado) dentro del horno. El contacto con el metal líquido, junto con el efecto del paso de las corrientes altas a lo largo de la misma barra, determina la formación a lo largo de la barra metálica 2 de una parte líquida superior 33 y de una parte sólida inferior 34, separada por una zona de interfaz 35.

El líquido de enfriamiento del electrodo, preferiblemente pero no necesariamente agua, es introducido continuamente con un flujo predeterminado en el tubo transportador 19, éste fluye a lo largo hasta llegar al orificio central 18 del elemento anular 16 alcanzando así el recolector 17 dentro de la cubierta 14.

Es posible proveer el uso de otros líquidos de enfriamiento alternativamente a agua, tales como, por ejemplo, metales líquidos tales como sodio y material fundible de varias composiciones.

Ventajosamente, el orificio central 18 del primer elemento anular 16 tiene una expansión gradual hacia el recolector 17 para minimizar pérdidas de carga y recuperar la presión más alta dentro del recolector 17. La presión del líquido de enfriamiento dentro del recolector 17 está en el intervalo entre 1 y 15 barg, preferiblemente igual a aproximadamente 12 barg.

Desde el recolector 17, también llamado "recolector de la parte inferior", el líquido es inyectado perpendicularmente sobre la superficie de cobre primaria 23 a través de la pluralidad de los orificios 20. La velocidad Vchorro de los chorros de líquido que salen de los orificios 20, los cuales afectan la transferencia local de calor, tiene un valor máximo de 50 m/s, preferiblemente en el intervalo entre 25 y 30 m/s. En una variante preferida del proceso, tal velocidad es igual a aproximadamente 27 m/s. La velocidad de los chorros de líquido, saliendo continuamente de los orificios 20, es tal para prevenir cualquier posibilidad de evaporación del líquido en contacto con la superficie interna de la parte de cobre del electrodo.

La distribución de los orificios 20 y los parámetros de proceso son tales para obtener un flujo térmico máximo a través de la parte de cobre del electrodo igual a aproximadamente 20 MW/m2 Ventajosamente, una serie de termopares 40 es provisto (Figuras 3 y 4) instalados en el trozo de cobre del ánodo, en particular la tercera sección 6, para mapear el flujo térmico el cual se desarrolla a través de la parte de cobre del electrodo.

En una variante preferida, los termopares 40 son acomodados inclinados a aproximadamente 60° con respecto al eje longitudinal del electrodo y los extremos frontales del mismo están dispuestos cercanos a dicho eje. Esta configuración de los termopares 40 tiene la ventaja de permitir el monitoreo continuo del estado de una de las zonas tensionadas más termo-mecánicamente.

Además, dentro del tubo 7 y la sección de cobre 6 del electrodo, alojamientos son provistos para termoresistencias 41 , como instrumento de control adicional de temperatura y diagnóstico.

Así el sistema de enfriamiento del electrodo de la invención permite generar y descargar chorros de líquido de enfriamiento en una zona, o "recolector superior", delimitado en la parte superior por la superficie primaria 23 para enfriar.

Todos los chorros están confinados, perpendiculares a la porción correspondiente de la superficie primaria 23, y totalmente sumergidos en el mismo líquido de enfriamiento el cual ya ocupa el "recolector superior" y el conducto lateral 25 entre el tubo 12 y e tubo 7. Ventajosamente, cuando se opera, ninguna de las zonas de paso del líquido contienen aire pero están totalmente ocupadas por el mismo líquido. Por lo tanto, el sistema de enfriamiento del electrodo de la invención opera como una fase única (solamente agua, sin aire dentro del sistema). El sistema puede operar indiferentemente con presión de salida alta o baja.

La configuración de la cubierta 14, cápsula o placa agujerada moldeada, y de la zona entre la superficie primaría 23 y la misma cubierta o placa agujerada es tal para promover el golpe sustancialmente perpendicular de los chorros de líquido sobre la superficie primaria 23 y el flujo sucesivo descendiendo hacia la descarga del sistema de enfriamiento donde el efecto de enfriamiento de los chorros fue convertido completamente en convección turbulenta.

Los chorros de líquido golpean sobre el "área húmeda" 23 la cual es el área superior enfriada del ánodo; el resto de interior de la camisa de cobre del electrodo, que es el conducto 25, siendo enfriado por el flujo descendente de líquido proveniente del área superior enfriada (enfriamiento secundario).

Pruebas experimentales han confirmado que el golpe de los chorros de líquido confinado es un medio muy eficaz para obtener eficiencias de enfriamiento altas de la parte de cobre del electrodo de la parte inferior de un horno de arco de corriente directa continua.

Un chorro turbulento el cual golpea perpendicularmente sobre una superficie plana ha generado, en la región cercana al punto de estancamiento del chorro, entre los valores de coeficiente de intercambio de calor más altos encontrados en convección de fase única (sin aire).

Este desempeño es debido al adelgazamiento de la capa de límite en la zona de golpe del chorro permitiendo así poner el líquido de enfriamiento en contacto directo en tal zona con la superficie de intercambio. Además, la presión de estancamiento, esto es la presión a la cual es grabada en la zona de desaceleración del chorro donde éste golpea sobre la superficie, incrementa significativamente la temperatura de saturación, esto es la temperatura a la cual ocurre fenómeno de cocimiento para una presión dada. Así, debido a este fenómeno, es posible que temperaturas de pared altas y, en consecuencia, flujos térmicos altos existen en la zona de estancamiento sin condiciones de cocimiento establecidas necesariamente.

Presión e intercambio de calor disminuyen rápidamente cuando la distancia incrementa desde el punto de estancamiento del chorro. En consecuencia, para enfriar grandes porciones de superficie la modalidad fue concebida de una serie de chorros los cuales golpean perpendicularmente sobre la superficie plana. Hidrodinámica entre los varios chorros difiere significativamente de las condiciones de enfriamiento del chorro individual. En particular, en las zonas donde las líneas de flujo que provienen de chorros adyacentes se juntan, zonas de estancamiento son creadas sobre la superficie secundaria a ser enfriada en las cuales un incremento local de los coeficientes de intercambio de calor ocurrirá.

Así, con respecto a la configuración de chorro único, ocurrirá un incremento de los valores promedio de los coeficientes de intercambio de calor sobre el golpe de superficie completa mediante el líquido de conformidad con las distancias recíprocas entre los chorros.

La solución con una pluralidad de chorros de líquido los cuales golpean sustancialmente perpendicularmente la superficie plana fue entonces probada válidamente sobre una superficie curvilínea, por ejemplo una superficie hemisférica.

Claims (1)

NOVEDAD DE LA INVENCIÓN REIVINDICACIONES 1- Un electrodo para un horno de arco eléctrico de corriente directa para fundir metales, adaptado para ser alojado en una parte inferior del horno, comprendiendo - una barra bimetálica (2) definiendo un eje longitudinal (X), comprendiendo a lo largo de la extensión longitudinal del mismo una primera porción de acero (4, 5), un primer extremo el cual es adaptado para estar contacto con un baño de metal dentro del horno, y una segunda porción de cobre (6,7) soldada a un segundo extremo de la primera porción de acero (4, 5); - medios de enfriamiento (3) para enfriar la barra bimetálica (2); - una cavidad (50) obtenida dentro de la segunda porción de cobre (6, 7), en la cual medios de enfriamiento (3) son al menos parcialmente alojados; - un espacio entre la cavidad (50) y el medio de enfriamiento (3); en donde el medio de enfriamiento (3) comprende - un recolector (17), colocado en un primer extremo del medio de enfriamiento (3), teniendo una pared de extremo provista con una pluralidad de canales (20) los cuales ponen en comunicación el recolector (17) con una primera porción del espacio el cual es proximal a la primera porción de acero (4, 5); - un primer tubo (19) para transportar un líquido de enfriamiento hacia el recolector (17); en donde el recolector (17) tiene un área de sección transversal de al menos 1 .5 veces el área de sección transversal del primer tubo (19) con respecto al eje longitudinal (X), y en donde cada uno de los canales (20) tiene un eje longitudinal del mismo sustancialmente perpendicular a un plano tangente a la sección de salida respectiva, con lo cual una pluralidad de chorros de líquido de enfriamiento sustancialmente perpendiculares a una superficie primaria (23) de la cavidad (50) proximal a la primera porción de acero (4, 5) es producida en la primera porción del espacio. 2. - El electrodo de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque la pared de extremo es una cubierta (14), convexa o sustancialmente plana, cerrando un tubo (12) del medio de enfriamiento (3), el tubo (12) siendo coaxial y externo al primer tubo (19) del líquido de enfriamiento. 3. - El electrodo de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado además porque la cubierta (14) está asociada con un elemento anular (16), en donde el primer tubo (19) está acoplado en el orificio central (18) del elemento anular. 4. - El electrodo de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado además porque el orificio central (18) tiene una expansión gradual hacia el recolector (17). 5. - El electrodo de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 2 a 4, caracterizado además porque la cubierta (14) tiene la forma de una cápsula hemisférica o un domo achatado en la parte superior o una placa sustancialmente plana, de conformidad con la forma de la superficie primaria (23) a ser enfriada. 6.- El electrodo de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 2 a 5, caracterizado además porque el primer tubo (19) se proyecta desde el tubo (12) sobre el lado opuesto a la cubierta (14) y es conectado a un reborde de entrada (21 ) del líquido de enfriamiento. 7.- El electrodo de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado además porque el espaciamiento (Ld) entre las secciones de salida de los canales (20) está en el intervalo de 3 a 15 veces el diámetro (d¡) de los canales (20). 8. - El electrodo de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado además porque la anchura del espacio disminuye de la superficie primaria (23) hacia una superficie lateral secundaria (24) de la cavidad (50). 9. - El electrodo de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado además porque la primera porción del espacio, en la superficie principal (23), tiene una anchura (H) en el intervalo desde 5 hasta 30 mm. 10. - El electrodo de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado además porque una segunda porción (25) del espacio el cual es distal hacia la primera porción de acero (4, 5), en la superficie secundaria (24), tiene una anchura en el intervalo desde 2 hasta 12 mm.

1 - El electrodo de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado además porque la segunda porción (25) del espacio está conectada a un segundo tubo de escape (26) del líquido de enfriamiento. 12.- El electrodo de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado además porque el líquido de enfriamiento es agua. 13.- Un proceso para enfriar un electrodo de la reivindicación 1 , que comprende los siguientes pasos: - llenar el espacio provisto entre la cavidad (50) y el medio de enfriamiento (3) con un líquido de enfriamiento; -introducir continuamente líquido de enfriamiento adicional dentro del primer tubo (19), con lo cual el líquido de enfriamiento alcanza el recolector (17); -enfriar en primer lugar el electrodo por una fuga continua de una pluralidad de chorros de líquido de enfriamiento, a través de la pluralidad de canales (20), los cuales golpean sustancialmente perpendicularmente las porciones correspondientes de la superficie primaria (23) en la primera porción del espacio; - en segundo lugar enfriar el electrodo por medio de un flujo descendiendo subsecuente del líquido de enfriamiento en la segunda porción (25) del espacio. 14.- El proceso de enfriamiento de conformidad con la reivindicación 13, caracterizado además porque la presión del líquido de enfriamiento dentro del recolector (17) está en el intervalo desde 1 hasta 15 barg, y la velocidad (vChorro) de los chorros que salen de los canales (20) tiene un valor máximo de 50 m/s. 15.- Un horno de arco eléctrico de corriente directa para fundir metales comprende al menos un electrodo de la reivindicación 1 en su parte inferior.