MX2012011023A - Procedimiento y dispositivo para el patentado de alambre por transferencia de calor por radiacion-conveccion. - Google Patents

Abstract

La invención se refiere a un procedimiento y dispositivo de enfriamiento de alambre para procesos de patentado, donde el dispositivo comprende un bloque de material que tiene una capacidad térmica muy elevada con un canal adaptado para permitir el paso de un alambre para enfriar y al menos un conducto para la circulación de un fluido de enfriamiento, y además comprende al menos una tobera capaz de inyectar un chorro de fluido turbulento hacia el alambre a enfriar. El chorro turbulento es capaz de producir un enfriamiento en el momento y en las medidas necesarias para el proceso de patentado, superando as la necesidad de utilizar baños de plomo.

Description

PROCEDIMIENTO Y DISPOSITIVO PARA EL PATENTADO DE ALAMBRE POR TRANSFERENCIA DE CALOR POR RADIACION- CONVECCION Campo de la Invención La presente invención se aplica al patentado de alambre. Más concretamente, se refiere a un procedimiento y un dispositivo para el patentado de alambre de alto carbono.

Antecedentes de la Invención En los procesos de producción de alambre, el acero de inicio (en forma de alambrón) es trefilado. La operación de trefilado da las propiedades metalográficas y mecánicas del material que no son aconsejables para su uso posterior. Por esta razón se hace necesaria una etapa de patentado, que nuevamente da al alambre las características adecuadas, o bien sea para continuar el proceso o como producto final.

El patentado es un tratamiento de calor de transformación isotérmica que consiste en una austenización del acero alrededor de unos 900°C (puede variar dependiendo del contenido de carbono) y un enfriamiento rápido hasta 550°C. El resultado es una estructura de perlita fina (troostita) dando al alambre una elevada resistencia así como una buena ductilidad. Actualmente, la mayoría de fabricantes de alambre utiliza hornos de llama abierta o lecho fluido de alta temperatura y baños de plomo en la etapa de enfriamiento rápido para patentar.

El uso de plomo en enfriamiento significa que aparece como un contaminante en las etapas posteriores (enfriamiento del alambre en agua, limpieza de óxido con ácidos, lavado, incluso en el baño de zinc en el caso ser galvanizado). Este clasifica los residuos como especiales, haciendo necesario su tratamiento y eliminación por parte de una empresa gestora de residuos. La alta toxicidad del plomo hace necesario buscar alternativas.

Por lo tanto, en búsqueda de nuevos procesos de patentado hay que tener en cuenta que sean ambientalmente sostenibles y eficientes energéticamente, así como saludables para el usuario.

La patente ES 2039708 T3 describe un proceso de patentado de alambre utilizando uno o varios tubos llenos con un gas, desprovisto de ventilación forzada, modulando los intercambios de calor a lo largo del recorrido de enfriamiento del alambre y variando las dimensiones de los tubos, su longitud y su disposición en línea. El proceso descrito en este documento es un proceso de transferencia de calor basado en convección natural en un gas y la posterior conducción de calor a través de la pared del tubo al fluido refrigerante que circula por un canal anular coaxial. Este proceso presenta los problemas de tener poca eficiencia energética, deficiente modulación de calor, compleja adaptabilidad a alambres de diferentes diámetros, la longitud considerable del dispositivo para alcanzar el grado de enfriamiento deseado del alambre, y costo elevado de la instalación. En particular, como puede deducirse la lectura de la descripción del sistema, la transferencia de calor durante la fase de enfriamiento depende casi exclusivamente de la velocidad de flujo del fluido refrigerante y su temperatura media logarítmica. Debe resultar una diferencia de temperatura media menor logarítmica desde el proceso discutido de transferencia de calor; en consecuencia, a fin de que el flujo específico de calor a través de la pared del tubo en contacto interno con el gas sea grande, el flujo necesario del fluido de enfriamiento debe ser alto; y hay que tener en cuenta que el agua es un recurso escaso. Por otra parte, puesto que el gas inerte que llena cada sector de tubo es prácticamente inmóvil, se calienta progresivamente, acumulando calor, que es en detrimento de la eficacia del procedimiento para la transferencia de calor desde el alambre al fluido de enfriamiento.

Objetivo de la Invención Estos inconvenientes y problemas, entre otros, quedan resueltos por el sistema y procedimiento de enfriamiento de alambres de la invención. La invención propone un procedimiento de patentado de alambre que comprende una etapa de enfriamiento, y donde tal etapa de enfriamiento se produce mediante la aplicación de un chorro de fluido turbulento hacia la superficie del alambre. Preferiblemente, el chorro turbulento es producido por al menos una tobera de chorro plano situada de manera que el chorro sea perpendicular a la superficie del alambre.

El procedimiento comprende opcionalmente una etapa de calentamiento en línea del alambre, antes de tal etapa de enfriamiento, que es utilizado para alcanzar la temperatura de austenización de los alambres que circulan por su interior. Puede comprender además una etapa de estiramiento antes de la entrada en el sistema de calentamiento y una etapa de limpieza previa, mediante la cual se eliminan todos los restos de lubricantes procedentes de la etapa de estiramiento anterior. Un sistema de calentamiento por medio de corrientes de inducción electromagnética individualmente alambre-por-alambre se puede utilizar en la etapa de calentamiento. El tránsito de todo el cable en el proceso se realiza preferiblemente en ausencia completa de oxígeno.

La invención se refiere también a un dispositivo para llevar a cabo los procedimientos descritos anteriormente. Tal dispositivo comprende un bloque de material que tiene una capacidad térmica muy elevada con un canal adaptado para permitir el paso de un alambre a enfriar y al menos un conducto para la circulación de un fluido de enfriamiento, y además comprende al menos una tobera capaz de inyectar un chorro de fluido turbulento hacia al alambre a enfriar. Las toberas son preferiblemente, las toberas de chorro plano y el dispositivo es simétricamente axial. Opcionalmente, comprende medios para modular la intensidad de transferencia de calor desde el alambre. También preferiblemente, el número de toberas está predeterminado en función de una tasa de enfriamiento asignada y las mismas están orientadas de acuerdo a los radios perpendiculares al eje principal del bloque.

Como un resultado del dispositivo y procedimiento de la invención se sustituyen los procesos de patentado de alambre actuales, que utilizan: ácido sulfúrico/clorhídrico en sus sistemas de limpieza y plomo en sus baños de enfriamiento, y consumen gran cantidad de energía.

El número de toberas, sus dimensiones geométricas, longitud, ancho de la ranura de salida, ángulo del cono, etc., así como la relación entre ellos y su orientación con respecto a la normal a la superficie del alambre puede variar según sean las necesidades del proceso de transferencia de calor por convección desde el alambre caliente.

Breve Descripción de las Figuras Con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención de acuerdo a una modalidad práctica preferida de lo mismo, la siguiente descripción se acompaña de un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo se ha representado lo siguiente: Figura 1 es un esquema general del sistema de enfriamiento de alambre patentado objeto de la solicitud de patente.

Figura 2 muestra una vista en corte transversal y una vista longitudinal de una de las posibles configuraciones de toberas, conductos de gas y conductos de fluido de enfriamiento que responden a los requisitos fluido-dinámicos y de transferencia de calor descrito anteriormente.

Figura 3 muestra un ejemplo alternativo de la invención, pero mantiene el mismo principio de funcionamiento.

Figura 4 es una gráfica que muestra cómo la no uniformidad del flujo sobre el objeto se traduce en una distribución no uniforme de temperatura y de transferencia de calor sobre su superficie.

Descripción Detallada de la Invención El proceso de patentado comprende preferiblemente una etapa de estiramiento para estirar el alambre, una etapa de limpieza para eliminar posibles residuos de lubricante usados en la etapa anterior y una etapa de calentamiento en línea del alambre hasta la temperatura de austenización. Tras el calentamiento, se produce el enfriamiento sin necesidad de baños de plomo.

Como complemento a los argumentos establecidos anteriormente, la información acerca de los fenómenos físicos en los que el sistema para enfriar el alambre por transferencia de calor de que por los procesos combinados de convección radiación y conducción pueden ser extendidos.

Para extraer calor del alambre sin contacto con una superficie sólida fría, se puede considerar, desde un punto de vista de la práctica industrial, los procesos de transferencia de calor por radiación y por convección.

Dada una superficie de alambre a temperatura elevada, la intensidad de emisión de calor por radiación depende de su temperatura y en la temperatura de la superficie receptora en relación al alambre, ambas a la cuarta potencia, en la emisividad compuesta y del factor de visión, aparte del valor de la constante de Stefan-Boltzmann. De conformidad, en el caso que nos ocupa la variable fuerte es la temperatura a la que se encuentra la superficie receptora.

Supuesta una capacidad calorífica del material de la superficie sólida, su temperatura dependerá de la eficacia con la que se le enfría. Tal enfriamiento puede ser conseguido sea sólo por conducción de calor a través del material sólido hacia las superficies en contacto con el fluido de enfriamiento, por la combinación de tal conducción con un proceso de convección forzada producido por soplado de tal superficie por un gas que se encuentra a temperatura menor.

Es evidente que la capacidad de enfriamiento del proceso de transferencia de calor por la asociación de conducción de calor y convección forzada es considerablemente mayor que la capacidad de enfriamiento sólo por conducción de calor.

La capacidad de transferencia de calor por convección forzada está caracterizada por su número de Nusselt. De todas las técnicas para aplicación de la convección forzada para transferencia de calor en procesos industriales, la que se ha probado más eficaz es el uso de chorros de fluido, si el fluido es un gas, un líquido, o una neblina de gas líquido, teniendo una intensidad de turbulencia elevada, que se consigue por medio de toberas, principalmente las mencionadas como toberas de chorro plano. La tobera de chorro plano, cuya ranura longitudinal se hace coincidir con la dirección del eje del cuerpo cilindrico sobre el que se proyecta el chorro de gas, es la configuración óptima por las siguientes razones: 1. La relación de la distancia de la sección de descarga de la tobera a la superficie que recibe el chorro, con respecto al ancho de su ranura, es constante a lo largo de toda el área de acción. 2. El núcleo de flujo, es decir el ancho del chorro en el que la velocidad del fluido eyectado es máximo, es constante a lo largo de toda el área de acción. 3. El diámetro hidráulico de la sección de descarga de la tobera, que interviene en la definición del número de Reynolds, es pequeño frente al que corresponde a otras configuraciones geométricas con un área idéntica de la abertura de salida.

Como resultado de la característica anterior, el régimen de la corriente en el chorro es bidimensional, la intensidad de la turbulencia es muy alta y su distribución es uniforme espacialmente. Esto da como resultado una capacidad elevada para la transferencia de calor y el impulso en la superficie que impacta el chorro.

La característica bidimensional de la ranura de salida de la tobera y su orientación longitudinal facilitan la evacuación del chorro una vez impactado en la superficie del sólido con el que intercambia calor, dirigiéndole hacia las superficies de la pared envolvente, enfriándolas.

Con ellas se consigue los valores elevados de número de Nusselt que, estos números se dan en el caso de toberas planas, está dado por en donde c es una constante numérica dependiendo en la configuración geométrica de la tobera - contorno de la superficie, Re es el número de Reynolds, Pr es el número de Prandtl y m, n y p son coeficientes numéricos que dependen de la forma y dimensiones de la tobera, así como de la orientación del chorro con respecto a la normal a la superficie sobre la que el fluido impacta, y muy dependientes en la relación entre la distancia desde la sección de descarga de la tobera a la superficie receptora del chorro y el diámetro hidráulico del último.

En el sistema de enfriamiento de alambre que es objeto de la invención, es precisamente este proceso de transferencia de calor por convección forzada mediante toberas planas que tienen un flujo altamente turbulento el que contribuye en una gran medida a la intensificación de la transferencia de calor, pues no sólo activa el enfriamiento directo del alambre sino también el de toda la superficie receptora el flujo radiante emitido por el alambre y hace disminuir parte del calor conducido por la masa sólida hacia el fluido de enfriamiento, con lo cual se consigue disminuir considerablemente la longitud de conducto necesario para enfriar el alambre y el consumo de fluido de enfriamiento-agua-requerido. El sistema de enfriamiento que se reivindica presenta la novedad de utilizar un circuito de convección forzada altamente eficaz que incorpora las toberas planas generadoras de chorros de gas muy turbulentos, la relación de flujo y temperatura pueden ser regulados a conveniencia. Estos chorros, y el reflujo de gas resultante después del impacto sobre la superficie del alambre, aseguran no solo la obtención de un número de Nusseit muy elevado en el intercambio de calor con el alambre, sino también el control de la temperatura del tubo envolvente que, a su vez, controla el flujo radiante de calor desde el alambre y, en definitiva, la disminución del flujo de fluido de enfriamiento necesario como también a la disminución de la longitud de la instalación .

El dispositivo de tratamiento de calor de la invención es un dispositivo para la transferencia de calor por la combinación adecuada de radiación, convección y conducción, siendo preferiblemente axialmente simétrica, por ejemplo de forma cilindrica. Se compone de un canal, continuo o formado por varios tramos consecutivos de diferente dimensión alineados de acuerdo a un mismo eje, provisto de varias toberas planas orientadas radialmente a través del cual un gas, o una mezcla de gases, un líquido finamente atomizado o una neblina se expulsa en régimen altamente turbulento a una temperatura regulable externamente.

El dispositivo está constituido por un bloque de material (Figura 1) cuya capacidad térmica es muy elevada, en el que se encuentran varios conductos 5 sea para la alimentación de fluido a las toberas 1, sea para la posterior extracción de la cámara, o para la circulación de fluido de enfriamiento a fin de controlar la temperatura del material del bloque y, por consiguiente, para regular la transferencia de calor por radiación - convección del sólido que se desplaza a velocidad regulable por el interior del bloque a través de un canal 9 (Figura 2).

Presenta además medios para modular la intensidad de transferencia de calor desde el sólido en movimiento por control externo de la temperatura del gas, del fluido de enfriamiento, y de sus respectivos flujos. De acuerdo a los elementos detallados en Figura 1, el funcionamiento se describe como sigue: La tobera plana 1 descrita en Figura 1 es utilizada para eyectar un chorro turbulento de gas hacia el alambre que atraviesa el tubo. Una vez el gas ha golpeado sobre la superficie del alambre, es orientado hacia una cámara 2, que es utilizada para recircular tal gas. En el sistema, el gas es introducido en la cámara mediante la impulsión de un soplador 3 de gas que tiene una velocidad variable, y esta bajo presión regulada y velocidad de flujo. Tal gas es introducido a una temperatura controlada mediante el sistema 4 de control de regulación de temperatura programada del gas. El sistema es enfriado mediante los conductos de enfriamiento 5 (del gas recirculado, del tubo de recepción de la radiación emitida por el alambre y las partes sólidas estructurales del sistema). Por tales conductos de enfriamiento circula el fluido de enfriamiento impulsado por una bomba 6 de circulación del fluido del circuito de enfriamiento con regulación de velocidad variable para control del flujo. Tal sistema de enfriamiento incluye una regulación programada para la temperatura 7 del fluido de enfriamiento.

La modulación de la intensidad de transferencia de calor, debido a una velocidad de paso del alambre por el dispositivo de enfriamiento, se consigue regulando la temperatura del gas eyectado por las toberas planas sobre el alambre mediante el sistema 4, regulando el flujo de masa de gas o variando la velocidad de funcionamiento del compresor de gas, o actuando sobre ambos.

A la anterior acción de modulación, básica, contribuye también la que se puede conseguir variando el flujo y temperatura del líquido de enfriamiento, equipo de control de temperatura del líquido de enfriamiento 7, y flujo de líquido impulsado por la bomba 6.

El sistema está designado de manera que se le pueden incorporar medios como cámaras de mezcla, cámaras de neblina, atomizadores, etc., para que el fluido de los chorros proyectados por las toberas planas sea una mezcla de gases, una neblina, un líquido atomizado o un vapor de producto químico que sirvan sea para efectos de transferencia de calor o para efectos químico-reactivos sobre la superficie del sólido en movimiento, por ejemplo: descascarillado por ácido de superficies metálicas, pasivación de superficies de aceros al Cr-Ni mediante niebla de ácido nítrico, reacciones de enlace en la interfase de materiales compuestos, etc.

El número de toberas necesarias es una función de la tasa de enfriamiento del alambre asignada al proceso de convección. Fijada esta tasa, queda determinado el valor del número de Nusselt y, a partir de éste, se calcula el número de Reynolds. El número de Reynolds se expresa Re = ^d^/ donde dh es el diámetro hidráulico de la sección de descarga de la tobera, V es la velocidad del fluido en ella, y v es la viscosidad cinemática del fluido.

El número de Reynolds es un parámetro sin dimensión de medida relativa de las fuerzas de inercia respecto a las fuerzas viscosas en una corriente de fluido. Del valor de este parámetro depende el valor del número de Nusselt que, a su vez, define el coeficiente de transferencia de calor. Conocido el número de Reynolds, se desarrolla un proceso de optimización fluido-dinámico en el que intervienen de modo interactivo la longitud de tobera, el ancho de la sección de descarga de la misma y la separación entre ellas, quedando determinado de esta manera su número. El proceso de optimización comporta la comparación de los resultados analíticos obtenidos aplicando las correlaciones empíricas disponibles.

La orientación de las toberas en las aplicaciones más importantes está definida por la dirección del chorro que eyecta, habitualmente de acuerdo a la línea normal a la superficie sobre la que impacta. En el caso que nos ocupa, sobre la superficie del alambre. No obstante, cabe aplicar otras orientaciones en búsqueda de una mayor superficie de contacto del chorro con la superficie del alambre, existiendo un compromiso entre tal orientación y la uniformidad del campo de temperaturas en la superficie de impacto.

Figura 4 muestra cómo la no uniformidad del flujo sobre el objeto se traduce en una distribución no uniforme de temperatura y de transferencia de calor sobre su superficie.

La regulación externa del flujo de masa de gas y su temperatura se llevan a cabo externamente conforme al esquema del sistema mostrado en Figura 1. La regulación del flujo de masa se realiza variando la velocidad del motor de accionamiento del sistema de soplado conforme a una rutina que está determinada por la curva característica del sistema de soplado instalado. La señal necesaria para aplicar la rutina de regulación procede de uno, o dos, sensores de presión instalados en el circuito de gas. La regulación de la temperatura del gas se consigue mediante un intercambiador de calor externo cuyo flujo de fluido de enfriamiento se establece mediante una rutina cuya señal procede de los termopares instalados en el circuito de gas. La regulación puede ser on-off, proporcional o proporcional-integral, según sea la precisión deseada para el valor de la temperatura del gas en la descarga de las toberas.

Por control on-off se entiende todo-nada. Por ejemplo fijada una temperatura de referencia en el circuito de N2, cuando el termopar de medida de la temperatura a la salida del sistema de soplado detecta una diferencia de temperatura respecto a la de referencia, se produce una señal mediante la cual se actúa sobre el intercambiador de calor externo cerrando o abriendo totalmente la válvula de paso de agua por el intercambiador (una etapa de regulación).

La regulación diferencial se implementa utilizando la diferencia de temperatura leída en la corriente de N2, antes del intercambiador de calor y después del sistema de soplado y, de acuerdo con la banda proporcional del regulador, se abre o se cierra proporcionalmente la válvula de paso de agua por el intercambiador.

En el control integral se combina la medida de diferencia de temperatura y la del flujo impulsado por el sistema de soplado para integrarlas mediante una rutina que determina sea la regulación del flujo del sistema de soplado, sea la diferencia de temperatura del gas al paso por el intercambiado externo, sea ambas para alcanzar un estado operativo de máxima eficiencia energética .

Claims (13)

REIVINDICACIONES

1. Procedimiento de patentado de alambre que comprende una etapa de enfriamiento, caracterizado porque la etapa de enfriamiento se produce mediante la aplicación de un chorro de fluido turbulento hacia la superficie del alambre.

2. Procedimiento de acuerdo a la reivindicación 1, en donde el chorro turbulento es producido por al menos una tobera de chorro plano situada de manera que el chorro es perpendicular a la superficie del alambre.

3. Procedimiento de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 2, que comprende una etapa de calentamiento en línea para calentar el alambre hasta la temperatura de austenización , antes de la etapa de enfriamiento.

4. Procedimiento de acuerdo a la reivindicación 3, porque comprende además una etapa de estiramiento antes del calentamiento.

5. Procedimiento de acuerdo a la reivindicación 4, que comprende una etapa de limpieza previa, mediante la cual se eliminan todos los residuos de lubricantes procedentes de la etapa de estiramiento anterior.

6. Procedimiento de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones 3-5, en donde el calentamiento se produce por medio de corrientes de inducción electromagnética de forma individual alambre por alambre.

7. Procedimiento de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde todo el tránsito del alambre se realiza en total ausencia de oxígeno.

8. Dispositivo para enfriamiento de un alambre para procesos de patentado, que comprende un bloque de material de capacidad (8) térmica muy elevada con un canal (9) adaptado para permitir el paso de un alambre a enfriar y al menos un conducto (5) para la circulación de un fluido de enfriamiento, caracterizado porque además comprende al menos una tobera (1) capaz de inyectar un chorro de fluido turbulento hacia la superficie del alambre.

9. Dispositivo de acuerdo a la reivindicación 8, en donde las toberas son de chorro plano y están situadas de manera que el chorro inyectado es perpendicular a la superficie del alambre.

10. Dispositivo de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones 8-9, en donde el dispositivo es de simetría axial.

11. Dispositivo de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones 8-10, que comprende además medios para modular la intensidad de transferencia de calor desde el alambre con respecto a la velocidad de paso del mismo.

12. Dispositivo de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones 8-11, en donde el número de toberas está predeterminada dependiendo de una tasa de enfriamiento asignada.

13. Dispositivo de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones 8 - 12, en donde las toberas están orientadas de acuerdo a radios perpendiculares al eje principal del bloque.