MX2014003764A - Horno con ladrillos refractarios que definen canales de enfriamiento para medios gaseosos. - Google Patents

Abstract

Se proporciona un horno conveniente para procesos metalúrgicos, que comprende al menos una sección compuesta por ladrillos refractarios con una placa de cuerpo exterior adyacente a los ladrillos refractarios, incluyendo ladrillos exteriores cuyas caras exteriores adyacentes a la placa de cuerpo definen canales de enfriamiento de medios gaseosos extendiéndose a lo largo de la parte exterior de los ladrillos refractarios entre ellos y la placa de cuerpo. El horno además comprende placas de enfriamiento dentro de los canales de enfriamiento y uniones entre las hileras sucesivas de ladrillos. Ventajosamente, la conductividad de las placas de enfriamiento es por lo menos 5 veces la conductividad del revestimiento refractario en el cual se inserta. Materiales adecuados incluyen cobre y aleaciones basadas en cobre, latones, bronces, hierros fundidos, aleaciones de aluminio, plata, aceros de alta temperatura, metales refractarios y sus aleaciones, grafito, carburo de silicio y nitruro de aluminio.

Description

HORNO CON LADRILLOS REFRACTARIOS QUE DEFINEN CANALES DE ENFRIAMIENTO PARA MEDIOS GASEOSOS CAMPO TÉCNICO La presente invención se refiere a hornos adecuados para procesos metalúrgicos y particularmente a hornos que tienen paredes laterales de ladrillo refractario, o un ladrido refractario, hogar o techo y sistemas de enfriamiento con medios gaseosos.

ANTECEDENTES Los hornos empleados en procesos metalúrgicos, típicamente tienen un crisol que consiste de un revestimiento refractario, compuesto ya sea de ladrillos, bloques o refractarios monolíticos, con una cubierta exterior adyacente o algunos otros medios para soporte para el revestimiento refractario. Estos hornos contienen un baño de metal fundido o mata, usualmente con una capa de escoria superpuesta.

Debido a la naturaleza agresiva de muchas escorias producidas en procesos metalúrgicos, se requiere enfriamiento para congelar una capa de escoria en la superficie interior del recipiente para mantener una pared lateral estable. Como se discute por Voermann et al., Furnace Cooling Desígn for Modern High Intensity Pyrometallurgical Processes (Proceedings at the Copper 99 -Cobre 99 International Conference, Phoenix, AZ, U.S.A.), el enfriamiento requerido está dictado por las condiciones de proceso en el recipiente. Para mantener el revestimiento de crisol en equilibrio, el flujo térmico de proceso impuesto por el proceso debe ser acoplado por la capacidad de eliminación de calor del sistema de enfriamiento.

En la práctica, un amplio intervalo de flujos térmicos se encuentra en diversos hornos metalúrgicos. Los flujos térmicos dependen de la intensidad del proceso y si la contención es para escoria o metal. Los flujos térmicos típicamente pueden estar en el intervalo desde un valor bajo de aproximadamente 5 kW/m2, que puede retirarse por enfriamiento con aire natural, a más de 2,500 kW/m2, que requiere enfriamiento con intensa agua forzada. En general, para flujos térmicos en el intervalo inferior, aproximadamente 15 kW/m2 o menos, de enfriamiento con aire forzado de la placa de cuerpo del horno pueden emplearse. Para flujos térmicos sobre aproximadamente 15 kW/m2, algún tipo de enfriamiento con agua en general se adopta para evitar sobrecalentamiento de la placa de cuerpo del horno y miembros estructurales.

Debido al riesgo potencial de una explosión en el caso de que material fundido desde el interior del horno haga contacto con agua en el sistema de enfriamiento, es conveniente evitar utilizar agua como el medio de enfriamiento cuando sea posible. Por esta razón, puede ser conveniente utilizar un sistema de enfriamiento de horno que no utiliza agua como un fluido de enfriamiento. Aunque sistemas de enfriamiento con aire típicos no pueden igualar a la capacidad de eliminación de calor de los sistemas de enfriamiento con agua, tienen un intervalo de temperatura operativa más amplio y por lo tanto ofrecen ventajas significativas en aplicaciones de enfriamiento cuando se requieren velocidades de eliminación de calor ajustables.

Una cantidad de sistemas de enfriamiento de horno se conocen en donde medios gaseosos se utilizan como el fluido de enfriamiento. Por ejemplo, la patente de los E.U.A. No. 5,230,617 (Klein et al.) describe un montaje de enfriamiento en el que una cantidad de cubiertas de metal circundan a un horno cilindrico. Cada cubierta forma una cámara de enfriamiento hueca a través de la cual se hace circular aire, y en la cual se atomiza agua para mejorar el efecto de enfriamiento. Sin embargo, la introducción de vapor de agua en el sistema complicará el sistema de suministro de aire de enfriamiento, y creará problemas de corrosión que impactan en la selección de material. Ambos de estos aspectos incrementarán complejidad y costo.

La patente de los E.U.A. No. 1,674,422 otorgada a Alien, Jr. et al., describe una pared de horno enfriada por aire en donde soportes de fundición sostienen paredes refractarias separadas por espacios para circulación de aire. La patente de los E.U.A. No. 3,315,950 otorgada a Potocnik et al., describe una pared de cámara de calentamiento para un horno, en donde la pared tiene un espacio interior a través del cual se deja que circule aire. La patente de los E.U.A. No. 3,777,043 (O'Neill) describe un canal de circulación de aire anular formado dentro de la pared de horno refractario. La patente de los E.U.A. No. 4,199,652 (Longenecker) describe canales en forma de J formados entre la pared de horno refractario y la cubierta exterior de metal de un horno. La patente de los E.U.A. No. 6,251,237 (Bos) describe chorros localizados que soplan directamente sobre la cubierta con flujo variable para recipientes electrolíticos de aluminio Hall-Heroult .

En la patente anteriormente mencionada otorgada a O'Neill, y en la patente de los E.U.A. No. 1,751, 008 (La France) , la estructura de la pared lateral de horno refractario se modifica para proporcionar área superficial incrementada para mejorado enfriamiento. Con La France, se logra al formar costillas y canales verticales en las superficies exteriores de los bloques que constituyen las paredes refractarias. En O'Neill, los canales de enfriamiento anulares pueden elaborarse en la forma de "rutas tortuosas" al utilizar ladrillos de diversas longitudes. Mientras que estas técnicas pueden ayudar a permitir mejorada capacidad de eliminación de calor, es extremadamente difícil distribuir el aire uniformemente sobre la pared, un problema que empeora conforme el horno envejece debido a desplazamiento y movimiento de ladrillos. También, la adición de aire en los ladrillos tras la placa de cubierta no será factible en muchos hornos ya que el aire reaccionará con los productos de horno, por ejemplo gas CO, metales, etc. Para algunas aplicaciones, este método es de valor limitado ya que no proporciona suficiente capacidad de enfriamiento.

De esta manera, conocidos montajes de medios de enfriamiento gaseosos para hornos metalúrgicos, en general proporcionan insuficiente enfriamiento y/o son indebidamente complejos, requiriendo paredes laterales de hornos especialmente construidas. Estos sistemas también son relativamente costosos y no pueden ser adaptados prácticamente a instalaciones de hornos existentes.

COMPENDIO DE LA INVENCIÓN El siguiente compendio se pretende que introduzca al lector a la descripción más detallada siguiente para no definir o limitar la materia reivindicada.

De acuerdo con un primer aspecto de la presente materia, un horno se proporciona que es adecuado para procesos metalúrgicos, que comprende cuando menos una sección positiva por ladrillos refractarios con una placa o cubierta exterior adyacente a los ladrillos refractarios, incluyendo ladrillos exteriores cuyas caras externas adyacentes a la placa de cuerpo definen canales de enfriamiento de medios gaseosos que se extienden sobre el exterior de los ladrillos refractarios entre ellos y la placa de cuerpo. El horno además comprende placas de enfriamiento dentro de los canales de enfriamiento y juntas entre las hileras sucesivas de ladrillos. Ventajosamente, la conductividad de las placas de enfriamiento es cuando menos 5 veces la conductividad del revestimiento refractario en el cual se inserta. Materiales convenientes incluyen cobre y aleaciones basadas en cobre, latones, bronces, hierros fundidos, aleaciones de aluminio, plata, aceros para alta-temperatura, metales refractarios y su aleaciones, grafito, carburo de silicio, y nitruro de aluminio .

Ventajosamente, los canales de enfriamiento de medios gaseosos se alinean con las juntas entre hileras sucesivas de ladrillos de la sección de ladrillos refractarios. Más ventajosamente, los canales se definen por rebajos complementarios sobre porciones superiores e inferiores adyacentes respectivamente de las hileras sucesivas de ladrillos exteriores. En algunos ejemplos, la sección de ladrillos refractarios es una pared lateral del horno.

En ciertas modalidades, los ladrillos exteriores se ahusan en sus caras externas de manera tal que hileras sucesivas de ladrillos exteriores en conjunto definen canales de enfriamiento de medios gaseosos entre la pared lateral y la placa de cuerpo que tienen una sección transversal generalmente triangular. En algunas modalidades, el medio de enfriamiento gaseoso es aire. En otras modalidades, el gas puede ser nitrógeno, dióxido de carbono, argón o una combinación u otros gases convenientes.

En algunas modalidades, el horno también incluye entradas en la placa de cuerpo exterior a través de las cuales el medio de enfriamiento gaseoso puede entrar a los canales y salidas a través de las cuales el gas se descarga de los canales de enfriamiento. En algunos ejemplos, el horno incluye un ventilador para soplar aire en las entradas y a través de los canales de enfriamiento.

De acuerdo con otro aspecto de la presente materia, se proporciona un conjunto de ladrillos refractarios para utilizar en el exterior de una pared lateral refractaria de un horno metalúrgico que tiene una placa de cuerpo exterior adyacente a y que soporta esta pared lateral, cada uno de los ladrillos comprende una cara externa para orientarse adyacente a la placa de cuerpo exterior, las caras externas de los ladrillos tienen perfiles tal que en uso en el exterior de una pared lateral refractaria, definen canales de enfriamiento con medio gaseoso que se extienden en general sobre el exterior de esta pared lateral, entre la pared lateral y la placa de cuerpo.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Para que la materia reivindicada pueda ser más completamente comprendida, se hará referencia a los dibujos acompañantes, en donde: La Figura 1 es una vista en elevación lateral de un horno metalúrgico de acuerdo con una modalidad de la invención; La Figura 2 es una vista lateral en sección transversal que se toma sobre la linea II - II de la Figura 1; La Figura 3 es una vista lateral detallada de la porción de la Figura 2 indicada por el circulo III; La Figura 4 es una vista lateral detallada de acuerdo con otra modalidad; La Figura 5 es una vista isométrica lateral detallada de una porción del exterior del horno de la Figura 1; La Figura 6a es una vista isométrica esquemática, parcialmente en corte, de otra modalidad; La Figura 6b es una vista en sección transversal de la modalidad de la Figura 6a; La Figura 7a es una vista isométrica esquemática, parcialmente en corte de otra modalidad; La Figura 7b es una vista en sección transversal de la modalidad de la Figura 7b; La Figura 7c es una vista detallada de una porción de la modalidad de las Figuras 7a y 7b; La Figura 8 es una vista isométrica de otra modalidad; La Figura 9 es una vista lateral de otra modalidad; La Figura 10 es una vista lateral de otra modalidad; La Figura 11 es una vista lateral de otra modalidad.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE MODALIDADES En la siguiente descripción, se establecen detalles específicos para proporcionar ejemplos de la materia reivindicada. Sin embargo, las modalidades descritas a continuación no se pretende que definan o limiten la materia reivindicada. Será aparente para aquellos con destreza en la técnica que muchas variaciones de las modalidades específicas pueden ser posibles dentro del alcance de la materia reivindicada.

Como se muestra en los dibujos, el horno 12 tiene paredes laterales rectangulares 14 que se extienden entre una porción superior 15 y una porción inferior 16 del horno 12, la porción inferior 16 comprende un hogar 18 y una base 20. Tanto el hogar 18 como la pared lateral 14 se forman de un material refractario, de preferencia ladrillos refractarios 30. Circundando a la pared lateral refractaria, el hogar y la base del horno, está una cubierta de metal estructural 22, que tiene una pared interior 24 en contacto con la pared lateral 14, horno 18 y base 20, y una superficie exterior opuesta 26 en contacto con columnas de soporte 28.

Los ladrillos refractarios 30 de la pared lateral 14 son de dos tipos: ladrillos regulares 32 (que tienen un prisma rectangular convencional o forma cuboide) , y ladrillos de canal de forma especial 34 que tienen bordes exteriores ahusados 36. En las modalidades de las Figuras 3 y 4, los bordes ahusados contiguos 36 de hileras sucesivas de ladrillos de canal 34 definen con la cubierta 22 pasajes de enfriamiento horizontales de forma generalmente en cuña 40. Medio de enfriamiento gaseoso tal como aire se introduce mediante un soplador (no mostrado) a través de entradas 60 que comunican con los canales de enfriamiento 40. El medio de enfriamiento gaseoso pasa horizontalmente sobre los canales de enfriamiento 40 absorbiendo calor de la pared lateral 14 y subsecuentemente se descarga a través de salidas 62.

En la modalidad mostrada en la Figura 3, placas de enfriamiento de cobre 50 se emparedan entre hileras sucesivas de ladrillos de canal 34, y se extienden hacia afuera en los pasajes de enfriamiento 40. Los ladrillos de canal 34 son ligeramente más cortos que los ladrillos regulares 32 para acomodar las placas de enfriamiento 50 mientras que mantienen alineamiento de los ladrillos de canal 34 y los ladrillos regulares 32 en la misma hilera. Las placas de enfriamiento 50 aumentan el enfriamiento de la pared lateral 14 al conducir calor hacia fuera a los pasajes de enfriamiento 40 cuando el calor se transfiere y retira por convección.

En la modalidad de la Figura 5, pasajes de enfriamiento horizontales similares 40a se definen por la cubierta 22 en combinación con lados de ranura 36a en la cara externa de los ladrillos de canal 34a.

Hay una cantidad de configuraciones de entrada y salida posibles que pueden aplicarse a un sistema de enfriamiento de medio gaseoso en un horno circular. Por ejemplo, una o más entradas pueden proporcionarse en un extremo de la pared, y una o más salidas pueden proporcionarse en el otro extremo de la pared, de manera tal que las rutas de circulación de medio gaseoso 62, 64 se extienden horizontalmente sobre la pared entre la o las entradas y la o las salidas. En forma alterna, cada extremo de la pared puede proporcionarse con t una o más entradas, con el medio gaseoso que fluye hacia una o más salidas situadas centralmente entre los extremos de la pared. Se apreciará que otras configuraciones de entrada/salida son posibles.

Cuando se aplica a un horno rectangular, un miembro de cubierta separado de preferencia se aplica a cada pared que se enfria, con cada pared que de preferencia se proporciona con al menos una entrada y al menos una salida. Se apreciará que el sistema de enfriamiento también puede aplicarse a hornos circulares u ovales.

Pasando a las Figuras 7a y 7b, la pared 114 de un horno comprende una pluralidad de ladrillos 132, 134 que se colocan de manera tal que en hileras sucesivas alternas de ladrillos, se proporciona un espacio entre el borde de ladrillo 134 y la pared interior de la cubierta 122 que define un canal de enfriamiento 140. Medio de enfriamiento gaseoso pasa horizontalmente sobre los canales de enfriamiento 140 absorbiendo calor desde la pared lateral 114 y subsecuentemente descargándolo a través de salidas. Varillas de enfriamiento fundidas 199 se extienden a través de los ladrillos 132 y en los canales de enfriamiento 140. Las varillas fundidas 199 mejoran el enfriamiento.

Pasando a las Figuras 8a y 8b, los ladrillos 234 tienen bordes ahusados 236 que definen canales en forma de cuña 40 similares a la modalidad mostrada en la Figura 3. Placas de enfriamiento de cobre 250 se emparedan entren hileras sucesivas de ladrillos 234. En este caso, las placas de enfriamiento 250 terminan en dedos 299 que se extienden en los canales de enfriamiento 240 para mejorar el efecto de enfriamiento.

La presente materia puede aplicarse de manera tal que los canales de enfriamiento se conforman como circulares, rectangulares o de cualquier forma que pueda fácilmente constituirse o cortarse en un ladrillo refractario o refractario vaciado. Los canales de enfriamiento pueden ser orientados de manera horizontal, vertical o diagonal.

Otra modalidad se muestra en la Figura 9, en donde un conducto de medio de enfriamiento metálico 241 se inserta en la cavidad formada por los ladrillos 242. Placas de enfriamiento conductoras 243 se insertan entre los ladrillos y conectan al conducto de medios de enfriamiento 241. Las placas se conectan ya sea por soldadura, pernos, machihembrados 244, o sujetadores para mantener contacto térmico. Ventajosamente, la conexión se diseña de manera tal que la expansión térmica aumenta la presión de contacto.

Otra modalidad se muestra en la Figura 10, en donde un conducto de medio de enfriamiento metálico 245 se inserta en la cavidad formada por los ladrillos. Placas conductoras 246 se insertan entre los ladrillos y sujetan por el conducto de enfriamiento 245. Fuerzas de sujeción se ejerce por soldadura, pernos, sujetadores 247, o al formar el conducto de medio de enfriamiento 245 para producir un resorte de sujeción. Ventajosamente, la conexión se diseña de manera tal que la expansión térmica aumenta la presión de contacto.

Otra modalidad se muestra en la Figura 11, en donde un conducto de medio de enfriamiento metálico es 248 insertada en la cavidad 249 que se forma por los ladrillos. Placas de enfriamiento conductoras 250 se insertan entre los ladrillos y penetran el conducto 248 para estar en contacto directo con el medio de enfriamiento. Fuerzas de sujeción se ejercen por pernos, sujetadores 251, o al formar el canal para producir un resorte de sujeción. Ventajosamente, la conexión se diseña de manera tal que la expansión térmica aumenta la presión de contacto.

Otra modalidad se muestra en la Figura 12, en donde el conducto de medio de enfriamiento 252 se inserta en una cavidad ubicada en un punto intermedio entre la cara fría 253 y la cara caliente 254 del revestimiento. Las placas conductoras 255 se insertan entre los ladrillos y conectan al conducto 252. Las placas 255 se conectan ya sea por pernos, machihembrados 256, o sujetadores para mantener el conecto térmico. Ventajosamente, la conexión se diseña de manera tal que la expansión térmica aumenta la presión de contacto.

Mientras que el medio de enfriamiento gaseoso típicamente es aire, en algunas modalidades, el medio de enfriamiento puede ser nitrógeno, dióxido de carbono o un gas inerte para evitar oxidación de los canales de enfriamiento, placas conductoras o reacciones indeseadas en el recipiente de proceso.

Se apreciará por aquellos con destreza en la técnica que son posibles muchas variaciones dentro del alcance de la materia reivindicada. Las modalidades que se han descrito anteriormente se pretenden ilustrativas y no definen o limitan.

Por ejemplo, mientras que las modalidades anteriores se refieren a paredes de horno, la presente materia también puede aplicarse a hogares o techos formados de ladrillos refractarios montados por una cubierta exterior.

Claims (17)

REIVINDICACIONES

1. Un horno adecuado para procesos metalúrgicos, caracterizado porque comprende: un hogar, cuando menos una pared lateral refractaria, y una placa de cuerpo exterior adyacente a y que soporta la pared lateral; la pared lateral incluye ladrillos exteriores que tiene caras externas adyacentes a la placa de cuerpo, al menos algunos de estos ladrillos exteriores tienen caras externas perfiladas para definir canales de enfriamiento de medio gaseoso que se extienden sobre el exterior de la pared lateral, entre la pared lateral y la placa de cuerpo, en donde los canales se alinean con juntas entre hileras sucesivas de los ladrillos exteriores perfilados; y placas de enfriamiento situadas dentro de los canales de enfriamiento de medio gaseoso y que se extienden en las juntas entre hileras sucesivas del ladrillo exterior perfilado .

2. El horno de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque los canales se definen por rebajos complementarios sobre porciones superiores e inferiores adyacentes respectivamente de hileras sucesivas de los ladrillos exteriores perfilados.

3. El horno de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque los ladrillos exteriores perfilados tienen bordes externos ahusados para definir canales de enfriamiento de medio gaseoso que tienen una sección transversal generalmente triangular.

4. El horno de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado porque las placas de enfriamiento se elaboran de placa de cobre.

5. El horno de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado porque la placa lateral además comprende ladrillos internos remotos de la placa de cuerpo, y en donde los ladrillos de canal perfilados son más cortos que los ladrillos internos para alojar las placas de enfriamiento en hileras contiguas de los ladrillos internos y los ladrillos de canal perfilado.

6. El horno de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado porque además comprende entradas en la placa exterior a través de las cuales el medio de enfriamiento gaseoso puede entrar a los canales, y salidas a través de las cuales el medio gaseoso puede descargarse de los canales.

7. El horno de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado porque además comprende un soplador para forzar medio gaseoso a las entradas y a través de los canales .

8. El horno de conformidad con cualquiera de las' reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el medio gaseoso es aire.

9. El horno de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque además comprende un conducto metálico dentro de los canales, el conducto contiene medio gaseoso, el conducto hace contacto térmico con las placas de enfriamiento.

10. El horno de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado porque el conducto se une a la placa de cuerpo.

11. El horno de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque las de enfriamiento se elaboran de cobre o una aleación de cobre, latón, bronce, aluminio o una aleación de aluminio, metal refractario, grafito, carburo de silicio o nitruro de aluminio .

12. El horno de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque las placas de enfriamiento se conectan al conducto por pernos, tornillos, machihembrados, adhesivo o soldadura.

13. El horno de conformidad con la reivindicación 12, caracterizado porque las placas de enfriamiento se extienden dentro del conducto para hacer contacto térmico al medio de enfriamiento gaseoso.

14. El horno de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 11 a 13, caracterizado porque el conducto aplica una fuerza de resorte a las placas de enfriamiento .

15. El horno de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque las placas de enfriamiento tienen un revestimiento protector resistente a corrosión, oxidación y/o ataque de escoria o metal liquido/mata.

16. El horno de conformidad con la reivindicación 15, caracterizado porque el revestimiento se elabora de níquel o aleación de níquel, cromo o aleación de cromo, aluminio o aleación de aluminio, silicio, carburo de silicio, o cualquier combinación de los mismos.

17. El horno de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes caracterizado porque los ladrillos comprenden termopares taladrados en diversas profundidades para supervisar el espesor de revestimiento y detectar producto.