MX2014012373A - Bomba de burbuja mejorada resistente a ataque por aluminio fundido. - Google Patents
Bomba de burbuja mejorada resistente a ataque por aluminio fundido.Info
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Abstract
Una bomba de burbuja teniendo un interior formado a partir de un material que es resistente al ataque por aluminio fundido. La superficie interior puede ser formada a partir de una cerámica. La cerámica puede ser seleccionada del grupo que consiste de alúmina, magnesia, silicato, carburo de silicio o grafito, y las mezclas. La cerámica puede ser una refractaria vaciable unida a fosfato de Al2O3 al 85%, libre de carbono.
Description
BOMBA DE BURBUJA MEJORADA RESISTENTE A ATAQUE POR
ALUMINIO FUNDIDO
Campo de la invención
La presente invención se refiere a aparato para el recubrimiento de metal fundido sobre acero. De manera más específica, se refiere a bombas de burbuja usadas en años de metal fundido para remover de la superficie escoria del metal fundido en la cercanía de la tira de acero siendo recubierta. De manera más específica, se refiere a la protección del interior de tales bombas de burbuja del ataque por unión y destrucción por el metal fundido.
Antecedentes de la invención
El aluminio fundido y zinc fundido han sido usados durante años para recubrir la superficie de acero. Uno de los pasos de proceso de recubrimiento es sumergir la lámina de acero en el aluminio fundido o zinc fundido. La calidad de superficie de recubrimiento es muy importante para producir productos recubiertos de alta calidad. Sin embargo, la introducción de acero aluminizado para el mercado estadounidenses en 2007 fue un gran reto para las líneas de aluminizado. Ensayos tempranos resultaron en >50% de rechazados debido a los defectos de recubrimiento.
Una de las principales fuentes de defectos fue la escoria que flota sobre el baño de aluminio dentro de la boquilla y que se pega a la tira. Para logar un acabado de superficie de alta calidad, la escoria y óxidos
flotantes en el baño de metal fundido, especialmente en las regiones confinadas dentro de la boquilla, necesitan ser desviados de la superficie que está siendo recubierta. La bomba de escoria neumática de acero al carbón, también referida como bomba de burbuja, ha sido usada para remover la escoria de la zona de recubrimiento. Implementar bombas de boquilla de empujar y tirar para asegurar una superficie de fusión libre de escoria dentro la boquilla hicieron posible un recubrimiento de alta calidad. La bomba de burbuja (alias bomba de escoria) usa la téenica de levantamiento artificial para elevar un fluido, tal como agua o aceite (o en este caso metal fundido), al introducir burbujas de gases comprimidos, aire, vapor de agua u otras burbujas de vapor en el tubo de salida. Esto tiene el efecto de reducir la presión hidrostática en el tubo de salida vs. la presión hidrostática en el lado de entrada del tubo. La bomba de burbuja es usada en el baño de metal fundido de las lineas de recubrimiento de metal para remover la escoria flotante de la superficie del baño aluminizante dentro de la boquilla con el fin de prevenir defectos relacionados con escoria sobre la tira recubierta. Así, la bomba de burbuja es un componente de equipo crítico en la producción de lámina aluminizada automotriz de alta calidad.
Uno de los principales factores que impactan los costos de producción son las fallas de equipo de equipo de marmita aluminizante. Destaca entre las fallas de equipo la falla de la bomba de burbuja (bomba de tracción). La vida de servicio promedio de bombas de burbuja hechas de acero al carbón es de 8-12 horas, resultando en el
uso de 35-40 bombas cada mes (para una producción de 2 semanas). El cambio de bombas de burbuja de acero al carbón durante la producción conduce a la ruptura de producción y contaminación de baño de metal fundido. Además, la “calidad” de la lámina de acero recubierta debe ser degradada (resultando en un producto menos valioso) durante los cambios de bomba de acero al carbón. Además, los cambios de bomba requieren paros y reinicios de línea, conduciendo a consumo excesivo de bobinas de arranque. Las perdidas promedio atribuibles a bombas de burbuja son aproximadamente cercanas a un millón de dólares estadounidenses por año. Un aumento en la vida de la bomba de burbuja reducirá significativamente la cantidad de lámina degradada, y reducirá los tiempos de paro y los costos.
De esta manera, existe la necesidad en la téenica de bombas de burbuja para uso en baños de aluminio fundido que puedan durar significativamente más que bombas de tubo de acero al carbón descubiertas.
Breve descripción de la invención
La presente invención es una bomba de burbuja que tiene un interior formado a partir de un material que es resistente al ataque por aluminio fundido. La superficie interior puede ser formada a partir de una cerámica. La cerámica puede ser seleccionada del grupo que consiste de alúmina, magnesia, silicato, carburo de silicio, o grafito, y las mezclas. La cerámica puede ser una refractaria vaciable unida a fosfato de AI203 al 85%, libre de carbono.
El exterior de la bomba de burbuja puede ser formada a partir de tubería de acero al carbón. La bomba de burbuja puede ser formada a partir de múltiples secciones de tubería unidas. La bomba de burbuja puede incluir 3 piezas rectas de tubería y 3 piezas de codo de tubería. Las múltiples secciones de tubería pueden unirse mediante juntas de bridas de compresión. Las juntas de bridas de compresión pueden comprimir el material de cerámica interior, de manera que el aluminio fundido no puede penetrar la junta. Las juntas de pestaña de compresión del material interior que es resistente a ataque por aluminio fundido pueden formar una junta macho/hembra de ángulo de 45 grados entre las secciones de bomba de burbuja.
Breve descripción de los dibujos
La Figura 1 es un diagrama esquemático, no a escala, de una bomba de burbuja; y
La Figura 2 es una muestra esquemática de una sección transversal de la junta entre piezas de la bomba de burbuja.
Descripción detallada de la invención
Los presentes inventores buscan desarrollar una manera de mejorar el desempeño de bomba y aumentar significativamente la vida de servicio de las bombas, de preferencia a al menos cinco días. Se condujeron investigaciones extensas de los modos de falla de las bombas de burbuja de acero al carbón. Con base en los resultados, los presentes inventores han desarrollado una bomba de burbuja mejorada
con un revestimiento protector cerámico vaciado. Una modalidad de la bomba mejorada ha durado continuamente hasta 167 horas (~7 días) sin falla, demostrando una ventaja de desempeño mayor sobre las 8-12 horas de vida de servicio normalmente experimentada con las bombas de acero al carbón en aluminio fundido Los cambios en el diseño de bomba y la incorporación de un revestimiento refractario vaciado son los factores clave en la mejora.
La Figura 1 es un diagrama esquemático, no a escala, de una bomba de burbuja. La bomba de burbuja incluye: una porción de entrada vertical 1 , un codo 2 que conecta la entrada vertical 1 a una pieza horizontal 3, otro codo 4 conecta la pieza horizontal 3 a una pieza de salida vertical 5, un codo de salida para dirigir el metal que emana, el cual contiene escoria no deseada, lejos de la zona de recubrimiento del baño de metal. Unida a la pieza de salida vertical 5 se encuentra una línea de entrada de gas 6. La línea 6 es usada para inyectar gas hacia el metal fundido para provocar una menor presión en la pata de salida vertical, que resulta en metal que fluye hacia abajo en la entrada vertical 1 y arriba/afuera de la salida vertical 5.
Análisis de modo de falla
La bomba de burbuja con forma de U opera en la marmita de fusión a una temperatura de 668°C (1235°F). La química de la fusión es normalmente Al - 9.5% Si - 2.4% Fe. La entrada de la bomba es posicionada dentro del baño de aluminio fundido, dentro de la boquilla y la salida es posicionada en el exterior de la boquilla. La acción de
bombeo es creada al burbujear nitrógeno en la pata vertical de la bomba en el lado de salida. El nitrógeno a temperatura ambiente es introducido a 40 psi (2.812 kg/cm2) y a velocidades de flujo de ~120 pies cúbicos estándares por hora (scfh, 90-150 scfh) (~3.399 m3 (2.549-4.248 m3/h)). La expansión del nitrógeno crea burbujas que escapan a traves de la salida que expulsa metal líquido de manera simultánea. La expulsión crea una diferencia de presión entre los dos lados de la bomba, generando succión que permite que la fusión y escoria flotante sean succionadas en la entrada. El proceso es continuo, permitiendo por ello la remoción continua de escoria desde el interior de la boquilla y la expulsión al exterior.
Existen tres áreas principales de falla en las bombas de burbuja, en orden de severidad: 1) dentro del cabezal de descarga (codo 6); 2) alrededor de la entrerrosca de entrada de nitrógeno en la sección vertical en el lado de salida (pieza vertical 5); y 3) en el medio de la sección vertical en el lado de entrada (pieza vertical 1). Con el fin de entender mejor el modo de falla, una bomba de acero al carbón regular que falló después de aproximadamente 12 horas de servicio se dividió a la mitad y se analizó. El análisis muestra que la parte inferior horizontal de la bomba está casi Intacta, al tiempo que las secciones de entrada y salida fueron dañadas de manera severa. Además, la pérdida de material ocurre principalmente en el interior de la bomba de burbuja, mientras que el diámetro exterior permanece sin cambiar. El grado de ataque es diferente en diferentes ubicaciones de la bomba.
Modelo de agua de la bomba de burbuja
Los inventores creen que la dinámica de fluido dentro de la bomba afectó el modo de falla. Sin embargo, los factores de diseño los cuales influenciaron el flujo de fluido no fueron bien entendidos. Con el fin de investigar la influencia de turbulencia de fusión, se construyó y operó en agua un modelo de bomba de burbuja de Plexiglás pequeña (escala 1 :2). El modelo permitió la investigación del efecto de presión de gas, posición de entrada, el radio de codo, orientación y forma de la salida sobre la operación y desempeño de bomba. Las características de flujo de agua en la bomba durante la operación normal fueron valoradas y se determinó que las ubicaciones de corrosión y perdida de metal observadas en las bombas con falla corresponden a las ubicaciones de turbulencia dentro del modelo de agua.
Mecanismo de ataque de aluminio
El mecanismo de pérdida de material en la bomba de acero al carbón fue investigado por téenicas metalográficas. Existen varias etapas de ataque de aluminio. En los primeros momentos de contacto de aluminio con la bomba, la capa intermetálica dura y quebradiza se forma en la pared interior como un resultado de la reacción entre el aluminio líquido y la superficie de acero. Esta capa restringe substancialmente la difusión de aluminio y hierro a través de ella y limita ataque adicional sobre el acero. La capa intermetálica sirve así como un recubrimiento cuasi-protector sobre el cuerpo de metal. Sin embargo, siempre que las tensiones mecánicas aparecen en la
superficie, esta capa quebradiza desarrolla micro-grietas y resquebraja la superficie de acero, creando fosos profundos. Debido a que el fondo del foso ya no está protegido por la capa intermetálica, es atacada por la fusión hasta que se forma una nueva capa. Este proceso se repite a si mismo mientras que las tensiones continúan estando presentes en la superficie de acero y la perdida de metal continuará aumentando como un resultado. Las tensiones involucradas en el ataque serán probablemente el resultado de turbulencia de fusión y/o choque de partículas extrañas en ubicaciones susceptibles. El proceso de ataque puede ser caracterizado, por lo tanto, como erosión dinámica por el aluminio líquido.
Así, la falla de bombas de burbuja de acero al carbón en servicio es mediante picaduras dinámicas y desgaste abrasivo (erosión dinámica). El grado de ataque es diferente en diferentes ubicaciones. La superficie exterior de la bomba, que no está expuesta a turbulencia de fusión, sufre menos daño y por lo tanto sobrevive en la fusión con protección mínima. El ataque de fusión y pérdida de metal progresan principalmente desde dentro hacia afuera.
Los presentes inventores han determinado que los recubrimientos, los cuales pueden soportar ataque de aluminio fundido en fusiones estancadas probablemente fallan bajo condiciones de turbulencia experimentadas en la bomba. La fuerte adhesión de recubrimiento a cuerpo de bomba es crucial para la protección bajo tales condiciones dinámicas. Los inventores han determinado además que con el fin de mejorar el desempeño de bomba, es necesario aislar la superficie
interior de la bomba a partir de aluminio fundido. La capa aislante debe ser adherente, espesa y continua. Cualquier abertura en la capa protectora podría conducir a la falla de bomba.
Selección de material refractario para revestimiento protector
Con base en el conocimiento de la investigación de falla y modelado de agua, los presentes inventores desarrollaron una nueva bomba de burbuja. Los requerimientos para materiales de revestimiento protectores fueron: 1 ) materiales no humectantes contra penetración de aluminio líquido; 2) materiales resistentes a choque térmico para evitar precalentamiento; 3) materiales resistentes a la erosión; 4) bajo costo; y 5) flexibilidad de diseño. Con el fin de cumplir los requerimientos, una búsqueda de literatura y una prueba de laboratorio fueron realizadas. Se seleccionó un refractario vaciable unido de fosfato de AI203 al 85%, libre de carbono.
Diseño de bomba inventiva
La forma de la bomba de burbuja de acero al carbón estándar contiene tres secciones de codo de 90 grados. La forma complicada hace difícil vaciar el revestimiento de cerámica dentro de la coraza completa sin juntas. Por lo tanto, fue necesario cortar la coraza en varias secciones, vaciar cada sección por separado y ensamblar la bomba subsecuentemente. También es necesario para la junta de cada parte ensamblada mantener la integridad durante el uso. Para resolver estos requerimientos severos, se aplicaron las siguientes ideas para
ensamblar la bomba: 1 ) juntas macho/hembra de ángulo de 45 grados únicas entre secciones de revestimiento refractario; 2) dos juntas de brida para ensamblar las tres piezas de la bomba, permitiendo que las juntas del revestimiento protector de cerámica sean colocados bajo compresión; 3) revestimiento de cerámica continuo en codos para reducir el ataque de aluminio a traves de las juntas; y 4) modificación de brida en el área de salida para poner el revestimiento de cerámica bajo compresión.
La Figura 2 es representación esquemática de una sección transversal de la junta entre piezas de la bomba de burbuja. La junta consiste de la coraza de acero al carbón 8 de las bombas de burbuja de la téenica anterior, cada pieza de la cual es revestida con la cerámica resistente a metal fundido 9. Los extremos de la cerámica 9, los cuales están colindando uno con otro, están angulados a aproximadamente un ángulo de 45 grados para permitir un buen ajuste de compresión. Las partes de la bomba de burbuja están unidas juntas bajo compresión por las juntas de pestaña 10, usando medios de sujeción 11.
Las juntas de compresión son usadas para mantener la junta de revestimiento protector bajo compresión para sellar la junta de revestimiento protector contra penetración de metal fundido. El revestimiento protector puede ser formado a partir de cualquier material que es resistente a ataque por aluminio fundido, tal como materiales no humectantes contra metales fundidos. Ejemplos de los materiales no humectantes son alúmina, magnesia, silicato, carburo de silicio o grafito, y las mezclas de estos materiales cerámicos.
Claims (10)
1. Una bomba de burbuja que tiene un interior formado a partir de un material que es resistente al ataque por aluminio fundido.
2. Una bomba de burbuja de la reivnidaiconl , en donde dicha superficie interior es formada a partir de una cerámica.
3. La bomba de burbuja de la reivindicación 2, en donde dicha superficie interior es formada a partir de una cerámica seleccionada del grupo que consiste de alúmina, magnesio, silicato, carburo de silicio, o grafito, y las mezclas.
4. La bomba de burbuja de la reivindicación 2, en donde dicha cerámica es una refractaria vaciable unida a fosfato de AI203 al 85%, libre de carbono.
5. La bomba de burbuja de la reivindicación 1 , en donde el exterior es formado a partir de tubería de acero al carbón.
6. La bomba de burbuja de la reivindicación 1 , en donde dicha bomba es formada a partir de múltiples secciones de tubería unida.
7. La bomba de burbuja de la reivindicación 6, en donde las múltiples secciones de tubería incluyen 3 piezas rectas y 3 piezas de codo.
8. La bomba de burbuja de la reivindicación 6, en donde las múltiples secciones de tubería están unidas mediante juntas de bridas de compresión.
9. La bomba de burbuja de la reivindicación 8, en donde dichas juntas de compresión de pestaña comprimen el material de cerámica interior de manera que el aluminio fundido no puede penetrar la junta.
10. La bomba de burbuja de la reivindicación 9, en donde dichas juntas de compresión de brida del material interior que es resistente a ataque por aluminio fundido forman una junta macho/hembra de ángulo de 45 grados entre las secciones de bomba de burbuja.
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