MXPA01006448A - Elemento de enfriamiento de reactor pirometalurgico y su fabricacion - Google Patents

Abstract

La presente invención se refiere a método para fabricar una placa de enfriamiento de reactor pirometalúrgico, placa que se fabricapor moldeo de deslizamiento de cobre térmico altamente conductor y que tiene al menos un canal de flujo de agua de enfriamiento sustancialmente redonda u oval en sección transversal, canal de flujo de agua de enfriamiento se forma en la placa de enfriamiento durante el moldeo, caracterizado porque a fin de mejorar la capacidad de transferencia de calor la placa de enfriamiento, elárea superficial de la pared de al menos un canal de flujo dentro de la placa de enfriamiento se incrementa mediante la formación de una o varias ranuras dentro de la superficie del canal de flujo, mediante un mandril rasurado durante el moldeo o mediante el maquinado de roscas o ranuras tipo rifle después del moldeo.

Description

ELEMENTO DE ENFRIAMIENTO DE REACTOR PIROMETALÚRGICO Y SU FABRICACIÓN La presente invención se refiere a un método de fabricación de un elemento de enfriamiento para reactores pirometalúrgicos , el elemento tiene al menos un canal de flujo, y donde la •fabricación del elemento se hace por moldeado continuo, es decir, moldeado por deslizamiento. A fin de mejorar la capacidad de transferencia de calor del elemento, el área superficial de la pared del canal de enfriamiento se incrementa con respecto a su forma redonda u oval en la sección transversal sin incrementar el diámetro de longitud del canal de flujo. La invención también se refiere al elemento fabricado por este método. El material refractario de reactores en procesos pirometalúrgicos se protege por elementos de enfriamiento enfriados con agua de modo que, después de un resultado de enfriamiento, el calor que viene a la superficies refractarias se transfiere y el elemento de enfriamiento al agua, por lo que el desgaste en el forro se reduce significativamente en comparación con un reactor que no se enfría. El desgaste reducido se provoca por el efecto de enfriamiento, que ocasiona la formación del llamado forro aútogénico, que se fija a la superficie del forro resistente al calor y que se forma de escoria y otras sustancias precipitadas de las fases fundidas . De manera convencional, los elementos de enfriamiento se fabrican de dos maneras. Principalmente, los elementos se pueden fabricar por fundido en arena, donde los tubos de enfriamiento elaborados de un material térmico altamente conductor tal como cobre se colocan en u? molde formado de arena, y se enfrían con aire o agua durante el fundido alrededor de los tubos. El elemento moldeado alrededor de los tubos también es de material térmico altamente conductor, de manera preferente cobre. Esta clase de método de fabricación se describe por ejemplo en la Patente de Gran Bretaña 1386645. Un problema con este método es la unión desigual de la tubería que actúa como el canal de enfriamiento al material moldeado que lo circunda debido a que algunos de los tubos pueden estar completamente libres del elemento moldeado alrededor y parte del tubo se puede fundir completamente de esta manera se fusiona con el elemento. Si no se forma una unión metálica entre el tubo de enfriamiento y el resto del elemento moldeado alrededor de este, la transferencia de calor no será eficiente. Nuevamente, si la tubería se funde completamente, lo que impedirá el flujo de agua de enfriamiento. Las propiedades del material moldeado se pueden mejorar, por ejemplo, al mezclar fósforo con el cobre para mejorar la unión metálica formada entre la tubería y el material moldeado, pero en ese caso, las propiedades de transferencia de calor (conductividad térmica) del cobre se debilitan significantemente por aun una pequeña adición. Una ventaja de este método que vale la pena mencionar es el costo de fabricación comparativamente bajo y la independencia de las dimensiones . Se usa otro método de' fabricación, por lo que tubería de vidrio en la forma de un canal se coloca en el molde el elemento de enfriamiento, que se rompe después del moldeado para formar un canal dentro del elemento . La patente de los Estados Unidos No. 4,382,585 describe otro método, mucho más usado de fabricación de elementos de enfriamiento, de acuerdo a lo cual el elemento se fabrica por ejemplo de placa de cobre laminada o forjada al trabajar en máquina los canales necesarios en la misma. La ventaja de un elemento fabricado de esta manera, es su estructura fuerte, densa y buena transferencia de calor del elemento a un medio de enfriamiento tal como agua. Sus desventajas son limitaciones dimensionales (tamaño) y alto costo. Un método bien conocido en la técnica anterior ha sido fabricar un elemento de enfriamiento para un reactor pirometalúrgico al moldear un perfil hueco como moldeo continuo, es decir, moldeo por deslizamiento a través de un mandril. El elemento se fabrica de un metal térmico altamente conductor tal como cobre. La ventaja de este método es una estructura moldeada densa de buena calidad superficial y el canal de enfriamiento moldeado da buena transferencia de calor desde el elemento el medio de enfriamiento, de modo que no se presentan efectos que impidan la transferencia de calor, en cambio el calor que viene desde el reactor al elemento de enfriamiento se transfiere sin ninguna resistencia en exceso a la transferencia de calor directamente a la superficie del canal y hacia delante al agua de enfriamiento. La sección transversal del canal de enfriamiento en general es redonda u ovalada del mandril tiene una superficie lisa. Este tipo de canal de enfriamiento se menciona en la patente de los Estados Unidos No. 5,772,955. A fin de mejorar la capacidad de transferencia de calor de un elemento de enfriamiento, es preferible, sin embargo, incrementar el área superficial de transferencia de calor del elemento. Como se demuestra por la explicación posterior, de acuerdo a la presente invención esto se presenta al incrementar el área superficial de la pared del canal de flujo sin agrandar el diámetro o adicionar longitud. El área superficial de la pared del canal de flujo del elemento de enfriamiento se incrementa al formar ranuras en la pared del canal durante el moldeo al trabajar a máquina ranuras o roscas en el canal "después del moldeado de modo que la sección transversal del canal permanezca esencialmente redonda u ovalada. Como un resultado, con la misma cantidad de calor, se necesita una diferencia más pequeña a la temperatura entre el agua y la pared del canal de flujo y aun una menor temperatura del elemento de enfriamiento. La invención también se refiere a elementos de enfriamiento fabricados por este método. Las características esenciales de la invención llegarán a ser evidentes en as reivindicaciones de patente anexas . La capacidad de un elemento de enfriamiento para recibir calor se puede presentar por medio de la fórmula : Q = axAx?, donde Q = cantidad de calor que se transfiere [ ] a = coeficiente de transferencia de calor entre pared de canal de flujo y agua [W/Km2] A = área superficial de transferencia de calor [m2] ?T = diferencia en temperatura entre la pared de canal de flujo y agua [K] El coeficiente de transferencia de calor a se puede determinar de manera teórica de la fórmula Nu = a DA ? = conductividad térmica de agua [W/mK] D = diámetro hidráulico [m] 6 Nu = 0.023 x ReU .8PrU .4, donde Re 0 wDp/? W = velocidad [m/s) D = diámetro hidráulico del canal [m] p = densidad de agua [kg/m3] ? = viscosidad dinámica Pr 0 número de Prandtl [] De esta manera, de acuerdo a lo anterior, es posible influenciar la cantidad de calor transferida en un elemento de enfriamiento al influenciar la diferencia en la temperatura, el coeficiente de transferencia de calor o el área superficial de transferencia de calor. La diferencia de la temperatura entre la pared y el tubo se limita por el hecho de que el agua hierve a 100 °C, cuando las propiedades de transferencia de calor a presión normal llegan a ser significativamente peores debido al enfriamiento. En la práctica, es más ventajoso operar a la temperatura más baja posible de la pared de canal de flujo. El coeficiente de transferencia de calor se puede influenciar grandemente al cambiar la velocidad de flujo, es decir al afectar el número de Reynolds. Esto se limita sin embargo por la pérdida incrementada a la presión en la tubería conforme se incrementa la velocidad de flujo, que aumenta los costos de bombeo del agua de enfriamiento y los costos de inversión de bomba también crecen considerablemente después de que se excede un cierto límite. En una solución convencional, el área superficial de transferencia de calor se puede influenciar ya sea al incrementar el diámetro del canal de enfriamiento y/o su longitud. El diámetro del canal de enfriamiento no se puede incrementar incontrolablemente de una manera tal como para ser aun económicamente viable, puesto que un incremento en el diámetro de canal incrementa la cantidad de agua requerida para lograr una cierta velocidad de flujo y adicionalmente, el requerimiento de energía para el bombeo. Por otra parte, el diámetro de canal se limita por el tamaño físico del elemento de enfriamiento, que por razones de reducción al mínimo de costos de inversión, se elabora de manera preferente tan pequeño y tan ligero como sea posible. Otra limitación en la longitud es el tamaño físico del elemento de enfriamiento mismo, es decir, la cantidad de canal de enfriamiento que se ajustará en un área dada. Cuando se desea incrementar la superficie de transferencia de calor del elemento de enfriamiento presentado en el mismo, se hace al cambiar la forma de pared del canal de flujo del elemento de enfriamiento moldeado por deslizamiento para lograr una mayor área superficial de transferencia de calor, calculada por unidad de longitud de canal de flujo, con la misma sección transversal de flujo (la misma velocidad se logra con la misma cantidad de agua) . Este incremento del área superficial se logra, por ejemplo, por los siguientes medios : - Al menos un canal de flujo, esencialmente con una sección transversal redonda, se forma en el elemento de enfriamiento moldeado por deslizamiento durante el moldeado, y se trabajan a máquina roscas en el canal de flujo después del moldeado. - Al menos un canal de flujo, de una sección transversal esencialmente redonda, se forma el elemento de enfriamiento moldeado durante el moldeo por deslizamiento, y se trabajan a máquina ranuras tipo rifle en el canal de flujo después del moldeado. Las ranuras se hacen ventajosamente al usar un llamado mandril de expansión, que se jala a través del canal de flujo. El ranurado se puede hacer por ejemplo a un agujero cerrado de un extremo, caso en el cual el mandril se jala hacia fuera. Un agujero hecho en el canal, que esta abierto en ambos extremos, se hace ya sea al empujar o jalar una herramienta diseñada para el propósito a través del canal . - El incremento más ventajoso en el área superficial se obtiene al formar, durante el moldeo, uno o varios canales de flujo, ranurados, de manera preferente ranurados, rectos, en el elemento de enfriamiento, usando un mandril de moldeado ranurado, diseñado para el propósito. A pesar del ranurado, la forma del canal de flujo es esencialmente redonda u ovalada en la sección transversal . Usando este método se evitaran etapas de trabajo mecánico después del moldeado. En todos los métodos descritos con anterioridad, es evidente que, si hay partes de canal en el canal de flujo transversales con respecto a la dirección de moldeado, estas partes se hacen mecánicamente al trabajar a máquina, por ejemplo, por perforación, y se taponean las aberturas que no correspondan al canal . El beneficio del método para incrementar el área superficial de transferencia de calor descrito en esta invención se comparó con un método a la técnica anterior con la ayuda del ejemplo dado en' la presente. En unión con el ejemplo, hay algunos diagramas para ilustrar la invención, los cuales la Figura 1 muestra un principio de la extracción del elemento de enfriamiento usado en las pruebas , la Figura 2 muestra un perfil en sección transversal del elemento de enfriamiento de prueba, las Figuras 3a -3d indican la temperatura dentro del elemento en diferentes puntos de medición como una función de la temperatura de fusión, la Figura 4 representa el coeficiente de transferencia térmica calculado de las mediciones tomadas como una función de la masa fundida, y la Figura 5 representa las diferencias en la temperatura del agua de enfriamiento y la pared de canal a diferentes niveles de enfriamiento para elementos de enfriamiento normalizados.

Ej emplo Los elementos de enfriamiento que están relacionados con la invención se probaron en pruebas prácticas, donde el fondo de estos elementos A, B, C y D se sumergieron en aproximadamente 1 cm de profundidad de plomo fundido. El elemento de enfriamiento A tuvo un canal de flujo de superficie lisa, convencional, y este elemento se uso para mediciones comparativas. La cantidad de agua de enfriamiento y las temperaturas tanto antes de la alimentación de agua en el elemento de enfriamiento como después se tomaron cuidadosamente en las pruebas. La temperatura del plomo fundido y las temperaturas del elemento de enfriamiento mismo también se midieron cuidadosamente en varios puntos diferentes de medición. La Figura 1 muestra elemento de enfriamiento 1 usado en las pruebas, y el canal 2 de flujo dentro del mismo. Las dimensiones del elemento de enfriamiento son como sigue: altura 300 mm, ancho 400 mm y espesor 75 mm. El tubo de enfriamiento o canal de flujo se situó dentro del elemento como en la Figura 1, de modo que el centro de la parte horizontal del tubo en la figura fue de 87 mm desde el fondo de elemento y cada pieza vertical fue de 50 mm desde el borde de la placa. La parte horizontal del tubo se hace por perforación, y un extremo de la abertura horizontal se taponea (no mostrado en detalle) . La Figura 1 también muestra la ubicación de los puntos TI - T7 de medición de ' temperatura. La Figura 2 representa la forma superficial de los canales de enfriamiento y la Tabla 1 contiene las dimensiones de los canales del elemento de enfriamiento de prueba y las superficies de transferencia de calor de calculo por metro así como las superficies relativas de transferencia de calor.

Tabla 1 Las Figuras 3a - 3d demuestran que las temperaturas de los elementos de enfriamiento B, C y D son menores a todas las velocidades de flujo de agua de enfriamiento que las menciones de referencia tomadas del elemento de enfriamiento A. Sin embargo, puesto que las secciones transversales de flujo de estas piezas de prueba se ha hecho con diferentes dimensiones por razones de medición técnica, la eficiencia de la transferencia de calor no se puede comparar directamente de los resultados en las Figuras 3a y 3d.

Por lo tanto, los resultados de prueba se normalizaron como sigue: La transferencia de calor estacionaria entre dos puntos se puede escribir: Q = Sx?x(T?-T2), donde Q = cantidad de calor transferido entre los puntos [W] S = factor de forma (dependiendo de la geometría) [m] ? = conductividad térmica del medio [ /mK] Ti = temperatura de punto 1 [K] T2 = temperatura de punto 2 [K] A?_icando la ecuación anterior a los resultados de prueba, se obtienen las siguientes cantidades : Q = potencia térmica medida transferida al agua de enfriamiento ? = conductividad térmica de cobre [ /mk] Ti = temperatura en el fondo del elemento como se calcula de las pruebas [K] T2 = temperatura de pared de canal de agua como se calcula de las pruebas [K] S = factor de forma para un cilindro finito enterrado en un medio semi -infinito (longitud L, diámetro D) el factor de forma se puede determinar de acuerdo a la ecuación S = 2pL/ln(4z/D) donde Z>1.5D, Z = profundidad de inmersión medida desde la línea central y el cilindro [m] . Los coeficientes de transferencia de calor determinados de la manera anterior se presentan en la Figura 4. De acuerdo al análisis multivariable se obtiene una buena correlación entre el coeficiente de transferencia de calor y la velocidad de flujo de agua así como la cantidad de calor transferido al agua. Los coeficientes de transferencia de calor de la ecuación de regresión para cada elemento de enfriamiento se presentan en la Tabla 2. De esta manera a [W/m2K] = c + a x v [m/s] + b x Q [kW] . Tabla 2 Para hacer los resultados comparables, las áreas en la sección transversal en los canales de flujo se normalizaron de modo que la cantidad de flujo de agua corresponde a la misma velocidad 'de flujo. Las dimensiones del canal de • flujo y las áreas superficiales de transferencia de calor normalizadas de acuerdo a la cantidad de flujo y velocidad se presentan en la Tabla 3. Usando las dimensiones dadas en la Tabla 3 para los casos A', B'. C y D' y los coeficientes de transferencia de calor determinados como antes, la diferencia de temperatura de la pared y agua para casos normalizados con respecto a la cantidad de flujo se calcularon como una función de la velocidad de agua para cantidades de calor de 5 , 10, 20 y 30 kW con la ecuación. ?T 0 Q/ (axA) Tabla 3 Los resultados se muestran en la Figura 5. La Figura muestra que todos los elementos de enfriamiento fabricados de acuerdo a esta invención logran una cierta cantidad de transferencia de calor con una menor diferencia de temperatura entre el agua y la pared del canal de enfriamiento. El canal de enfriamiento, lo que ilustra la efectividad del método. Por ejemplo, a una potencia de enfriamiento de 30k y una velocidad de flujo de agua de 3 m/s, la diferencia de temperatura entre la pared y el agua, en diferentes casos es Tabla 4 Cuando los resultados son comparados con la superficie de transferencia de calor, se encuentra que la diferencia de temperatura entre la pared y el agua necesaria para transferir la misma cantidad de calor es inversamente proporcional a la superficie relativa de transferencia de calor. Esto significa que los cambios en el área superficial descritos en esta invención pueden tener influencias significativamente en la eficiencia de la transferencia de calor.

Claims (13)

1. REIVINDICACIONES 1. Un método para fabricar un elemento de enfriamiento de reactor pirometalúrgico, el elemento que se fabrica por moldeo de deslizamiento de un material térmico altamente conductor y que tiene al menos un canal de flujo de agua de enfriamiento, caracterizado en que, a fin de mejorar la capacidad de transferencia de calor del elemento de enfriamiento, el área superficial de la pared del canal de flujo dentro del elemento de enfriamiento se incrementa sin incrementar el diámetro o la longitud del canal de flujo.
2. 2. El método según la reivindicación 1, caracterizado en que un canal de flujo de agua de enfriamiento, esencialmente redondo u ovalado en su sección transversal, se forma en el elemento de enfriamiento durante el moldeado por medio de un mandril ranurado.
3. 3. Un método según la reivindicación 1, caracterizado en que se forma un canal de flujo de agua de enfriamiento, esencialmente, redondo en la sección transversal, en el elemento de enfriamiento durante el moldeado, en el cual se trabajan a máquina roscas después del moldeado.
4. 4. Un método según la reivindicación 1, caracterizado en que se forma un canal de flujo de agua de. enfriamiento, esencialmente de una sección transversal redonda, en el elemento de enfriamiento durante el moldeado, en el cual se trabajan a máquina ranuras tipo rifle después del moldeado.
5. 5. Un método según la reivindicación 4, caracterizado en que las ranuras tipo rifle se hacen por medio de un mandril de expansión.
6. 6. Un método según la reivindicación 1, caracterizado en que el metal térmico altamente conductor es cobre.
7. 7. Un elemento de enfriamiento de reactor pirometalúrgico, fabricado por moldeo de deslizamiento del metal térmico altamente conductor y que tiene al menos un canal de flujo de' agua de enfriamiento, caracterizado en que el área superficial de la pared del canal de flujo se incrementa, sin agrandar el diámetro del canal de flujo o adicionar longitud.
8. 8. Un elemento de enfriamiento según la reivindicación 7, caracterizada en que el canal de flujo, esencialmente redondo u ovalado en su sección transversa, se forma por medio de un mandril ranurado.
9. 9. Un elemento de enfriamiento según la reivindicación 8, caracterizado en que las ranuras del canal de flujo, esencialmente redondo u ovalado en su sección transversal, se ranuran rectas.
10. 10. Un elemento de enfriamiento según la reivindicación 7, caracterizado en que el canal de flujo, esencialmente redondo en su sección transversal, se forma por medio de un mandril y que se trabajan a máquina roscas en el canal de flujo después del moldeado .
11. 11. Un elemento de enfriamiento según la reivindicación 7, caracterizado en que el canal de flujo, es esencialmente redondo en su sección transversal, se forma por medio de un mandril y que se trabajan a máquina ranuras tipo rifle en el canal de flujo después del moldeado.
12. 12. Un elemento de enfriamiento según la reivindicación 11, caracterizado en que las ranuras tipo rifle se hacen por medio de un mandril de expansión.
13. 13. Un elemento de enfriamiento según la reivindicación 7, caracterizado en que el elemento es hecho de cobre.