MXPA97007408A - Sistema de enfriamiento para catodos en hornos de arco electrico de corriente directa - Google Patents

Abstract

La presente invención se refiere a un sistema de enfriamiento para cátodos, o electrodos (11), para hornos de arco eléctrico de corriente directa, comprendiendo los cátodos (11) una parte inferior (11a) hecha de grafito consumible, desde donde se forma la chispa del arco eléctrico, asociada en la parte superior con una parte metálica hueca (11b) por medio de una junta (13), caracterizándose el sistema porque, adentro de la parte metálica (11b), se incluye un circuito de enfriamiento cerrado con agua (19), u otro fluido de enfriamiento similar, que define unárea de evaporación (17) configurada sustancialmente en cooperación con el extremo inferior de la parte metálica (11b), y unárea de condensación (18) configurada en cooperación con unárea superior deseada de la parte metálica (11b), cooperando elárea de condensación (18) con un intercambiador de calor (15) asociado con la pared externa de la parte metálica (11b), incluyéndose también cuando menos un canal ascendente (14) para el vapor (19a) desde elárea de evaporación (17) hasta elárea de condensación (18), y cuando menos un canal descendente (16) para que descienda la condensación, bajo la fuerza de la gravedad, desde elárea de condensación (18) hasta elárea de evaporación (17), intercomunicándose el canal ascendente (14) y el canal descendente (16) uno con el otro en correspondencia con lasáreas de evaporación (17)y de condensación (18), cooperando el canal descendente (16) con la pared interna de la parte metálica (11b), y que tiene una sección inferior a aquella del canal ascendente (14).

Description

SISTEMA DE ENFRIAMIENTO *" IA CÁTODOS E HORNOS DE ARCO ELÉCTRICO DE CORRIENTE . '.ECTA Esta invención se refiere a un sistema de enfriamiento para hornos o arco eléctrico de corriente directa, como se estipula en la reivindicación principal. La invención se aplica para el enfriamiento del cátodo, o del electrodo, en un horno de arco eléctrico de corriente directa utilizado para la fundición de aleaciones de metal . Los cátodos en los hornos de arco eléctrico están actualmente compuestos de dos partes principales: una parte inferior hecha de grafito, a partir de la cual se hace la chispa del arco eléctrico, y una parte superior hecha de un material metálico, que también funciona como un elemento de apoyo, asociado con el brazo que lleva el electrodo del horno. Estas dos partes están limitadas entre sí por medio de una junta intermedia, normalmente roscada, hecha de un material eléctricamente corr'nctor, para permitir que pase la corriente eléctrica. Durante el ciclo de fundición, la parte de grafito alcanza muy altas temperaturas debido al arco eléctrico, al paso de las corrientes eléctricas utilizadas (efecto de Joule) , y al intercambio de calor con el medio ambiente dertro del horno,- de esta manera, la parte de grafito se consume progresivamente, y es reemplazada por nuevos segmentos de grafito de cuando en cuando. Las altas temperaturap qv.e pueden actuar sobre la parte de grafito, hacen que se deterioren las propiedades mecánicas del grafito, debilitando la conexión entre las dos partes del cátodo. Por esta razón, el cátodo necesita un sistema de enfriamiento que actúe en correspondencia con la parte metálica, y que pueda remover una gran parte del calor que emigra desde la parte de grafito hacia la parte metálica, permitiendo que se controle sustancialmente y se mantenga la temperatura deseada, tanto de la junta intermedia como de la parte metálica . Algunas soluciones incluyen el uso de sistemas de enfriamiento tradicionales con agua, que sin embargo, no han sido considerados satisfactorios por los operadores en el campo. Los presentes solicitantes han diseñado, probado, e incorporado esta invención, para superar los inconvenientes del estado de la técnica, y para obtener otras ventajas. Esta invención se estipula y se caracteriza en la reivindicación principal, mientras que las reivindicaciones dependentes describen variantes d- las ideas de la modalidad principal . El propósito de la invención es proporcionar un sistema de enfriamiento para cátodos en hornos de arco eléctrico de corriente directa, que garantice una acción eficiente para remover el calor, no solamente de la parte metálica que apoya al cátodo, sino también de la junta de conexión entre la parte de grafito y la parte metálica del cátodo mismo, manteniendo sustancialmente sin cambios las características de conducción de electricidad de éste último. El sistema de acuerdo con la invención incluye un circuito de enfriamiento cerrado que se desarrolla adentro del cátodo en correspondencia con su parte metálica. Este circuito comprende canales ascendentes y canales descendentes para el fHuido de enfriamiento, que se comunican unos con otros sustancialmente en correspondencia con el área superior extrema y el área inferior extrema de la parte metálica del cátodo, y un intercambiador de calor localizado en correspondencia con el área superior del circuito de enfriamiento. En una modalidad de la invención, el canal descendente se desarrolla en correspondencia con las paredes laterales del cátodo. De conformidad con una modalidad adicional, el canal ascendente para el fluido de enfriamiento, se desarrolla sustancialmente en correspondencia con el eje del cátodo. De acuerdo con la invención, el fluido de enfriamiento a la temperatura ambiente, y cuando está inactivo el cátodo, está en un estado líquido y queda en correspondencia con el área inferior del circuito de enfriamiento, y por consiguiente, en correspondencia con la junta, o el área de evaporación del circuito de enfriamiento. DebivLo al calor desarrollado por el arco eléctrico, al paso de la corriente eléctrica (efecto de Joule) , y al intercambio de calor con el medio ambiente adentro del horno en los diferentes pasos del proceso d fundición, el agua llega a lá temperatura de ebullición, y se evapora. El vapor así formado sé eleva adentro del canal ascendente, hasta que llega al área superior del circuito, denominada el área de condensación, en donde entra en contacto con las paredes "frías" de la parte metálica del cátodo, en donde se desprendiendo calor hacia el medio ambiente externo por medio del intercambiador de calor. Las gotas de la condensación, que se depositan sobre estas paredes, ocasionan la formación de una película de agua que, debido al efecto de la gravedad, fluye a lo largo del canal descendente 'ista que llega al área de evaporación, hacie-lo de esta manera que se enfríe la parte metálica del cátodo. Entonces, la condensación fluye hacia el área de evaporación, y se mezcla con el agua que queda en esa área, removiendo de esta manera el calor de la junta de conexión del cátodo. Debido a la energía latente que acompaña al cambio de paso, se transfiere una gran cantidad de calor desde el área de evaporación hasta el área ¡de condensación. El intercambio de, calor en este sistema es una función de los valores de los .coeficientes de intercambio de calor en los pasos de evaporación y condensación. El valor del coeficiente relativo en el paso de evaporación es en gran parte una función de la entidad del flujo de calüL . Las mediciones experimentales han demostrado que este valor crece rápidamente con el incremento en el flujo de calor. Por el contrario, el valor de coeficiente de intercambio de calor en el paso de condensación, crece ligeramente al principio con el incremento en el flujo de calor, pero luego se reduce de una manera considerable. Teniendo en mente que el valor del coeficiente .de intercambio de calor en el paso de evaporación es mucho más alto que el valor durante el paso de condensación, es extremadamente importante, con el objeto de disponer de la misma cantidad de calor, incrementar la superficie de intercambio de calor en el área de condensación. De conformidad con la invención, con el objeto de obtener este incremento en el intercambio de calor, se obtiene una superficie extensa, por ejemplo, de una configuración ondulada o triangular, como se ve en una sección transversal del cátodo, en correspondencia con el área de condensación.

El intercambio de calor en un circuito de este tipo, depende de diferentes factores, tales como el tipo y la cantidad de líquido en el circuito, la geometría del circuito, la proporción de las longitudes del evaporador/condensador, la entidad dol flujo del calor, la presión adentro del circuito, etcétera. La elección de estos parámetros es importante para el funcionamiento correcto del sistema, de tal manera que tenga lugar el fenómeno de ebullición, y de tal manera que no haya fenómenos dañinos tales como quemadura (secado) , u otros inconvenien'.'. s que reduzcan drásticamente el intercambio de calor. Con el objeto de prevenir esos fenómenos dañinos, el fluido de enfriamiento utilizado en el circuito ocupa, de conformidad con la invención, un porcentaje de entre el 14 por ciento y el 30 fjr ciento, convenientemente entre el 18 por ciento y el 20 por ciento del volumen global del circuito. De conformidad con otra variante, la junta de conexión entre la parte de grafito y la parte metálica del cátodo, tiene adentro de la misma, un hueco que contiene metal fundido para remover el calor. ste metal fundido, que, á la temperatura ambiente está en su estado sólido, por ejemplo, en forma granular, se funde debido al efecto del arco eléctrico, del paso de las corrientes eléctricas (efecto de Joule) , y del intercambio de calor con el medio ambiente del horno en los pasos del proceso de fundición. La corriente eléctrica que pasa a través de la junta de conexión ocasiona la formación de remolinos en el metal fundido adentro del hueco, lo cual permite que se mantenga uniforme la temperatura de la junta misma. E;e acuerdo con una variante, el hueco incluye adentro del mismo n inserto de transportador, hecho de un material con características electroconductoras cuando menos más altas que aquellas de la junta de conexión, extendiéndose este inserto de transportador desde el fondo hacia la parte superior del hueco. El inserto de transportador forma la trayectoria de tránsito principal para la corriente eléctrica desde la parte de grafito hasta la parte metálica del cátodo, definiendo una dirección giratoria preferencial de los remolinos del líquido adentro del hueco. Las paredes laterales del inserto de transportador están protegidas eléctricamente, para concentrar el flujo de corriente en los dos extremos del inserto mismo. De conformidad con otra variante', este hueco incluye un elemento de subdivisión que define sustancialmente dos conductos en comunicación concéntricos que crean una trayectoria preferencial para el metal líquido adentro del hueco.

En una modalidad de la invención, las paredes laterales de la parte metálica del cátodo están compuestas de dos camisas concéntricas estrechamente asociadas entre sí, de las cuales una, bien sea la interna o la externa, se hace de cobre o sus aleaciones, y la otra externa o interna, se hace de hierro o sus aleaciones. De conformidad con una variante, en el área de separación entre la parte de grafito y la parte metálica, hay un anillo de aire que tiene la función de dirigir el flujo de corriente eléctrica, y por consiguiente, de calor, hacia el área central del cátodo. De acuerdo con una variante adicional sobre la cara inferior de la junta, en contacto con la parte de grafito, hay un elemento en metal de bajo punto de fusión (por ejemplo, plomo) .. Este elemento, a medida que pasa la corriente eléctrica a través de él, se funde e incrementa su volumen, luego se eleva a lo largo de la junta y se pone entre las dos partes de la junta, mejorando su conexión mecánica y el paso de la corriente. El sistema de enfriamiento de conformidad con la invención, por consiguiente, hace posible enfriar las paredes de la parte metálica del cátodo, y limitar el flujo de calor que llega desde la parte de grafito, manteniendo no obstante sustancialmente sin cambios las características electroconductoras globales del cátodo, y por consiguiente, sin ocasionar desequilibrios en lo que se refiere a la funcionalidad del horno. De conformidad con el sistema de la invención, más aun, es posible hacer que la temperatura de la junta sea uniforme, y mantenerla dentro de los valores apropiados, con el objeto de garantizar la estabilidad de la conexión mecánica entre la parte de grafito y la parte metálica del cátodo; más aun, esta estabilidad se incrementa debido al llenado de los intersticios entre las partes de la junta por el metal fundido . Las figuras adjuntas se dan como un ejemplo no restrictivo, y muestran una modalidad preferida de la invención L.omo siguo: La Figura 1 mueetra una sección de un cátodo para hornos de arco eléctrico, que adopta el sistema de enfriamiento de conformidad con la invención. La Figura 2 muestra el detalle "K" de la Figura 1. La Figura 3 muestra, a una escala amplificada, la sección A-A de la Figura 1. La Figura 4 muestra la sección parcial a lo largo de un cátodo para hornos eléctricos, que adopta el sistema de enfriamiento de conf i. í dad con una variante de la invención. La Figura 5 muestra una variante de la Figura 4. El número 10 denota en general el sistema de enfriamiento para cátodos 11, para corrientes de arco eléctrico de corriente directa. En este caso, el cátodo 11 incluye, en su parte inferior, una parte de grafito lia, y en su parte superior, una parte metálica hueca 11b,, que también tiene una función de apoyo, y está asociada con su propio elemento de sujeción 12 del brazo de apoyo de electrodo. En eete caso, la estructura principal de la parte metálica 11b está compuesta de dos camisas de metal o paredes laterales estrechamente asociadas entre sí, de las cuales una, 111b ó 211b, esta hecha de cobre o sus aleaciones, y la otra, 211b ó 111b, está hecha de hierro o sus aleaciones. Esta configuración de la parte metálica 11b es particularmente conveniente, ya que combina tanto las características de resistencia mecánica como de conductividad eléctrica; más aun, la parte metálica 11b, cuando menos en su parte inferior, está cubierta hacia afuera por una capa de material refractario 11c. La parte de grafito lia y la' parte metálica 11b están asociadas una con la otra por medio de una junta 13, en este -caso del tipo roscado. La junta 13 está asociada en su parte superior con un elemento de cubrimiento 22, hecho en este caso de una aleación de Cu/Ni, adentro del cual están los elementos para ajustar la conexión entre la parte metálica 11b y la parte de grafito lia. De conformidad con la invención, la parte metálica 11b incluye adentro un canal ascendente 14, que en este caso se desarrolla coaxialmente hacia las paredes laterales lllb, 211b, cuya pared lateral está definida por un conducto axial 28 que está abierto tanto hacia el fondo como hacia la parte superior. El canal ascendente 14 se extiende, deede el fondo hasta la parts superior, desde un nivel ligeramente arriba del fondo de la parte metálica 11b misma, hasta un nivel que es más bajo que aquel del intercambiador de calor 15 asociado en la periferia con las paredes laterales lllb, 211b en la parte superior del cátodo 11. La parte metálica 11b, con esta configuración, define, entre las paredes laterales lllb, 211b y el conducto axial 28 que define el canal ascendente 14, un canal descendente 16, rn este caso de una forma tórica, y con una sección mucho más pequeña, comparándose con aquella del canal ascendente 14. Los dos canales 14, 16 están intercomunicados en correspondencia con la parte inferior extrema de la parte metálica 11b, ó el área de evaporación 17, y la parte superior de la parte metálica 11b, ó el área de condensación 18. De conformidad con la invención, el área de evaporación 17 está rellena por una cantidad de agua 19 igual al 14 al 30 por ciento, convenientemente entre el 18 por ciento y el 20 por ciento, del volumen interno de la parte metálica 11b. El calor generado por el efecto del arco eléctrico, el paso de las corrientes eléctricas utilizadas (efecto de Joule) , y el intercambio de calor con el medio ambiente adentro del horno durante los diferentes pasos del proceso de fundición, desde la parte de grafito lia hacia la parte metálica 11b, ocasiona una elevación en la temperatura del agua 19, hasta que llega al punto de ebullición, y por consiguiente, se evapora. Las partículas de vapor 19a generadas, ya que son más ligeras, se elevan a lo largo del canal ascendente 14 hasta que llegan al área de condensación 18, tanto desde la parte inferior abierta del conducto axial 28, como a través de los orificios intermedios 29 incluidos sobre la circunferencia del conducto axial 28. En esta área de condensación, el vapor 19a entra en contacto con las paredes "frías" de la parte metálica 11b, condensándose y desprendiendo calor hacia el medio ambiente externo por medio del intercambiador de calor 15. Las gotas de la condensación se depositan sobre las paredes laterales internas lllb de la parte metálica 11b, formando una película de condensación de agua 19b, que corre adentro del canal descendente 16, y fluye hacia el área de evaporación 17; esto provoca el enfriamiento de las paredes laterales lllb, 211b de la parte metálica 11b. En una variante de la invención mostrada en la Figura 3, las paredes laterales externas lllb incluyen extensiones con aletas 20 que definen una mayor superficie de intercambio de calor para un proceso más eficiente de la condensación. De acuerdo con las variantes mostradas en las Figuras 4 y 5, la junta 13 incluye adentro de la misma, un hueco 21 que contiene metal fundido como un fluido de enfriamienuo . El paso de la corriente eléctrica a través de la junta 13 ocasiona, adentro del hueco 21, la formación de corrientes 23 de fluido de enfriamiento, que hacen que la temperatura de la junta 13 sea uniforme, y por consiguiente, mejoran sus condiciones de enfriamiento, y por lo tanto, hacen que la conexión mecánica entre la parte de grafito lia y la parte metálica 11b sea más estable y segura. De conformidad con una variante adicional, se coloca un elemento 24 hecho de metal de bajo punto de fusión, por ejemplo pl.amo, entre el fondo 13a de la junta 13, y la parte de grafito lia. El elemento 24 se funde como un efecto del calor generado por el past de la corriente eléctrica, e incrementa su volumen, llenado de esta manera los intersticios, en este caso consistentes en fisuras entre las roscas cooperativas, entre la junta 13 y la parte de grafito lia. El hueco 21 de la Figura 4 incluye adentro un elemento de subdivisión 25 montado coaxialmente con respecto al hueco, para definir sustancialmente dos conductos, uno adentro del otro, que se comunican uno con el otro en correspondencia con la parte superior y la parte inferior del hueco 21. De conformidad con esta variable, la corriente eléctrica que recorre a lo largo de las paredes laterales 13b de la junta 13, ocasiona la formación de corrientes en remolino 23 del fluido de enfriamiento, con una trayectoria preferencial que se eleva en correspondencia con las paredes laterales mismas 13b, y que desciende adentro del conducto definido adentro por el elemento de subdivisión 25. De acuerdo con la otra variante de la Figura 5, el hueco 21 incluye adentro y en correspondencia con su propio eje longitudinal, un inserto de transportador 26, que se extiende desde el fondo hacia la parte superior del mismo. Fl inserto de transportador 26 está hecho de un material con una alta conductividad eléctrica (por ejemplo, cobre) , que constituye un camino de paso preferencial de la corriente eléctrica a través de la junta 13. El inserto de transportado^ 26, más aun, está revestido con una capa de material eléctricamente aislado 27, que dirige más hacia afuera el flujo de corriente eléctrica, hacia la parte superior del inserto de transportador 26. El paso de la corriente eléctrica en correspondencia con el eje de la junta 13, y luego del hueco interno relativo 21, define adentro de este último, una trayectoria preferencial para lat. corrientes en remolino 23 del fluido de enfriamiento. Estas corrientes 23 descienden en correspondencia con las paredes laterales 13b de la junta 13, y luego vuelven a ascender en proximidad al inserto de transportador 26. De conformidad con la invención, con el objeto de limitar tanto como sea posible el paso de la corriente, y por consiguiente, el flujo de calor hacia las áreas periféricas del cátodo 11, la junta 13 incluye, en su parte externa, un anillo de aire 13c para separarla de la parte de grafito lia. La presencia del anille de aire 13c hace que la corriente eléctrica y el flujo relativo de calor generado, se extiendan principalmente a través de las paredes laterales 13b de la junta 13, es decir, hacia el área de mayor eficiencia del sistema de enfriamiento 10.

Claims (1)

1. REIVINDICACIONES ?.. Un sistema de enfriamiento para cátodos, o electrodos (11) , para hornos de arco eléctrico de corriente directa, comprendiendo los cátodos (11)' una parte inferior (lia) hecha de grafito consumible, desde donde se forma la chispa del arco eléctrico, asociada en la parte superior con una parte metálica hueca (11b) por medio de una junta (13), caracterizándose el sistema porque, adentro de la parte metálica (11b) , se incluye un circuito de enfriamiento cerrado con agua (19) , u otro fluido de enfriamiento similar, que define un área de evaporación (17) configurada sustancialmente en cooperación con el extremo inferior de la parte metálica (11b) , y un área de condensación (18) configurada en cooperación con un área superior deseada de la parte metálica (11b) , cooperando el área de condensación (18) con un intercambiador de calor (15) asociado con la pared externa de la parte metálica (11b) , incluyéndose también cuando menos un canal ascendente (14) para el vapor (19a) desde el área de evaporación (17) hasta el área de condensación (18) , y cuando menos un canal descendente (16) para que descienda la condensación, bajo la fuerza de la gravedad, desde el área de condensación (18) hasta el área de evaporación (17) , intercomunicándose el. canal ascendente (14) y el canal descendente (16) uno con el otro en correspondencia con las áreas de evaporación (17) y de condensación (18) , cooperando el canal descendente (16) con la pared interna de la parte metálica (llb) , y que tiene una sección inferior a aquella del canal ascendente (14) . U. Un sistema de enfriamiento como en la reivindicación 1, en donde el fluido de enfriamiento, a la temperatura ambiente y cuando el cátodo (11) está inactivo, consiste en una cantidad de agua (19) igual al del 14 al 30 por ciento del volumen interno de la parte metálica (llb) . 3. Un sistema de enfriamiento como en la reivindicación 1 ó 2, en donde el canal ascendente (14) está definido por un conducto axial (28) que se extiende desde el área de evaporación (17) hasta el área de condensación (18) , y el canal descendente (16) está definido por espacio incluido entre el conducto axial (28) y la pared interna de la parte metálica (llb) del cátodo (11) . 4. Un sistema de enfriamiento como en la reivindicación 3, en donde el conducto axial (28) incluye, en el área inmediatamente arriba del nivel del agua (19) , orificios de paso intermedios (29) , a través de los cuales puede pasar el vapor (19a) , y se logra la comunicación entre el canal descendente (16) y el canal ascendente (14) . 5. Un sistema de enfriamiento como en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la pared de la parte metálica (llb) está compuesta de dos camisas (lllb, 211b) asociadas estrechamente entre sí, de las cuales una (lllb ó 211b) está hecha de cobre o sus aleaciones, y la otra (211b o lllb) está hecha de hierro o sus aleaciones. 6. Un sistema de enfriamiento como en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la pared interna de la parte metálica (llb) incluye extensiones con aletas (20) con el objeto de incrementar el intercambio de calor cuando menos en correspondencia con, el área de condensación (18) . 7. Un sistema de enfriamiento como en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la junta (13) incluye adentro de la misma, un hueco (21) que contiene metal fundido para la dispersión de calor. 8. Un sistema de enfriamiento como en la reivindicación 7, en donde el metal fundido, cuando el horno está inactivo, está en su estado sólido, y durante el proceso de la fundición, se funde como un resultado de la temperatura generada por arco eléctrico, del paso de las corrientes eléctricas, y del intercambio de calor con el medio ambiente adentro del horno. 9. Un sistema de enfriamiento como en la reivindicación 7 u 8, en donde el hueco (21) incluye un elemento de subdivisión (25) que define un conducto axial abierto tanto hacia la parte superior como hacia el fondo, 10. Un sistema de enfriamiento como en la reivindicación 7 u 8, en donde el fondo del hueco (21) incluye un inserto de transportador (26) para la corriente eléctrica, que se extiende a lo largo hacia el exterior del hueco (21) . l . Un sistema de enfriamiento como en la reivindicación 10, en donde el inserto de transportador (26) incluye, sobre su periferia lateral, una capa de material eléctricamente aislante (27) . 12. Un sistema de enfriamiento como en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde, en cooperación con la junta (13) hay un elemento hecho de metal de bajo punto de fusión (24) , para dispersar el calor y obstruir los intersticios . 13. Un sistema de enfriamiento como en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde, en correspondencia con el área de separación entre la parte de grafito (lia) y la parte metálica (llb) , hay un anillo de aire (13c) .