WO2018152651A1 - Lanza térmica que comprende al menos un perfil tubular hueco de aluminio, y/o magnesio, entre otros materiales, que le permite ser utilizada en procesos que requieren una alta cantidad de energía para cortar, perforar y/o fundir materiales de alto requerimiento térmico - Google Patents

Lanza térmica que comprende al menos un perfil tubular hueco de aluminio, y/o magnesio, entre otros materiales, que le permite ser utilizada en procesos que requieren una alta cantidad de energía para cortar, perforar y/o fundir materiales de alto requerimiento térmico Download PDF

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Definitions

  • Thermal lance comprising at least one hollow tubular profile of aluminum, and / or magnesium, among other materials, which allows it to be used in processes that require a high amount of energy to cut, drill and / or melt materials of high thermal requirement
  • the invention relates to a thermal lance consumable by exothermic reaction that is used to drill and / or cut any type of material of different thicknesses and dimensions.
  • the invention relates to a thermal lance comprising at least one hollow tubular profile of aluminum, and / or magnesium, among other materials, which allows it to be used in processes that require a high amount of energy for cutting, drilling and / or melt materials with high thermal requirements, as well as for processes that require a very low iron concentration.
  • the thermal lances currently used in industry, for drilling and opening passages in melting furnaces are basically configured by a series of tubular profiles of different shapes and sizes, in cross section, inserted into an outer tubular body, or they comprise a series of wires inserted into said outer tubular body.
  • each of the inner elements which comprises said outer tubular body, a series of openings are formed between them, through which oxidizing gases flow, such as pressurized oxygen that is injected at one end of the lance to flow towards the opposite end, which will come into contact with the furnace, allowing heat to cause combustion between the carbon contained in the steel and the injected oxygen, producing an exothermic reaction at its ignition end.
  • oxidizing gases such as pressurized oxygen that is injected at one end of the lance to flow towards the opposite end, which will come into contact with the furnace, allowing heat to cause combustion between the carbon contained in the steel and the injected oxygen, producing an exothermic reaction at its ignition end.
  • the iron When the optimum combustion condition is not achieved, the iron will melt with part of the energy that is supplied by the rest of the iron that did react to combustion, which means a decrease in the energy available to carry out drilling, cutting and / or fusion in any material, producing a more inefficient process.
  • the combustion heat that could generate thermal energy of approximately 7.25 KJ / g of an iron lance, notwithstanding the above due to the structural configuration of the lances normally used in the industry, allows generating 4.2 KJ / g thermal energy.
  • thermal lance is required to generate a high flow of thermal energy, since such materials are of high thermal requirement, however thermal lances manufactured solely from iron do not achieve the necessary energy, they also require a high flow of oxygen for combustion.
  • said process of cutting and / or drilling of said materials requires a low iron contamination, which is not achieved with thermal lances made entirely of iron.
  • Aluminum has a melting point much lower than its ignition point, that is, the ignition is in a liquid state, which causes the combustion position, direction and / or direction taken by the flow of energy that is generated not Be controllable.
  • thermal lance that includes the use of aluminum and / or magnesium, and / or other materials, the configuration of which allows aluminum and / or said other materials to burn in the required place, allowing to maintain controlled the combustion position, as well as the direction and / or direction taken by the flow of energy that is generated, to provide a thermal lance that generates a high value of thermal energy in a more efficient way, that is, to produce a large flow low energy mass, allow to achieve low iron contamination and / or iron oxides, which allows drilling and / or cutting materials of high thermal resistance, of smaller volume, lighter and consume less oxygen than thermal lances used today.
  • the object of the invention is to provide a consumable thermal lance by exothermic reaction that is used to perforate and / or melt cut any type of material of different thicknesses and dimensions, of high energy generation, low weight and / or low oxygen consumption.
  • Another objective of the invention is to provide a thermal lance comprising the use of aluminum, and / or magnesium, among other materials, whose configuration allows generating a large flow of energy with low mass, low iron contamination and / or oxides of iron, to be used in processes of cutting and / or fusion drilling non-ferrous materials, such as silicon carbide, titanium carbide, carbon, among others.
  • the invention corresponds to a thermal lance (1) consumable by exothermic reaction that is used to drill and / or cut any type of material of different thicknesses and dimensions, which comprises a main outer tubular body (2) and at least one inner hollow profile (3) having a different cross-section, and / or at least an inner hollow profile (4) of aluminum, and / or magnesium, and / or other material, of different cross-section, concentrically located between them and / or with respect to the main outer tubular body (2), thus forming between each of the inner hollow profiles and / or the main outer tubular body cavities (5) that configure oxidizing gas passages (6), such as for example oxygen, which will flow through the length of the thermal lance (1), and where they must have at least a straight part and at least one curved part, so as to ensure that the flow of oxidizing gas passes through a suitable turbulence through the lance during its operation, to generate components of perpendicular and / or radial forces to the walls of the cavities, and where said interior cavities or passages must
  • the ratio of the transverse areas of the cavities or passages, through which oxygen flows, and the cross-sectional area of the combustible material (iron, aluminum, and / or magnesium, and / or other materials), in a metal / area area ratio oxygen, and / or the relationship between the thickness of the aluminum and / or magnesium parts and the iron or steel, must be in a proportion and range such that they allow to ensure that the aluminum and / or magnesium is melted before combustion of the adjacent iron or steel, advancing its detachment, thus allowing it to pass through the high energy zone that releases the reaction of the iron, reacted the aluminum, at ignition temperature, with the excess oxygen of the other combustions, producing that the aluminum generate your high amount of thermal energy.
  • the thermal lance of the present invention allows an effective combustion of aluminum to be achieved, with a high generation of thermal energy available, such as at the end of the lance, greater than at least 7.6 KJ / g, with less pollution of iron, which requires lower oxygen consumption, lighter and / or producing a lower operating cost, thus providing a more efficient thermal lance, which generates at least 2.6 times more unit energy (KJ / g), with respect to of lances that comprise iron accompanied by iron.
  • Figure 1 corresponds to a front view of one end, of a preferred embodiment, of a thermal lance of the present invention.
  • Figure 2 corresponds to a lateral front perspective view, with a partial cut of one end, of a preferred embodiment, of the thermal lance of the invention.
  • Figure 3 corresponds to a side bottom perspective view, with a partial section of the end, of a preferred embodiment, of the thermal lance of the invention.
  • Figure 4 corresponds to a front view of one end of a preferred embodiment of a thermal lance of the present invention.
  • Figure 5 corresponds to a side view of a longitudinal section of the end, of a preferred embodiment, of the thermal lance of the invention, showing the way in which it is combusted.
  • Figure 6 corresponds to a side view of a longitudinal section of the end, of a preferred embodiment, of the thermal lance of the invention, showing the way the oxidizing gas reacts.
  • the present invention describes a thermal lance (1) consumable by exothermic reaction that is used to pierce and / or cut any type of material of different thicknesses and dimensions, comprising a main outer tubular body (2) and at least one inner hollow profile (3) which has a different cross-section, and / or at least an inner hollow profile (4) of aluminum, and / or magnesium, and / or other material, of different cross-section (figures 1 and 2), where the walls of the at least one inner hollow profile have a change of directions, where the shape of the cross section of said inner profiles is selected from at least one square, oval, triangular, hexagonal, multi-pointed star-shaped shape, and / or round, as well as any other polygonal shape.
  • the main outer tubular body (2) is responsible for containing at least one inner hollow profile (3) having a different cross section, and / or at least one inner hollow profile (4) of aluminum, and / or magnesium , and / or other material, which has a different cross-section, such that each of said elements that make up the thermal lance, main outer body, and / or inner hollow profiles (3, 4), are located concentrically between them and / or with respect to the main outer tubular body (2) ( Figures 1 and 2), each of the inner hollow profiles having a different cross section, thus forming between each of the inner hollow profiles and / or the tubular body Main exterior cavities (5) that configure passages of oxidizing gas (6) (figures 1, 2 and 3), such as for example oxygen, which will flow through the length of the thermal lance (1).
  • oxidizing gas (6) figures 1, 2 and 3
  • All interior cavities or passages formed within the thermal lance (1) have varied geometric shapes.
  • the shape of each cavity or passage and / or the amount of cavities or passages between inner hollow profiles, depends on the shape of the cross sections of the profiles.
  • the internal cavities or passages (5) allow the free circulation of oxidizing gases (6), necessary when the thermal lance is in operation, preferably the oxidizing gases correspond to an oxygen flow.
  • the inner cavities or passages (5) that are formed between the inner hollow profiles (3, 4), preferably must have at least one straight part and at least one curved part ( Figure 4), in order to achieve that the flow of oxidizing gas that passes through adequate turbulence through the lance during its operation, generates components of perpendicular and / or radial forces to the walls of the cavities (figures 2 and 3), thus achieving a balance in the contact of the fuel, such as for example steel and / or iron, with the oxidizing gas, such as oxygen, which means that when exposed to heat, the lance is always kept on by always maintaining the conditions of the fire triangle, it is that is, oxygen, fuel and heat, together (figures 5 and 6).
  • a thermal lance of high generation of thermal energy requires that aluminum and / or magnesium be used as a formation material of at least one of the internal hollow profiles of the lance, since said material generates a lot of energy, approximately 29.85 KJ / g, compared to steel or iron, approximately 4.2 KJ / g, which is normally used in the integral manufacture of the thermal lances of the prior art.
  • the cavities or interior passages (5) of the thermal lance (1) of the invention must have a configuration such that the arrangement of at least one inner profile (3) and at least one inner hollow profile (4 ) of aluminum, and / or magnesium, generate 100% steel or iron wall cavities adjacent to steel or iron and aluminum and / or magnesium wall cavities, adjacent to 100% aluminum and / or magnesium wall cavities. (Figure 4).
  • This configuration allows aluminum and / or magnesium, which has a melting point much lower than iron, to melt before the iron or steel reacts in combustion, generating the necessary thermal energy required by aluminum and / or magnesium to melt, allowing it to detach from its solid zone by migrating outward from the conduits through the high caloric energy zone, which generated the iron or steel, reaching aluminum and / or magnesium, or other high-generation thermal energy material immediately to the ignition temperature, reacted in combustion with the oxygen flowing through the ducts, making it combustion in the place that is required.
  • the ratios and / or proportions, of the lance of the present invention it is possible to ensure that the aluminum and / or magnesium is melted before the adjacent iron or steel is combusted, advancing its detachment by at least 3 mm, thus allowing pass through the high energy zone that releases the reaction of the iron, reacted the aluminum, in ignition temperature, with the excess oxygen of the other combustions, producing that the aluminum generates its high amount of thermal energy, approximately 29.85 KJ / g.
  • the thermal lance of the present invention allows to achieve an effective combustion of aluminum, with a high generation of thermal energy available, greater than 7.6 KJ / g, with less iron pollution, require lower oxygen consumption, cheaper to produce and / or lighter, thus providing a more efficient thermal lance.
  • the thermal lances of the present invention can be manufactured in low carbon steel.
  • the outer hollow body forms the mantle of the lance and said mantle is of uniform or irregular outer structure.
  • the outer body of the lance may be of equal cross section along its entire body and / or may have more than one cross section.
  • the inner profiles can be of the same cross section along its entire body and / or can have more than one cross section.
  • the thermal lances of the present invention can be attachable or non-attachable, depending on the shape of their outer ends.
  • a attachable lance is one that can be attached to another lance, either directly without the intervention of an external means and / or through an additional means such as a piece or coupling device, which allows joining both lances. Being able to have lances coupled between them, allows the total consumption of each spear at the time of being in use, in this way there are no remaining lances and therefore there are no material losses, making the operation more economical.
  • the shape of the ends of the lances and the coupling parts allows joining as many lances as necessary, in order to avoid loss of lances.
  • the thermal lances of the present invention have a coating with a high melting point material (over 2,000 ° C), such as a ceramic material, which is applied to lances working in places with temperatures above The 1,400 ° C in this way prevents the lances from melting and consequently lose their shape, their ability to drive oxidizing gases and their ability to combustion.
  • a high melting point material over 2,000 ° C
  • the coating of the lances can be applied to the outer profile and / or at least one of the inner profiles.
  • the thermal lance of the present invention is obtained by applying thermal, mechanical and / or chemical processes.
  • Each tubular profile before being concentrically fitted undergoes a metal forming process, preferably the outer profile is the first to be shaped and the central inner profile is the last to be shaped.
  • the amount of profiles to submit to the forming process will depend on the design of each spear, that is, the amount of profiles that are needed to achieve a specific design of the spear.
  • each profile which will be part of the lance
  • the shaped profiles are joined, by thermal, mechanical and / or chemical processes that, apart from making the assembly, achieve an interference of measurements between profiles, in such a way that a certain profile is fixed (attached) to the profile that precedes it, which allows them to be fixed and fastened to resist the pressure and the flow of oxidizing gases or oxygen that passes through the lance during its operation, without Let one profile be detached from another.
  • the cross sections of the profiles used in the shaping of the lance allow to design to obtain at discretion the flexural strength that is required, being able to achieve when necessary greater strength than that obtained with another type of spears of equal mass. Additionally, the geometric configuration obtained from the lance as a whole allows the focus of the lance to be concentrated with great precision, thus achieving a more even, clean, accurate and efficient cut.
  • the lances of the present invention thanks to its better use of the calorific power of the lance, allow to increase its speed and cutting capacity, thereby reducing the operator's exposure time at high temperatures, reducing the risk of thermal stress .
  • the lances of the present invention have varied uses, such as for example in the case of cutting copper and slag, in places such as: pot bottoms, pigs or supported accretions, oven peepholes, furnace floors with copper and brick material , accretions in furnace walls, cleaning of the nozzle housing area, accretions in the gas chamber pre-outlet, opening of passages, refining furnaces and anodes.
  • the thermal lances can also be used to make cuts that allow efficient opening of copper, steel, ferroalloy, platinum and / or other material furnace passages, regardless of whether the plugs have any composition, even if they are made of pure graphite (carbon) .
  • steels of any quality or thickness can be used to cut and / or melt, such as 1 .OOOmm, 2,000mm, 3,000mm and more.
  • they can be used to cut and / or drill concrete blocks or rocks and stones of any type and dimension.
  • the thermal lances of the present invention can be used for cutting and / or melting of any type of material, including the diamond that is the most resistant to temperature, where it is preferably used to drill and / or melt cut materials of high thermal resistance and that accept very low iron contamination, such as for example silicon and / or other non-ferrous materials.
  • An exemplary thermal lance according to the invention was produced in such a way that it comprises a tubular outer body (1), an inner tubular profile (3) of iron or steel with four-pointed star-shaped cross-section, an inner tubular profile (4) of aluminum with round cross-section, and another inner tubular profile (8) of iron with four-pointed star-shaped cross-section, arranged concentrically and inside each other, thus forming a series of cavities or oxygen passages.
  • Table 1 shows how 1 ce of iron generates almost six times more energy than that required by 1 ce of aluminum to reach the ignition point.
  • the preferred lance according to the invention comprises an aluminum insert accompanied by another iron, where the ratio of the transverse areas of the cavities or passages, through which oxygen flows, and the cross-sectional area of the combustible material (iron / aluminum) is in a ratio of metal area / oxygen area in a range from about 1: 2 to at least 1: 8, and / or the ratio between the thickness of the aluminum parts and the iron or steel is in a range from about 1: 3 to at least 1: 70.
  • the interior cavities or passages (5) that are formed between the interior hollow profiles have at least one straight part and at least one curved part, and where said interior cavities or passages have a configuration of 100% steel walls or adjacent iron walls of steel or iron and aluminum, and adjacent walls 100% aluminum.
  • Insert thickness 1 always of Fe mm 1, 0 1, 0
  • Insert thickness 2 (Al or Fe) mm 1, 0 1, 0

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Abstract

Lanza térmica (1) consumible por reacción exotérmica utilizada para perforar y/o cortar cualquier tipo de material de diferentes espesores y dimensiones, que comprende un cuerpo tubular exterior principal (2) y al menos un perfil hueco interior (3), y/o al menos un perfil hueco interior (4) de aluminio, y/o magnesio, y/o otro material, de sección transversal diferente, ubicados en forma concéntrica entre ellos y/o respecto del cuerpo tubular exterior principal (2), formando entre cada uno de los perfiles huecos interiores y/o el cuerpo tubular exterior principal cavidades (5) que configuran pasajes de gas oxidante (6), que fluirá a través de la longitud de la lanza térmica (1), y donde deben de tener al menos una parte recta y al menos una parte curva, de forma de lograr que el flujo de gas oxidante pase con una turbulencia adecuada a través de la lanza durante su operación.

Description

Lanza térmica que comprende al menos un perfil tubular hueco de aluminio, y/o magnesio, entre otros materiales, que le permite ser utilizada en procesos que requieren una alta cantidad de energía para cortar, perforar y/o fundir materiales de alto requerimiento térmico
MEMORIA DESCRIPTIVA CAMPO DE LA INVENCIÓN La invención se refiere a una lanza térmica consumible por reacción exotérmica que es utilizada para perforar y/o cortar cualquier tipo de material de diferentes espesores y dimensiones. En forma preferente la invención se refiere a una lanza térmica que comprende al menos un perfil tubular hueco de aluminio, y/o magnesio, entre otros materiales, que le permite ser utilizada en procesos que requieren una alta cantidad de energía para cortar, perforar y/o fundir materiales de alto requerimiento térmico, así como para proceso que requieran de una muy baja concentración de fierro.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Las lanzas térmicas actualmente utilizadas en la industria, para perforar y abrir pasajes en hornos de fusión, se encuentran configuradas básicamente, por una serie de perfiles tubulares de diferentes formas y tamaños, en sección transversal, insertados dentro de un cuerpo tubular exterior, o bien comprenden una serie de alambres insertados dentro de dicho cuerpo tubular exterior.
Entre cada uno de los elementos interiores, que comprende dicho cuerpo tubular exterior, se forman una serie de aberturas entre sí, a través de las cuales fluyen gases oxidantes, tal como oxígeno a presión que es inyectado en un extremo de la lanza para que fluya hacia el extremo opuesto, el cual entrará en contacto con el horno, permitiendo que el calor produzca la combustión entre el carbón contenido en el acero y el oxígeno inyectado, produciendo una reacción exotérmica en su extremo de ignición.
Para que ocurra una reacción exotérmica en la totalidad de la masa del fierro, que comprende una lanza térmica, para lograr la combustión del fierro que se produce en estado sólido, para generar importantes flujos de energía térmica, tiene que existir una óptima relación entre la cantidad de fierro en contacto con el oxígeno, así como la dinámica de contacto entre el oxígeno con las superficie a reaccionar del fierro.
Al no lograr la condición de combustión óptima el fierro se fundirá con parte de la energía que es aportada por el resto del fierro que sí reaccionó a la combustión, lo cual significa una disminución de la energía disponible para realizar las labores de perforación, corte y/o fusión en cualquier material, produciendo un proceso más ineficiente. Con una combustión completa del fierro el calor de combustión que se podría generar energía térmica de aproximadamente 7,25 KJ/g de una lanza de fierro, no obstante lo anterior debido a la configuración estructural de las lanzas utilizadas normalmente en la industria, permiten generar 4,2 KJ/g de energía térmica. Para algunos procesos de fundición de materiales no ferrosos, tal como carburo de silicio, carburo de titanio, y/o carbono, entre otros, se requiere de una lanza térmica que permita generar un alto flujo de energía térmica, ya que dichos materiales son de alto requerimiento térmico, sin embrago las lanzas térmicas fabricadas únicamente de fierro no logran la energía necesaria, requieren además de un alto caudal de oxígeno para su combustión. A lo anterior se suma que dicho proceso de corte y/o perforación de dichos materiales requieren de una baja contaminación de fierro, lo cual no se logra con lanzas térmicas fabricadas íntegramente de fierro.
Una alternativa para lograr un alto flujo de energía térmica es la utilización de aluminio, el cual tiene la cualidad de generar mucha energía (29,85 KJ/g), lo cual conduciría a los expertos en la materia a agregar aluminio a la configuración de una lanza térmica.
El aluminio tiene un punto de fusión muy inferior a su punto de ignición, es decir la ignición es en un estado líquido, lo que produce que la posición de combustión, la dirección y/o sentido que tome el flujo de energía que se genere no sean controlables.
Es importante entender que si el fierro no reacciona en un 100%, la energía que quede para fundir y llevar a temperatura de ignición el aluminio en la punta de la lanza será insuficiente, pues se ocupará mucha en fundir el fierro que no reaccionó. Por lo tanto existe la necesidad de proporcionar una lanza térmica que comprenda la utilización de aluminio y/o magnesio, y/o otros materiales, cuya configuración permita que el aluminio y/o dichos otros materiales combustionen en el lugar que se requiere, permitiendo mantener controlada la posición de combustión, así como la dirección y/o sentido que toma el flujo de energía que se genera, para proporcionar una lanza térmica que genere un alto valor de energía térmica en forma más eficiente, es decir, que produzcan un gran flujo de energía con poca masa, permita lograr una baja contaminación de fierro y/o óxidos de fierro, que permita perforar y/o cortar materiales de alta resistencia térmica, de menor volumen, más liviana y que consuma menos cantidad de oxigeno que las lanzas térmicas utilizadas en la actualidad.
RESUMEN DE LA INVENCIÓN El objeto de la invención, es proporcionar una lanza térmica consumible por reacción exotérmica que es utilizada para perforar y/o cortar por fusión cualquier tipo de material de diferentes espesores y dimensiones, de alta generación de energía, bajo peso y/o bajo consumo de oxígeno. Otro objetivo de la invención, es proporcionar una lanza térmica que comprende la utilización de aluminio, y/o magnesio, entre otros materiales, cuya configuración permite generar un gran flujo de energía con poca masa, de baja contaminación de fierro y/o óxidos de fierro, para ser utilizada en procesos de corte y/o perforación por fusión materiales no ferrosos, tal como carburo de silicio, carburo de titanio, carbono, entre otros.
La invención corresponde a una lanza térmica (1 ) consumible por reacción exotérmica que es utilizada para perforar y/o cortar cualquier tipo de material de diferentes espesores y dimensiones, que comprende un cuerpo tubular exterior principal (2) y al menos un perfil hueco interior (3) que tiene una sección transversal diferente, y/o al menos un perfil hueco interior (4) de aluminio, y/o magnesio, y/o otro material, de sección transversal diferente, ubicados en forma concéntrica entre ellos y/o respecto del cuerpo tubular exterior principal (2), formando así entre cada uno de los perfiles huecos interiores y/o el cuerpo tubular exterior principal cavidades (5) que configuran pasajes de gas oxidante (6), tal como por ejemplo oxígeno, que fluirá a través de la longitud de la lanza térmica (1 ), y donde deben de tener al menos una parte recta y al menos una parte curva, de forma tal de lograr que el flujo de gas oxidante pase con una turbulencia adecuada a través de la lanza durante su operación, para generar componentes de fuerzas perpendiculares y/o radiales a las paredes de las cavidades, y donde además dichas cavidades o pasajes interiores deben poseer una configuración tal que la disposición del al menos un perfil hueco interior (3) y el al menos un perfil hueco interior (4) de aluminio, y/o magnesio, y/u otro material, genere cavidades de paredes 100% de acero o fierro adyacentes a cavidades de paredes de acero o fierro y aluminio y/o magnesio, y/u otro material, y adyacentes a cavidades de paredes 100% de aluminio y/o magnesio, y/u otro material.
La relación de las áreas transversales de las cavidades o pasajes, por donde fluye el oxígeno, y el área transversal del material combustible (fierro, aluminio, y/o magnesio, y/o otros materiales), en una relación de área metal/área oxígeno, y/o la relación entre el espesor de las partes de aluminio y/o magnesio y el fierro o acero, deben de estar en una proporción y rango tal que permitan lograr asegurar que el aluminio y/o magnesio se funda antes de que combustione el fierro o acero adyacente, adelantando su desprendimiento, permitiendo así que pase por la zona de alta energía que libera la reacción del fierro, reaccionado el aluminio, en temperatura de ignición, con el oxígeno excedente de las otras combustiones, produciendo que el aluminio genere su alta cantidad de energía térmica.
La lanza térmica de la presente invención, permite lograr una combustión efectiva del aluminio, con una alta generación de energía térmica disponible, tal como por ejemplo en el extremo de la lanza, mayor a al menos 7,6 KJ/g, con menor contaminación de fierro, que requiere menor consumo de oxígeno, más liviana y/o produciendo un menor costo de operación, logrando así proporcionar una lanza térmica más eficiente, que genera a lo menos 2,6 veces más energía unitaria (KJ/g), respecto de lanzas que comprenden fierro acompañado de fierro.
DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCION
Diversas modalidades no limitantes de la presente invención se describirán ahora para proporcionar una comprensión general de los principios de la función estructural, fabricación y/o uso de los aparatos, métodos y/o artículos descritos en la presente descripción. Uno o más ejemplos de estas modalidades no limitantes se ilustran en las figuras adjuntas. Los expertos en la materia entenderán que los productos, aparatos y/o métodos específicamente descritos en la presente descripción e ilustrados en las figuras adjuntas son modalidades ilustrativas no limitantes y que el alcance de las diversas modalidades no limitantes de la presente invención se define, únicamente, por las reivindicaciones. Las características ilustradas o descritas en conjunto con una modalidad no limitante pueden combinarse con las características de otras modalidades no limitantes. Dichas modificaciones y variaciones tienen el propósito de estar incluidas en el alcance de la presente invención.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente de la realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante de la descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado la invención.
La figura 1 corresponde a una vista frontal de un extremo, de una realización preferente, de una lanza térmica de la presente invención.
La figura 2 corresponde a una vista en perspectiva frontal lateral, con un corte parcial de un extremo, de una realización preferente, de la lanza térmica de la invención.
La figura 3 corresponde a una vista en perspectiva inferior lateral, con un corte parcial del extremo, de una realización preferente, de la lanza térmica de la invención.
La figura 4 corresponde a una vista frontal de un extremo de una realización preferente de una lanza térmica de la presente invención. La figura 5 corresponde a una vista lateral de un corte longitudinal del extremo, de una realización preferente, de la lanza térmica de la invención, que muestra la forma en que se combustiona.
La figura 6 corresponde a una vista lateral de un corte longitudinal del extremo, de una realización preferente, de la lanza térmica de la invención, que muestra la forma que reacciona el gas oxidante. REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCION
La presente invención describe una lanza térmica (1 ) consumible por reacción exotérmica que es utilizada para perforar y/o cortar cualquier tipo de material de diferentes espesores y dimensiones, que comprende un cuerpo tubular exterior principal (2) y al menos un perfil hueco interior (3) que tiene una sección transversal diferente, y/o al menos un perfil hueco interior (4) de aluminio, y/o magnesio, y/o otro material, de sección transversal diferente (figuras 1 y 2), donde las paredes del al menos un perfil hueco interior poseen cambio de direcciones, donde la forma de la sección transversal de dichos perfiles interiores se selecciona de entre al menos una forma cuadrada, ovalada, triangular, hexagonal, en forma de estrella de múltiples puntas, y/o redondos, así como cualquier otra forma poligonal. El cuerpo tubular exterior principal (2) es el encargado de contener a él al menos un perfil hueco interior (3) que tiene una sección transversal diferente, y/o al menos un perfil hueco interior (4) de aluminio, y/o magnesio, y/o otro material, que posee una sección transversal diferente, de forma tal que cada uno de dichos elementos que conforman la lanza térmica, cuerpo exterior principal, y/o perfiles huecos interior (3, 4), son ubicados en forma concéntrica entre ellos y/o respecto del cuerpo tubular exterior principal (2) (figura 1 y 2), teniendo cada uno de los perfiles huecos interiores una sección transversal diferente, formando así entre cada uno de los perfiles huecos interiores y/o el cuerpo tubular exterior principal cavidades (5) que configuran pasajes de gas oxidante (6) (figuras 1 , 2 y 3), tal como por ejemplo oxígeno, que fluirá a través de la longitud de la lanza térmica (1 ).
Todas las cavidades o pasajes interiores formados dentro de la lanza térmica (1 ) tienen variadas formas geométricas. La forma de cada cavidad o pasaje y/o la cantidad de cavidades o pasajes entre perfiles huecos interiores, depende de la forma que tengan las secciones transversales de los perfiles.
Las cavidades o pasajes interiores (5) permiten la libre circulación de gases oxidantes (6), necesarios cuando la lanza térmica se encuentra en operación, preferentemente los gases oxidantes corresponden a un flujo de oxígeno. Las cavidades o pasajes interiores (5) que se forman entre los perfiles huecos interiores (3, 4), en forma preferente deben de tener al menos una parte recta y al menos una parte curva (figura 4), de forma tal de lograr que el flujo de gas oxidante que pasa con una turbulencia adecuada a través de la lanza durante su operación, genere componentes de fuerzas perpendiculares y/o radiales a las paredes de las cavidades (figuras 2 y 3), logrando así un equilibrio en el contacto del combustible, tal como por ejemplo acero y/o fierro, con el gas oxidante, tal como por ejemplo oxígeno, lo que produce que al estar expuesta a calor, la lanza siempre se mantenga encendida al mantener siempre las condiciones del triángulo del fuego, es decir, oxigeno, combustible y calor, en conjunto (figuras 5 y 6).
Una lanza térmica de alta generación de energía térmica, requiere que sea utilizado el aluminio y/o magnesio, como material de formación de al menos uno de los perfiles huecos interiores de la lanza, ya que dicho material genera mucha energía, aproximadamente 29,85 KJ/g, en comparación al acero o fierro, aproximadamente 4,2 KJ/g, que normalmente es utilizado en la fabricación integra de las lanzas térmicas del arte previo.
En forma preferente las cavidades o pasajes interiores (5) de la lanza térmica (1 ) de la invención, deben de poseer una configuración tal que la disposición del al menos un perfil interior (3) y del al menos un perfil hueco interior (4) de aluminio, y/o magnesio, genere cavidades de paredes 100% de acero o fierro adyacentes a cavidades de paredes de acero o fierro y aluminio y/o magnesio, adyacentes a cavidades de paredes 100% de aluminio y/o magnesio. (Figura 4).
Esta configuración permite que el aluminio y/o magnesio, que posee un punto de fusión muy inferior al fierro, se funda antes que el fierro o acero reaccione en combustión, generando la energía térmica necesaria que requiere el aluminio y/o magnesio para fundirse, permitiendo que se desprenda de su zona sólida emigrando hacia fuera desde los conductos pasando por la zona de alta energía calórica, que generó el fierro o acero, llegando el aluminio y/o magnesio, u otro material de alta generación de energía térmica inmediatamente a la temperatura de ignición, reaccionado en combustión con el oxígeno que fluye a través de los conductos, logrando que combustione en el lugar que se requiere. ( Figura 5) La proporción ancho y alto de las cavidades o pasajes con los espesores de pared de los materiales, de los cuales son formados el cuerpo tubular exterior y/o los perfiles huecos interiores, con las cuales se encuentra en contacto el oxígeno debe ser tal, que la componente de la fuerza normal con la cual choca el oxígeno con la superficie que está a temperatura de ignición, favorezca la fisisorción necesaria para que reaccione el 100% del fierro o acero que poseen las paredes, consiguiendo así que con la conducción, convección y/o radiación de la temperatura que genera la combustión del fierro o acero, el aluminio y/o magnesio, u otro material de alta generación de energía que contiene la lanza térmica, se funda en aproximadamente 3 mm a al menos 10 mm más adelantado de la punta de la lanza en donde reacciona el fierro o acero.
Esta condición, es lograda con la configuración de la lanza de la presente invención, de acuerdo a lo descrito precedentemente, ya que la relación de las áreas transversales de las cavidades o pasajes, por donde fluye el oxígeno, y el área transversal del material combustible (fierro, aluminio, y/o magnesio, y/o otros materiales) está en una relación de área metal/área oxígeno en un rango de entre aproximadamente 1 :2 a al menos 1 :8, y/o la relación entre el espesor de las partes de aluminio y/o magnesio y el fierro o acero está en una rango de entre aproximadamente 1 :3 a al menos 1 :70.
Con las relaciones y/o proporciones, de la lanza de la presente invención, se logra asegurar que el aluminio y/o magnesio se funda antes de que combustione el fierro o acero adyacente, adelantando su desprendimiento en al menos 3 mm, permitiendo así que pase por la zona de alta energía que libera la reacción del fierro, reaccionado el aluminio, en temperatura de ignición, con el oxígeno excedente de las otras combustiones, produciendo que el aluminio genere su alta cantidad de energía térmica, aproximadamente 29,85 KJ/g.
La lanza térmica de la presente invención, permite lograr una combustión efectiva del aluminio, con una alta generación de energía térmica disponible, mayor a 7,6 KJ/g, con menor contaminación de fierro, requieren menor consumo de oxígeno, más barata de producir y/o más liviana, logrando así proporcionar una lanza térmica más eficiente. En una modalidad las lanzas térmicas de la presente invención pueden ser fabricadas en acero de bajo contenido de carbono. En las lanzas térmicas de la presente invención el cuerpo hueco exterior conforma el manto de la lanza y dicho manto es de estructura exterior uniforme o irregular. El cuerpo exterior de la lanza puede ser de igual sección transversal a lo largo de todo su cuerpo y/o puede presentar más de una sección transversal. De igual manera los perfiles interiores pueden ser de igual sección transversal a lo largo de todo su cuerpo y/o puede presentar más de una sección transversal.
Las lanzas térmicas de la presente invención pueden ser acoplables o no acoplables, dependiendo de la forma que presenten sus extremos exteriores. Una lanza acoplable, es aquella que puede ser unida a otra lanza, ya sea directamente sin la intervención de un medio externo y/o a través de un medio adicional como por ejemplo una pieza o dispositivo de acoplamiento, que permita unir ambas lanzas. El poder disponer de lanzas acopladas entre ellas, permite el consumo total de cada lanza al momento de estar en uso, de esta manera no se producen remanentes de lanzas y por tanto no hay pérdidas de material, haciendo más económica la operación. La forma de los extremos de las lanzas y de las piezas de acoplamiento permite unir tantas lanzas como sean necesarias, con el fin de evitar pérdidas de lanzas.
En otra modalidad las lanzas térmicas de la presente invención poseen un recubrimiento con un material de alto punto de fusión (sobre los 2.000 °C), tal como un material cerámico, el cual se aplica a las lanzas que trabajan en lugares con temperaturas superiores a los 1 .400 °C de esta manera se evita que las lanzas se fundan y por consiguiente pierdan su forma, su capacidad para conducir gases oxidantes y su capacidad para combustionar. El recubrimiento de las lanzas puede ser aplicado al perfil exterior y/o a al menos uno de los perfiles interiores.
La lanza térmica de la presente invención, se obtiene mediante la aplicación de procesos térmicos, mecánicos y/o químicos. Cada perfil tubular antes de ser encajado concéntricamente se somete a un proceso de conformado de metales, de preferencia el perfil exterior es el primero en ser conformado y el perfil interior central es el último en ser conformado. La cantidad de perfiles a someter al proceso de conformado dependerá del diseño de cada lanza, es decir de la cantidad de perfiles que se necesiten para lograr un determinado diseño de la lanza. Una vez terminado el proceso de conformado de cada perfil, que formará parte de la lanza, se van uniendo los perfiles conformados, mediante procesos térmicos, mecánicos y/o químicos que, aparte de hacer el montaje, logran una interferencia de medidas entre perfiles, de tal manera que un determinado perfil queda fijo (unido) al perfil que lo precede, lo que permite dejarlos fijados y sujetados para resistir la presión y el flujo de gases oxidantes o de oxígeno que pasa a través de la lanza durante su operación, sin que se desprenda un perfil de otro.
Las secciones transversales de los perfiles usados en la conformación de la lanza, de acuerdo a la presente invención, permiten diseñar para obtener a discreción la resistencia a la flexión que se requiera, pudiendo lograr cuando sea necesaria mayor resistencia que la que se obtiene con otro tipo de lanzas de igual masa. Adicionalmente, la configuración geométrica obtenida de la lanza en su conjunto, permite concentrar el foco de ataque de la lanza con gran precisión, logrando así un corte más parejo, limpio, exacto y eficiente.
Las lanzas de la presente invención, gracias a su mejor aprovechamiento del poder calorífico de la lanza, permiten aumentar su velocidad y capacidad de corte, con lo cual se logra disminuir el tiempo de exposición del operario a altas temperaturas, reduciendo el riesgo de estrés térmico.
Las lanzas de la presente invención tienen variados usos, como por ejemplo en el caso de corte de cobre y escoria, en lugares tales como: fondos de olla, chanchos o acreciones apozadas, mirillas de hornos, pisos de hornos con material de cobre y ladrillo, acreciones en paredes de hornos, limpieza zona alojamiento toberas, acreciones en ducto de la pre cámara salida de gases, apertura de pasajes, horno de refino y de ánodos.
Las lanzas térmicas también pueden ser utilizadas para efectuar cortes que permitan abrir eficientemente pasajes de hornos de fundición de cobre, acero, ferroaleaciones, platino y/o otros materiales, independiente de que los tapones tengan cualquier composición, aunque fueren de grafito puro (carbono). Igualmente, pueden ser usadas para cortar y/o perforar por fusión aceros de cualquier calidad o espesor, como por ejemplo 1 .OOOmm, 2.000mm, 3.000mm y más. Al igual, que pueden ser usadas para cortar y/o perforar bloques de concreto o rocas y piedras de cualquier tipo y dimensión. Aún más, como ya se dijo, las lanzas térmicas de la presente invención pueden ser usadas para el corte y/o perforación por fusión de cualquier tipo de material, inclusive el diamante que es el más resistente a la temperatura, donde en forma preferente es utilizada para perforar y/o cortar por fusión materiales de alta resistencia térmica y que aceptan muy baja contaminación de fierro, tal como por ejemplo el silicio y/o otros materiales no ferrosos.
EJEMPLO DE APLICACIÓN: Una lanza térmica, a modo de ejemplo de acuerdo a la invención, tal como representada en las figuras 1 a 6, fue producida de forma tal que comprende un cuerpo exterior tubular (1 ), un perfil tubular interior (3) de fierro o acero con sección transversal en forma de estrella con cuatro puntas, un perfil tubular interior (4) de aluminio con sección transversal redonda, y otro perfil tubular interior (8) de fierro con sección transversal en forma de estrella con cuatro puntas, dispuesto en forma concéntrica y uno al interior del otro, formando así una serie de cavidades o pasajes de oxígeno.
En el cuadro N° 1 se muestra como 1 ce de fierro genera casi seis veces más energía que la que requiere 1 ce de aluminio para llegar al punto de ignición.
Figure imgf000013_0001
La lanza realizada preferente de acuerdo a la invención, comprende un inserto de aluminio acompañado de otro de fierro, donde la relación de las áreas transversales de las cavidades o pasajes, por donde fluye el oxígeno, y el área transversal del material combustible (fierro/ aluminio) está en una relación de área metal/área oxígeno en un rango de entre aproximadamente 1 :2 a al menos 1 :8, y/o la relación entre el espesor de las partes de aluminio y el fierro o acero está en una rango de entre aproximadamente 1 :3 a al menos 1 :70. Las cavidades o pasajes interiores (5) que se forman entre los perfiles huecos interiores tienen al menos una parte recta y al menos una parte curva, y donde dichas cavidades o pasajes interiores poseen una configuración de paredes 100% de acero o fierro adyacentes paredes de acero o fierro y aluminio, y adyacentes paredes 100% de aluminio.
En el cuadro N° 2 se puede apreciar que una lanza térmica que comprende la configuración de acuerdo al presente ejemplo de aplicación, en donde el aluminio es acompañado de fierro, genera 2,6 veces más energía unitaria (KJ/g), que una lanza que comprende fierro acompañado de fierro.
Evaluación generación de energía de 2 insertos (Fe y Al) de áreas equivalentes
Concepto UM Al+Fe Fe+Fe
Perímetros insertos mm 50,3 50,3
Espesor inserto 1 siempre de Fe mm 1 ,0 1 ,0
Espesor inserto 2 (Al o Fe) mm 1 ,0 1 ,0
Área inserto 1 mm2 50,3 50,3
Peso inserto 1 (1 m) 9 392,1 392,1
Área inserto 2 (Al o Fe) mm2 50,3 50,3
Peso inserto 2 (Al o Fe) (1 m) 9 135,7 392,1
Peso total conjunto (1 m) 9 527,8 784,1
Energía que genera el inserto 1 de Fe KJ 1 .658,5 1 .658,5
Energía Total para llegar al punto de ignición del Fe KJ/g 0,38
Energía del inserto 1 de Fe usada para llevar al punto de ignición al
inserto 2 KJ 294,5 149,8
Energía que se ocupa del inserto 1 para llevar al punto de ignición al
Fe KJ 149,8 149,8
Energía que queda disponible del inserto 1 KJ 1 .214,2 1 .358,9
Energía que genera el inserto 2 KJ 4.051 ,6 1 .658,5
Energía que desarrolla el conjunto KJ 5.265,8 3.017,4
Energía disponible que desarrolla el conjunto por unidad másica KJ/g 10,0 3,8
Relación de generación de energía (AI+Fe)/(Fe +Fe) 2,6

Claims

REIVINDICACIONES 1 .- Lanza térmica (1 ) consumible por reacción exotérmica que es utilizada para perforar y/o cortar cualquier tipo de material de diferentes espesores y dimensiones, posee un cuerpo tubular exterior principal (2) y al menos un perfil hueco interior (3) que tiene una sección transversal diferente dispuestos en forma concéntrica formando entre cada uno de los perfiles huecos interiores y/o el cuerpo tubular exterior principal cavidades (5) que configuran pasajes de gas oxidante (6) CARACTERIZADO porque comprende al menos un perfil hueco interior (4) de aluminio, y/o magnesio, y/o otro material, de sección transversal diferente, donde la relación de las áreas transversales de las cavidades o pasajes y el área transversal del material combustible (fierro, aluminio, y/o magnesio, y/o otros materiales) está en una relación de área metal/área oxígeno en un rango de entre aproximadamente 1 :2 a al menos 1 :8, y/o la relación entre el espesor de las partes de aluminio y/o magnesio y el fierro o acero está en una rango de entre aproximadamente 1 :3 a al menos 1 :70.
2. - Lanza térmica de acuerdo a la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque por las cavidades o pasajes comprenden al menos una parte recta y al menos una parte curva.
3. - Lanza térmica de acuerdo a las reivindicaciones precedentes, CARACTERIZADO porque el material de aluminio es dispuesto adyacente y/o acompañado del material de fierro.
4. - Lanza térmica de acuerdo a las reivindicaciones precedentes, CARACTERIZADO porque las cavidades o pasajes interiores posee una configuración tal que la disposición del al menos un perfil hueco interior y el al menos un perfil hueco interior (4) de aluminio, y/o magnesio, y/u otro material, genera cavidades de paredes 100% de acero o fierro adyacentes a cavidades de paredes de acero o fierro y aluminio y/o magnesio, y/u otro material, y adyacentes a cavidades de paredes 100% de aluminio y/o magnesio, y/u otro material.
5.- Lanza térmica de acuerdo a las reivindicaciones precedentes,
CARACTERIZADO porque las lanzas térmicas son acoplables entre sí.
6. - Lanza térmica de acuerdo a las reivindicaciones precedentes, CARACTERIZADO porque la forma de la sección transversal de dichos perfiles interiores se selecciona de entre al menos una forma cuadrada, ovalada, triangular, hexagonal, en forma de estrella de múltiples puntas, y/o redondos, así como cualquier otra forma poligonal
7. - Lanza térmica de acuerdo a las reivindicaciones precedentes, CARACTERIZADO porque las cavidades o pasajes interiores formados dentro de la lanza térmica (1 ) tienen variadas formas geométricas.
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