ES2267109T3 - Procedimiento de fabricacion de productos refractarios moldeados por fusion. - Google Patents
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Abstract
LA COLADA (35) QUE SE PRODUCE EN UN HORNO (30) DURANTE LA FABRICACION DE UN PRODUCTO REFRACTARIO COLADO POR FUSION SE TRATA EFICAZMENTE CON UN GAS BENEFICIADOR INYECTANDO EL GAS DE MANERA SUSTANCIALMENTE CONTINUA A TRAVES DE UNA TOBERA (10) QUE SE EXTIENDE BAJO LA SUPERFICIE DE LA COLADA (35) DURANTE TODA UNA CAMPAÑA DE PRODUCCION Y FAVORECIENDO LA INYECCION DE GAS ENTRE CAMPAÑAS.
Description
Procedimiento de fabricación de productos
refractarios moldeados por fusión.
Esta invención pertenece al campo de los
procedimientos de fabricación de productos refractarios; más
concretamente, se refiere a un procedimiento de moldeo por fusión
para la fabricación de productos refractarios, especialmente
procedimientos en los que la carga fundida es tratada con un agente
de beneficiación.
Los productos refractarios, tales como
ladrillos, bloques y varias formaciones, se pueden hacer de
materiales cerámicos de varias maneras. Por ejemplo, los materiales
cerámicos pueden ser procesados por sinterización a altas
temperaturas, o los materiales pueden ser pegados entre sí por medio
de fases de matrices. Alternativamente, en el procedimiento de
moldeo por fusión, los materiales cerámicos primero se funden, se
vierten en moldes del tamaño y forma deseados y, después de su
enfriamiento, los cuerpos refractarios se recuperan de los moldes.
Los materiales cerámicos adecuados para productos de moldeo fundidos
incluyen óxidos tales como, por ejemplo, dióxido de sílice, alúmina,
zirconia, calcia, cromia, magnesia, óxidos de metales alcalinos, así
como minerales de cromo, circón, y mezclas de los mismos.
En la fabricación de refractarios moldeados
fundidos, ha sido práctica industrial fundir los materiales
cerámicos en hornos de arco eléctrico, pero se pueden emplear otros
procedimientos de fusión. En el procedimiento de arco eléctrico el
arco se cierra entre los electrodos y la colada. Los electrodos son
operados en o encima de la superficie de la colada que está
contenida en un crisol o cucharón abierto o cubierto con paredes
para contener el material cerámico y equipado con un pico de
vertido.
Los refractarios moldeados fundidos tienen
varias aplicaciones, entre las que está una muy importante en la
industria del vidrio, en la que este tipo de refractarios se emplea
como material del forro y/o estructural de hornos y depósitos que
contienen el vidrio fundido.
En la fabricación del vidrio, las interacciones
entre el forro refractario y el vidrio fundido puede llegara
producir burbujas, incrustaciones cristalinas y otros defectos del
vidrio. Además, la exudación de una fase vidriosa separada del
refractario en el vidrio fundido puede producir más contaminación de
la colada, e incluso el deterioro prematuro del refractario.
Durante décadas se han venido realizando
esfuerzos para minimizar las reacciones químicas entre el material
refractario y la colada. Ya en 1960 se reveló en la patente francesa
1.208.577 que los efectos adversos mencionados anteriormente son
promovidos tanto por la porosidad excesiva del cuerpo refractario
moldeado fundido como por la reducción química del óxido fundido por
el grafito, material del electrodo empleado comúnmente para la
fusión por arco. Además se reveló que las propiedades del producto
refractario moldeado fundido se pueden mejorar cerrando el arco de
manera tal que los electrodos estén separados de la colada y que se
aumente la longitud del arco entre los electrodos y la colada. Esto
se denomina "procedimiento de arco alto". El arco alto minimiza
la reducción de los óxidos de la colada debida al carbono o monóxido
de carbono de los electrodos. El arco que pasa a través de la colada
produce la agitación de la superficie, lo que disminuye la porosidad
del producto refractario. La patente 1.208.577 revela ampliamente
que la agitación también se puede producir pasando una corriente de
un gas oxidante, tal como aire u oxígeno, a través de la colada.
En esta línea, la patente de EE. UU. 3.079.452,
del mismo beneficiario que la patente 1.208.577 antes mencionada,
revela la renovación beneficiosa de la atmósfera gaseosa sobre la
colada de óxido con una corriente de aire para eliminar dicha
atmósfera de monóxido de carbono producida por la reacción entre la
colada y los electrodos de grafito. El aire se puede introducir
practicando en el crisol orificios de ventilación o respiraderos,
tal como la perforación de orificios. La patente británica
1.036.893, del mismo beneficiario, describe brevemente un crisol en
el que el aire se introduce debajo de la superficie de la colada,
calentándose la colada por medios diferentes de los descritos en la
patente 1.208.577 antes mencionada. La patente de EE. UU. 3.670.061
revela que un gas seco de argón, nitrógeno o dióxido de carbono,
introducido a través de electrodos huecos usados para calentar la
colada, también mejora las propiedades del producto.
La patente de EE. UU. 3.703.391 se refiere a un
procedimiento de introducción de un gas oxidante en la colada
insertando una lanza metálica refrigerada por agua presurizada con
un gas. Esta técnica general ha sido adoptada por, y todavía es
usada por varios fabricantes de refractarios moldeados fundidos,
siendo insertada la lanza generalmente en la colada y retirada
seguidamente antes del vertido. Sin embargo, el uso de dicha lanza
refrigerada por agua introduce un elemento de peligro en el
procedimiento, porque si se rompiera un sello, o se agrietara una
soldadura, o se produjera el fallo de otro sistema de refrigeración
por agua, se podría producir una explosión debido a la rápida
vaporización del derrame de agua en la colada at 2000ºC,
aproximadamente.
Por consiguiente, si se usa la técnica
convencional, se deben llevar a cabo, ensayos de elaboración,
repetición de los ensayos y comprobaciones de seguridad. La patente
3.703.391 trata estos problemas mediante una minilanza de inyección
de gas refrigerada por agua que se engancha de manera desmontable
con el pico del crisol y se usa para inyectar un gas en la colada
solamente durante el tiempo en que el crisol está inclinado después
de la formación de la colada pero ates de su vertido. Por otra
parte, la patente de EE. UU. 3.868.241 evita los problemas asociados
con la inyección de un gas oxidante directamente en la colada,
poniendo en contacto la colada con un gas oxidante solo cuando esta
está siendo vertida en moldes.
En la realización de una campaña de producción
típica para fabricar un refractario moldeado fundido, el crisol
cubierto con paredes se carga con materiales cerámicos, se cierra el
arco, se funden los materiales, se vierte la colada del crisol en
moldes u otros dispositivos conformadores, se recarga el crisol con
materiales cerámicos, se funden los nuevos materiales, se vierten en
moldes, etc. Una campaña de producción de un refractario moldeado
fundido típicamente ocupa días o semanas y es, en esencia, un
procedimiento por tandas que se lleva a cavo repetidamente. Al final
de una campaña de producción la alimentación eléctrica típicamente
se reduce o se desconecta, con lo cual en cualquier caso se
solidifica en el crisol una cantidad sustancial de material cerámico
fundido residual. La siguiente campaña típicamente se inicia
cerrando de nuevo el arco eléctrico, fundiendo de nuevo el residuo
cerámico de la campaña anterior, etc.
Las mejoras técnicas antes mencionadas en el
tratamiento de la colada moldeada por fusión con un gas de
beneficiación omiten abordar el hecho de que las perjudiciales
reacciones de reducción de óxidos pueden continuar en la colada
durante toda su duración. En la técnica anterior, el tratamiento con
el gas de beneficiación y la agitación de la colada generalmente no
son continuas a lo largo de una sola tanda.
La naturaleza discontinua del tratamiento con
gas ha hecho parecer deseable para algunos de los expertos en la
técnica tratar la colada vigorosamente con una gran cantidad de gas
justo antes del vertido de la colada, pero esto puede dar lugar a
una porosidad excesiva del producto moldeado fundido. En la
situación actual, la técnica trata de compensar esto introduciendo
un retraso en la desconexión de la alimentación eléctrica entre el
momento final del tratamiento con gas y el vertido de la colada para
permitir que las burbujas de gas escapen de la colada. Sin embargo,
con la alteración de la agitación, los componentes más densos de la
colada tienden a asentarse en el fondo del crisol, dando lugar a un
producto moldeado fundido no uniforme.
Por lo tanto, un objetivo de esta invención es
corregir estas deficiencias de la técnica anterior. En el logro de
este objetivo, también es deseable poder tratar la colada moldeada
por fusión con un agente de beneficiación sin usar un dispositivo de
inserción de gas refrigerado por agua, evitando de esta manera los
riesgos y gastos asociados con una lanza refrigerada por agua.
De acuerdo con la invención, estos objetivos se
logran mediante un procedimiento de fabricación de productos
refractarios moldeados fundidos. El procedimiento incluye una serie
de al menos dos campañas de producción, comprendiendo cada campaña
un procedimiento de tipo por tandas llevado a cabo al menos una vez,
incluyendo dicho procedimiento de tipo por tandas las etapas de:
- (1)
- carga de un crisol cubierto con paredes de un horno de arco eléctrico con material cerámico,
- (2)
- fusión del material cerámico activando el arco eléctrico,
- (3)
- tratamiento del material cerámico fundido con un gas de beneficiación, y
- (4)
- vertido de la colada tratada en uno o más moldes,
cada campaña termina haciendo que
una cantidad sustancial de colada se solidifique en el crisol,
inyectando un gas de beneficiación bajo la superficie de la colada
de manera sustancialmente continua a lo largo de cada campaña de
producción desde al menos una tobera insertada bajo la superficie de
la colada manteniendo la inyección de gas entre
campañas.
En realizaciones preferidas, el gas de
beneficiación es un agente oxidante, y el gas se distribuye en la
colada por medio de una o más toberas que se extienden en el crisol
bajo la superficie de la colada. Además de la constante protección
contra agentes reductores, esta práctica permite una agitación
continua y controlable de la colada a lo largo de cada tanda,
incluso en la etapa de vertido. Con esta invención, el arco
eléctrico puede estar (pero no es necesario que esté) activado
continuamente, incluso durante las etapas de vertido de la colada,
con lo que se mantiene la colada a una temperatura relativamente
uniforme. El arco aumenta también la agitación provista por la
inyección de gas.
La agitación mejora la homogeneidad de la
composición química y de la temperatura de la colada y reduce
significativamente la cantidad de sedimentación de los componentes
más densos en la parte inferior del fondo de colada durante cada
campaña, lo que da lugar a una menor variabilidad de la composición
y de temperatura de la colada vertida. El vertido con la
alimentación eléctrica conectada y la agitación mantenida
continuamente produce una temperatura de fusión mayor que si la
alimentación eléctrica estuviera desconectada. Esta temperatura
superior es deseable, porque las solubilidades de los gases usados
en este procedimiento son generalmente menores a temperaturas
superiores. El gas residual de la colada puede dar lugar a
propiedades indeseables en el refractario moldeado, tal como una
tendencia a la baja densidad y a la exudación incrementada. Sin
embargo, si la alimentación eléctrica está conectada durante el
vertido, pero sin una inyección de gas continua y la agitación
resultante, la temperatura de la colada puede llegar a ser tan alta
que los aglutinantes orgánicos, usados típicamente en la fabricación
de moldes, se descomponen en productos de reacción gaseosos, dando
lugar también a productos refractarios con tendencia a una densidad
reducida y a la exudación.
Los relativos sencillez y bajo coste de una
tobera hacen posible tratar con gas la colada de moldeo por fusión
de manera sustancialmente continua durante toda una campaña de
producción, manteniendo también la inyección de gas entre campañas.
El mantenimiento entre campañas es necesario porque la terminación
de una campaña de producción haciendo que una cantidad sustancial de
la colada se solidifique en el crisol disminuyendo la alimentación
eléctrica o desconectándola puede dar lugar a la solidificación de
colada residual alrededor de las toberas. Esto puede inmovilizar una
tobera y prevenir su regeneración hasta el inicio de la siguiente
campaña.
La invención, incluso la manera y medios por los
que se puede practicar, se clarificará haciendo referencia a los
dibujos, que ilustran las realizaciones preferida, y con la
descripción detallada que sigue.
La figura 1 es una vista en planta desde arriba
de un conjunto de tobera preferido empleado en esta invención.
La figura 2 es una vista lateral del conjunto de
tobera de la figura 1 en combinación con parte de un horno, que se
muestra en trazo discontinuo y en sección transversal, empleado en
la práctica de la invención.
La figura 3 es una vista lateral esquemática de
un horno cargado de refractarios moldeados fundidos de esta
invención, parcialmente en sección transversal, en una determinada
etapa de una tanda de producción.
La figura 4 es una vista similar a la de la
figura 3, pero en la última etapa de la tanda de producción.
El procedimiento de esta invención provee medios
para tratar la colada continuamente en un horno de moldeo por fusión
con un agente de beneficiación a lo largo de toda una campaña de
producción y para mantener el tratamiento entre campañas. Aunque se
podrían utilizar agents no gaseosos, el agente de beneficiación
empleado en esta invención es un gas. De acuerdo con esta invención
se pueden emplear gases de beneficiación no oxidantes, por ejemplo,
argón, nitrógeno, etc. (vea, por ejemplo, la patente de EE. UU.
3.670.061), pero se prefiere utilizar un gas oxidante. Entre los
diferentes gases oxidantes, se sabe que un gas seleccionado entre
aire, oxígeno, óxido nitroso, dióxido de carbono, y mezclas de los
mismos dan buenos resultados y se prefiere. Entre estos gases
oxidantes, el oxígeno es especialmente atractivo, porque es
económico.
Para simplificar la realización de la inyección
continua de gas en la colada, se puede utilizar la lanza ya bien
conocida en la técnica. Por ejemplo, dicha lanza, preferiblemente
sin los problemas asociados con la refrigeración, se puede insertar
hacia abajo a través de la superficie de la colada hasta un punto
bajo la superficie donde se desea la emanación de burbujas de gas,
por ejemplo, en el punto donde la agitación asociada con el gas
burbujeante es más efectiva.
Sin embargo, de acuerdo con la presente
invención, la inyección continua de gas en la colada,
preferiblemente se realiza empleando como inyector al menos una
tobera diseñada adecuadamente que, a los fines de esta invención, se
distingue provechosamente de la "lanza" usada actualmente en
esta técnica y es insertada, preferiblemente a través de una pared
del crisol o cucharón. Históricamente, una tobera es un dispositivo
a través del cual se inyecta una corriente de gas en un horno, por
ejemplo, un horno de forja o un horno alto. Las toberas se pueden
producir con un sinfín de diseños, dependiendo de los hornos con los
que deben interactuar, del tipo de gas a inyectar, de la naturaleza
del medio en contacto con la tobera, su temperatura, etc.
Una tobera se puede insertar en cualquier punto
de la pared del crisol que contiene la colada, preferiblemente, bajo
la superficie de la colada. En muchos casos será suficiente una sola
tobera, pero en crisoles de gran capacidad o, por ejemplo, si se
desea inyectar más de un tipo de gas en la colada, se puede usar una
pluralidad de toberas con efectividad. Un punto de inserción de una
tobera preferido está en o cerca del fondo del crisol para inyectar
el gas dentro del triángulo de electrodos proyectado, es decir, el
triángulo creado uniendo mentalmente las puntas de los tres
electrodos empleados comúnmente para fundir el material cerámico y
proyectando el triángulo resultante hacia abajo a través de la
colada.
Cuando se inserta así una tobera en el crisol, y
se hace que se solidifique una cantidad sustancial de la colada, lo
que indica la terminación de la campaña de producción, la tobera
puede llegar a congelarse dentro del material cerámico. Esto puede
dar lugar al deterioro de la tobera, de tal manera que el flujo de
gas a través de la tobera muy frecuentemente no logra regenerarse al
comienzo de la siguiente campaña cuando el material cerámico se
funde nuevamente. Consecuentemente, se ha observado que es deseable
disponer de medios para mantener la inyección de gas entre campañas,
asegurando de esta manera la disponibilidad de gas para una
inyección sustancialmente continua durante las campañas
subsiguientes.
Hay varias maneras por las que se puede mantener
la inyección de gas entre campañas. Por ejemplo, la tobera puede
incluir un metal refractario (se enumeran a continuación). Si están
diseñadas adecuadamente, dichas toberas pueden sobrevivir estando
congeladas en el material cerámico, y el flujo de gas puede
regenerarse satisfactoriamente durante varias campañas,
manteniéndose de esta manera la inyección de gas entre campañas, aún
cuando se desconecte la alimentación eléctrica, en tanto que el
orificio de la tobera se proyecte encima del fondo desarrollado. Sin
embargo, las toberas hechas de metal refractario pueden ser bastante
costosas.
Alternativamente, se puede mantener la inyección
de gas entre campañas simplemente "ralentizando el horno", es
decir, reduciendo la alimentación eléctrica para minimizar el
depósito de material cerámico fundido y continuando el flujo de gas
en la tobera y en el fondo minimizado. En otros casos, especialmente
si la tobera es accesible fácilmente y relativamente económica, es
factible terminar la campaña desconectando la alimentación
eléctrica, haciendo que la colada se solidifique en el crisol, y
sustituyendo la tobera entre campañas de producción. Esta última
técnica el mantenimiento de la inyección de gas entre campañas se
describe detalladamente más adelanta. La sustitución de toberas
entre campañas asegura que la inyección de gas se va a regenerar en
la siguiente campaña, lo que se prefiere.
Si la tobera está diseñada adecuadamente e
insertada a través de la pared del crisol en un punto adecuado, se
ha observado que es innecesario proveer refrigeración a la tobera.
Sin embargo, aparte de la complejidad y coste extraordinarios, nada
impide la refrigeración de la tobera si fuera necesario, y el diseño
de este tipo de tobera está dentro de la maestría de los que
trabajan en esta técnica. Si la refrigeración es necesaria, es
preferible evitar el agua como medio de transferencia de calor por
las razones explicadas anteriormente. En cambio, se puede emplear
otro medio de transferencia de calor, preferiblemente, uno que sea
un fluido a la temperatura de operación de la tobera, y se puede
diseñar un sistema presurizado cerrado si es necesario debido a la
presión del vapor o a la reactividad del fluido elegido. Los medios
de transferencia de calor adecuados incluyen, por ejemplo, aluminio,
bismuto, boro, cerio, cobalto, cobre, germanio, lantano, manganeso,
níquel, silicio, estaño, fundidos y combinaciones de los mismos.
Para los expertos en la técnica será evidente
que los detalles específicos del diseño de la tobera no son críticos
y que serán efectivos otros muchos diseños diferentes. Una tobera
preferida con el hardware de montaje asociado para su uso en esta
invención aparece en las figuras 1 y 2. Esta tobera es
suficientemente elemental en su diseño que, construida de
materiales relativamente económicos, puede ser sacrificada después
de cada campaña de producción y sustituida por una tobera nueva en
la siguiente campaña, si es necesario. Alternativamente, una tobera
con este diseño construida con metal refractario se puede emplear
durante varias campañas de producción.
Haciendo referencia ahora a las figuras, el
conjunto de tobera 10 incluye un tubo 19 de crisol con rosca 20 en
un extremo del mismo para su acoplamiento de manera desmontable con
un pasadizo complementario a través de la pared 31 del crisol. El
tubo 19 del crisol está soldado en su otro extremo a la brida 15 del
crisol. El tubo 13 de inserción está unido por soldadura 14 al tubo
11 de inyección y se extiende a través del tubo 19 del crisol, el
diámetro interior del cual es mayor que el diámetro exterior del
tubo 13 de inserción. El tubo 13 de inserción está soldado a la
brida 16 de la tobera y termina en un tubo 17 de anclaje. La brida
16 de la tobera se acopla de manera desmontable a la brida 15 del
crisol por medio de combinaciones 18 de perno/tuerca. El gas de
beneficiación se introduce por el tubo 17 de anclaje.
Se debe advertir que el gas de beneficiación
sale del tubo 11 de inyección por el orificio 12 que está encima o
en la superficie 39 del residuo o fondo 34 refractario como se
explica más adelante. En operación, el tubo 17 de anclaje se
conecta a una fuente de gas que gestiona el aparato, que incluye
medios para ajustar la presión del gas, pero no se muestra para
mayor simplicidad, que es bien conocido para los expertos en la
técnica.
El conjunto de tobera puede estar construido de
un número cualquiera de diferentes materiales o de combinaciones de
los mismos. Por ejemplo, se pueden emplear cerámicas tal como la
alúmina, y metales, tal como el acero inoxidable, o metales
refractarios, tal como el molibdeno, iridio, niobio, osmio, renio,
tántalo, tungsteno, y combinaciones de los mismos. Entre estos
materiales, el acero inoxidable, por ejemplo, acero inoxidable de la
serie 300, es el menos costoso, así que se prefiere. Si el tubo 11
de inyección está construido de microtubing de acero inoxidable
disponible comercialmente, la parte del tubo 11 de inyección entre
el orificio 12 y la superficie 39 de la costra se consume
normalmente durante una campaña de producción, de manera que el tubo
11 de inyección termina y el orificio 12 se localiza en la
superficie 30. Es más conveniente y económico usar también acero
inoxidable en el tubo 13 de inserción, pero la elección de estos y
los demás materiales no es crítica. Será evidente que se pueden
construir otras toberas en insertarlas a través de la pared 31 del
crisol, si se desea.
El caudal del gas se puede controlar en la
fuente, considerando la geometría del sistema, las propiedades de la
colada y el gas usado. Se puede lograr un tratamiento suficiente de
la colada con una variedad de caudales del gas.
La naturaleza específica de los medios de
montaje del conjunto de tobera dentro de la pared 31 del crisol no
es crítica, pero se prefiere que el montaje este diseñado de manera
que el conjunto de tobera se monte y sustituya fácilmente. La figura
2 ilustra una manera en la que se puede hacer esto como se describe
más adelante.
La última tanda de una campaña de producción
generalmente concluye vertiendo la última colada del crisol en uno o
más moldes y, seguidamente, haciendo que una cantidad sustancial de
colada, que puede incluir toda, se solidifique en el crisol
desconectando la alimentación eléctrica y el flujo de gas. Esta
acción generalmente tapona el orificio 12 si está bajo la superficie
del material cerámico. Una alternativa es dejar que siga el flujo
de gas y simplemente ralentizar el horno entre campañas de
producción como se explica más adelante.
Si el orificio 12 del tubo 11 de inyección se
tapona, en ese caso, antes del inicio de la siguiente campaña de
producción, se puede retorcer el tubo 13 de inserción girando la
brida 16 de la tobera después de retirar los sujetadores 18.
Generalmente, esto da lugar a la rotura del tubo 11 de inyección del
tubo 13 de inserción en la soldadura 14, especialmente si el tubo 11
de inyección está construido de microtubing de acero inoxidable. El
tubo 13 de inserción y cualquier resto de tubo 11 de inyección se
puede retirar seguidamente del crisol. El tubo 13 de inserción y los
restos de los componentes retirados se pueden reacondicionar en lo
necesario y reutilizar.
Seguidamente, se puede extraer el pasadizo que
va desde el orificio resultante en la pared 31 del crisol a través
del fondo, preferiblemente extrayendo primero el tubo 19 del crisol
y la brida 15 del crisol conectada de la pared 31 del crisol. Esto
de hace de manera relativamente fácil si al menos la parte del fondo
o del forro del crisol que rodea el tubo 13 de inserción y el tubo
11 de inyección está construida de ladrillo refractario de desecho.
Este tipo de forro no se funde durante el curso de la campaña de
producción, de manera que el pasadizo del tubo 13 de inserción y del
tubo 11 de inyección se mantiene desde una campaña de producción a
la siguiente. Opcionalmente, se puede emplear con efectividad un
taladro con punta de diamante refrigerado por agua para extraer el
fondo refractario. El agua de refrigeración se evaporará al
contactar con el fondo si está aún caliente desde la campaña
anterior.
Seguidamente, se puede insertar un tubo 13 de
inserción nuevo, añadir materiales cerámicos al crisol, conectar la
alimentación eléctrica y etc. Por supuesto que si el tubo 11 de
inyección no está taponado por la carga solidificada de la campaña
anterior, el conjunto de tobera puede permanecer en posición para su
reutilización. Este puede ser el caso si la tobera incluye metal
refractario, especialmente cuando el tubo 11 de inyección se
proyecta sobre el fondo 34.
La atención se dirige ahora a las figures 3 y 4,
que ilustran la aplicación de la invención durante el proceso de una
tanda de material refractario moldeado fundido realizado en horno
30. El horno está equipado con un reborde 33, Aunque no es necesaria
una cubierta completa. El horno 30 es del tipo bien conocido para
los expertos en la técnica, y se omiten para mayor claridad varios
componentes, como la refrigeración del crisol, conjunto de
suspensión de los electrodos 32, etc. L alimentación eléctrica será
generalmente de CA trifásica, con tres electrodos, que están ocultos
a las vistas unos detrás de otro en las figuras 3 y 4.
Preferiblemente, los electrodos están suspendidos
independientemente, estando controladas automáticamente sus
posiciones longitudinales respecto de la superficie 36 de la colada
para mantener la corriente constante fase a fase.
El horno 30 puede estar diseñado de manera tal
que la tobera o toberas entre(n) por la pared del crisol en
cualquier punto, supuesto que el orificio 12 de al menos un tubo 11
de inyección está bajo la superficie de la colada a producir.
Preferiblemente, esto se hace situando el conjunto 10 de tobera en o
cerca del fondo del crisol 31 como se muestra en las figuras 3 y 4.
Es decir, el tubo 11 de inyección de gas y el tubo 13 de inserción
del conjunto de tobera 10 se pasan a través de la pared 31 del
crisol y del fondo 34 de la parte inferior del crisol como se
muestra en la figura 2. Sin embargo, se debe apreciar que la tobera
se podría introducir a través de un lado o de la parte superior, a
través de una cubierta, si está presente, del crisol e incluso
situar de la misma manera el orificio 12 del gas.
Con el conjunto de tobera 10 en posición y el
horno 30 derecho, como se muestra en la figura 3, la primera tanda
de la campaña de producción comienza iniciando el paso del gas de
beneficiación dentro del espacio del crisol justo encima del fondo
34, activando los electrodos 32 para crear un arco eléctrico, y
añadiendo los materiales cerámicos deseados al crisol, aunque uno u
otro o ambos primeros actos se pueden realizar una vez añadido el
polvo cerámico, si se desea. Se funde la carga del crisol, y se
mantiene durante todo el proceso de fusión y después del flujo de
gas hacia dentro de la colada 35, con lo que el gas agita la colada
35 y la trata. Durante este proceso, la entrada de la corriente de
gas produce un efecto de remolino/agitación en la colada que se
ilustra esquemáticamente en las figuras 3 y 4.
Una vez que la carga del crisol ha sido fundida
de esta manera, el crisol bascula como se muestra en la figura 4,
usando medios no ilustrados, para que le colada entre en el orificio
37 de la colada y salga del pico 37 hacia dentro de los moldes u
otros dispositivos de conformación (no se muestran) del tamaño y
forma deseados. Durante todo este conjunto de etapas del
procedimiento, se mantiene el flujo de gas a través del conjunto de
tobera; la alimentación eléctrica de los electrodos 32 puede
permanecer o no según se desee. A la terminación del vertido, se
endereza el crisol, y continúa el tratamiento con gas de toda la
colada residual del crisol. La introducción de otros materiales
cerámicos en el crisol comienza la tanda siguiente de la campaña,
aunque la campaña puede incluir una sola tanda. Estas etapas del
procedimiento se repiten durante el número de tandas necesarias para
completar la campaña de producción, manteniéndose el flujo de gas a
través del conjunto de tobera, y preferiblemente la alimentación
eléctrica durante toda la campaña. Al final de la campaña, se pueden
suspender la alimentación eléctrica y el gas, o se puede ralentizar
el horno reduciendo la alimentación eléctrica, pero manteniendo un
pequeño fondo líquido alrededor de la tobera y continuando
opcionalmente el flujo de gas para mantener la inyección de gas
entre campañas.
La práctica de esta invención se ilustra más
concretamente en los siguientes Ejemplos, en los que el Ejemplo 1 es
una serie de dos campañas de producción para la fabricación de un
producto refractario de alúmina/zirconia/bióxido de silicio llevada
a cabo mediante el procedimiento de esta invención, manteniéndose la
inyección de gas entre campañas, sustituyendo la tobera. De la
presentación antes mencionada se hará evidente que se puede mantener
la inyección de gas entre campañas por otros medios, si se desea.
Los Ejemplos 2 y 3 ilustran campañas de producción para la
fabricación del mismo producto refractario, pero empleando
procedimientos y aparatos de la técnica anterior.
Los resultados de los tres experimentos se
presentan en las Tablas I - IV, que contienen datos de tandas
individuales dentro de cada campaña de producción. Las Tablas I y II
presentan comparaciones de la temperatura y uniformidad de la
composición de la colada, mientras que las Tablas III y IV presentan
comparaciones de los productos refractarios moldeados fundidos en
cuanto a nivel de oxidación y a la tendencia a la exudación,
respectivamente.
Las temperaturas de colada que aparecen en la
tabla I están medidas usando un pirómetro dirigido a las corrientes
de colada que se vierten en moldes; se desea una temperatura de
colada relativamente alta y especialmente uniforme de lote a lote y
de las coladas de un lote dado.
En la Tabla II aparece los contenidos de
zirconia de las toberas de inyección individuales obtenidos durante
los vertidos de varias tandas dentro de cada campaña de producción.
En cada caso, el contenido de zirconia de la tobera de inyección se
determina mediante procedimientos bien conocidos por los expertos en
la técnica. Es deseable la uniformidad del contenido de zirconia en
las toberas de inyección, sin tendencia alguna durante la
campaña.
Los datos presentados en la Tabla III son
resultados de mediciones del estado de oxidación del material
cerámico de toberas de inyección de la muestra obtenido durante los
vertidos de varias tandas dentro de cada campaña de producción. Los
colores de las toberas de inyección se comparan con los una serie de
toberas de inyección de colores estándar que van desde gris (no
oxidado) con una valoración de "1" hasta color crema
(totalmente oxidado) con una valoración de "10". Las
valoraciones obtenidas de los vertidos dentro de una campaña de
producción dada se promedian para obtener las valoraciones
presentadas. En esta prueba es deseable una valoración alta.
Para obtener las valoraciones de exudación que
aparecen en la Tabla IV se emplea un procedimiento estándar, es
decir, ASTM G1223-92. El procedimiento mide el
porcentaje de incremento en volumen de una muestra estándar
producido por exudación de una fase vítrea. En esta prueba es
deseable una valoración baja.
Se emplea un horno de moldeo por fusión que
incluye un crisol con la parte superior abierta de 3,05 m (10 pies)
de diámetro, equipado con un orificio válvula y pico de vertido,
refrigeración del crisol y aparato basculante, u un conjunto de
suspensión de tres electrodos de grafito alimentados por un
transformador de horno de arco convencional, estando los electrodos
suspendidos independientemente, siendo controladas automáticamente
sus posiciones longitudinal para mantener la corriente fase a fase.
El crisol contiene una tobera nueva de acero inoxidable como se
ilustra en las figuras 1- 4. Una fuente de gas de oxígeno está
conectada al conjunto de tobera, y se inicia un flujo de oxígeno a
través de la tobera con un caudal de (1.25 SCFM), 3.54 X 10^{-2}
m^{3}/min, que se mantiene a lo largo de toda la campaña de
producción.
A continuación, el crisol se carga con una tanda
de material cerámico que costa de alúmina, zirconia y dióxido de
sílice. Seguidamente, se conecta la alimentación eléctrica,
fundiéndose el material cerámico. Después de una hora,
aproximadamente, se hace el primer vertido permaneciendo conectada
la alimentación eléctrica durante el vertido; se recarga el crisol
con material cerámico, se funde, se vierte, etc. repetidamente.
Durante la campaña, se hacen vertidos con la alimentación eléctrica
conectada y se inician nuevas tandas cada hora. Al final de la
campaña de cinco días, se interrumpen la alimentación eléctrica y el
gas de oxígeno, lo que hace que la colada solidifique en un fondo
del crisol.
Dos días después de la terminación de la campaña
antes mencionada, se gira ligeramente el tubo 13 de inserción con
una llave y se retiran del crisol los componentes usados de la
tobera a través del orificio de la pared del crisol. Seguidamente,
se conecta un taladro neumático a través del orificio del crisol y
se perfora totalmente un pasadizo limpio a través del fondo. Se
inserta una tobera nueva con la longitud y diámetro deseados en el
orificio de la pared del crisol y se asegura como se ilustra en las
figuras.
La siguiente campaña de producción se inicia
cargando el crisol con una tanda de material cerámico de alúmina,
zirconia y dióxido de sílice. Se conecta la alimentación eléctrica
para cerrar el arco, fundiéndose el material cerámico; se vierte la
colada en moldes, se recarga el crisol, etc. hasta terminar la
campaña.
Se emplea un horno de moldeo por fusión como el
descrito en el Ejemplo 1, excepto que el crisol no está equipado con
un conjunto de tobera de inyección de oxígeno, sino que, en su
lugar, está equipado con una lanza de cobre refrigerada por agua
sumergible que se puede insertar en la colada desde la parte
superior del crisol. Se carga el horno con materiales cerámicos como
los empleados en el Ejemplo 1, que se funden y se vierten de manera
análoga, se recarga el crisol, etc. en tandas que duran una hora.
Sin embargo, en este experimento, al final de cada ciclo d efusión,
se desconecta la alimentación eléctrica y, a partir de entonces, la
lanza solo está insertada en la colada inyectándose el oxígeno a
través de la misma con un caudal de (15 SCFM) 4.25 X 10^{-1}
m^{3}/min, durante aproximadamente 4 minutos. Después de la
extracción de la lanza, se deja que la colada se desgasifique
durante 2 - 3 minutos y, seguidamente, se vierte.
\global\parskip0.980000\baselineskip
Se emplea un horno como el descrito en los
Ejemplos 1 y 2, usando los mismos materiales cerámicos y las mismas
cantidades, con ciclos de una hora por tanda durante la campaña. Sin
embargo, en este experimento, no se oxigenó la colada y los vertidos
se hicieron con la alimentación eléctrica desconectada.
| Secuencia de Moldeo | Temperatura de la colada (ºC) | ||
| Ejerc. 1 | Ejerc. 2 | Ejerc. 3 | |
| 1 | 1859 | 1789 | 1839 |
| 2 | 1851 | 1762 | 1817 |
| 3 | 1850 | 1744 | 1791 |
| 4 | 1857 | 1751 | 1800 |
| Promedio | 1854 | 1762 | 1812 |
| Ámbito | 9 | 45 | 48 |
\vskip1.000000\baselineskip
| Parámetro | Ejerc.1 | Ejerc.2 | Ejerc.3 |
| Nº. de Muestras | 8 | 6 | 8 |
| % ZrO_{2} en peso Promedio | 34,6 | 34,1 | 34,2 |
| % ZrO_{2} en peso Máximo | 34,9 | 34,4 | 34,6 |
| % ZrO_{2} en peso Mínimo | 34,3 | 33,6 | 33,8 |
| Desviación estándar | 0,19 | 0,27 | 0,42 |
| % ZrO_{2}^{a} en peso Último | 35,4 | - | 42,8^{b} |
| ^{a} – contenido de ZrO_{2} típico del último vertido de la campaña | |||
| ^{b} – contenido de ZrO_{2} típico del último vertido de la campaña |
\vskip1.000000\baselineskip
| Ejerc. 1 | Ejerc. 2 | Ejerc. 3 |
| 10 | 8,3 | 8,0 |
\vskip1.000000\baselineskip
| Ejerc. 1 | Ejerc. 2 | Ejerc. 3 |
| 1,92% | 2,25% | 2,34% |
Aunque esta invención ha sido ilustrada haciendo
referencia a realizaciones concretas de la misma, se pretende que la
invención se limite, no a dichas realizaciones, sino solamente al
ámbito de las siguientes reivindicaciones.
Claims (18)
1. Un procedimiento para la fabricación
de un producto refractario moldeado fundido, incluyendo dicho
procedimiento una serie de al menos dos campañas de producción,
comprendiendo cada campaña un procedimiento del tipo por tandas
llevado a cabo al menos una vez, incluyendo dicho procedimiento de
tipo por tandas las etapas de:
- (1)
- carga de un crisol con paredes de horno de arco con material cerámico,
- (2)
- fusión del material cerámico activando el arco eléctrico,
- (3)
- tratamiento del material cerámico fundido con un gas de beneficiación, y
- (4)
- vertido de la colada tratada en uno o más moldes, terminándose cada campaña haciendo que una cantidad sustancial de la colada se solidifique en el crisol,
caracterizado porque se
inyecta un gas de beneficiación bajo la superficie de la colada de
manera sustancialmente continua a lo largo de la totalidad de cada
campaña de producción desde al menos una tobera insertada bajo la
superficie de la colada y manteniendo la inyección de gas entre
campañas.
2. Un procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 1, caracterizado porque una campaña se termina
desconectando la alimentación eléctrica del arco eléctrico, y la
inyección de gas se mantiene entre campañas retirando del crisol al
menos una tobera usada previamente y sustituyéndola por una tobera
nueva.
3. Un procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 2, caracterizado porque al menos una tobera
usada previamente se retira extrayendo al menos una parte del
contenido del crisol.
4. Un procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 3, caracterizado porque la parte del contenido
del crisol se extrae con un taladro refrigerado por agua insertado a
través de la pared del crisol.
5. Un procedimiento de acuerdo con las
reivindicaciones 3 ó 4, caracterizado porque una parte de un
conjunto de tobera es extraíble montado en el exterior de la pared
del crisol, lo que facilita la extracción del contenido del
crisol.
crisol.
6. Un procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 1, caracterizado porque la inyección de gas se
mantiene entre campañas ralentizando el horno.
7. Un procedimiento de acuerdo con una
cualquiera de las Reivindicaciones 1 a 6, caracterizado
porque la inyección de gas se mantiene entre campañas empleando al
menos una tobera que incluye metal refractario seleccionado del
grupo que consta de iridio, molibdeno, niobio, osmio, renio,
tántalo, tungsteno, y combinaciones de los mismos.
8. Un procedimiento de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el que el gas de
beneficiación incluye un gas oxidante.
9. Un procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 8, caracterizado porque el gas oxidante está
seleccionado del grupo que consta de oxígeno, aire, óxido nitroso,
dióxido de carbono, y mezclas de los mismos.
10. Un procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 9, caracterizado porque el gas oxidante
incluye
oxígeno.
oxígeno.
11. Un procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 1, en el que al menos una tobera incluye acero
inoxidable.
12. Un procedimiento de acuerdo con una
cualquier de las Reivindicaciones 1 a 11, caracterizado
porque al menos una tobera se inserta a través de la pared del
crisol a lo largo de una distancia suficiente para penetrar a través
de cualquier residuo refractario solidificado que forra el interior
del crisol.
13. Un procedimiento de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizado
porque se emplea una sola tobera insertada a través de la pared del
crisol.
14. Un procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 13, caracterizado porque la tobera se inserta
en el crisol para inyectar el gas dentro del triángulo de los
electrodos proyectado.
15. Un procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 1, caracterizado porque comprende además la
alimentación eléctrica eléctrico continuamente a través de la
totalidad de al menos una tanda de al menos una campaña.
16. Un procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 1, en el que al menos una tobera no tiene medio de
refrigeración alguno.
17. Un procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 1, en el que el material cerámico se selecciona del
grupo de consta de sílice, alúmina, zirconia, calcia, cromia,
magnesia, óxidos de metales alcalinos, mineral de cromo, zircón, y
mezclas de los mismos.
18. Un procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 16, en el que el material cerámico comprende una
mezcla de alúmina, zirconia y sílice.
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