BRPI0711117B1 - Resfriador de placa para um alto forno - Google Patents

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "RESFRIA- DQR DE PLACA PARA UM ALTO FORNO".

Campo da Invenção A presente invenção refere-se a um resfriador de placas (“stave coo ler”) para um alto forno capaz de suportar o uso prolongado mediante uma estrutura que possa absorver a tensão produzida pela expansão térmi- ca de um corpo de placa e de uma carcaça, minimizando a tensão que age em uma solda entre um tubo de fornecimento/drenagem e o corpo da placa.

Descrição da Técnica Relativa O resfriador de placa ("stave cooler" - algumas vezes doravante chamado simplesmente "placa'') está em amplo uso atualmente como meio para resfriar a parede de um alto forno durante a operação.

Em anos recentes, medidas tomadas para aumentar a produtivi- dade do ferro gusa e melhorar a eficiência de produção do ferro gusa na operação de altos fornos aumentaram a carga térmica na pilha do forno para maior do que até agora, de forma que sentiu-se uma necessidade de um resfriador de placa capaz de resfriar a pilha do forno mais eficientemente, Essa situação levou recentemente ao desenvolvimento e à aplicação de res- friado res de placa de cobre e de ligas de cobre tendo melhor condutividade térmica que as placas de ferro fundido convencionais.

Entretanto, quando são utilizados resfriadores de placas de co- bre e de liga de cobre em um alto forno, surge um outro assunto não expe- rimentado com placas de ferro fundido convencionais, A placa de ferro fundido convencional é fabricada colocando-se inicial mente um tubo de resfriamento dentro do molde do corpo da placa e conduzindo-se a fundição para unir o tubo de resfriamento e o corpo da pla- ca em uma estrutura integrada. Isto resulta em uma estrutura que não tem ligação entre os tubos de entrada/saída e de fornecimento/drenagem até a saída da carcaça.

Em contraste,, com o resfriador de placa de cobre ou de liga de cobre, é necessário ínícíaimente formar o tubo de resfriamento dentro do corpo da placa e então ligar as entra d as/sa idas do corpo da placa e os tubos de fornecimento/drenagem por soldagem. Soldas estão, portanto, presentes na proximidade do corpo da placa.

Durante a operação do alto forno, as soldas próximas ao corpo da placa do resfriador de placa de cobre ou de liga de cobre tornam-se zo- nas de concentração de tensão, quando é produzido tensão devido ao des- locamento provocado pela diferença na expansão térmica e pela diferença na concentração térmica entre o lado interno do forno do corpo de placa ex- posto à alta temperatura e o lado da carcaça do corpo da placa submetido ao resfriamento e à dissipação de calor. Como resultado, ocorre fratura por fadiga nesses locais para encurtar a vida útil do resfriador de placa.

Conforme mostrado na figura 6, a placa é normalmente instalada fixando-se o corpo da placa 1 à carcaça 6 com parafusos fixadores 8 e por- cas de carcaça 9, distribuindo assim a carga de peso do corpo da placa 1 de forma que ela não aja diretamente no tubo de fornecimento/drenagem 2.

Conforme mostrado na figura 3, o tubo de fornecimento /drenagem 2 de um resfriador de placa de cobre ou de liga de cobre é soldado à entrada/saída do corpo de placa 1. A abertura na carcaça 6 para a passagem do tubo de fornecimento/drenagem 2 é selada para evitar vazamento do gás do forno de dentro do forno para fora da carcaça pela soldagem do tubo de fornecimen- to/drenagem 2 e da carcaça 6 através de uma chapa de selagem 5.

Nas placas convencionais mostradas nas figuras 3 e 6, a flutua- ção de tensão ocorre durante a operação do alto forno devido ao desloca- mento provocado pela diferença de expansão térmica entre o lado interno do forno e o lado da carcaça do corpo da placa e também pela diferença na ex- pansão térmica entre o lado da carcaça do corpo da placa e da carcaça.

Embora os parafusos de aperto 8 possam distribuir a carga de peso do cor- po da placa, eles não podem absorver a flutuação de tensão provocada pe- las diferenças de expansão térmica.

Portanto, durante a operação de um alto forno equipado com o resfriador de placa de cobre ou de liga de cobre, as soldas do tubo de forne- cimento/drenagem próximas ao corpo da placa, que se tornam zonas de concentração de tensão, são especialmente aptas para manter as fraturas por fadiga provocadas pela flutuação de tensão produzida pelas diferenças de expansão térmica. A chapa de selagem 5 que conecta o tubo de fornecimen- to/drenagem 2 e a carcaça 6 é prontamente deformada quando o desloca- mento é provocado por uma diferença na expansão térmica entre o corpo da placa e a carcaça. Embora a chapa de selagem 5 trabalhe portanto para re- duzir a tensão na solda do tubo de fornecimento/drenagem próximo ao corpo da placa, a própria chapa de selagem 5 é propensa a ser fraturada pela de- formação causada pela aplicaçlão repetida de tensão, sendo assim propen- sa ao risco de vazamento de gás do forno.

Um método convencional de lidar com os problemas técnicos acima mencionados é conectar o tubo de fornecimento/drenagem e a carca- ça através de um tubo de expansão capaz de se expandir e contrair (veja, por exemplo, a Japanese Patent Publication (A) N- S52-8553).

Nesse método, conforme mostrado na figura 4, um tubo de ex- pansão 7 é instalado para englobar o tubo de fornecimento/drenagem 2 e o tubo de fornecimento/drenagem 2 é soldado à carcaça 6 através do tubo de expansão 7.

Nesse caso, a chapa de selagem 5 é soldada entre a extremida- de distante do tubo de expansão 7 e a periferia do tubo de fornecimen- to/drenagem 2 para estabelecer um selo que evita que o gás do forno no alto forno vaze para for a da carcaça.

Com esse método, quando o deslocamento ocorre devido à dife- rença na expansão térmica entre o corpo da placa e a carcaça, o desloca- mento é absorvido pela deformação do tubo de expansão 7 na direção da expansão térmica ou da contração térmica, absorvendo, assim, o tensão. O método, portanto, inibe efetivamente a fratura por fadiga da chapa de sela- gem 5 e das soldas dos tubos de fornecimento/drenagem próximas ao corpo da placa devido ao tensão causado pela diferença na expansão térmica.

Embora, como pode ser visto da figura 4, as juntas de expansão ou similares para permitir que o tubo de expansão 7 se estenda ou se con- traia têm estrutura simples, são passíveis de, durante o curso do uso prolon- gado, coletar poeira, o que acelera a corrosão e tornam prováveis as fraturas por fadiga, propondo assim um problema de durabilidade.

Portanto, para garantir que não ocorra vazamento de gás do for- no para o exterior devido aos furos ou fraturas que ocorram no tubo de ex- pansão 7, é necessário ou substituir regularmente o tubo de expansão 7 ou executar um reparo preventivo das regiões do tubo de expansão 7 onde te- nham ocorrido furos ou fraturas. Como resultado, a quantidade considerável de trabalho necessária para essas operações e a produtividade reduzida devido ao desligamento do alto forno e similares tornaram-se problemas.

Além disso, se a carga de peso da placa vier a agir na solda en- tre o corpo da placa e o tubo de fornecimento/drenagem devido à deforma- ção ou similar dos parafusos da placa, a solda entre o corpo da placa e o tubo de fornecimento/drenagem mantém a fratura por fadiga, de forma que há um risco de a águas de resfriamento vazar das regiões danificadas e en- trar no lastro do forno para provocar a inundação do forno, que é um pro- blema sério.

Conforme mostrado nas figuras 5 e 7, é conhecido um outro mé- todo convencional de anexar uma placa de ferro fundido à carcaça que eli- mina os parafusos 8 e porcas 9 para prender o corpo da placa 1 e, para permitir uma substituição rápida da placa, instala um tubo protetor 3 no cor- po da placa de ferro fundido de modo a envolver o tubo de fornecimen- to/drenagem 2, instala uma caixa de fixação 4 ao tubo protetor 3 pela inter- posição de um bloco de fixação 11 (veja, por exemplo a Japanese Patent Publication (A) Ne H8-225813).

Nesse método, a rigidez do tubo de fornecimento/drenagem 2 é aumentada pela fixação do tubo de fornecimento/drenagem 2 e do tubo de proteção 3 usando-se o material de enchimento 10 etc. e a carga de peso do corpo da placa é suportada fixando-se o tubo de proteção 3 e a caixa de fi- xação 4 usando-se o material de enchimento 10 etc., de forma que, confor- me mostrado na figura 7, os parafusos 8 e as porcas da carcaça 9 para o corpo da placa 1 possam ser eliminados. O método pode também ser aplicado a uma placa de cobre ou de liga de cobre. Entretanto, o método combina o tubo de fornecimen- to/drenagem 2, o tubo de proteção 3, e a caixa de fixação 4 em uma estrutu- ra integral. Como resultado, a tensão que surge devido ao deslocamento provocado pela diferença na expansão térmica entre o corpo da placa 1 e a carcaça 6 não pode ser absorvido, de forma que o tensão se concentra na solda entre o corpo da placa 1 e o tubo de fornecimento/drenagem 2, au- mentando assim, ao invés de diminuir, a probabilidade de fraturas por fadiga.

Conforme explicado anteriormente, a carga térmica aumentada na pilha do alto forno provocada pela operação de altos fornos a níveis mais altos de produtividade do ferro gusa em anos recentes aumentou as diferen- ças na expansão térmica entre o lado interno do forno e o lado da carcaça do corpo da placa e da carcaça, aumentando assim a probabilidade de fratu- ra por fadiga das soldas entre o tubo de fornecimento/drenagem e a carcaça.

Entretanto, placas convencionais não foram eficazes no prolongamento da vida útil da placa.

Sumário da Invenção À luz do estado da técnica anterior explicada precedentemente, o objetivo da presente invenção é fornecer um resfriador de placa para um alto forno tendo uma estrutura que permita a absorção do tensão causado pela diferença na expansão térmica que ocorre entre o corpo da placa e a carcaça devido à carga térmica aumentada na pilha do alto forno durante a operação de alta produtividade do alto forno, que iniba a ocorrência de fratu- ras por fadiga em soldas entre o corpo da placa e os tubos de fornecimen- to/drenagem e em soldas entre a carcaça e os tubos de fornecimen- to/drenagem e que garanta uma tolerância confiável por longos períodos de uso. A presente invenção, que supera os problemas técnicos anteri- ormente mencionados, fornece essencialmente um resfriador de placa para um alto forno, onde um tubo de fornecimento/drenagem é soldado a um cor- po de placa de cobre ou de liga de cobre e o corpo de placa é aparafusado a uma carcaça de alto forno por múltiplos parafusos de aço, esse resfriador de placa compreendendo um tubo protetor soldado ao corpo de placa de modo a englobar o tubo de fornecimento/drenagem e uma caixa de fixação forne- cida na superfície da carcaça na periferia de uma abertura na carcaça de modo a englobar o tubo protetor, painéis laterais da caixa de fixação sendo soldados em uma extremidade à carcaça e soldados na outra extremidade a uma superfície periférica do tubo protetor através de uma chapa de selagem. A presente invenção fornece uma placa para resfriamento de uma pilha de alto forno que, na adoção de um resfriador de placa de cobre ou de liga de cobre que ofereça excelente performance de resfriamento da pilha e da rampa do alto forno, tenha uma estrutura que permita a absorção da tensão causada pela diferença de expansão térmica que ocorre entre o corpo da placa e a carcaça devido à carga térmica aumentada na pilha do alto forno durante a operação de alta produtividade do alto forno, que iniba a ocorrência de fraturas de fadiga nas soldas entre a carcaça e o tubo de for- necimento/drenagem, e que garanta uma alta tolerância confiável em longos períodos de uso.

Breve Descrição dos Desenhos A figura 1 é um diagrama mostrando como a placa conforme a presente invenção é instalada na parede de um alto forno. A figura 2 é um diagrama mostrando como, de acordo com a presente invenção, o corpo da placa e a carcaça são conectados através de um tubo de proteção da placa de fornecimento/tubo de drenagem e uma cai- xa de fixação. A figura 3 é um diagrama mostrando como um corpo de placa e a carcaça são convencionalmente conectadas sem usar um tubo de expan- são da placa. A figura 4 é um diagrama mostrando como um corpo de placa e a carcaça são convencionalmente conectadas através de um tubo de expan- são da placa. A figura 5 é um diagrama mostrando como um corpo de placa e a carcaça são convencionalmente conectadas através de um tubo de prote- ção de uma placa de fornecimento/tubo de drenagem, uma caixa de fixação e um material de enchimento. A figura 6 é um diagrama mostrando como uma placa é conven- cionalmente instalada na parede de um alto forno através de parafusos. A figura 7 é um diagrama mostrando como uma placa pe con- vencionalmente instalada na parede de um alto forno sem o uso de parafu- sos.

Descrição Detalhada da Invenção A figura 1 ilustra esquematicamente como o resfriador de placa para um alto forno conforme a presente invenção e a carcaça do alto forno são conectados, e a Figura 2 ilustra esquematicamente como o corpo da placa da presente invenção, um tubo de fornecimento/drenagem, uma caixa de fixação, e a carcaça são respectivamente conectados.

Conforme mostrado nas figuras 1 e 2, no resfriador de placa pa- ra um alto forno conforme a presente invenção, tubos de fornecimen- to/drenagem 2 são soldados a um corpo de placa 1 de cobre ou de liga de cobre, e o corpo de placa 1 e a carcaça do alto forno 6 são aparafusados por múltiplos parafusos de aço 8. O uso de cobre ou de liga de cobre como ma- terial do corpo de placa torna a condutividade térmica do corpo de placa maior do que aquela da placa convencional de ferro fundido, de forma que o calor pode ser eficientemente removido do lado interno do forno do corpo da placa pela água de resfriamento que circula através da tubulação de água de resfriamento dentro do corpo da placa. A carga de peso do corpo da placa 1 é sustentada por múltiplos parafusos de aço 8. Embora os parafusos de aço 8 possam dividir a carga de peso do corpo da placa 1, eles não podem absorver a flutuação de ten- são provocada diferença da expansão térmica entre o corpo da placa 1 e a carcaça.

No resfriador de placa para um alto forno conforme a presente invenção, portanto, conforme mostrado nas figuras 1 e 2, um tubo de prote- ção 3 é soldado ao corpo da placa 1 de modo a englobar o tubo de forneci- mento/drenagem 2 e a caixa de fixação 4 é fornecido na superfície da carca- ça na periferia de uma abertura na carcaça de modo a englobar o tubo de proteção, os painéis laterais da caixa de fixação 4 sendo soldados em uma extremidade à carcaça 6 e na outra extremidade a uma superfície periférica do tubo de proteção 3 através de uma chapa de selagem 5.

Na estrutura da placa acima mencionada, o tubo de proteção 3 é soldado ao corpo da placa 1 de modo a englobar o tubo de fornecimen- to/drenagem 2. Como resultado, a área secional da região incluindo a solda entre a entrada/saída do corpo de placa 1 e o tubo de fornecimen- to/drenagem 2, que é uma zona de concentração de tensão, é aumentada. A carga dessa região é, portanto, dividida pelo tubo de proteção, tornando as- sim possível reduzir a tensão da solda do tubo de fornecimento/drenagem 2 quando ocorre o deslocamento devido à diferença de expansão térmica.

Quando a espessura do tubo de proteção é menor que 5 mm, uma resistência suficiente não pode ser alcançada. Quando ela for maior que 7 mm, a distância entre ele e o tubo de fornecimento/drenagem torna-se tão pequena que torna difícil a soldagem. Portanto, no interesse de alcançar- se uma resistência adequada e uma capacidade de fácil soldagem, a espes- sura é preferivelmente 5 a 7 mm. Como o tubo de proteção é necessário pa- ra manter sua resistência sob exposição a altas temperaturas e também ne- cessita ser facilmente soldado, é preferivelmente feito de aço carbono para tubulação de alta pressão. A caixa de fixação 4 é instalada em uma abertura na carcaça de modo a englobar o tubo de proteção 3. Uma vez que o tubo de fornecimen- to/drenagem 2 e o tubo de proteção 3 são instalados de modo a não estar em contato direto com a carcaça, o deslocamento devido à expansão térmi- ca é possível. O tubo de fornecimento/drenagem 2 e o tubo de proteção 3 são soldados à carcaça através da caixa de fixação 4. Com esse arranjo, quando ocorre o deslocamento devido à diferença de expansão térmica, a caixa de fixação 4 é deformada na direção do deslocamento, reduzindo as- sim o tensão que age na solda do tubo de fornecimento/drenagem 2.

Os painéis laterais da caixa de fixação 4 são soldados em uma extremidade à superfície da carcaça na periferia da abertura da carcaça e na outra extremidade à superfície periférica do tubo de proteção 3 através da chapa de selagem 5. Os painéis laterais da caixa de fixação 4 e a chapa de selagem 5 estabelecem, portanto, um selo que evita que o gás de forno no alto forno vaze para o exterior da carcaça. O diâmetro da abertura da carcaça 6 é preferivelmente tornado maior que o diâmetro do tubo de proteção 3 por um valor que permita que o tubo de fornecimento/drenagem 2 e o tubo de proteção 3 se desloquem (movam) livremente sem tocar a carcaça mesmo se eles forem deformados até certo grau devido ao deslocamento provocado pela diferença na expan- são térmica durante a operação do alto forno.

Os painéis laterais e a chapa de selagem 5 que constituem a caixa de fixação 4 são preferivelmente feitos de aço fino ou de outras chapas de metal capazes de se contraírem na direção do deslocamento quando o deslocamento ocorre devido à diferença na expansão térmica durante a ope- ração do alto forno Quando o comprimento dos painéis laterais for menor que 40 mm, eles são muito curtos para absorver inteiramente o deslocamento pro- vocado pela diferença de expansão térmica. Quando eles são maiores que 120 mm, eles interferem com o equipamento de envolvimento. O compri- mento dos painéis laterais é, portanto, preferivelmente 40 a 120 mm.

Quando a espessura dos painéis laterais é menor que 8 mm, eles são muito finos para uma fácil soldagem. Quando eles são mais gros- sos que 10 mm, eles não podem se deformar prontamente para absorver a diferença da expansão térmica. Portanto, no interesse da manutenção de uma resistência adequada e da realização de uma fácil capacidade de sol- dagem, a espessura dos painéis laterais é preferivelmente de 8 a 10 mm.

Quando a espessura da chapa de selagem 5 é menor que 5 mm, ela é muito fina para fácil soldagem. Quando ela é mais grossa que 7 mm, não pode se deformar prontamente para absorver a diferença da expansão térmica. Portanto, no interesse da manutenção da resistência adequada e da realização de uma fácil capacidade de soldagem, a espessura da chapa de selagem 5 é preferivelmente 5 a 7 mm.

Os painéis laterais e a chapa de selagem são preferivelmente feitas de aço carbono comum de modo a ter uma resistência suficiente e uma boa capacidade de soldagem.

Para permitir que a caixa de fixação e a chapa de selagem se deformem prontamente e absorvam a diferença da expansão térmica, é pre- ferível que o espaço dentro da caixa de fixação e da chapa de selagem não seja carregado com material fundido, refratário, ou similar. O método para fabricação da placa de cobre ou de liga de cobre da presente invenção não é especialmente definido. Mas para dar um exem- plo geral, o método a seguir pode ser usado.

Inicialmente, padrões tendo a mesma forma que a placa são fa- bricados, um para o lado interno do forno e outro para o lado externo do for- no. Em segundo lugar, os padrões são dispostos em estruturas metálicas separadas correspondentes ao lado interno do forno e ao lado externo do forno da placa e enchidos com areia. Em terceiro lugar, a areia é compacta- da, após os padrões serem removidos para fazer moldes de areia. Os mol- des de areia compactada são feitos separadamente para o canal de água e colocados nos locais prescritos nos anteriormente mencionados moldes de areia.

Em quarto lugar, os moldes do lado interno do forno e do lado externo do forno são colocados um sobre o outro e um fundido de cobre ou de liga de cobre é vazado no canal de entrada do molde de fundição. Em quinto lugar, após o fundido ter se solidificado, o molde de areia é removido e uma tampa do mesmo material que o do corpo da placa é inserida e sol- dada no orifício do dreno de areia. O tubo de fornecimento/drenagem é sol- dado à entrada/saída de fornecimento/drenagem e o tubo de proteção é sol- dado para englobar o tubo de fornecimento/drenagem.

Um outro método de fabricação é formar um canal de água em uma chapa laminada de cobre ou uma chapa laminada de liga de cobre ten- do a mesma forma que a placa, inserir e soldar tampas do mesmo material do corpo da placa nos orifícios desnecessários, soldas o tubo de fornecimen- to/drenagem à entrada/saída do tubo de fornecimento/drenagem, e soldar o tubo de proteção para englobar o tubo de fornecimento/drenagem.

Exemplo A seguir, uma concretização da presente invenção é explicada em referência aos desenhos. Conforme mostrado nas figuras 1 e 2, um res- friador de placa conforme a presente invenção foi fabricado como um resfri- ador de placa de cobre tendo um tubo de proteção 3 e uma caixa de fixação 4 instalada para englobar um tubo de fornecimento/drenagem 2 soldado a um corpo de placa de cobre 1. O corpo de placa foi aparafusado à carcaça de uma pilha de alto forno em quatro posições usando-se parafusos e por- cas de aço.

Foi executada a simulação para verificar o efeito da placa de cobre conforme a presente invenção. Especificamente, o estado de danos aos corpos de placa, as soldas do tubo de fornecimento/drenagem 2, e as chapas de selagem 5 durante a operação do alto forno foram simulados para o caso de ligar similarmente à carcaça da pilha do alto forno o resfriador de placa de cobre conforme a presente invenção e um resfriador de placa de cobre convencional tendo seu tubo de fornecimento/drenagem 2 soldado a um corpo de placa de cobre 1 soldado à carcaça através de uma chapa de selagem 5.

No resfriador de placa de cobre conforme a presente invenção, a caixa de fixação foi feita de aço carbono comum de 9 mm e a chapa de se- lagem foi feita de aço carbono comum de 6 mm.

De acordo com os resultados da simulação, no resfriador de pla- ca de cobre conforme a presente invenção não foi observado nenhum dano à solda entre o corpo da placa 1 e o tubo de fornecimento/drenagem 2 ou a chapa de selagem 5.

Em contraste, foi descoberto que no resfriador de placa de cobre convencional, a tensão térmica que age na solda entre o corpo de placa 1 e o tubo de fornecimento/drenagem 2 e na solda entre a chapa de selagem 5 e a carcaça é cerca do dobro do tensão permissível, sugerindo uma possibili- dade de fratura no tubo de fornecimento/drenagem e na chapa de selagem.

Aplicabilidade Industrial Conforme especificado anteriormente, a presente invenção for- nece uma placa para resfriamento de uma pilha de alto forno que, na adoção de um resfriador de placa de cobre ou de liga de cobre que oferece excelen- te performance de resfriamento da pilha e da rampa do alto forno, tem uma estrutura que permite a absorção do tensão provocado pela diferença na expansão térmica que ocorre entre o corpo da placa e a carcaça devido à carga térmica aumentada na pilha do alto forno durante a operação do alto forno a alta produtividade, que inibe a ocorrência de fratura de fadiga nas soldas entre o corpo da placa e os tubos de fornecimento/drenagem e as soldas entre a carcaça e os tubos de fornecimento/drenagem, e que assegu- ra uma tolerância altamente confiável por longos períodos de uso. A aplicabi- lidade industrial da presente invenção é, portanto, considerável.

REIVINDICAÇÃO

Claims (2)

1.

Resfriador de placa para um alto forno onde um tubo de for- necimento/drenagem (2) é soldado a um corpo de placa (1) de cobre ou de liga de cobre e o corpo de placa (1) é aparafusado à carcaça (6) do alto for- no por múltiplos parafusos de aço (8), caracterizado pelo fato de compreen- der: um tubo protetor (3) soldado ao corpo de placa (1) de modo a englobar o tubo de fornecimento/drenagem (2); e uma caixa de fixação (4) fornecida na superfície da carcaça (6) na periferia de uma abertura na carcaça (6) de modo a englobar o tubo pro- tetor (3), a caixa de fixação (4) compreendendo um painel lateral tendo uma espessura de 8 a 10 milímetros e um comprimento de 40 a 120 milímetros, assim como uma chapa de selagem (5) tendo uma espessura de 5 a 7 milí- metros, o painel lateral da caixa de fixação (4) sendo soldado em uma ex- tremidade à carcaça (6) e soldado na outra extremidade à superfície periféri- ca do tubo protetor (3) mediante a chapa de selagem (5).