ES2243701T3 - Bloque o ladrillo refractorio para inyectar gas en un metal fundido. - Google Patents
Bloque o ladrillo refractorio para inyectar gas en un metal fundido.Info
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Abstract
Bloque o ladrillo (1) macizo, poroso y refractario para cubierta refractaria de un recipiente para inyectar gas en un metal fundido a través de una superficie (11) en contacto con el metal en fusión, que comprende i) un cuerpo poroso refractario (2) sustancialmente encerrado en un cuerpo (9) sustancialmente no poroso excepto en la superficie (11) en contacto con el metal fundido; y ii) un medio de conducción de gas (3, 5) para conducir el gas desde una fuente de gas hasta el cuerpo poroso (2), caracterizado porque el cuerpo no poroso (11) está constituido por un material refractario y porque los cuerpos poroso y no poroso (2, 11) han sido prensados juntos.
Description
Bloque o ladrillo refractorio para inyectar gas
en un metal fundido.
La presente invención se refiere a un bloque o
ladrillo refractario para inyectar gas en un metal fundido y a la
fabricación de un bloque o ladrillo refractario para cubierta
refractaria de un recipiente para inyectar gas en un metal
fundido.
Con frecuencia se inyectan gases en el metal
fundido, en recipientes tales como calderos de colada, crisoles o
embudos, con diversos propósitos. Así por ejemplo, se puede
introducir un gas en la parte inferior de un recipiente para
eliminar productos de solidificación de la superficie inferior
relativamente fría, es decir, alejarlos de la proximidad de una
abertura de vertido del fondo, donde el recipiente presenta tal
abertura de salida. En la fabricación de acero, por ejemplo, el uso
de una lenta inyección de una delgada cortina de burbujas de gas en
el embudo ayuda a la eliminación de inclusiones, siendo las
inclusiones atraídas hacia las pequeñas burbujas de gas y
ascendiendo a través de la materia fundida hasta la superficie,
donde son capturadas en la forma ordinaria por el polvo o flujo que
cubre el embudo. El gas puede introducirse también para limpiar u
homogeneizar la materia fundida térmicamente o composicionalmente,
o para ayudar a dispersar adiciones de aleación en la materia
fundida.
Ordinariamente, se utiliza un gas inerte pero se
pueden también emplear gases reactivos, por ejemplo reduciendo u
oxidando gases, cuando las composiciones de la materia en fusión o
sus componentes precisan una modificación. Así por ejemplo, es
corriente inyectar gases tales como nitrógeno, cloro, freón,
hexafluoruro de azufre, argón, y similares en el metal fundido, por
ejemplo aluminio o aleaciones de aluminio fundidos, con el fin de
eliminar constituyentes indeseables tales como gas hidrógeno,
inclusiones no metálicas y metales alcalinos. Los gases reactivos
añadidos al metal fundido reaccionan químicamente con los
constituyentes no deseados para convertirlos en una forma tal como
un precipitado, una espuma o un compuesto gaseoso insoluble, que
pueden separarse fácilmente del resto de la materia en fusión. Estos
gases (u otros) podrían utilizarse también por ejemplo con acero,
cobre, hierro, magnesio o sus aleaciones.
Para efectuar eficazmente una operación de
inyección de gas, es deseable introducir el gas en el metal fundido,
preferentemente desde el fondo del recipiente, en forma de un número
muy grande de burbujas extremadamente pequeñas. Según va
reduciéndose el tamaño de las burbujas de gas, aumenta el número de
burbujas por unidad de volumen. Un aumento en el número de burbujas
y en su superficie por unidad de volumen aumenta la probabilidad de
que el gas inyectado se utilice efectivamente para realizar la
operación deseada.
Entre las propuestas existentes de inyección de
gas se incluye la instalación de un bloque o ladrillo macizo,
refractario y poroso en la cubierta refractaria del recipiente, en
general sobre el fondo, pero también en las paredes. En la práctica,
los bloques o ladrillos introducen un flujo de gas en forma de
burbujas.
Por ejemplo, una técnica conocida
(GB-A-2096290) de introducción de
gas en un metal en fusión consiste en cubrir una porción de un
recipiente que contenga metal en fusión (de preferencia el fondo del
recipiente) con un cuerpo cerámico poroso. Se introduce el gas en el
cuerpo poroso por un lugar alejado de la superficie del cuerpo en
contacto con el metal. Durante su paso a través del cuerpo, el gas
va siguiendo cierto número de pequeños trayectos tortuosos, con lo
que son emitidas gran número de burbujas en el interior del metal
fundido.
En general, una cubierta metálica que actúa como
colector para introducir el gas en el cuerpo sustenta el cuerpo
cerámico poroso. Típicamente, la cubierta está hecha con acero dulce
(para uso con un gas inerte o ligeramente reactivo, tal como el
argón o el nitrógeno) o inconel (para uso con cloro o freón
reactivo). El conjunto ensamblado cuerpo/cubierta queda rodeado y
sustentado por todos los lados con excepción de su superficie
superior por un material refractario tal como moldeable de bajo
contenido de cemento de alúmina o ladrillos. Cuando se utiliza el
moldeable o bien puede fundirse en el lugar correspondiente
alrededor del cuerpo poroso o estar constituido por componentes
previamente fundidos y fijados en posición durante la instalación de
la cubierta del recipiente del metal caliente. El material de
cubierta quedará aplicado contra la construcción del cuerpo
poroso.
Un problema que se encuentra en esta construcción
es el de que resulta difícil mantener un cierre hermético efectivo
del gas entre la cubierta y el cuerpo, y entre la cubierta y el
moldeable de soporte/los ladrillos. Se produce una dificultad en
parte por el hecho de que los coeficientes de la expansión térmica
de la cubierta metálica y de los materiales refractarios son
considerablemente diferentes; por otra parte, la cubierta metálica
está sujeta a un ataque si se utiliza cloro como gas. Si se produce
una grieta (tal como aquí se emplea, el término "grieta" se
refiere a cualquier defecto en el aparato dispersador del gas, que
permita una indeseable fuga de gas), el gas escapará a través de
dicha grieta y a continuación con frecuencia emigrará a través del
ladrillo inmediato y del soporte refractario hacia la atmósfera
ambiental. La migración de gas en 50 cm o más del material
refractario resulta posible. El problema es indeseable ya que el
efecto del escape de gas sobre el flujo del mismo a través de la
superficie establecida de burbujeo de gas puede efectuar una grave
reducción, disminuyendo la efectividad del bloque de burbujeo. En
algunos casos, cesará el flujo de gas por medio de pequeñas burbujas
y quedará sustituido por un flujo de gas de dirección incontrolada,
por medio de grandes burbujas de gas no efectivas. Si se utiliza
argón, debe considerarse el gasto relativamente grande que ello
significa. El problema es particularmente grave en el caso de cloro,
debido a los perjudiciales efectos del cloro al ser liberado a la
atmósfera. Independientemente del tipo de gas purificador que se
utilice, es importante impedir la producción de grietas, para
impedir con ello la fuga de gas.
Sería deseable disponer de una técnica para
inyectar gas en un metal fundido, que cumpliera los objetivos de
dispersar un gran número de burbujas muy pequeñas dentro del metal
fundido, al tiempo que se evitaran grietas en el aparato dispersador
del gas con el consiguiente escape de gas.
Sería también deseable un aparato de este tipo
capaz de ser fabricado con facilidad, con un coste razonable y de
dimensiones menores que las de los aparatos existentes. Además,
sería deseable que pudiera utilizarse cualquiera de tales aparatos
de inyección de gas con los equipos existentes, tales como embudo,
caldero de colada, recipiente de fusión, etc., sin modificación, o
con solamente una modificación de grado menor, respecto al equipo
actualmente existente.
Por otra parte, para insertar este aparato en la
cubierta refractaria existente del recipiente para metal fundido,
sería deseable que cualquiera de tales aparatos de inyección fuera
compatible con los materiales refractarios circundantes, para
impedir toda reacción química adversa de las faltas de coincidencia
en expansión térmica.
Sería además deseable aportar un aparato que
pudiera ajustarse a un límite muy amplio de condiciones de burbujeo
(dimensión de las burbujas, volumen, presión, etc.) con solamente
ajustes de grado menor durante el proceso de fabricación, a fin de
que el aparato pudiera adecuarse a exigencias especificas del
cliente.
Se refiere así la invención a un bloque o
ladrillo macizo, refractario y poroso para cubierta refractaria de
un recipiente para inyectar gas en un metal en fusión a través de
una superficie en contacto con el metal fundido, que
comprenderá:
i) un cuerpo refractario poroso sustancialmente
circundado por un cuerpo no poroso con excepción de la superficie de
contacto con el metal en fusión; y
ii) un medio de conducción de gas para conducir
el gas desde una fuente de gas hasta el cuerpo poroso.
El bloque o ladrillo según la invención se
caracteriza en la reivindicación 1. El procedimiento para la
fabricación se precisa en la reivindicación 7.
US-A-4 791 978 y 4 836 508 que
concierne respectivamente una barra de tapón y un tubo de colada,
divulgue cuerpos refractarios que han sido prensados juntos, que son
densos y porosos, respectivamente, pero no refiera al problema de
mejorar impermeabilidad del gas de un bloque permeable non metal o
ladrillo que forma parte de una cubierta refractaria que tiene el
propósito único de inyectar el gas para tratar el metal fundido en
este recipiente.
Dentro de los límites de la presente memoria
descriptiva, un bloque o ladrillo para cubierta refractaria de un
recipiente para inyectar gas puede ser un bloque, ladrillo, dama de
fundición, teja, barra, etc. Como hemos expuesto más arriba, el
bloque o ladrillo de la invención puede utilizarse para inyectar
cualquier gas (tanto reactivo como inerte) en cualquier metal
fundido o aleación del mismo. El bloque o ladrillo tiene por lo
menos una superficie en contacto con el metal fundido a través de la
cual se inyecta el gas. El bloque o ladrillo comprende un cuerpo
refractario poroso sustancialmente circundado por (por ejemplo
cubierto o en incrustación) por un cuerpo no poroso, con excepción,
naturalmente, en la superficie que queda en contacto con el metal
fundido. Puede quedar incluido en la cubierta del recipiente para el
metal fundido o formar parte de dicha cubierta.
El cuerpo poroso puede estar constituido por
cualquier material refractario poroso. De hecho, la naturaleza del
material empleado no es esencial, siempre que dicho material tenga
la porosidad necesaria. En general, se considerará que un material
de una porosidad aparente superior al 20% es poroso. Entre los
materiales típicamente adecuados se encuentran: la alúmina, la
espinela de alúmina, la magnesia o la espinela de magnesia, o sus
combinaciones.
El bloque o ladrillo comprende también un medio
de conducción del gas para conducir el gas desde una fuente del
mismo hasta el cuerpo poroso. El medio de conducción del gas
comprende en general un conducto que se proyecta a través de la
pared lateral del cuerpo no poroso. Este conducto puede ser de metal
o de un material refractario por ejemplo. El conducto puede fijarse
en posición por medio de un material refractario ordinario de
acoplamiento (mortero o cemento) o puede prensarse dentro del cuerpo
no poroso.
Se pueden utilizar medios ordinarios de
conducción de gas. Sin embargo, puesto que debe vigilarse
particularmente la hermeticidad de la unión, se prefieren en
particular disposiciones especiales tales como, por ejemplo, las
expuestas en el documento
WO-A1-01/83138.
Resulta también ventajoso que el medio de
conducción del gas comprenda una cámara de plenum a través de
la cual el gas entre en contacto con una superficie del cuerpo
poroso por lo menos sustancialmente equivalente a la superficie en
contacto con el metal fundido, de modo que el gas quede distribuido
de modo perfectamente homogéneo dentro del cuerpo poroso y,
consiguientemente burbujee dentro del metal fundido a través de
sustancialmente toda la superficie de contacto con el metal en
fusión.
Este tipo de inyección de gas por medio de un
bloque o ladrillo en el metal fundido es conocido por ejemplo por
los documentos USP 5.054.749, 5.423.521 o 5.219.514. Sin embargo,
ninguno de ellos satisface las condiciones más arriba expuestas.
El bloque o ladrillo de la presente invención se
caracteriza por el hecho de que el cuerpo no poroso está constituido
por material refractario y porque los cuerpos porosos y no porosos
han sido presionados en conjunto. Todas las condiciones arriba
mencionadas se cumplen con tal tipo de bloque o ladrillo.
Por otra parte, no es esencial la naturaleza del
material no poroso, mientras se trate de un material refractario y
tenga la porosidad necesaria. En general debe considerarse que un
material de una porosidad aparente menor del 20% es un material no
poroso.
El cuerpo no poroso y el cuerpo poroso estarán
preferentemente constituidos por materiales refractarios de
coeficientes similares de expansión térmica. Esto sirve para impedir
la formación de grietas en el ciclo térmico.
Utilizando la presente invención, se pueden
regular la granulometría y la permeabilidad del cuerpo poroso
interno cuidadosamente y de modo consistente para establecer una
estructura porosa uniforme, de manera que fluyan burbujas gaseosas
uniformemente distribuidas desde la superficie del cuerpo en
contacto con el metal fundido. Esta permeabilidad puede ajustarse
fácilmente mediante cambios en la granulometría de la formula y
pueden fabricarse según la invención un bloque o un ladrillo para
adecuarse a las condiciones específicas individuales del
cliente.
cliente.
Esta forma de proceder es además ventajosa en
cuanto que se pueden utilizar materiales refractarios de alto
contenido de magnesio para las formulas tales como espinela de
magnesia. Tales formulas son más compatibles con la composición de
los revestimientos de los embudos en las instalaciones de acería que
usualmente tienen una base de magnesia. Por consiguiente, las
características químicas y térmicas son muy similares.
Ventajosamente, los cuerpos refractarios porosos y no porosos tienen
así un alto contenido de magnesia, más de 50%, preferentemente más
de 80% y mejor todavía más de 90% en peso de la composición.
En consecuencia, pueden utilizarse materiales
similares pero con diferentes granulometrías para los cuerpos
porosos y no porosos. Es así posible fabricar un bloque o un
ladrillo según la invención a partir de materiales de alto contenido
en magnesia, de diferentes granulometrías.
En virtud del prensado conjunto de los dos
materiales refractarios, la baja permeabilidad natural del cuerpo no
poroso impide el escape de gas sin tener que recurrir a otras
técnicas de restricción de fuga de gas. Otra ventaja del prensado
conjunto es que puede utilizarse un bloque o ladrillo para inyectar
gas de dimensiones globales bajas, consiguiéndose el grado requerido
de burbujeo del gas. Esto ayuda a la manipulación de tales bloques o
ladrillos durante el transporte y la instalación en el recipiente;
en particular por lo que se refiere al recubrimien-
to.
to.
El concepto de presión o prensado conjuntos no
queda restringido a las formas oblonga, cuadrada, redonda u ovalada,
sino que también puede utilizarse para producir cualquier sección
transversal refractaria adecuada para este prensado conjunto. Por
ejemplo, se puede considerar la posibilidad de un componente anular
co-prensado que quedaría situado para circundar las
aberturas de salida de un embudo, constituyéndose así una corriente
circundante de moderadas burbujas ascendentes a cuyo través pasaría
el metal líquido caliente antes de entrar en los moldes continuos de
vaciado.
Según otro aspecto de la invención, ésta se
refiere a un procedimiento para la fabricación de un bloque o
ladrillo destinado a inyectar gas en un metal fundido. Conforme a la
invención, este procedimiento comprende las siguientes etapas:
1) introducir en un molde cantidades apropiadas
de los materiales refractarios constituyentes de los cuerpos poroso
y no poroso, respetando los límites deseados para estos cuerpos;
2) prensar simultáneamente ambos materiales
refractarios;
3) establecer el medio conductor del gas;
4) tratar por calor los materiales conjuntamente
prensados.
Preferentemente, se sitúa un delimitador, hecho
por ejemplo con una lámina delgada (pero rígida) de plástico o de
metal dentro del molde antes de introducirse el material
refractario. El delimitador puede estar configurado como un cilindro
(con base circular u ovalada) o paralelepipédica, sin superficies
superior e inferior. El material refractario que debe formar el
cuerpo poroso es introducido a continuación en la porción central
formada por el delimitador y el material refractario que debe formar
el cuerpo no poroso se introduce entre el delimitador y la pared del
molde. Se saca cuidadosamente el delimitador y se introduce otra
cantidad del material constitutivo del cuerpo no poroso dentro del
molde para formar la superficie opuesta a la superficie que queda en
contacto con el metal
fundido.
fundido.
La etapa de establecer el medio de conducción del
gas puede realizarse antes o después de la etapa de prensado
conjunto. En una forma preferida de la invención se establece una
cámara de plenum introduciendo una banda de material
consumible en el molde, en la unión entre la base del material que
forma el cuerpo poroso y la superficie adyacente del material que
constituye el cuerpo no poroso. Como alternativa, o además, puede
perforarse un orificio o situarse un conducto a través del cuerpo no
poroso antes o después de prensar conjuntamente los materiales para
unir el cuerpo poroso (a través o no de la cámara de plenum)
a una fuente externa de gas.
La etapa de prensado conjunto puede desarrollarse
conforme a cualquier procedimiento conocido, por ejemplo en una
prensa hidráulica.
La etapa de tratamiento térmico se desarrollará a
una temperatura suficiente para desarrollar una unión cerámica entre
los cuerpos poroso y no poroso, de modo que se mejorará la
integridad del bloque o ladrillo y su comportamiento frente al gas.
El material consumible (si se utiliza) situado para generar la
cámara de plenum se sacará ventajosamente durante la etapa de
tratamiento térmico. Este material consumible puede quemarse
(cartón, papel) o fundirse (cera, aleación) a la temperatura
utilizada. Típicamente, la etapa de tratamiento térmico consiste en
calentar el material prensado conjuntamente a una temperatura
comprendida entre 800 y 1800ºC durante 2 a 12
horas.
horas.
Describiremos a continuación más claramente la
invención con referencia a los dibujos adjuntos, que solamente
tienen la finalidad de ilustrar la invención, pero no de limitar su
alcance. Las figs. 1 y 2 son vistas en corte transversal de formas
de ejecución de la invención.
Ambas figuras muestran un bloque o ladrillo (1)
para inyectar gas en un metal fundido a través de una superficie
(11) de contacto con el metal fundido, que comprende un cuerpo
refractario poroso (2) sustancialmente circundado por un cuerpo (9)
sustancialmente no poroso con excepción de la zona de superficie
(11) en contacto con el metal fundido. También es visible en las
figuras 1 y 2 el medio de conducción de gas compuesto por un
conducto (4) metálico o refractario que se extiende a través de una
pared (6) del bloque o ladrillo y entra en comunicación con la
cámara de plenum (3). El conducto (4) queda típicamente
fijado en posición por medio de un cemento o mortero (5) ordinario
de obturación.
Ventajosamente, se crea una sección en
disminución gradual (7) hacia la superficie (4) de contacto con el
metal fundido, durante la etapa de prensado, según puede verse en la
figura 1. Este efecto de disminución se crea durante la acción de
prensado por la deformación del cuerpo poroso dentro del medio no
poroso en los lados verticales del molde de prensado. Esta forma en
disminución protege además al cuerpo poroso (2), al formar un
obstáculo contra las principales causas de desconchado.
Como un ejemplo de la invención, diremos que los
materiales utilizados serían los siguientes (% en peso):
\vskip1.000000\baselineskip
| Cuerpo no poroso | Cuerpo poroso | |||
| Sílice | 0,1 | 0,13 | ||
| Alúmina | 3,3 (<45 \mum) | 0,06 | ||
| Oxido de hierro | 0,2 | 0,48 | ||
| Cal | 0,4 | 0,69 | ||
| Magnesia | 96,0* | 98,5** |
| Granulometría: *: | >1 mm 30% | **: | >1 mm 0% |
| <45\mum 30% | <45 \mum 5% |
\vskip1.000000\baselineskip
Después de introducidos en el molde, han sido
prensados mecánicamente los materiales a un grado tal que se asegure
la compactación mejor posible y la mejor integración de los
materiales prensados juntos. La etapa de tratamiento térmico se
ejecutó calentando lentamente el material prensado en conjunto en un
grado tal que se eviten las fracturas/agrietamiento térmicos dentro
del cuerpo prensado, hasta los 1600ºC, dejándose el bloque o
ladrillo a esta temperatura durante 4 horas y dejando después
enfriar lentamente.
Se midieron las propiedades siguientes:
El resultado fue la inyección del bloque o
ladrillo de pequeñas burbujas de una manera fiable y constante.
Claims (10)
1. Bloque o ladrillo (1) macizo, poroso y
refractario para cubierta refractaria de un recipiente para inyectar
gas en un metal fundido a través de una superficie (11) en contacto
con el metal en fusión, que comprende
i) un cuerpo poroso refractario (2)
sustancialmente encerrado en un cuerpo (9) sustancialmente no poroso
excepto en la superficie (11) en contacto con el metal fundido;
y
ii) un medio de conducción de gas (3, 5) para
conducir el gas desde una fuente de gas hasta el cuerpo poroso
(2),
caracterizado porque el cuerpo no poroso
(11) está constituido por un material refractario y porque los
cuerpos poroso y no poroso (2, 11) han sido prensados juntos.
2. Bloque o ladrillo según la reivindicación 1,
caracterizado porque el medio de conducción de gas (3, 5)
comprende una cámara de plenum (3).
3. Bloque o ladrillo según la reivindicación 1 o
2, caracterizado porque los cuerpos poroso y no poroso están
constituidos por materiales refractarios con coeficientes similares
de expansión térmica.
4. Bloque o ladrillo según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque los cuerpos
poroso y no poroso están constituidos en más del 50% en peso por
magnesia, espinela de magnesia, alúmina o espinela de alúmina,
preferentemente en más del 80% en peso.
5. Bloque o ladrillo según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el cuerpo no
poroso comprende más del 50% en peso, preferentemente más del 80% en
peso de magnesia, espinela de magnesia, alúmina o espinela de
alúmina.
6. Bloque o ladrillo según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el cuerpo poroso
(2) tiene una sección en disminución (7) dirigida hacia su
superficie en contacto con el metal fundido.
7. Procedimiento para la fabricación de un bloque
o ladrillo macizo, poroso, refractario, para cubierta refractaria de
un recipiente para inyectar gas en un metal fundido a través de una
superficie situada en contacto con el metal en fusión, que comprende
las etapas de:
1) introducir en un molde cantidades apropiadas
de los materiales refractarios que deben constituir los cuerpos
poroso y no poroso, respetándose los límites deseados para estos
cuerpos;
2) prensar conjuntamente y de manera simultánea
ambos materiales refractarios;
3) establecer un medio de conducción del gas;
4) tratar por calor los materiales prensados
conjuntamente.
8. Procedimiento según la reivindicación 7, en el
que el medio de conducción del gas comprende una cámara de
plenum.
9. Procedimiento según la reivindicación 8,
caracterizado porque la etapa (3) de establecer el medio de
conducción de gas comprende una fase consistente en introducir una
banda de material consumible en el molde situándola en la unión
entre los cuerpos poroso y no poroso.
10. Procedimiento según la reivindicación 9,
caracterizado porque el material consumible comprende
cera.
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