ES2288657T3 - Conexion roscada para columnas de electrodo de carbon y/o de grafito. - Google Patents
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Abstract
Un conjunto con una conexión roscada entre un electrodo (1) de carbón dotado de una cavidad y con una rosca (4) interna formada en la misma, y un perno (2) de conexión de carbón con una rosca (5) externa para la conexión de dos electrodos (1), que comprende: una pieza exterior hecha de carbón o de grafito producido sintéticamente, y que tiene una rosca interna; una pieza interior hecha de carbón o de grafito producido sintéticamente, y que tiene una rosca externa, que se caracteriza porque: dicha rosca (4) interna y dicha rosca (5) externa tienen filetes de rosca con desarrollo sustancialmente uniforme, una raíz y una cresta (8), y los filetes de rosca individuales tienen perfil sustancialmente en forma de V; al menos una de dichas roscas interna y externa ha sido formada con una rampa (7) de cuña en dicha raíz y, cuando dichas piezas interior y exterior son atornilladas una con la otra, las citadas crestas (8) de una de dichas piezas apoyan contra las citadas rampas (7) de cuña formadas endicha raíz de la otra de dichas piezas, y dichas roscas (4, 5) interna y externa son roscas cónicas, en las que la carga no está soportada por los flancos de los filetes de rosca individuales de la conexión roscada.
Description
Conexión roscada para columnas de electrodo de
carbón y/o de grafito.
La invención se refiere a una variante de una
conexión roscada que incluye una pieza externa con una rosca
interior, y una pieza interna asociada con una rosca exterior. Las
roscas respectivas de estas piezas tienen un desarrollo uniforme.
La rosca individual tiene un perfil en forma de V, y al menos una de
las roscas está dotada de una rampa de cuña en la raíz de la rosca
en la que, cuando las piezas interna y externa son atornilladas una
en la otra, las crestas de rosca de una pieza de conexión roscada
hacen tope contra las rampas de cuña presentes en la raíz de la
rosca de la otra pieza de conexión.
La invención se refiere además a otra variante o
configuración especial de una conexión roscada que incluye una
pieza externa con una rosca interior y una pieza interna asociada
con una rosca exterior. Las roscas respectivas de las piezas
externa e interna tienen un desarrollo uniforme. La rosca individual
de una pieza tiene sustancialmente un perfil en forma de V, y la
otra pieza está dotada de una rampa de cuña circundante del tipo de
una rosca. Cuando las piezas interna y externa son atornilladas una
en la otra, las crestas de rosca de una pieza de conexión roscada
hacen tope contra la rampa de cuña circundante de tipo rosca de la
otra pieza de conexión.
La invención se refiere además al uso de ambas
variantes de tales conexiones roscadas como conexiones para
electrodos de carbón, semi-grafito o grafito que son
fijos, que soportan la carga, y que no son susceptibles de
desatornillado, especialmente bajo carga dinámica.
La técnica de fabricación de carbón grafitizado
o carbonizado, incluyendo también los electrodos de carbón y los
pernos de conexión entre los mismos, es conocida por los expertos
desde hace alrededor de una centena de años, y se aplica a una gran
escala industrial. En consecuencia, se ha refinado en muchos
aspectos y se ha optimizado en términos de costes. Una descripción
de esta tecnología puede ser encontrada en ULLMANN'S ENCYCLOPEDIA
OF INDUSTRIAL CHEMISTRY, Vol. A5, VCH Verlagsgesellschaft mbH,
Weinheim, 1996, pp. 103-113.
Un horno de arco contiene al menos una columna
de electrodos de carbón. El extremo superior de dicha columna está
retenido por medio de un soporte, a través del cual se alimenta
también la corriente eléctrica hasta la columna de electrodo.
Cuando el horno está en uso, el arco eléctrico pasa desde la punta
inferior o extremo más bajo de la columna hacia el metal, para
fundir lo que está situado en el horno. El arco eléctrico y las
altas temperaturas del horno provocan que el extremo inferior de la
columna de electrodo arda hacia fuera lentamente. El acortamiento
de la columna de electrodo es compensado debido a que la columna se
hace avanzar progresivamente hacia el horno, y en caso de que sea
necesario, se atornilla un electrodo adicional en el extremo
superior de la columna. En caso necesario, una columna parcialmente
quemada consistente en varios electrodos con sus pernos de
conexión, puede ser también retirada del soporte en forma de una
sola unidad y sustituida por una nueva columna de longitud
suficiente.
Los electrodos de carbón individuales se
atornillan sobre una columna ya situada en el horno, o los
electrodos se atornillan en una nueva columna, ya sea a mano o ya
sea con la utilización de una máquina. En particular, en el caso de
electrodos que tengan un diámetro grande de 600 mm o más, se deben
aplicar fuerzas y momentos de giro o esfuerzos de atornillamiento
significativos, con el fin de asegurar que no se separará ninguna
columna de electrodo. La sujeción segura de una columna es de vital
importancia para el funcionamiento de un horno de arco.
La sujeción de seguridad de una columna es
roscada durante el transporte, pero en particular cuando un horno
está en funcionamiento. Cuando un horno está siendo utilizado, se
ejercen momentos de flexión considerables repetidamente sobre la
columna de electrodo debido a la oscilación de la carcasa del horno,
incluyendo la columna, o la columna se somete a vibración
constante; la columna está expuesta a impactos del material de
carga, lo que también sitúa esfuerzos sobre la fijación de seguridad
de la columna. Todos estos esfuerzos (momentos de flexión
repetidos, vibraciones e impactos), son susceptibles de provocar que
la conexión roscada de los electrodos se afloje. El aflojamiento
debe ser considerado como el resultado de procesos inevitables y/o
indeseables.
A efectos de una mejor comprensión, las
consecuencias de una columna de electrodo que se afloja mientras el
horno se encuentra en funcionamiento, van a ser descritas a
continuación:
- -
- El aflojamiento de la columna es una indicación de que se reduce la hermeticidad de la sujeción de tornillo. Como resultado, las fuerzas de compresión sobre la superficie de contacto de elementos de columna adyacentes, se ven también disminuidas. El aflojamiento puede progresar hasta que algunas de las superficies de contacto resulten físicamente separadas entre sí.
- -
- Como resultado, la resistencia eléctrica en la conexión se incrementa. Aquellas superficies que están todavía en contacto, son sometidas a una densidad de corriente más grande. La densidad de corriente más grande conduce a un sobrecalentamiento térmico localizado.
- -
- Cuando una conexión de tornillo se afloja, el perno de conexión queda normalmente expuesto a una elevada carga térmica y mecánica. Al final, se puede esperar el fallo mecánico del perno de conexión debido al sobrecalentamiento y a la carga mecánica. Como resultado, el extremo inferior de la columna de electrodo se rompe y cae en el acero fundido, el arco eléctrico se interrumpe y el proceso de fusión termina.
Con el fin de contar los problemas de una
fijación inadecuada y de una transferencia de corriente pobre desde
una pieza de la columna de electrodo hasta la siguiente, se ha
formulado una cantidad de alternativas muy diferentes. La práctica
descrita en lo que sigue está también implementada en los trabajos
del acero.
La Patente U.S. núm. 4.187.843 describió que el
perno de conexión entre dos electrodos de grafito tenía un
coeficiente de expansión térmica más bajo que los dos electrodos.
Según se elevó la temperatura (en operaciones de trabajos de acero,
se pueden alcanzar temperaturas que están muy por encima de los
1500ºC), las secciones de electrodo se expandieron más que el perno
de conexión. Esto provocó un apriete adicional, inducido por el
calor, entre el perno de conexión y los electrodos, lo que se
consideró que era una interrupción de seguridad para la conexión
roscada. Sin embargo, también resultó evidente que las fuerzas
inducidas térmicamente situaron los flancos de los filetes de la
rosca bajo esfuerzos severos.
La Patente U.S. núm. 5.575.582 describía el uso
de un perno de corte ahusado, adicionalmente al perno de conexión
entre dos electrodos de grafito. Con la columna de electrodo en
estado atornillado, la disposición aseguraba que el perno de corte
dispuesto en un rebaje que se extiende aproximadamente a la mitad a
través de las superficies de contacto de dos electrodos adyacentes,
cayera fuera del rebaje del electrodo superior respectivo de la
columna, y hacia el rebaje del electrodo inferior correspondiente de
la columna. El rebaje del electrodo inferior estaba conformado a
modo de canal curvo que trazaba un arco que tenía radio constante en
torno al eje longitudinal central del electrodo. Cuando la conexión
roscada se aflojaba, el perno de corte estaba capacitado para
deslizar a lo largo del canal hasta que era bloqueado en el extremo
más alejado. El perno de corte que había caído en los rebajes,
impedía así cualquier distorsión adicional y consiguiente
aflojamiento de las dos secciones de electrodo. Dependiendo de la
longitud del canal curvo y de la trayectoria torsional en torno al
eje longitudinal central del electrodo que el perno de corte
atravesaba, la conexión roscada era aún susceptible de resultar
totalmente floja. Esto tenía efectos perjudiciales sobre la
trasferencia de corriente a través de esta conexión roscada, y en
términos de sobrecalentamiento localizado en esta conexión.
El documento JP 2000-133436A
describe un electrodo de grafito para horno eléctrico que asegura un
área de contacto suficiente de cuerpo de electrodo de grafito y de
boquilla de apriete de grafito, dispersa los esfuerzos térmicos y
mecánicos, e incrementa la resistencia absoluta de la rosca de
tornillo. Para hacer todo esto, el documento JP
2000-133436A establece el paso (p) de tornillo de la
porción de tornillo hembra y de la boquilla de apriete de grafito
por encima de 8,467 mm y por debajo de 25,4 mm, lo que significa que
está por encima del estándar internacional. Los esfuerzos térmicos
y mecánicas podrían ser reducidos de esta manera. De ahí que las
áreas de contacto entre los filetes de las roscas no se vean
reducidas.
En otros campos también, se han hecho intentos
para el resolver el problema de que los accesorios se aflojen. En
la solicitud de Patente alemana publicada con el núm. DE 41 37 020,
se han descrito accesorios de autoprotección tales como tornillos y
tuercas, realizados a partir de materiales que no se describen. Los
accesorios estaban dotados de un número de proyecciones a modo de
botones en la superficie frontal, que cooperaban con un miembro
estructural. Las proyecciones estaban conformadas a modo de
pirámides o conos que tienen una altura de menos de 1 mm, con lo
que el ángulo de la punta de la pirámide o del cono era de al menos
90º. Estaba previsto que las pirámides o los conos fueran
estampados en las superficies de los miembros estructurales para ser
anclados con el roscado apretado, impidiendo con ello que los
accesorios se desatornillen.
Se hacía referencia a "establecer" y a la
reducción asociada de tensado previo (véase la col. 2, línea 9, de
la solicitud alemana). Las pirámides o los conos fueron distribuidos
uniformemente por la superficie frontal del accesorio. El accesorio
no disponía de una superficie de contacto estructurada
específicamente, y en consecuencia, ninguna dirección de tensión
frontal con efectividad especial.
Con referencia a atornillar columnas de
estructuras de carbón, se debe apreciar que los botones
macroscópicos formados en las superficies de contacto de los
electrodos o en los pernos de conexión, podrían ser destruidos con
el atornillado debido a su naturaleza cerámica, y por tanto
quebradiza. Resulta incluso posible que piezas sustanciales
pudieran ser expulsadas de las superficies frontales de los
elementos de columna.
Una alternativa diferente para evitar que los
accesorios se aflojen, fue descrita en la Patente U.S. núm.
4.076.064 (1978). Se introduce una rampa formando cuña en la raíz
del filete de rosca de un componente de una conexión roscada.
Cuando ambos componentes de la conexión roscada han sido
atornillados entre sí, las crestas de los filetes de rosca del
componente de conexión roscada sin rampa de cuña, apoyaron contra la
rampa presente en la raíz del filete de rosca del otro componente.
El apoyo de las crestas de filete de rosca de uno de los
componentes de conexión roscada con la rampa de cuña de la raíz del
filete de rosca del otro componente, tuvo como efecto la fijación
de ambos componentes. Este efecto de fijación era mejorado si ambos
componentes estaban hechos de materiales seleccionados
apropiadamente. Resultó ser provechoso que el perno de la conexión
roscada estuviera hecho de un material más duro, menos dúctil, que
la tuerca asociada. Puesto que los materiales no se han descrito
con mayor detalle, la suposición lógica fue que a los efectos de
esta patente, se consideraban los materiales metálicos. No se
proporcionó ninguna indicación de que este tipo de conexión roscada
fuera también creada con la utilización de materiales hechos de
carbones producidos sintéticamente, ni respecto a conexiones
roscadas ahusadas como las utilizadas habitualmente para conectar
electrodos de carbón y/o de grafito como las que aquí se
describen.
El elemento que tiene la rampa de cuña en la
raíz del filete de rosca, ha sido también abordado en la Patente
U.S. núm. 4.266.590 (1981). En ese caso, las alturas de los filetes
de rosca de la tuerca y del perno fueron también ligeramente
diferentes. Como resultado, para cada filete de rosca, las crestas
de filete de rosca del componente de conexión roscada sin rampa de
cuña fueron localizadas en diferentes posiciones relativas, en la
sección transversal clara del filete de rosca con rampa de cuña
sobre la raíz de filete de rosca del otro componente. De acuerdo
con esta descripción de patente, el efecto de fijación que se
consiguió mediante las crestas de rosca que enganchan en la rampa
de cuña, fue reforzado adicionalmente en virtud de un efecto de
apriete debido a las diferentes alturas de los filetes de rosca en
las dos piezas de conexión roscada. No se ha proporcionado ninguna
indicación de que este tipo de conexión fuera también creada
utilizando materiales fabricados a partir de carbones producidos
sintéticamente, ni respecto a conexiones roscadas ahusadas como las
utilizadas habitualmente para conectar electrodos de carbón y/o de
grafito, como se describe en la presente.
Durante el desarrollo práctico de un trabajo con
material de acero, se intenta atornillar los electrodos entre sí
tan firmemente como sea posible. Según se ha indicado en lo que
antecede, las fuerzas, los momentos de giro y el esfuerzo de
atornillado que se pueden aplicar manualmente, son limitados. Estas
fuerzas pueden ser incrementadas considerablemente con la
utilización de maquinaria, pero estos dispositivos de atornillado
mecánico son solamente utilizados en unos pocos trabajos con acero.
Las operaciones reales de trabajo del acero indican que los
elementos de las columnas de electrodo se aflojan incluso de manera
repetida.
Por consiguiente, un objeto de la presente
invención consiste en proporcionar una conexión roscada para
columnas de electrodo de carbón y/o de grafito, que subsane las
desventajas mencionadas en lo que antecede de los dispositivos y
métodos conocidos hasta ahora de este tipo general, y que
proporcione la fabricación de piezas de cerámica, con preferencia
piezas a partir de carbón y de grafito producido sintéticamente para
una conexión roscada, que puedan impedir el aflojamiento, o al
menos mitigar las consecuencias del aflojamiento.
Con este y otros objetos a la vista, se
proporciona de acuerdo con la invención, un conjunto con una
conexión roscada entre un electrodo 1 de carbón con una cavidad y
una rosca 4 interna formada en el interior de la misma, y un perno
de conexión 2 de carbón dotado de una rosca 5 externa para la
conexión de dos electrodos 1, que comprende:
una pieza externa realizada a partir de carbón o
grafito producidos sintéticamente, y que tiene una rosca interna;
una pieza interna realizada a partir de carbón o grafito producidos
sintéticamente, y que tiene una rosca externa,
que se caracteriza porque:
dicha rosca 4 interna y dicha rosca 5 externa
tienen filetes de rosca con desarrollo sustancialmente uniforme,
una raíz y una cresta 8, y filetes de rosca con un perfil
sustancialmente en forma de V;
estando al menos uno de dichos filetes interno y
externo formado con una rampa 7 de cuña en la citada raíz y, cuando
dichas piezas interna y externa son atornilladas una en la otra,
dichas crestas 8 de una de las citadas piezas hacen tope contra las
citadas rampas 7 de cuña en dicha raíz de la otra pieza citada,
y
las citadas roscas 4, 5 interna y externa son
roscas cónicas, en las que la carga no es soportada por los flancos
de los filetes de rosca individuales de la conexión roscada.
En otras palabras, las piezas de conexión
roscada están hechas a base de cerámica, con preferencia a partir
de carbón o de grafito producidos sintéticamente, y las roscas son
cónicas. Cuando las piezas de una conexión roscada están encajadas,
las crestas 8 de rosca de una pieza apoyan contra las rampas 7 de
cuña de las raíces de los filetes de rosca de la otra pieza. Esto
significa que la carga no está ya soportada por los flancos de los
filetes 4, 5 de rosca individuales de la conexión roscada. En
consecuencia, los filetes 4, 5 de rosca que tienen por ejemplo un
perfil en forma de V y los flancos correspondientes de filete de
rosca, pueden ser eliminados de la pieza de conexión roscada que
tiene rampas 7 de cuña en las raíces de sus filetes de rosca.
Con este y otros objetos a la vista, se
proporciona también, de acuerdo con la invención, una columna de
electrodo con el conjunto resumido en lo que antecede, y con una
pluralidad de piezas externas formadas a modo de electrodos 1 de
carbón, y con las piezas internas formadas a modo de pernos 2 de
conexión que atornillan los electrodos 1 entre sí formando una
columna de electrodo, y con el conjunto formando una conexión de
fijación y de soporte de carga que no es susceptible de
desatornillarse.
A los efectos de la invención, las columnas de
electrodos 1 de carbón podrían no ser aflojadas o separadas cada
una de la otra por los momentos de flexión, las vibraciones o los
impactos que prevalecen en la operación de los trabajos del acero,
que los elementos permanezcan fijados en contacto cada uno con el
otro, y que la conexión roscada soporte la carga de la parte
inferior de la columna en cada caso, mientras que los pernos 2 de
conexión mantienen los electrodos 1 juntos.
En la presente se utilizan las definiciones que
siguen:
Los extremos de un electrodo se refieren también
a la cara extrema.
Una cavidad es una depresión coaxial
realizada en la cara extrema de un electrodo. Roscas internas
normalmente cilíndricas o cónicas, son mecanizadas en las paredes
internas coaxiales de una cavidad, estando esta especificación
regida por el estándar internacional IEC 80239 (Cavidad con rosca
interna = cavidad roscada).
Un perno de conexión es un tornillo
cilíndrico o bi-cónico que tiene una rosca externa y
una cara extrema dispuesta perpendicularmente al eje del perno de
conexión por cualquier lado del mismo. Un perno de conexión se
atornilla hasta aproximadamente la mitad en cada cavidad de
electrodos adyacentes, con el fin de conectar los dos
electrodos.
Una preforma consiste en un electrodo y
en un perno de conexión que se atornilla en parte (es decir, la
mitad) en una cavidad del electrodo.
Un electrodo o electrodo de carbón, posee una
cavidad roscada en al menos una cara extrema. En este documento, la
conexión de dos electrodos por medio de un perno de conexión
significa siempre una conexión de electrodo roscada. Por motivos de
simplicidad, sin embargo, se utiliza también el término junta
de electrodo, en las reivindicaciones.
La altura de un filete de rosca se define como
la trayectoria de dicho filete a través de los 360º en torno al eje
longitudinal central, ya sea en un perno 2 de conexión o ya sea en
una cavidad de electrodo.
La altura o gradiente de un filete 4, 5 de rosca
es relativamente pequeña para evitar que los dos componentes de la
conexión roscada se separen por deslizamiento por debajo del
gradiente. Según se especifica en el estándar internacional IEC
80239, el gradiente o altura de un filete de rosca debe ser de tres
(tipo T3) o de cuatro (tipo T4) filetes de rosca por pulgada o por
cada 25,4 mm. De acuerdo con esta especificación, la altura del
filete de rosca para el tipo T3 es de 8,467 mm, y para el tipo T4 es
de 6,350 mm.
La ventaja de la conexión roscada realizada a
partir de piezas de carbón de acuerdo con la invención se debe a la
distribución uniforme de cargas a lo largo de la línea 9 de contacto
entre la cresta 8 de rosca de una pieza por una parte, y la rampa 7
de cuña formada en la raíz del filete de rosca de la otra pieza, por
otra parte. Esto se ha demostrado mediante el hecho de que los
vectores de las fuerzas resultantes son aproximadamente del mismo
tamaño en todos los puntos de la línea de contacto descrita en lo
que antecede.
Por el contrario, en el caso de roscas
convencionales sin rampas 7 de cuña en las raíces de los filetes de
rosca, la carga se concentra sustancialmente en el primer filete,
disminuyendo las cargas sobre cada filete contiguo.
En roscas convencionales sin rampas 7 de cuña en
las raíces de los filetes de rosca, los valores absolutos de las
cargas son significativamente más grandes sobre el primer filete que
los valores absolutos de las cargas más grandes en el caso de una
conexión roscada realizada mediante piezas de carbón de acuerdo con
la invención bajo condiciones marginales similares en su caso,
tales como exposición a la carga total, tamaño de rosca, gradiente
de rosca, y similares. Los valores absolutos mayores en las roscas
convencionales tienen efectos sobre las cargas normales en casos en
los que una columna de electrodo se calienta debido a su uso en un
horno de acero. Los coeficientes de expansión distintos en los
pernos 2 de conexión y en los electrodos 1, provocan que los
valores absolutos de las cargas más grandes se eleven rápidamente
según se incrementa la temperatura de la columna de electrodo.
Debido a los valores absolutos más altos de las cargas más grandes,
cuando las roscas convencionales sin rampas 7 de cuña en las raíces
de los filetes 4, 5 de rosca son utilizadas en conexiones roscadas,
una cavidad o un perno 2 de conexión falla más pronto en dicha
conexión. Por otra parte, la conexión fileteada realizada a partir
de piezas de carbón de acuerdo con la invención, es más resistente a
un fallo de ese tipo de la cavidad o del perno 2 de conexión,
debido a las altas temperaturas.
No se requiere ninguna etapa de procesamiento
adicional en la fabricación de los electrodos 1 de carbón y de los
pernos 2 de conexión a efectos de proporcionar la fijación de una
junta de electrodo de acuerdo con la invención. Se requiere
diferente herramental, pero la fabricación no es difícil.
Muchas conexiones roscadas metálicas consisten
en una pieza externa con una rosca interna, por ejemplo una tuerca
metálica, y una pieza interna asociada, con una rosca externa, por
ejemplo un perno metálico. En ambas piezas de la conexión roscada,
la distancia entre los filetes de rosca es la misma, y uniforme en
todos los casos. El filete de rosca individual tiene un perfil
sustancialmente en forma de V, y al menos una de las piezas tiene
una rampa de cuña en la raíz del filete de rosca. De acuerdo con las
Patentes U.S. núms. 4.076.064 y 4.266.590, uno de los componentes
de la conexión roscada en cada caso tiene rampas de cuña en las
raíces de los filetes de rosca con el fin de evitar que la conexión
roscada se afloje respecto a su estado atornillado, y/o para
asegurar la fijación de los dos componentes de conexión roscados. En
un intento de comprender la fijación y la evitación del
aflojamiento, resulta de ayuda el concepto de deformación plástica
de los metales. En consecuencia, es posible imaginar que las
crestas de la rosca de una pieza de una conexión roscada metálica
apoyan contra las rampas de cuña de la otra pieza, y que son
plásticamente deformadas cuando las dos piezas son atornilladas
entre sí, y que las crestas de rosca de la otra parte están por
tanto inter-trabadas con las rampas de cuña de la
otra pieza de la conexión roscada metálica.
\newpage
Cuando se hacen intentos de imaginar este
principio de inter-trabado con una conexión cerámica
roscada, es necesario considerar en primer lugar el hecho de que el
principio se rompe. La razón de todo esto consiste en la fragilidad
de la cerámica. Bajo esfuerzos de cizallamiento elevados, tales como
los que se engendraron sobre las crestas de las roscas de una pieza
cuando dos piezas cerámicas de conexión roscada fueron atornilladas
entre sí, estas crestas de cerámica simplemente se rompieron.
Aunque los carbones y grafitos fabricados
sintéticamente son también considerados como cerámicos, la
configuración por capas de la celosía de grafito en la región
microcristalina imparte la propiedad de deformabilidad plástica.
Debido a esta deformabilidad, que también se conoce como lubricidad
en el caso del grafito, estas crestas de cerámica no se rompen de
forma simple. La deformabilidad de los carbones y grafitos
producidos sintéticamente está soportada por la porosidad abierta
finamente distribuida de estos materiales, la cual es del orden de
25%/vol. Pequeñas regiones cristalinas pueden ser presionadas hacia
los poros. Es posible asegurar que el inter-trabado
de las crestas de rosca de una pieza de una conexión roscada
realizada a partir de grafito o de carbón, con las rampas de cuña
de la otra pieza de una conexión roscada realizada a partir de
grafito o de carbón, tiene lugar cuando las dos piezas son
atornilladas entre sí. Esto es cierto para piezas con roscas
cónicas a izquierdas o a derechas.
Cuando las crestas 8 de rosca de los filetes 4,
5 de rosca en forma de V de una pieza de la conexión roscada,
apoyan contra las rampas 7 de cuña de la pieza de la conexión
roscada, según son atornilladas ambas piezas entre sí, todas las
fuerzas son transferidas desde una pieza a la otra pieza solamente
por esta línea de contacto. El perfil de los filetes de rosca de la
pieza con rampas de cuña en la raíz del filete de rosca puede
hacerse más y más pequeño sin pérdida de transferencia de fuerza.
La consecuencia de todo esto consiste en que los flancos de los
filetes 4 de rosca de la pieza con la rampa 7 de cuña ya no
contactan más con los flancos de los filetes 5 de rosca de la pieza
con los filetes de rosca que tiene sección transversal
sustancialmente en forma de V, y de ese modo no se transfiere
tampoco ninguna fuerza a través de esta trayectoria. El caso
descrito en la reivindicación 9 puede ser visto como un caso
especialmente interesante, en el que la pieza con la rampa 7 de
cuña no posee ya ningún filete 4 de rosca que se proyecte de forma
visible, véase también la Figura 4. Ahora, solamente la rampa 7 de
cuña circunscribe a esta pieza. El contorno del filete 4 de rosca
asociado se ha reducido, por ejemplo a una línea 9 de conexión entre
dos rampas 7 de cuña situadas una por encima de la otra en la
sección transversal de la Figura 4.
La técnica de fabricación y de utilización de
los electrodos de carbón producidos sintéticamente, se ha explicado
en la porción introductoria. Los elementos individuales de una
columna de electrodos de carbón, se atornillan entre sí. Para esto,
el perno de conexión de carbón con las roscas externas, encaja con
las cavidades de los electrodos de carbón adyacentes provistos de
roscas internas.
Los esfuerzos mecánicos y térmicos presentes en
una columna de electrodos de carbón, no se distribuyen uniformemente
a través de un electrodo 1 y de un perno 2 de conexión, sino que
por el contrario, el perno 2 de conexión está expuesto a una carga
mayor y por lo tanto se fabrica normalmente a base de material de
carbón que tiene mejores relaciones mecánicas y térmicas con
respecto a propiedades tales como resistencia a la flexión, módulo
de elasticidad, coeficiente de expansión paralela y
perpendicularmente al eje longitudinal central, conductividad
eléctrica y térmica, densidad de volumen, etc., que los electrodos 1
que van a ser atornillados entre sí.
Según se ha explicado en la Patente U.S. núm.
4.076.064, la conexión roscada se mejora si el perno de la conexión
roscada está hecho a partir de un material más duro, menos dúctil,
que el material de su tuerca asociada. Una disposición similar ha
sido también creada en la conexión roscada de la columna, debido a
las cargas de los cuerpos de una columna de electrodo: el perno 2
de conexión tiene un módulo de elasticidad más alto y de ese modo
es menos dúctil que el electrodo 1 de carbón, el cual posee un
módulo de elasticidad más bajo y por tanto una ductilidad más
elevada. Se ha demostrado que es ventajoso crear la rampa 7 de cuña
en la raíz del filete de rosca de la rosca 4 interna de la cavidad
de electrodo más dúctil, y mantener sin cambio la sección
transversal de los filetes 5 de rosca del perno 2 de conexión menos
dúctil.
Se ha creado un número de filetes 4, 5 de rosca
en la superficie lateral de un perno 2 de conexión a partir de la
cara 6 frontal, y que se extienden hasta la sección media de un
perno 2 de conexión. Se hace lo mismo con la cavidad de electrodo
asociada a este último. El número de filetes 5 de rosca depende de
la longitud del perno 2 de conexión y de la profundidad de la
cavidad de electrodo, y del gradiente de la rosca. Este último está
especificado en el estándar internacional IEC 60239, también para
columnas de electrodos 1 de carbón.
Se consigue un alto efecto de fijación cuando
dos piezas de conexión roscada son atornilladas entre sí siempre
que todos los filetes 4, 5 de rosca de una pieza de una conexión
roscada, en este caso preferentemente la cavidad de electrodo,
estén dotados de una rampa 7 de cuña en la raíz del filete de rosca.
En algunos casos, sin embargo, es suficiente que al menos un filete
de rosca esté dotado a una rampa 7 de cuña. En otros casos, la
rampa 7 de cuña está presente en la raíz de filete de rosca en
secciones de longitud del filete de rosca, extendiéndose desde el
fondo de la cavidad de electrodo hasta tan lejos como esté la cara 3
extrema del electrodo 1.
Algunos usuarios adquieren los electrodos 1 en
forma de preformas. El perno 2 de conexión que se atornilla
en la primera cavidad en un extremo del electrodo 1, es sujetado a
máquina y con un alto par de torsión correspondiente, mientras que
la segunda cavidad dispuesta en el otro extremo del electrodo 1 no
está ocupada. Esto significa que no existe prácticamente ningún
peligro de que el perno 2 de conexión atornillado a máquina se
afloje durante las operaciones de los trabajos del acero. En
consecuencia, la rosca de la preforma no necesita ninguna protección
contra el aflojamiento y de ese modo, no se requiere ninguna rampa
7 de cuña en la raíz del filete de rosca (de la rosca de la
cavidad). El método utilizado para atornillar el segundo extremo de
electrodo puede, o bien ser realizado a máquina en un horno de
acero eléctrico, o bien ser atornillado a mano si no se encuentra
disponible una máquina correspondiente en el lugar de los trabajos
del acero. Particularmente en el último caso, existe un peligro de
aflojamiento debido a la aplicación de un par torsor de
atornillamiento inadecuado. Particularmente en estos casos, resulta
útil tener una protección adicional contra el aflojamiento. La rosca
interna de la segunda cavidad de electrodo que no se ha atornillado
previamente a ningún perno de conexión, tiene una rampa de cuña en
la raíz del filete de rosca.
En la rampa de cuña de la raíz de filete de
rosca, normalmente en una de las dos piezas que van a ser
atornilladas, la superficie tiene con mucha frecuencia una
inclinación diferente a la de los flancos. Puesto que los flancos
de los filetes de rosca están inclinados arbitrariamente, no es
válido ningún propósito de utilizar estos flancos como referencia.
La referencia lógica es la relación entre el eje 11 longitudinal
central del perno 2 de conexión o del electrodo 1 por una parte, y
la inclinación de la superficie de la rampa de cuña apreciada en la
raíz del filete de rosca por otra parte. El ángulo entre el eje 11
longitudinal central del perno 2 de conexión o del electrodo 1, por
una parte, y la inclinación de la superficie de la rampa 7 de cuña
de la raíz del filete de rosca por otra parte, está comprendido
entre 10º y 60º, con preferencia entre 25º y 35º, tanto si el
ángulo se calcula en dirección favorable al movimiento de las agujas
del reloj como si se hace en dirección contraria al movimiento de
las agujas del reloj.
La proyección de la rampa 7 de cuña en la raíz
de filete de rosca sobre el eje 11 longitudinal central del perno 2
de conexión o del electrodo 1, es del 30 al 100%, según sea la
altura del filete de rosca. Esta longitud se posiciona sobre la
raíz del filete de rosca de tal modo que cuando los dos componentes
de conexión roscada son atornillados entre sí, la rampa 7 de cuña
del primer componente es contactada en el punto medio por la cresta
8 del filete de rosca del segundo componente. Sin embargo, se
presenta un problema debido a que las crestas 8 de los filetes de
rosca del segundo componente son forzadas hacia fuera de la mitad de
la superficie inclinada de la rampa 7 de cuña del primer componente
bajo la carga de las fuerzas que se estén aplicando.
Según se ha indicado en una de las secciones
anteriores, al atornillar los electrodos 1 de carbón en una planta
de acero eléctrica, el objetivo era el de proteger las juntas
roscadas consistentes en electrodos 1 de carbón y pernos 2 de
conexión de carbón, contra el aflojamiento a pesar de las
limitaciones que prevalecen en un lugar de trabajo del acero. Por
lo tanto, se utilizan conexiones roscadas de las que al menos una
pieza tiene una rosca con una rampa 7 de cuña en la raíz de rosca
del filete de rosca sobre al menos una sección de la longitud de
este filete de rosca. En un caso especial, los filetes de rosca para
soporte de la carga, que normalmente tienen una sección transversal
sustancialmente en forma en V, no han sido construidos con la rampa
7 de cuña circundante en al menos uno de los componentes. Cuando los
componentes de la conexión roscada consistentes en electrodos 1 de
carbón y en pernos 2 de conexión de carbón, se atornillan entre sí,
se crea con ello una conexión que es fijadora, soportadora de
carga, y resistente al aflojamiento, asegurando con ello la
protección de la columna de electrodo en su totalidad.
Las conexiones roscadas del tipo que se ha
descrito, tienen una distribución de carga más uniforme que las
conexiones roscadas estándar con dos roscas, teniendo los filetes de
rosca de cada una secciones transversales en forma de V.
Las conexiones roscadas del tipo que se ha
descrito, se utilizan como conexiones que son fijadoras,
soportadoras de carga, y no son susceptibles de desatornillado de
los electrodos de carbón que se han atornillado entre sí en una
columna de electrodo utilizando pernos de conexión, tanto en la
aplicación estándar como en la aplicación especial citada
anteriormente con contorno reducido del filete de rosca.
En un soporte de accesorio atornillado,
fabricado por Piccardi (Dalmine (Bérgamo)/ Italia), conocido como
"nippling station" ("estación de apriete"), y fabricado en
1997, dos electrodos de grafito que tenían un diámetro de 600 mm,
fueron atornillados cada uno de ellos a una columna de electrodo con
una boquilla de apriete de grafito adecuada.
Para hacer todo esto, se utilizó una preforma
consistente en un electrodo y una boquilla de apriete que había
sido atornillada en una cavidad del electrodo con anterioridad. Este
electrodo tenía una rosca estándar acorde con el estándar CEI IEC
60239, y una cavidad con el indicador S 317T4N. La boquilla de
apriete asociada tenía una rosca cónica a ambos lados con el
indicador estándar N 317T4N. Esto significa que el lado roscado de
la boquilla de apriete que estaba todavía libre en la preforma,
estaba también equipado con una rosca estándar.
El segundo electrodo con un diámetro de 600 mm,
fue atornillado a continuación sobre esta preforma, y la cavidad de
este segundo electrodo tenía una rampa de cuña en la base de los
filetes. La superficie de la rampa de cuña tenía un ángulo de 30º
con relación al eje longitudinal central del electrodo. Con el fin
de producir esta rosca especial en la cavidad de electrodo, se
utilizó un molde cuyo contorno exterior tenía también un ángulo de
30º en los lugares correspondientes a las rampas de cuña de la
cavidad. En el resto, el contorno del molde tenía el perfil típico
en forma de V, lo que corresponde con una sección transversal a
través de los filetes de una rosca de cavidad. Las diversas pruebas
de atornillado fueron realizadas con una disposición de electrodo
de columna de este tipo.
En primer lugar, la conexión roscada conforme a
la invención fue cerrada con la utilización de un par de apriete
aplicado mecánicamente. Cuando se alcanzó un par de apriete de 4000
Nm, el atornillado se dio por finalizado. Con el fin de documentar
el éxito de tal conexión roscada, se realizó una sección a través de
la conexión roscada conforme a la invención. Una vista de un corte
de ese tipo, ha sido representada en la Figura 5. Puesto que las
vistas de cortes a través de piezas de grafito no son inmediatamente
comprensibles por aquellos que no son expertos en la materia,
debido a la estructura granular, se han escrito algunas notas en
esta figura con relación a los elementos sustancialmente
inventivos. Una de las notas más importantes consiste en que los
flancos de los filetes de rosca de la boquilla de apriete y de la
cavidad no son contiguos, y que, en consecuencia, los esfuerzos no
son transferidos desde la boquilla de apriete hasta la cavidad, sino
que, por el contrario, las crestas de la espiras de la rosca
presente en la boquilla de apriete apoyan contra las rampas de cuña
en la base de las espiras de la rosca en la cavidad, y los esfuerzos
son transferidos en ese lugar.
Con el fin de caracterizar la seguridad de la
fijación de la conexión roscada, la conexión fue abierta a
continuación de nuevo y se midió el par torsor de desenganche. Se
determinó un par torsor de desenganche de 2003/6 EP 6000 Nm, el
cual está dentro la gama normal para las roscas estándar.
Con las repetidas operaciones de atornillado y
de desenganche sobre la misma conexión roscada, los pares de
torsión de atornillado y de desenganche no cambiaron
significativamente.
En pruebas adicionales, la conexión roscada
conforme a la invención fue cerrada utilizando un par de apriete
aplicado manualmente. De esta manera, se alcanzó un par de
atornillado de alrededor de 1200 Nm. El par de separación fue de
2000 Nm. Con las repetidas operaciones de atornillado y de
desenganche sobre la misma conexión roscada, se observaron pares de
desenganche comprendidos entre 1500 Nm y 3000 Nm; la amplia
distribución de pares de desenganche se debió al hecho de que se
utilizaron diversas técnicas para aplicar el par torsor de
atornillado.
Otras características que se consideran como
características propias de la invención, se definen en las
reivindicaciones anexas.
La construcción y el método de operación de la
invención, sin embargo, junto con los objetos y ventajas adicionales
de la misma, podrán ser mejor comprendidos a partir de la
descripción que sigue de realizaciones específicas, cuando se leen
junto con los dibujos que se acompañan.
La Figura 1A y la Figura 1B, son secciones
tomadas paralelamente a los ejes longitudinales a través de los
electrodos 1 con cavidades excavadas en las caras 3 extremas que
tienen una rosca 4 interna ya sea cilíndrica o ya sea cónica, y una
vista de la extensión longitudinal de los pernos 2 de conexión sin
fijar, ya sea con roscas cilíndricas o ya sea con roscas cónicas, y
que representan el estado de la técnica.
La Figura 2 es una sección realizada a mayor
escala, paralelamente al eje 11 longitudinal a través de una
cavidad de electrodo 1 con un perno 2 de conexión cónico atornillado
en la cavidad del electrodo 1.
La Figura 3a y la Figura 3b muestran dos
secciones esquemáticas comparables a la vista de la Figura 2,
paralelas a los ejes 11 longitudinales a través de dos conexiones
roscadas diferentes, cada una de ellas en estado atornillado.
La Figura 3a) muestra una sección a través de
una conexión roscada convencional en estado atornillado, y la
Figura 3b) muestra una sección a través de una conexión roscada
conforme a la invención en estado atornillado. En la Figura 3a), se
han dibujado vectores de carga sobre los flancos de los filetes de
rosca. En la Figura 3b) estos vectores de carga están aplicados a
las rampas 7 de cuña sobre las raíces de los filetes de rosca.
La Figura 4 es una sección paralela al eje 11
longitudinal a través de una pieza de una conexión roscada ahusada
cónicamente en estado atornillado, en la que la pieza de la conexión
roscada (ventajosamente el perno 2 de conexión) tiene filetes de
rosca con perfiles en forma de V, y en la que la rampa 7 de cuña
circundante ha sido conformada en la otra pieza de la conexión
roscada (ventajosamente la cavidad del electrodo 1), y los filetes
de rosca de soporte de carga no están normalmente conformados con
perfil sustancialmente en forma de V.
La Figura 5 es una sección a través de una
conexión roscada de una boquilla de apriete y de un electrodo, cuya
conexión es conforme con la invención.
La Figura 1a y la Figura 1b proporcionan una
vista general de disposiciones de electrodos 1 y de pernos 2 de
conexión sin fijar. Las cavidades de electrodo 1 dispuestas
coaxialmente, están provistas de superficies 4 de rosca. Los
límites de las cavidades que apuntan hacia el cuerpo de los
electrodos 1, son los fondos 10 de las cavidades de los electrodos
1. Los pernos 2 de conexión sin fijar, tienen superficies 5 de rosca
en sus superficies laterales, y poseen, cada uno de ellos,
superficies 6 frontales en cada lado.
La característica especial de la Figura 2 ha
sido representada a una escala ampliada. La superficie 4 de rosca
de la cavidad de electrodo incluye, no sólo filetes de rosca
convencionales que tienen perfiles normales en forma de V, sino
también una rampa 7 de cuña que está también situada en la raíz del
filete de rosca. La superficie de la rampa 7 de cuña formada en la
raíz de un filete de rosca, forma un ángulo comprendido en la gama
de entre 10º y 60º, con preferencia entre 25º y 35º, con el eje 11
longitudinal del perno 2 de conexión o del electrodo 1.
Las crestas de los filetes 8 de rosca de un
componente de conexión roscada (perno 2 de conexión), apoyan contra
las rampas 7 de cuña formadas en la raíz de los filetes de rosca del
otro componente de la conexión roscada (el electrodo 1). La carga
total de la columna de electrodo es transferida desde el electrodo 1
hasta el perno 2 de conexión, o viceversa, en el interior de la
conexión roscada por la línea 7-8 de contacto
circundante.
La Figura 3a y la Figura 3b sirven para ilustrar
la transferencia mejorada de cargas en comparación con una conexión
roscada convencional, en una conexión roscada para columnas de
carbón conforme a la invención, cada una en estado atornillado. En
particular, los vectores de carga dibujados en los flancos de los
filetes de rosca aclaran las diferencias. En la conexión roscada
convencional, véase la Figura 3a, el filete de rosca superior tiene
un vector de carga más grande en sus flancos. El filete de rosca
inmediatamente por debajo está sometido a un vector de carga más
pequeño, el filete de rosca de más abajo tiene una carga aún más
pequeña, y así sucesivamente. Los filetes de rosca inferiores
apenas participan en la transferencia de cargas desde un componente
de la conexión roscada hasta el otro.
En la conexión roscada para columnas de
electrodo de carbón conforme a la invención, véase la Figura 3b, los
vectores de carga dibujados sobre las rampas 7 de cuña en las
raíces de los filetes de rosca, son prácticamente de igual tamaño
para todas las rampas 7 de cuña. Esto significa que se transfiere un
reparto aproximadamente igual de la carga en cada contacto desde la
cresta del filete 8 de rosca del componente de conexión roscada
(perno 2 de conexión) hasta la rampa 7 de cuña en la raíz del filete
de rosca del otro componente de conexión roscada (electrodo 1).
Al igual que en las Figuras 3a) y 3b) y en la
sección de mayor tamaño de la Figura 2, la Figura 4 muestra una
sección paralela al eje 11 longitudinal a través de un componente de
una conexión roscada en estado atornillado, en la que la conexión
roscada mostrada en la Figura 4 es ahusada (hacia el fondo de la
Figura). Puesto que los flancos de los filetes de rosca del
componente de conexión roscada, que también tienen la rampa 7 de
cuña circundante (electrodo 1) no transfieren ninguna carga, en
este componente de conexión roscada (electrodo 1) podrían
eliminarse los filetes de rosca con perfil en forma de V. Una simple
línea 9 de conexión (mostrada en sección transversal en la Figura
4), en cada fila de dos rampas 7 de cuña, sustituye al filete de
rosca con perfil en forma de V, y la realización física de una
cavidad de electrodo corresponde con una superficie helicoidal que
tiene una inclinación hacia el eje 11 longitudinal central del
electrodo (cavidad).
La Figura 5 muestra una sección a través de una
conexión roscada en estado atornillado. En el lado de la derecha,
se aprecia una parte de la cavidad del electrodo 1, que incluye los
filetes con rampas 7 de cuña formadas en la raíz de un filete de
rosca. Las superficies de las rampas 7 de cuña tienen
aproximadamente 30º de inclinación en comparación con el eje
longitudinal central del electrodo 1. En el lado de la izquierda, se
aprecia una parte del perno 2 de conexión y de las roscas estándar.
Las crestas 8 de los filetes de rosca estándar del perno 2 de
conexión contactan con las rampas 7 de cuña en la raíz del filete de
rosca del electrodo 1. Los flancos de las roscas del perno 2 de
conexión y del electrodo 1, no están en contacto.
\vskip1.000000\baselineskip
La lista de referencias citadas por el
solicitante se proporciona únicamente por conveniencia para el
lector. Ésta no forma parte del documento de Patente Europea.
Incluso aunque se ha puesto un gran cuidado en el listado de las
referencias, no se excluyen los errores u omisiones y la EPO declina
toda responsabilidad en ese sentido.
- - US 4167643 A
- - DE 4137020
- - US 5575582 A
- - US 4076064 A
- - JP 2000133436 A
- - US 4266590 A
- ULLMANN'S ENCYCLOPEDIA OF INDUSTRIAL
CHEMISTRY.
\hskip0.1cmVCH Verlagsgesellschaft mbH, 1986, vol. A5, 103 - 113.
Claims (9)
1. Un conjunto con una conexión roscada entre un
electrodo (1) de carbón dotado de una cavidad y con una rosca (4)
interna formada en la misma, y un perno (2) de conexión de carbón
con una rosca (5) externa para la conexión de dos electrodos (1),
que comprende:
una pieza exterior hecha de carbón o de grafito
producido sintéticamente, y que tiene una rosca interna; una pieza
interior hecha de carbón o de grafito producido sintéticamente, y
que tiene una rosca externa,
que se caracteriza porque:
dicha rosca (4) interna y dicha rosca (5)
externa tienen filetes de rosca con desarrollo sustancialmente
uniforme, una raíz y una cresta (8), y los filetes de rosca
individuales tienen perfil sustancialmente en forma de V;
al menos una de dichas roscas interna y externa
ha sido formada con una rampa (7) de cuña en dicha raíz y, cuando
dichas piezas interior y exterior son atornilladas una con la otra,
las citadas crestas (8) de una de dichas piezas apoyan contra las
citadas rampas (7) de cuña formadas en dicha raíz de la otra de
dichas piezas, y
dichas roscas (4, 5) interna y externa son
roscas cónicas, en las que la carga no está soportada por los
flancos de los filetes de rosca individuales de la conexión
roscada.
2. El conjunto de acuerdo con la reivindicación
1, en el que dicha rampa (7) de cuña está dispuesta en la citada
raíz de dicho filete de rosca de la citada rosca (4) interna de
dicho electrodo (1) de carbón, y dicho electrodo (1) de carbón
tiene un módulo de elasticidad inferior al de dicho perno (2) de
conexión de carbón.
3. El conjunto de acuerdo con la reivindicación
1, en el que al menos un filete de una rosca (4, 5) respectiva
citada ha sido formado con una rampa (7) de cuña en dicha raíz.
4. El conjunto de acuerdo con la reivindicación
3, en el que dicha rampa (7) de cuña formada en la citada raíz de
dicho filete (4, 5) de rosca, ha sido formada en secciones de
longitud de dicho filete (4, 5) de rosca.
5. El conjunto de acuerdo con la reivindicación
1, en el que, en una preforma con un electrodo (1) que forma la
citada pieza exterior y en un perno (2) de conexión que forma la
citada pieza interior atornillada parcialmente en dicho electrodo,
la citada rampa (7) de cuña presente en la citada raíz de un filete
de rosca se aplica solamente sobre dicha rosca (4) interna de la
cavidad de electrodo que no ha sido atornillada con anterioridad
con un perno (2) de conexión.
6. El conjunto de acuerdo con la reivindicación
1, en el que una superficie de la rampa (7) de cuña formada en
dicha raíz de un filete (4, 5) de rosca, define un ángulo
comprendido en una gama de entre 10º y 60º con el eje longitudinal
de dicho perno (2) de conexión o de dicho electrodo (1).
7. El conjunto de acuerdo con la reivindicación
6, en el que dicho ángulo está comprendido en la gama de entre 25º
y 35º.
8. El conjunto de acuerdo con la reivindicación
6, en el que dicho ángulo formado entre la citada rampa (7) de cuña
de la citada raíz de un filete (4, 5) de rosca y dicho eje
longitudinal, se calcula en una dirección a favor de las agujas del
reloj o en contra de las agujas del reloj.
9. El conjunto de acuerdo con la reivindicación
1, en el que una proyección de dicha rampa (7) de cuña sobre un eje
longitudinal central de dicho perno (2) de conexión o de dicho
electrodo (1), es del 30 al 100% de largo respecto a la altura de
dicho filete (4, 5) de rosca, y una longitud de dicha proyección se
sitúa sobre la citada raíz de dicho filete (4, 5) de rosca de tal
modo que cuando los componentes de la conexión roscada son
atornillados entre sí, la citada rampa (7) de cuña del primer
componente es contactada en el centro por la citada cresta (8) de
dicho filete (4, 5) de rosca (5) del segundo componente.
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