ES2332811T3 - Procedimiento y dispositivo para enfriar rapidamente piezas de trabajo. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para enfriar una pieza de trabajo (1), en el que se introduce la pieza de trabajo (1) en una zona de refrigeración (10) que limita con una caja fría (3), y en el que se alimenta un medio refrigerante a la caja fría (3), comprendiendo el medio refrigerante un gas licuado o una mezcla de gases licuados, cuyo calor de evaporación se emplea para refrigerar la caja fría (3) y para refrigerar la superficie de la pieza de trabajo (1), caracterizado porque el medio refrigerante sale de la caja fría (3) por una o varias boquillas (5) y es conducido a la zona de refrigeración (10) a través de dicha boquilla o boquillas (5).
Description
Procedimiento y dispositivo para enfriar
rápidamente piezas de trabajo.
La invención concierne a un procedimiento para
enfriar una pieza de trabajo, en el que se introduce la pieza de
trabajo en una zona de refrigeración que limita con una caja fría, y
en el que se alimenta un medio refrigerante a la caja fría,
comprendiendo el medio refrigerante un gas licuado o una mezcla de
gases licuados cuyo calor de evaporación se emplea para refrigerar
la caja fría y para refrigerar la superficie de la pieza de
trabajo.
Asimismo, la invención se refiere a un
dispositivo para enfriar una pieza de trabajo que comprende una caja
fría con una alimentación para un medio refrigerante y una zona de
refrigeración para recibir la pieza de trabajo, limitando la caja
fría y la zona de refrigeración una con otra y estando configurada
la alimentación de una manera adecuada para introducir gas licuado
o una mezcla de gases licuados.
Se conocen un gran número de procedimientos y
dispositivos de enfriamiento. Por ejemplo en el ámbito del
tratamiento térmico se utilizan desde hace siglos un gran número de
procedimientos y dispositivos para refrigerar y enfriar bruscamente
piezas de trabajo. Son corrientes, por ejemplo, el enfriamiento
brusco en líquidos tales como aceites, agua, emulsiones u otras,
así como el enfriamiento brusco en sales o con ayuda de gases. Los
gases se utilizan convencionalmente de múltiples formas, tal como,
por ejemplo, bajo alta presión, con lo que se incrementa la
capacidad del gas para transportar energía calorífica. Con el mismo
objetivo se procede según el estado de la técnica a poner en
contacto gases, bajo una alta velocidad relativa, con la superficie
caliente de una pieza de trabajo que debe ser enfriada. Según un
procedimiento relativamente reciente, el llamado "enfriamiento
rápido con gas", se pone en contacto gas a alta presión y alta
velocidad de salida con la superficie caliente de la pieza de
trabajo que se debe enfriar.
El documento GB 1 287 325 A revela un
dispositivo para enfriar secuencialmente piezas de trabajo que se
transportan a través de una cámara térmicamente aislada y que se
enfrían por evaporación de nitrógeno líquido que se alimenta a la
cámara.
El documento US 5,083,436 revela un dispositivo
para enfriar y contraer piezas de trabajo que se transportan hacia
una estación de tratamiento en una línea de producción que presenta
una cámara de refrigeración, un equipo de transporte, al menos una
tubería que discurre sustancialmente vertical para transportar un
líquido criógeno desde un baño hasta una salida colocada por encima
del baño, cubas para almacenar el baño de líquido criógeno, chapas
de desviación para decelerar la corriente contraria de gas criógeno
y una compuerta que retiene el gas en la cámara de
refrigeración.
Como estado de la técnica no publicado todavía
se conoce un procedimiento de enfriamiento para tubos y otros
semiproductos (por ejemplo, varillas, perfiles, alambre y
similares), en el que las piezas de trabajo a refrigerar son
enfriadas en forma de paquetes o bien individualmente por medio de
un campo de boquillas adaptado en su forma, a través del cual se
insufla gas sobre las piezas de trabajo, mientras estas piezas de
trabajo se mueven a través del campo de boquilla. El campo de
boquillas puede estar aquí confinado también con adaptación de
forma dentro de su alojamiento. Sin embargo, el resultado del
enfriamiento podría ser aún mejor, especialmente para piezas de
trabajo con una temperatura de partida de más de 550ºC.
El cometido de la invención consiste en
proporcionar un procedimiento mejorado y un dispositivo para la
puesta en práctica de este procedimiento de enfriamiento de piezas
de trabajo.
El problema planteado se resuelve por el lado
del procedimiento por el hecho de que la pieza de trabajo se
introduce en una zona de refrigeración que limita con una caja fría,
y porque se alimenta un medio refrigerante a la caja fría,
comprendiendo el medio refrigerante un gas licuado o una mezclas de
gases licuados cuyo calor de evaporación se emplea para refrigerar
la caja fría y para refrigerar la superficie de la pieza de trabajo,
y saliendo el medio refrigerante de la caja fría a través de una o
varias boquillas y siendo dicho medio conducido a la zona de
refrigeración a través de dicha boquilla o boquillas.
Según la invención, se utiliza el gas
introducido en la zona de refrigeración a través de las boquillas
-en estado líquido o gaseoso- para refrigerar la pieza de trabajo
por convección. Por otro lado, el medio refrigerante refrigera
también la caja fría que limita con la zona de refrigeración. De
esta manera, se refuerza la transmisión de calor por radicación
dominante especialmente a altas temperaturas.
Como medio refrigerante se utiliza
preferiblemente un gas licuado o una mezcla de gases en forma
líquida y gaseosa, cuyo calor de evaporación se emplea para
refrigerar la caja fría y/o para refrigerar la superficie de la
pieza de trabajo. El entorno de la pieza de trabajo es llevado con
ello a una temperatura que hace posible un enfriamiento
especialmente efectivo de la pieza de trabajo. Especialmente para el
caso de que la pieza de trabajo presente una alta temperatura de
partida de más de 550ºC, se puede tener en cuenta con el
procedimiento según la invención el predominio de la cesión de
calor por radiación calorífica que se presenta en este rango de
temperatura en comparación con la cesión de calor por transporte de
calor o por convección.
La utilización de gas licuado o de una mezcla de
gases en forma líquida y gaseosa presenta, además de la temperatura
en particular ventajosamente baja que se consigue con ello, las
ventajas de un proceso limpio respetuoso con el medio ambiente en
el que se puede prescindir de una limpieza ulterior de la pieza de
trabajo, no se presenta corrosión originada por el proceso y se
puede controlar bien el desarrollo del proceso sobre la base de la
buena capacidad de dosificación del medio refrigerante. En conjunto,
está disponible un procedimiento de enfriamiento sumamente efectivo
en un dispositivo con solamente una pequeña extensión espacial.
Preferiblemente, se evapora en su totalidad o en
parte el gas licuado o la mezcla de gases licuados en la caja fría,
empleándose el calor de evaporación en su totalidad o en parte para
refrigerar la caja fría.
Como alternativa o adicionalmente, el gas
licuado o una mezcla de gases en forma líquida y gaseosa entra
ventajosamente en acción, en su totalidad o en parte, por
evaporación directa sobre la superficie de la pieza de trabajo,
empleándose el calor de evaporación en su totalidad o en parte para
refrigerar la superficie de la pieza de trabajo.
Según un perfeccionamiento especialmente
ventajoso de la invención, la pieza de trabajo se mueve a través de
la zona de refrigeración, estando adaptada la zona de refrigeración
a la forma de la pieza de trabajo, de modo que, por un lado, el
medio refrigerante permanece en la zona de refrigeración durante un
tiempo suficientemente largo para que la superficie de la pieza de
trabajo pueda ceder una cantidad suficiente de calor al medio
refrigerante y, por otro lado, el medio refrigerante entonces
calentado abandona la zona de refrigeración con alta velocidad.
Preferiblemente, el gas licuado o una mezcla de
gases en forma líquida o gaseosa es introducido en la zona de
refrigeración con una alta velocidad de flujo.
De manera especialmente preferida, se utiliza
como gas licuado nitrógeno licuado, hidrógeno licuado, helio
licuado o argón licuado. Según una ejecución ventajosa, se utiliza
como mezcla de gases licuados una mezcla de dos o más de los gases
licuados anteriormente citados.
De manera especialmente ventajosa, se añaden al
gas licuado o a la mezcla de gases licuados uno varios componentes
adicionales. Por ejemplo, se mezclan dióxido de carbono y/o metano
con el gas licuado o con la mezcla de gases licuados.
Por el lado del dispositivo, el problema
planteado se resuelve por medio de un dispositivo para enfriar una
pieza de trabajo que comprende una caja fría con una alimentación
para un medio refrigerante y una zona de refrigeración para recibir
la pieza de trabajo, en donde la caja fría y la zona de
refrigeración limitan una con otra y en donde la alimentación está
concebida en forma adecuada para la introducción de gas licuado o
una mezcla de gases licuados, y que se caracteriza porque una o
varias boquillas están montadas en la caja fría de modo que el
medio refrigerante salga de dicha caja fría a través de la boquilla
o boquillas y sea conducido a la zona de refrigeración a través de
dicha boquilla o boquillas. Gracias a esta configuración se hace
posible que el medio refrigerante entre rápidamente en intercambio
de calor con la pieza de trabajo y que la radiación de calor que
sale de la pieza de trabajo sea recogida por la caja fría,
presentando la caja fría aproximadamente la temperatura del gas
licuado o de la mezcla de gases licuados.
Preferiblemente, la caja fría está prevista como
un equipo para evaporar el gas licuado o la mezcla de gases
licuados.
De manera especialmente preferida, la caja fría
está configurada con una forma adaptada a la forma de la pieza de
trabajo, de modo que únicamente esté prevista una distancia muy
pequeña entre las boquillas para el medio refrigerante y la
superficie de la pieza de trabajo. La caja fría y la zona de
refrigeración limita ventajosamente una con otra, de modo que, por
un lado, el medio refrigerante que sale de la caja fría por las
boquillas entra rápidamente en intercambio de calor con la pieza de
trabajo y, por otro lado, la radiación de calor que sale de la
pieza de trabajo es recogida por la caja fría. La caja fría está
concebida para ello preferiblemente de modo que ésta rodee a la
pieza de trabajo por varios lados.
Según un perfeccionamiento especialmente
ventajoso de la invención, la caja fría está subdividida en dos o
más tramos de caja fría que están distanciados uno de otro por medio
de una respectiva rendija presente en la zona de las boquillas.
Además, es objeto de la presente invención el
uso del dispositivo anteriormente descrito para enfriar piezas de
trabajo metálicas, especialmente para enfriar tubos u otros
semiproductos tales como varillas, perfiles o alambre.
La invención ofrece un procedimiento de
refrigeración o enfriamiento brusco sumamente efectivo,
especialmente para piezas metálicas calientes. A altas
temperaturas, la transmisión de calor se efectúa principalmente por
radiación de calor. Según la invención, la caja fría es mantenida a
baja temperatura por el gas licuado alimentado. Directamente
adyacente a la caja fría se encuentra la zona de refrigeración para
recibir la pieza de trabajo. La diferencia de temperatura entre la
superficie de la pieza de trabajo y la caja fría es maximizada por
la refrigeración de la caja fría, de modo que se efectúa un
enfriamiento óptimo por radiación. Además, el medio refrigerante es
conducido a la superficie de la pieza de trabajo a través de
aberturas de boquilla practicadas en la caja fría. Este flujo
provoca un enfriamiento adicional por convección. En conjunto, la
invención ofrece así un aprovechamiento especialmente eficiente de
los diferentes mecanismos de transmisión de calor.
En lo que sigue se explican con más detalle la
invención y otras ejecuciones de la misma haciendo referencia a los
ejemplos de realización representados en las figuras. Muestran en
particular:
La figura 1, una representación esquemática de
una caja fría según la invención con una pieza de trabajo,
La figura 2, una representación esquemática de
una caja fría según la invención que está subdividida en tres
tramos de caja fría, y
La figura 3, una representación en sección
esquemática de la figura 2 a lo largo de A-A.
La figura 1 muestra una pieza de trabajo 1, aquí
un tubo 1, que se mueve a lo largo de la dirección indicada por la
flecha 2 a través de la caja fría 3, por la cual queda envuelto el
tubo 1. La caja fría 3 está adaptada a la forma del tubo 1. A
través de la alimentación 4 se introduce continuamente gas licuado,
aquí, por ejemplo, nitrógeno licuado, en la caja fría 3. Según las
necesidades, el gas sale todavía como gas licuado a través del
campo de boquillas formado por las boquillas 5 y, utilizando el
calor de evaporación, entra en acción sobre la superficie de la
pieza de trabajo 1 como medio refrigerante muy frío dotado de alta
velocidad de flujo.
En el otro caso, la caja fría 3 actúa como
evaporador. El calor de evaporación es utilizado entonces en este
caso para enfriar y mantener fría la caja fría 3.
En ambas variantes la caja fría 3 tiene
aproximadamente la temperatura del gas licuado. Esto significa que
la diferencia de temperatura entre la superficie de la pieza de
trabajo y la superficie de la caja fría es permanentemente muy
grande y produce un enfriamiento correspondiente de la pieza de
trabajo 1 a través del mecanismo de radiación, el cual es asistido
eficazmente por el transporte de calor a consecuencia del flujo de
gas originalmente muy frío 6.
La acción de este procedimiento puede
optimizarse de modo que el límite superior para la cantidad de calor
evacuada no sea ya determinado por la cantidad alimentada de gas
licuado y por las propiedades térmicas de éste, sino que el
mecanismo de conducción de calor de la pieza de trabajo 1 prefije el
límite superior.
Para el ejemplo de realización representado en
la figura 1 pueden indicarse los valores siguientes a título de
ejemplo: Un tubo de acero 1 con un diámetro de 60 mm y un espesor de
pared de 3 mm es movido a través de la caja fría 3 con una
velocidad de 5 m/s. La temperatura de partida del tubo de acero 1
asciende a 1050ºC. La temperatura final después del enfriamiento
asciende, por ejemplo, a 700ºC. Este resultado final se alcanza
mediante la utilización de nitrógeno licuado como medio refrigerante
en una cantidad de 300 kg/h y una presión de alimentación de 3
bares. El campo de boquillas presenta aquí 20 boquillas 5 con un
diámetro de 3 mm cada una de ellas. La longitud total de la caja
fría 3 asciende a 1200 mm.
La figura 2 muestra otro ejemplo de realización.
La caja fría 3 está dividida aquí en tres tramos 8 de la misma
entre los cuales sale a través de la respectiva rendija 7 gas en
forma de un flujo de gas 6. El movimiento de la pieza de trabajo se
efectúa nuevamente en la dirección indicada por la flecha 2. La
pieza de trabajo 1 es este ejemplo un perfil de cobre 1 con una
anchura máxima de 35 mm, que sale de una prensa de extrusión con
una velocidad de 100 m/min y una temperatura de 750ºC. La
temperatura final después del enfriamiento deberá ascender a 200ºC.
El perfil de cobre 1 se mueve a través del dispositivo representado
en la figura 2 y se enfría entonces con ayuda de una mezcla de
gases licuados aportada a través de la alimentación 4 y entregada
por las boquillas 5 en los distintos tramos 8 de la caja fría. Se
utiliza aquí helio licuado o, como variante más barata, una mezcla
de 95% de nitrógeno licuado y 5% de hidrógeno gaseoso. El consumo de
gas asciende a 350 kg/h.
Debido a las demás condiciones de temperatura,
el transporte de calor con el flujo de gas 6 tiene en este ejemplo
una mayor importancia que en el ejemplo de la figura 1. Para
optimizar las condiciones de circulación para el flujo de gas 6 y
garantizar la salida de gas a pesar de rendijas muy estrechas 9, se
ha dividido aquí la caja fría 3 en tres tramos 8 de la misma. La
distancia 7 entre los tramos 8 de la caja fría puede variarse y
optimizarse de conformidad con las necesidades concretas de
diferentes casos de aplicación.
La figura 3 muestra una representación en
sección de la figura 2 a lo largo de A-A. Aquí se
puede apreciar especialmente bien la forma de la caja fría 3
adaptada a la pieza de trabajo 1 o la del tramo mostrado 8 de dicha
caja fría, gracias a la cual las boquillas 5 están posicionadas
ventajosamente siempre a una distancia constantemente pequeña 9 de
la superficie de la pieza de trabajo.
Claims (15)
1. Procedimiento para enfriar una pieza de
trabajo (1), en el que se introduce la pieza de trabajo (1) en una
zona de refrigeración (10) que limita con una caja fría (3), y en el
que se alimenta un medio refrigerante a la caja fría (3),
comprendiendo el medio refrigerante un gas licuado o una mezcla de
gases licuados, cuyo calor de evaporación se emplea para refrigerar
la caja fría (3) y para refrigerar la superficie de la pieza de
trabajo (1), caracterizado porque el medio refrigerante sale
de la caja fría (3) por una o varias boquillas (5) y es conducido a
la zona de refrigeración (10) a través de dicha boquilla o boquillas
(5).
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque se evapora total o parcialmente el gas
licuado o la mezcla de gases licuados en la caja fría (3),
empleándose el calor de evaporación en su totalidad o en parte para
refrigerar la caja fría (3).
3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2,
caracterizado porque se evapora total o parcialmente el gas
licuado o la mezcla de gases licuados en la zona fría (10),
empleándose el calor de evaporación en su totalidad o en parte para
refrigerar la superficie de la pieza de trabajo.
4. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque la pieza de
trabajo (1) se mueve a través de la zona de refrigeración (10)
durante el enfriamiento.
5. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque la zona de
refrigeración (10) está adaptada a la forma de la pieza de trabajo
(1), de modo que el medio refrigerante recorre únicamente un camino
muy pequeño (9) entre la boquilla o las boquillas (5), a través de
las cuales se introduce el medio refrigerante, y la superficie de
la pieza de trabajo.
6. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque se introduce el
gas licuado o la mezcla de gases licuados en la zona de
refrigeración (10) con una alta velocidad de flujo.
7. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque como gas licuado
se utiliza nitrógeno licuado, hidrógeno licuado, helio licuado o
argón licuado.
8. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque como mezcla de
gases licuados se utiliza una mezcla de dos o más de los gases
licuados citados en la reivindicación 7.
9. Procedimiento según la reivindicación 7 u 8,
caracterizado porque se añaden uno o varios componentes
adicionales al gas licuado o a la mezcla de gases licuados.
10. Procedimiento según la reivindicación 9,
caracterizado porque se mezclan dióxido de carbono y/o metano
con el gas licuado o con la mezcla de gases adecuados.
11. Dispositivo para enfriar una pieza de
trabajo (1), que comprende una caja fría (3) con una alimentación
(4) para un medio refrigerante y una zona de refrigeración (10) para
recibir la pieza de trabajo (1), en donde la caja fría (3) y la
zona de refrigeración (10) limitan una con otra y en donde la
alimentación (4) está concebida en forma adecuada para la
introducción de gas licuado o una mezcla de gases adecuado,
caracterizado porque una o varias boquillas (5) están
dispuestas en la caja fría (3) de modo que el medio refrigerante
salga de dicha caja fría (3) por la boquilla o boquillas (5) y sea
conducido a la zona de refrigeración (10) a través de dicha
boquilla o boquillas (5).
12. Dispositivo según la reivindicación 11,
caracterizado porque la caja fría (3) está prevista como
equipo para evaporar el gas licuado o la mezcla de gases
licuados.
13. Dispositivo según la reivindicación 11 ó 12,
caracterizado porque la caja fría (3) está configurada con
una forma adaptada a la forma de la pieza de trabajo (1), de modo
que está prevista únicamente una distancia muy pequeña (9) entre
las boquillas (5) para el medio refrigerante y la superficie de la
pieza de trabajo.
14. Dispositivo según cualquiera de las
reivindicaciones 11 a 13, caracterizado porque la caja fría
(3) está subdividida en dos o más tramos (8) de la misma que están
distanciados uno de otro por medio de una respectiva rendija (7)
presente en la zona de las boquillas.
15. Uso del dispositivo según cualquiera de las
reivindicaciones 11 a 14 para enfriar piezas de trabajo metálicas
(1), especialmente para enfriar tubos u otros semiproductos tales
como varillas, perfiles o alambre.
Applications Claiming Priority (2)
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