ES2585573T3 - Un método y un aparato para conseguir mayores velocidades de enfriamiento de un gas durante el enfriamiento por derivación en un horno de recocido discontinuo de talleres de laminación en frío - Google Patents

Un método y un aparato para conseguir mayores velocidades de enfriamiento de un gas durante el enfriamiento por derivación en un horno de recocido discontinuo de talleres de laminación en frío Download PDF

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Abstract

Un aparato para conseguir mayores velocidades de enfriamiento de un gas durante el enfriamiento por derivación en un horno de recocido discontinuo de talleres de laminación en frío, que comprende: - una unidad (C) de preparación de nanorrefrigerante para preparar un nanofluido y para suministrar el nanofluido a un depósito (10), en donde la unidad (C) de preparación de nanorrefrigerante comprende un dispositivo mezclador (8) para mezclar agua de calidad industrial con nanopartículas que incluyen dispersantes, - un horno (A) de recocido discontinuo que aloja las bobinas (2) de acero laminado en frío sobre una base (1), teniendo el horno (A) una campana (3) de enfriamiento, una entrada (4) para gas y una salida (5) para gas, en donde, durante el uso, entra en el horno (B) hidrógeno gaseoso desde el intercambiador (B) de calor a través de la entrada (4) para gas y sale del intercambiador (B) de calor, a través de la salida (5) para gas, hidrógeno enfriado, y - un intercambiador (B) de calor que tiene una entrada (6) y una salida (7) en donde, durante el uso, el intercambiador (B) de calor recibe el nanofluido desde el depósito (10) con un caudal, temperatura y presión deseados, y el nanofluido sale del intercambiador (B) de calor a través de la salida (7).

Description

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DESCRIPCION
Un metodo y un aparato para conseguir mayores velocidades de enfriamiento de un gas durante el enfriamiento por derivacion en un horno de recocido discontinuo de talleres de laminacion en fno
Campo de la invencion
Esta invencion se refiere a un metodo para conseguir mayores velocidades de enfriamiento de hidrogeno durante el enfriamiento por derivacion en un horno de recocido discontinuo de talleres de laminacion en fno. La invencion se refiere ademas a un aparato para implementar el metodo.
Antecedentes de la invencion
En un taller de laminacion en fno, se laminan a temperatura ambiente bandas de acero laminado en caliente, con el fin de lograr una calidad superficial y propiedades mecanicas mejoradas de los productos laminados en fno finales. Sin embargo, la gran deformacion del acero a temperatura ambiente durante la operacion de laminacion en fno reduce significativamente la ductilidad de las chapas laminadas en fno. Para hacer a las chapas laminadas en fno aptas para operaciones posteriores, por ejemplo la embuticion profunda de piezas de carrocena para automovil, es preciso recocer las bobinas de acero laminado en fno.
Durante la operacion de recocido se alivia la tension de microestructuras deformadas de las chapas laminadas en fno y, consecuentemente, se producen recuperacion, recristalizacion y crecimiento del grano.
Por tanto, para conseguir las propiedades metalurgicas deseadas en terminos de resistencia y niveles de ductilidad es preciso recocer las bobinas de acero laminado en fno. Para lograrlo, se apilan unas sobre otras estas bobinas de acero laminado en fno y se colocan en una camara de calentamiento. La camara de calentamiento calienta las bobinas a temperaturas de 400~500°C. Al proceso de calentamiento le sigue un ciclo de enfriamiento. El ciclo de enfriamiento utiliza hidrogeno para extraer indirectamente el calor mediante el enfriamiento de una campana del horno. La eficacia del ciclo de enfriamiento depende de la velocidad con la que se pueda extraer calor del hidrogeno dentro de los lfmites del sistema.
Un horno de recocido discontinuo comprende tipicamente una unidad de base provista de un ventilador de recirculacion y medios de enfriamiento. Sobre la unidad de base se colocan unas sobre otras varias bobinas de acero laminadas en fno, separadas por una pluralidad de placas convectoras circulares. Estas bobinas de forma cilmdrica, con un diametro externo (Od, por sus siglas en ingles) en el intervalo de 1,5-2,5 m, diametro interno (ID) de 0,5-0,7 m y anchura de 1,0-1,4 m, pesan cada una alrededor de 15-30 t. Estos son datos tfpicos, que vanan ampliamente de una planta a otra, dependiendo del diseno material general. Despues de cargar la base con las bobinas, se coloca una cubierta cilmdrica protectora, estanca a los gases, y se hace circular hidrogeno gaseoso dentro de este recinto. Se coloca sobre este recinto una campana cilmdrica para la campana de horno calentada mediante gas o aceite combustible. Se calienta externamente la cubierta protectora a traves de modos de transferencia de calor por radiacion y por conveccion, lo que calienta el hidrogeno gaseoso circulante. Las superficies externas e internas de las bobinas se calientan por conveccion a traves del hidrogeno gaseoso circulante y por radiacion entre la cubierta y la bobina. Las partes interiores de las bobinas se calientan por conduccion.
Durante el ciclo de enfriamiento, se sustituye la campana del horno por una campana de enfriamiento y se enfna el gas circulante.
En general, existen tres estrategias conocidas que se siguen en los hornos de recocido discontinuo, a saber:
(a) Enfriamiento por CHORRO DE AIRE, en el cual se hace impactar a presion elevada aire comprimido sobre la campana de enfriamiento.
(b) Enfriamiento por ROCIADO, en el cual se rocfa directamente agua sobre la campana de enfriamiento.
(c) Enfriamiento por DERIVACION, en el cual se sangra un gas que fluye en la cubierta interna y se enfna mediante un intercambiador de calor. La eficacia del intercambiador de calor determina la velocidad de enfriamiento del gas.
Son mecanismos comunmente utilizados para aumentar la velocidad de transferencia de calor:
(a) Aumentar el numero de tubos y ondulaciones por tubo dentro del intercambiador de calor.
(b) Utilizar agua a una temperatura inferior obtenida de una conduccion de agua enfriada.
Ambos metodos (a) y (b) son costosos y, por lo tanto, no son aceptados en las circunstancias actuales.
El documento FR 2796711 describe un procedimiento para reducir el tiempo de enfriamiento de productos, especialmente bobinas de metal, en una campana de horno de recocido. El procedimiento utiliza una serie de etapas sucesivas para enfriar las bobinas calientes.
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El documento KR 20070067805 describe un enfriador intermedio para aumentar el coeficiente de transmision termica por conveccion a traves de la pared de una tubena revistiendo con nanopartfculas de dioxido de titanio la superficie de un tubo instalado en el enfriador intermedio.
Objetos de la invencion
Por tanto, es un objeto de la presente invencion proponer un procedimiento para conseguir altas velocidades de enfriamiento de un gas calentado en un horno de recocido discontinuo detalleres de laminacion en fno.
Es otro objeto de la presente invencion proponer un procedimiento para conseguir mayores velocidades de enfriamiento de un gas calentado en un horno de recocido discontinuo de talleres de laminacion en fno, que se implementa durante el modo de enfriamiento por derivacion.
Es un objeto adicional de la invencion proponer un aparato para conseguir mayores velocidades de enfriamiento de un gas atmosferico en un horno de recocido discontinuo de talleres de laminacion en fno.
Compendio de la invencion
Por consiguiente, en un primer aspecto de la invencion se proporciona un aparato para conseguir mayores velocidades de enfriamiento de un gas durante el enfriamiento por derivacion en un horno de recocido discontinuo de talleres de laminacion en fno, que comprende una unidad de preparacion de nanorrefrigerante para preparar un nanofluido y para suministrar el nanofluido a un intercambiador de calor con un caudal, temperatura y presion descritos, preparandose el nanofluido por mezclar agua de calidad industrial con nanopartfculas que incluyen dispersantes, mediante la adaptacion de una mezcla por cizalladura a alta velocidad. Un horno de recocido discontinuo aloja las bobinas de acero laminado en fno sobre una base y calienta las bobinas colocando una campana de horno encima, teniendo el horno una campana de enfriamiento, una entrada para gas y una salida para gas.
Se deja que el hidrogeno gaseoso del intercambiador de calor entre al horno a traves de la entrada para gas y que el hidrogeno enfriado salga del intercambiador de calor a traves de la salida para gas. Un intercambiador de calor recibe el nanofluido desde un deposito con un caudal deseado, siendo suministrado el nanofluido al deposito desde la unidad de preparacion, el nanofluido intercambia calor con el hidrogeno a una velocidad superior, y sale a traves de una salida dispuesta en el intercambiador de calor.
Segun un segundo aspecto de la invencion, se proporciona un metodo para conseguir una mayor velocidad de enfriamiento de hidrogeno durante el enfriamiento por derivacion en un horno de recocido discontinuo de talleres de laminacion en fno, en donde el metodo comprende los pasos de llenar la unidad de preparacion con agua de calidad industrial mantenida en condiciones ambientes. En un primer dispositivo de medicion y control se miden las nanopartfculas, que incluyen los dispersantes, en un tamano de lote determinado en funcion del tipo de bobinas de acero a enfriar. El primer dispositivo controla los caudales, la presion y la temperatura del nanofluido producible que se va a suministrar al intercambiador de calor. En la unidad de preparacion se mezclan las nanopartfculas, que incluyen dispersantes, con el agua de calidad industrial en una relacion volumetrica preferible de 0,1%. Mediante el uso de una bomba se suministran al deposito, desde la unidad de preparacion, los nanofluidos preparados. Se aporta el hidrogeno gaseoso al intercambiador de calor a una temperatura de 400 a 600°C, y desde el deposito se aporta al intercambiador de calor el nanofluido a un caudal, temperatura y presion predeterminados. Se suministra hidrogeno gaseoso desde el intercambiador de calor al horno para enfriar las bobinas de acero calentadas, y se devuelve el hidrogeno al intercambiador de calor desde el horno. Se aportan los nanofluidos al intercambiador de calor que intercambia el calor con el hidrogeno; y el nanofluido sale del intercambiador de calor a traves de una primera salida. El hidrogeno enfriado sale del intercambiador de calor a traves de una segunda salida, habiendose enfriado el hidrogeno a una velocidad de 1 a 2°C/min.
Breve descripcion de los dibujos adjuntos
Figura 1: es una vista esquematica que muestra el principio de funcionamiento de la invencion.
Figura 2: muestra un diseno detallado de un proceso de recocido discontinuo de la Figura 1.
Figura 3: muestra una vista detallada del intercambiador de calor de la Figura 1.
Figura 4: muestra una vista detallada de una unidad de preparacion de nanorrefrigerante de la Figura 1.
Descripcion detallada de la invencion
La presente descripcion abarca los siguientes aspectos principales de la invencion:
(a) proceso de preparacion de nanorrefrigerante
(b) proceso en horno de recocido discontinuo
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(C) circuito propuesto para conseguir mayores velocidades de enfriamiento de hidrogeno.
Proceso de preparacion de nanorrefrigerante
Los nanorrefrigerantes son soluciones de base acuosa que tienen volumenes controlados de dispersiones estables de partfculas de oxido de tamano nanometrico. Son partfculas de tamano nanometrico comunmente utilizadas oxidos de aluminio, de cobre y de titanio que presentan mayores capacidades de transferencia de calor en comparacion con los oxidos a granel de aluminio, de cobre y de titanio.
Las partfculas de tamano nanometrico de las especies de oxidos de aluminio, de cobre y de titanio se preparan utilizando una mezcladora de alta velocidad como se describe en la solicitud de patente n.° EP-A-2396125, del mismo solicitante que la presente, de fecha 16.02.2009.
Proceso de recocido discontinuo
Es preciso recocer las bobinas de acero laminado en fno para conseguir las propiedades metalurgicas deseadas en terminos de resistencia y niveles de ductilidad. Para lograrlo, se apilan unas sobre otras estas bobinas de acero laminado en fno y se colocan en una camara de calentamiento. El proceso de calentamiento calienta las bobinas a una temperatura de 400~500°C. Al proceso de calentamiento le sigue un ciclo de enfriamiento. El ciclo de enfriamiento utiliza hidrogeno para extraer indirectamente el calor mediante el enfriamiento de una campana (3) de enfriamiento. La Figura 2 muestra la disposicion esquematica.
Durante el proceso de enfriamiento, entra hidrogeno en la campana (3) a traves de una entrada (4) para gas ambiente, absorbe el calor por conveccion desde la superficie de las bobinas (2) y sale de la campana (3) a traves de una salida (5) para gas caliente.
Para asegurar la eficacia del proceso de enfriamiento, es esencial enfriar el hidrogeno de manera que entre en la campana (3) a una temperatura cercana a la ambiente. Para ello se emplea un intercambiador (B) de calor para gas-lfquido comercialmente disponible. La Figura 1 muestra una vista general esquematica que expone el principio de la presente invencion. En un horno (c) de recocido discontinuo, se apilan bobinas (2) de acero laminado en fno y se calientan hasta una temperatura de 400 a 500°C.
Al proceso de calentamiento le sigue un ciclo de enfriamiento en un intercambiador (B) de calor que utiliza hidrogeno gaseoso. El horno (A) de recocido discontinuo, como se muestra en la Figura 2, comprende una base (1) para cargar las bobinas (2) de acero laminado en fno, una campana (4) de enfriamiento para permitir, a traves de una entrada (4) para gas ambiente, la entrada del hidrogeno gaseoso, que absorbe el calor por conveccion desde la superficie de las bobinas (2) y sale del horno (A) a traves de una salida (5) para gas caliente.
La Figura 3 muestra un detalle del intercambiador (B) de calor de la Figura 1. El intercambiador (B) de calor tiene una entrada (6) para que el nanofluido entre en el intercambiador (B) de calor desde una unidad (C) de preparacion de nanofluido. Despues del intercambio de calor, se permite que el nanofluido salga a traves de una salida (7) para nanorrefrigerante.
La Figura 4 muestra con detalle la unidad (C) de preparacion de nanofluido de la Figura 1. La unidad (C) comprende un dispositivo mezclador (8) en el cual se mezcla, en condiciones ambientes, agua de calidad industrial y nanopartfculas, que incluyen dispersantes, en una relacion volumetrica de 0,1%. Se utiliza una bomba para suministrar el nanofluido desde el dispositivo mezclador (8) a un deposito (10). Desde el deposito (10) se bombea el nanofluido al intercambiador (B) de calor por medio de una unidad bombeadora (9) a traves de una salida (7). La unidad (C) de preparacion de nanorrefrigerante comprende ademas un primer dispositivo (M1) de medicion y control para medir las nanopartfculas antes de mezclarlas con el agua de calidad industrial, y para controlar los caudales, la temperatura y la presion del nanorrefrigerante a suministrar al intercambiador (B) de calor; un segundo dispositivo (M2) de medicion y control para medir el nanorrefrigerante que sale del intercambiador (B) de calor, incluyendo sus caudales, temperatura y presion y un tercer dispositivo (M3) de medicion y control para medir las ppm y el nivel de pH del nanorrefrigerante en la unidad (C) de preparacion.
El proceso de funcionamiento es el siguiente:
(a) Se llena con agua de calidad industrial la mezcladora (8) de nanorrefrigerante hasta una capacidad de 1.000 litros.
(b) Se mantiene entre 20~30°C, es decir, en condiciones ambientes, la temperatura del agua de calidad industrial. No se realiza pretratamiento del agua de calidad industrial.
(c) Se miden nanopartfculas por medio de una unidad (M1) de medicion en tamanos de lote de 250 gramos, junto con dispersantes en tamanos de lote de 250 gramos.
(d) La cantidad se decide basandose en una norma de trabajo predeterminada, por ejemplo, de 1 gramo en 1 litro de agua de calidad industrial. Esto representa una relacion volumetrica de 0,1%.
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(e) Los tamanos de lote de las nanopartfculas pueden variar en funcion del tipo de bobina y del peso de las bobinas (2) de acero que se estan enfriando.
(f) La mezcla se realiza utilizando la mezcladora (8) por cizalladura a alta velocidad para nanorrefrigerante.
(g) La mezcla se completa en 1 a 2 minutos despues de haber anadido al sistema las nanopartfculas y dispersantes.
(h) Se utiliza una bomba (no mostrada) para llenar el deposito (10) de nanorrefrigerante. Este deposito (10) de nanorrefrigerante contiene ahora el nanofluido.
(i) Entra hidrogeno gaseoso al intercambiador (B) de calor a traves de la entrada (4) a una temperatura de 525~425°C con un caudal de 20~40 m3/h.
(j) Se hace salir nanofluido desde el deposito (10) por bombeo mediante una unidad (9) de bombeo de nanorrefrigerante, y se envfa al intercambiador (B) de calor a traves de la entrada (6) con un caudal de 20~40 m3/h.
(k) El nanofluido intercambia calor con el hidrogeno en el intercambiador (B) de calor.
(l) El hidrogeno enfriado sale del intercambiador (B) de calor a traves de la salida (5).
(m) El nanofluido sale del intercambiador (B) de calor a traves de una salida (7).
(n) El hidrogeno se enfna a una velocidad de 1,2~1,5°C/min., segun la presente invencion.
Esto significa que, utilizando el metodo y aparato de la invencion, se pueden conseguir mayores velocidades de enfriamiento de hidrogeno del orden de 1,2~1,5°C/min.
La eficacia del procedimiento de acuerdo con la presente invencion que utiliza el nanorrefrigerante representa una mejora de 5 a 30% en comparacion con el uso de agua a temperatura ambiente en el mismo circuito.
En el metodo segun la presente invencion, se prefiere que el nanorrefrigerante sea un nanorrefrigerante estable, determinandose la estabilidad por un penodo de no sedimentacion superior a 240 horas.
Segun el procedimiento, los caudales preferidos del nanorrefrigerante abarcan de 5 m3/h a 100 m3/h.
En el procedimiento de la presente invencion, se prefiere que el nanorrefrigerante se situe dentro de un intervalo de pH de 3 a 12. El intervalo de temperatura preferido es de 10 a 60°C.
Segun el metodo de la presente invencion, el hidrogeno gaseoso puede entrar en el intercambiador (B) de calor a una temperatura de 600° a 400°C, preferiblemente de 525° a 425°C. El hidrogeno gaseoso se enfna a una velocidad de 1,0-2,0°C/min., preferiblemente a una velocidad de 1,2-1,5°C/min., utilizando el nanofluido.

Claims (13)

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    REIVINDICACIONES
    1. Un aparato para conseguir mayores velocidades de enfriamiento de un gas durante el enfriamiento por derivacion en un horno de recocido discontinuo detalleres de laminacion en fno, que comprende:
    - una unidad (C) de preparacion de nanorrefrigerante para preparar un nanofluido y para suministrar el nanofluido a un deposito (10), en donde la unidad (C) de preparacion de nanorrefrigerante comprende un dispositivo mezclador (8) para mezclar agua de calidad industrial con nanopartfculas que incluyen dispersantes,
    - un horno (A) de recocido discontinuo que aloja las bobinas (2) de acero laminado en fno sobre una base (1), teniendo el horno (A) una campana (3) de enfriamiento, una entrada (4) para gas y una salida (5) para gas, en donde, durante el uso, entra en el horno (B) hidrogeno gaseoso desde el intercambiador (B) de calor a traves de la entrada (4) para gas y sale del intercambiador (B) de calor, a traves de la salida (5) para gas, hidrogeno enfriado, y
    - un intercambiador (B) de calor que tiene una entrada (6) y una salida (7) en donde, durante el uso, el intercambiador (B) de calor recibe el nanofluido desde el deposito (10) con un caudal, temperatura y presion deseados, y el nanofluido sale del intercambiador (B) de calor a traves de la salida (7).
  2. 2. El aparato segun la reivindicacion 1, que comprende una bomba para suministrar el nanofluido desde la unidad (C) de preparacion al deposito (10).
  3. 3. El aparato segun la reivindicacion 1 o 2, que comprende una unidad bombeadora (9) para suministrar el nanofluido desde el deposito (10) al intercambiador (B) de calor.
  4. 4. Un aparato segun la reivindicacion 1, en donde la unidad (C) de preparacion de nanorrefrigerante comprende una mezcladora (8) por cizalladura a alta velocidad para mezclar el agua de calidad industrial y las nanopartfculas.
  5. 5. Un aparato segun las reivindicaciones 1 a 4, en donde el intercambiador (B) de calor es un intercambiador de calor para gas-fluido del tipo de tubo y carcasa o de placas.
  6. 6. El aparato segun cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde la unidad (C) de preparacion comprende uno o mas dispositivos de medicion y control.
  7. 7. El aparato segun la reivindicacion 6, en donde la unidad (C) de preparacion comprende un primer dispositivo (M1) de medicion y control para medir nanopartfculas antes de mezclar con el agua de calidad industrial y para controlar los caudales, la presion y la temperatura del nanofluido suministrado al intercambiador (B) de calor; un segundo dispositivo (M2) de medicion y control para medir el nanofluido que sale del intercambiador (B) de calor, incluyendo caudales, temperatura y presion; y un tercer dispositivo (M3) de medicion y control para medir las ppm y el nivel de pH del nanofluido en la unidad (C) de preparacion.
  8. 8. Un metodo para conseguir una mayor velocidad de enfriamiento de hidrogeno durante el enfriamiento por derivacion en un horno de recocido discontinuo de talleres de laminacion en fno, comprendiendo el metodo los pasos de:
    - llenar la unidad de preparacion (C) de preparacion con agua de calidad industrial mantenida en condiciones ambientes;
    -medir en un primer dispositivo (M1) de medicion y control las nanopartfculas, que incluyen dispersantes, en un tamano de lote determinado en funcion del tipo de bobinas (2) de acero a enfriar, en donde el primer dispositivo (M1) controla los caudales, la presion y la temperatura del nanofluido producible que se va a suministrar al intercambiador (B) de calor;
    - mezclar en la unidad (C) de preparacion las nanopartfculas, que incluyen los dispersantes, con el agua de calidad industrial en una relacion volumetrica preferible de 0,1%;
    - suministrar los nanofluidos preparados desde la unidad (C) de preparacion al deposito (10) mediante el uso de una bomba;
    - aportar hidrogeno gaseoso al intercambiador (B) de calor a una temperatura calentada;
    - aportar el nanofluido con un caudal, temperatura y presion predeterminados desde el deposito (10) al intercambiador (B) de calor;
    - suministrar el hidrogeno gaseoso desde el intercambiador (B) de calor al horno (A) para enfriar las bobinas (2) de acero calentadas, siendo devuelto el hidrogeno al intercambiador (B) de calor desde el horno (A);
    - intercambiar calor, con el hidrogeno, el nanofluido aportado al intercambiador (B) de calor; y
    - salir, el nanofluido, del intercambiador (B) de calor a traves de una primera salida (7), saliendo del intercambiador (B) de calor, el hidrogeno enfriado, a traves de una segunda salida (5).
    6
  9. 9. Un metodo segun la reivindicacion 8, en donde el fluido esta basado en agua o en aceite.
  10. 10. Un metodo segun las reivindicaciones 8 o 9, en donde el fluido esta basado en agua o aceite con un nanorrefrigerante estable con capacidades de extraccion de calor superiores.
  11. 11. Un metodo segun la reivindicacion 8, en donde el gas calentado es hidrogeno en condiciones normales o a 5 presion.
  12. 12. Un metodo segun la reivindicacion 8, en donde el nanorrefrigerante contiene nanopartfculas en proporciones volumetricas de 0,01% a 5%.
  13. 13. Un metodo segun las reivindicaciones 8 u 11, en donde el nanorrefrigerante contiene dioxido de titanio (TO2) que tiene nanopartfculas de tamanos que vanan de 5 a 200 nanometros.
    10 14. Un metodo segun las reivindicaciones 8 a 13, en donde el nanorrefrigerante contiene un agente estabilizante, por
    ejemplo hexametafosfato de sodio en la misma proporcion volumetrica.
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