ES2969726T3

ES2969726T3 - Material compuesto resistente al desgaste y método de fabricación de un elemento refrigerante

Info

Publication number: ES2969726T3
Application number: ES17752614T
Authority: ES
Inventors: Maciej Urban Jastrzebski; John Andrew Ferguson Shaw; Ian Archibald Cameron; David Henry Rudge; Andriy Ponomar; Volodymyr Ponomar; Dustin Alexander Vickress
Original assignee: Hatch Ltd
Current assignee: Hatch Ltd
Priority date: 2016-02-18
Filing date: 2017-02-17
Publication date: 2024-05-22
Anticipated expiration: 2037-02-17
Also published as: ZA201805153B; BR112018016834A2; US10527352B2; KR20180113537A; EP3417225A1; RU2718027C2; EP3417225B1; CN108885061A; EP3417225A4; KR20200120759A; KR102545826B1; EP3417225C0; KR20180114055A; AU2017220495B2; PL3417225T3; AU2017220495A1; RU2018129973A; JP6646160B2; RU2018129973A3; BR112018016834B1

Abstract

Un material resistente a la abrasión para la cara de trabajo de un elemento de enfriamiento de un horno metalúrgico tal como un enfriador de duelas o un enfriador de tobera que tiene un cuerpo compuesto de un primer metal. El material resistente a la abrasión comprende un material macrocompuesto que incluye partículas resistentes a la abrasión que están dispuestas en una configuración diseñada sustancialmente repetitiva infiltrada con una matriz de un segundo metal, teniendo las partículas una dureza mayor que la del segundo metal. Un elemento de enfriamiento para un horno metalúrgico tiene un cuerpo compuesto del primer metal, teniendo el cuerpo una capa frontal que comprende el material resistente a la abrasión. Un método comprende: colocar la configuración diseñada de partículas resistentes a la abrasión en una cavidad del molde, ubicando la configuración diseñada en un área de la cavidad del molde para definir la capa de revestimiento; e introducir metal fundido en la cavidad, comprendiendo el metal fundido el primer metal del cuerpo del elemento de enfriamiento. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Material compuesto resistente al desgaste y método de fabricación de un elemento refrigerante

Referencia cruzada a solicitud relacionada

Esta solicitud reivindica la prioridad y el beneficio de la solicitud de patente provisional de los Estados Unidos N° 62/296,944 presentada el 18 de febrero de 2016.

Campo de la invención

La invención se refiere a un material resistente a la abrasión para uso en una cara de trabajo de elementos refrigerante de hornos metalúrgicos y a un método para fabricar un elemento refrigerante. Adicionalmente, realizaciones adicionales de la invención se refieren, en general, a elementos refrigerantes para hornos metalúrgicos, tales como enfriadores de duelas y enfriadores de toberas para altos hornos, y a elementos refrigerantes de este tipo que tienen una cara de trabajo provista de una capa de material compuesto que comprende partículas resistentes a la abrasión dispuestas en una matriz de metal térmicamente conductor.

Antecedentes de la invención

Los hornos metalúrgicos de diversos tipos se usan para producir metales. El proceso implica normalmente altas temperaturas, siendo el producto metal fundido y subproductos del proceso, generalmente escoria y gases. Las paredes del horno pueden estar revestidas con elementos refrigerantes, que están compuestos típicamente de cobre o hierro fundido y pueden incluir conductos de flujo interiores para la circulación de un refrigerante, típicamente agua. Por ejemplo, las paredes de los altos hornos están revestidas típicamente con elementos refrigerantes refrigerados por agua, tales como enfriadores de duelas y/o enfriadores de toberas.

Los enfriadores de duelas están sometidos al desgaste causado por el contacto con los materiales abrasivos calientes presentes en el interior del horno. Por ejemplo, en un alto horno, los enfriadores de duelas están en contacto con una carga de alimentación descendente que comprende coque, fundente de piedra caliza y mineral de hierro. La carga descendente está caliente, contiene partículas de diversos tamaños, pesos y formas, y su dureza es mayor que la dureza de los materiales usados típicamente para fabricar una duela. Por consiguiente, los enfriadores de duelas tienden a desgastarse, y los enfriadores de duelas desgastados generalmente se apagan, lo que significa que no se produce enfriamiento y la duela se deteriora por completo. Esto provoca que el blindaje del horno se sobrecaliente, lo que, a su vez, puede conducir a una rotura del blindaje.

Los enfriadores de toberas están sometidos a la erosión de las paredes interiores debido a los sólidos a base de carbono arrastrados por el gas; y a la abrasión y a la erosión de la pared exterior debido al contacto con los sólidos a base de carbono, no quemados, y gotas de metal fundido. Por consiguiente, los enfriadores de toberas son altamente susceptibles al desgaste, lo que conduce a fugas de agua. Los enfriadores de toberas desgastados se apagan y deben reemplazarse, ya que las toberas dañadas reducen la productividad del horno y distorsionan la simetría circunferencial de la inyección de aire caliente. Esto resulta en pérdidas de producción y en una mayor carga a través de otras toberas, lo que aumenta su probabilidad de fallo y puede resultar en pérdidas financieras debidas a la pérdida de producción.

Se han realizado intentos para mejorar las propiedades de desgaste de los enfriadores de duelas. Por ejemplo, se ha propuesto unir elementos resistentes al desgaste a la cara de trabajo de una duela de cobre mediante soldadura por fricción rotacional, o depositar un revestimiento resistente al desgaste sobre la cara de trabajo.

También se ha propuesto dispersar partículas endurecidas en todo el volumen del enfriador (p. ej., en el documento JP 2001-102715 A). Sin embargo, debido al coste relativamente alto de las partículas endurecidas, este enfoque puede no ser rentable, ya que coloca la mayoría de las partículas resistentes al desgaste en zonas del enfriador que no están sometidas a desgaste. Además, debido a que las partículas son pequeñas y están dispersas por todo el elemento refrigerante, es difícil evaluar de forma no destructiva si están presentes o no en la cara de trabajo en concentraciones suficientes.

T ambién se ha propuesto insertar materiales resistentes a la abrasión en la parte inferior de un molde antes de la fundición de un enfriador de duelas (documento WO 79/00431 A1). Los materiales propuestos incluyen áridos duros, tales como carburo de tungsteno cementado, o una malla de metal expandido de acero inoxidable. Sin embargo, la mera colocación del material resistente a la abrasión en la parte inferior del molde no garantiza que esté situado de manera fiable en la cara de trabajo del enfriador en concentraciones suficientes, haciendo difícil producir un elemento refrigerante con una resistencia a la abrasión consistente en toda su cara de trabajo. Si bien esto puede ser aceptable para los enfriadores de placas, que pueden reemplazarse fácilmente desde el exterior de un alto horno, no es aceptable para los enfriadores de duelas que no pueden reemplazarse sin un prolongado tiempo de inactividad.

El documento EP 1178274 A1 propone fundir placas de acero rígidas, resistentes al calor, que tienen grandes aberturas en la superficie lateral interior del horno de un metal base. Las placas pueden laminarse una encima de la otra, y las placas pueden situarse irregularmente a través del metal base. El documento JP H08104910 propone usar bolas de cerámica en la superficie de un metal de bastidor de duela. Las bolas se mantienen en su sitio mediante cables o tuberías. Existen espacios de aire entre las bolas en el interior de la misma tubería. Para las bolas mantenidas en su sitio con alambre atornillado a la duela (con las bolas roscadas en los alambres o sostenidas con gasa de alambre), existen grandes espacios de metal entre las bolas. El documento JP H05271730 propone bolas de cerámica o tubos en capas en el interior de un enfriador de duelas. El tamaño de las bolas/tubos se reduce con cada capa sucesiva desde una capa más cercana a una superficie hasta las tuberías. Los tubos alargados se extienden desde un lado de la duela hasta el otro lado. Las capas de material cerámico de tamaños diferentes se usan para controlar el gradiente térmico a través del cuerpo de la duela. Las bolas de cerámica o tubos de tamaño decreciente son preferibles para controlar el gradiente térmico. Cada bola cerámica/tubo debe estar separado uno de otro por grandes distancias para controlar de manera apropiada el gradiente térmico a través del cuerpo de la duela.

El documento WO 79/00431 A1 se refiere a una mejora de la resistencia a la abrasión durante el uso de los componentes enfriados, tales como enfriadores de toberas y de cuba y de etalaje, en hornos. En particular, un material refractario o un metal con mayor resistencia a la abrasión que el metal, que es normalmente cobre o una aleación de cobre, usado para el cuerpo principal del componente se introduce durante la fundición en las paredes fundidas de los componentes. El material añadido puede estar en forma de uno o más segmentos, una malla o una disposición aleatoria de partículas discretas y está situado en o justo debajo de la superficie en la punta del componente. Ejemplos de los materiales que pueden usarse son partículas de los denominados "metales duros" que comprenden carburos sinterizados duros, tales como carburo de tungsteno; mallas de acero inoxidable y elementos expandidos de espesor variable; y diversos materiales refractarios comprimidos capaces de resistir el choque térmico en una matriz de cobre.

El documento EP 2 733 451 A1 describe un elemento refrigerante con una placa refrigerante, a la que hay fijados componentes refractarios resistentes al fuego, y un retenedor con forma de ranura provisto en el interior del horno orientado hacia el lado caliente de la placa refrigerante. Al menos un componente refractario está realizado parcialmente en un material cerámico sin óxido, de alto rendimiento, preferiblemente nitruro de silicio recristalizado infiltrado con silicio. El documento JP H05271730 A describe un enfriador de duelas para un horno metalúrgico, tal como un alto horno que tiene una característica de aislamiento térmico y una función de liberación de tensión térmica y puede restringir la carga térmica en el cuerpo del horno.

Sigue existiendo la necesidad de elementos refrigerantes de horno con propiedades de desgaste mejoradas para mejorar la eficiencia del funcionamiento del horno y minimizar el tiempo de inactividad, al tiempo que se mantiene un bajo coste y la capacidad de fabricación de los elementos refrigerantes.

Sumario de la invención

El alcance de la presente invención se define en las reivindicaciones independientes 1 y 18, y realizaciones adicionales de la invención se especifican en las reivindicaciones dependientes 2-17 y 19.

Realizaciones ejemplares son evidentes a partir de las reivindicaciones dependientes y a partir de la siguiente descripción.

Breve descripción de los dibujos

A continuación, la presente invención se describirá, solo a modo de ejemplo, con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

La Figura 1 muestra la estructura de un alto horno;

la Figura 2 es una vista frontal en perspectiva de un enfriador de duelas según una primera realización;

las Figuras 2A-2H ilustran las diversas configuraciones de capa de revestimiento mostradas en la Figura 2, cada una de las Figuras 2A-2H incluye un primer plano de una zona rodeada por un círculo para mostrar mejor las formas de las partículas resistentes a la abrasión;

la Figura 3 es una vista frontal en perspectiva de un enfriador de duelas según una segunda realización;

la Figura 4 es una vista frontal en perspectiva de un enfriador de tobera;

las Figuras 5-1 a 5-8 ilustran partículas resistentes a la abrasión de diversas formas;

la Figura 6 es una vista explicativa que muestra un empaquetamiento de área cuadrada y un empaquetamiento de área hexagonal de partículas resistentes a la abrasión, esféricas, en el material compuesto; y

la Figura 7 ilustra una realización alternativa de una configuración de capa de revestimiento para el enfriador de duelas mostrado en la Figura 2, que incluye un primer plano de una zona rodeada por un círculo para mostrar mejor las formas de las partículas.

Descripción detallada

La Figura 1 es una vista explicativa que muestra un alto horno convencional. Un alto horno se construye en forma de una estructura alta con un blindaje 10 de acero que rodea un revestimiento interior compuesto de ladrillos refractarios y elementos refrigerantes.

El alto horno funciona según el principio de intercambio en contracorriente. Una carga de alimentación que comprende una columna 6 de coque, fundente de piedra caliza y mineral de hierro se carga desde la parte superior del horno, y se reduce mediante un gas caliente que fluye hacia arriba a través de la carga de alimentación porosa desde los enfriadores 1 de toberas situados en una parte inferior del horno. La carga de alimentación descendente se calienta previamente en la sección 5 de garganta, y, a continuación, avanza a través de dos zonas de reducción de oxígeno, concretamente, una zona de reducción de óxido férrico o "cuba" 4; y una zona de reducción de óxido ferroso o "vientre" 3. A continuación, la carga desciende a través de la zona de fusión o “etalaje” 2, en donde están situados los enfriadores 1 de toberas, hasta el crisol 9. A continuación, el metal fundido (arrabio) y la escoria se vacían desde las aberturas 8 y 7 perforadas.

La Figura 1 muestra una pluralidad de enfriadores 1 de toberas situados en la zona 2 de etalaje inferior del horno. Los enfriadores 1 de toberas están separados circunferencialmente y en estrecha proximidad entre sí, para formar un anillo, siendo la separación típicamente simétrica. Los enfriadores 1 de toberas funcionan como blindajes protectores para inyectores de aire caliente en el horno, prolongando de esta manera la vida operativa del alto horno mediante una inyección de combustible axisimétrica sostenida.

Los enfriadores de duelas están situados generalmente en el vientre 3, la cuba 4 y la garganta 5 del alto horno, uno al lado del otro, formando una superficie interior enfriada del horno. Los enfriadores de duelas funcionan como un medio de protección térmica para el blindaje 10 del horno al acumular carga, manteniendo de esta manera la integridad estructural de las paredes del horno y previniendo roturas. Generalmente, el enfriamiento implica un intercambio de calor por convección entre un fluido refrigerante (normalmente agua) que fluye en el interior de los conductos de refrigerante incluidos en el interior del cuerpo de la duela.

Un elemento refrigerante según una primera realización comprende un enfriador 12 de duelas que tiene una estructura general, tal como la mostrada en la Figura 2. El enfriador 12 de duelas comprende un cuerpo 14 compuesto por un primer metal, en donde el cuerpo 14 está provisto de una o más cavidades interiores que definen uno o más conductos 16 de flujo de refrigerante, interiores (véase el corte en la Fig. 2), en el que los conductos 16 de flujo se comunican con un sistema de circulación de refrigerante (no mostrado) situado fuera del horno a través de múltiples conductos 18 de refrigerante que tienen una longitud suficiente para extenderse a través del blindaje 10 del horno (Fig. 1).

El cuerpo 14 del enfriador 12 de duelas tiene al menos una superficie 20 a lo largo de la cual hay prevista una capa 22 de revestimiento. En la realización ilustrada en la Figura 2, la superficie 20 comprende la cara 24 de trabajo del enfriador 12, a la que se hace referencia también como la "cara caliente", que está dirigida hacia el interior del horno y está expuesta al contacto con la columna descendente de la carga 6 de alimentación (Fig. 1). La cara 24 de trabajo del enfriador 12 de duelas de la Figura 2 se muestra con una estructura corrugada, que está definida por una pluralidad de nervios 26 horizontales y una pluralidad de valles 28 horizontales, en una disposición alternante a lo largo de la cara 24 de trabajo. Esta estructura corrugada ayuda a mantener una capa protectora de carga de alimentación sobre la cara 24 de trabajo.

Aunque la Figura 2 muestra un elemento refrigerante en forma de un enfriador 12 de duelas para un alto horno, se apreciará que las realizaciones descritas en el presente documento son generalmente aplicables a elementos refrigerantes de diversas configuraciones, que están sometidos a desgaste por contacto con material en partículas abrasivo, duro, en el interior de un horno metalúrgico.

La Figura 3 ilustra la estructura general de un elemento refrigerante según una segunda realización, que comprende un enfriador 12’ de duelas, en el que se han utilizado números de referencia similares a los usados en conexión con la realización descrita anteriormente para identificar características similares, cuando sea apropiado.

El enfriador 12’ de duelas comprende un cuerpo 14 compuesto por un primer metal, en donde el cuerpo 14 está provisto de una o más cavidades interiores que definen uno o más conductos 16 de flujo de refrigerante, interiores (véase el corte en la Fig. 3), en el que los conductos 16 de flujo se comunican con un sistema de circulación de refrigerante (no mostrado) situado en el exterior del horno a través de una pluralidad de conductos 18 de refrigerante que tienen una longitud suficiente para extenderse a través del blindaje 10 del horno (Fig. 1).

El cuerpo 14 del enfriador 12’ de duelas tiene al menos una superficie 20 a lo largo de la cual hay prevista una capa 22 de revestimiento. En la realización ilustrada en la Figura 3, la superficie 20 comprende la cara 24 de trabajo del enfriador 12', a la que se hace referencia también como la "cara caliente", que está dirigida hacia el interior del horno y está expuesta al contacto con la columna descendente de la carga 6 de alimentación. En contraste con el enfriador 12 de duelas mostrado en la Figura 2, la cara 24 de trabajo del enfriador 12’ de duelas de la Figura 2 se muestra con una superficie nivelada, sustancialmente plana, con una altura o profundidad relativamente pequeña. Por lo tanto, en la presente realización, sustancialmente toda la cara 24 de trabajo del enfriador 12’ de duelas está expuesta al contacto con la columna descendente de la carga 6 de alimentación (Figura 1).

La Figura 4 ilustra la estructura general de un elemento refrigerante según una tercera realización, que comprende un enfriador 42 de tobera, en el que se han usado números de referencia similares a los usados en conexión con las realizaciones descritas anteriormente para identificar características similares, cuando sea apropiado.

El enfriador 42 de tobera puede comprender un cuerpo 44 que comprende un blindaje hueco en forma de un cono truncado que está abierto en ambos extremos. El cuerpo 44 comprende una pared 50 lateral que define la forma cónica truncada del cuerpo 44, teniendo la pared 50 lateral una superficie 51 exterior y una superficie 60 interior. Encerrados en el interior de la pared 50 lateral, entre las superficies 51,60 exterior e interior, hay uno o más conductos 46 de flujo de refrigerante interiores (véase el corte en la Fig. 4), en el que los conductos 46 de flujo se comunican con un sistema de circulación de refrigerante (no mostrado) situado en el exterior del horno a través de una pluralidad conductos 48 de refrigerante que tienen una longitud suficiente para extenderse a través del blindaje 10 del horno (Fig. 1).

Tal como se muestra en la Figura 4, hay prevista una capa 52 de revestimiento exterior sobre una parte de la superficie 51 exterior de la pared 50 lateral, en donde la capa 52 de revestimiento exterior está prevista sobre una primera cara 54 de trabajo del enfriador 42 de toberas. La primera cara 54 de trabajo está sobre la superficie exterior del enfriador 42 y está orientada hacia arriba. La aplicación de la capa 52 de revestimiento exterior sobre la primera cara 54 de trabajo tiene el propósito de reducir la abrasión por desgaste y la erosión en la parte orientada hacia arriba del enfriador 42, causados por el contacto con la carga de alimentación descendente en el horno, el contacto con sólidos a base de carbono, no quemados, y gotas de metal fundido.

La capa 52 de revestimiento exterior está prevista también sobre una superficie 58 de extremo orientada hacia en el interior del enfriador 42 de tobera, que define una segunda cara 59 de trabajo. La superficie 58 de extremo comprende una superficie de extremo anular de la pared 50 lateral que rodea la abertura central a través de la cual el enfriador 42 de toberas inyecta aire al interior del etalaje 2 (Figura 1) del horno. La superficie 58 de extremo está expuesta también al contacto con la carga de alimentación descendente, los sólidos a base de carbono, no quemados, y gotas de metal fundido.

La superficie 60 interior de la pared 50 lateral define una tercera cara 62 de trabajo del elemento 42 enfriador, sobre la cual hay prevista una capa 64 de revestimiento interior para reducir el desgaste a lo largo de la superficie 60 interior de la pared 50 lateral debido a los efectos abrasivos de las ráfagas de aire caliente que contienen sólidos abrasivos arrastrados, tales como sólidos a base de carbono.

Los cuerpos 14, 44 de los elementos 12, 12’, 42 refrigerantes comentados anteriormente están compuestos por un primer metal que tiene suficiente conductividad térmica y un punto de fusión lo suficientemente elevado como para permitir su uso en el interior de un horno metalúrgico. El primer metal puede comprender cualquier metal que se use convencionalmente en elementos refrigerantes de hornos metalúrgicos, incluyendo hierro fundido; acero, incluyendo acero inoxidable; cobre; y aleaciones de cobre, incluyendo aleaciones de cobre-níquel tales como aleaciones Monel™. El cuerpo 14, 44 puede formarse mediante fundición en un molde de fundición de arena, o en un molde de grafito permanente, y puede someterse a una o más operaciones de mecanización después de la fundición. Los conductos 16, 46 de flujo de refrigerante en el interior del cuerpo pueden formarse durante o después del moldeo.

La Tabla 1 siguiente compara la dureza del primer metal del elemento refrigerante con la dureza de diversos componentes de la carga de alimentación del horno. En la Tabla 1, puede observarse que la dureza de los componentes de la carga es generalmente mayor que la de los metales. Si se deja desprotegido en las caras 24, 54, 59 de trabajo del elemento 12, 12’, 42 refrigerante, el primer metal del cuerpo 14, 44 se desgastará en las caras 24, 54, 59, 62 de trabajo mediante al menos uno de los siguientes dos mecanismos: abrasión directa; y chorreado/erosión de partículas impulsadas por gas. La abrasión directa es causada por las partículas de carga de alimentación que se mueven hacia abajo, y específicamente por el contacto de fricción deslizante directo entre la carga y al menos una de las caras 24, 54, 59 de trabajo sobre la superficie exterior del elemento 12, 12’, 42 refrigerante. La erosión impulsada por gas es causada por el chorreado de partículas que son impulsadas por el gas que fluye hacia arriba desde las toberas 1. El gas, cuando pasa a través de un canal pequeño, alcanza una elevada velocidad y transporta pequeñas partículas de carga de alimentación que limpian las caras 24, 54, 59 de trabajo exteriores. Además, la tercera superficie 62 de trabajo (interior) del enfriador 42 de tobera es erosionada y desgastada por el gas a alta velocidad que fluye a través del interior hueco del enfriador 42 de tobera, que transporta pequeñas partículas abrasivas, tales como coque en chorro.

Tabla 1 - Valores de Dureza de Elementos de Carga de Alimentación frente al Primer Metal

En los enfriadores 12, 12’ de duelas descritos en el presente documento, el primer metal del cuerpo 14 está protegido por una capa 22 de revestimiento prevista a lo largo de al menos una superficie 20 del cuerpo 14, en donde la al menos una superficie 20 puede comprender parte o la totalidad de la cara 24 de trabajo del elemento 12, 12’ refrigerante. Por ejemplo, en algunas realizaciones, la al menos una superficie 20 puede estar limitada a las caras verticales de los nervios 26 horizontales que definen parcialmente la cara 24 de trabajo en el enfriador 12 de duelas mostrado en la Figura 2. En el enfriador 12’ de duelas mostrado en la Figura 3, la al menos una superficie 20 a lo largo de la cual está prevista la capa 22 de revestimiento puede comprender toda la cara 24 de trabajo del enfriador 12'.

En el enfriador 42 de tobera, la capa 52 de revestimiento exterior está prevista a lo largo de parte o la totalidad de las caras 54, 58 de trabajo primera y segunda que están situadas sobre la superficie exterior del cuerpo 44. La capa 64 de revestimiento interior está prevista a lo largo de al menos una parte de la superficie 60 interior de la pared 50 lateral, definiendo la tercera cara 62 de trabajo.

Las capas 22, 52, 64 de revestimiento están compuestas por un material compuesto, en donde el material compuesto comprende partículas resistentes a la abrasión dispuestas en una matriz de un segundo metal. Las partículas resistentes a la abrasión tienen una dureza que es mayor que la dureza del primer metal que comprende el cuerpo 14, 44 y, de manera conveniente, pueden tener una dureza de al menos aproximadamente 6,5 Mohs que, tal como puede observare en la Tabla 1, es igual a o mayor que la dureza máxima de los componentes de la carga de alimentación.

Por ejemplo, las partículas resistentes a la abrasión de la capa 22, 52, 64 de revestimiento pueden estar compuestas por uno o más materiales resistentes a la abrasión seleccionados de entre materiales cerámicos, incluyendo carburos, nitruros, boruros y/u óxidos. Ejemplos específicos de carburos que pueden incorporarse al material compuesto incluyen carburo de tungsteno, carburo de niobio, carburo de cromo y carburo de silicio. Ejemplos específicos de nitruros que pueden incorporarse al material compuesto incluyen nitruro de aluminio y nitruro de silicio. Ejemplos específicos de óxidos que pueden incorporarse al material compuesto incluyen óxido de aluminio y óxido de titanio. Ejemplos específicos de boruros que pueden incorporarse al material compuesto incluyen boruro de silicio.

Las partículas y los materiales resistentes a la abrasión enumerados anteriormente tienen una elevada tenacidad y una dureza superior a 6,5 Mohs. Por ejemplo, cada uno de los carburos enumerados anteriormente tiene una dureza de 8-9 Mohs. Las partículas y los materiales resistentes a la abrasión enumerados anteriormente son al menos tan duros como cualquier material que se encuentre comúnmente en un horno metalúrgico, incluyendo los componentes de la carga de alimentación en un alto horno. Además, al menos algunas de las partículas y materiales resistentes a la abrasión enumerados, tales como el carburo de tungsteno, tienen una conductividad térmica relativamente elevada, lo cual se describe más detalladamente más adelante.

El segundo metal que comprende la matriz de la capa 22, 52, 64 de revestimiento puede tener opcionalmente una composición idéntica a la del primer metal que comprende el cuerpo 14, 44 del elemento 12, 12’, 42 refrigerante. Por ejemplo, el segundo metal puede comprender hierro fundido; acero, incluyendo acero inoxidable; cobre; y aleaciones de cobre, incluyendo aleaciones de cobre-níquel tales como aleaciones Monel™.

En una realización, el segundo metal que comprende la matriz de la capa 22, 52, 64 de revestimiento comprende una aleación con alto contenido de cobre que tiene un contenido de cobre de no menos del 96 por ciento en peso. Los presentes inventores han encontrado que el cobre puro es un material de matriz adecuado debió a una serie de razones. Por ejemplo, las aleaciones con alto contenido de cobre tienen una elevada resistencia, lo que hace que el material compuesto sea resistente al estiramiento y al cizallamiento, y sea resistente a la deformación térmica. Además, las aleaciones con alto contenido de cobre son metalúrgicamente compatibles con muchos materiales, y el cobre es bien conocido. Finalmente, las aleaciones con alto contenido de cobre tienen excelentes propiedades de conductividad térmica a un coste razonable. Por lo tanto, cuando se tienen en cuenta el coste, la capacidad de fabricación, la resistencia y la conductividad térmica, los presentes inventores han encontrado que las aleaciones con alto contenido de cobre son un material de matriz eficaz.

A partir de la descripción anterior, puede verse que el material compuesto de la capa 22, 52, 64 de revestimiento está compuesto por dos componentes individuales (es decir, las partículas resistentes a la abrasión y el segundo metal) que tienen propiedades físicas y químicas significativamente diferentes. Cuando se combinan, estos componentes individuales proporcionan al material compuesto características diferentes de cada uno de los componentes y superiores a cualquier material individual adecuado para fabricar un elemento refrigerante para un horno metalúrgico. Por ejemplo, el material compuesto puede tener una tasa de desgaste abrasivo, determinada según la Norma ASTM G 65, de no más de 0,6 veces la del hierro fundido gris en condiciones idénticas. De manera ventajosa, la combinación de las propiedades que posee el material compuesto incluye una mayor resistencia al desgaste que la que se consigue con cualquier elemento refrigerante usado convencionalmente, incluyendo las duelas de hierro fundido, y una conductividad térmica más alta que la del hierro fundido.

El espesor de la capa 22, 52, 64 de revestimiento es variable, y puede ser de aproximadamente 3 mm a aproximadamente 50 mm, en donde el resto del cuerpo 14, 44 del elemento 12, 12’, 42 refrigerante está compuesto por el primer metal. Debido a que las partículas resistentes a la abrasión pueden ser varias veces más caras que el primer metal, es ventajoso confinar las partículas resistentes a la abrasión a la capa 22, 52, 64 de revestimiento, donde son necesarias. Adicionalmente, debido a que el material compuesto tiene una conductividad térmica más baja que el primer metal, el confinamiento del mismo a una fracción del espesor total del elemento 12, 52, 64 refrigerante minimizará el impacto del material compuesto sobre el rendimiento refrigerante del elemento 12, 52, 64 refrigerante.

Además de las composiciones de las partículas y del segundo metal, la conductividad térmica y la resistencia al desgaste globales del material compuesto dependerán de la interacción entre las partículas y la matriz, que depende de una serie de factores, descritos a continuación. Por consiguiente, el material compuesto de la capa 22, 52, 64 de revestimiento puede adaptarse de manera que tenga propiedades específicas adecuadas para una gama de aplicaciones.

En la presente invención, el material compuesto, tal como se describe en el presente documento, comprende un material macro-compuesto, en el que las partículas resistentes a la abrasión están dispuestas según una configuración de ingeniería, sustancialmente repetitiva, diseñada para producir una resistencia a la abrasión óptima, infiltrada con una matriz del segundo metal.

La configuración de ingeniería, sustancialmente repetitiva, del macro-compuesto puede tener un volumen unitario que se supone que tiene la forma de un cubo con una longitud “a” de la arista y un volumen a3. La longitud de la arista del cubo define el tamaño de la envolvente de la configuración de ingeniería repetitiva, y puede ser de aproximadamente 3 mm a aproximadamente 50 mm. La longitud “a” de la arista se define de manera que una única partícula resistente a la abrasión encaje en el interior del tamaño de la envoltura de la configuración de ingeniería repetitiva, independientemente de su forma y su orientación. Por lo tanto, el material macro-compuesto se define en el presente documento como incluyendo partículas resistentes a la abrasión que tienen un tamaño de aproximadamente 3 mm a aproximadamente 50 mm, por ejemplo, de aproximadamente 3 mm a aproximadamente 10 mm. En el caso de partículas esféricas o sustancialmente esféricas, el tamaño de las partículas está definido por el diámetro de la partícula. En el caso de todas las partículas, independientemente de su forma, el tamaño de partícula se define como la dimensión envolvente más pequeña de las partículas resistentes a la abrasión.

El tamaño relativamente grande de las partículas resistentes a la abrasión permite que las mismas sean detectadas por un equipo de ensayo ultrasónico convencional usado para el control de calidad de los elementos refrigerantes de cobre fundido, permitiendo de esta manera que los ensayos no destructivos evalúen la presencia de las partículas resistentes a la abrasión en concentraciones suficientes en la cara 24 de trabajo de los enfriadores 12, 12’ de duelas y las caras 54, 58, 62 de trabajo del enfriador 42 de tobera.

A continuación. se describen los factores que gobiernan la interacción entre las partículas resistentes a la abrasión y l

a matriz.

1. Factor de Empaquetamiento Volumétrico de Partículas Resistentes a la Abrasión en el Interior del Volumen Unitario del Material Macro-Compuesto

El factor de empaquetamiento volumétrico de las partículas resistentes a la abrasión en el interior del volumen unitario del macro-compuesto puede variarse a cualquier valor entre el 0 y el 100 %, y se define como la relación del volumen V de las partículas resistentes a la abrasión al volumen unitario a3:

Factor de empaquetamiento volumétrico = V/a .

Un mayor factor de empaquetamiento volumétrico de las partículas resistentes a la abrasión proporciona una mayor proporción de las partículas resistentes a la abrasión a la matriz. Se requiere un equilibrio volumétrico apropiado para una conductividad térmica suficiente y una resistencia al desgaste adecuada en el interior de la configuración de ingeniería de macro-compuesto sustancialmente repetitiva. En este sentido, una mayor proporción de las partículas resistentes a la abrasión en el interior del material macro-compuesto proporciona una resistencia potenciada al desgaste, ya que hay más material resistente a la abrasión disponible en la cara 24, 54, 58, 62 de trabajo y en toda la capa 22, 52, 64 de revestimiento para resistir la abrasión. Por el contrario, una mayor proporción de las partículas resistentes a la abrasión en el interior del material macro-compuesto reduce la conductividad térmica del material macro-compuesto, ya que las partículas resistentes a la abrasión son menos conductoras que el primer metal.

2. Factor de Empaquetamiento del Área de la Cara Frontal

El factor de empaquetamiento del área de la cara frontal de las partículas resistentes a la abrasión en el interior del volumen unitario a3 puede variarse a cualquier valor entre el 0 y el 100 % en un plano euclidiano, pero, en la práctica, estará comprendido en el intervalo de aproximadamente el 20-100 %. El factor de empaquetamiento del área de la cara frontal se define como la relación entre el área proyectada (A.P.) de las partículas resistentes a la abrasión y el área proyectada del volumen unitario:

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Factor de empaquetamiento de área = A.P./a

Un mayor factor de empaquetamiento de área de las partículas resistentes a la abrasión contribuye a una mayor resistencia al desgaste y a una menor conductividad térmica del material macro-compuesto. Por lo tanto, se requiere un factor de empaquetamiento de área apropiado para una conductividad térmica suficiente y una resistencia al desgaste adecuada en el interior del material macro-compuesto repetitivo.

3. Relación del Área de la Interfaz Entre las Partículas Resistentes a la Abrasión y la Matriz y el Volumen del Material Macro-Compuesto

El área de interfaz o área de superficie de contacto entre las partículas resistentes a la abrasión y el segundo metal de la matriz representa el área de unión entre las partículas resistentes a la abrasión y la matriz y se indica como A.S. Una mayor área de unión es beneficiosa, ya que hay más área para la conducción térmica entre las partículas resistentes a la abrasión y la matriz, y porque hay más área para formar uniones metalúrgicas fuertes para la retención de las partículas resistentes a la abrasión en el interior de la matriz. La relación entre la forma y el volumen de las partículas resistentes a la abrasión está gobernada por la relación superficie/volumen:

Relación área de superficie a volumen = A.S./a3

El valor de A.S. puede ser tan pequeño como 0 donde no hay contacto entre el árido y la matriz, y prácticamente no tiene límite superior donde hay una abundancia de área de contacto. La unión metalúrgica adecuada es responsable de la retención de las partículas resistentes a la abrasión y de una resistencia potenciada al desgaste, ya que se previene que las partículas resistentes a la abrasión se suelten. Los presentes inventores han encontrado que debería haber presente un área de superficie (A.S.) de interfaz mínima de 0,25 a2 y/o una relación de área de superficie a volumen (A.S./a3) mínima de 0,1 para un rendimiento adecuado del material macro-compuesto.

4. Presencia de Zarcillos de Cobre Continuos Rodeando las Partículas Resistentes a la Abrasión

En el interior del material macro-compuesto, la mayor parte de la transferencia de calor se realiza por conducción a través de la matriz metálica compuesta por dicho segundo metal. En la presente invención, la matriz metálica incluye zarcillos metálicos que rodean las partículas resistentes a la abrasión y que se extienden "en paralelo" hacia la cara 24, 54, 58, 62 de trabajo de la capa 22, 52, 64 de revestimiento. Estos zarcillos permiten un enfriamiento mejorado del material macrocompuesto, previniendo de esta manera la fusión y la desintegración resultante del material compuesto.

Para ilustrar el principio anterior, puede dibujarse una analogía con circuitos eléctricos y con resistores conectados en paralelo y en serie. Los resistores conectados en serie proporcionan una resistencia de corriente más alta que los conectados en paralelo. El calor se comporta de una manera análoga. De esta manera, en la presente invención, cada uno los zarcillos metálicos, que tienen una resistividad térmica relativamente baja, debería extenderse de manera continua hacia la cara 24, 54, 58, 62 de trabajo entre las partículas resistentes a la abrasión, que tienen una resistividad térmica relativamente elevada, y además debería extenderse de manera continua desde la cara 24, 54, 58, 62 de trabajo a través de todo el espesor de la capa 22, 52, 64 de revestimiento. Esto se asemeja a las resistencias conectadas en paralelo, en donde la resistencia total es globalmente menor. Por otra parte, si los zarcillos metálicos se extienden paralelos a la cara 24, 54, 58, 62 de trabajo, entre capas de partículas resistentes a la abrasión, la resistividad térmica total es aditiva, resultando de esta manera en una transferencia de calor relativamente baja.

5. Forma de las Partículas Resistentes a la Abrasión y su Orientación Espacial Relativa en el Interior del Material Macro-Compuesto

La forma de las partículas resistentes a la abrasión afecta a cada uno de los factores enumerados anteriormente. Adicionalmente, la forma y la orientación de las partículas resistentes a la abrasión influyen en las interacciones tribológicas entre la cara 24, 54, 58, 62 de trabajo y la superficie opuesta (es decir, la carga de alimentación), tal como se describe más adelante.

Un menor contacto entre la cara 24, 54, 58, 62 de trabajo y la superficie opuesta resulta en una menor fricción y, de esta manera, menos desgaste, rozamiento, excoriación y erosión en la cara 24, 54, 58, 62 de trabajo. El uso de partículas resistentes a la abrasión que tienen una forma esférica, cilíndrica, curva u otra forma deflectora produce resultados beneficiosos en este sentido. Cuando se optimizan la forma y la orientación de las partículas resistentes a la abrasión, la superficie opuesta se desvía de la cara 24, 54, 58, 62 de trabajo sin causar daños sustanciales a la misma. Esto reduce la probabilidad de abrasión y de erosión en la cara 24, 54, 58, 62 de trabajo.

Las partículas resistentes a la abrasión deberían anclarse de manera apropiada en el interior de la matriz para resistir las cargas de cizallamiento y de flexión inducidas por uno o más movimientos, tales como deslizamiento, rodadura, rotación, etc. Por lo tanto, se recomienda que cualquier partícula resistente a la abrasión situada en la cara de trabajo se extienda en el interior de la matriz al menos 0,25 de su longitud o diámetro total.

Cuando se consideran la selección de material y todos los factores indicados anteriormente, y se seleccionan los valores óptimos dependiendo del entorno de servicio, el material macro-compuesto, tal como se define en el presente documento, consigue valores favorables de las propiedades de resistencia al desgaste y de conductividad térmica. La resistencia al desgaste del macro-compuesto se mide mediante la tasa de desgaste usando el ensayo ASTM G65 estandarizado, y la conductividad térmica del compuesto se mide en la escala % IASC y en W/mK. El hierro fundido y el cobre son las dos opciones de material más usadas para el primer metal del cuerpo 14, 44 del elemento 12, 12’, 42 refrigerante. La Tabla 2 siguiente compara la conductividad térmica y la resistencia al desgaste de los enfriadores de duelas convencionales compuestos completamente de hierro fundido o cobre con uno fabricado usando el material macro-compuesto, tal como se describe en el presente documento, y con un cuerpo 14, 44 compuesto de cobre. La Tabla 2 demuestra claramente que un elemento 12, 12’, 42 refrigerante que tiene una capa 22, 52, 64 de revestimiento compuesta por el material macrocompuesto, tal como se define en el presente documento, tiene propiedades de conductividad térmica y de resistencia al desgaste superiores en comparación con los elementos refrigerantes construidos de manera convencional.

Tabla 2 - Tasas de Desgaste y Conductividad Térmica del Macro-Compuesto frente al Primer Metal

Para ilustrar los efectos de los factores indicados anteriormente sobre las propiedades del material macro-compuesto, se prepararon varias muestras de materiales macro-compuestos. La Tabla 3 y las Figuras 2, 2A a 2H, 5-1 a 5-8 y 7 ilustran estos ejemplos. Con propósitos ilustrativos, la Figura 2 muestra una serie de tipos diferentes de materiales macrocompuestos proporcionados sobre algunos de los nervios del enfriador 12 de duelas. Los nervios que tienen estos diversos materiales macro-compuestos están marcados como 26-1 a 26-8 en la Figura 2.

Las Figuras 2A a 2H ilustran más detalladamente las capas 22 de revestimiento de cada uno de los nervios 26-1 a 26-8. Cada una de las capas 22 de revestimiento mostradas en las Figuras 2A a 2H ilustran configuraciones de ingeniería de materiales macro-compuestos que tienen partículas 66 resistentes a la abrasión, de forma diferente, en donde las partículas 66 resistentes a la abrasión en cada uno de estos dibujos están dispuestas en una configuración de ingeniería, sustancialmente repetitiva. Se apreciará que la configuración de ingeniería, sustancialmente repetitiva, de las partículas 66 está infiltrada con una matriz 70 compuesta por el segundo metal. En aras de la claridad, la matriz 70 no se muestra en las Figuras 2A a 2H.

Cada una de las Figuras 5-1 a 5-8 ilustra el volumen unitario de uno de los materiales macro-compuestos mostrados en las Figuras 2 y 2A-2H, que ilustran también parte de la matriz 70 del segundo metal que forma los zarcillos 68, tal como se ha mencionado anteriormente. En cada una de las Figuras 5-1 a 5-8, la flecha 74 define la dirección primaria en la que los zarcillos 68 se extienden a través de la matriz 70 hasta la superficie 20 de la capa 22 de revestimiento, extendiéndose algunos zarcillos paralelos a la superficie 20, tal como se muestra en la Figura 5-8.

Ejemplo 1 - Partículas Esféricas Resistentes a la Abrasión

Tal como se muestra en las Figuras 2, 2A y 5-1, la esfera tiene una forma tribológica ventajosa ya que, esencialmente, tiene un único punto de contacto tangencial sin muescas ni ranuras. Por lo tanto, se espera que un elemento 12, 12’, 42 refrigerante provisto de una capa 22, 52, 64 de revestimiento compuesta por un material macro-compuesto que incorpora partículas 66 esféricas resistentes a la abrasión experimente una baja tasa de desgaste durante el uso, debido al menor contacto deslizante por fricción entre la carga de alimentación y la cara 24, 54, 58, 62 de trabajo del elemento 12, 12’, 42 refrigerante.

La Figura 5-1 ilustra un volumen 72 unitario de un material macro-compuesto que comprende una matriz 70 de cobre y partículas 66 esféricas resistentes a la abrasión que tienen un diámetro = a. El diámetro a define el tamaño de la envolvente de una celda unitaria compuesta, y tiene entre 3-50 mm de diámetro, por ejemplo, 3-10 mm. Un volumen 72 unitario de material macro-compuesto de este tamaño resulta en un material con las propiedades definidas en la Tabla 3. Como un ejemplo, la Figura 2 ilustra un elemento 12 refrigerante en el que la capa 22 de revestimiento mostrada en uno de los nervios 26 horizontales (marcado 26-1 en la Figura 2) comprende un material macro-compuesto que comprende la matriz 70 de cobre y partículas 66 esféricas resistentes a la abrasión de la Figura 5-1. La capa 22 de revestimiento puede comprender una única capa de partículas 66 esféricas resistentes a la abrasión empaquetadas en una disposición de empaquetamiento de área hexagonal, tal como se muestra en las Figuras 2A y 6. Se apreciará que las partículas 66 esféricas pueden empaquetarse, en cambio, en una disposición de empaquetamiento de área cuadrada, tal como se muestra en la Figura 6. Las capas 22, 52, 64 de revestimiento de los elementos 12’, 42 refrigerantes pueden tener la misma composición y estructura o una composición y una estructura similares.

Ejemplo 2 - Partículas Resistentes a la Abrasión con Forma de Varilla, Perpendiculares

Una varilla cilindrica orientada con su eje longitudinal perpendicular a la cara 24, 54, 58, 62 de trabajo tiene una forma ventajosa, ya que la varilla se comporta como una viga que resiste las cargas de cizallamiento debidas a la abrasión. Por lo tanto, se espera que un elemento 12, 12’, 42 refrigerante provisto de una capa 22, 52, 64 de revestimiento compuesta por un material macro-compuesto que incorpora partículas 66 resistentes a la abrasión con forma de varilla orientadas perpendicularmente a la superficie 20 experimente una baja tasa de desgaste durante el uso.

La Figura 5-2 ilustra un volumen 72 unitario de un material macro-compuesto que comprende una matriz 70 de cobre y partículas 66 resistentes a la abrasión, con forma de varilla, cilindricas, que tienen diámetro = a y longitud = a y orientadas perpendicularmente a la parte frontal del volumen 72 unitario que define la superficie 20 de la capa 22 de revestimiento, que forma parte de la cara 24, 54, 58, 62 de trabajo. La dimensión a define el tamaño de la envolvente de la celda unitaria compuesta y tiene un tamaño comprendido entre 3-50 mm, por ejemplo, 3-10 mm. Un volumen unitario de material macrocompuesto de este tamaño resulta en un material con las propiedades definidas en la Tabla 3. La Figura 2 ilustra un elemento 12 refrigerante en el que la capa 22 de revestimiento mostrada en uno de los nervios 26 horizontales (marcado 26-2 en la Figura 2) comprende un material macro-compuesto que comprende la matriz 70 de cobre y las partículas 66 resistentes a la abrasión, con forma de varilla, cilindricas, de la Figura 5-2. Las capas 22, 52, 64 de revestimiento de los elementos 12’, 42 refrigerantes pueden tener la misma composición y estructura o una composición y una estructura similares.

Ejemplo 3 - Partículas Resistentes a la Abrasión con Forma de Varilla, Paralelas

Una varilla cilindrica orientada con su eje longitudinal paralelo a la cara 24, 54, 58, 62 de trabajo tiene una forma tribológica ventajosa, ya que, durante la abrasión, toda la longitud de la varilla cilindrica se comporta como un deflector de la superficie opuesta (carga de alimentación). Por lo tanto, se espera que un elemento 12, 12’, 42 refrigerante provisto de una capa 22, 52, 64 de revestimiento compuesta por un material macro-compuesto que incorpora particulas 66 resistentes a la abrasión con forma de varilla orientadas paralelas a la superficie 20 experimente una baja tasa de desgaste durante el uso, debido al menor contacto deslizante por fricción entre la carga de alimentación y la cara 24, 54, 58, 62 de trabajo del elemento 12, 12’, 42 refrigerante.

La Figura 5-3 ilustra un volumen 72 unitario de un material macro-compuesto que comprende una matriz 70 de cobre y particulas 66 resistentes a la abrasión, con forma de varilla, cilindricas, que tienen un diámetro = a y una longitud = a, y orientadas paralelas a la parte frontal del volumen 72 unitario que define la superficie 20 de la capa 22 de revestimiento, que forma parte de la cara 24, 54, 58, 62 de trabajo. La dimensión a define el tamaño de la envolvente de la celda 72 unitaria compuesta, y tiene un tamaño comprendido entre 3-50 mm, por ejemplo, 3-10 mm. Un volumen 72 unitario de material macro-compuesto de este tamaño resulta en un material con las propiedades definidas en la Tabla 3. La Figura 2 ilustra un elemento 12 refrigerante en el que la capa 22 de revestimiento mostrada en uno de los nervios 26 horizontales (marcado 26-3 en la Figura 2) comprende un material macro-compuesto que comprende la matriz 70 de cobre y las particulas 66 resistentes a la abrasión, con forma de varilla, cilindricas, de la Figura 5-3. Las capas 22, 52, 64 de revestimiento de los elementos 12’, 42 refrigerantes pueden tener la misma composición y estructura o una composición y una estructura similares.

Ejemplo 4 - Partículas Resistentes a la Abrasión con Forma de Anillo, Perpendiculares

Un anillo cilindrico (es decir, un cilindro hueco) orientado con su eje longitudinal perpendicular a la cara 24, 54, 58, 62 de trabajo tiene una forma ventajosa, ya que el anillo se comporta como una viga que resiste las cargas de cizallamiento debidas a la abrasión. Por lo tanto, se espera que un elemento 12, 12’, 42 refrigerante provisto de una capa 22, 52, 64 de revestimiento compuesta por un material macro-compuesto que incorpora particulas 66 resistentes a la abrasión con forma de anillo orientadas perpendicularmente experimente una baja tasa de desgaste durante el uso. Al tener un diámetro interior, la forma de anillo resulta en la formación de zarcillos 68 adicionales de la matriz metálica y una humectación adicional (área de superficie de contacto) entre las particulas 66 resistentes a la abrasión y la matriz 70 metálica.

La Figura 5-4 ilustra un volumen 72 unitario de un material macro-compuesto que comprende una matriz 70 de cobre y particulas 66 resistentes a la abrasión, con forma de anillo, cilindricas, que tienen un diámetro = a y una longitud = a y orientadas perpendicularmente a la parte frontal del volumen 72 unitario que define la superficie 20 de la capa 22 de revestimiento, que forma parte de la cara 24, 54, 58, 62 de trabajo. La dimensión a define el tamaño de la envolvente de la celda 72 unitaria compuesta, y tiene un tamaño comprendido entre 3-50 mm, por ejemplo, 3-10 mm. Un volumen unitario de material macro-compuesto de este tamaño resulta en un material con las propiedades definidas en la Tabla 3. La Figura 2 ilustra un elemento 12 refrigerante en el que la capa 22 de revestimiento mostrada en uno de los nervios 26 horizontales (marcado 26-4 en la Figura 2) comprende un material macro-compuesto que comprende la matriz 70 de cobre y las particulas 66 resistentes a la abrasión, con forma de anillo, cilindricas, de la Figura 5-4. Las capas 22, 52, 64 de revestimiento de los elementos 12’, 42 refrigerantes pueden tener la misma composición y estructura o una composición y una estructura similares.

Ejemplo 5 - Partículas Resistentes a la Abrasión con Forma de Placa

Una placa, que consiste en una sola pieza o una pluralidad de piezas más pequeñas en estrecha proximidad entre sí, situada sobre la cara 24, 54, 58, 62 de trabajo de un elemento 12, 12’, 42 refrigerante tiene el beneficio de una protección total de la superficie, que limita un ataque abrasivo sobre el material de la matriz. Las piezas más pequeñas en estrecha proximidad entre sí alivian la fatiga térmica de la junta entre el árido y la matriz en los casos en que existe una gran diferencia en el coeficiente de expansión térmica. Por lo tanto, se espera que un elemento 12, 12’, 42 refrigerante provisto de una capa 22, 52, 64 de revestimiento compuesta por un material macro-compuesto que incorpora partículas 66 resistentes a la abrasión con forma de placa, experimente una baja tasa de desgaste durante el uso.

La Figura 5-5 ilustra un volumen 72 unitario de un material macro-compuesto que comprende una matriz 70 de cobre y partículas 66 resistentes a la abrasión con forma de placa con lados que tienen una longitud = a y orientados con sus caras situadas a lo largo de la parte frontal del volumen 72 unitario, que define la superficie 20 de la capa 22 de revestimiento, y que forma parte de la cara 24, 54, 58, 62 de trabajo. La dimensión a define el tamaño de la envolvente de la celda 72 unitaria compuesta, y tiene un tamaño comprendido entre 3-50 mm, por ejemplo, 3-10 mm. Un volumen 72 unitario de material macro-compuesto de este tamaño resulta en un material con las propiedades definidas en la Tabla 3. La Figura 2 ilustra un elemento 12 refrigerante en el que la capa 22 de revestimiento mostrada en uno de los nervios 26 horizontales (marcado 26-5 en la Figura 2) comprende un material macro-compuesto que comprende la matriz 70 de cobre y las partículas 66 resistentes a la abrasión con forma de placa de la Figura 5-5. Una o múltiples partículas 66 con forma de placa pueden estar previstas a lo largo de la cara 24 de trabajo. En la realización ilustrada, múltiples partículas 66 con forma de placa están previstas en el nervio 26-5 horizontal, en el que los espacios entre las partículas con forma de placa definen los zarcillos 68 de la matriz 70 metálica. Las capas 22, 52, 64 de revestimiento de los elementos 12’, 42 refrigerantes pueden tener la misma composición y estructura o una composición y una estructura similares.

Ejemplo 6 - Espuma Compuesta por Partículas Resistentes a la Abrasión

Una espuma, específicamente una espuma de celdas abiertas, situada sobre la cara 24, 54, 58, 62 de trabajo, tiene un beneficio de área de interfaz ilimitada, peso más ligero, unión fuerte, múltiples zarcillos y facilidad de ajuste de sus propiedades debido a la porosidad. Por lo tanto, un elemento 12, 12’, 42 refrigerante provisto de una capa 22, 52, 64 de revestimiento compuesta por un material macro-compuesto en forma de espuma 66 proporciona propiedades de desgaste ventajosas y facilidad de capacidad de ajuste de sus propiedades.

La Figura 5-6 ilustra un volumen 72 unitario de un material macro-compuesto que comprende una matriz 70 de cobre y partículas 66 resistentes a la abrasión, en forma de una espuma. La dimensión a define el tamaño de la envolvente de la celda unitaria compuesta y tiene un tamaño comprendido entre 3-50 mm, por ejemplo, 3-10 mm. Un volumen unitario de material macro-compuesto de este tamaño resulta en un material con las propiedades definidas en la Tabla 3. La Figura 2 ilustra un elemento 12 refrigerante en el que la capa 22 de revestimiento mostrada en uno de los nervios 26 horizontales (marcado 26-6 en la Figura 2) comprende un material macro-compuesto que comprende la matriz 70 de cobre y partículas 66 resistentes a la abrasión, en forma de una espuma, tal como en la Figura 5-6. Las capas 22, 52, 64 de revestimiento de los elementos 12’, 42 refrigerantes pueden tener la misma composición y estructura o una composición y una estructura similares.

Ejemplo 7 - Malla Compuesta por Partículas Resistentes a la Abrasión

Una malla situada en la cara 24, 54, 58, 62 de trabajo tiene un beneficio de gran área de interfaz, peso ligero y propiedades tribológicas variables debido al cambio de orientación de la malla. Por lo tanto, un elemento 12, 12’, 42 refrigerante provisto de una capa 22, 52, 64 de revestimiento compuesta por un material macro-compuesto en forma de una malla 66 proporciona propiedades de desgaste ventajosas.

La Figura 5-7 ilustra un volumen 72 unitario de un material macro-compuesto que comprende una matriz 70 de cobre y partículas 66 resistentes a la abrasión, en forma de una malla. La dimensión a define el tamaño de la envolvente de la celda 72 unitaria compuesta, y tiene un tamaño comprendido entre 3-50 mm, por ejemplo, 3-10 mm. Un volumen unitario de material macro-compuesto de este tamaño resulta en un material con las propiedades definidas en la Tabla 3. La Figura 2 ilustra un elemento 12 refrigerante en el que la capa 22 de revestimiento mostrada en uno de los nervios 26 horizontales (marcada 26-7 en la Figura 2) comprende un material macro-compuesto que comprende la matriz 70 de cobre y partículas 66 resistentes a la abrasión, en forma de una malla, tal como en la Figura 5-7. Las capas 22, 52, 64 de revestimiento de los elementos 12’, 42 refrigerantes pueden tener la misma composición y estructura o una composición y una estructura similares.

Ejemplo 8 - Partículas Resistentes a la Abrasión con Forma de Perlas, Paralelas

Una perla cilíndrica (varilla cilíndrica hueca) orientada con su eje longitudinal paralelo a la cara 24, 54, 58, 62 de trabajo tiene una forma tribológica ventajosa, ya que, durante la abrasión, toda la longitud de la perla cilíndrica se comporta como un deflector de la superficie opuesta (carga de alimentación). Por lo tanto, se espera que un elemento 12, 12’, 42 refrigerante provisto de una capa 22, 52, 64 de revestimiento compuesta por un material macro-compuesto que incorpora partículas 66 resistentes a la abrasión con forma de perla orientadas paralelas a la cara 24, 54, 58, 62 de trabajo experimente una baja tasa de desgaste durante el uso, debido al menor contacto deslizante por fricción entre la carga de alimentación y la cara 24, 54, 58, 62 de trabajo del elemento 12, 12’, 42 refrigerante. Al tener un diámetro interior, la forma de la perla resulta en la formación de zarcillos 68 adicionales de la matriz metálica y una humectación adicional (área de superficie de contacto) entre las partículas 66 resistentes a la abrasión y la matriz 70 metálica.

La Figura 5-8 ilustra un volumen 72 unitario de un material macro-compuesto que comprende una matriz 70 de cobre y partículas 66 resistentes a la abrasión, con forma de perla, cilindricas, que tienen un diámetro = a y una longitud = a, y orientadas paralelas a la parte frontal del volumen 72 unitario que define la superficie 20 de la capa 22 de revestimiento, y que forma parte de la cara 24, 54, 58, 62 de trabajo. La dimensión a define el tamaño de la envolvente de la celda 72 unitaria compuesta, y tiene un tamaño comprendido entre 3-50 mm, por ejemplo, 3-10 mm. Un volumen 72 unitario de material macro-compuesto de este tamaño resulta en un material con las propiedades definidas en la Tabla 3. La Figura 2 ilustra un elemento 12 refrigerante en el que la capa 22 de revestimiento mostrada en uno de los nervios 26 horizontales (marcada 26-8 en la Figura 2) comprende un material macro-compuesto que comprende la matriz 70 de cobre y las partículas 66 resistentes a la abrasión, con forma de perla, cilindricas, de la Figura 5-3. Las capas 22, 52, 64 de revestimiento de los elementos 12’, 42 refrigerantes pueden tener la misma composición y estructura o una composición y una estructura similares.

Tabla 3 - Ejemplos

Tal como se ha mencionado anteriormente, el espesor (o profundidad) de la capa 22, 52, 64 de revestimiento puede ser de aproximadamente 3 mm a aproximadamente 50 mm. Para proporcionar un espesor suficiente, la capa 22, 52, 64 de revestimiento puede comprender una o múltiples capas de las partículas resistentes a la abrasión en la capa 22, 52, 64 de revestimiento, apiladas una encima de la otra.

Según otro aspecto, se proporciona un método para producir de manera económica los elementos refrigerantes, tal como se describe en el presente documento, usando un molde negativo del elemento refrigerante, posicionando en la cavidad del molde una configuración de ingeniería de partículas resistentes a la abrasión e introduciendo metal fundido en la cavidad del molde.

El molde puede ser un molde de fundición de arena convencional o un molde de grafito permanente. El uso de un molde permanente es ventajoso, ya que permite la reutilización múltiple del molde y puede producir piezas fundidas con mejores tolerancias dimensionales. Estas características del molde permanente reducen los costes de fabricación del molde y los costes de mecanización, respectivamente, por lo tanto, reducen los costes de producción del elemento refrigerante.

El posicionamiento de las partículas resistentes a la abrasión en la configuración de ingeniería puede realizarse in situ o mediante el uso de conjuntos prefabricados de árido posicionado en el molde. Esto último es ventajoso porque permite una mejor fabricación y control de calidad, unión del metal con las partículas resistentes a la abrasión, conductividad térmica y disminución del tiempo de preparación de la fundición.

Aunque la Figura 2 muestra un elemento 12 refrigerante en forma de un enfriador de duelas para un alto horno que tiene una estructura corrugada con una pluralidad de nervios 26 horizontales uniformes y una pluralidad de valles 28 horizontales, se apreciará que las realizaciones que se han divulgado en el presente documento son generalmente aplicables a elementos 12 refrigerantes de diversas configuraciones, tamaños y formas, que están sometidos a desgaste por el contacto con material en partículas abrasivo duro en el interior de un horno metalúrgico. Por ejemplo, tal como se muestra en la Figura 3, la capa 22 de revestimiento/cara 24 de trabajo del enfriador 12’ de duelas tiene una superficie amplia y nivelada, pero poca altura o profundidad. De esta manera, toda la cara 24 de trabajo del enfriador 12’ de duelas está expuesta al contacto con la columna descendente de la carga 6 de alimentación (Fig. 1).

Aunque la Figura 4 muestra un elemento refrigerante en forma de un enfriador 42 de tobera para un alto horno que tiene una estructura cónica con una primera cara 54 de trabajo, se apreciará que las realizaciones que se han descrito en el presente documento son generalmente aplicables a los elementos 42 refrigerantes de diversas configuraciones, tamaños y formas, que están sometidos a desgaste por abrasión y erosión de las paredes interiores y exteriores del enfriador de toberas por el coque, u otro combustible que se haya inyectado a través del enfriador de toberas, y por la abrasión y erosión debida al contacto directo con la carga del horno que consiste en capas alternas de carga de mineral (sínteres, gránulos, trozos minerales) y coque.

La Figura 7 muestra una variante del material macro-compuesto que comprende la matriz 70 de cobre y las partículas 66 resistentes a la abrasión, con forma de varilla, cilindricas, que se extienden paralelas a la superficie 20 de la capa 22 de revestimiento, descrita anteriormente con referencia a las Figuras 2 (nervio 26-3), 2C y la Figura 5-3. En la realización de la Figura 7, las partículas 66 con forma de varilla son huecas y tienen conductos 76 interiores para el flujo de un refrigerante. Los extremos de las partículas 66 con forma de varilla forman un ángulo de 90 grados con respecto a la parte central, para envolverse alrededor de los bordes del enfriador 12 de duelas para conectarse a un colector de refrigerante y a los conductos 18 de refrigerante. Por lo tanto, esta realización proporciona refrigeración por agua a las caras de trabajo de los enfriadores.

La invención se ha descrito en conexión con ciertas realizaciones, no está limitada a las mismas. Sin embargo, el alcance de la presente invención se define en las reivindicaciones adjuntas.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un material resistente a la abrasión para su uso en una cara (24) de trabajo de elementos (12) refrigerantes de hornos metalúrgicos que comprende un cuerpo (14) compuesto por un primer metal, comprendiendo el material resistente a la abrasión un material macro-compuesto que comprende partículas (66) resistentes a la abrasión,

en donde el cuerpo (14) está provisto de una o más cavidades interiores que definen uno o más conductos (16) de flujo de refrigerante, interiores, en donde los conductos (16) de flujo se comunican con un sistema de circulación de refrigerante situado en el exterior del horno a través de una pluralidad de conductos (18) de refrigerante que tienen una longitud suficiente para extenderse a través del blindaje del horno;

en donde las partículas resistentes a la abrasión tienen una dureza mayor que la dureza de un segundo metal; en donde las partículas (66) resistentes a la abrasión están dispuestas en una configuración de ingeniería, sustancialmente repetitiva;

en donde la configuración de ingeniería, sustancialmente repetitiva, está infiltrada con una matriz que comprende el segundo metal;

en donde la matriz del segundo metal incluye zarcillos (68) metálicos que rodean las partículas (66) resistentes a la abrasión en una capa de área de la cara frontal, en donde los zarcillos (68) se extienden en paralelo hacia la cara (24) de trabajo;

en donde los zarcillos (68) metálicos se forman en los huecos entre las partículas resistentes a la abrasión; y en donde cada uno de los zarcillos (68) metálicos, que tienen una resistividad térmica relativamente baja, se extiende de manera continua hacia la cara (24) de trabajo entre las partículas (66) resistentes a la abrasión, que tienen una resistividad térmica relativamente elevada, y además se extienden de manera continua desde la cara de trabajo a través de todo el espesor de la capa de revestimiento, asemejándose a resistores conectados en paralelo, en donde la resistencia total es menor de manera global.

2. El material resistente a la abrasión según la reivindicación 1, en donde las partículas (66) resistentes a la abrasión están compuestas por uno o más materiales resistentes a la abrasión seleccionados de entre materiales cerámicos, incluyendo carburos, nitruros, boruros y/u óxidos, y la segunda matriz metálica está compuesta por un metal sustancialmente conductor térmico.

3. El material resistente a la abrasión según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 2, en donde las partículas (66) resistentes a la abrasión son esféricas y en donde la capa de revestimiento comprende una única capa de las partículas (66) resistentes a la abrasión empaquetadas en una disposición de empaquetamiento de área hexagonal.

4. El material resistente a la abrasión según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde las partículas (66) resistentes a la abrasión son cilíndricas, y las partículas (66) resistentes a la abrasión, cilíndricas, tienen un eje longitudinal dispuesto perpendicular o paralelo a la cara (24) frontal.

5. El material resistente a la abrasión según la reivindicación 4, en donde las partículas (66) resistentes a la abrasión son cilíndricas, y cada una de las partículas (66) resistentes a la abrasión, cilíndricas, tiene un interior hueco que está infiltrado por el segundo metal de la matriz.

6. El material resistente a la abrasión según la reivindicación 1 o 2, en donde el material macro-compuesto está compuesto por partículas (66) resistentes a la abrasión, con forma de placa, y una cara de cada una de las partículas (66) resistentes a la abrasión, con forma de placa, está situada a lo largo de la cara (24) de trabajo, que es la cara frontal.

7. El material resistente a la abrasión según la reivindicación 6, en donde el material macro-compuesto comprende múltiples partículas resistentes a la abrasión, con forma de placa, separadas por espacios, en donde los espacios entre las partículas con forma de placa definen los zarcillos (68) de la matriz metálica.

8. Un elemento (12) refrigerante para un horno metalúrgico,

en donde el elemento (12) refrigerante tiene un cuerpo (14) compuesto de un primer metal,

en donde el cuerpo tiene al menos una superficie a lo largo de la cual está prevista la capa (22) de revestimiento, en donde el cuerpo (14) está provisto de una o más cavidades interiores que definen uno o más conductos (16) de flujo de refrigerante, interiores, comunicando los conductos (16) de flujo con un sistema de circulación de refrigerante situado en el exterior del horno a través de múltiples conductos (18) de refrigerante que tienen una longitud suficiente para extenderse a través del blindaje del horno;

la capa (22) de revestimiento está compuesta por un material compuesto, en donde el material compuesto comprende partículas (66) resistentes a la abrasión dispuestas en una matriz de un segundo metal, teniendo las partículas resistentes a la abrasión una dureza mayor que una dureza del primer metal y mayor que una dureza del segundo metal;

en donde el material compuesto comprende un material macro-compuesto, en el que las partículas resistentes a la abrasión están dispuestas según una configuración de ingeniería, sustancialmente repetitiva, infiltrada con dicha matriz del segundo metal;

en donde la matriz del segundo metal incluye zarcillos (68) metálicos que rodean las partículas (66) resistentes a la abrasión en la capa (22) de revestimiento, en donde los zarcillos (68) se extienden en paralelo hacia la cara (24) de trabajo;

en donde los zarcillos metálicos están formados en los huecos entre las partículas resistentes a la abrasión; y

en donde cada uno de los zarcillos (68) metálicos, que tienen una resistividad térmica relativamente baja, se extiende de manera continua hacia la cara (24) de trabajo entre las partículas (66) resistentes a la abrasión, que tienen una resistividad térmica relativamente elevada, y además se extienden de manera continua desde la cara de trabajo a través de todo el espesor de la capa de revestimiento, asemejándose a resistencias conectadas en paralelo, donde la resistencia total es menor de manera global.

9. El elemento (12) refrigerante según la reivindicación 8, en donde las partículas (66) resistentes a la abrasión de la capa (22) de revestimiento están compuestas por uno o más materiales resistentes a la abrasión seleccionados de entre materiales cerámicos, incluyendo carburos, nitruros, boruros y/u óxidos.

10. El elemento (12) refrigerante según una cualquiera de las reivindicaciones 8 a 9, en donde el segundo metal es el mismo metal que el primer metal.

11. El elemento (12) refrigerante según una cualquiera de las reivindicaciones 8 a 10, en donde las partículas (66) resistentes a la abrasión tienen un tamaño de 3 mm a 10 mm, en donde el tamaño de partícula se define como la dimensión más pequeña de la envoltura de las partículas resistentes a la abrasión.

12. El elemento (12) refrigerante según una cualquiera de las reivindicaciones 8 a 11, en donde cualquiera de dichas partículas (66) resistentes a la abrasión situadas en la cara (24) de trabajo se extiende a la matriz en al menos 0,25 de su longitud o diámetro.

13. El elemento (12) refrigerante según una cualquiera de las reivindicaciones 8 a 12, en donde las partículas (66) resistentes a la abrasión son cilíndricas, en donde cada una de las partículas (66) resistentes a la abrasión tiene un eje longitudinal que es perpendicular a la cara (24) de trabajo.

14. El elemento (12) refrigerante según una cualquiera de las reivindicaciones 8 a 13, en donde las partículas (66) resistentes a la abrasión son cilíndricas, en donde cada una de las partículas (66) resistentes a la abrasión tiene un eje longitudinal que es paralelo a la cara (24) de trabajo.

15. El elemento (12) refrigerante según una cualquiera de las reivindicaciones 8 a 14, en donde las partículas (66) resistentes a la abrasión son cilíndricas, y cada una de las partículas (66) resistentes a la abrasión, cilíndricas, tiene un interior hueco que está infiltrado por el segundo metal de la matriz.

16. El elemento (12) refrigerante según una cualquiera de las reivindicaciones 8 a 15, en donde el material macrocompuesto está compuesto por partículas (66) resistentes a la abrasión, con forma de placa, en donde una cara de cada una de las partículas (66) resistentes a la abrasión, con forma de placa, está situada a lo largo de la cara (24) de trabajo.

17. El elemento (12) refrigerante según la reivindicación 16, en donde el material macro-compuesto comprende una pluralidad de dichas partículas (66) resistentes a la abrasión, con forma de placa, separadas por espacios, en donde los espacios entre las partículas con forma de placa definen los zarcillos (68) de la matriz metálica.

18. Un método para fabricar el elemento (12) refrigerante según una cualquiera de las reivindicaciones 8 a 17, comprendiendo el método:

(a) proporcionar una configuración de ingeniería de dichas partículas resistentes a la abrasión;

(b) posicionar la configuración de ingeniería de dichas partículas (66) resistentes a la abrasión en una cavidad de molde, con la configuración de ingeniería situada en un área de la cavidad de molde destinada a definir la capa de revestimiento del enfriador; y

(c) introducir un metal fundido en la cavidad del molde, en donde el metal fundido comprende el primer metal del cuerpo del elemento refrigerante y el segundo metal del material compuesto.

19. El método según la reivindicación 18, caracterizado por que las partículas (66) resistentes a la abrasión se proporcionan en la etapa (a) en forma de un conjunto pre-fabricado.