AJUSTE DE LA TRANSFERENCIA DE CALOR EN COQUILLA DE COLADA CONTINUA EN ESPECIAL EN LA REGION DEL MENISCO
CAMPO DE LA INVENCION La invención se refiere a una coquilla para colar continuamente metales fundidos, en especial acero, la cual presenta canales de enfriamiento como ranuras, rendijas o perforaciones de enfriamiento realizadas en las paredes de la coquilla adyacentes a las superficies que hacen contacto con el metal fundido . ANTECEDENTES DE LA INVENCION Una coquilla de colada continua, en especial una coquilla CSP (para producción de bandas compactas) con una construcción habitual en forma de coquilla - -para"-' -placas', " para" colar continuamente bloques o lingotes de acero, frecuentemente está conformada con paredes laterales que consisten de una pared de apoyo y una placa interna fijada a esa pared, la cual está en contacto con el metal fundido. Preferentemente en los lados adyacentes a la pared de apoyo de la"~ placa interna están provistos canales para medios de enfriamiento, los cuales pueden estar formados como ranuras abiertas hacia la pared de apoyo .
En las coquillas CPS de construcción actual, en la parte alta de la coquilla en especial por arriba y por abajo del nivel del metal, las proporciones de transferencia térmica varían entre los límites. Por ejemplo es menor la temperatura de la pared de la coquilla por encima del nivel del metal fundido. Sin embargo si la transferencia térmica en la zona y/o por encima del nivel del metal fundido se reduce, entonces aumenta la temperatura en la coquilla. Esto tiene las siguientes ventajas: gracias a que la coquilla se encuentra más caliente en la zona del nivel del metal fundido, el material en polvo se funde más rápido; la fundición más rápida del material en polvo aumenta el efecto lubricante entre cuerda y ¦ - coquilla, " con el " resultado de que se obtiene una mejor superficie de la cuerda; la mejor lubricación conduce a que por debajo del nivel del metal fundido se encuentre una menor superficie de la coquilla, con lo que se logra menores tensiones térmicas y menor tendencia a la formación de grietas, y como consecuencia de esto mayores tiempos de vida de la coquilla; las zonas más calientes de la coquilla por encima del nivel del metal fundido reducen las tensiones provocadas por la presión en las zonas que se encuentran por debajo. Esto reduce igualmente la formación de grietas y conduce a mayores tiempos de vida de la coquilla. Por medio de mediciones en las coquillas de colada continua o de cuerdas se sabe que la distribución de las densidades de las corrientes térmicas por debajo del nivel tienen un máximo de entre 20 y 80 mm, y a partir de allí se reducen tanto en la dirección de colada como en la dirección contraria, en la forma de una curva de campana. Asi la zona de la mayor densidad de corriente térmica es de aproximadamente 120 mm. El diagrama correspondiente a la distribución del metal fundido en la coquilla corresponde ~a ??" curvatura dé * una parábola horizontal con un tmax en la zona de la mayor densidad de corriente térmica. El documento DE 38 40 448 C2 describe una coquilla de colada continua, en especial una coquilla de placas, cuyas paredes están formadas por una pared de apoyo y una placa interna fijada a esta pared, la cual está en contacto con el metal fundido, y en los lados adyacentes a la pared de apoyo de la placa interna están provistos canales para medios de enfriamiento, los cuales pueden estar formados como ranuras abiertas hacia la pared de apoyo, cuyo ancho es menor y su profundidad es mayor que el ancho de las nervaduras que se encuentran entre las ranuras. La EP 0 551 311 Bl describe una coquilla de placa de ancho ajustable enfriada con líquidos, para colar continuamente cuerdas de acero en un formato de lingotes, en especial con un grosor menor a 100 mm. Con estos se forman placas de lados anchos y placas de lados angostos en dirección a su extensión transversal en el sentido de un aumento de la sección transversal de la cuerda, las placas de lados angostos están colocadas paralelas entre sí por encima de la parte alta de la coquilla, y las placas de lados angostos están conformadas cóncavas en la zona- del' · menor "ancho de los lingotes, de tal- forma-que la altura transversal del vértice de un arco formado por la pared de la coquilla frente a un rectángulo inscrito en el lado de entrada de la coquilla es de un máximo de 12 mm por 1000 mm del ancho de los lingotes y la forma de las placas de lado ancho a la salida de la cuerda de la coquilla corresponde al formato que produce una cuerda. Las placas laterales anchas están conformadas como una superficie plana en la zona de colocación de las placas laterales angostas y en los lados adyacentes a las secciones que conforman la estructura se han colocado canales en forma de ranuras. La EP 0 968 779 Al se refiere a la conformación del lado ancho de una coquilla para lingotes, con una placa de colada que presenta una superficie interior y una superficie exterior contraria, en la cual el lado ancho presenta zonas superiores e inferiores, y en la cual cuando menos la parte superior presenta una zona media y colocadas lateralmente de esta zona media, dos zonas laterales. En el documento se propone que la superficie interna de la placa de colada presente ranuras con cortes traseros para formar canales de enfriamiento, y que las ranuras estén cubiertas con cierre de forma por piezas- -de·" relleno" ~ las 'cuales se introducen eu _ loa . cortes posteriores. La patente norteamericana 5,207,266 se refiere a una coquilla de cobre enfriada con agua, que incluye una placa de cobre con un marco posterior fijado en ella formando canales de enfriamiento, siendo los diámetros de los canales principales en la región de los pernos de fijación mayores que aquellos de las otras regiones. La coquilla abarca la construcción de canales más grandes entre los canales de los lados derecho e izquierdo en la región de los pernos de fijación excluyendo las roscas de los pernos. Se proveen ramificaciones de los canales entre los canales principales y los canales más grandes, y cuando menos las ramificaciones de canales y zonas de los canales principales presentan una mayor superficie de agua que los canales principales y los canales más grandes . Para lograr una conformación más rápida y segura y en especial uniforme de una lingotera es muy importante un intensivo enfriamiento o eliminación del calor de la zona por debajo del menisco hasta la abertura de salida de la coquilla. Para esto se proporcionan las siguientes posibilidades a las coquillas: -" ajust de una velocidad del . agua de: enfriamiento- relativamente alta, reducción de la temperatura del agua de enfriamiento, aumento de las superficies de intercambio térmico en los canales de enfriamiento por medio de nervaduras de enfriamiento. Las variantes antes mencionadas se utilizan ampliamente en la práctica para la construcción de coquillas para instalaciones de colada continua.
Las placas de contacto de la coquilla, que por lo regular consiste de una aleación de cobre está en "contacto directo" con el metal liquido y solidificado. La placa de contacto también designada como placa de cobre es una parte de cierre y se fija a un elemento de soporte que consiste principalmente de acero. Este elemento de soporte también se conoce como cisterna. La propia coquilla sirve como cristalizador, esto es el que el acero liquido introducido absorbe tanta energía que se forma una lingotera en forma de cuerda portátil, la cual puede ser retirada continuamente de la coquilla. Formándose en el llamado menisco, una primera lingotera de cuerda con una altura igual al nivel de llenado de la coquilla. -El concepto mérí'isco"'se ' refiere a la antigua zona, de conformación de la lingotera de la cuerda en la cual se encuentran con la superficie de contacto de la coquilla, los aditivos de colada sólidos y fundidos así como el acero líquido y la lingotera de cuerda. Como aditivos de colada se utilizan polvos y aceites. Estos separan el metal y el cobre por medio de la lubricación y controlan la transferencia térmica local (figura 8) . El primer elemento volumétrico de la lingotera de cuerda formada en el menisco se mueve hacia la coquilla con una velocidad de salida. Debido a los gradientes de temperatura que se dan entre el acero liquido y el medio de enfriamiento se forma una corriente de energía local en dirección de los canales de enfriamiento. Su contenido de energía se elimina con el medio de enfriamiento, principalmente agua, que fluye en los canales de enfriamiento. El grosor de la estructura de cuerda aumenta correspondientemente . Los canales formados en la construcción de la coquilla pueden completamente introducirse dentro de la placa de cobre o también dentro del elemento que sirve de cisterna. También se conocen construcciones mixtas. Además se han realizado va riantes ' -en ". as" cual es las piezas de relleno entre: la cisterna y la placa de cobre están colocadas de tal manera que se forman canales de enfriamiento adecuados . Por razones relacionadas con las técnicas de producción, se utilizan ampliamente canales de enfriamiento con secciones transversales rectangulares o circulares. Las esquinas pueden estar provistas con partes redondeadas. Por medio de piezas de relleno también se obtienen formas de U, L y T formándolas contra la pared de contacto. La colocación tiplea de los canales de enfriamiento sigue individualmente o por grupos a la dirección de colada, esto es de arriba hacia abajo, y frecuentemente equidistante a la superficie de contacto y al metal. El objetivo de los trabajos es lograr un enfriamiento lo más homogéneo posible en todas las superficies de contacto de la coquilla, lo cual frecuentemente solo se logra en las zonas de fijación. Frecuentemente se combinan entre si canales de enfriamiento conformados con diferentes superficies transversales y/o formas geométricas, con el fin de optimizar la uniformidad del efecto de enfriamiento a todo lo ancho de la colada (figura 10) . Todas estas formas construcción .tienen - la propiedad común de que la geometría longitudinal de una ranura de enfriamiento permanece constante en forma y superficie transversal. Ésta modalidad prevé que las superficies de canal de enfriamiento que se utilizan para el enfriamiento permanezcan sin cambios a lo largo de toda la longitud del canal. A través del balance cuantitativo a lo largo de un caudal de corriente previsto puede derivarse además que la velocidad de corriente permanezca constante en toda la longitud del canal de enfriamiento. A este respecto existe principalmente una conformación especial de perforaciones en el canal de enfriamiento que pueden realizarse de arriba hacia abajo sobre una barra central de desplazamiento. Ya que la longitud de la barra de desplazamiento por lo regular es más corta que la propia longitud de la perforación, se presenta en el canal de enfriamiento un estrechamiento en la sección transversal lo que produce una aceleración del medio de enfriamiento en esta zona de paso. Entonces en la zona de sección transversal estrecha fluye el medio de enfriamiento más rápido lo que correspondientemente aumenta el efecto de enfriamiento. Sin embargo la superficie de enfriamiento efectiva del canal de enfriamiento no es afectada por ésta medida. Las modalidades constructivas hasta ahora habituales de los canales de enfriamiento tenían como objetivo un efecto de enfriamiento lo más homogéneo posible, sin que se tomaran en consideración la distribución de cargas térmicas no homogéneas sobre la placa de coquilla. Debido a la necesaria consideración polidimensional, debe hacerse la diferencia entre dos no homogeneidades en la distribución de carga térmica: no homogeneidad paralela a la dirección de colada, no homogeneidad perpendicular a la dirección de colada . En el caso de la dirección de colada la transferencia de calor del acero liquido al medio de enfriamiento en el canal de enfriamiento puede considerarse simplemente como una conducción de calor unidimensional a través de varias capas. En la ecuación del balance de energía deben considerarse: 1. La transferencia de calor desde el acero líquido a la cuerda que se está formando
2. Conducción de calor a través de la cuerda
3. Conducción de calor a través de la capa media de lubricación 4. Conducción de calor a través de la placa ~~ ~~ ~ """dé "cobre - - 5. Transferencia de calor al medio de enfriamiento En el caso estacionario no tienen que considerarse las fuentes térmicas. En términos de la conducción de calor a través de la cuerda existe una causa de la distribución de calor no uniforme a través de la longitud de la coquilla ya que en el nivel de colada primero se forma la estructura de la cuerda y luego esta sigue creciendo en la dirección de colada. La transferencia de calor se evita asi al aumentar el grosor de la estructura de la cuerda. Si se fijan constantes todos los parámetros, entonces puede esperarse que la corriente térmica tenga su valor más alto en el nivel de colada y se reduzca continuamente en dirección de colada. Por medio de la integración a través de la longitud completa del canal de enfriamiento puede obtenerse una corriente térmica media. Debido a la polidimensionalidad de la conducción de calor, y ya que por encima del nivel de colada no existe contribución de calor, se rectifica el avance teóricamente agudo de la densidad de corriente térmica y se desplaza la posición del máximo en la dirección de colada (figura 9) . •x - —~"~ "Las"' ""'mediciones de las ..densidades -decorriente térmica locales realizadas durante el f ncionamiento demuestran que en comparación con la corriente térmica media, los valores locales en la zona del nivel de colada son mayores en un factor de aproximadamente 1.5 a 3, por el contrario los valores en la salida de la coquilla pueden ser menores en un factor de aproximadamente 0.3 a 0.6. La posición del máximo, dependiendo de la instalación y de los parámetros del proceso, se encuentra 20 a 70 mm por encima del la posición actual del nivel colada. Los valores absolutos de las densidades de corriente térmica medias dependen por una parte del polvo de colada pero también de la velocidad de colada. Asi en la literatura se mencionan densidades de corriente de aproximadamente 1.0 W/m2 a 0.9 m/min, 2.0 M /ra2 a 3.0 m/min y 3.0 MW/m2 a 5.5 m/min de velocidad de colada. A través de los factores antes mencionados pueden por lo menos apreciarse las densidades de corriente térmica locales. La distribución no uniforme de la densidad de corriente térmica en la dirección de colada conduce a que el desgaste térmico principal de la placa de coquilla casi sin excepciones tenga lugar en la zona del nivel de colada. Esto se evidencia con estrias-, ~~ " "grietas, deformaciones. y ·_ hasta desprendimientos de eventuales capas aplicadas previamente . También a lo ancho se nota la carga sobre la placa de coquilla. Las faltas de homogeneidad son resultado principalmente del campo de corriente de acero liquido que- se forma en la coquilla. Los procedimientos están estrechamente asociados a la conformación geométrica del material de inmersión precursor del acero, de la geometría de las superficies de contacto y de otras magnitudes del proceso. Los procedimientos estacionarios y instancionarios en la formación del nivel de colada producen que el menisco tenga una conformación particularmente no homogénea que principalmente es especifica de la instalación. A una conformación no homogénea del menisco está asociada también una distribución térmica no homogénea, de tal forma que los daños principales no se forman de manera uniforme a todo lo ancho de la coquilla, sino que se concentran en ciertas posiciones. SUMARIO DE LA INVENCION A partir del estado de la técnica anterior la tarea de la invención es la de ajusfar la transferencia de calor que produce el efecto de -enfriamiento de 'los canales de^ enfriamiento por medio de una conformación geométrica especial de las zonas de las superficies que transfieren calor en un canal de enfriamiento o en un grupo de canales de enfriamiento, a la densidad de corriente térmica local de las superficies de la coquilla que están en contacto con el metal fundido. La solución de la tarea se alcanza de acuerdo con la invención por medio de las características de la reivindicación 1.
De acuerdo con la invención en las reivindicaciones dependientes se indican otras influencias sobre la transferencia de calor y del efecto de enfriamiento de uno o varios canales de enfriamiento. Asi, para influir sobre el efecto de enfriamiento local de un canal puede variarse localmente su forma, superficie transversal, perímetro, características de las superficies limites, orientación y colocación en relación a la superficie de contacto. Además por ejemplo pueden agrandarse o reducirse las superficies de intercambio térmico efectivas en la zona del canal o en las paredes laterales . Por ejemplo por medio de la formación de ¦grietaos- en 'las superficies de la .base -y laterales de los canales de enfriamiento, aumentan la superficie de estos de manera esencial casi hasta el doble, lo que conduce a una mayor densidad de corriente térmica con un efecto de enfriamiento considerablemente más intenso a la misma velocidad de flujo del medio de enfriamiento, con la importante ventaja de que las temperaturas de la coquilla se reducen considerablemente, de tal forma que además del bajo desgaste del material de la coquilla también se puede reducir la presión del agua de enf iamiento. Cálculos comparativos de la temperatura han dado por ejemplo los siguientes valores: superficie plana de intercambio térmico debido a las ranuras de enfriamiento (en grados Centígrados) temperatura a la curva: 507° temperatura al agua: 173° superficie agrandada de acuerdo con la invención: temperatura a la curva: 462° temperatura al agua: 131°
- diferencia -45° diferencia -42°
Los números demuestran claramente el efecto positivo de la medida de acuerdo con la invención. Un aumento artificial de las superficies del canal de enfriamiento también puede realizarse en las coquillas CSP perforadas preferentemente en la zona del menisco con la ayuda de un torno. ¦ ""'"Otras modalidades de la. invención se -proveen en las reivindicaciones dependientes. Aquí no se realiza el agrandamiento artificial de la superficie del canal de enfriamiento por encima del nivel del material fundido, porque en esa zona de la de la coquilla debe reducirse considerablemente la transferencia térmica para apoyar la fundición del polvo de colada. La reducción de la transferencia térmica por encima del nivel del material fundido se logra por medio de: el uso de manguitos en las perforaciones de enfriamiento por encima del nivel del metal fundido, recubrimiento de las perforaciones por encima del nivel del metal fundido, introducción de cargas de material poco transmisor de calor por encima del nivel del baño. Simultáneamente se reducen las tensiones en la coquilla por medio de una zona más caliente de la coquilla por encima del nivel del metal fundido y asi se reduce la formación de grietas en la cuerda con un aumento simultáneo de la disponibilidad de la coquilla . Aqui se ha contemplado como medida especialmente ventajosa el . que : se-'—^realice la eliminación de calor de las zonas de los canales de enfriamiento que transfieren calor por medio de un ajuste de la distribución de corriente térmica que varié a lo largo de la altura de la coquilla. Para esto se compensan aún más los cambios de temperatura a lo largo de la altura de la coquilla y se evitan tensiones materiales considerables en la estructura de cuerda que se está formando y la formación de grietas en ella.
BREVE DESCRIPCION DE LAS FIGURAS La invención se describirá detalladamente con la ayuda de ejemplos de realización: La figura 1 muestra una sección de una pared de la coquilla en un corte agrandado perpendicular a la dirección longitudinal de la pared, La figura 2 muestra otra pieza de la pared de la coquilla de acuerdo con la figura 1, igualmente en corte, La figura 3 muestra perforaciones en el canal de enfriamiento con estrías en sus superficies interiores , Las figuras 4 y 5 muestran partes comparables de superficies intercambiadoras térmicas sin y con una superficie inferior agrandada, —¦-¦ La figura 6" muestra el . cambio de la- densidad' de corriente térmica q a lo largo de la altura H de la coquilla por debajo del nivel del metal fundido, La figura 7 muestra un diagrama de la profundidad de las estrías R a lo largo de la altura de la coquilla con el correspondiente comportamiento de la curva de temperatura T igualmente por debajo del nivel del nivel del metal fundido, con Tmax por encima y por debajo de la zona del menisco. La figura 8 muestra un corte de una pieza de una pared de coquilla con canales de enfriamiento y una corriente térmica correspondiente, La figura 9 muestra diagramas comparativos entre si, que indican la densidad de corriente térmica o temperatura medio o global, La figura 10 muestra partes de los canales de enfriamiento que forman fondos de superficies intercambiadoras de calor comparables, La figura 11 muestra otras modalidades de los fondos de las superficies intercambiadoras de calor, La figura 12 muestra una distribución ajustada a la altura de la coquilla de la distribución de densidades de corrientes térmica con qmax por debajo del nivel del metal fundido. ¦-DESCRIPCION "DE LA INVENCIO . .. . La figura 1 muestra un corte 10 agrandado del lado 2 adyacente al metal fundido de una pared de coquilla, que tiene una ranura de enfriamiento 1. en forma de hendidura. La cual presenta un ancho B y una profundidad T. La zona del fondo de la ranura de enfriamiento 1 está conformada de acuerdo con la invención con un perfil estriado 3, cuya superficie casi es el doble de la conformación plana por ejemplo de acuerdo con la figura 4.
Asi puede realizarse la eliminación de calor de las zonas superficiales de transferencia térmica de las ranuras, hendiduras o perforaciones de enfriamiento por medio de un ajuste de la distribución de densidad de corriente térmica, que varié a lo largo de la altura de la coquilla, como se representa por ejemplo en la figura 6. Para este fin se ha propuesto que para variar la intensidad de la transferencia de calor, las estrias 3 presenten una profundidad variable 4 por ejemplo entre 1 y 4 mm y un ángulo de abertura entre 30° y 60°, como se muestra en la figura 7. Las estrias 3 pueden estar conformadas con un ángulo de abertura de aproximadamente 60° y una altura de hasta 4 mm con una separación "A" simulando el perfil de una" rosca'.' '"Naturalmente pueden., utilizarse-- estrías ¦ con otras formas como por onduladas, trapezoidales, dentadas o similares, que conduzcan a la ampliación de la superficie que se va a enfriar. La figura 10 muestra una sección 10 de una pared de coquilla, que abarca una pieza de una pared de apoyo 5 con una pieza de la placa interna 6, las cuales están unidas estrechamente entre sí, en especial que están atornilladas entre sí. La placa interna 6 es atravesada por canales de enfriamiento 7, que están formados por ranuras abiertas hacia la pared de apoyo 5 y cerradas por la pared de apoyo 5. De acuerdo con la invención el fondo de las ranuras está provisto con superficies intercambiadoras de calor 3 atravesadas por estrias, que tienen como consecuencia una densidad de corriente térmica elevada de manera artificial. La figura 3 muestra una pieza 10 cualquiera de una pared de coquilla con perforaciones 8 al canal de enfriamiento con paredes internas 9 conformadas en forma de canaletas o estrias 3. Las figuras 4 y 5 muestran con la ayuda de partes marcadas de los canales para medios de enfriamiento 7, 7' que con .los fondos de intercambiadores de calor comparables 11 o 12 forman una' "configuración plana 11 y ·. una _· estriada 12,~ mostrando también los correspondientes valores de temperatura. Estas muestran que la temperatura de la modalidad con fondos estriados 12 presenta una clara reducción bajo condiciones de tensión idénticas a los parámetros de procesos comparables. La figura 6 muestra una distribución de la densidad de corriente térmica ajustada de acuerdo con la invención, a la altura de la coquilla con qmax en una zona limitada por debajo del nivel del metal fundido (baño) . Correspondientemente la curva de temperatura T en la figura 7 muestra un máximo de temperatura Tmax dentro de la zona 13 a 17 de las estrias del intercambiador de calor con profundidad R encontrándose la Rmax entre los puntos 14 y 15. Las estrias del intercambiador de calor (3) empiezan a una altura 13 del nivel del metal fundido. En 14 se alcanza la profundidad máxima de las estrias (4) . Esta profundidad máxima de las estrias se extiende hasta 15 y se reduce desde un punto mayor a 16 hasta el nivel original. La figura 8 muestra un corte de una pared lateral ancha de una coquilla, que abarca una placa de apoyo 20 con una placa de contacto 28 que está fijada a la primera, una capa de aditivo de colada_ y un canal para medio de enfriamiento 7 indicado, asi como una estructura de cuerda 19 que se está formando en la dirección de colada y la correspondiente corriente térmica . La figura 9 representa un complemento de las figuras 6 y 7, mostrando en los diagramas el comportamiento de la densidad de corriente térmica/temperatura locales en comparación con la superficie del canal de enfriamiento que transfiere calor dependiendo de la posición del menisco.
Las figuras 10 y 11 muestras diferentes posibilidades de conformación de las ranuras de enfriamiento y en especial de su región inferior o fondo . En correspondencia, a estas conformaciones de los canales de enfriamiento, la figura 12 muestra en forma de taba: las superficies transversales del canal las superficies efectivas de la pared del canal de enfriamiento su distancia a la superficie de contacto el efecto de enfriamiento efectivo obtenido de esta forma . siendo todos los valores, valores relativas y solo deben considerarse como ejemplos. - - LISTA DE REFERENCIA - .- - ¦. ,*¦ ¦ — 1 Ranura de enfriamiento 2 Lado adyacente 3 Estrias 4 Profundidad 5 Pared de apoyo 6 Placa interna 7 Canal para el medio de enfriamiento 8 Perforación para el medio de enfriamiento 9 Parte de la pared 10 Sección 11 Inicio de las estrias del intercambaidor de calor a la altura del nivel del metal fundido 12 Profundidad máxima de las estrias 13 Extremo de la profundidad máxima de las estrias 14 Extremo de la reducción de la profundidad de las estrias 15-17 Profundidad constante de las estrias 18 Placa de contacto, superficie de contacto
19 Estructura de cuerda 20 Placa de apoyo