ES2202328T3 - Dispositivo para la fusion electrica. - Google Patents

Abstract

LA INVENCION SE REFIERE A LAS TECNICAS Y MAS PARTICULARMENTE AQUELLAS EN LAS QUE LA ENERGIA SE DISIPA POR EFECTO JOULE EN LA MASA FUNDIDA A PARTIR DE ELECTRODOS INMERSOS. LA INVENCION PROPONE UN SOPORTE (8) DE TAL ELECTRODO (1), QUE COMPRENDE UN SISTEMA DE TRAIDA DE CORRIENTE Y UN DISPOSITIVO DE ENFRIAMIENTO, PRESENTANDO DICHO SOPORTE EN SUPERFICIE UNA PROTECCION TERMICA Y ESTANDO DICHA SUPERFICIE AISLADA RESPECTO DE LA TENSION DEL CONDUCTOR DE CORRIENTE.

Description

Dispositivo para la fusión eléctrica.

La invención se refiere a las técnicas de fusión eléctrica y concierne más concretamente a aquéllas en las que la energía se disipa por el efecto Joule en la masa fundida a partir de electrodos de inmersión.

Durante mucho tiempo, las instalaciones de producción de vidrio que operaban con grandes cantidades estuvieron provistas de hornos de fusión alimentados con combustible fósil, como fuél o gas. Era en concreto el caso de las instalaciones de producción de continuo de gran capacidad que suministraban por ejemplo el vidrio plano o el vidrio de la industria botellera. En estos grandes hornos la energía eléctrica, cuando se utilizaba, lo era fundamentalmente como apoyo puntual para mantener la temperatura del vidrio en las zonas menos calientes, o fuera del horno en su camino hacia el lugar de transformación, o incluso para desarrollar ciertos movimientos de convección para favorecer la homogeneización, el afino o el transporte del material fundido.

La fusión eléctrica propiamente dicha aparece primero en pequeñas unidades para las que parecía necesaria una gran flexibilidad en las condiciones de utilización. Las fluctuaciones de los costes energéticos y el control progresivo de ciertos problemas de orden tecnológico han llevado más recientemente al desarrollo de unidades de producción significativas en las que el conjunto del procedimiento de fusión, con excepción de la puesta en marcha, se realiza recurriendo a la energía eléctrica. Este desarrollo requiere la solución de problemas tecnológicos extremadamente delicados.

Es así que, en especial para evitar la cuestión de la oxidación de los electrodos en la superficie del baño de fusión, se ha propuesto sumergirlos completamente. Es la solución contenida, por ejemplo, en la solicitud de patente francesa publicada bajo el número FR-A-2 552 073. En este documento, los electrodos están colocados verticalmente en el baño a partir de la solera del horno. En otras realizaciones, se encuentran también electrodos que pasan por las paredes laterales del horno.

Independientemente de las ventajas que proporciona con respecto a problemas de corrosión, la inmersión de los electrodos permite también una alimentación cómoda y bien uniforme de la superficie del baño de composición de materias primas. La constitución de una capa relativamente espesa de composición a fundir, flotando sobre el baño fundido, es efectivamente útil por varias razones. Forma, al entrar en contacto con el baño de fusión, la reserva permanente de material necesario para el funcionamiento continuo. Protege también el baño de fusión frente a una fuerte pérdida calorífica por convección al entrar en contacto con la atmósfera y sobre todo por la radiación.

Si los hornos del tipo descrito en el documento citado anteriormente encuentran aplicaciones industriales muy importantes, no permiten en cambio necesariamente responder de la mejor forma a todas las exigencias que surgen en la práctica. A título de ejemplo es deseable, en algunos casos, y con el fin evidente de limitar los costes de inversión, transformar las instalaciones que funcionan con quemadores conservando en la medida de lo posible los elementos existentes y en especial los materiales refractarios que constituyen el depósito. Una transformación tal no es posible cuando se trata de implantar electrodos en la solera o en las paredes laterales del horno.

Los hornos cuyos electrodos están sumergidos ofrecen posibilidades limitadas de ajuste de los electrodos. Si llevan a prestaciones absolutamente satisfactorias para un cierto régimen, no se prestan en cambio tanto a modificaciones frecuentes y/o substanciales de este régimen de funcionamiento.

Además, incluso si la tecnología de los electrodos sumergidos se conoce ahora bien y se puede prever una longevidad de los electrodos comparable a la de los refractarios, el riesgo de un deterioro prematuro de uno o varios electrodos que venga a comprometer el buen funcionamiento no puede ser completamente desechado.

Otra solución especialmente descrita en la solicitud de patente. francesa publicada bajo el número 2 599 734 consiste en sumergir electrodos por la superficie libre del baño de material fundido. Esta técnica presenta un cierto número de ventajas. En primer lugar, evita por supuesto las dificultades vinculadas al paso de estos electrodos a través del refractario e, igualmente, los problemas de substitución de electrodos utilizados, de estanquidad o incluso de desgaste de los refractarios, en especial debidos a una temperatura elevada que favorece el ataque de los refractarios y a potentes corrientes de convección que se desarrollan a su contacto.

La técnica de los electrodos de inmersión localiza las zonas más calientes en la parte superior del baño fundido y mitiga así estos problemas.

Además, esta técnica permite modificar la profundidad de inmersión de los electrodos y por tanto el gradiente de temperatura. Esto permite modificaciones de tirada del horno sin cambiar la temperatura de la solera y, como consecuencia, la temperatura del vidrio a la salida del horno.

Además, la experiencia demuestra que esta técnica tiene un rendimiento térmico muy satisfactorio y lleva a una buena calidad del material fundido.

Estos electrodos de inmersión se fijan habitualmente sobre soportes que sobresalen del depósito de fusión a partir de los lados de éste. La solicitud FR-A-2 599 734 describe ese soporte que se compone de un brazo que comprende canalizaciones para la circulación del liquido de refrigeración y un cable eléctrico para la alimentación del electrodo, y el soporte del electrodo propiamente dicho.

En régimen normal de funcionamiento, una capa de composición depositada en la superficie del baño de fusión, que constituye una protección frente a las pérdidas térmicas, evita una subida demasiado fuerte de la temperatura del brazo que sobresale del baño de fusión.

Por el contrario, durante una fase en llama piloto, en el curso de la cual la capa protectora de materias primas es, bien de espesor muy reducido, bien inexistente, la temperatura del brazo se vuelve muy elevada e implica una degradación del sistema de alimentación eléctrica.

Para evitar este inconveniente, una solución habitual consiste en sacar a flote los electrodos de inmersión durante una fase en llama piloto y en mantener una temperatura suficiente en el baño por medio de electrodos sumergidos colocados, generalmente, en las paredes. Esta técnica es eficaz pero surgen de nuevo los problemas vinculados a los electrodos sumergidos si bien en el presente caso funcionan bajo tensiones menores puesto que no hacen más que mantener la temperatura del baño ya fundido. Además, tales electrodos sumergidos necesitan costes de inversión suplementarios.

Otra solución propuesta, especialmente descrita en la patente US 4,965,812 consiste en utilizar un soporte de electrodo constituido fundamentalmente por un sistema de refrigeración de tipo "water-jacket" conductor de corriente. El sistema de alimentación está así continuamente refrigerado y por tanto protegido frente a la subida de temperatura que tiene lugar durante una fase en llama piloto. Por el contrario, este tipo de instalación precisa un dispositivo de protección porque los soportes de electrodos se mantienen bajo tensión permanente.

Tal dispositivo consiste, generalmente, en un enrejado que impide el acceso del horno a los empleados. Sin embargo, ciertas medidas que requieren la presencia de un operario cerca del baño y por tanto soportes de electrodes ponen a este operario en peligro.

La EP-A-O 135 473 describe un soporte de electrodo de horno en arco, comprendiendo dicho soporte un sistema de alimentación de corriente y un dispositivo de refrigeración, en el que el soporte presenta en superficie una protección térmica y dicha superficie está aislada con respecto a la tensión del conductor de corriente.

La invención tiene por objeto un dispositivo para la fusión eléctrica de carga vitrificable que actúa bien en régimen normal de funcionamiento, bien en periodo de llama piloto sin la intervención de electrodos sumergidos y sin riesgo para los operarios.

Este objetivo se consigue de acuerdo con la invención definida en la reivindicación 1.

El soporte de electrodo según la reivindicación 1 satisface los problemas planteados por las técnicas anteriores. En efecto, ya no existe riesgo, para los operarios, vinculado al mantenimiento de la tensión de alimentación del electrodo. Y, mientras se mantiene la llama piloto del horno de fusión, la subida de temperatura debida especialmente a la radiación del baño de vidrio fundido no implica la degradación del soporte puesto que éste tiene una superficie aislada térmicamente.

En una variante preferida de la invención, el sistema de alimentación de corriente es un sistema de refrigeración, del tipo "water-jacket" conductor de corriente eléctrica. Este dispositivo se rodea entonces con un aislante eléctrico, ventajosamente de un material resistente a temperaturas muy elevadas.

El aislante escogido para resistir a temperaturas elevadas se refrigera ventajosamente por medio de la circulación de agua del sistema de refrigeración conductor de corriente.

Mientras se mantiene la llama piloto, al volverse muy elevada la temperatura del soporte debido a la radiación, es necesario escoger un material aislante resistente a estas temperaturas y a priori muy costoso.

La invención propone ventajosamente rodear el aislante eléctrico de un segundo sistema de refrigeración del tipo "water-jacket". Resulta así posible escoger un material para aislante eléctrico resistente a temperaturas inferiores. Además, tal material ve mejoradas generalmente sus propiedades de aislamiento eléctrico a baja temperatura.

Por otro lado, la refrigeración de este material aislante eléctrico permite asegurar su perennidad.

El soporte de electrodo así propuesto comprende por tanto dos sistemas de refrigeración. Los sistemas de refrigeración se realizan ventajosamente por medio de circulación de agua. Al ser el sistema interno conductor de corriente eléctrica para la alimentación del electrodo, la invención prevé dos circuitos distintos de circulación de agua de forma que el agua conductora de corriente y circulante en el sistema de refrigeración que alimenta el electrodo no aporta tensión al segundo sistema de refrigeración que no tendría ya utilidad alguna.

Según otro modo, preferido, de la invención, los dos sistemas de refrigeración se alimentan por medio de un mismo circuito de agua, estando el agua desmineralizada de forma que sea no conductora de la corriente. El dispositivo de alimentación de agua exterior en el soporte de electrodo puede así estar limitado a un único circuito.

Otros detalles y características ventajosas de la invención se desprenderán más adelante de la descripción de los ejemplos de realización descritos con referencia a las figuras 1, 2 y 3 que representan:

- figura 1, una sección de una representación esquemática parcial de un horno que comprende electrodos sumergidos verticalmente a partir de la superficie,

- figura 2, un esquema de una realización según la invención de un electrodo y de su soporte,

- figura 3, una representación esquemática de una parte de un soporte según otra realización de la invención.

El esquema de la figura 1 representa una parte de un horno de fusión asociado a electrodos de inmersión 1. El horno está constituido por un depósito refractario compuesto por la solera 2 y paredes laterales 3. Encima del depósito, la bóveda refractaria 4 está suspendida en un bastidor metálico 5 parcialmente representado, solapándose dicho bastidor metálico 5 al horno.

Se prevén paredes refractarias móviles 6 que cuando están en posición baja, es decir apoyadas sobre las paredes laterales 3, permiten aislar parcialmente el baño en fusión 7 de la atmósfera cercana.

Sólo se prevén aperturas en las paredes 6 para el paso de los soportes de electrodos 8.

Esta posición baja de las paredes 6 se adopta cuando el horno está en llama piloto y cuando ya no es necesaria la alimentación con materias primas. Esto permite evitar una pérdida térmica demasiado grande, y el riesgo de degradar todo el material cercano.

Por lo que respecta al electrodo 1 éste está sumergido en la superficie del baño de fusión 7 bajo la capa 9 de materias primas a fundir. Esta capa 9 que recubre el baño de fusión 7 en modo de funcionamiento normal, aísla térmicamente el depósito y permite evitar las pérdidas térmicas.

El electrodo 1 se fija en el soporte 8 que comprende el sistema de alimentación y un dispositivo de refrigeración del electrodo 1, que no aparecen representados en esta figura 1.

El propio soporte 8 está conectado a un mecanismo no representado que permite especialmente retirar un electrodo 1 del baño por ejemplo para un cambio o una reparación.

En la figura 2, el electrodo 1 y su soporte 8 se representan con más detalle y de ellos se desprenden las ventajas de la invención.

El electrodo 1, habitualmente de molibdeno, se fija por medio de un elemento 10, conductor de corriente, al tubo 11 que constituye el dispositivo de refrigeración conductor de corriente eléctrica. El elemento 10 es un alargamiento que se fija al tubo 11 mediante atornillamiento. En el otro extremo de este alargamiento 10, se fija el electrodo 1. Esta realización permite poder desmontar fácilmente el conjunto alargamiento 10/electrodo 1 porque el lugar del atornillamiento no se sumerge nunca en el baño de fusión. Efectivamente, si el tubo 11 fuera más largo y se sumergiera directamente en el baño, sería posible fijar directamente el electrodo 1 sobre éste por ejemplo mediante atornillamiento. En cambio, resultaría mucho más delicado proceder al desmontaje del electrodo, al haberse sumergido en el baño de fusión el punto de fijación. De acuerdo con nuestro montaje el cambio es muy sencillo pero necesita de todas formas substituir el alargamiento 10 al mismo tiempo que el electrodo 1. Este alargamiento 10 puede estar rodeado, al menos parcialmente, por un material refractario suficientemente espeso para evitar un contacto directo con las materias primas o el baño fundido.

Por otro lado, el alargamiento 10 permite también el paso del líquido de refrigeración hasta el electrodo de forma. que éste se refrigera.

La fijación mediante atornillamiento es interesante porque permite una substitución rápida. Las substituciones de electrodos pueden resultar frecuentes porque no tienen lugar únicamente en caso de desgaste sino que permiten también modificar los electrodos y en especial su longitud de forma que se modifique el nivel de inmersión y por tanto el aporte energético dentro del horno. El tubo 11 puede elaborarse en acero de forma que presente buenas propiedades de rigidez y de conducción.

Dentro de este tubo 11, se coloca un segundo tubo 12, por ejemplo concéntrico. Este segundo tubo 12 se fija por ejemplo en diferentes puntos en la superficie interna del tubo 11. La asociación de estos dos tubos 11 y 12 permite la circulación de agua y constituye así un dispositivo de refrigeración de tipo water-jacket. Al estar concebido el sistema de refrigeración para refrigerar el electrodo 1, el tubo 12 atraviesa el alargamiento 10.

En el otro extremo del tubo 11 se fija una abrazadera 13 de alimentación por ejemplo de cobre, y se coloca la propia abrazadera dentro de un encofrado aislante 14. Esta abrazadera 13 permite poner el tubo 11 en la tensión deseada, y, al ser éste conductor eléctrico, alimentar el electrodo 1 bajo esta misma tensión.

Alrededor del tuba 11 se coloca un material 15 aislante eléctrico ventajosamente elaborado en un material refractario del tipo de aislante eléctrico comercializado bajo la referencia MURATHERM 500 M. El material 15 se elabora en forma de uno o varios manguitos que envuelven y se apoyan sobre una parte de la superficie externa del tubo 11. Este material aislante eléctrico permite por tanto acceder al soporte de electrodo sin riesgo alguno de electrocución para los operarios que deben acercarse al baño de fusión. El propio material 15 está rodeado por una envoltura 16 concéntrica en la que circula un liquido de refrigeración como por ejemplo agua. Esta envoltura 16 del tipo "water-jacket" comprende un manguito 17 interno que permite la circulación del agua.

Este segundo dispositivo de refrigeración permite por un lado evitar un sobrecalentamiento del material aislante incluso si éste se escoge para que pueda resistir temperaturas bastante elevadas y si está ya en parte refrigerado por el primer sistema de refrigeración.

Por otro lado, permite obtener una superficie externa del soporte de electrodo 8, que permanece relativamente fría y puede permitir una manipulación o al menos la aproximación de un operario incluso cuando el horno está en llama piloto y que el soporte 8 se caliente fundamentalmente por medio de la radiación proveniente del baño de fusión donde la capa 9 de materia prima no está presente.

Los diferentes elementos citados 11, 12, 15, 16, 17 constituyen tubos, por ejemplo, concéntricos, colocados unos alrededor de otros.

En el caso de la figura 3, un dispositivo de refrigeración del tipo "water-jacket", conductor de corriente, constituido por dos tubos concéntricos 18, 19 está rodeado por uno o varios manguitos 20 de un material aislante eléctrico y que presenta un buen aislamiento térmico y una buena resistencia a la temperatura.

La protección térmica de la superficie del soporte de electrodo se obtiene así por un lado, mediante la propia naturaleza del manguito 20 y por otro lado, mediante la presencia del dispositivo de refrigeración que permite refrigerar este manguito 20.

La protección eléctrica se aporta por el manguito 20 que envuelve el tubo 19 conductor de corriente.

Las diferentes canalizaciones que permiten la llegada y la salida del agua de refrigeración no aparecen representadas en las figuras.

El agua utilizada para la refrigeración es ventajosamente agua desmineralizada, lo que permite utilizar los mismos circuitos para los dos sistemas de refrigeración sin riesgo de conducción de corriente hacia el sistema de refrigeración externo, que está además unido a la tierra.

Las flechas sin numeración indican los diferentes circuitos seguidos por el líquido de refrigeración.

El electrodo asociado a su soporte así descrito según la invención permite por un lado una utilización sin riesgo en modo de funcionamiento normal puesto que ningún dispositivo accesible está sometido a tensión y por otro lado una utilización sin riesgo de degradación del soporte cuando el horno está en llama piloto.

El dispositivo compuesto por el electrodo y su soporte según la invención permite por tanto conservar las diferentes ventajas, vinculadas a la fusión eléctrica mediante electrodo sumergido a partir de la superficie del baño de fusión, que se han enumerado anteriormente. Se trata por ejemplo, de buenos rendimientos térmicos, de la buena calidad del material fundido a pesar de las modificaciones de tirada, del aumento de la vida útil del horno porque los refractarios resultan menos atacados o bien porque resulta sencillo cambiar un electrodo.

Además, el dispositivo según la invención permite evitar la presencia de electrodos totalmente sumergidos para los periodos en llama piloto o bien la presencia permanente de un sistema de protección que evite la presencia de operarios cerca de los elementos que están continuamente sometidos a tensión.

Claims (6)

1. Soporte (8) de electrodo (1) de fusión sumergido a partir de la superficie de un baño de fusión, estando dicho baño constituido por una carga vitrificable, comprendiendo dicho soporte (8) un sistema de alimentación de corriente y un dispositivo de refrigeración, presentando el soporte en superficie una protección térmica y estando dicha superficie al menos parcialmente aislada con respecto a la tensión del conductor de corriente; estando colocado dicho aislamiento eléctrico a una cierta distancia del extremo de inmersión del electrodo.

2. Soporte de electrodo según la reivindicación 1, en el que el sistema de alimentación de corriente es un sistema de refrigeración de tipo "water-jacket" (11, 12, 18, 19), conductor de corriente y en el que este sistema de refrigeración está rodeado por un aislante térmico (15, 20).

3. Soporte de electrodo según la reivindicación 2, en el que el aislante eléctrico (15, 20) es de un material resistente a temperaturas elevadas.

4. Soporte de electrodo según cualquiera de las reivindicaciones 2 ó 3, en el que el aislante eléctrico (15) está rodeado por un sistema de refrigeración del tipo "water-jacket" (16, 17).

5. Soporte de electrodo según la reivindicación 4, en el que el fluido del sistema de refrigeración (16, 17) que rodea al aislante eléctrico es conducido por un circuito diferente del circuito de refrigeración (11, 12) conductor de corriente.

6. Soporte de electrodo según la reivindicación 4, en el que el fluido del sistema de refrigeración (16, 17) que rodea al aislante eléctrico es conducido por el circuito que alimenta el sistema de refrigeración (11, 12) conductor de corriente y el fluido es agua desmineralizada.