Procedimiento para la producción de un tubo que presenta una gran resistencia mecánica y una elevada capacidad de intercambio térmico,

en particular, para la aplicación en intercambiadores de calor, que comprende las siguientes etapas: a) producir un bloque en una aleación seleccionada del grupo que consiste en sistemas Cu-Fe-P y Cu­ Fe-Ni-P susceptibles de endurecimiento por precipitación y que presentan una conductividad térmica adecuada; b) extruir en caliente dicho bloque, previamente calentado, directamente bajo presión hidrostática en un baño de agua para formar una pieza en bruto de tubo extruida que presenta unas dimensiones predeterminadas, en el que la temperatura de dicho baño de agua no es mayor de 50 ºC y la presión hidrostática efectiva de dicho baño de agua por encima de dicho tubo es por lo menos 300 mm, de manera que la velocidad de enfriamiento del tubo extruido no es menor de 40 ºC/s; c) someter la pieza en bruto de tubo extruida a una serie de procesos de deformación mecánica en frío para reducir las dimensiones transversales y consecuentemente para obtener un tubo que presenta unas dimensiones substancialmente definitivas; y d) someter el tubo a un proceso de recocido realizado a una temperatura entre 500 y 650 ºC durante un período de tiempo de 1,5 a 3 horas para determinar la dureza del tubo por precipitación de por lo menos parte de los elementos de aleación contenidos en dicha aleación y dispuestos en solución sólida en la etapa de extrusión.

Campo técnico

La presente invención se refiere a un procedimiento para la producción de tubos para intercambiadores de calor, en particular para aplicación en sectores de aire acondicionado y refrigeración, o más en general, para aplicaciones que requieren altas propiedades termomecánicas.

Esta de la técnica

En general, los tubos utilizados en sectores de ACR (Aire Acondicionado y Refrigeración) se producen a partir de aleaciones Cu-DHP (desoxidado con alto fósforo residual) sin oxígeno donde, para garantizar la desoxidación debe mantenerse un contenido de fósforo residual relativamente alto, normalmente entre un 0,015 y un 0,04%. La presencia de fósforo puede eliminar cualquier efecto de fragilidad en entornos reductores, y mejorar la deformabilidad plástica en frío y sobre todo aumentar la capacidad para la soldadura. Se ha demostrado por lo tanto que las aleaciones Cu-DHP son especialmente adecuadas para aplicaciones de trabajo con metales, donde las uniones deben ser mecánicamente estables. De hecho, en procesos de soldadura a menudo se utilizan desoxidantes precisamente para evitar que la superficie llegue a cubrirse con óxidos (cuya formación está inducida por el calor) lo cual dificulta una correcta copenetración del material de aleación añadido. De manera similar, si el cobre contiene oxígeno antes del procesamiento, la resistencia de la unión se verá comprometida. Por esta razón, el tipo de cobre utilizado para productos laminados para cubiertas y metalurgia, pero también para la producción de tubos para instalaciones de distribución de fluidos, es Cu-DHP. En particular, estas aleaciones se utilizan regularmente para tubos de fluidos de refrigeración, que actualmente utilizan HFC, habiéndose sustituido casi totalmente al CFC.

Sin embargo, las tendencias actuales en las políticas globales del medio ambiente (tales como las normas establecidas en el Protocolo de Kioto) quieren estimular el mercado en la dirección de otros fluidos refrigerantes menos dañinos para el medio ambiente, sobre todo en relación con las repercusiones a nivel mundial nivel debido a los efectos de efecto invernadero. Sin embargo, desde un punto de vista operativo, estos fluidos de refrigeración requieren una mayor presión de trabajo.

El uso de tubos comunes de ACR en intercambiadores de calor que funcionan bajo estos niveles de presión de trabajo también provocan necesariamente un aumento considerable del grosor del tubo, con el aumento relativo de los costes de producción, sobre todo teniendo en cuenta el constante aumento de los precios de las materias primas en los últimos años. Además, un mayor grosor del tubo se traduce en una reducción de los coeficientes de intercambio, penalizando así la eficiencia del proceso de refrigeración global.

Este inconveniente se sigue dando, aunque en menor medida, incluso cuando se producen tubos de una manera adecuada para aumentar la eficiencia de intercambio térmico, tal como proporcionando una superficie interior corrugada adecuada en los tubos, mediante la aplicación de perfiles con geometrías relativamente complejas, lo cual aumenta la turbulencia del fluido en el interior de los tubos provocando coeficientes de intercambio más elevados. En particular, es posible producir perfiles que garanticen una excelente eficiencia de intercambio térmico mediante la impresión de la superficie plana de una tira con uno o más rodillos estriados. Esta solución puede proporcionar también estrías entrecruzadas.

A partir de este tipo de tira estriada es posible producir entonces un tubo con soldadura longitudinal adecuada.

Como alternativa, es posible mejorar las características mecánicas del tubo y al mismo tiempo limitar en gran medida el grosor del tubo necesario debido a la mayor presión de trabajo utilizando aleaciones con características mecánicas más resistentes.

Entre las aleaciones de cobre (o en cualquier caso, aquellas que presentan una alta conductividad térmica y eléctrica), y que presentan unas características de resistencia mecánica relativamente elevadas, se encuentran las aleaciones susceptibles de endurecimiento por precipitación, tal como las descritas en la patente EP-B-0399070.

Las aleaciones endurecibles por precipitación se procesan utilizando un tratamiento térmico específico que comprende una primera etapa de calentamiento a una temperatura lo suficientemente elevada como para provocar un tratamiento térmico en solución completa en el metal base del componente que hace que la aleación sea susceptible al endurecimiento (formación de una solución sólida); una segunda etapa de enfriamiento que puede ser más corta o más larga, (endurecimiento por temple) en el que la solución sólida se somete a unas condiciones de sobresaturación y por lo tanto termodinámicamente metaestables, y una última etapa, para la envejecimiento, que crea la segregación de un precipitado, acompañado de una distorsión del entramado base que provoca un aumento considerable de las propiedades de endurecimiento. Entre las aleaciones que reaccionan de esta manera se encuentran los sistemas Cu-Fe-P y Cu-Fe-Ni-P, que pueden someterse a un tratamiento térmico adecuado para crear una gran mejora de las propiedades mecánicas en relación con las de cobre puro, a la vez que sus propiedades de conductividad eléctrica y térmica se mantienen prácticamente sin cambios.

Las propiedades mecánicas de las aleaciones endurecibles por precipitación de sistemas Cu-Fe-P y Cu-FeNi-P dependen del tratamiento térmico específico al que se someten durante su preparación, y que está concebido para optimizar el desarrollo de la resistencia mecánica y la conductividad eléctrica y térmica. Su dureza y resistencia mecánica dependen de la etapa de endurecimiento por temple, así como el tratamiento de envejecimiento y precipitación. Además, la conductividad eléctrica crece durante el curso del tratamiento hasta que se alcanza un máximo, normalmente cuando se llega al estado de precipitado.

El uso de estas aleaciones para sustituir a las aleaciones de Cu-DHP para producir tubos utilizando soldadura longitudinal, tal como los que son a partir de una tira estriada, presenta ciertos inconvenientes. Debido a los elevados niveles de calor concentrado que se desarrollada con las técnicas de soldadura tradicionales, esto da lugar a un empeoramiento de las características termo-mecánicas de la aleación a lo largo del cordón de soldadura, donde podría producirse un nuevo tratamiento térmico en solución sobre el precipitado. Por esta razón, tal como se describe en la solicitud de patente japonesa nº JP 2002-108180, de acuerdo con la técnica existe un proceso para obtener tubos soldados producidos utilizando una aleación susceptible de endurecimiento por precipitación en el que el tubo primero se forma y se suelda utilizando una tira plana, y sólo después de este proceso se aplica un tratamiento térmico en solución, endurecimiento por temple y procesos de envejecimiento, en otras palabras, se trabaja sobre tubos que están sustancialmente acabados (o, posiblemente, sólo sometidos a uno o más procesos de estirado en frío). Sin embargo, este procedimiento consume elevadas cantidades de energía lo cual aumenta todavía más el coste del tubo acabado.

Además, es evidente que la formación de tubos directa a partir de aleaciones susceptibles de endurecimiento por precipitación, por ejemplo, mediante la extrusión tal como se describe en la solicitud de patente japonesa nº JP 2003-089378, también implica una serie de problemas prácticos que deben resolverse. En particular, el tratamiento térmico en solución es especialmente costoso y complejo de llevar a cabo a altas temperaturas, seguido del proceso de endurecimiento por temple para mantener el hierro y el fósforo en solución sólida con el cobre en las condiciones adecuadas desde el punto de equilibrio termodinámico, con el fin de inducir la precipitación.

La etapa de envejecimiento también, esencial para proporcionar al material la conductividad eléctrica necesaria y, sobre todo, las propiedades térmicas, también en este caso, provoca el consumo de una gran cantidad de energía, y la prolongación de los tiempos de producción.

Por lo tanto, uno de los objetivos de la presente invención es disponer un procedimiento de producción de tubos para intercambiadores de calor concebido para trabajar bajo los elevados niveles de presión dictados por el uso de nuevos fluidos térmicos, y que esté libre de los inconvenientes descritos anteriormente, y en particular, que resulte relativamente sencillo... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento para la producción de un tubo que presenta una gran resistencia mecánica y una elevada capacidad de intercambio térmico, en particular, para la aplicación en intercambiadores de calor, que comprende las siguientes etapas:

a) producir un bloque en una aleación seleccionada del grupo que consiste en sistemas Cu-Fe-P y CuFe-Ni-P susceptibles de endurecimiento por precipitación y que presentan una conductividad térmica adecuada; b) extruir en caliente dicho bloque, previamente calentado, directamente bajo presión hidrostática en un baño de agua para formar una pieza en bruto de tubo extruida que presenta unas dimensiones predeterminadas, en el que la temperatura de dicho baño de agua no es mayor de 50 ºC y la presión hidrostática efectiva de dicho baño de agua por encima de dicho tubo es por lo menos 300 mm, de manera que la velocidad de enfriamiento del tubo extruido no es menor de 40 ºC/s; c) someter la pieza en bruto de tubo extruida a una serie de procesos de deformación mecánica en frío para reducir las dimensiones transversales y consecuentemente para obtener un tubo que presenta unas dimensiones substancialmente definitivas; y d) someter el tubo a un proceso de recocido realizado a una temperatura entre 500 y 650 ºC durante un período de tiempo de 1,5 a 3 horas para determinar la dureza del tubo por precipitación de por lo menos parte de los elementos de aleación contenidos en dicha aleación y dispuestos en solución sólida en la etapa de extrusión.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que dicha etapa c) de someter la pieza en bruto de tubo extruida a una serie de procesos de deformación mecánica en frío comprende las siguientes etapas:

e) laminar en frío la pieza en bruto de tubo extruida para obtener una pieza en bruto laminada que presenta unas dimensiones transversales reducidas y por lo tanto presenta una mayor longitud; f) someter la pieza en bruto laminada a estirado recto para obtener un tubo semiacabado; g) someter el tubo semiacabado a un estirado giratorio para reducir las dimensiones transversales y por lo tanto obtener dicho tubo con unas dimensiones sustancialmente definitivas.

3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado por el hecho de que dicha etapa de someter el tubo a un proceso de recocido se lleva a cabo dentro de un horno de túnel.

4. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que para realizar la etapa a) se selecciona una aleación de metales que es susceptible de endurecimiento por precipitación en el que el contenido en peso de Fe se encuentra entre 800 y 1500 ppm, el contenido en peso de P se encuentra entre 250 y 500 ppm y el contenido en peso de Ni se encuentra entre 100 y 20000 ppm.

5. Procedimiento según la reivindicación 4, caracterizado por el hecho de que dicha aleación de metales presenta una relación en peso Fe/P entre 2,5 y 5.

6. Procedimiento según la reivindicación 5, caracterizado por el hecho de que dicha aleación de metales presenta una relación en peso Fe/P igual a 4.

7. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que dicha etapa de extrusión b) se realiza a una temperatura igual o superior a la temperatura del tratamiento térmico de solución de dicha aleación de metales de la cual está formada el bloque.

8.Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que dicho bloque se precalienta utilizando un horno de calentamiento dentro del cual la temperatura aumenta progresivamente de una entrada a una salida de dicho horno, formándose en el interior de dicho horno una pluralidad de zonas cada una presentando una temperatura entre 600 y 1200 ºC.

9. Procedimiento según la reivindicación 8, caracterizado por el hecho de que dichas zonas de dicha pluralidad de zonas cada una presenta una temperatura de entre 700 y 1100 ºC.

10. Procedimiento según una de las reivindicaciones 8 o 9, caracterizado por el hecho de que la temperatura de dicho bloque a la salida del citado horno de calentamiento e inmediatamente antes de dicha etapa de extrusión en caliente b) se encuentra entre 900 y 950 ºC.

11. Procedimiento según la reivindicación 10, caracterizado por el hecho de que la temperatura de dicho bloque a la salida del citado horno de calentamiento e inmediatamente anterior a dicha etapa de extrusión en caliente b) se encuentra entre 910 y 930 ºC.

12. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que dicha etapa de recocido d) se realiza a una temperatura de aproximadamente 575 ºC durante 2,5 horas.