INSTALACIóN. HORNO Y PROCEDIMIENTO DE CALENTAMIENTO DE TUBOS PREFORMA PREVIO A SU ORIENTACIóN MOLECULAR

D E S C R I P C I ó N

OBJETO DE LA INVENCIóN

El campo de aplicación de Ia invención queda englobado dentro de los procesos de fabricación de perfiles tubulares o tubos de plástico molecularmente orientados y en particular de los sistemas discontinuos o "in-batch".

La presente invención se refiere a una instalación y al método correspondiente para Ia adecuación de tuberías iniciales o preformas para

Ia posterior fabricación de tubos de plástico molecularmente orientados, en especial para su aplicación en Ia fabricación de tuberías, elementos de señalización y elementos estructurales ligeros.

El objeto de Ia invención consiste en un sistema para preparar las tuberías preformas que deben ser introducidas en el molde para su posterior orientación molecular, de forma que éstas son calentadas a Ia temperatura específica de orientación molecular, con Ia máxima regularidad y homogeneidad de espesores, siempre en un medio gaseoso y de forma muy rápida y económica, mediante Ia instalación y el método de fabricación de esta invención.

La instalación se basa fundamentalmente en un horno especialmente diseñado, que incorpora una serie de accesorios tanto interna como externamente, que permiten una convección adecuada de

aire, un desplazamiento por el interior del mismo de las tuberías y unos sistemas de control adecuados, optimizando tanto el tiempo de proceso como Ia homogeneidad térmica de las tuberías.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIóN

La biorientación molecular es un proceso por el cual, aplicando una deformación mecánica a un tubo o proforma previamente extrusionado en unas condiciones adecuadas de temperatura, presión, velocidad de deformación y radio de deformación principalmente, se produce una modificación sustancial de sus propiedades mecánicas, principalmente Ia sigma (o tensión) del material, Ia resistencia al impacto, mejora de creep (o termofluencia) , resistencia a Ia propagación de grietas, mejora del módulo de Young, etc.

Con dicho proceso de biorientación molecular se consigue un tubo ultra-resistente, con menos materia prima y con unas prestaciones iguales o superiores a los tubos de orientación molecular, gracias a Ia mayor resistencia del material.

Para reforzar el tubo tangencialmente, que es en Ia dirección en Ia que se pretende reforzar el material para aguantar Ia presión, se debe expandir el tubo previamente extrusionado, de forma radial, aumentando por Io tanto notablemente su diámetro.

Existen diversos sistemas de fabricación de perfiles tubulares, pudiéndose agrupar en dos grandes categorías: Sistemas continuos o en línea y sistemas discontinuos "in-batch".

Teniendo en cuenta que el equipo y método de Ia invención está englobado en Ia categoría del segundo sistema referido, se va a hacer alusión principalmente a los sistemas discontinuos o "in-batch" que consisten en procesos que producen Ia orientación molecular "elemento a elemento" en base a una expansión de Ia proforma tubular dentro de un molde que aporta Ia forma definitiva del perfil tubular.

Son numerosas las patentes y documentos que describen variantes de orientación molecular, pero entre las patentes que describen tratamientos previos a Ia orientación molecular cabe destacar Ia solicitud de patente de invención WO98/13182.

En este documento se recoge un proceso de trabajo continuo, desde Ia extrusión hasta el paso previo a Ia orientación. El tubo que ha sido extrudido y refrigerado ligeramente para facilitar su corte, es cortado en longitudes adecuadas e introducido en un tanque de agua caliente, alrededor de los 100 ⁰ C, que actúa como vehículo refrigerante y atempera Ia tubería bajando su temperatura. El sistema de atemperación es un tanque de agua, donde se almacenan tuberías un tiempo determinado hasta su extracción del tanque y utilización.

Las principales características de dicho método consisten en que el sistema trabaja en un proceso continuo (el tratamiento se produce en un tubo inmediatamente después de su extrusión y por Io tanto el tubo está a alta temperatura), y el sistema de corte de guillotina actúa sobre ese tubo caliente y en estado plástico. El tanque de agua incorpora un soporte para las tuberías a refrigerar a una temperatura determinada y única en el recipiente, y se crea una corriente axial del agua por medio de bombas, y un movimiento oscilante para mejorar Ia transferencia térmica.

Este sistema tiene las siguientes desventajas:

- es un sistema concebido para trabajar en continuo e inmediatamente posterior a una extrusora, aprovechando el estado plástico de Ia tubería por su alta temperatura de entrada, por Io que no puede recibir tuberías almacenadas a temperatura ambiente,

- el agua es un elemento, que una vez producido el calentamiento, moja el tubo y por Io tanto su manipulación conlleva problemas de suciedad y precauciones a implementar en los sistemas eléctricos, siendo un elemento que es dificultoso para procesos posteriores, como acabado, etc,

- Ia alta temperatura del agua empleada (alrededor de 100 ⁰ C) cerca de su punto de ebullición Ie hace ser potencialmente peligrosa en caso de manipulación inadecuada o escapes, y requiere un sistema que impida Ia evaporación excesiva y pérdida de vapor,

-el agua a su vez, debido a su alto calor específico, es un sistema muy inercial que alarga el tiempo en los arranques y paros de una instalación, ya que se debe atemperar el agua previamente,

- el acceso al tanque puede producirse por arriba, Io cual limita Ia flexibilidad del sistema tanto en producción como en el caso de acceso para muestras, verificación, manipulación, etc,

- en todo el recipiente sólo se puede tener una misma temperatura, por Io que no se pueden implementar procesos multizonales, es decir, zonas donde los tubos se encuentren a distintas temperaturas para optimizar los tiempos de producción, e incluso variar las condiciones de orientación en los extremos de los

tubos si se desease realizar Ia copa integrada,

- las piezas que están siendo tratadas se apoyan entre ellas, de forma no controlada, y con un flujo irregular, por Io que Ia homogeneidad de temperatura en los espesores no está garantizada, o bien es garantizada pero con tiempos excesivos de residencia,

- este sistema sólo es válido para polímeros con una densidad mayor que Ia del agua, ya que si los polímeros a emplear fuesen de menor densidad, estos flotarían y el sistema no sería válido.

DESCRIPCIóN DE LA INVENCIóN

La instalación y el proceso de calentamiento de tubería proforma previo a su orientación molecular que constituye el objeto de esta invención, permite solventar los problemas e inconvenientes referidos en el apartado anterior, permitiendo una adecuación y preparación de los tubos proforma más eficiente y homogénea en su espesor, siendo los equipos empleados mucho menos sofisticados y caros que los existentes, Io que permite reducir los costos y tiempos de proceso de forma importante, a Ia vez que el coste de los equipos necesarios, permitiendo que estos productos lleguen al mercado a un precio mucho más competitivo y con una calidad de acabado superior.

Asimismo hay que destacar que esta instalación ofrece como ventajas adicionales el hecho de que:

es válido para sistemas continuos o discontinuos indistintamente, ya que está concebido para trabajar con tubos en estado frío

(temperatura ambiente) sin tener porque estar sujetos a su procedencia directa de una extrusora, sino alimentados de un stock de tubos iniciales, es válido igualmente para tubos de cualquier polímero, incluidos aquellos polímeros cuya densidad es menor a Ia del agua, ya que el fluido calefactor es aire, aporta una gran seguridad en el proceso al utilizar aire en lugar de agua como fluido calefactor y por tanto no presenta problemas de quemaduras en caso de apertura accidental o manipulación o mantenimiento incorrecto, permite tener zonas diferenciales de temperatura para optimizar los ciclos o conseguir distribuciones de temperatura diferentes en distintas partes del tubo.

Más concretamente, Ia instalación de Ia invención comprende un alimentador en el que se encuentran los tubos de plástico o perfiles tubulares a temperatura ambiente y un horno especial para el calentamiento en seco y mediante aire, de dichos tubos, desde Ia temperatura ambiente hasta Ia temperatura de orientación.

Constituye un objeto de Ia invención el propio horno que permite conseguir una homogeneidad térmica circunferencial y de espesor del tubo, independientemente de que Ia alimentación se realice en continuo o en discontinuo, así como es igualmente objeto de Ia invención Ia instalación de calentamiento que incluye el horno y el alimentador que alberga los tubos a temperatura ambiente, desde el que se alimentan los tubos al horno en un proceso discontinuo.

Este horno tiene Ia posibilidad de permitir accesos desde todas las direcciones, si bien preferentemente se plantea que los tubos proforma

entren en dirección axial y por simplicidad al mismo nivel en el que permanecen cuando están siendo calentados. La pérdida de aire caliente es despreciable, a diferencia de Ia instalación objeto de Ia solicitud de patente WO 98/13182, que no permite este acceso múltiple y las aperturas son mucho mayores, siendo además en ese caso el fluido que escapa vapor de agua, más energético y problemático.

El horno cuenta preferentemente con unos sistemas internos de desplazamiento, por los cuales van avanzando paso a paso los tubos preforma y de forma transversal entre unos apoyos giratorios uno a uno, hasta Ia salida. El número de pasos o apoyos que existen en el horno dependerá del tiempo de permanencia deseado para los tubos a fabricar.

Los citados apoyos giratorios de los tubos consisten en sendas agrupaciones paralelas de rodillos longitudinales, espaciados y motorizados, dispuestos de forma y manera que mientras el tubo preforma está apoyado, estos rodillos giran en torno a su eje axial y por contacto hacen girar a los tubos preforma apoyados encima. Este movimiento continuo garantiza desde el primer momento y a Io largo de todo el proceso Ia homogeneidad térmica circunferencial.

Una de las partes fundamentales del horno, consiste en un sistema de convección interno de aire, cuyas partes principales son: unos potentes ventiladores que mueven el aire a gran velocidad, un sistema de deflectores que imprimen al flujo de aire Ia dirección adecuada para optimizar Ia transmisión térmica, y un sistema de sondas, controles y resistencias que permiten crear dentro del recinto áreas con temperaturas y parámetros diferenciales respecto a sus colindantes.

Esta diferencia supone una mejora notable respecto a Ia invención

descrita en el apartado anterior, ya que, se pueden calentar los tubos que entran fríos a temperaturas inferiores a Ia de orientación en las posiciones iniciales, y posteriormente trabajar a Ia temperatura de orientación para su homogeneización, pudiendo de esta forma reducir el tiempo total de proceso de calentamiento uniforme.

Igualmente de acuerdo con Ia invención se pueden calentar más las zonas de uno de los extremos de los tubos, en el caso de querer diferenciar Ia temperatura respecto el resto del tubo, por ejemplo si el molde realiza Ia embocadura integrada, y se requiere unas condiciones de orientación distintas. Esta diferencia de temperatura longitudinal inducida no supone ninguna contradicción con el hecho fundamental de que este horno está concebido para garantizar una homogeneidad térmica muy alta y mejorada respecto a Ia invención descrita en el apartado anterior en Io que se refiere a Ia distribución de temperaturas en el espesor circunferencial del tubo.

Adicionalmente al sistema principal de convección, se puede añadir un sistema de soplado formado por proyectores de aire axiales, que introducen axialmente el aire caliente por el interior del tubo preforma aumentado el rendimiento térmico y Ia transmisión por las paredes interiores del tubo.

Por otra parte, es asimismo objeto de esta invención el proceso de calentamiento descrito que tiene lugar en esta instalación antes de Ia introducción del tubo preforma en el molde donde se efectúa su biorientación molecular.

El procedimiento de calentamiento consiste en las siguientes fases:

- introducción en el horno de aire de un tubo preforma que se

encuentra inicialmente a temperatura ambiente, calentamiento del tubo preforma en el horno de aire con aire de acuerdo con un proceso seco en ausencia de humedad hasta alcanzar Ia temperatura de orientación molecular.

De modo preferente se contempla que, al mismo tiempo que se efectúa el calentamiento se imprima al tubo preforma una rotación en torno a su eje axial durante un intervalo de tiempo en un tramo del horno, seguido de su desplazamiento transversal a otro tramo paralelo, en el que Ia rotación y desplazamiento transversal se efectúan consecutivamente hasta Ia salida del tubo preforma para obtener una homogeneización de su temperatura circunferencial y de su espesor.

Asimismo se contempla en una posible realización que el proceso de calentamiento se realice de modo uniforme con diferentes temperaturas en distintas zonas a Io largo de Ia longitud del tubo preforma, en especial en Ia embocadura.

Este proceso de calentamiento es válido para tubos preforma de material polimérico, tanto para aquellos de mayor como para aquellos de menor densidad que Ia del agua.

DESCRIPCIóN DE LOS DIBUJOS

Para complementar Ia descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de Ia invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de Ia misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha

representado lo siguiente:

Figura 1.- Muestra una vista en planta en Ia que se observa el alimentador del horno y el horno con un corte parcial.

Figura 2.- Muestra una vista de una sección axial del citado horno representado en Ia figura 1 según el plano de corte A-A, donde se observan los diversos equipos que componen este horno, así como los flujos de aire principales, en el que los ventiladores se encuentran ubicados en posición superior y el flujo de aire caliente es dirigido desde arriba hacia abajo.

Figuras 3A a 3D.- Muestra una vista seccionada del horno según A-A en Ia que se aprecian cuatro secuencias del movimiento de los tubos en su proceso de avance dentro del horno.

Figura 4.- Muestra una vista seccionada del horno, para el caso de que incorpore el ventilador en posición inferior y los deflectores se encuentran dispuestos de tal modo que el flujo de aire caliente es dirigido desde abajo hacia arriba.

REALIZACIóN PREFERENTE DE LA INVENCIóN

A continuación se describe un modo de realización preferente de Ia instalación objeto de Ia invención, que tal y como se observa en Ia figura 1 comprende fundamentalmente:

un alimentador (14) en el que se encuentran los tubos preforma (11 ) a temperatura ambiente, y - un horno (8) de aire al que Ie llegan los tubos preforma (11 )

procedentes del alimentador (14) en el que se efectúa el calentamiento en seco de los tubos preforma (1 1 ) hasta alcanzar una temperatura uniforme en su espesor, para su posterior descarga y direccionamiento hacia el molde, no representado, en el que se realiza su biorientación molecular.

Tal y como se aprecia en Ia figura 2 el horno (8) incorpora de modo general:

- unos apoyos giratorios (3) ubicados en disposición paralela sobre los que apoyan y giran los tubos preforma (1 1 ) para su calentamiento circunferencial homogéneo, unos medios de desplazamiento transversal (5, 6) que facilitan Ia elevación de los tubos preforma (1 1 ) y su desplazamiento en dirección transversal para favorecer el calentamiento progresivo e uniforme en todo el espesor del tubo preforma (1 1 ), unos conjuntos generadores de corrientes de calentamiento (15, 10, 2) formados por resistencias (15), ventiladores (10) y deflectores (2) distribuidos longitudinalmente en sectores o cuadrantes en el interior del horno (8) para calentamiento del aire y su distribución sobre el tubo preforma (1 1 ).

Cada uno de los apoyos giratorios (3) comprende fundamentalmente sendas agrupaciones paralelas de rodillos longitudinales (20) espaciados y motorizados, según se aprecia en Ia figura 1 .

Complementariamente el horno (8) puede disponer de unos medios de desplazamiento axial de entrada (4) y de salida (4'), representados en Ia figura 2 por ejemplo, para facilitar Ia entrada y/o salida de los tubos

preforma (1 1 ), los cuales comprenden preferiblemente unos rodillos transversales (21 ) motorizados, de configuración preferente cónica.

Los medios de desplazamiento transversal (5, 6) comprenden una bandeja (6), y unos apoyos de traslación (5) fijos a Ia bandeja (6) y situados en correspondencia con los espacios existentes entre rodillos longitudinales (20) y entre rodillos transversales (21 ) para elevación de los tubos preforma (1 1 ) y desplazamiento en dirección transversal hacia y/o desde un apoyo giratorio (3).

El horno (8) está dotado de una carcasa metálica de doble pared aislada térmicamente que confina el recinto calefactado, con accesos lateral o frontal y posterior para su alimentación lateral o axial, mostrándose en Ia figura 1 una puerta (13) de entrada y salida axial en correspondencia con los accesos, y cuya apertura preferentemente es vertical, pero podría ser horizontal. Con Ia apertura de Ia puerta (13), el tubo preforma (1 1 ) puede entrar axialmente gracias a los rodillos transversales (21 ), que hacen que el tubo preforma (11 ) entre o salga del horno (8) al girar en uno u otro sentido.

Cada una de las filas de rodillos longitudinales (20) del apoyo giratorio (3) sirven de forma discontinua de apoyo del tubo preforma (11 ) a tratar, a Io largo de dos de sus generatrices según se aprecia en Ia figura 2. Por contacto, al girar estos rodillos longitudinales (20) provocan un giro en el tubo preforma (11 ) que se apoya encima.

El tubo preforma (1 1 ) gira sobre los rodillos longitudinales (20) que se encuentran debajo de Ia línea de las generatrices de contacto del tubo preforma (1 1 ). Cuando se va a producir el paso de un apoyo giratorio (3) a otro, tanto Ia bandeja (6) como los apoyos de traslación (5) que son

solidarios, suben por encima de esta generatriz y sustentan al tubo preforma (1 1 ), para posteriormente desplazarse perpendicularmente, y bajar hasta que el tubo preforma (1 1 ) descansa sobre otro apoyo giratorio (3) más cercano a Ia salida.

Mientras los tubos preforma (11 ) están apoyados en los rodillos longitudinales (20) giratorios, los tubos preforma (1 1 ) giran y son afectados por Ia corriente de aire caliente (1 ) según se observa en las figuras 2 o 3, impulsada por los ventiladores (10), accionados por sus respectivos motores (9) y que es calentada por las resistencias (15) alojadas a Ia salida del ventilador (10). La activación de estas resistencias (15) está controlada por unos detectores pirométricos (17) convenientemente situados.

Esta corriente de aire caliente (1 ) es dirigida por medio de unos deflectores (2), que conducen el fluido de forma normal al tubo preforma (1 1 ) con mínima pérdida de carga, permitiendo una distribución óptima para conseguir Ia máxima homogeneidad térmica y velocidad de calentamiento en el cuadrante de actuación.

En Ia realización representada en Ia figura 2 los ventiladores (10) se encuentran ubicados en posición superior, y el aire calentado es proyectado mediante los deflectores (2) sobre los tubos preforma (11 ) de abajo hacia arriba. En otra posible realización representada en Ia figura 4 los ventiladores (10) se sitúan en posición inferior y el aire caliente es conducido mediante los deflectores (2) de arriba hacia abajo para su proyección sobre los tubos preforma (11 ). De acuerdo con Ia solución prevista en esta última realización se consigue una mejor distribución del aire caliente sobre Ia superficie del tubo preforma (12) debido a que el aire incide directamente sobre Ia superficie del tubo preforma (12) sin interposición de otras piezas

tales como los rodillos longitudinales (20).

Se contempla asimismo que el horno (8) incorpore unos proyectores de aire axiales (16) representados en Ia figura 1 , que generan una corriente de aire secundaria axial al tubo preforma (1 1 ) que se introduce por el interior de éste calentando su cara interna.

Los deflectores (2) y ventiladores (10) crean corrientes de aire semiestancas, que permiten diferenciar y controlar las temperaturas en los distintos cuadrantes. Las resistencias (15) también están situadas en dos zonas y controladas por los detectores pirométricos (17) para conseguir Ia regulación adecuada. Estas zonas están representadas a modo de ejemplo en Ia figura 1 , donde se observan las zonas de diferentes temperaturas con denominaciones 1A y 1 B, 2A y 2B, etc, hasta NA y NB, siendo N igual al numero de ventiladores más uno.

El proceso de movimiento de los tubos preforma viene representado en las figuras 3A a 3D.

En Ia figura 3A se observa que el tubo preforma (1 1 ) penetra en el horno (8) con ayuda de los rodillos transversales (21 ) hasta el fondo del horno (8). En ese instante Ia bandeja de traslación (6) con sus apoyos de traslación (5) se encuentra en posición inferior. A partir de ese momento,

Ia bandeja de traslación (6) sube y los apoyos de traslación (5), que se encuentran situados en correspondencia con las discontinuidades de las líneas de rodillos (20, 21 ) elevan los tubos preforma (1 1 ) suspendiéndolos en el vacío según se observa en Ia figura 3B.

Cuando Ia bandeja (6) se encuentra en posición superior se produce un desplazamiento transversal de ésta, de longitud idéntica a Ia separación entre apoyos giratorios (3), de forma que éstos quedan

suspendidos sobre el siguiente apoyo giratorio (3). El tubo preforma (11 ) que se encontraba en Ia última fila de los apoyos giratorios (3) pasa a Ia línea de medios de desplazamiento axial de salida (4'), según se aprecia en Ia figura 3C. A partir de este momento, Ia bandeja (6) baja y deposita los tubos preforma (1 1 ) nuevamente en los apoyos giratorios (3), de forma que estos han avanzado una posición. El tubo preforma (11 ) que se encuentra en Ia fila correspondiente a los medios de desplazamiento de salida (4') sale entonces mediante el giro de los rodillos transversales (21 ), según se aprecia en Ia figura 3D, y tras Ia apertura de Ia puerta de salida (13), al exterior.

La bandeja (6), que se encuentra en posición inferior se desplaza entonces a su posición de inicio con movimiento transversal hasta una nueva operación. A partir de entonces los rodillos longitudinales (20) comienzan a girar y por ende los tubos preforma (1 1 ) apoyados encima, continuando su ciclo de calentamiento.