UNIVERSIDAD CENTROAMERICANA “JOSÉ SIMEÓN CAÑAS”
DISEÑO Y FABRICACIÓN DE HORNO A GAS PROPANO PARA TRATAMIENTOS TÉRMICOS EN ACEROS HERRAMIENTAS TRABAJO DE GRADUACIÓN PREPARADO PARA LA
FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA
PARA OPTAR AL GRADO DE
INGENIERO MECÁNICO POR:
RODRIGO ORLANDO GONZÁLEZ ECHEVERRÍA JOSUÉ DAVID SALVADOR RUGAMAS
OCTUBRE 2013 ANTIGUO CUSCATLÁN, EL SALVADOR, C.A.
RECTOR ANDREU OLIVA DE LA ESPERANZA, S.J.
SECRETARIA GENERAL SILVIA ELINOR AZUCENA DE FERNÁNDEZ
DECANO DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA CARLOS GONZALO CAÑAS GUTIÉRREZ
COORDINADOR DE LA CARRERA INGENIERÍA MECÁNICA MARIO WILFREDO CHÁVEZ
DIRECTOR DEL TRABAJO MANUEL AMADOR PINEDA CAMPOS
LECTOR LUIS AARÓN MARTÍNEZ
AGRADECIMIENTOS En primer lugar queremos agradecer a Dios por darnos las fuerzas, la sabiduría e inteligencia en cada momento de nuestra carrera. Sabemos que de una u otra manera él siempre estuvo ahí sin importar lo difícil de la situación. El camino no ha sido fácil, hemos tenido dificultades de toda índole que nos lo complicaron aún más. Este logro no habría sido posible si durante el trayecto no hubiéramos conocido a quienes, comenzaron siendo solo compañeros de carrera y, hoy los podemos llamar hermanos de esta gran familia. Queremos agradecer a una gran persona que nos ha echado la mano en todo momento, David Arévalo, quien es el encargado del taller de mecánica, un lugar que ha sido como nuestra segunda casa, ahí hemos aprendido “sobre la marcha”; muchos de nosotros jamás en su vida hubieran imaginado poder utilizar el torno o la fresadora, pero quien siempre estaba ahí en el taller para echarnos la mano era, ha sido y siempre será David, es por eso que parte de haber llegado al proceso de graduación se lo debemos a David que siempre nos ayudó sin pedir nada a cambio. A nuestros compañeros de carrera, a nuestros hermanos mecánicos, se les agradecen todos los momentos que pasamos compartiendo o trabajando, siempre en equipo como se han caracterizado a las promociones de ingeniería mecánica de la UCA. La realización de los proyectos, las desveladas mientras estudiábamos, los ciclos sobrecargados por las materias cursadas, no se hubieran disfrutado sin la compañía de nuestros compañeros. Esperamos que les vaya de lo mejor en su futuro profesional y personal, esperamos encontrarnos nuevamente para compartir experiencias una vez más como la gran familia de ingenieros mecánicos que somos. Queremos hacer un agradecimiento especial al Ing. Julio Montalvo quien nos ayudó enormemente en la realización de este trabajo de graduación, agradecemos esa vasta cantidad de conocimiento que nos transmitió para poder entender más a fondo de lo que en realidad se trata ingeniería. Rodrigo Orlando González Echeverría Josué David Salvador Rugamas.
DEDICATORIA Este trabajo de graduación se lo dedico al mis padres Rodrigo y María de los Ángeles, pues este logro es parte de un sueño de verme convertido en todo un profesional. Sé que el sacrificio ha sido enorme y no será en vano. Se lo dedico a Jaime mi hermano que ha elegido seguir mis pasos dentro de la ingeniería mecánica, con esto le dejo claro que todo sacrificio tiene su recompensa y no existen imposibles más allá de los que la imaginación te limite. Se lo dedico sobre todo a Dios todopoderoso quien ha sido el impulsor en los momentos más difíciles de esta carrera y siempre me mostraba un rayo de luz cuando el camino se veía en tinieblas. Mis amigos que me han apoyado no pueden quedarse afuera de esta dedicatoria Gilberto y Cesar que han demostrado ser personas excepcionales y son quienes puedo depositar toda mi confianza. A Juan que hemos sido compañeros prácticamente de primaria en el Colegio Santa Cecilia. Y hoy concluimos las carreras en ingeniería pero en diferentes ramas. Solo me queda citar la frase que me ha motivado a lo largo de toda mi carrera, y cabe mencionar que este es un principio no un fin. “-Nada hay bajo el sol que no tenga solución, nunca una noche venció a un amanecer-” - “Tú mismo”, Warcry-
Rodrigo Orlando González Echeverría.
DEDICATORIA Quiero dedicar este trabajo en primer lugar a Dios, porque hasta el día de hoy ha estado conmigo, sin importar la situación Dios siempre me ha ayudado y sostenido, por su gracia es que hoy puedo culminar con éxito mis estudios. A mis padres, René y Lorena, y mi hermana, Eunice, que me han brindado todo su apoyo incondicional todos estos años. Me enseñaron que en esta vida nada es de gratis y hay que luchar para conseguir nuestros sueños, siempre con la fe puesta en Dios. A mi novia, Vanessa, que ha estado siempre a mi lado, animándome y apoyándome sin importar lo difícil de la situación. A mis amigos que siempre estuvieron pendientes de mí y me brindaron su ayuda cuando más la necesite. Para todos mis compañeros de Ingeniería Mecánica, que a pesar de lo difícil que fue el camino, juntos salimos adelante sobrepasando cada obstáculo. Josué David Salvador Rugamas
RESUMEN En muchas áreas de la industria salvadoreña se utilizan piezas de aceros herramienta, las cuales llevan diferentes tratamientos térmicos, para la fabricación de productos. Los tratamientos térmicos para este tipo de aceros son muy especiales y delicados, por esta razón hay muy pocas empresas en el país que los realicen, la mayoría de industrias eligen hacer estos tratamientos en el exterior. Es por esta razón que la Universidad Centroamericana José Simeón Cañas, desea realizar estudios sobre los tratamientos térmicos en aceros herramienta y aceros rápidos. Para realizar pruebas y estudios acerca de los aceros herramienta y sus tratamientos térmicos, es imprescindible contar con los equipos adecuados. Dentro de los equipos principales que se requieren para realizar tratamientos térmicos en los aceros, está el horno de temple para alta temperatura. Este horno es el que estudia en el presente trabajo de graduación. El horno que se desea diseñar y construir debe ser capaz de alcanzar temperaturas en el orden de los 1200 °C, esta temperatura fue propuesta por el hecho que ciertos aceros herramienta y aceros rápidos precisan de ella para su correcto temple. Se decidió diseñar un horno que funcionara con gas LP, para reducir los costos de operación del horno. Ya que no se contaba con mucha información, acerca del proceso de diseño de un horno para tratamientos térmicos a base de gas LP, se basó el diseño inicial en un horno existente que se utiliza para realizar tratamientos térmicos en el taller de Tecnomecánica Cuscatlán. Para comenzar con el diseño del horno se decidió el tamaño de la recámara interna, de acuerdo a la cantidad, peso y dimensiones estimadas de las piezas a tratar. Luego se procedió a la elección de los materiales cerámicos que se utilizarían para retener el calor dentro del horno, se escogieron ladrillos refractarios, ladrillos aislantes y manta cerámica, por ser relativamente fáciles de adquirir. Posteriormente se comenzó con el diseño preliminar del horno. Este primer modelo se diseñó y simulo por medio de software, para obtener una aproximación precisa del comportamiento real del horno a construir. Luego de evaluar los resultados y tomar en cuenta la disposición de ladrillos, dimensiones y peso del horno, se nos asesoró y recomendó cambiar el diseño del horno. Se tomaron nuevas consideraciones en este segundo modelo, se prestó mayor atención al peso del horno, haciendo un uso más eficiente de los materiales disponibles. Esta segunda propuesta nuevamente se analizó por medio de software y se obtuvieron resultados satisfactorios, por lo cual se aprobó su construcción. i
El proceso de construcción se realizó en dos etapas: la construcción de la estructura de soporte y el montaje de la estructura de aislamiento de calor. La construcción de la estructura de soporte se realizó completamente en un taller externo y luego se trasladó hacia el laboratorio de fundición de la universidad. Una vez la estructura llegó a la universidad se comenzó con la segunda etapa, el montaje de la estructura de aislamiento de calor. Cuando se terminó el montaje los ladrillos que componen el aislamiento del horno se realizaron una serie de pruebas, cuyos resultados se analizan en el capítulo 6 del presente trabajo. Posteriormente se presentan una serie de conclusiones y recomendaciones para mejorar el rendimiento del horno.
ii
ÍNDICE
RESUMEN ..................................................................................................................................... i ÍNDICE DE FIGURAS ................................................................................................................ vii ÍNDICE DE TABLAS .............................................................................................................. XIIIi CAPÍTULO 1:
GENERALIDADES ........................................................................................... 1
1.1.
Justificación de la investigación ...................................................................................... 1
1.2.
Alcances de la investigación ........................................................................................... 1
1.3.
Limitaciones ................................................................................................................... 1
1.4.
Objetivos ........................................................................................................................ 2
1.4.1.
General ................................................................................................................... 2
1.4.2.
Específicos.............................................................................................................. 2
1.5.
Antecedentes .................................................................................................................. 2
CAPÍTULO 2: 2.1.
MARCO TEÓRICO ............................................................................................ 3
Hornos para tratamientos térmicos. ................................................................................. 3
2.1.1.
Templado. ............................................................................................................... 3
2.1.2.
Revenido................................................................................................................. 3
2.1.3.
Recocido. ................................................................................................................ 3
2.2.
Tipos de hornos. ............................................................................................................. 4
2.2.1. 2.3.
Hornos de solera fija e intermitentes para usos generales. ........................................ 5
Gas propano. .................................................................................................................. 7
2.3.1.
Definición. .............................................................................................................. 7
2.3.2.
Características. ........................................................................................................ 8
2.3.3.
Sistema de suministro y almacenaje. ....................................................................... 9
2.3.4.
Combustión. ......................................................................................................... 10
2.3.5.
Control y regulación del sistema de gas. ................................................................ 10
2.4.
Transferencia de calor ................................................................................................... 13
2.4.1.
Conducción. .......................................................................................................... 13
2.4.2.
Convección. .......................................................................................................... 13
2.4.3.
Radiación. ............................................................................................................. 14
2.4.4.
Flama adiabática. .................................................................................................. 14
2.5.
Resistencia de materiales. ............................................................................................. 14
2.5.1.
Esfuerzos de carga. ............................................................................................... 15
2.5.2. CAPÍTULO 3: 3.1.
Esfuerzos por temperatura. .....................................................................................15 DISEÑO DEL HORNO A GAS .........................................................................17
Modelo preliminar. ........................................................................................................17
3.1.1.
Requerimientos del diseño. ....................................................................................19
3.1.2.
Quemador. .............................................................................................................23
3.1.3.
Puerta ....................................................................................................................25
3.1.4.
Chimenea...............................................................................................................26
3.2.
Simulación del modelo preliminar. ................................................................................27
3.2.1.
Modelo para simulación .........................................................................................28
3.2.2.
Análisis térmico. ....................................................................................................35
3.2.3.
Resultados simulación modelos preliminar. ............................................................43
3.3.
Modelo y simulación del quemador. ..............................................................................51
3.4.
Correcciones. .................................................................................................................52
3.4.1.
Estructura de soporte. .............................................................................................54
3.4.2.
Estructura de contención de calor ...........................................................................59
3.5.
Simulación del modelo corregido. ..................................................................................62
3.6.
Simulación de estructura de soporte. ..............................................................................75
CAPÍTULO 4: 4.1.
CONSTRUCCIÓN DEL HORNO......................................................................79
Materiales de construcción. ............................................................................................79
4.1.1.
Manta cerámica......................................................................................................79
4.1.2.
Refractario y aislantes. ...........................................................................................80
4.2.
Proceso de construcción .................................................................................................82
4.2.1.
Construcción de la estructura de soporte. ................................................................82
4.2.2.
Construcción de la estructura de aislamiento de calor. ............................................93
CAPÍTULO 5:
PLANOS DEFINITIVOS. ..................................................................................99
CAPÍTULO 6:
PRUEBAS y RESULTADOS. ......................................................................... 117
6.1.
Pruebas de flauta del quemador.................................................................................... 117
6.1.1.
Primera prueba: 14 psi ......................................................................................... 117
6.1.2.
Segunda prueba: 3 psi .......................................................................................... 118
6.2.
Pruebas de horno completo .......................................................................................... 123
6.2.1.
Primera prueba a 3 psi con succión de aire natural. ............................................... 123
6.2.2.
Segunda prueba a 3 psi con succión de aire natural. .............................................. 126
6.2.3.
Tercera prueba a 3 psi con inyección forzada de aire. ........................................... 128
CAPÍTULO 7:
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.................................................131
7.1.
Conclusiones ...............................................................................................................131
7.2.
Recomendaciones ........................................................................................................132
REFERENCIAS .........................................................................................................................135
ANEXOS ANEXO
A:
EVALUACIÓN
DE
LA
CALIDAD
METALÚRGICA
DE
ACEROS
HERRAMIENTA Y ACEROS RÁPIDOS, TRATADOS TÉRMICAMENTE EN ATMOSFERA INERTE. PRIMER AVANCE: DISEÑO INICIAL DEL HORNO DE TEMPLADO.
ÍNDICE DE FIGURAS Figura 2.1 Horno tipo mufla [www.laboplis.com]........................................................................... 5 Figura 2.2 Horno de solera móvil de carro [news.directindustry.es] ................................................ 6 Figura 2.3 Horno de pozo circular [www.laboplis.com] .................................................................. 7 Figura 2.4 Características físicas del propano y butano [grupozeta.com] ......................................... 8 Figura 2.5 Cilindro de gas utilizado en el montaje del horno. .......................................................... 9 Figura 2.6 Dimensiones de cilindros portátiles [grupozeta.com] ..................................................... 9 Figura 2.7 Instalación de tubería de suministro de gas para el horno. ............................................ 11 Figura 2.8 Regulador de presión de suministro de gas................................................................... 11 Figura 2.9 Válvula de paso de suministro de gas. .......................................................................... 12 Figura 2.10 Detalle acople rápido para suministro de gas al quemador. ......................................... 12 Figura 3.1 Horno Buzzer modelo #54 Tecnomecánica Cuscatlán .................................................. 17 Figura 3.2 Detalle de horno Buzzer #54 [Catálogo del fabricante] ................................................ 18 Figura 3.3 Entrada del quemador a la cámara del horno ................................................................ 24 Figura 3.4 Placa de carburo de silicio sobre entrada del quemador horno Buzzer #54.................... 24 Figura 3.5 Cara frontal del horno es una en conjunto con la pared................................................. 25 Figura 3.6 Orificios en el techo de la cámara del horno. ................................................................ 26 Figura 3.7 Chimenea del horno .................................................................................................... 27 Figura 3.8 Distribución ladrillo refractario denso en la base y en la entrada del horno ................... 28 Figura 3.9 Distribución de ladrillos refractarios vista posterior. .................................................... 29 Figura 3.10 Cámara del horno construida con ladrillo aislante k 26. Vista frontal y vista inferior .. 29 Figura 3.11 Cámara secundaria de aislante k 23. Vista frontal y vista inferior. .............................. 30 Figura 3.12 Conjunto de cámaras de ladrillos aislantes k-26 y k-23 .............................................. 30 Figura 3.13 Montaje de todos los ladrillos aislantes y refractarios. ................................................ 31 Figura 3.14 Disposición materiales aislantes y refractarios en el modelo del horno nuevo. ............ 31 Figura 3.15 Puerta deslizante del horno. ....................................................................................... 32 Figura 3.16 Estructura de soporte para horno. ............................................................................... 33 Figura 3.17 Cajón con correderas para la puerta del horno. ........................................................... 34 Figura 3.18 Pestañas para soporte de placa base ........................................................................... 34 Figura 3.19 Refuerzo patas del horno ........................................................................................... 34 Figura 3.20 Bloques solidos de materiales para simulación. .......................................................... 36 Figura 3.21 El espacio del interior de la cámara del horno ............................................................ 37 Figura 3.22 Volúmenes solidos creados para asignar espacio de aire dentro del horno .................. 37 Figura 3.23 Asignación de materiales ........................................................................................... 38 vii
Figura 3.24 Asignación de materiales ............................................................................................38 Figura 3.25 Asignación de materiales. ...........................................................................................39 Figura 3.26 Temperatura de llama 1120 °C. ..................................................................................39 Figura 3.27 Cámara del horno, ubicación de la generación de calor. ..............................................40 Figura 3.28 Coeficiente de convección se aplica a todas las paredes del interior de la cámara. .......41 Figura 3.29 Controles para el ajuste de malla ................................................................................42 Figura 3.30 Malla generada para simulación del modelo preliminar. ..............................................42 Figura 3.31 Selección del tipo de análisis para la simulación. ........................................................43 Figura 3.32 Distribución de temperatura y velocidad interior horno corte longitudinal ...................44 Figura 3.33 Temperaturas alcanzadas en la puerta del horno desde el borde superior hasta su base, perdida de calor y temperatura promedio .......................................................................................45 Figura 3.34 Distribución de temperatura en la base del horno. .......................................................46 Figura 3.35 Distribución de calor en la base del horno desde la cara frontal hasta la posterior. .......46 Figura 3.36 Corte transversal del horno .........................................................................................47 Figura 3.37 Modelo preliminar completo ......................................................................................48 Figura 3.38 Cara frontal fundida del horno. ...................................................................................49 Figura 3.39 Base fundida del horno ...............................................................................................49 Figura 3.40 Placa posterior del horno ............................................................................................50 Figura 3.41 Puerta y cajón la de puerta fundidas ............................................................................50 Figura 3.42 Distribución de presiones dentro de la flauta del quemador. ........................................51 Figura 3.43 Distribución de velocidades en la flauta. .....................................................................52 Figura 3.44 Modificación de la estructura de soporte .....................................................................55 Figura 3.45 Detalle de techo estructural.........................................................................................56 Figura 3.46 Detalle parte inferior de la estructura de soporte. ........................................................56 Figura 3.47 Base de soporte para cámara interna ...........................................................................57 Figura 3.48 Detalle base de lámina y hierro fundido. .....................................................................58 Figura 3.49 Detalle de los tres marcos de soporte para la base estructural. .....................................59 Figura 3.50 Disposición ladrillos refractarios TCG-45...................................................................60 Figura 3.51 Disposición ladrillo aislante TMJ-26 en el techo del horno con chimenea dividida. .....61 Figura 3.52 Disposición ladrillo aislante Isocel 500 .......................................................................62 Figura 3.53 Volumen del aire en el interior del nuevo modelo .......................................................63 Figura 3.54 Detalle de materiales del nuevo modelo: carcasa externa ............................................64 Figura 3.55 Detalle de materiales del nuevo modelo: manta cerámica ............................................64 Figura 3.56 Detalle de materiales cámara interna del horno ...........................................................64 viii
Figura 3.57 Detalle de materiales: placa base, placa de hierro para conducción y tapón trasero ..... 65 Figura 3.58 Condiciones cámara interna ....................................................................................... 65 Figura 3.59 Cámara de llama y placa de hierro fundido. ............................................................... 66 Figura 3.60 Malla automática generada por el programa. .............................................................. 67 Figura 3.61 Malla del modelo en sus diferentes partes externas e internas. .................................... 67 Figura 3.62 Condiciones de análisis de flujo y térmico ................................................................. 68 Figura 3.63 Iteraciones para el análisis ......................................................................................... 68 Figura 3.64 Distribución de temperaturas, detalle longitudinal. ..................................................... 69 Figura 3.65 Distribución de temperaturas, detalle transversal. ....................................................... 69 Figura 3.66 Distribución de temperatura en la puerta. ................................................................... 70 Figura 3.67 Distribución de temperaturas placa base. ................................................................... 71 Figura 3.68 Temperatura desde la entrada de la llama del quemador hacia el borde inferior de la placa frontal y flujo de calor en la placa base. ............................................................................... 71 Figura 3.69 Distribución de calor en la zona baja de la cara frontal. .............................................. 72 Figura 3.70 Comportamiento de la temperatura en la parte baja de la puerta y flujo de calor. ........ 72 Figura 3.71 Incremento de temperatura de la cara derecha del horno. ........................................... 73 Figura 3.72 . Incremento de temperaturas cara izquierda del horno. .............................................. 73 Figura 3.73 Temperaturas tomadas desde el borde inferior hasta el borde superior de la cara y flujo de calor en la cara derecha ........................................................................................................... 74 Figura 3.74 Temperaturas tomadas desde el borde inferior hasta el borde superior de la cara izquierda y flujo de calor en la cara izquierda. .............................................................................. 74 Figura 3.75 Cargas aplicadas a la estructura de soporte. ................................................................ 75 Figura 3.76 Análisis de deformaciones en la estructura de soporte. ............................................... 76 Figura 3.77 Análisis del coeficiente de seguridad para la estructura de soporte. ............................ 77 Figura 4.1 Corte del ángulo estructural ......................................................................................... 83 Figura 4.2 Sierra de cinta en pleno corte. ...................................................................................... 83 Figura 4.3 Esmerilado de piezas cortadas ..................................................................................... 84 Figura 4.4 Preparación de bordes con biseles para soldadura. ....................................................... 84 Figura 4.5 Aplicación de soldadura a las piezas de ángulo estructural. ......................................... 85 Figura 4.6 Unión de las piezas mediante escuadras y mesas a nivel. ............................................. 85 Figura 4.7 Instalación de los nervios de refuerzo. ......................................................................... 86 Figura 4.8 Techo de la estructura.................................................................................................. 86 Figura 4.9 Nervios de la cara frontal del horno. ............................................................................ 87 Figura 4.10 Instalación cara frontal del horno. .............................................................................. 87 ix
Figura 4.11 Doblado de la carcasa del horno. ................................................................................88 Figura 4.12 Puerta trasera..............................................................................................................88 Figura 4.13 Malla para sujetar la manta cerámica. ........................................................................89 Figura 4.14 Base de la cámara del horno. ......................................................................................89 Figura 4.15 Base de la cámara instalada junto con la malla en el interior de la estructura del horno. .....................................................................................................................................................90 Figura 4.16 Base de la cámara completa. .......................................................................................90 Figura 4.17 Puerta del horno. ........................................................................................................91 Figura 4.18 Soporte para inspirador de gas ....................................................................................91 Figura 4.19 Soporte de la flauta del quemador. ..............................................................................92 Figura 4.20 Proceso de pintado de las piezas del horno. .................................................................92 Figura 4.21 Acabado interno del horno. .........................................................................................93 Figura 4.22 Acabado externo del horno. ........................................................................................93 Figura 4.23 Montaje de manta cerámica. .......................................................................................94 Figura 4.24 Maquinado de ladrillos de techo. ................................................................................94 Figura 4.25 Detalle para montaje de techos suspendidos [Catálogo Thermal Ceramics]. ................95 Figura 4.26 Pegado de ladrillos para techo ....................................................................................95 Figura 4.27 Aislamiento de puerta. ................................................................................................96 Figura 4.28 Detalle del montaje de ladrillos...................................................................................96 Figura 4.29 Montaje de sección para extracción de gases...............................................................97 Figura 4.30 Agujeros para termocupla y gas nitrógeno. .................................................................97 Figura 4.31 Detalle del montaje de la chimenea. ............................................................................98 Figura 4.32 Detalle de montaje de placa de hierro fundido. ............................................................98 Figura 5.1 Modelo final horno a gas propano para tratamientos térmicos en aceros herramienta.....99 Figura 6.1 Primera prueba flauta del quemador. .......................................................................... 117 Figura 6.2 Combinación quemador-flauta primera prueba. .......................................................... 118 Figura 6.3 Llama a 3 psi con 29 agujeros sin entrada de aire........................................................ 119 Figura 6.4 Llama a 3 psi con 29 agujeros con entrada de aire. ...................................................... 119 Figura 6.5 Llama a 3 psi con 25 agujeros sin entrada de aire. ....................................................... 120 Figura 6.6 Llama a 3 psi con 25 agujeros y con entrada de aire. ................................................... 120 Figura 6.7 Llama a 3 psi con 15 agujeros sin apertura de aire. ..................................................... 121 Figura 6.8 Llama a 5 psi con 15 agujeros y entrada de aire. ......................................................... 121 Figura 6.9 Llama a 5 psi con 15 agujeros longitudinales y entrada de aire. ................................... 122 Figura 6.10 Temperatura alcanzada a 5 psi. ................................................................................. 122 x
Figura 6.11 Gráfico primera prueba temperatura de cámara y temperatura de chimenea. ..............124 Figura 6.12 Gráfico primera prueba temperaturas externas del horno ...........................................126 Figura 6.13 Gráfico de resultados segunda prueba temperatura de cámara y de chimenea ............127 Figura 6.14 Interior del horno en funcionamiento. .......................................................................128 Figura 6.15 Gráfico de resultados tercera prueba temperatura cámara y chimenea. .......................129
xi
xii
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 2.1 Dimensiones y características principales de los cilindros portátiles de gas LP. ............. 10 Tabla 2.2 Coeficientes de dilatación térmica [Diseño en ingeniería mecánica de Shigley] ............. 16 Tabla 3.1 Detalle de partes del diagrama horno Buzzer #54 [Catálogo del fabricante] ................... 18 Tabla 3.2 Propiedades térmicas del concreto refractario Ultra-80 [Catálogo Thermal Ceramics] ... 20 Tabla 3.3 Propiedades térmicas del concreto refractario K-100 [Catálogo Thermal Ceramics] ...... 20 Tabla 3.4 Pérdidas de calor en configuraciones de refractario y aislante según espesores [Anexo 1: Primer Avance: Diseño de Horno para Templado] ........................................................................ 21 Tabla 3.5 Temperatura en la cara interna de la configuraciones de refractario y aislante según espesores [Anexo 1: Primer Avance: Diseño de Horno para Templado] ........................................ 21 Tabla 3.6 Temperatura en la cara externa del horno para la configuraciones de refractario y aislante según espesores [Anexo 1: Primer Avance: Diseño de Horno para Templado] .............................. 22 Tabla 3.7 Propiedades térmicas manta cerámica Inswool HTZ 6#................................................. 22 Tabla 3.8 . Pérdidas de calor para diferentes espesores de manta cerámica [Anexo 1: Primer Avance: Diseño de Horno para Templado] ................................................................................... 23 Tabla 3.9 Temperatura en la superficie externa del horno de ser construido en su totalidad de manta cerámica [Anexo 1: Primer Avance: Diseño de Horno para Templado] ......................................... 23 Tabla 4.1 Propiedades físicas y térmicas de la manta cerámica. .................................................... 81 Tabla 4.2 Propiedades físicas y térmicas de los ladrillos refractarios y aislantes. ........................... 82 Tabla 6.1 Resultados primera prueba temperatura interna y salida de chimenea. ..........................123 Tabla 6.2 Resultados primera prueba temperaturas externas. .......................................................124 Tabla 6.3 Resultados segunda prueba temperatura de cámara y chimenea ....................................127 Tabla 6.4 Resultados tercera prueba temperatura de cámara y chimenea ......................................129
xiii
xiv
CAPÍTULO 1: GENERALIDADES 1.1.
Justificación de la investigación
En muchos campos de la industria salvadoreña se utilizan piezas de acero herramienta, un ejemplo son los punzones y matrices que utilizan las maquinas troqueladoras para producir láminas perforadas, estas piezas fabricadas en aceros herramientas deben de ser capaces de perforar láminas de acero y hacerlo repetidas veces antes de desgastarse o fallar, por estas cualidades de dureza y resistencia al desgaste se utilizan aceros herramienta. En el país hay muy pocos laboratorios que se dediquen a la investigación y realización de tratamientos térmicos en estos aceros, ya que requieren de altas temperaturas, normalmente entre 1000ºC y 1200ºC, y otros cuidados especiales para hacerlos de manera correcta. Para la realización de estudios sobre los tratamientos térmicos en aceros herramienta, se precisa diseñar y construir un horno capaz de proporcionar las condiciones óptimas para trabajar con estos metales. 1.2.
Alcances de la investigación
Se busca diseñar y construir un horno de gas propano que tenga la menor perdida de calor por sus paredes y consiga alcanzar los 1200ºC, temperatura que asegura el templado en la mayoría de aceros herramientas. Manteniendo una temperatura relativamente baja en las paredes exteriores para evitar futuros accidentes para los operarios. La diferencia de temperatura entre la salida de los gases de combustión por la chimenea y la temperatura dentro de la recámara del horno debe de ser la mayor posible para evitar fuga de calor y daños en los componente de la chimenea. 1.3.
Limitaciones Escasa información acerca del diseño de hornos a gas propano y con quemadores atmosféricos para tratamientos térmicos
Poca información sobre el uso y manejo de gas propano industrial.
Largo proceso para la adquisición de materiales y servicios.
Falta de materiales en el país.
1
1.4. Objetivos 1.4.1.
General
Realizar el diseño y construcción de un horno con quemador atmosférico que funcione a base de gas propano para poder realizar tratamientos térmicos a aceros especiales, llevándolos a una temperatura de 1200°C. 1.4.2.
Específicos
Diseño de un sistema de distribución de llama eficiente que supla la necesidad calorífica del horno.
Diseñar un sistema seguro para el suministro de gas propano.
Lograr la disposición ideal de materiales para minimizar las fugas de calor y conseguir una temperatura aceptable en las paredes externas del horno.
1.5. Antecedentes El horno forma parte de un proyecto financiado por la Universidad Centroamericana José Simeón Cañas, “Evaluación de la calidad metalúrgica de aceros herramienta y aceros rápidos tratados térmicamente en atmosfera inerte”, un grupo de investigadores había realizado un estudio sobre el comportamiento de los materiales aislantes con los que se puede construir el horno. Para mayor detalle de la investigación presentada con anterioridad ver Anexo A “Primer Avance: Diseño inicial del Horno de Templado”.
2
CAPÍTULO 2: MARCO TEÓRICO 2.1. Hornos para tratamientos térmicos. Para cada uno de los diversos tratamientos térmicos que se pueden realizar se cuenta con hornos especializados para cumplir de manera óptima estos procedimientos. Un horno para tratamiento térmico, es una máquina cuyo fin es llevar a los metales a las temperaturas requeridas para poder realizarles un tratamiento térmico determinado. Los tratamientos térmicos más comunes utilizados en los tratamientos térmicos de aceros son: templado, normalizado,
revenido, recocido. A continuación se amplía más acerca de cada tratamiento
térmico. 2.1.1.
Templado.
El proceso de templado o temple realizado en una acero consiste en incrementar la dureza y resistencia al desgaste. El tratamiento se realiza calentando el acero a una temperatura pre-determinada y enfriándolo en un medio adecuado, generalmente aceite o aire. Esto produce que la micro estructura cambie y aparezca un nuevo constituyente denominado martenzita, que aumenta sustancialmente la dureza inicial. 2.1.2.
Revenido.
Este tratamiento mecánico sirve para la modificación de la dureza del material obtenida en el temple así como también su resistencia mecánica. Este tratamiento se realiza después del temple y a una temperatura seleccionada por debajo del punto crítico del diagrama de equilibrio, secundado de un enfriamiento controlado. Puede ser de dos tipos: si el enfriamiento es rápido se obtendrán resultados de elevada tenacidad; en cambio sí el enfriamiento se realiza de manera lenta se reducen las tensiones producidas por el cambio de la temperatura durante el temple, las cuales pueden producir deformaciones en la pieza. 2.1.3.
Recocido.
Este es un proceso de tres etapas el cual es empleado para eliminar las tensiones internas producidas por tratamientos térmicos, procesos de conformado o procesos de maquinado previos realizados en la pieza a tratar. En el caso de los aceros este proceso es empleado para el ablandamiento y facilitar cualquier proceso de mecanizado que se le desee practicar.
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La primera etapa de este proceso consiste en llevar el material hasta una temperatura de recocido, la cual depende de cada material, en la siguiente etapa se procura mantener el material a esta temperatura por un tiempo determinado, para luego en la última etapa dejar enfriar el material en el interior del horno, apagando el horno y esperando a que este llegue a temperatura ambiente al mismo tiempo que lo hace el horno. Existen 3 tipos de recocido: Recocido de eliminación de tensiones: se eliminan las tensiones internas mediante el calentamiento del material a una temperatura aproximada de 550 y 665°C, con un período de temperatura contante que se comprende entre 30 y 120 minutos. Recocido de ablandamiento: como su nombre lo dice, es empleado para ablandar el material y facilitar su maquinado, la temperatura debe elevarse a un rango de entre 650 y 750°C y dejarse entre 3 y 4 horas antes de proceder al proceso de enfriamiento lento. Recocido normal: su fin es reducir el grano de la microestructura, se compensan las deformaciones producidas tanto por trabajo en frio como trabajo en caliente, las temperaturas a las cuales es llevado el material se encuentran en un rango entre 750° y 980°C. 2.2. Tipos de hornos. Los hornos para tratamientos térmicos pueden clasificarse de dos formas, de acuerdo al medio que utilizan para realizar el calentamiento y de acuerdo al manejo del material en el interior del mismo. De acuerdo al medio para realizar el calentamiento tenemos:
Hornos calentados por combustible.
Hornos calentados por resistencia eléctrica.
Hornos de lecho fluido.
Los hornos que queman combustible son los más utilizados en la industria, su simplicidad de funcionamiento los hacen los más utilizados, en cambio los hornos eléctricos poseen la ventaja de ofrecer un control más preciso, el cual es más difícil de obtener con los hornos que queman combustible. Los hornos eléctricos presenta la desventaja que para alcanzar su punto óptimo de operación necesitan de un periodo de tiempo más largo, esto impacta de una forma directa al consumo de
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energía eléctrica. En cambio, los hornos que queman combustible poseen periodos más cortos para alcanzar el punto de operación. El otro aspecto más importante de clasificación de los hornos para tratamientos térmicos es la forma en la que se transportan las piezas en su interior estos pueden ser: hornos con soleras fijas y hornos con soleras móviles. Los hornos con solera fija: son utilizados principalmente en laboratorios o para volúmenes pequeños de piezas a tratar. Poseen una puerta de acceso principal que facilita colocar las piezas de forma manual. Los hornos de solera móvil: de transportador de cadena o de transportador de gusano. Son usados en aplicaciones industriales en los que el tratamiento está pensado para ser parte de una línea de producción. 2.2.1.
Hornos de solera fija e intermitentes para usos generales.
Un horno intermitente es el tipo de uso general, este no necesita de costosos mecanismo de transporte en el interior que soporten altas temperaturas, de estos hornos existe un tipo de horno para cada tipo de tratamiento entre los que podemos mencionar están: 2.2.1.1. De mufla. La mufla no es más que una caja que envuelve a la pieza, utilizan compuertas en forma de guillotina y su recubrimiento aislante lo componen ladrillos refractarios y fibras de cerámica (manta cerámica), estos hornos pueden funcionar tanto con resistencias eléctricas como con quema de combustible, las temperaturas empleadas en estos hornos rondan los 1100°C
Figura 2.1 Horno tipo mufla [www.laboplis.com]
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2.2.1.2. Hornos con sistema de cargado. Estos hornos cuentan con dispositivos para extracción de las piezas, los movimientos permitidos por estas máquinas van desde elevación, traslación, descenso y hasta rotación en 360°. El inconveniente de disponer de este mecanismo de transporte de piezas es que el espacio se ve reducido por lo que para hacer un uso más eficiente de este dispositivo es necesario el uso de varios hornos, así como también tanques para el temple de aceite y agua, mesas de descarga, de piezas y cámaras para enfriamiento. 2.2.1.3. De solera tipo carreta. Estos son hornos en los cuales la base o solera está constituida por un carro que se desplaza hacia afuera del horno sobre unos rieles, este carro es de constitución robusta con revestimiento refractario el cual permite colocar la carga de forma que reciba radiación directa. La construcción de estos hornos tienen la ventaja que se pueden construir hornos de mayor tamaño que los normalmente usados, esto con el fin de poder tratar cargas de grandes longitudes como barras, tubos o piezas fundidas o estructuras soldadas.
Figura 2.2 Horno de solera móvil de carro [news.directindustry.es]
2.2.1.4. De ascensor circular o rectangular Estos hornos comúnmente utilizados para el recocido de fundiciones isotérmicas y maleables, así como también para el solubilizado de aleaciones ligeras que necesita que los tiempos de transporte entre el interior del horno y el tanque de enfriamiento sean los más cortos posibles. Están construidos de manera que el movimiento del carro, sea primero de forma vertical y luego horizontalmente sobre rieles. 6
2.2.1.5. De pozo circular o rectangular Estos hornos verticales pueden tener una sección circular o rectangular que por lo general se utilizan como elementos de calefacción resistencias eléctricas o quemadores de combustible, no contienen ningún dispositivo móvil y los materiales se introducen de manera manual al interior del horno, la tapadera que estos poseen sirve para realizar los tratamientos en atmosfera controlada. Estos hornos pueden ser de dos tipos, con tanque o sin tanque, estos tanques sirven para realizar enfriamiento del material, las configuraciones definen que tipo de tratamientos se pueden realizar, si no se utilizan estos tanques, los hornos se utilizan específicamente para temple y normalizado de aceros, en cambio sí se utilizan los tanques y sin circulación forzada, esta configuración es adecuada para realizar recocido limpio sin descarburación en aceros ordinario y especiales. De ser necesario un recocido brillante para cobre, metales no ferrosos, se puede utilizar también esta configuración.
Figura 2.3 Horno de pozo circular [www.laboplis.com]
2.3. Gas propano. 2.3.1.
Definición.
Primeramente cabe aclarar que el gas propano en un hidrocarburo, el cual se obtiene al procesar el petróleo. El símbolo químico que se utiliza para su designación es C3H8, del mismo modo al ser un
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producto del refinamiento del petróleo este se designa como gas licuado del petróleo LPG por sus siglas en inglés (Liquefied Petroleum Gas) o también gas LP en español. El propano es un alcano compuesto por tres moléculas de carbono se encuentra normalmente en estado gaseoso, el cual puede llevarse a un estado líquido, es un componente del gas natural que se extrae a medida se procesa mediante el refinamiento del petróleo, el propano es una combinación de otros gases entre los cuales se puede mencionar: butano, propileno, buteno, butileno, isobutileno. Por lo general se tiende a decir que es una mezcla de 60% de propano y 40% butano, ya que los demás gases aparecen en un porcentaje muy bajo, según la información proporcionada por el fabricante (Grupo Zeta) 2.3.2.
Características.
Algunas características generales del gas LP son las siguientes:
Se produce en estado de vapor, pero se licúa con cierta facilidad, mediante altas presiones y bajas temperaturas.
No tiene color, es transparente como el agua en su estado líquido.
No tiene olor cuando se produce y licúa, pero se agrega una sustancia de olor fuerte para su fácil detección de fugas, llamada etil mercaptano.
No es toxico, solo desplaza el oxígeno, por lo cual es peligroso exponerse directamente al gas.
Es económico, por su rendimiento en comparación con otros combustibles.
Algunas de sus características físicas se presentan a continuación, tomando en cuenta los dos gases principales que componen al gas LP, el propano y el butano:
Figura 2.4 Características físicas del propano y butano [grupozeta.com]
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2.3.3.
Sistema de suministro y almacenaje.
El gas se suministrará a la instalación mediante el uso de cilindros presurizados de 45 kg los cuales son proporcionados por la empresa Zeta Gas. Estos son conocidos como cilindros portátiles, ya que pueden ser transportados con facilidad hasta el sitio donde se requiere de su utilización, la presentación de estos envases o cilindros vienen desde las 25 libras hasta las 100 libras. Este último es el que se utiliza en la instalación del horno.
Figura 2.5 Cilindro de gas utilizado en el montaje del horno.
Las dimensiones de los recipientes se establecen de acuerdo a la Norma Oficial Mexicana NOM008-SESH/SCFI-2010 la cual establece las siguientes dimensiones:
Figura 2.6 Dimensiones de cilindros portátiles [grupozeta.com]
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Tabla 2.1 Dimensiones y características principales de los cilindros portátiles de gas LP.
DIMENSIONES Y CARACTERISTICAS PRINCIPALES
CAPACIDAD
Kg 10 20 30 45
ALTURA TOTAL
A mm pulg 23.0 a 24.0 566 22 45.0 a 48.0 895 35 68.0 a 73.0 1260 50 102.0 a 108.0 1311 52 Litros
ALTURA DIÁMETRO ALTURA DIÁMETRO ALTURA DIÁMETRO SECCION DEL ARO ARO BASE BASE TARA CILINDRICA CUERPO PROTECTOR PROTECTOR SUSTENTACION SUSTENTACION B mm 375 700 1065 1115
C pulg 14.8 27.6 41.9 43.9
mm 306 298 298 360
D pulg 12.1 11.7 11.7 14.2
mm 160 160 160 160
E pulg mm pulg 6.29 195 7.67 6.29 195.01 7.67 6.29 195 7.67 6.29 195 7.67
F mm 74 74 74 83
G pulg 2.91 2.91 2.91 3.26
mm 280 280 280 340
pulg 11.02 11.02 11.02 13.38
kg 11.3 19.4 26.6 33.8
Una de las observaciones que se realizan es que la construcción de los tanques se realiza en base a normas mexicanas y se manejan unidades del sistema internacional, mientras que aquí en el país se distribuyen en base a medidas inglesas, el que está instalado para el horno es el que se designa de 100 lb, esto se refiere a la cantidad de gas líquido que se encuentra en el interior del tanque. 2.3.4.
Combustión.
El propano reacciona de la misma manera que los alquenos, arde cuando se encuentra en presencia de un exceso de oxígeno, cuando este reacciona libera dióxido de carbono y vapor de agua, en la ecuación 2.1 se muestra la representación de la reacción del propano cuando se produce su combustión (Ec. 2.1) Siempre y cuando se alcancen las condiciones de combustión completa, de los contrario si existe un excedente de alguno de los reactivos, ya sea de propano o de oxígeno en los productos de la reacción ya no solo aparece dióxido de carbono y agua, sino que también monóxido de carbono, en la ecuación 2.2 se encuentra la representación de la reacción química de la combustión incompleta (Ec. 2.2) 2.3.5.
Control y regulación del sistema de gas.
El manejo del propano se debe realizar mediante el uso de tuberías, ya que este es suministrado en cilindros presurizados. Por lo que es necesario realizar una instalación mediante tubería desde el lugar donde se encuentra el tanque de almacenaje, hasta donde se hará uso de este para alimentar el horno.
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La instalación de estas tuberías tiene que hacerse de tal manera que se obtenga un grado de estanqueidad óptimo, pues no es permitido ningún tipo de fuga. La instalación se realizó de la manera más sencilla posible para evitar pérdidas de presión debido a una longitud excesiva del tubo y también a las pérdidas que se produce debida a los accesorios, como lo son los codos, válvulas, manómetros, etc.
Figura 2.7 Instalación de tubería de suministro de gas para el horno.
Para controlar la presión de suministro del gas hacia el quemador, se instaló un regulador de presión a la salida del gas del cilindro de almacenaje.
Figura 2.8 Regulador de presión de suministro de gas.
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La instalación cuenta con dos válvulas de paso las cuales controlan el flujo de gas (con estas válvulas no se puede regular el flujo de gas, solamente el paso), por seguridad se han dispuesto dos, una después de la conexión de alimentación del tanque hacia la tubería de acero, y la otra antes de la conexión del quemador.
Figura 2.9 Válvula de paso de suministro de gas.
El suministro de gas al quemador se realiza por medio de tubería flexible con un acople rápido para su fácil conexión y desconexión.
Figura 2.10 Detalle acople rápido para suministro de gas al quemador.
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2.4. Transferencia de calor Físicamente la transferencia de calor se define como: el proceso en que un cuerpo de mayor temperatura cede energía térmica a otro de menor temperatura. Los equipos de transferencia de calor, entre ellos los hornos, están diseñados tomando en cuenta el análisis de transferencia de calor. Recordando que cuando existe una diferencia de temperatura entre dos cuerpos próximos, la transferencia de calor no se puede anular, solo se puede modificar la velocidad a la que ésta transferencia ocurre, haciéndola más lenta. 2.4.1.
Conducción.
La transferencia de calor por conducción es resultado de la interacción entre un cuerpo más energético con uno menos energético. Se puede dan en sólidos, líquidos o gases. En los cuerpos sólidos se da gracias a la combinación de las vibraciones de las moléculas y al transporte de energía de los electrones libres. La velocidad de la conducción de calor depende de la geometría del cuerpo, su espesor, el material del cual está hecho y de la diferencia de temperatura a través del mismo. La ecuación que describe la velocidad de transferencia de calor por conducción se llama: ley de Fourier de la conducción de calor, la cual se muestra en la ecuación 2.3 (Ec. 2.3) Donde la constante k es la conductividad térmica del material, que es la medida de la capacidad del material para conducir calor. 2.4.2.
Convección.
La transferencia de calor por convección se da por la interacción entre una superficie sólida y un líquido o gas en movimiento. Entre más rápido se mueve el fluido adyacente, mayor será la transferencia de calor. Si no hay movimiento del fluido, la transferencia de calor será netamente por conducción. La transferencia de calor por convección puede ser natural o forzada. Se denomina convección forzada, si el fluido es forzado a fluir por la superficie haciendo uso de medios externos. Por otro lado la convección natural, si el movimiento es causado por las fuerzas de empuje producidas por la diferencia de temperaturas en el fluido.
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La rapidez de la transferencia de calor por convección puede analizarse matemáticamente mediante la ley de Newton del enfriamiento, presentada en la ecuación 2.4 (
)
(Ec. 2.4)
Donde h es el coeficiente de transferencia de calor por convección. 2.4.3.
Radiación.
Es el tipo de energía emitida por la materia en forma de ondas electromagnéticas. A diferencia de la conducción o convección, la radiación no necesita de un medio para llevarse a cabo. En nuestro caso particular nos interesa estudiar la radiación térmica, es el tipo de radiación que emite un cuerpo a causa de su temperatura. Todo cuerpo con una temperatura superior al cero absoluto emite radiación térmica. 2.4.4.
Flama adiabática.
La temperatura de flama adiabática es la máxima temperatura que podrían alcanzar los productos en una combustión ideal, sin perdidas de calor con el medio ambiente. Para su cálculo, el autor Yunus Cengel en su libro Termodinámica, propone un método iterativo en el cual se iguala la entalpía de los productos con la entalpía de los reactivos, haciendo uso de la ecuación 2.5 ∑
(
)
∑
(
)
(Ec. 2.5)
2.5. Resistencia de materiales. A la hora de diseñar una estructura la parte fundamental es saber escoger los materiales con los cuales se construirá dicha estructura. Para hacer la selección del material hay múltiples métodos que se pueden utilizar, uno de los más utilizados es el análisis de esfuerzos. En este método se calculan las cargas que soportara cada parte de la estructura y se determina cuáles son los puntos críticos y se analizan a detalle estos elementos. Para la selección de materiales por medio del análisis de esfuerzos, la propiedad física que mayor importancia cobra es la llamada resistencia del material. La resistencia de materiales según Stephen Timoshenko en el texto “Resistencia de Materiales” la define como: <>
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Los esfuerzos a los que se puede encontrar sometida una estructura pueden ser, esfuerzos por carga o esfuerzos por temperatura. 2.5.1.
Esfuerzos de carga.
Carga es toda aquella fuerza externa al elemento que actúa sobre este. Cada material tiene diferente capacidad para soportar la carga, a continuación se definen dos propiedades básicas para el análisis de esfuerzos.
Resistencia: es la capacidad del material a resistir una carga aun cuando existe una deformación. El material tiende a deformarse con las presencias de cargas actuantes.
Rigidez: denominada así a la capacidad de un cuerpo para resistir el actuar de una carga sin producir deformación alguna.
Ambas propiedades juegan un papel fundamental en la selección de materiales, ya que dependerá de la aplicación así se buscará que el material se deforme ante la carga o no. Las condiciones de cargas conducen a la aparición de reacciones internas en el material, estos efectos son conocidos como esfuerzos y se definen a continuación. Según el autor Richard Budynas, el esfuerzo se entiende como una forma de distribución de fuerza que está actuando en un punto sobre la superficie, esta distribución será única y sus componentes estarán en las direcciones normales y tangenciales; estos serán llamados, esfuerzo normal y esfuerzo cortante tangencial. Los esfuerzos normales se representan por la letra griega σ (sigma) y estos pueden ser de tensión o compresión. Si la dirección del esfuerzo normal es saliente de la superficie se conoce como esfuerzo de tensión, por el contrario si el esfuerzo es entrante se le conoce como esfuerzo de compresión. Los esfuerzos cortantes se designan por la letra griega τ (tau). Las unidades empleadas para denotar un esfuerzo en el sistema internacional son los pascales (Pa) o en su efecto N/m² y para el sistema ingles se utilizan las libras por pulgada cuadrada o psi. 2.5.2.
Esfuerzos por temperatura.
El autor Richard Budynas también menciona que los esfuerzos no solo son producidos por las cargas externas, este es el caso de los esfuerzos que se generan debido al cambio de temperatura. Estos son llamados esfuerzos por temperaturas o esfuerzos térmicos. Se presentan cuando la temperatura del cuerpo se incrementa, esta produce una dilatación en el material, esto provoca un cambio en la deformación unitaria debido a la variación de temperatura, la cual se muestra en la ecuación 2.6 15
( Donde
)
(Ec. 2.6)
es el coeficiente de dilatación térmica para el material y
es el cambio de temperatura al
que es sometido el material. Para cada material se tiene un valor de coeficiente de dilatación térmica algunos de los más usados en el diseño se muestra a continuación.
Tabla 2.2 Coeficientes de dilatación térmica [Diseño en ingeniería mecánica de Shigley]
Material
Escala Celsius (°C)
Escala Fahrenheit (°F)
Acero al carbono
(
)
(
)
Acero al níquel
(
)
(
)
Acero inoxidables
(
)
(
)
Aluminio
(
)
(
)
Hierro fundido
(
)
(
)
Latón
(
)
(
)
Magnesio
(
)
(
)
Tungsteno
(
)
(
)
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CAPÍTULO 3: DISEÑO DEL HORNO A GAS 3.1. Modelo preliminar. Como primer modelo base para el diseño y construcción del horno se observó el desempeño de un horno de la marca Buzzer, modelo #54, que se encuentra actualmente operando en el taller de metalmecánica Tecnomecánica Cuscatlán. Es un horno con una cámara interna de dimensiones muy inferiores a las requeridas por el horno a diseñar. Al igual que el horno a diseñar, este funciona con gas LP y es utilizado para la realización de tratamientos térmicos en piezas pequeñas de acero.
Figura 3.1 Horno Buzzer modelo #54 Tecnomecánica Cuscatlán .
Este modelo no necesita aumentador de presión de gas, tampoco necesita blower ni motores para su funcionamiento. La capacidad de este horno es de 55000 Btu/h con lo que logra alcanzar una temperatura de 2000°F o 1093°C en un tiempo de 60 minutos. La carcasa externa del horno está construida en hierro fundido y acero, el corazón del horno está compuesto por una placa de carburo de silicio, la cual ayuda a transferir el calor a las piezas a tratar, evitando que la abrasión producida por la llama no deteriore dichas piezas, el aislamiento está conformado por ladrillos refractarios. El quemador de gas consta de un mezclador Venturi para producir una llama tipo bunsen azul. Este horno se utiliza para realizar tratamientos térmicos, endurecimientos, recocido, alivio de tensiones, 17
forjado, etc. El fabricante de estos hornos, especifica que este es un horno para forja, pero debido a las características que posee y las temperaturas que alcanza puede ser utilizado para tratamientos térmicos. La construcción de este horno es muy sencilla cuenta solo una capa de revestimiento de ladrillo refractario que funciona como aislamiento térmico, recubierto en las paredes laterales y superior por lamina de acero, y en su parte frontal, posterior e inferior por placas de hierro fundido.
Figura 3.2 Detalle de horno Buzzer #54 [Catálogo del fabricante]
Tabla 3.1 Detalle de partes del diagrama horno Buzzer #54 [Catálogo del fabricante]
Ítem Parte
Material
Descripción La única pieza móvil de todo el horno permite el acceso de los materiales a tratar
A
Compuerta
Hierro fundido
B
Placa frontal
Hierro fundido
C
Base del horno
Hierro fundido
D
Placa posterior Cubierta superior y laterales
Hierro fundido
F
Revestimiento
Ladrillo refractario
Es los que ayuda a conservar el calor dentro del horno.
G
Palanca para abrir compuerta
Acero
Mecanismo que sostiene la puerta para facilitar el ingreso de materiales a tratar
E
Placa de acero
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Son el cuerpo de todo el horno, el de haber sido construidos de hierro fundido es que no sufre de esfuerzos producidos por la fatiga térmica.
H
Bandeja para ingreso de materiales
Hierro fundido
Útil para depositar piezas antes y después del tratamiento
I
Quemador tipo flauta
Acero
Este elemento sirve para hacer una distribución longitudinal de la llama
J
Soporte para quemador
Hierro fundido
Esta pieza sirve para el montaje de la flauta
K
Inspirador de gas tipo Venturi
Hierro fundido
Es el lugar donde se mezclan tanto el aire como el gas
L
Regulador de mezcla aire/LPG
Acero
Es una válvula que restringe la cantidad de aire a la mezcla
M
Protector anti desgaste
El manejo de las piezas genera desgaste, estos ladrillos sirven para Aislante de alta densidad evitar ese desgaste principalmente en la entrada del horno
N
Contrapeso para palanca de apertura de puerta
Acero
O
Pirómetro
P
Chimenea
3.1.1.
ayuda a mantener la compuerta abierta Es el indicador del grado de temperatura que se alcanza dentro del horno
Lámina galvanizada
Tubo que conduce los gases caliente fuera del horno
Requerimientos del diseño.
Para el diseño del horno de tratamientos para aceros herramienta se necesita que este tenga una recamara más grande que la que posee el horno anteriormente descrito. El horno Buzzer realiza un trabajo satisfactorio gracias a su reducida recamara, sin embargo este no puede realizar tratamientos térmicos con atmosfera inerte, que es uno de los fines con los que construirá el horno a diseñar. Las dimensiones que posee el horno Buzzer es de 14.5 x 8 x 4.75 pulgadas y las del horno deseado son de 14x20x10 pulgadas, esto conlleva a realizar modificaciones tanto en las dimensiones del horno así como en la potencia requerida para alcanzar la temperatura adecuada en el interior de la cámara del horno. 3.1.1.1. Prueba de materiales para paredes. Las pruebas preliminares para el comportamiento de los materiales para la construcción del horno se realizaron en base a las siguientes consideraciones:
La temperatura máxima que se puede alcanzar en el interior del horno es de 1300°C. 19
La temperatura ambiente de 20°C.
El coeficiente de convección de 30 W/m2K.
La evaluación consistió en determinar cuáles eran los espesores óptimos para una combinación de concreto refractario y aislante para las paredes internas del horno y reforzarlas con un aislamiento proporcionado por manta cerámica con el fin de reducir espesores hasta alcanzar el más óptimo. Combinación refractario y aislante: Los materiales con los que se realizaron las evaluaciones son concreto refractario denso Ultra-80 y el concreto refractario aislante K-1000. Refractario de alta densidad Ultra-80: Temperatura máxima a la cual puede operar: 1649 °C Tabla 3.2 Propiedades térmicas del concreto refractario Ultra-80 [Catálogo Thermal Ceramics]
T (°F) 500 1000 1500 2000
Btu-plg/h-p2°F 5.6 6 6.3 6.4
T (°C)
W/mK
260 537.78 815.56 1093.33
0.807688 0.86538 0.908649 0.923072
Refractario aislante K-1000: Temperatura máxima a la cual puede operar: 1000 °C Tabla 3.3 Propiedades térmicas del concreto refractario K-100 [Catálogo Thermal Ceramics]
T (°F) 500 1000 1500
Btu-plg/h-p2°F 1.63 1.83 2.04
T (°C)
W/mK
260 537.78 815.56
0.2350949 0.2639409 0.2942292
Se evaluaron tres aspectos: la temperatura en la cara interna, la temperatura en la pared exterior y las pérdidas de calor a través de los espesores de la configuración de la pared.
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Tabla 3.4 Pérdidas de calor en configuraciones de refractario y aislante según espesores [Anexo 1: Primer Avance: Diseño de Horno para Templado]
Pérdidas por paredes (W) L aislante (m)
0.025
0.025
9337.41
9029.51 8738.61 8473.73 8236.13
8024.14 7835.14 7666.37
7515.26
0.05
6639.94
6831.24 6934.41 6978.86 6984.89
6966.20 6932.00 6888.43
6839.55
0.075
5368.70
5676.26 5899.93 6058.99 6169.22
6242.97 6289.67 6316.42
6328.51
0.1
4627.99
4963.47 5228.59 5435.43 5595.08
5717.07 5809.26 5878.02
5928.40
0.125
4142.45
4479.29 4757.39 4984.62 5168.85
5317.30 5436.31 5531.25
5606.58
0.15
3799.28
4128.68 4408.24 4643.36 4839.78
5003.07 5138.33 5250.04
5342.09
0.175
3543.69
3862.92 4139.05 4375.95 4577.98
4749.52 4894.73 5017.39
5120.84
L refractario (m) 0.05
0.075
0.1
0.125
0.15
0.175
0.2
0.225
0.2
3345.82
3654.44 3925.10 4160.71 4364.69
4540.59 4691.86 4821.70
4933.01
0.225
3188.05
3486.47 3750.92 3983.69 4187.55
4365.43 4520.26 4654.79
4771.55
0.25
3059.26
3348.21 3606.34 3835.52 4038.06
4216.46 4373.21 4510.73
4631.27
0.275
2952.10
3232.39 3484.38 3709.66 3910.21
4088.19 4245.79 4385.14
4508.25
0.3
2861.54
3133.95 3380.11 3601.41 3799.60
3976.58 4134.30 4274.66
4399.48
0.325
2783.98
3049.24 3289.92 3507.31 3702.96
3878.58 4035.93 4176.73
4302.62
0.35
2716.79
2975.56 3211.15 3424.75 3617.80
3791.85 3948.49 4089.31
4215.81
Tabla 3.5 Temperatura en la cara interna de la configuraciones de refractario y aislante según espesores [Anexo 1: Primer Avance: Diseño de Horno para Templado]
Temperatura interna del aislante (°C) L aislante (m)
0.025
0.05
0.075
0.025
1014.16
807.97
656.33
542.50 455.40 387.56 333.87 290.76 255.70
0.05
1096.74
927.76
789.22
676.14 583.72 507.86 445.23 393.18 349.60
0.075
1135.65
990.69
865.42
758.37 667.36 590.10 524.44 468.48 420.61
0.1
1158.33
1029.53
914.87
814.11 726.24 649.90 583.68 526.19 476.21
0.125
1173.19
1055.92
949.58
854.41 769.95 695.36 629.66 571.84 520.93
0.15
1183.70
1075.02
975.29
884.91 803.69 731.09 666.41 608.86 557.68
0.175
1191.52
1089.50
995.12
908.82 830.54 759.92 696.44 639.49 588.42
L refractario (m) 0.1
0.125
0.15
0.175
0.2
0.225
0.2
1197.58
1100.86 1010.88 928.06 852.41 783.68 721.46 665.25 614.52
0.225
1202.41
1110.02 1023.71 943.88 870.58 803.60 742.62 687.22 636.96
0.25
1206.35
1117.55 1034.36 957.13 885.91 820.54 760.75 706.19 656.45
0.275
1209.63
1123.86 1043.35 968.38 899.02 835.13 776.46 722.72 673.55
0.3
1212.40
1129.23 1051.03 978.06 910.36 847.82 790.21 737.26 688.66
0.325
1214.78
1133.84 1057.67 986.47 920.27 858.96 802.34 750.16 702.12
0.35
1216.83
1137.86 1063.47 993.85 929.00 868.82 813.12 761.66 714.18
21
Tabla 3.6 Temperatura en la cara externa del horno para la configuraciones de refractario y aislante según espesores [Anexo 1: Primer Avance: Diseño de Horno para Templado]
Temperatura de la superficie (°C) L aislante (m)
0.025
0.05
0.075
0.1
0.125
0.15
0.175
0.2
0.225
0.025
315.02
265.70
225.86
193.82
168.00
147.06
129.97
115.89
104.20
0.05
200.68
180.92
162.24
145.41
130.61
117.77
106.70
97.18
88.98
0.075
146.47
136.44
126.02
115.95
106.59
98.09
90.47
83.71
77.72
0.1
114.93
109.19
102.80
96.29
89.98
84.06
78.59
73.61
69.10
0.125
94.44
90.93
86.77
82.35
77.91
73.63
69.58
65.81
62.33
0.15
80.16
77.95
75.14
72.03
68.81
65.63
62.55
59.64
56.91
0.175
69.74
68.32
66.38
64.13
61.75
59.33
56.96
54.66
52.48
L refractario (m)
0.2
61.85
60.95
59.59
57.95
56.15
54.28
52.41
50.58
48.82
0.225
55.72
55.16
54.21
52.99
51.62
50.16
48.67
47.20
45.76
0.25
50.85
50.54
49.87
48.96
47.90
46.75
45.55
44.35
43.16
0.275
46.92
46.77
46.31
45.63
44.80
43.89
42.92
41.93
40.94
0.3
43.70
43.66
43.35
42.84
42.20
41.47
40.68
39.86
39.03
0.325
41.02
41.07
40.87
40.49
39.99
39.40
38.75
38.07
37.37
0.35
38.77
38.87
38.76
38.49
38.09
37.62
37.08
36.51
35.92
Estas evaluaciones se realizaron con el objetivo de encontrar el mejor aislamiento, evitando la mayor pérdida de calor y logrando la mayor temperatura. De las tablas anteriores se obtuvo que la mejor configuración es de 0.15 m de espesor de refractario denso y 0.30 m de refractario aislante, resultando un espesor de 0.45 m o aproximadamente 18 pulgadas. La segunda evaluación es el mismo comportamiento pero sustituyendo la combinación del refractarios con manta cerámica. La manta cerámica utilizada para a evaluación es la Inswool HTZ 6#, los resultados a continuación. Manta cerámica Inswool HTZ 6# Temperatura máxima capaz de soportar: 1343°C Tabla 3.7 Propiedades térmicas manta cerámica Inswool HTZ 6#
T (°F) 600 800 1000 1200 1400 1600
Btu-plg/h-p2-F 0.55 0.73 0.95 1.2 1.55 1.85
T (°C) 315.56 426.67 537.78 648.89 760 871.11
W/mK 0.0793265 0.1052879 0.1370185 0.173076 0.2235565 0.2668255
22
Evaluación de pérdida de calor: Tabla 3.8 . Pérdidas de calor para diferentes espesores de manta cerámica [Anexo 1: Primer Avance: Diseño de Horno para Templado] L aislante pulg.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
L aislante m
0.025
0.05
0.075
0.1
0.125
0.15
0.175
0.2
0.225
0.25
0.275
0.3
0.325
0.35
Calor W
6126
3787
2900
2433
2144
1947
1805
1697
1613
1544
1488
1441
1401
1367
Evaluación de temperatura en la cara externa del horno: Tabla 3.9 Temperatura en la superficie externa del horno de ser construido en su totalidad de manta cerámica [Anexo 1: Primer Avance: Diseño de Horno para Templado] 9
10
1
2
3
4
5
6
7
8
L aislante m
0.025
0.05
0.075
0.1
0.125
0.15
0.175
0.2
0.225 0.25 0.275
0.3
0.325 0.35
T °C
245.6
139.7
98.9
77.3
64.0
55.0
48.6
43.8
40.2
33.1
31.6
37.3
11 35.0
12
13
14
L aislante pulg.
30.3
De la misma manera que con la configuración de aislantes, la característica a evaluar es el efecto aislante que se puede obtener, para este material el espesor optimo en el cual se obtuvieron las menor temperaturas en la cara exterior y la menor perdida de calor a través de las paredes. El espesor optimo obtenido en la evaluación es de 0.35 m o 14 pulgadas. 3.1.2.
Quemador.
El horno necesita de un quemador el cual proporcione la llama necesaria para poder elevar la temperatura dentro de la cámara. El horno que se ha tomado como modelo posee el quemador fuera del cuerpo del horno. Un quemador externo ayuda en la parte de monitoreo de la llama a la hora de regular la cantidad de gas y cantidad de aire suministrado para lograr la llama azul bunsen, la cual es la llama más eficiente para alcanzar la temperatura deseada. Este quemador es del tipo “flauta”, esta denominación por su forma, esta consiste en un cilindro puesto de forma horizontal, en la parte superior lleva una cara plana extruida sobre la cual se disponen cierto número de agujeros por donde saldrá la mezcla aire-gas propano proveniente del inspirador atmosférico tipo Venturi.
23
Figura 3.3 Entrada del quemador a la cámara del horno
La entrada del quemador debe estar en el centro de la cámara el horno así como también estar dispuesta de forma perpendicular al plano de la puerta, ya que encima esta la placa de carburo de silicio. Esta placa posee una alta conductividad térmica, lo que hace es distribuir de una manera uniforme el calor transferido por el efecto de la llama directa en la parte inferior de esta. Al tornarse al rojo vivo esta trasferirá el calor directamente por medio de conducción a la campana o mufla de acero inoxidable en donde estarán colocadas las piezas de aceros a tratar.
Figura 3.4 Placa de carburo de silicio sobre entrada del quemador horno Buzzer #54
24
El quemador debe ser capaz de mantener la altura de la llama con el simple efecto de la mezcla proporcionada por el inspirador, de la investigación previa, se establece que el espesor que debe tener el aislante son catorce pulgadas de manta cerámica, por lo que para que la llama debe sobrepasar una altura siempre de catorce pulgadas. El punto más crítico del diseño del horno es minimizar todos los puntos por los cuales se puedan tener pérdidas de calor. De los cuales los puntos donde se tiene que tomar más consideración, son la puerta y la chimenea. 3.1.3.
Puerta
La puerta al ser un elemento móvil, esta producirá que en la cámara del horno no se logre un sellado hermético. Y debido a su que debe ser fácil de mover, no puede ser demasiado pesada. Otro punto a tomar en cuenta, es que la parte frontal del horno posee el menor espesor de aislamiento en toda la construcción, por lo tanto es importante tomar las precauciones necesarias para evitar una fuga de calor por medio de la misma.
Figura 3.5 Cara frontal del horno es una en conjunto con la pared.
La compuerta es del tipo deslizante, esta encajada dentro de la cara frontal del horno, la cual cuando está cerrada forma parte de toda la cara frontal. Lo que reduce la capacidad del flujo de calor de salir con facilidad por los bordes de la puerta, restringiéndolo a seguir una trayectoria ordenada para poder escapar. El quemador, aunque está afuera de la cámara del horno, esta lo más cerca que se puede de la entrada del horno, la abertura que se tiene es un poco más larga que el largo de la extrusión donde
25
están los orificios de salida, eso con el objeto de minimizar el riesgo que la llama se ahogue por falta de oxígeno, como se puede apreciar en la figura 3.3. 3.1.4.
Chimenea
En el caso de la chimenea, no es una salida directa de los gases de combustión. Esta posee dos entradas reducidas ubicadas en el techo, una en el fondo de la cámara y la otra cerca de la entrada, las cuales fuerzan a los gases de combustión a retornar en el interior antes de poder salir. Luego que entran por los orificios del techo de la cámara estos se conducen hasta el punto en donde los dos ductos se unen en un solo ducto vertical el cual, aunque ahora conduce todo el flujo de gases de combustión, sigue siendo de un tamaño reducido, procurando siempre que el flujo de gases sea posible para evitar cualquier sobrecalentamiento de la cámara por la falta de la evacuación de los gases de combustión.
Figura 3.6 Orificios en el techo de la cámara del horno.
26
Figura 3.7 Chimenea del horno
3.2. Simulación del modelo preliminar. Primeramente en base a las características que debe tener el horno se estableció un modelo el cual servirá para realizar las pruebas virtuales del comportamiento de los materiales ante las condiciones de operación del horno. En primera instancia el modelo según la investigación preliminar que tiene que ser de manta cerámica en su totalidad, pero esto no es posible, pues la estructura necesita un soporte para sostenerse, el cual no lo brinda la manta cerámica. Por otra parte se necesita de un material resistente al desgaste por abrasión debido a la acción directa de la llama, es por eso que el fabricante hace la sugerencia de utilizar ladrillos refractarios densos en las partes que estarán en contacto directo con la llama, también para emplearse para la construcción de la base. Por el hecho que el uso del horno es para un uso pesado, la manta cerámica se desgastaría de forma acelerada, es por eso la manta cerámica se utilizara de manera de que sirva como un recubrimiento aislante final para el horno. Según las recomendaciones hechas por el proveedor de materiales refractarios y aislantes DIDERISA una solución al problema de la falta de soporte interno del horno es utilizar una combinación de dos ladrillos aislantes para la cámara. Los tipos de ladrillos sugeridos por el proveedor son los siguientes:
Ladrillo aislante K-23
Ladrillo aislante K-26
Ladrillo refractario denso 27
3.2.1.
Modelo para simulación
La necesidad de una base que soporte el peso de la cámara del horno hace que el uso de ladrillo refractario denso sea necesario, otro punto en el cual se utilizó este material es en la entrada de la cámara, debido al movimiento y manipulación de materiales, en este punto el desgaste que se presenta para cualquier otro material es considerable.
Figura 3.8 Distribución ladrillo refractario denso en la base y en la entrada del horno
Como se puede observar en la figura 3.8 los ladrillos son colocados de costado, esto es debido a que de esta forma cada uno actúa como una columna corta a compresión, también se evita que pueda generarse cualquier deflexión en los ladrillos que pudiera partirlos a la mitad. También en los costados de la entrada de la cámara de la llama (figura 3.9), el calor tiene que atravesar más material logrando un mejor efecto aislante. La pared colocada al frente es para dos propósitos, crear un bloqueo al calor transferido en la cámara de la llama así como también para soportar la puerta del horno.
28
Figura 3.9 Distribución de ladrillos refractarios vista posterior.
Sobre la base de ladrillo refractario descansa la cámara del horno compuesta por los ladrillos aislantes. La idea es disponer los ladrillos aislantes k-26 como la cámara que estará en contacto directo con la llama y donde se colocarán las piezas a tratar. Estará dentro de una cámara de ladrillo aislante k-23 que descansara sobre la base de ladrillo refractario.
Figura 3.10 Cámara del horno construida con ladrillo aislante k 26. Vista frontal y vista inferior
29
Figura 3.11 Cámara secundaria de aislante k 23. Vista frontal y vista inferior.
La combinación de diferentes tipos materiales aislantes y refractarios permite que se minimice el peso y el tamaño del horno así como también el costo, y se mejora el desempeño y duración, la duración de los materiales al ser sometidos a trabajos pesados es primordial en estos casos.
Figura 3.12 Conjunto de cámaras de ladrillos aislantes k-26 y k-23
La estructura de ladrillos refractarios y aislante montados en su totalidad se pueden apreciar en la figura 3.13.
30
Figura 3.13 Montaje de todos los ladrillos aislantes y refractarios.
El modelo cuenta con las aberturas por donde se conducirán los gases de combustión hacia la chimenea, al tener una cámara de mayor tamaño opta por dejar un solo orificio para la evacuación de los gases de combustión, teniendo en cuenta la necesidad de la recirculación de estos gases en el interior de la cámara del horno, se ha reducido el tamaño de la salida de estos para lograr retenerlos el mayor tiempo posible. Para este fin también se ha optado por la colocación de un obstáculo en el ducto de la chimenea. Toda esta estructura de ladrillos va forrada por una cubierta de manta cerámica con la cual se lograra el mismo efecto aislante que con siendo toda la pared de manta cerámica.
Figura 3.14 Disposición materiales aislantes y refractarios en el modelo del horno nuevo.
31
Una de las ventajas del software para realizar los modelos es que puede construirse de la manera que se necesite para proceder a las pruebas por simulación. En este caso en la figura 3.14 se puede apreciar la forma que adoptara la manta cerámica una vez instalada en la carcasa del horno. La compuerta será de apertura deslizante hacia arriba como la que posee el horno Buzzer #54 (figura 3.1), esto para que la puerta sea parte de la pared frontal y ayude a minimizar las pérdidas de calor a través de esta, la ventaja es que la puerta tendrá ladrillo refractario denso, esto para evitar el desgaste que se generara a la hora de abrir y cerrar la compuerta.
Figura 3.15 Puerta deslizante del horno.
Todo el conjunto de aislantes y refractarios necesita de una estructura de sostén, estará compuesta por tres piezas hechas de hierro fundido, debido a su resistencia a los esfuerzos provocados por los cambios de temperatura que experimentara el horno en sus puntos más críticos. Estas son la placa base donde se montaran todos los ladrillos, la cara frontal y trasera (semejante al horno modelo Buzzer #54) y también la compuerta estará hecha de hierro fundido por el hecho que está en un punto en donde tendrá flujo de calor proveniente del interior de la cámara. Las tres piezas más grandes son la placas frontales y trasera, estas en conjunto con la base son las que soportaran todo el peso de la estructura, para su unión se realizará mediante la instalación de cuatro pernos de fijación que irán en las cuatro esquinas de las placas frontal y posterior, a esto se le agregarán cuatro refuerzos en los laterales donde se fijaran las láminas de acero donde se montará la manta cerámica.
32
La placa base de hierro fundido descansará sobre unas pestañas salientes de la cara frontal y posterior. Ya que la cámara del horno debe quedar a una altura ergonómica para la persona que lo está operando. Necesita de patas las cuales son prolongaciones de las caras frontal y posterior, estas patas necesitan de un refuerzo para que no cedan ante el peso del horno, por lo que se diseñan en forma de ángulo para que no sufran de pandeo por la distribución del peso del horno, y que la mayor parte del peso estará en la parte frontal. El detalle de las pestañas que soportan la placa base se pueden apreciar en la figura 3.18 y las patas del horno en la figura 3.19.
Figura 3.16 Estructura de soporte para horno.
La puerta necesita de un soporte donde pueda correr cuando esta esté levantada, es por eso que se colocara un cajón de hierro fundido que llevara unos canales en las caras laterales internas para que las muescas de la puerta encajen y pueda correr. En la figura 3.17 se muestra con más detalle el cajón donde correrá la puerta.
33
Figura 3.17 Cajón con correderas para la puerta del horno.
Figura 3.18 Pestañas para soporte de placa base
Figura 3.19 Refuerzo patas del horno
34
EL software para analisis estructural es el mismo con el que se modeló el horno, Autodesk® Inventor 2013, y para el analisis termico se utilizó Simulation CFD 2013 siempre de Autodesk®. Para la realizacion de las simulaciones los programas cuentan con ciertas restricciones las cuales fuerzan a simplificar los modelos, ya que para realizar los cálculos necesarios y precisos se necesitan muchos mas recursos de los que cualquier equipo disponible para el desarrollo de la investigacion, las simplificaciones se detallan a continuación. 3.2.2.
Análisis térmico.
Autodesk® Simulation CFD es un software que proporcionó una herramienta flexible para la simulación precisa de flujo de fluidos y trasferencia de calor, para predecir y validar el comportamiento y mejorar los diseños antes que estos sean fabricados. De los dos análisis, el que requirió más simplificaciones es este, pues el programa necesita varias simplificaciones las cuales reducen los detalles que pueden tener los modelos originales. Las simplificaciones que se realizaron son:
El modelo no debe contar con demasiados detalles, en cuanto a elemento de tamaño reducido se refiere, ya que al momento de generar la malla los nodos para el cálculo se concentran en estos elementos, lo que provoca que el cálculo tarde demasiado por la cantidad excesiva de nodos o también que el cálculo no converja significando tiempo perdido al resultar un análisis incompleto.
El programa funciona para transferencia de calor mediante flujos, por lo que las simulaciones que implican liberación de energía mediante reacciones químicas, como la combustión, se dejan aproximadas a la transferencia de calor mediante el flujo de aire caliente y cuerpos generadores de calor mediante radiación.
Las simulaciones son realizadas con modelos de estados estables, el factor tiempo no es considerado.
El análisis se realiza en espacios confinados, los ambientes tienen que tomarse como espacios cerrados, de otra forma los flujos sufren de recirculaciones indeseadas que afectan los resultados de las simulaciones.
Como se mencionaba anteriormente, las simulaciones de la cámara del horno son bastantes simplificadas y sus condiciones son aproximaciones a los fenómenos reales, los cuales se presentaran a medida el horno se encuentre trabajando
35
Primeramente el horno es una estructura compuesta por la configuración de los ladrillos, pero para el programa un incremento en el número de superficies que se encuentran en contacto, esto genera demasiadas interfaces, y entre cada interface se generan bordes internos, estos bordes hacen que se concentre una gran cantidad de nodos lo que pone en peligro la convergencia del cálculo, pues la malla no es uniforme en estos puntos. Una solución inteligente para anticiparse a este inconveniente es que se deben fundir todos los ladrillos de cada material en un solo cuerpo solido así reducimos la cantidad de interfaces y la cantidad de bordes internos.
Figura 3.20 Bloques solidos Figura de 3.20. materiales para simulación.
Una vez teniendo el modelo simplificado se procede a establecer las condiciones de operación, para establecerlas en los parámetros de la simulación. Las condiciones de operación que emplearemos serán las siguientes.
La potencia necesaria para llevar la cámara del horno a 1200 °C es de 15 kW o 51 227 BTUH de acuerdo con los parámetros obtenidos en la investigación previa.
La temperatura de la llama se obtuvo de pruebas preliminares con un inspirador tipo Venturi marca Hauck de 1 ½”, capaz de generar 150.000 BTUH máximo.
Para la transferencia de calor en el interior del horno se necesita un coeficiente de película o coeficiente de convección, como este horno funciona con convección natural, se utiliza un factor e convección de 25 W/m2K debido a las altas temperaturas en el interior del horno.
El flujo de entrada de aire tendrá una velocidad de 3.5 m/s esta es la velocidad que debe alcanzar la mezcla de aire-gas que sale de la flauta del quemador.
36
Al modelo se le necesita crear el espacio donde pasará el flujo de aire, debido a que el programa necesita de un cuerpo para asignarle material, es por eso que se llena el espacio que queda dentro de la cámara del horno con las mismas herramientas que facilita Autodesk® Simulation CFD. En la figura 3.21 se muestra el espacio que hay que llenar al cual servirá para hacer pasar el flujo de aire.
Figura 3.21 El espacio del interior de la cámara del horno
Al llenar el espacio que va desde la entrada de la llama hasta la chimenea se crean tres volúmenes los cuales se muestran en la figura 3.22.
Figura 3.22 Volúmenes solidos creados para asignar espacio de aire dentro del horno
37
Una vez teniendo los volúmenes que servirán para aire, se asignan todos los materiales a los distintos bloques que constituyen el modelo. El material asignado se encuentra detalla por colores en cada una de las figuras 3.23, 3,24 y 3.25.
Figura 3.23 Asignación de materiales
Figura 3.24 Asignación de materiales
38
Figura 3.25 Asignación de materiales.
Las condiciones de operación o condiciones de frontera se asignan en las superficies de los volúmenes de aire y en la placa que se encuentra en el interior del horno. La temperatura de la llama es de 1120 °C la cual para el análisis se encuentra en la cámara de llama y en la cara inferior de la placa del interior de la cámara del horno. La manera más fácil para establecer estas condiciones de frontera es utilizar los volúmenes de aire, debido a que el programa asocia como una sola frontera siendo la superficie del ladrillos k-26 en el interior de la cámara del horno o la cara adyacente del volumen de aire a la cara de los ladrillos aislantes, sea cual sea la que elijamos, pero si estas fronteras son compartidas por dos materiales no importa a quien se le asigne, estas siempre cumplirán. Por lo tanto para la temperatura de la llama se utiliza en volumen de aire mostrado en la figura 3.26.
Figura 3.26 Temperatura de llama 1120 °C.
39
La simulación cuenta tanto con la generación de calor y la cámara de la llama con una temperatura establecida, estas consideraciones se han colocado debido a que el aire que se introduce al interior del horno proviene del exterior, por defecto la temperatura ambiente son 25 °C, de no colocar esta temperatura, en el interior del horno se tendría un efecto de enfriamiento el cual impediría que la generación de calor eleve la temperatura de la cámara del horno. Ahora bien el calor necesario para elevar la temperatura de la cámara del horno son 15 kW, esto es lo que debería de generar la llama al momento de estar en funcionamiento, para esto servirá el volumen de aire que llena la cámara del horno figura 3.27.
Figura 3.27 Cámara del horno, ubicación de la generación de calor.
Cabe mencionar que en este caso donde se determina la condición de generador de calor no se utilizan las fronteras sino que se utiliza todo el volumen del aire. Esto es así debido a que para los efectos de la radiación el programa necesita calcular los factores de vista para el cálculo de la transferencia de calor. Para que exista un flujo de aire se necesita establecer donde será la entrada y la salida del flujo, es por eso que la cara donde se encuentra la entrada de la cámara de llama llevara la condición de velocidad de entrada. Y para establecer la salida del flujo, en la salida de la chimenea, la condición de frontera es una diferencia de presión igual a 0 Pa, esta condición es la que el programa reconoce para identificar la salida del flujo.
40
Luego sobre todas las caras de los volúmenes de aire se establece el coeficiente de convección con un valor de 25 W/m2K para la transferencia de calor vía convección. A la placa debe de asignársele la propiedad de radiación
Figura 3.28 Coeficiente de convección se aplica a todas las paredes del interior de la cámara.
El flujo de aire en el interior de la cámara del horno tiene que ser moderado, la velocidad que debe tener el flujo a la entrada de la cámara de la llama es de 3.5 m/s; esto para asegurar que en el interior del horno la transferencia de calor por convección resulte en un efecto de calentamiento, y de no enfriamiento por tener una alta velocidad. Como el programa no puede simular el efecto de una llama, se ha sustituido por un flujo de aire que logre calentarse lo suficiente en la cámara de la llama y pueda estabilizar la temperatura en todo el interior del horno hasta una temperatura de 1200°C. Otra consideración que se toma en cuenta para el análisis térmico, es que la llama, en un horno de tratamientos térmicos, se mantiene hasta la mitad de la altura de las paredes de la cámara interna, es por eso que a la simulación se le ha habilitado la opción de la radiación de las paredes internas de la cámara. La placa de carburo de silicio será otra fuente de radiación, al estar en contacto directo con la llama, gradualmente, alcanzará la temperatura de la llama. Para el ladrillo refractario aislante la emisividad es de 0.9 y para la placa de carburo de silicio es de 0.96. Con todas las condiciones de frontera establecidas el modelo necesita de una malla donde se ubican los puntos o nodos, los cuales el programa utiliza para los cálculos, para ello el programa consta con 41
una herramienta de auto-mallado. Esta herramienta adapta una malla de acuerdo al tamaño del modelo, la cual puede ser editada. Para obtener resultados más precisos se hace uso del regulador de tamaño de malla, en este caso se ajustaría una malla más fina, la cual agrega más nodos por unidad de área, esto implica un aumento en el tiempo que tomará para la obtención de la solución, y para un cálculo rápido, el ajuste se hace para una malla gruesa, los controles del auto-mallado se muestran en la figura 3.29.
Figura 3.29 Controles para el ajuste de malla
Figura 3.30 Malla generada para simulación del modelo preliminar.
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Con la malla adecuada en el modelo solo queda determinar las condiciones de solución, estas son condiciones físicas entre las cuales se pueden elegir, el análisis de flujo o el análisis de transferencia de calor, por separado cada uno o la realización de los dos análisis en conjunto. La selección de cada uno de estos análisis determinará el tiempo que le tome al programa terminar la solución del modelo. Para este caso se utilizarán los dos métodos de análisis al mismo tiempo, tanto el análisis de flujo como el de transferencia de calor como se puede observar en la figura 3.31.
Figura 3.31 Selección del tipo de análisis para la simulación.
Al establecer el análisis de transferencia de calor, tomando en cuenta la radiación, el programa automáticamente calcula todos los parámetros a utilizar, como los factores de vista. Con el tipo de análisis establecido solo hace falta establecer la cantidad de iteraciones que se necesitarán para que el análisis llegue a una solución, como un estándar el programa utiliza 100 iteraciones de base para realizar las simulaciones. En este caso las 100 iteraciones que el programa establece son suficientes para este análisis. 3.2.3. Resultados simulación modelos preliminar. De los resultados obtenidos en la simulación del modelo preliminar, lo más importante es la distribución de temperaturas alcanzadas en el interior del horno, para verificar si la disposición de los materiales refractarios es la correcta. La distribución de temperaturas en un plano longitudinal y la velocidad del flujo de aire en el interior de la cámara del horno se muestran en la figura 3.32.
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Figura 3.32 Distribución de temperatura y velocidad interior horno corte longitudinal
Como se puede apreciar, el interior del horno alcanza la temperatura de operación de 1200 °C, y es posible obtener un máxima de 1385 °C, las velocidades en el interior de la cámara debido a la circulación de aire y por efecto de sobrecalentamiento, han logrado alcanzar un máximo de 28 m/s. Las mayores pérdidas de calor se encuentran focalizadas en la puerta del horno, en donde se obtiene una temperatura máxima de 426.682 °C y una mínima de 93.471 ºC, con un promedio 207.328 °C, y una pérdida de calor de 1146.89 Btu/h. La distribución de la temperatura es lineal, se muestra más detalle en la figura 3.33.
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Figura 3.33 Temperaturas alcanzadas en la puerta del horno desde el borde superior hasta su base, perdida de calor y temperatura promedio
Esto es debido a que la puerta posee un menor espesor de refractario que las otras paredes del horno, incluso la parte de la base también alcanza temperaturas altas por encontrase en contacto directo con la llama del quemador, siendo estos dos y la chimenea los puntos donde se pierde más calor. La distribución de temperaturas en la base se muestra en la imagen 3.34. En la imagen 3.35 se muestra el gráfico con la distribución de puntos sobre la base, desde la cara frontal hasta la cara posterior del horno.
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Figura 3.34 Distribución de temperatura en la base del horno.
Figura 3.35 Distribución de calor en la base del horno desde la cara frontal hasta la posterior.
El valor de temperatura que se obtiene en la base del horno son 1173.64 °C y el mínimo son 25.12 °C (el valor de temperatura ambiente que toma el programa son 25 °C por defecto). La temperatura se distribuye de manera uniforme hacia los costados la forma en que la temperatura decrece se muestra en la figura 3.35. En los costados y en el techo no se da ese problema al presentar un mayor espesor en el material refractario como se puede apreciar en la figura 3.36.
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Figura 3.36 Corte transversal del horno
En la figura 3.36 se aprecia con mayor detalle que el recubrimiento refractario cumple con su objetivo, concentrando el calor en el interior del horno. Las temperaturas que ser alcanza en las paredes laterales y traseras son las siguientes:
Pared externa derecha 25.075 °C.
Pared externa izquierda 25.0151 °C.
Cara externa del techo 55.7581 °C.
Cara posterior 25.05 °C.
Con estos resultados establecen que esta disposición de materiales es apta para alcanzar las temperaturas necesarias para los tratamientos térmicos, ya que el calor se retiene en el interior de la cámara del horno, es posible elevar la temperatura, con el único inconveniente la superficie externa de la puerta alcanza una temperatura bastante alta, pero esta no pone en riesgo la integridad de la estructura de todo el horno.
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Figura 3.37 Modelo preliminar completo
El modelo preliminar abarca un área de 1575 pulgadas cuadradas, con una altura de 82 pulgadas hasta la chimenea y una altura de trabajo, para manipulación de piezas, de 43 pulgadas hasta el borde inferior de la entrada del horno. En este modelo se necesita de la fabricación de piezas de hierro fundido, las cuales se detallas a continuación con sus medidas y pesos. Estas piezas componen la estructura de soporte del horno. Se han diseñado a partir del modelo del horno de forja Buzzer. Se ha elegido que sean de hierro fundido por la resistencia a la abrasión y que soportan mejor los esfuerzos generados por los cambios de temperatura, en este caso son la tensión debido a la dilatación por el incremento de la temperatura y a la comprensión cuando el material se enfría.
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Placa frontal.
Figura 3.38 Cara frontal fundida del horno.
La cara frontal del horno, una de la tres piezas de soporte, posee la muesca donde ira la puerta, siempre de hierro fundido. Sufrirá de cambios de temperatura significante, a diferencia de las caras laterales y la cara posterior del horno, pues el espesor de refractario que se interpone entre ella y la cámara es mucho menor que las otras placas mencionadas. Por lo que estará sometida a un esfuerzo térmico mayor que las otras caras. El peso de esta placa es de 315 lb aproximadamente, y posee un área de 4584 pulgadas cuadradas. Placa base.
Figura 3.39 Base fundida del horno
La placa base del horno sostendrá por si sola el peso de todos los ladrillos refractarios que componen la cámara del horno. Esta base necesita de unos nervios para darle rigidez a la placa y evitar que el mismo peso produzca una deflexión en esta, ponga en riesgo la integridad de la estructura. Posee la entrada de la llama del quemador. Soportara grandes cambio de temperatura y
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estará sometida a desgaste por abrasión de llama. El peso de la placa base es de 210 lb y posee un área de 3360 pulgadas cuadradas Placa posterior.
Figura 3.40 Placa posterior del horno
La tercera pieza del soporte del horno, en conjunto con la placa frontal soportará el peso de la placa base y todo el peso de la cámara del horno. El peso de la placa posterior es de 374 lb, y tiene un área de 1425 pulgadas cuadradas
Puerta y cajón de puerta.
Figura 3.41 Puerta y cajón la de puerta fundidas
La puerta y el cajón de la puerta conforman el mecanismo de sello móvil de la cámara del horno, en la puerta irán colocados los ladrillos refractarios, cuyo fin es que el calor generado se escape lo menos posible. La puerta es de las piezas del horno que más se calentara, debido a que no se puede tener un sello perfecto y que el espesor del material refractario que la puerta posee es mucho menor 50
que el de las otras partes del horno, esta no puede ser de más espesor pues aumentaría su peso y su operación sería más complicada. El peso de la puerta es de 77 lb. El cajón de la puerta, es un complemento del mecanismo de apertura de la puerta, este cajón posee en sus caras interiores dos canales por donde correrá la puerta guiada por unos salientes que se encuentran en las caras exteriores, pues se ha dispuesto que la puerta sea alzada por un cable y un sistema de poleas. El peso del cajón de la puerta es de 87 lb. Si realizamos la suma del peso total del horno con todos los ladrillos y demás aditamentos, se obtiene un peso total de 3520 lb. 3.3. Modelo y simulación del quemador. Tomando como base el quemador que posee el horno Buzzer #54, se diseñó la pieza encargada de la distribución de la llama dentro del horno, llamada flauta del quemador o simplemente flauta. Esta tiene un diámetro interno de 1 ½ pulgadas, en la parte superior del tubo se instaló una platina de longitud de 15 pulgadas y 3 pulgadas de ancho. En esta platina se colocaron 29 agujeros con un diámetro de ¼ de pulgada, que será por donde saldrá la mezcla de aire-gas. Se realizó una primera simulación en el programa CFD de Autodesk® para observar la diferencia de presión, entre la entrada de la flauta y la salida por los agujeros. Esta simulación se realizó con aire nada más, ya que el software no permite hacer mezcla de fluidos.
Figura 3.42 Distribución de presiones dentro de la flauta del quemador.
Se puede observar en la figura 3.42 que conforme el aire se va acercando a la salida de la flauta la presión tiende a elevarse, ya que el área de salida es menor que la de entrada, lo cual se traducirá en
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un incremento de le velocidad. La entrada del aire es aproximadamente a 12 psi y la presión a la salida por los agujeros es aproximadamente de 16 psi. Después de esta primera simulación se decidió realizar una nueva pero haciendo uso de otro software, en este caso se optó por realizarla en Ansys®. Este software si permite el uso de mezcla de fluidos, por lo cual se pudo colocar como fluido de entrada una mezcla de aire-gas, con descarga hacia el ambiente (aire).
Figura 3.43 Distribución de velocidades en la flauta.
Esta segunda simulación se realizó para poder observar el comportamiento de la velocidad de la mezcla aire-gas, tanto en el interior como en el exterior de la flauta. En la figura 3.43 se puede observar la variación de la velocidad desde la entrada de la flauta hasta la salida al ambiente. La altura máxima a la que se midió la velocidad fue 14 pulgadas. La velocidad de entrada a la flauta es aproximadamente 50 metros por segundo, a 1 pulgada luego de salir de la flauta es de 40 metros por segundo aproximadamente y a 14 pulgadas la velocidad cae hasta5 metros por segundo. 3.4. Correcciones. Según las especificaciones bajo las que está fabricado el horno que se empleó como modelo base fue diseñado para forja no para tratamientos térmicos. El horno en si se compone de dos estructuras principales, las cuales son:
La estructura de soporte.
La estructura de aislamiento de calor. 52
La complejidad de estas estructuras es que una depende de la otra. Una es la encargada de soportar la cámara y el quemador del horno, y la otra es la que contendrá todo el calor generado por el quemador y por el inspirador Venturi con el fin de mantener las temperaturas requeridas para la realización de los tratamientos térmicos, en este caso alcanzar 1200°C y mantenerlos el tiempo requerido y poder realizar el proceso de templado de una manera correcta. La estructura de soporte debe tener la capacidad de resistir las expansiones y contracciones del horno debido a los cambios de la temperatura. Debe ser capaz de aguantar las tensiones generadas por estas expansiones, la estructura debe distribuir los esfuerzos internos de manera uniforme para que no se vea afectada por la concentración de esfuerzos y ponga en riesgo la integridad del horno. Es por esto que el modelo terminado se sometió a la evaluación de una persona que posee vasta experiencia en el campo de la metalúrgica, y familiarizado con los hornos para tratamientos térmicos. Del modelo preliminar el primer punto que se destacó es de la carencia de un sistema de sujeción para el techo de la cámara, al no poseer los medios necesarios para la construcción del techo mediante el uso de un solo bloque, la colocación de todos los ladrillos necesarios resultaría demasiado complicado y pesado, obligando que el modelo tuviera más refuerzos, lo que agregaría peso adicional. Otro aspecto por el que se optó por el cambio del modelo del horno es debido a las placas de hierro fundido, estas placas al poseer una gran área y un espesor bastante reducido, generarían demasiados inconvenientes. Para dejar una acabado perfecto a una pieza de este tipo sería demasiado tardado y, de acuerdo con los talleres de metalurgia que podrían fabricar las piezas, no se cuenta con los medios necesarios para garantizar que las piezas fueran de alta calidad, lo que se traduciría en una incertidumbre en el período de duración de las piezas en funcionamiento, antes de darles mantenimiento o que estas fueran a fallar en el proceso. Otro punto es que el sistema del manejo de apertura y cierre de la puerta sería demasiado complicado, pues necesitaría un sistema de contrapesos y poleas, y es posible que no pueda ser accionado de forma manual debido al peso que la puerta posee. Por último La estructura de los refractarios estaría prácticamente suelta, el espacio de manta cerámica es demasiado grande, está por su densidad no haría ninguna presión sobre la estructura de ladrillos, dejándola libre y propensa a que le pudiera ocurrir cualquier daño a la estructura.
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3.4.1.
Estructura de soporte.
Es la columna vertebral de todo el diseño, necesita ser lo más resistente posible y debe tener la capacidad de soportar la cámara del horno, la cual está construida de distintos materiales entre los cuales hay refractarios y aislantes. También debe poseer la capacidad de resistir a las tensiones y compresiones generadas por los cambios de temperatura, debido al efecto de la generación de calor la cámara. Este calor escapará por cualquier lugar donde se le permita, esto generará un aumento de temperatura en las caras externas del horno, así como también en las partes de la estructura que se encuentren en contacto directo con las zonas donde exista mayor flujo de calor. La idea principal es construir una caja que encierre a la cámara del horno, la cual sirva para soportar el peso de la cámara, ya que esta descansará sobre una placa de acero con excepción del techo, este será suspendido de la parte superior de la estructura. Las aristas verticales de la caja se proyectarán de tal forma que estas sirvan de columnas para sostener toda la estructura a un nivel, con respecto al suelo, que facilite el transporte de las piezas hacia y desde el interior de la cámara del horno. Las columnas principales de la estructura estarán construidas por ángulos de acero estructural, la elección del ángulo es debido que con ese perfil se le brinda una mayor rigidez a la estructura, y reducimos el riesgo de pandeo que puedan llegar a sufrir las columnas, debido al peso que va a soportar. También son importante los refuerzos de la caja principal o nervios, estos tienen que ser de platina de acero del mismo espesor que los ángulos estructurales, esto con el fin de una mejor distribución de los esfuerzos internos en las estructura y reducir la aparición de cualquier concentrador de esfuerzo que comprometa tanto la resistencia como la estabilidad de la estructura principal. Si la estructura solo fuera para sostener el peso de los ladrillos, no serían necesarios los nervios, pero estos son necesarios para que cuando el horno se someta a tensión o compresión debido a los cambios de temperatura, las expansiones y contracción se realicen de forma uniforme. La construcción de esta estructura implica que todas las piezas que tienen que ir soldadas, por lo que se ha realizado la elección de uso de soldadura por ambos lados de las piezas de las estructuras. Estas piezas tienen no pueden ir traslapadas, pues uno de los objetivos es que la estructura sirva de contención para la cara del horno, y que los traslapes de las piezas no quite espacio a la cámara a la hora del montaje. Las piezas deben poseer biseles en los lugares donde se harán las uniones, el tipo de electrodo que se utiliza para este tipo de soldaduras es el de la denominación 6013, esto debido a 54
que a pesar de ser una soldadura rígida, también puede ser suave, permitiendo que al momento que la estructura se dilate o contraiga por acción de la temperatura la soldadura no falle por fatiga térmica.
Figura 3.44 Modificación de la estructura de soporte
El techo de la cámara del horno estará suspendido por lo que se necesita que esta tenga un refuerzo en el techo de la estructura de soporte. En el techo del horno debe ir la chimenea por donde serán expulsados los gases de combustión, por lo que aparte de soportar el peso muerto del techo de la cámara del horno, también tiene que dar lugar a la instalación de esta chimenea.
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Figura 3.45 Detalle de techo estructural
La estructura que soportara el techo de la cámara del horno, consiste en una lámina de acero la cual estará en el centro de la estructura, la cual posee el agujero de la chimenea. El techo de la cámara del horno se hará empernada y suspendida, es por eso que se necesita de esta lamina, la cual dará el área suficiente para poder hacer los agujeros donde irán colocados los ganchos para la sustentación del techo de la cámara. Para dar una mayor rigidez, la lámina tendrá nervios de refuerzo hechos con platina, las cuales estarán soldadas a la misma, la soldadura de estos nervios no será de traslape sino soldadura a tope con bisel por ambos lados. De la estructura principal de ángulo estructural, también se empleará para sostener la base en donde asentará la cámara del horno. Es en esta parte donde se concentrará el mayor esfuerzo en la estructura pues todo el peso esta soportado en esta parte.
Figura 3.46 Detalle parte inferior de la estructura de soporte.
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La base donde descansara la cámara del horno estará en contacto con la llama del quemador, por lo que se necesita brindarle a esta base resistencia contra los esfuerzos térmicos a los que será sometida debido a las altas temperaturas, así como a los esfuerzos mecánicos debido a todo el peso que debe soportar. La llama entrará a la cámara del horno desde la parte inferior, se pensó que se debía dejar una sola placa de acero, pero las temperaturas que se alcanzaran son demasiado altas y generaran esfuerzos térmicos demasiado severos debido a la dilataciones producidas por los grandes cambios de temperatura, que a la larga irán deteriorando la placa de acero, así mismo la base de hierro fundido se ha descartado, porque esta compromete la integridad de la estructura del horno, debido a que se adicionaría demasiado peso. Debido a estos dos grandes obstáculos se optó por una combinación de los dos materiales para aprovechar sus propiedades al máximo. Se utilizará una placa de hierro fundido ya que esta resiste más a los esfuerzos generados por las deformaciones térmicas (tabla 2.2), también el hierro fundido posee una mejor resistencia a la corrosión y no necesita de recubrimientos especiales para soportar altas temperaturas.
Figura 3.47 Base de soporte para cámara interna
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La base consistirá en dos placas, una de hierro fundido la cual estará en contacto con la llama y la otra de acero que ayudara a soportar el peso de la cámara del horno, una encajara en la otra de tal manera que se cumplan dos objetivos.
Figura 3.48 Detalle base de lámina y hierro fundido.
La placa de hierro fundido al poseer un coeficiente de dilatación térmica menor que el acero y al poseer un coeficiente de elasticidad también menor que el acero sufre menos esfuerzos térmicos. La placa de acero por sí sola no podría con todo el peso de la cámara del horno sin presentar alguna deflexión, por lo que necesita de una estructura que le brinde una mayor rigidez y mejor distribución del peso, por lo cual es necesario del empleo de marcos. Los cuales servirán para la colocación de las placas de hierro fundido y acero. Cada una de las placas lleva un marco en el borde externo, el marco de la placa de acero contiene al segundo marco que servirá para soportar el marco de la placa de hierro fundido, el marco de esta placa descansara sobre el segundo marco. El marco secundario se compone por una serie de nervios que brindara la rigidez necesaria, así como también permitirá la distribución uniforme de las tensiones generadas por los cambios de temperatura, con más razón en esta parte existen regiones que se encuentran en contacto directo con la llama.
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Figura 3.49 Detalle de los tres marcos de soporte para la base estructural.
Es así como las placas de la base del horno se colocan en la estructura principal, ya que a su vez descansan sobre el marco horizontal que forman los ángulos de acero estructural. En la parte inferior de la base se utilizara el mismo ángulo para prevenir que el peso del horno separe las columnas, agregando mayor rigidez a la estructura principal. 3.4.2.
Estructura de contención de calor
El diseño de un horno de tratamientos térmicos empieza con las medidas de la cámara interna que se requiera, de ahí se parte para ver cuál será la disposición de material refractario a utilizar y cuanto se utilizará. Las medidas de la cámara del modelo preliminar son de 14 x 10 x 20 pulgadas, las medidas corregidos son de 10 x 12 x 22.5 este cambio se hizo para utilizar todos los ladrillos enteros y evitar recortar cualquier ladrillo. Los primero ladrillos a utilizar son los refractarios, el primer cambio que se realizó es reducir el espesor de la base de refractarios de 14 pulgadas a 9 pulgadas, y poniendo los ladrillos de forma vertical, estos actuarán en manera de columnas, pues funcionan bien en compresión, lo que da un mejor soporte y puede soportar más carga sin que estos corran peligro de rajarse.
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Figura 3.50 Disposición ladrillos refractarios TCG-45
Como la cámara interna está en contacto directo con la llama, son estos ladrillos los que compondrán la primera capa, puesto que el ladrillo TCG-45 es un ladrillo refractario denso para uso pesado, propicio para formar las paredes internas de la cámara del horno. La recomendación de las disposiciones de las capas de ladrillos refractarios es la siguiente, siendo la primera categoría los ladrillos densos aptos para soportar el desgaste por abrasión.
Ladrillo refractario denso
Ladrillo aislante 1° densidad
Ladrillo aislante 2° densidad
Ladrillo aislante 3° densidad
Estas disposiciones no se habían considerado para el primer modelo por lo que ahora cuando la llama entra al horno, el calor hace contacto primeramente con el ladrillo refractario. El techo de la cámara al no encontrarse con llama directa y para ahorrar de peso, se opta por la instalación de ladrillo aislante de 2° densidad, este es el TJM-26 el cual es un ladrillo aislante poroso, que cuando se le realiza un raspado de superficie tapa sus agujeros superficiales y crea una
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capa similar al refractario, funcionando como una combinación entre ladrillo refractario y aislante. La forma en la que estos ladrillos se van a colocar se muestra en la figura 3.51. El techo del nuevo modelo del horno ya no tiene una chimenea con una sola salida sino que ahora posee dos ductos para la evacuación de los gases de combustión, los cuales se unen antes de entrar a la chimenea del horno. Las entradas de los ductos se encuentran: una en la parte posterior de la recámara, casi llegando a la pared del fondo, y la otra está casi en la entrada de la cámara interna del horno. Esto se ha propuesto con el fin de retener los gases de combustión más tiempo dentro de la cámara del horno y pueda elevar la temperatura interna a 1200°C o más, en la figura 3.51. Se muestra con más detalle los ductos de la chimenea.
Figura 3.51 Disposición ladrillo aislante TMJ-26 en el techo del horno con chimenea dividida.
Una vez teniendo la capa de los refractarios de 1° densidad en la base y en las paredes, y con la colocación de los ladrillos aislantes de 2° densidad en el techo, se procede a la colocación de los ladrillos de 3° densidad conocidos como Isocel 500. Estos son ladrillos aislantes de apoyo, se ayuda de su porosidad para evitar la transferencia de calor. Estos ladrillos se colocan después de los ladrillos refractario para reforzar su efecto, la disposición de estos ladrillos se muestran en la figura 3.52.
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Como se observa, en ambas disposiciones (TCG-45 e Isocel 500), en la parte de atrás de la cámara estos forman una especie de tapón, esto se debe a que el horno necesita de un lugar por donde entre la termocupla para la lectura de la temperatura en el interior de la cámara y también debe entrar la conexión para la entrada de gas nitrógeno que se utilizara para los tratamientos con atmósfera inerte.
Figura 3.52 Disposición ladrillo aislante Isocel 500
Para finalizar la colocación de los materiales aislante se hará un montaje de 2 pulgadas de manta cerámica para que esta aprisione a los ladrillos, a parte de su efecto aislante les dé mayor seguridad haciéndolos que queden a presión. 3.5. Simulación del modelo corregido. Habiendo establecido las correcciones en el modelo el horno solamente hace falta probar, si bajo las mismas condiciones de operación que tenía el modelo preliminar se puede obtener los resultados deseados, y en qué medida se comporta el nuevo modelo del horno. Las condiciones de frontera son las mismas.
Construir un volumen de aire que servirá como sustituto de la llama dentro del horno,
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La temperatura en la cámara de la llama será de 1200°C
La velocidad de entrada de aire será de 3.5 m/s.
Factor de convección (film coefficient) es de 25 W/m2/K
Para este nuevo modelo se ha hecho un cambio de último momento. La placa de carburo de silicio será sustituida por una placa de hierro fundido. Esto debido a que no hay un proveedor que pudiera facilitarla con la mayor brevedad posible.
El primer paso es la construcción del volumen de aire en el interior del modelo del horno. Se puede observar en el nuevo modelo como se reduce la cámara de la llama y como quedan los ductos para extraer los gases de combustión de la cámara del horno en la figura 3.53.
Figura 3.53 Volumen del aire en el interior del nuevo modelo
La distribución de los materiales en el nuevo modelo se muestra a continuación.
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Figura 3.54 Detalle de materiales del nuevo modelo: carcasa externa
Figura 3.55 Detalle de materiales del nuevo modelo: manta cerámica
Figura 3.56 Detalle de materiales cámara interna del horno
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Figura 3.57 Detalle de materiales: placa base, placa de hierro para conducción y tapón trasero
Con todas las piezas del modelo con sus respectivos materiales establecidos (según detalle en figuras Iron: hierro fundido, Steel: Acero) se procede a establecer las condiciones de frontera exactamente igual que el modelo anterior y se muestran a continuación
Figura 3.58 Condiciones cámara interna
En la figura 3.58 se muestran las condiciones de frontera que debe cumplir el modelo, estas son 15kW de generación de calor, coeficiente de convección de 25 W/m2/K, un factor de emisividad de 0.9. Los ductos de salida de los gases de combustión también tienen coeficiente de convección de 25 W/m2/K
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Figura 3.59 Cámara de llama y placa de hierro fundido.
En la cámara de la llama se tiene que alcanzar una temperatura de por lo menos 1200 °C, las paredes poseen un coeficiente de convección de 25 W/m2/K, como la cara inferior de la placa estará en contacto directo con la llama también se establece que esa cara estará a 1200 °C y toda la placa poseerá una emisividad de 0.8 y también un coeficiente de convección de 25 W/m2/K. Y para establecer el flujo de aire dentro de la cámara del horno. La velocidad de entrada es de 3.5 m/s y la y la presión manometría en la salida de la chimenea corta es de 0 Pa. Una vez establecidos las condiciones de frontera de la misma manera que se realizó con el modelo preliminar, se procede a la creación de la malla del modelo con la ayuda de la herramienta “auto mallado” del programa.
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Figura 3.60 Malla automática generada por el programa.
El detalle de la malla se puede apreciar en la figura 3.61 tanto en el exterior como en el interior del modelo.
Figura 3.61 Malla del modelo en sus diferentes partes externas e internas.
Una vez construida la malla solo falta correr la simulación bajo los mismos parámetros de la simulación del modelo anterior. Flujo y transferencia de calor con radiación activada, establecida la dirección de la acción de la gravedad como se muestra en la figura 3.62
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Figura 3.62 Condiciones de análisis de flujo y térmico
Las iteraciones al igual que la simulación del modelo anterior son 100, estas son las iteraciones que el programa pone por defecto, figura 3.63.
Figura 3.63 Iteraciones para el análisis
Una vez terminado el cálculo que realiza la simulación, las distribuciones de temperatura en el interior del horno tanto transversal como longitudinalmente se muestran a continuación.
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Figura 3.64 Distribución de temperaturas, detalle longitudinal.
Figura 3.65 Distribución de temperaturas, detalle transversal.
La diferencia de temperaturas entre el interior del horno y la chimenea es de aproximadamente 300 °C lo que nos indica que el horno está reteniendo el calor de una manera satisfactoria.
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Como puede observase en la figura 3.64 la transferencia de calor a través de la puerta es menor que la transferencia de calor que se tiene en el modelo anterior. Aunque este punto sigue siendo un punto crítico, debido a la nueva configuración de materiales de la puerta, los cuales son manta cerámica y ladrillo aislante TJM-26, tiene un mejor desempeño que solo poniendo ladrillos refractarios como en el modelo anterior.
Figura 3.66 Distribución de temperatura en la puerta.
Como la puerta es un punto crítico de pérdida de calor, al igual que con el modelo anterior se realizó una distribución de temperatura desde el borde inferior de la puerta hasta el borde superior, de la cual se obtiene el grafico de la figura 3.66. La temperatura máxima es de 131.322 °C y la mínima es de 40.604 °C, el flujo de calor que se obtiene es de 274.959 Btu/h. La parte del nuevo modelo que presenta mayor calentamiento es la base del horno, como la entrada de la llama del quemador no se encuentra en el centro de la placa el tiende a transferirse hacia la parte inferior de la cara frontal en la figura 3.67. Podemos ver la distribución de temperaturas y como estas temperaturas altas alcanzan la cara frontal. Si se realiza otra toma de datos y se grafican desde el borde de la entrada de la llama del quemador hacia el borde exterior que coincide con el borde inferior de la cara frontal se obtiene la gráfica mostrada en la figura 3.68 así como también el calor perdido a través de la base. Siendo la base un conjunto de dos placas, una de acero y la otra de hierro fundido.
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Figura 3.67 Distribución de temperaturas placa base.
Figura 3.68 Temperatura desde la entrada de la llama del quemador hacia el borde inferior de la placa frontal y flujo de calor en la placa base.
Como se puede observar la pérdida en la placa base es de 9014.96 Btu/h, a pesar de eso la temperatura alcanzada en el interior del horno, ha alcanzado niveles máximos de 1473 °C, lo que demuestra la eficacia de la configuración del material refractario, vale aclara que se ha utilizado menor cantidad que en el modelo preliminar. En la cara frontal se presenta una elevación de la temperatura en la parte baja debido a la conducción del calor a través de las láminas de acero. La ubicación de la zona con aumento de temperatura se muestra en la figura 3.69. 71
Figura 3.69 Distribución de calor en la zona baja de la cara frontal.
Figura 3.70 Comportamiento de la temperatura en la parte baja de la puerta y flujo de calor.
La temperatura máxima que se alcanza en la cara frontal es de 615.985 °C y la mínima es de 393.432 °C de donde se obtiene una pérdida de calor de 1520.41 Btu/h. Siendo estos los puntos más críticos en todo el diseño.
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Con respecto a las otras caras laterales del horno se tiene un incremento en la partes bajas de las caras siempre en la parte cercana a la cara frontal del horno como se puede apreciar en los gráficos siguientes las zonas en donde se dan estos incrementos.
Figura 3.71 Incremento de temperatura de la cara derecha del horno.
Figura 3.72 . Incremento de temperaturas cara izquierda del horno.
La cara lateral derecha posee una temperatura promedio de 62.972 °C y un flujo de calor de 1102.23 Btu/h. Temperatura máxima a la que llega el borde inferior es de 210.18 °C
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Figura 3.73 Temperaturas tomadas desde el borde inferior hasta el borde superior de la cara y flujo de calor en la cara derecha
La cara lateral izquierda posee una temperatura promedio de 65.3462 °C y un flujo de calor de 1171.14 Btu/h la temperatura máxima alcanzada en la cara izquierda es de 221.1 °C.
Figura 3.74 Temperaturas tomadas desde el borde inferior hasta el borde superior de la cara izquierda y flujo de calor en la cara izquierda.
La cara posterior posee una temperatura promedio de 39.81 °C La cara superior o carcaza del techo tiene una temperatura promedio de 36.045 °C Con estos datos y las distribuciones de temperatura podemos decir que este modelo esta óptimo para ser fabricado y puesto a funcionar.
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3.6. Simulación de estructura de soporte. Luego de obtener resultados satisfactorios en las simulaciones térmicas, se procedió a evaluar la resistencia de la estructura principal que servirá de soporte para todo el horno. Para realizar esta simulación se calculó el peso total de los ladrillos, aislantes y refractarios, junto con la manta cerámica. Este peso se distribuyó por igual en las caras de los 4 ángulos donde va montada la placa base. Las cargas se aplicaron en forma de presión para que se distribuyera uniformemente en toda el área de ángulo. Las presiones aplicadas a la estructura fueron: 90 psi para los ángulos cortos, es decir los que van transversalmente en el horno, y 70 psi para los ángulos largos, los que recorren toda la longitud del horno.
Figura 3.75 Cargas aplicadas a la estructura de soporte.
Una vez aplicadas las cargas y haber definido el material de toda la estructura en acero al carbono, y haber habilitado el efecto de la gravedad, se inició a simulación.
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Los resultados más relevantes para nuestros fines son: el análisis de deformación de la estructura y el análisis del coeficiente de seguridad en toda la estructura, ya que este valor nos indicará si la estructura es capaz de manejar la carga.
Figura 3.76 Análisis de deformaciones en la estructura de soporte.
Como se puede observar en la figura 3.76 el análisis de deformaciones indica que la máxima deformación que existirá en la estructura es de 0.1059 pulgadas, lo cual es menos de 1/8 de pulgada. Para esta estructura una deformación tan pequeña es aceptable, ya que no compromete en ningún sentido a la estructura.
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Figura 3.77 Análisis del coeficiente de seguridad para la estructura de soporte.
El análisis del coeficiente de seguridad nos arroja resultados satisfactorios, ya que por la distribución de colores que se puede observar el valor mínimo está cerca de 3, es decir que la estructura es capaz de soportar 3 veces la carga aplicada. Con los resultados de ambos análisis se da por aprobada la estructura de soporte y queda lista para su construcción.
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CAPÍTULO 4: CONSTRUCCIÓN DEL HORNO 4.1. Materiales de construcción. Una de las finalidades del horno es que este pueda guardar la mayor cantidad del calor generado por él, para poder alcanzar las temperaturas deseadas en el tiempo deseado, de acuerdo a los tiempos especificados en los diferentes procesos de los tratamientos térmicos Es por esta razón que los materiales con los que se ensamblará la cámara del horno cumplan con todos los requerimientos, y permitan hacer un diseño más eficiente el cual se traducirá en menor peso y menor tamaño. Los materiales de los cuales se compone la cámara del horno son tres:
Manta cerámica.
Ladrillos refractarios 1° densidad.
Ladrillos aislantes 2° y 3° densidad.
Cada uno de estos se ha seleccionado por las diversas características que aportan en la construcción de cámaras o recintos destinados al almacenamiento de calor, como lo es en este caso para la cámara del horno, donde se quiere aprovechar al máximo el calor generado por el quemador para lograr alcanzar los 1200°C. 4.1.1.
Manta cerámica.
La manta cerámica está compuesta de silicato de alúmina, en ciertos casos puede llevar inclusiones de óxidos si así lo requiere la aplicación. Es fabricada con diferentes materiales entre los cuales se mencionan: cuarzo, caolín, pequeños porcentajes de óxido de circonio y alúmina. Todos los materiales que componen a la manta cerámica se funden a temperaturas de entre 1500 y 1800 °C. La temperatura a la que deben ser fundidos los materiales que componen la manta cerámica depende del porcentaje de alúmina que contenga la fórmula. El porcentaje de alúmina se utiliza para poder aumentar el índice de refractariedad de la manta cerámica, este porcentaje determina la capacidad del material a resistir los cambios de temperatura sin que su estructura se modifique. Cuando las fibras cerámicas son fundidas pasan por un proceso de extrusión a través de boquillas especiales con diámetros sumamente finos. Después de la extrusión, las fibras cerámicas son enfriadas súbitamente para adquirir las propiedades deseadas. La manta cerámica posee las siguientes características:
Capacidad para soportar choques térmicos. 79
Reduce las pérdidas de calor a altas temperaturas.
Posee conductividad térmica muy baja
Tiene una alta resistencia a la corrosión
Alto nivel de reflexión del calor.
Fácil manipulación
Baja densidad.
Aplicaciones para manta cerámica. La manta cerámica se utiliza para procesos en los que se requiere una alta resistencia al calor, entre las aplicaciones más comunes tenemos:
Revestimiento y sello de puertas de hornos.
Revestimiento interno de las paredes de hornos.
Aislamiento para tuberías de alta temperatura.
Corta fuegos.
Sellado de tapas para hornos.
Filtrado para altas temperaturas.
Aislamientos de reactores.
Aislamiento de turbinas de vapor.
Aislamiento de turbinas de gas.
4.1.2.
Refractario y aislantes.
Estos ladrillos debido a sus propiedades son utilizados para soportar altas temperaturas del orden de los 1400°C o más, así como también cambios bruscos en las mismas, haciéndolos capaces de soportar el embate de la abrasión. Estos ladrillos se fabrican en base a alúmina, dependiendo de la concentración de esta, así serán las características que los ladrillos posean y como se comportaran frente a las altas temperaturas. Las concentraciones con las que se fabrican los ladrillos refractarios van desde el 36% de alúmina hasta el 99%, también existen los que se fabrican con sílices en vez de alúmina.
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Concentración de alúmina. Al tener una alta concentración de alúmina los ladrillos refractarios adquieren un coeficiente de dilatación térmica muy bajo, lo que hace que estos soporten cambios bruscos de temperatura como por ejemplo, llevarlos a altas temperaturas y luego enfriarlos bruscamente sin que estos llegaran a presentar dilataciones significativas y que pudieran rajarse cuando este se contraiga debido al enfriamiento. Concentración de sílice. Los ladrillos refractarios con alto contenido de sílice pueden soportar altas temperaturas, estos pueden dilatarse de manera considerable si estos son sometidos procesos alternantes y continuos de calor y frio. Estos cambios generan un efecto de desintegración en el ladrillo refractario, a diferencia de los ladrillos con alta concentración de alúmina. Estos ladrillos son empleados en lugares donde se someten a altas temperaturas y continúas. Estos ladrillos se derivan en dos tipos: de alta densidad y baja densidad. Las propiedades de los materiales utilizados en el diseño del horno las siguientes.
Tabla 4.1 Propiedades físicas y térmicas de la manta cerámica.
Manta Cerámica Unidades
Superwool
Densidad media Módulo de ruptura Resistencia a la compresión
kg/m3 MPa
96 0.75
Calor especifico
kJ/kg.K
Característica
MPa 1.113
Conductividad térmica T (°C) 200 400 600 800 1000
W/m.K 0.05 0.09 0.14 0.21 0.29
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Ladrillos refractarios aislantes. Tabla 4.2 Propiedades físicas y térmicas de los ladrillos refractarios y aislantes.
Propiedades ladrillos refractarios aislantes Característica Densidad media Módulo de ruptura Resistencia a la compresión Calor especifico
Unidades kg/m3 MPa MPa
K-23 496 0.82 1
TMJ-26 800 1.5 1.6
TCG-45 1993 2.6 31.44
kJ/kg.K
1.05
1.1
0.841
Conductividad térmica ladrillos refractarios aislantes K-23 TMJ-26 W/m.K T W/m.K T(°C) (°C) 0.13 400 0.25 260 0.16 600 0.27 540 0.19 800 0.3 815 0.22 1000 0.33 1095 1200 0.35
T(°C)
TCG-45 W/m.K
260 540 815 1095
1.61 1.64 1.64 1.64
4.2. Proceso de construcción El proceso de construcción del horno para tratamientos térmicos a gas propano se realizó en dos partes. La primera es la construcción de la estructura de soporte, esta es la estructura que soportara todo el peso del horno, y la segunda etapa es el montaje de todo el material refractario para formar la cámara del horno. 4.2.1.
Construcción de la estructura de soporte.
El proceso inicia con la selección de los ángulos de acero estructural, estos poseen una medida de 3 x 3 x ¼ de pulgada y viene de 6 metros cada uno. Primeramente los ángulos deben cumplir con las medidas establecidas, en la actualidad se ofrecen ciertos ángulos que no posee las medidas que indican tener, lo que se traduce a la hora de la construcción en inconvenientes y retrasos por la necesidad de realizar adaptes en piezas que quedan con las medidas equivocadas.
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La primera tarea es cortar los ángulos para dejar las piezas con las medidas exactas, para la construcción de la caja de soporte principal.
Figura 4.1 Corte del ángulo estructural
Debido al espesor que tiene el ángulo este se cortó con sierra de cinta, y tendiendo cuidado de ir lubricando la sierra para evitar que esta se trabara y se quebrara, parando todo el proceso.
Figura 4.2 Sierra de cinta en pleno corte.
Una vez cortadas todas las piezas de la estructura principal, tiene que ser esmeriladas de los puntos en donde se han cortado para quitar cualquier imperfección debida al corte
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Figura 4.3 Esmerilado de piezas cortadas
Todas las piezas están soldadas a tope, por lo cual las piezas se deben preparar de tal manera que los bordes estén a escuadra, para que las soldaduras sean parejas, también se realizaron los biseles en cada borde, las piezas llevan soldaduras 6013 en ambos lados de cada unión.
Figura 4.4 Preparación de bordes con biseles para soldadura.
Una vez teniendo las piezas cortadas y biseladas se prosigue a la soldadura de las piezas, todas las piezas están a escuadra y niveladas, para lograr estos se ocuparon mesas de corte las cuales ya se encuentran a escuadra y niveladas con respecto al suelo.
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Figura 4.5 Aplicación de soldadura a las piezas de ángulo estructural.
La estructura principal se termina y se prueba si en verdad ha quedado nivelada como se muestra en la figura 4.6. Y lista para que se le coloquen los nervios de refuerzo.
Figura 4.6 Unión de las piezas mediante escuadras y mesas a nivel.
Como la estructura estará sometida a cambios de temperatura, esta tendera a dilatarse a media que la temperatura vaya aumentando, es por eso que se le deben colocar los nervios de refuerzo para que cuando la estructura se dilate lo haga de manera uniforme y en cierta medida la dilatación se vea reducida por la acción de los nervios.
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Figura 4.7 Instalación de los nervios de refuerzo.
Los nervios al igual que todas las piezas de la estructura van soldadas al tope y por ambos lados en cada punto de la unión para evitar la reducción del espacio de la cara debido al traslape de las piezas. La lamina que servirá para poner las anclas que soportaran el techo de la cámara debe ir exactamente al centro de la estructura para lo cual se utilizan escuadras, se colocaran nervios que ayuden a dar rigidez al techo para que este no se hunda cuando se coloquen los ladrillos que irán suspendidos. El techo se puede observar en la figura 4.8.
Figura 4.8 Techo de la estructura.
La cara frontal tiene una dispocicon de nervios distintos,. Estos se colocan de tal manera que creara un marco donde quedara la entrada del horno esto para ayudar a que la puerta entrer 3/8 de pulgada en la cámara para ayudar a sellar el interior, tambien van soldadas a tope y por ambos lados. Estos 86
nervios deben ir a escuadra y medidos para que la entrada quede centrada y no vaya generar ninguna obstruccion en la puerta.
Figura 4.9 Nervios de la cara frontal del horno.
Un vez soldados todos los nervios en la estructura se procede a soldar las láminas que formaran la carcasa, la primera en soldar es la de la cara frontal, estas llevaran una soldadura completa a los ángulos estructurales, esta va punteada a los nervios de la estructura para dar mayor rigidez a toda la estructura. La soldadura de la lámina es a dos pasos la primera con electrodo 6013 y la segunda con electrodo 7018 y así irán todas las láminas de la carcasa.
Figura 4.10 Instalación cara frontal del horno.
Todas las uniones llevan un esmerilado para quitar cualquier imperfección, como se muestra en la figura 4.10.
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La carcaza que envuelve al horno es una sola lamina, para evitar estar realizando demasiada soldadura en los ángulo, a demas que la carcasa doblada otorga un maror refuerzo a la estructura, por el efecto de envoltura.
Figura 4.11 Doblado de la carcasa del horno.
La parte trasera se dejara desmontable, para hacer posible el acceso a la hora de montar los ladrillos, en la figura 4.12, se puede apreciar que a pesar que esta es una pieza desmontable, los nervios se le han puesto a la placa para que esta no se deforme, de la misma manera que se le colocan a toda la estructura. El marco de la lámina se punteara con soldadura a la estructura para marcar y perforar los agujeros donde irán los pernos de sujeción.
Figura 4.12 Puerta trasera.
Una vez soldada toda la carcasa del horno se tiene que colocar la malla que será el soporte de la manta cerámica, esta malla llevara puntos de soldadura para fijarla a la carcasa por la parte de
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adentro que pueda sostener a la manta cerámica cuando se esté montando el material refractario antes de quedar presionada por los ladrillos.
Figura 4.13 Malla para sujetar la manta cerámica.
La base de la cámara del horno es la combinación de dos placas, una de hierro fundido y la otra de acero, se necesita dos marcos para sostenerlas. Primero se hacen los marcos de platina de 2 x 2 x ¼ pulgadas para cada una de las placas, para unir los marcos se utilizan los mismos nervios de que se han usado en toda la estructura.
Figura 4.14 Base de la cámara del horno.
Una vez soldados los marcos se procede a soldar la lámina de acero a la estructura para formar la base donde irán colocados los ladrillos aislantes, la placa de acero es desmontable para poder quitarla a la hora de colocar la el quemador. La placa de acero lleva soldadura continua en todo su contorno como se puede apreciar en la figura 4.15
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Figura 4.15 Base de la cámara instalada junto con la malla en el interior de la estructura del horno.
Realizadas las soldaduras de la base se procede a colocar la placa de hierro fundido en su lugar para verifica que todos este a escuadra y a nivel. En la figura 4.16 se muestra como queda la base de la cámara del horno.
Figura 4.16 Base de la cámara completa.
Una vez terminada la estructura de soporte solamente queda hacer la puerta del horno. Esta consta de un cajón de lámina de acero de 1/8 de pulgada así como la carcasa. Este cajo va soldado entre dos brazos los cuales alargan el punto donde las bisagras harán el pivote, esto con el fin de que solamente el cajón este en contacto directo con la superficie de la cara frontal, y evita que esta se caliente demasiado.
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Figura 4.17 Puerta del horno.
En el otro extremo de los brazos de la puerta del horno van dos pasadores los cuales aseguraran que la puerta se mantendrá cerrada durante el proceso del calentamiento del horno. Para finalizar se necesita colocar el soporte del quemado y del venturi. En el costado derecho del horno se coloca un marco de ángulo estructural soldado al marco donde descansa la base de la cámara pero por la parte de afuera como se muestra en la figura 18.
Figura 4.18 Soporte para inspirador de gas
Por último se coloca un soporte para la flauta del quemador la cual es una platina de acero de 2 x 2 x ¼ la cual se muestra en la figura siguiente.
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Figura 4.19 Soporte de la flauta del quemador.
Una vez terminada la construcción de la estructura de soporte del horno, esta tiene que protegerse de la corrosión mediante la aplicación de una capa de pintura para proteger el desgaste generado por los cambios de temperatura y evitar así la corrosión del acero.
Figura 4.20 Proceso de pintado de las piezas del horno.
La capa de pintura tiene que aplicarse tanto en la parte externa como interna, los acabados de las superficie interna del horno se muestra en la figura 4.21 y el acabado de la superficie externa se muestra en la figura 4.22, una vez secada la pintura el horno está listo para el montaje de los ladrillos refractarios.
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Figura 4.21 Acabado interno del horno.
Figura 4.22 Acabado externo del horno.
4.2.2. Construcción de la estructura de aislamiento de calor. Una vez que se terminó la estructura de soporte y se instaló en laboratorio, se comenzó con la construcción de la estructura encargada de retener el calor en el interior de la cámara. Como primer paso se forró todo el interior del horno con manta cerámica (figura 4.23). Con respecto al montaje de la manta cerámica hubo un retraso, ya que en la orden de compra decía que el espesor de la manta cerámica era de una pulgada, pero cuando se comenzó su montaje el espesor era de dos pulgadas. Esto significó un retraso, ya que en el taller se habían colocado alambres para sujetar la manta, pero considerando que el espesor era de una pulgada. 93
Figura 4.23 Montaje de manta cerámica.
En el taller se trabajaron los ladrillos que conformarían el techo del horno, ya que necesitan un maquinado para alojar los soportes que lo mantendrán suspendido (figura 4.24). Se siguió la sugerencia que el fabricante de ladrillos, Thermal Ceramics, propone para la sujeción de ladrillos para techos (4.25).
Figura 4.24 Maquinado de ladrillos de techo.
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Figura 4.25 Detalle para montaje de techos suspendidos [Catálogo Thermal Ceramics].
Cuando se tuvieron todos los ladrillos maquinados, se comenzaron a pegar para lograr la estructura, se pegaron por bloques de 4 ladrillos y luego se armó la parte más difícil, los conductos de la chimenea. Los bloques fueron unidos por medio de mortero refractario, luego de pegados se dejaron secar con algún medio que les ejerciera presión para asegurar su perfecta sujeción.
Figura 4.26 Pegado de ladrillos para techo
Luego se trabajó con la puerta, el aislamiento de la puerta está compuesto de una capa de manta cerámica y una pared de ladrillos TJM-26.
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Figura 4.27 Aislamiento de puerta.
Cuando se secaron los ladrillos del techo se procedió a su montaje en el interior del horno. Para ello primero se perforó la lámina y platina del techo para poder colocar las anclas que mantendrán los ladrillos suspendidos. El montaje de los ladrillos se hizo de la siguiente manera: primero se colocaba la sección de techo, luego se colocaron los refractarios y k-23 en la base, y por último se levantaban las paredes laterales hasta llegar al nivel del techo. En la figura 4.28 se observa como fue el montaje del primer bloque de ladrillos.
Figura 4.28 Detalle del montaje de ladrillos.
Luego del primer bloque de ladrillos aislantes y refractarios, se procedió a colocar la sección donde están los conductos que sirven para evacuar los gases de combustión.
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Figura 4.29 Montaje de sección para extracción de gases.
Después de colocar esta sección, las faltantes se colocaron de igual manera que la primera, hasta llegar a la distancia deseada de longitud de cámara. Cuando se terminaron de colocar los ladrillos en el interior del horno, se hicieron dos perforaciones: una para introducir la termocupla que indicará la temperatura interna y otra para introducir el gas nitrógeno a la cámara de atmosfera inerte.
Figura 4.30 Agujeros para termocupla y gas nitrógeno.
Posteriormente se procedió al montaje de la chimenea, la cual está hecha con ladrillos TJM-26. Para poder colocar la chimenea, se hicieron nuevas perforaciones en el techo del horno para colocar tornillos que ayudaran a la sujeción de la misma. Toda la chimenea está empernada al techo, también se colocaron pernos a lo ancho de la chimenea para asegurar que esta no se separe por
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ningún motivo, de igual manera toda la chimenea está pegada con mortero refractario para evitar daños por la abrasión.
Figura 4.31 Detalle del montaje de la chimenea.
Por último se colocó la placa de hierro fundida donde se ubicarán las piezas a ser tratadas. Para colocar esta placa, se hicieron pequeñas piezas con ladrillo TJM-26 que servirán para mantener la placa separada, una pulgada, de la base de ladrillos.
Figura 4.32 Detalle de montaje de placa de hierro fundido.
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CAPÍTULO 5: PLANOS DEFINITIVOS.
Figura 5.1 Modelo final horno a gas propano para tratamientos térmicos en aceros herramienta
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CAPÍTULO 6: PRUEBAS Y RESULTADOS. Las pruebas realizadas se dividen en dos grandes ramas:
Pruebas de flauta del quemador: estas son todas las pruebas que se realizaron en la pieza que se conoce como la “flauta” del quemador, que es la encargada de distribuir la mezcla de gas LP con aire para generar la combustión.
Pruebas de horno completo: son la pruebas que se hicieron con el ensamblaje completo del horno, ya el ensamblaje final.
6.1. Pruebas de flauta del quemador 6.1.1.
Primera prueba: 14 psi
La primera prueba que se realizó con la flauta fue con 14 psi de presión, y se construyó una especie de “casita” para simular como estaría encerrada la llama en el horno. Utilizando ladrillos de obra y una lámina galvanizada encima de los ladrillos (figura 4.1) para poder sensar la temperatura sobre esta.
Figura 6.1 Primera prueba flauta del quemador.
En esta primera prueba se obtuvo una altura de 20 pulgada. Y al cabo de diez minutos la temperatura de la llama era de 1270ºC y en la lámina se obtuvo una temperatura de 753ºC, la prueba se tuvo que suspender ya que, como se muestra en la figura 6.1, la lámina se comenzó a deformar y la llama comenzó a escapar. Como primera prueba se obtuvieron datos muy interesantes, ya que mientras más se aislará la llama de la acción del viento, más alta era la altura de la llama con una muy buena capacidad calorífica, ya que en pocos minutos elevo su temperatura significativamente. 117
La combinación quemador-flauta utilizada para esta prueba se muestra en la figura 6.2
Figura 6.2 Combinación quemador-flauta primera prueba.
6.1.2. Segunda prueba: 3 psi Esta prueba consistió en tratar de encontrar la cantidad ideal de agujeros para trabajar con 3 psi de presión de aire. Este cambio en la presión surgió porque con 14 psi la altura de la llama era demasiado alta, y se corría el peligro que esta escapara por la chimenea. Como primera parte se intentó con todos los agujeros disponibles, 29 en total, trabajar a una presión de 3 psi. En la imagen 6.3 se puede observar el resultado obtenido a 3 psi sin abrir la entrada de aire del Venturi.
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Figura 6.3 Llama a 3 psi con 29 agujeros sin entrada de aire
En ausencia de aire lo único q se quema prácticamente es el gas LP, para conseguir una mejor combustión y una llama azul debe abrirse la entrada de aire del Venturi. En la figura6.4 se tiene el mismo caso que el anterior pero con entrada de aire
Figura 6.4 Llama a 3 psi con 29 agujeros con entrada de aire.
Como se puede observar en la figura 6.4 al abrir la entrada de aire para conseguir llama azul, la mezcla pierde presión y ya no llega a los agujeros del final de la flauta. Por lo tanto el siguiente intento se hizo tapando los últimos 4 agujeros, con pernos dentro de los agujeros una capa de manta 119
cerámica y encima un ladrillo refractario para evitar lo mejor posible una fuga de gas. Al igual que en el caso anterior se hizo la prueba primero con el acceso del aire cerrado, figura 6.5, y siempre a 3 psi de presión del gas.
Figura 6.5 Llama a 3 psi con 25 agujeros sin entrada de aire.
Nuevamente se abrió la entrada del aire para conseguir una llama azul, figura 6.6 y otra vez los últimos agujeros de la flauta se quedaban sin mezcla.
Figura 6.6 Llama a 3 psi con 25 agujeros y con entrada de aire.
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Luego se decidió tapar 14 agujeros, es decir trabajar con 15 agujeros, para observar que sucedía. En la figura 6.7 se observa el resultado a 3 psi y sin apertura de aire. En esta prueba se puede observar una altura de llama mayor a la de los intentos anteriores.
Figura 6.7 Llama a 3 psi con 15 agujeros sin apertura de aire.
Luego se hizo nuevamente la prueba abriendo la entrada de aire, y esta vez se pudo elevar la presión del gas hasta los 5 psi sin que ningún agujero se quedara sin mezcla combustible (figura 6.8).
Figura 6.8 Llama a 5 psi con 15 agujeros y entrada de aire.
121
Por ultimo para dar por terminada esta prueba, se optó por tapar los agujeros lo largo de la flauta (figura 6.9), para que la llama estuviera a todo lo largo de la cámara y no solo en un área reducida.
Figura 6.9 Llama a 5 psi con 15 agujeros longitudinales y entrada de aire.
Se colocó una termocupla como muestra la figura 6.9 para poder sensar la temperatura de llama obtenida, la máxima que se pudo obtener fue de 1020 (figura 6.10), luego la termocupla presentó algunos problemas y dejo de sensar y se detuvo la prueba.
Figura 6.10 Temperatura alcanzada a 5 psi.
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6.2. Pruebas de horno completo Se realizaron tres pruebas con el horno casi terminado, faltándole solamente la manta cerámica y la lámina de la parte posterior, lo cual no afecta en el desempeño del horno. En las tres pruebas se tomaron datos cada 5 min para poder observar la curva de calentamiento del horno y algunas temperaturas de las superficies del mismo. Para la realización de estas pruebas se descubrió que la presión ideal para trabajar era de 3 psi, ya que si se incrementaba más la presión, se sentía un olor muy fuerte a gas, es decir no se quemaba completamente el gas y salía en los gases de combustión; lo cual disminuye la eficiencia del horno, aparte que el olor era demasiado penetrante como para permanecer en el recinto. 6.2.1.
Primera prueba a 3 psi con succión de aire natural.
Esta prueba se realizó a 3 psi y con una abertura de aire necesaria para conseguir la llama azul dentro de la cámara del horno. La prueba duro dos horas, periodo en el cual cada 5 minutos se tomaron lecturas de temperatura dentro de la cámara y a la salida de la chimenea. Estos resultados se presentan en la tabla 6.1 y en la figura 6.11. Tabla 6.1 Resultados primera prueba temperatura interna y salida de chimenea.
T cámara 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65
490.4 514.6 535.4 556.8 575.8 592.1 606.1 620.8 644.6 645 655.7
T chimenea
70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120
381.8 405.3 424.8 437.7 445.6 450.6 456.1 463.9 471.3 478 481.9
123
666.5 678.5 687.8 697.3 703.3 711 719 725.8 734.3 744.9 750.5
491.5 498.6 504.1 512.3 516.9 521.6 525.7 528.8 533.3 536.4 541.3
780
730
680
T camara
630
T chimenea
580
530
480 0
20
40
60
80
100
120
140
Figura 6.11 Gráfico primera prueba temperatura de cámara y temperatura de chimenea.
También se tomaron las temperaturas, aproximadamente en el centro, de las caras laterales, izquierda y derecha, en el centro de la puerta, en la parte frontal superior y en la parte frontal inferior. Los datos obtenidos se muestran en la tabla 6.2 y en la figura 6.12.
Tabla 6.2 Resultados primera prueba temperaturas externas.
T lado izq. 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
26 26.2 26.3 26.5 26.6 26.7 26.8 26.3 27.1 27.4
T puerta
T frontal inferior
27.2 28 28.8 30 32.3 34 35.2 37.8 39.6 41.3 124
36.8 36.5 37 38.2 39.5 40.1 40.8 41.6
T frontal superior
43.7 44.7 45 45.7 47.3 47.5
T lado derecho 26.9 26.8 27.3 27.6 28.3 28.2 28.2 30.1 30.3 30.9
65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120
27.6 27.7 27.9 28.5 29.8 29.5 30.1 31.2 32 31.2 33.1 31.8
42.8 44 47.3 48.3 49.9 53.6 55.4 58.6 58.8 63.3 65.6 67.5
43.1 43.5 45.2 46.6 47.9 49.2 50.9 53.8 53.5 56.8 56.7 60.2
48.9 49.9 50.3 51.8 52.3 53.5 55 58.3 56.6 61.2 60.2 64.2
31.3 30.6 32.2 31.8 34.6 37 32.4 36.5 36.9 36.8 37.8 36
La temperatura máxima que alcanzo en horno en su cámara interna fue de 750.5 ºC, esta prueba se vio interrumpida ya que se acabó el gas tras haber pasado un poco más de las dos horas. La temperatura máxima a la salida de la chimenea fue de 541.23ºC, es decir, aproximadamente 210ºC de diferencia con el interior de la cámara. La diferencia de temperaturas entre cámara y chimenea debe de estar en 200 y 300ºC por lo cual se puede decir que cumple con este criterio. Otro criterio muy importante a la hora de la construcción del horno era que se quería que las paredes externas del mismo no se calentaran demasiado para evitar futuros accidentes. La temperatura máxima que se registró en los laterales fue de 37.8ºC, registrada en la cara derecha del horno, ya que esta parte está más cerrada y no recibe tanto flujo de aire como la cara de la izquierda. En la parte frontal la mayor temperatura se registra en la puerta, como era de esperarse luego de ver las simulaciones anteriores.
125
70 65 60
55 T lado izq
50
T puerta 45
T frontal inferior T frontal superior
40
T lado derecho
35 30 25 20 0
20
40
60
80
100
120
140
Figura 6.12 Gráfico primera prueba temperaturas externas del horno
6.2.2.
Segunda prueba a 3 psi con succión de aire natural.
El día siguiente, ya con un cilindro nuevo de gas se realizó nuevamente otra prueba, siempre a 3 psi pero esta vez duro 2 horas con 50 min. Los resultados obtenidos en esta prueba se muestran en la tabla 6.3 y la figura 6.13 Esta prueba se detuvo porque el incremento de temperatura que se estaba obteniendo entre cada lectura ya era demasiado bajo, esto significa que el horno ya estaba llegando a su temperatura de equilibrio. En esta prueba solo se presentan los datos de la cámara interna y de la chimenea ya que la carcasa exterior se estaba comportando de manera similar que en primera prueba, por lo tanto no se consideró relevante para esta prueba.
126
Tabla 6.3 Resultados segunda prueba temperatura de cámara y chimenea
T cámara 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
384.5 438.3 485.4 512.4 539.5 559.5 577.9 595.4 612 625.9 639.1 649.5 658.8 669.9 680.8 689.3
T chimenea 304.5 344.9 381.3 404.1 426.8 434.4 452.2 463.8 473.1 478.8 484.6 490.8 496.1 502.6 509.4 514.4
85 90 95 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 150 155 160 165 170
697.1 709.6 720.1 723.2 729.9 737.3 744 750.7 756.4 762.8 768.2 774.2 779.4 784.2 789.4 795 799.1 802
518.9 528.9 534.7 532.2 535.3 538.3 541.4 544.9 548.4 550.8 553.6 557.6 559.8 562 567.7 572.7 575.3 577.5
890
790 T camara 690
T chimenea
590
490
390
290 -30
20
70
120
170
Figura 6.13 Gráfico de resultados segunda prueba temperatura de cámara y de chimenea
127
La temperatura máxima alcanzada dentro de la cámara durante la prueba fue de 802 ºC y en la chimenea fue de 577.5, una diferencia entre ambas de aproximadamente 225 ºC. La temperatura máxima que se obtuvo en la cámara es inferior a la deseada, de 1200 ºC. Al final de esta prueba se observó algo muy particular, y fue el hecho que al abrir la puerta la temperatura empezó a subir de manera acelerada, llegando a superar la barrera de los 900 ºC en un lapso de tiempo muy corto.
Figura 6.14 Interior del horno en funcionamiento.
6.2.3.
Tercera prueba a 3 psi con inyección forzada de aire.
A raíz de lo suscitado al final de la segunda prueba se decidió realizar una tercera prueba pero esta vez con inyección de aire forzado. Para lograr esta inyección forzada se utilizó un ventilador de mano para incrementar el caudal de aire en la mezcla que entra a la flauta y así mejorar la combustión de la llama. Cabe mencionar que el horno no estaba completamente frio cuando se empezó la tercera prueba. La prueba duró 2 horas hasta que se consideró que la tasa de calentamiento estaba disminuyendo
128
considerablemente, buscando su temperatura de equilibrio. Los resultados de esta prueba se encuentran en la tabla 6.4 y la figura 6.15.
Tabla 6.4 Resultados tercera prueba temperatura de cámara y chimenea
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55
T cámara T chimenea 465 333 627.1 486.8 670.3 506.7 704.8 525.9 732.2 540.4 761.2 555.4 786.9 569.3 805 578.8 821 587 835 595 848 603 863 613
60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120
872 881 893 904 908 914 919 926 931 934 938 942 947
620.4 627.2 634.6 641.3 645 650.3 653.2 657.4 661.1 664.1 666.4 669.1 671.8
1000 900 800
700 T camara T chimenea
600 500 400 300 0
20
40
60
80
100
120
Figura 6.15 Gráfico de resultados tercera prueba temperatura cámara y chimenea.
129
Lo que esta prueba muestra es que efectivamente el exceso de aire mejora la combustión e incrementa el poder calorífico de la llama, sin embargo el problema no es la falta de aire, sino que el venturi se está utilizando a presiones muy bajas (3 psi) más baja del mínimo recomendado por el fabricante (5 psi). Al ser muy baja la presión de gas, el venturi no logra cumplir con su función de crear la caída de presión necesaria para que ingrese el flujo adecuado de aire para el correcto funcionamiento del mismo.
130
CAPÍTULO 7: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. 7.1. Conclusiones
El horno es capaz de alcanzar la temperatura ideal para el templado de aceros herramientas y acero rápidos, es decir, 1200º C dentro de la cámara interna del mismo, y la temperatura en el exterior del horno es aceptable para evitar accidentes por parte de los operarios del horno.
En todas las zonas que se encuentren en contacto directo con la llama, o que vayan a estar expuestos a desgaste se debe de colocar ladrillo refractario denso; también se puede utilizar ese tipo de ladrillos para estructuras de soporte, por su alta resistencia a cargas de compresión.
Cuando se utilice ladrillo aislante de segunda densidad en zonas que estarán expuestas a llama directa, si las superficies son selladas adecuadamente, estos pueden trabajar como refractarios de primera densidad. Para sellar se puede recubrir la zona combinación de pulverizado del mismo ladrillo y una capa suficiente mortero refractario, para lograr crear un espesor considerable, que sea el que este expuesto a la abrasión de la llama.
A la hora de diseñar la estructura de soporte de cualquier horno, se deben de tener presentes los esfuerzos por temperatura, es decir aquellos producidos por los cambios en la temperatura del material y su consecuente dilatación térmica, para que toda la estructura se dilate lo más uniformemente posible. Tomando como referencia los puntos expuestos a los cambios más significativos de temperatura de toda la estructura.
Es de suma importancia la correcta distribución de los diferentes materiales que se utilizaran como aislante dentro del horno, ya que esto depende que la carcasa exterior del horno no llegue a temperaturas demasiadas altas que puedan causar lesiones.
El uso de software para estudiar hornos de este tipo, resulta muy útil ya que presenta una buena aproximación del comportamiento real del horno. Resulta muy útil para poder hacer una correcta selección de materiales o hacer cambios de diseño antes que se construya el modelo real.
Es muy importante diseñar y calcular bien el conjunto flauta-quemador, para asegurarse que la llama proporcionada, tenga la capacidad calorífica necesaria para llevar al horno a la 131
temperatura deseada, controlando también la altura de la llama para evitar fugas de calor por la chimenea, así como también el gasto innecesario de gas LP
Tener siempre en consideración que la puerta representa uno de los puntos donde existe una mayor fuga de calor, para poder sellarla lo mejor posible y utilizar la mejor combinación de materiales, minimizando así las pérdidas y aumentando la eficiencia del horno.
Diseñar el sistema de extracción de los gases de combustión, de manera tal que se evite la acumulación prolongada de estos dentro de la cámara y evitar también el efecto contrario, que los gases de combustión evacuen tan rápido la cámara interna que produzcan un efecto de enfriamiento. Como parámetro de diseño, para este tipo de hornos, que la diferencia de temperatura entre la cámara interna y el escape de los gases de combustión, esté en el rango de los 200 a 300°C.
7.2. Recomendaciones
Modificar el diseño de la flauta del quemador, para obtener una llama con la capacidad calorífica necesaria para elevar la temperatura del horno hasta los 1200 °C. Logrando incrementar la presión de trabajo, para que el quemador atmosférico pueda trabajar adecuadamente, y al mismo tiempo tener una llama corta, en la que las puntas calientes lleguen hasta la mitad de la altura de las paredes de la cámara, para evitar daños en la estructura del techo y fugas de calor por la chimenea.
El sistema de distribución de gas necesita que se le instalen dispositivos de seguridad para evitar un accidente, estos dispositivos son: Una válvula anti retorno en la tubería, esto con la finalidad que en el momento de cerrar el paso del gas no exista un retorno de llama hacia el cilindro de gas y produzca cualquier ignición no deseada. Una purga de gas en la tubería de suministro, para sacar todo el gas que queda en la tubería cuando se cierran las válvulas de paso, al momento de apagar el horno una vez concluidas las operaciones.
Modificar el material aislante de la puerta para evitar la mayor fuga de calor posible. Otra opción es la de crear un sello que entre a la recamara del horno ayudando a incrementar el 132
espesor de la puerta. De optar por la opción del sello se debe cambiar la forma de apertura de la puerta para no tener ningún problema de entrampamiento de la puerta.
Hacer un análisis de los gases de combustión, para garantizar la combustión completa del gas, para mejorar la eficiencia de la llama que entra al horno.
Colocar un sistema de encendido electrónico, un chispero con su piloto automático, para evitar accidentes a la hora de encender el horno.
133
134
REFERENCIAS BUDYNAS, R. y NISBETT, J. (2008). Diseño en ingeniería mecánica de Shigley. México D.F.: McGraw-Hill Interamericana.
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TIMOSHENKO, S. (1976). Strength of Materials. New York: Krieger Publishing Company.
135
ANEXO A Evaluación de la calidad metalúrgica de aceros herramienta y aceros rápidos, tratados térmicamente en atmosfera inerte. Primer avance: Diseño inicial del horno de templado.
UNIVERSIDAD CENTROAMERICANA JOSÉ SIMEÓN CAÑAS Departamento de Mecánica Estructural
Evaluación de la Calidad Metalúrgica de Aceros Herramienta y Aceros Rápidos, Tratados Térmicamente en Atmósfera Inerte.
PRIMER AVANCE: DISEÑO INICIAL DEL HORNO DE TEMPLADO
San Salvador, 24 de Enero de 2012
A-1
Introducción La presente investigación se refiere al diseño de un horno de templado, este tipo de horno es utilizado para realizar tratamientos térmicos a los metales y así liberar al material del estrés causado por el maquinado. Existe una variedad de tipos de hornos de templado, sin embargo, en esta investigación se pretende inicialmente diseñar un horno de templado eléctrico. Para el diseño térmico del horno se necesita aplicar conocimientos de transferencia de calor y simulaciones mediante software que permitan seleccionar los materiales refractarios apropiados para el revestimiento del horno y que a la vez sean capaces de soportar la máxima temperatura del proceso que se ha fijado en 1200 °C durante el tiempo que se especifique en el tratamiento. Además se realizará un análisis económico sencillo que permitirá tener una visión de la factibilidad del proyecto, y a la vez impulsará nuevas ideas para la realización del mismo. Planteamiento inicial: Debido a la temperatura de templado de los aceros herramientas es necesario el diseño de un horno que alcance una temperatura cercana a los 1200°C, la cual es una temperatura promedio a la que estos aceros se logran austenizar completamente. Para lograr alcanzar esta temperatura se ha considerado disponer de un horno con una capacidad de 15 kW, de esta manera se garantiza alcanzar las condiciones necesarias para el tratamiento térmico. Además, en tratamiento debe de hacerse en una atmósfera inerte, para lo cual frecuentemente se utiliza gas nitrógeno; para el caso, se realizará en una campana de acero inoxidable, dentro de la cual se colocarán las piezas a tratar y se suministrará el gas nitrógeno mediante una tubería. El horno tendrá una cámara interna de 10x14x20 pulgadas. Para el tratamiento térmico de los aceros herramienta resulta conveniente tener un control de temperatura programado, que permita generar rampas de temperatura tal como lo especifican los fabricantes. Este control deberá regular el voltaje aplicado a las resistencias de manera que rechacen el calor necesario en el interior del horno, evitando así problemas por grietas en el acero debido a cambios de temperatura demasiado rápidos. Diseño del horno eléctrico Dimensionamiento de las paredes: Considerando una temperatura máxima de 1300°C en la superficie interna de la pared aislante, una temperatura ambiente de 20°C y un coeficiente de convección de 30 W/m2K. Se evaluaron dos opciones:
1- Pared compuesta por concreto refractario y aislante: Para esta opción se contaba con el concreto refractario denso Ultra-80 y el concreto refractario aislante K-1000, cuyas propiedades se muestran a continuación: Refractario de alta densidad Ultra-80: Temperatura máxima de servicio: 1649 °C
A-2
T (°F) 500 1000 1500 2000
Btu-plg/h-p2°F 5.6 6 6.3 6.4
T (°C)
W/mK
260 537.777778 815.555556 1093.33333
0.807688 0.86538 0.908649 0.923072
T (°C)
W/mK
260 537.777778 815.555556
0.2350949 0.2639409 0.2942292
Refractario aislante K-1000: Temperatura máxima de servicio: 1000 °C T (°F) 500 1000 1500
Btu-plg/h-p2°F 1.63 1.83 2.04
Se calcularon las pérdidas para una serie de combinaciones de espesores de refractario denso y aislante: Pérdidas por paredes (W) L aislante (m)
L refractario (m) 0.025
0.05
0.075
0.1
0.125
0.15
0.175
0.2
0.225
0.025
9337.41 9029.51 8738.61
8473.73 8236.13 8024.14 7835.14
7666.37
7515.26
0.05
6639.94 6831.24 6934.41
6978.86 6984.89 6966.20 6932.00
6888.43
6839.55
0.075
5368.70 5676.26 5899.93
6058.99 6169.22 6242.97 6289.67
6316.42
6328.51
0.1
4627.99 4963.47 5228.59
5435.43 5595.08 5717.07 5809.26
5878.02
5928.40
0.125
4142.45 4479.29 4757.39
4984.62 5168.85 5317.30 5436.31
5531.25
5606.58
0.15
3799.28 4128.68 4408.24
4643.36 4839.78 5003.07 5138.33
5250.04
5342.09
0.175
3543.69 3862.92 4139.05
4375.95 4577.98 4749.52 4894.73
5017.39
5120.84
0.2
3345.82 3654.44 3925.10
4160.71 4364.69 4540.59 4691.86
4821.70
4933.01
0.225
3188.05 3486.47 3750.92
3983.69 4187.55 4365.43 4520.26
4654.79
4771.55
0.25
3059.26 3348.21 3606.34
3835.52 4038.06 4216.46 4373.21
4510.73
4631.27
0.275
2952.10 3232.39 3484.38
3709.66 3910.21 4088.19 4245.79
4385.14
4508.25
0.3
2861.54 3133.95 3380.11
3601.41 3799.60 3976.58 4134.30
4274.66
4399.48
0.325
2783.98 3049.24 3289.92
3507.31 3702.96 3878.58 4035.93
4176.73
4302.62
0.35
2716.79 2975.56 3211.15
3424.75 3617.80 3791.85 3948.49
4089.31
4215.81
Para asegurar que el aislante no sobrepase la temperatura máxima permitida, se calculó la temperatura en la cara interna del material aislante:
A-3
Temperatura interna del aislante (°C) L aislante (m) 0.025 0.05 0.075 0.1 0.125 0.15 0.175 0.2 0.225 0.25 0.275 0.3 0.325 0.35
L refractario (m) 0.025 1014.16 1096.74 1135.65 1158.33 1173.19 1183.70 1191.52 1197.58 1202.41 1206.35 1209.63 1212.40 1214.78 1216.83
0.05 807.97 927.76 990.69 1029.53 1055.92 1075.02 1089.50 1100.86 1110.02 1117.55 1123.86 1129.23 1133.84 1137.86
0.075 656.33 789.22 865.42 914.87 949.58 975.29 995.12 1010.88 1023.71 1034.36 1043.35 1051.03 1057.67 1063.47
0.1 542.50 676.14 758.37 814.11 854.41 884.91 908.82 928.06 943.88 957.13 968.38 978.06 986.47 993.85
0.125 455.40 583.72 667.36 726.24 769.95 803.69 830.54 852.41 870.58 885.91 899.02 910.36 920.27 929.00
0.15 387.56 507.86 590.10 649.90 695.36 731.09 759.92 783.68 803.60 820.54 835.13 847.82 858.96 868.82
0.175 333.87 445.23 524.44 583.68 629.66 666.41 696.44 721.46 742.62 760.75 776.46 790.21 802.34 813.12
0.2 290.76 393.18 468.48 526.19 571.84 608.86 639.49 665.25 687.22 706.19 722.72 737.26 750.16 761.66
0.225 255.70 349.60 420.61 476.21 520.93 557.68 588.42 614.52 636.96 656.45 673.55 688.66 702.12 714.18
También es importante conocer cuál será la temperatura en la superficie externa del horno, por motivos de seguridad: Temperatura de la superficie (°C) L aislante (m) 0.025 0.05 0.075 0.1 0.125 0.15 0.175 0.2 0.225 0.25 0.275 0.3 0.325 0.35
L refractario (m) 0.025 315.02 200.68 146.47 114.93 94.44 80.16 69.74 61.85 55.72 50.85 46.92 43.70 41.02 38.77
0.05 265.70 180.92 136.44 109.19 90.93 77.95 68.32 60.95 55.16 50.54 46.77 43.66 41.07 38.87
0.075 225.86 162.24 126.02 102.80 86.77 75.14 66.38 59.59 54.21 49.87 46.31 43.35 40.87 38.76
0.1 193.82 145.41 115.95 96.29 82.35 72.03 64.13 57.95 52.99 48.96 45.63 42.84 40.49 38.49
A-4
0.125 168.00 130.61 106.59 89.98 77.91 68.81 61.75 56.15 51.62 47.90 44.80 42.20 39.99 38.09
0.15 147.06 117.77 98.09 84.06 73.63 65.63 59.33 54.28 50.16 46.75 43.89 41.47 39.40 37.62
0.175 129.97 106.70 90.47 78.59 69.58 62.55 56.96 52.41 48.67 45.55 42.92 40.68 38.75 37.08
0.2 115.89 97.18 83.71 73.61 65.81 59.64 54.66 50.58 47.20 44.35 41.93 39.86 38.07 36.51
0.225 104.20 88.98 77.72 69.10 62.33 56.91 52.48 48.82 45.76 43.16 40.94 39.03 37.37 35.92
Se determina que para que el manejo del horno sea eficiente y segura los espesores de refractario denso y aislante deberían de rondar los 0.15 m y 0.3 m respectivamente (6 y 12 pulgadas); resultando un espesor de aislamiento de 18 pulg.
2- Aislamiento de manta cerámica La manta cerámica es un aislante resistente a altas temperaturas, generalmente de mayor rendimiento que los aislantes refractarios. Las características de la manta cerámica evaluada son: Inswool HTZ 6# Temperatura continua máxima: 1343 °C T (°F) 600 800 1000 1200 1400 1600
Btu-plg/h-p2-F 0.55 0.73 0.95 1.2 1.55 1.85
T (°C) 315.555556 426.666667 537.777778 648.888889 760 871.111111
W/mK 0.0793265 0.1052879 0.1370185 0.173076 0.2235565 0.2668255
Las pérdidas obtenidas para varios espesores de manta cerámica fueron las siguientes: L aislante pulg L aislante m Calor W
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0.02 0.07 0.12 0.17 0.22 0.27 0.32 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 5 5 5 5 5 5 5 612 378 290 243 214 194 180 169 161 154 148 144 140 136 6 7 0 3 4 7 5 7 3 4 8 1 1 7
La temperatura resultante en la cara externa del horno se muestra a continuación: L aislante pulg L aislante m T °C
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0.02 0.07 0.12 0.1 0.17 0.22 0.2 0.27 0.32 0.3 0.05 0.1 0.2 0.3 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 30. 245. 139. 77. 55. 43. 37. 33. 98.9 64.0 48.6 40.2 35.0 31.6 6 7 3 0 8 3 1 3
Como se puede apreciar, el rendimiento del horno es mucho mayor si se utiliza manta cerámica como aislante. Para minimizar pérdidas se consideró conveniente utilizar 14 pulgadas de espesor en cada pared.
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Resistencias eléctricas Las resistencias a utilizar serán de carburo de silicio, la cuales se comercializan de la siguiente manera:
● Forma de barras, las cuales están compuestas por tres zona, la zona caliente que se encuentra en el centro de la barra y se caracteriza por poseer una elevada resistencia eléctrica, las zonas frías, que se encuentran a los extremos de las barras, adyacentes a la zona caliente, estas corresponden al paso del aislamiento del horno, y las zonas exteriores las cuales se encuentran metalizadas con aluminio para lograr conseguir un buen contacto con los terminales de conexión.
● Forma de barras con dos o tres elementos, en este tipo de resistencia se disponen de dos barras formando una U conectadas mediante un puente térmico, este tipo de resistencia facilitan su conexión en posición vertical. Estas resistencias pueden operar de forma continua o intermitente, sin embargo se recomienda que operen de forma continua ya que su capa protectora de silicio formada en condiciones oxidantes se puede romper al bajar de 900°C, dando lugar a una nueva oxidación del carburo de silicio. Estas pueden aumentar su duración con un recubrimiento de oxinitruro de silicio. Las resistencias de carburo de silicio tienden a envejecer, lo que representa un aumenta de su resistencia con el tiempo de utilización
Cotización de resistencias de carburo de silicio y molibdeno disilicio. Se realizó la cotización de las resistencias de SiC y MoSi2 a la empresa I Squared R Element Co. Inc. la cual puede observarse en anexos. Los costos económicos de ambas opciones son los siguientes: Resistencias de Carburo de Silicio Elemento Cantidad Precio unitario Resistencia SiC de tamaño SE 36x10x0.75 18 $111.30 Resistencias de Molibdeno Disilicio Resistencia Moly-D MD-31 6 $291 Plate holders 6 $73 Straps 12 $9.90 Total
Precio total $2003.40 $1746 $438 $118.80 $2302.80
A partir de la cotización se determinó que la fabricación de un horno eléctrico no es muy rentable por los siguientes motivos principales:
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La resistencia de los elementos de carburo de silicio aumenta con la edad por lo cual se hace necesario la inversión en un transformador de 240V/120V y de 120A, lo que también está relacionado con la calidad y el calibre del conductor a utilizar. A-6
2 Los costos asociados a la energía eléctrica por la operación del horno de 15kW. 3 Los costos asociados a la subestación que se habría que montar cerca del laboratorio en donde estará el horno y que se utilizará exclusivamente para el funcionamiento del mismo.
Fabricación de un horno para tratamiento térmico de aceros especiales a gas propano Como una propuesta para la reducción de los costos relacionados al horno eléctrico, se presenta la idea de fabricar un horno que funcione a gas propano. A continuación se presentan las ventajas y las dificultades que se tendrían al realizarlo con funcionamiento a gas propano. Las ventajas del diseño de un horno a gas propano son:
● Calentamiento más rápido del horno y ciclos térmicos menos demorados. ● Costo por ciclo de calentamiento más económico que el calentamiento eléctrico. Permitiendo un costo del tratamiento térmico más competitivo.
● Cubren todos los tratamientos térmicos de aceros herramientas y de aceros rápidos (1200-1250C). Tmáx 1300 C.
● Se puede utilizar quemadores atmosféricos sin necesidad de ventiladores y de fácil manipulación.
● Se puede realizar una regulación de la temperatura completamente automática. Inclusive se pueden realizar rampas de calentamiento. Algunas de las dificultades que se pueden destacar en la fabricación del horno a gas propano son:
● Los productos de combustión que se generan en la cámara del horno: dióxido de carbono y vapor de agua, son elementos considerados nocivos para tratamientos térmicos de los aceros, por lo cual será necesario encontrar la forma de aislar la pieza de dichos gases.
● La precisión en el control de temperatura es menor a la que se obtiene en un horno eléctrico.
● El horno deberá de poseer una chimenea para poder expulsar los gases obtenidos de la combustión.
● Utilización de placas de carburo de silicio termo conductiva para poder homogeneizar la temperatura del horno y la calefacción de solera, logrando de esta forma un calentamiento homogéneo en la pieza.
Descripción del modelo propuesto para el horno a gas propano El modelo propuesto para el horno a gas propano consta de los siguientes elementos principales.
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Un quemador atmosférico, que se encargará de realizar la mezcla de gas-aire adecuada para la combustión y al cual serán conectadas las tuberías perforadas que se distribuirán en la base de la cámara interna del horno, de las que saldrán las flamas. Una placa de carburo de silicio, que se colocará sobre las flamas y obtendrá una temperatura uniforme en su superficie. Una campana, que al igual que en el horno eléctrico será suministrada de gas nitrógeno para generar una atmósfera inerte. Paredes aislantes de manta cerámica con 14 pulgadas de espesor, para minimizar pérdidas. Una chimenea, la cual dará salida a los gases de combustión. Un control electrónico, mediante el cual se regulará la temperatura de la cámara.
Conclusiones ● Se cambiará el diseño de un horno eléctrico por uno que funcione a gas propano, pudiendo obtener mejoras en el funcionamiento del mismo así también como ahorro en los ciclos de operación. ●
El control de la temperatura de un horno a gas propano puede regularse a través de la entrada de combustible y aire al quemador, pudiendo ser este último un quemador de tipo atmosférico el cual no necesitaría de un ventilador para la entrada de aire a la combustión.
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Las dimensiones del aislamiento del horno deberá de ser tal que permita una temperatura externa soportable al tacto, sin necesidad de que sea a temperatura ambiente, logrando de esta forma reducir los costos de aislamiento y refractario, así también como las dimensiones externas del horno.
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El diseño presentado deberá ser evaluado mediante una simulación en software especializado para comprobar su comportamiento.
Bibliografía ● http://heatingelements.hitempproducts.com/Asset/Silicon-Carbide-Electric-HeatingElements.pdf http://www6.uniovi.es/usr/fblanco/Leccion2.Hornos.RESISTENCIAS.2006.pdf
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