AGRADECIMIENTOS .......................................................Error! Bookmark not defined. DEDICATO DEDICATORIA RIA ................................... ..................................................... .............................. ............Error! Bookmark not defined. RESUMEN RESUMEN .................................. ................................................... ................................... ................................... ................................... .............................. ............3 INTRODUC INTRODUCCION CION ................................... ..................................................... ................................... .................................. ................................... .................... 4 1.
2.
OBJETIVOS OBJETIVOS ................................... ..................................................... ................................... .................................. ................................... .................... 5 1.1
Objetivo General ..................................................................................................................... .................................................................................................................... 5
1.2
Objetivos específicos ............................................................................................................ 5
MARCO MARCO TEORICO TEORICO .................................. .................................................... ................................... .................................. ........................... ..........6 2.1
2.1.1
.................................................................................................. ....... 6 Características Características Físicas ...........................................................................................
2.1.2
Características Características Químicas.......................................................................... .............................................................................................. .................... 6
2.1.3
...................................................................................................... ................................ 7 Aplicaciones y Usos ......................................................................
2.2
3.
4
................................................................................................................................. ............................................................. 6 ALUMINIO ....................................................................
Proceso de Fundición de Aluminio a partir del Mineral Reciclado ........................... 7
2.2.1
Reciclaje del Aluminio ................................................................................................... .................................................................................................. 7
2.2.2
Fusión del Aluminio ....................................................................................................... 8
2.2.3
Variables que Caracterizan el Proceso de Fundición de Aluminio ................... 9
HORNOS HORNOS ................................... .................................................... .................................. ................................... ................................... ...................... .....11 3.1
GENERALIDADES ................................................................................................................. ................................................................................................................ 11
3.2
................................................................................................................... 11 CLASIFICACIÓN ....................................................................................................................
3.2.1
De acuerdo con su temperatura temperatura de trabajo. ......................................................... 11
3.2.2
De acuerdo con su uso u so ............................................................................................... .............................................................................................. 12
3.2.3
De acuerdo con su forma forma de operación ................................................................ 12
3.2.4
De acuerdo con su forma forma de calentar .................................................................... .................................................................... 12
3.2.5
De acuerdo acuerdo con su fuente de energía .................................................................... 12
3.3
MÉTODOS DE DE CALENTAMIENTO EN HORNOS .......................................................... 13
3.4
TIPOS DE HORNOS .............................................................................................................. 14
3.4.1
Hornos rotatorios ......................................................................................................... 14
3.4.2
............................................................................................................ 14 Hornos de cuba .............................................................................................................
3.4.3
Hornos de Reverbero .................................................................................................. 15
3.4.4
Hornos de túnel .............................................................................. ............................................................................................................ .............................. 16
3.4.5
Hornos de fundición .................................................................................................... 16
3.4.6
Horno de hogar hogar abierto o crisol ............................................................................... 17
3.4.7
Horno de oxigeno oxigeno básico ........................................................................................... 22
3.4.8
Hornos eléctricos ......................................................................................................... 22
REFRACTAR REFRACTARIOS IOS.................................. .................................................... ................................... .................................. ............................ ...........23
5
4.1
GENERALIDADES DE LOS MATERIALES REFRACTARIOS ................................... 23
4.2
CLASIFICACIÓN CLASIFIC ACIÓN DE LOS MATERIALES REFRACTARIOS ....................................... 23
4.2.1
..................................................................................................... 23 Refractarios ácidos ......................................................................................................
4.2.2
Refractarios básicos ................................................................................. ................................................................................................... .................. 24
4.2.3
Refractarios neutros .................................................................................................... ................................................................................................... 24
4.2.4
Refractarios especiales .............................................................................................. 24
4.3
DEFINICIÓN DEFINICI ÓN Y CONSTITUCIÓN DE LOS MATERIALES REFRACTARIOS............ 25
4.4
TIPOS DE MATERIALES REFRACTARIOS .................................................................... ................................................................... 26
4.4.1
.............................................................................. 26 Refractario de arcilla calcinada. ...............................................................................
4.4.2
Refractario de Sílice. ................................................................................................... 26
4.4.3
............................................................................................... .................. 27 Refractarios Aislantes. .............................................................................
4.4.4
Refractarios de Tipos especiales. ........................................................................... 27
4.4.5
Especialidades refractarias. ...................................................................................... ..................................................................................... 27
4.4.6
.............................................................................................. 27 Concretos refractarios. ...............................................................................................
4.4.7
................................................................................................. .................. 27 Morteros refractarios. ...............................................................................
DISEÑO Y CÁLCULO DEL HORNO BASCULANTE BASCULANTE ........................ ............... .................. .................. ......... 28 5.1
6.
SELECCIÓN DEL CRISOL .................................................................................................. 28
5.1.1
................................................................................ 29 Posición del crisol en el el horno .................................................................................
5.1.2
Arranque del crisol o prendida del horno ............................................................. 29
5.2
SELECCIÓN DEL MATERIAL MATERIAL REFRACTARIO REFRACTARIO .............................................................. 29
5.3
............................... 30 CALCULO DEL TAMAÑO DE LA CÁMARA DE COMBUSTIÓN ................................
5.4
CALCULO DEL TAMAÑO DE LA CHAPA DE ACERO ................................................ 30
5.5
CALCULO DEL CENTRO DE MASA ................................................................................ 31
5.6
......................................................................................... 32 CÁLCULO Y DISEÑO DEL EJE ..........................................................................................
5.7
CÁLCULO Y SELECCIÓN DEL RODAMIENTO .............................................................. 34
5.7.1
Selección del rodamiento ........................................................................ .......................................................................................... .................. 34
5.7.2
........................................................................................ .................. 35 Carga estática estática equivalente ......................................................................
5.8
CALCULO DE LA COMBUSTIÓN ...................................................................................... 35
5.9
CALCULO DE TRANSFERENCIA ..................................................................................... 37
5.9.1
........................................................................................... 37 Calentamiento y vaciado ............................................................................................
5.9.2
Calentamiento del metal ............................................................................................. ............................................................................................ 37
5.9.3
Masa combustible necesaria ............................................................................... .................................................................................... ..... 38
5.9.4
................................................................................................ .................. 39 Transferencia de calor ..............................................................................
5.9.5
Tiempo de calentamiento de las paredes del horno ........................................... 41
ENCENDIDO ENCENDIDO Y PUESTA EN MARCHA DEL EQUIPO ................... ......... ................... .................. ........... 42
CONCLUSIO CONCLUSIONES NES .................................. .................................................... ................................... .................................. .................................. .................44 RECOMENDACIONES ............................................................................................... 45 BIBLIOGRA BIBLIOGRAFIA FIA .................................. .................................................... ................................... .................................. ................................... .................... .. 46
5
4.1
GENERALIDADES DE LOS MATERIALES REFRACTARIOS ................................... 23
4.2
CLASIFICACIÓN CLASIFIC ACIÓN DE LOS MATERIALES REFRACTARIOS ....................................... 23
4.2.1
..................................................................................................... 23 Refractarios ácidos ......................................................................................................
4.2.2
Refractarios básicos ................................................................................. ................................................................................................... .................. 24
4.2.3
Refractarios neutros .................................................................................................... ................................................................................................... 24
4.2.4
Refractarios especiales .............................................................................................. 24
4.3
DEFINICIÓN DEFINICI ÓN Y CONSTITUCIÓN DE LOS MATERIALES REFRACTARIOS............ 25
4.4
TIPOS DE MATERIALES REFRACTARIOS .................................................................... ................................................................... 26
4.4.1
.............................................................................. 26 Refractario de arcilla calcinada. ...............................................................................
4.4.2
Refractario de Sílice. ................................................................................................... 26
4.4.3
............................................................................................... .................. 27 Refractarios Aislantes. .............................................................................
4.4.4
Refractarios de Tipos especiales. ........................................................................... 27
4.4.5
Especialidades refractarias. ...................................................................................... ..................................................................................... 27
4.4.6
.............................................................................................. 27 Concretos refractarios. ...............................................................................................
4.4.7
................................................................................................. .................. 27 Morteros refractarios. ...............................................................................
DISEÑO Y CÁLCULO DEL HORNO BASCULANTE BASCULANTE ........................ ............... .................. .................. ......... 28 5.1
6.
SELECCIÓN DEL CRISOL .................................................................................................. 28
5.1.1
................................................................................ 29 Posición del crisol en el el horno .................................................................................
5.1.2
Arranque del crisol o prendida del horno ............................................................. 29
5.2
SELECCIÓN DEL MATERIAL MATERIAL REFRACTARIO REFRACTARIO .............................................................. 29
5.3
............................... 30 CALCULO DEL TAMAÑO DE LA CÁMARA DE COMBUSTIÓN ................................
5.4
CALCULO DEL TAMAÑO DE LA CHAPA DE ACERO ................................................ 30
5.5
CALCULO DEL CENTRO DE MASA ................................................................................ 31
5.6
......................................................................................... 32 CÁLCULO Y DISEÑO DEL EJE ..........................................................................................
5.7
CÁLCULO Y SELECCIÓN DEL RODAMIENTO .............................................................. 34
5.7.1
Selección del rodamiento ........................................................................ .......................................................................................... .................. 34
5.7.2
........................................................................................ .................. 35 Carga estática estática equivalente ......................................................................
5.8
CALCULO DE LA COMBUSTIÓN ...................................................................................... 35
5.9
CALCULO DE TRANSFERENCIA ..................................................................................... 37
5.9.1
........................................................................................... 37 Calentamiento y vaciado ............................................................................................
5.9.2
Calentamiento del metal ............................................................................................. ............................................................................................ 37
5.9.3
Masa combustible necesaria ............................................................................... .................................................................................... ..... 38
5.9.4
................................................................................................ .................. 39 Transferencia de calor ..............................................................................
5.9.5
Tiempo de calentamiento de las paredes del horno ........................................... 41
ENCENDIDO ENCENDIDO Y PUESTA EN MARCHA DEL EQUIPO ................... ......... ................... .................. ........... 42
CONCLUSIO CONCLUSIONES NES .................................. .................................................... ................................... .................................. .................................. .................44 RECOMENDACIONES ............................................................................................... 45 BIBLIOGRA BIBLIOGRAFIA FIA .................................. .................................................... ................................... .................................. ................................... .................... .. 46
RESUMEN
Se ha realizado un diseño y construcción de un horno de crisol con fines didácticos y de investigación, el cual es un equipo para la fusión de aleaciones no ferrosas. En este horno el metal que se fundirá se encuentra en el interior de un crisol fabricado de grafito. Este crisol se posiciona en el interior de la cámara de combustión cilíndrica, que a su vez está formada internamente por un revestimiento refractario y externamente por una carcasa de lámina de acero. La potencia mínima requerida por el horno para fundir una carga de una aleación de aluminio, determinó mediante un análisis termodinámico, dando un valor de 12.50 kW (42.550 BTU/h). Con lo cual se obtuvo un estimado de consumo de gas propano de 1.49 lb/h; es decir, un cilindro de 100 lb de gas puede durar 67 horas de operación. Este horno opera independiente de una conexión eléctrica y es amigable con el medio ambiente; es decir, opera con un quemador atmosférico, el cual fue seleccionado y adquirido. Finalmente, se realizó el curado del material refractario del horno y se comprobó el funcionamiento mediante la fusión de una carga de aluminio en el cual se pudo corroborar la efectividad del diseño ya que el tiempo para obtener la temperaturas con el fin de fundir la carga se aproxima a la obtenida en el cálculo de eficiencia energética del horno.
INTRODUCCION Para el siguiente proyecto, se asignó diagramar un horno basculante de crisol, de producción de 1 tn/h, que al momento de la extracción del material fundido (en nuestro caso de aluminio), el mismo vuelque el contenido a raves de un mecanismo sin que el crisol deba ser extraído del horno. Entendemos por hornos industriales los equipos o dispositivos utilizados en la industria, en los que se calientan las piezas o elementos colocados en su interior por encima de la temperatura ambiente. El objeto de este calentamiento puede ser muy variado, por ejemplo: Fundir.
Ablandar para una operación de conformación conformació n posterior.
Tratar térmicamente térmicamente para impartir determinadas determinadas propiedades. propiedades.
Recubrir las piezas con otros elementos.
1. OBJETIVOS
1.1 Objetivo General
Construir un horno de fundición de aluminio tipo basculante y sus moldes.
1.2 Objetivos específicos
Establecer los parámetros de diseño para el horno de fundición de aluminio.
Calcular los elementos y mecanismos que conforman el horno de fundición.
Realizar el manual de funcionamiento para el horno de fundición de aluminio.
Elaborar la guía para la práctica de laboratorio.
2. MARCO TEORICO 2.1
ALUMINIO El aluminio es un elemento químico, de símbolo Al y número atómico 13. Se trata de
un metal no ferromagnético. Es el tercer elemento más común encontrado en la corteza terrestre. Los compuestos de aluminio forman el 8% de la corteza de la tierra y se encuentran presentes en la mayoría de las rocas, de la vegetación y de los animales. En estado natural se encuentra en muchos silicatos como son feldespatos, plagioclasas y micas. Como metal se extrae únicamente del mineral conocido con el nombre de bauxita, por transformación primero en alúmina mediante el proceso Bayer y a continuación en aluminio metálico mediante electrólisis. Este metal posee una combinación de propiedades que lo hacen muy útil en ingeniería mecánica, tales como su baja densidad y su alta resistencia a la corrosión. Es buen conductor de la electricidad y del calor, se mecaniza con facilidad y es relativamente barato.
2.1.1
Características Físicas Entre las características físicas del aluminio, destacan las siguientes:
Es un metal ligero, cuya densidad es de 2.700 kg/m3
Tiene un punto de fusión bajo: 660 °C (933 °K).
El peso atómico del aluminio es de 26,9815 g/mol.
Es de color blanco brillante, con buenas propiedades ópticas y un alto poder de reflexión de radiaciones luminosas y térmicas.
Tiene una elevada conductividad eléctrica comprendida entre 34 y 38 m/Ω mm2
y una elevada conductividad térmica 80 a 230 W/°K.
Resistente a la corrosión, a los productos químicos, a la intemperie y al agua de mar, gracias a la capa de Al 2O3 formada.
2.1.2 Características Químicas
Debido a su elevado estado de oxidación se forma rápidamente al aire una fina capa superficial de óxido de aluminio impermeable y adherente que detiene el proceso de oxidación, lo que le proporciona resistencia a la corrosión y durabilidad.
El aluminio tiene características anfóteras.
El principal y casi único estado de oxidación del aluminio es +III como es de esperarse por sus tres electrones en la capa de valencia.
2.1.3 Aplicaciones y Usos Ya sea considerando la cantidad o el valor del metal empleado, el uso industrial del aluminio excede al del cualquier otro metal exceptuando el hierro o acero. Es un material importante en multitud de actividades económicas y ha sido considerado un recurso estratégico en situaciones de conflicto. El aluminio puro se utiliza rara vez 100% puro y casi siempre se usa aleado con otros metales para mejorar alguna de sus características. El aluminio puro se emplea principalmente en la fabricación de espejos, tanto para uso doméstico como para telescopios reflectores. Los principales usos industriales de las aleaciones metálicas de aluminio son:
Transporte como material estructural en aviones, automóviles, trenes de alta velocidad, metros, tanques, superestructuras de buques y bicicletas.
Estructuras portantes de aluminio en edificios.
Embalaje de alimentos; papel de aluminio, latas, tetrabriks, etc.
Carpintería metálica; puertas, ventanas, cierres, armarios, etc.
Bienes de uso doméstico; utensilios de cocina, herramientas, etc.
Calderería.
2.2
Proceso de Fundición de Aluminio a partir del Mineral Reciclado
2.2.1 Reciclaje del Aluminio El aluminio es 100% reciclable sin merma de sus cualidades físicas, y su recuperación por medio del reciclaje se ha convertido en una faceta importante de la industria del aluminio. El proceso de reciclaje del aluminio necesita poca energía. El proceso de refundido requiere sólo un 5% de la energía necesaria para producir el metal primario inicial. Al aluminio reciclado se le conoce como aluminio secundario, pero mantiene las mismas propiedades que el aluminio primario.
La fundición de aluminio secundario implica su producción a partir de productos usados de dicho metal, los que son procesados para recuperar metales por pretratamiento, fundición y refinado. Para proceder al reciclaje del aluminio primero hay que realizar una revisión y selección de la chatarra según su análisis y metal recuperable para poder conseguir la aleación deseada. La chatarra preferiblemente se compactará, generalmente en cubos o briquetas o se fragmentará, lo cual facilita su almacenamiento y transporte. La preparación de la chatarra descartando los elementos metálicos no deseados o los inertes, llevarán a que se consiga la aleación en el horno de manera más rápida y económica. El residuo de aluminio es fácil de manejar porque es ligero, no arde y no se oxida y también es fácil de transportar. El aluminio reciclado es un material cotizado y rentable. El reciclaje de aluminio produce beneficios ya que proporciona ocupación y una fuente de ingresos para mano de obra no cualificada.
2.2.2 Fusión del Aluminio La fusión del aluminio es un proceso que se realiza mediante la adición de energía usando hornos de diferentes características, los cuales pueden ser muchos en cuanto a tipo y diseño, pero de acuerdo al tipo de suministro de energía, los hornos de fusión se clasifican en hornos de combustión, eléctricos y mixtos. En nuestro medio la fusión se la efectúa casi exclusivamente en hornos de combustible, empleando por razones económicas diésel. El aluminio tiene un punto de fusión de 660 °C, relativamente bajo en comparación con el bronce 900 °C o hierro 1508°C, sin embargo se precisa un 80% más de calor latente para fundir aluminio que para fundir bronce. Para obtener éxito en el proceso de fusión es necesario poder medir y/o regular la temperatura del caldo puesto que una vez que toda la carga se ha fundido, la temperatura comenzara a elevarse con suma rapidez si es que seguimos con el mismo suministro de calor ya que el requerimiento calórico será menor y mientras mayor sea el recalentamiento a que somete el caldo mayores serán los problemas y menor la calidad de la aleación. Un proceso inadecuado produce en el metal un estado de deterioro causado por oxidación y por disolución de hidrogeno. El óxido que se produce sobre la superficie de las piezas de aluminio es alúmina anhídrida cuya fórmula es:
2+ 32 +380
(1)
En estado líquido la formación de óxidos se debe por lo general a la reacción del vapor de agua con el metal y la ecuación química de este proceso es:
3 +2 ++ (2) Esta capa de óxido que se forma en la superficie del metal liquido toma el nombre de escoria cuando se torna demasiado gruesa, pero si el metal se encuentra en estado de reposo, esta es la mejor protección que se puede brindar al baño, si por cualquier circunstancia la capa se rompe es inmediatamente sustituida por otra.
2.2.3 Variables que Caracterizan el Proceso de Fundición de Aluminio Las consideraciones de fusión dadas a continuación permiten establecer las características necesarias para obtener fundiciones de calidad minimizando recursos y tiempo:
El control de la temperatura de fusión y colado debe ser adecuado.
La fusión del metal debe realizarse en el menor tiempo posible. Por lo tanto de acuerdo con las condiciones iniciales del horno, y según los
requerimientos del proceso de fundición de aluminio se caracterizan algunas variables debido a que se debe tomar en cuenta algunos parámetros los que dependen de la forma del horno, los mismos que se describen en el diseño, de la cantidad de materia a fundir, de la temperatura y tiempo necesario para fundir el metal, la eficiencia del horno la misma que se basa en la cantidad de calor útil y la cantidad de pérdida de calor.
2.2.3.1 Peso de la Carga Se tomó como referente un peso de 20 kg del metal a ser fundido. El volumen o capacidad del trabajo mantiene relación directa con los Kg/hora de producto y el mercado al cual se dirija la industria por lo tanto se determina un volumen inferior y adecuado para realizar prácticas académicas.
2.2.3.2 Temperatura La fundición del metal debe realizarse a mayor temperatura la misma que debe ser uniforme y para colar a la mejor temperatura posible. Por consiguiente se toman los siguientes datos de temperatura:
Temperatura ambiente 20 °C.
Temperatura de fusión del Aluminio 660 °C.
Temperatura del metal fundido para que pueda estar en condiciones óptimas de
colado y ser puesto en moldes adecuados, debe tener alrededor de 800 °C.
Temperatura de la cámara de combustión 900 °C.
2.2.3.3 Tiempo El tiempo del proceso de fusión es de 45 minutos que equivale a 0,75 horas; este es el tiempo necesario para que la cámara de combustión llegue a 900°C y la temperatura de colado sea la óptima.
2.2.3.4 Calor necesario para la Fundición de Aluminio Es importante que la cantidad de calor que pasa a la carga sea de gran magnitud; para de esta manera economizar en lo que ha combustible se refiere, y se puede conseguirlo analizando las pérdidas de calor que se producen. Por consiguiente el calor necesario será igual a la sumatoria de la cantidad útil de calor más el calor perdido por transferencia de calor.
3. HORNOS 3.1 GENERALIDADES Un horno es un dispositivo en el que se libera calor y se transmite directa o indirectamente a una masa sólida o fluida con el fin de producir en ella una transformación física o química (ORDOÑEZ, 2001) Las partes constitutivas de un horno
Elemento generador
Sistema de alimentación de material
Cámara principal Aislantes térmicos
Sistemas de medición y control
Redes de suministro de combustible o cableado de potencia
Ventiladores y sistemas de evacuación de gases
Redes eléctricas
Recubrimiento externo
La energía calorífica requerida para el calentamiento de los hornos puede proceder de: Gases calientes producidos en la combustión de combustibles sólidos, líquidos o gaseosos que calientan las piezas por contacto directo entre ambos o indirectamente a través de tubos radiantes o intercambiadores en general.
3.2 CLASIFICACIÓN (UMSS, 2000)La clasificación de los hornos es difícil de establecer, por ello se dice que existe casi un tipo de horno específico para cada aplicación. Por lo tanto, normalmente se clasifican desde ciertos puntos de vista:
3.2.1 De acuerdo con su temperatura de trabajo.
Hornos: Temperaturas de trabajo superiores a 550 °C.
Estufas: Temperaturas de trabajo inferiores a 550 °C.
3.2.2 De acuerdo con su uso
Hornos de cemento
Hornos de cal
Hornos de coque
Hornos cerámicos
Hornos incineradores
Alto Horno, etc.
3.2.3 De acuerdo con su forma de operación
Continuos
Discontinuos
Periódicos
3.2.4 De acuerdo con su forma de calentar
Directos Indirectos
3.2.5 De acuerdo con su fuente de energía
Combustibles: sólidos, líquidos o gaseosos y mixtos.
Energía eléctrica.
Mixtas.
3.3 MÉTODOS DE CALENTAMIENTO EN HORNOS (CALLISTER, 1995)Dentro de los métodos de calentamiento con combustibles se encuentran, (Ver Figura 1).
Directo: La llama y los gases entran en contacto con la carga.
Indirecto: Sólo los gases entran en contacto con la carga.
Muflas: Se calienta una recámara que tiene en su interior la carga, por lo que los gases nunca tocan la carga. Especial para cargas que reaccionan o se contaminan con los gases de combustión.
Tubos de Radiantes: este sistema gasta más combustible para obtener el mismo calentamiento. La llama se encausa por un tubo que alcanza una alta temperatura. Luego el calentamiento se realiza principalmente por radiación del tubo a la carga.
Figura 1. Tipos de calentamiento en hornos
Recirculación: La combustión se realiza en una cámara aparte del horno. Luego mediante un ventilador se introducen los gases el horno y se hacen pasar varias veces por la carga hasta que pierdan la mayor cantidad de energía posible para luego ser evacuados. A gran velocidad: Una gran cantidad de quemadores rodea la carga, produciendo llamas directas sobre ella con el fin de alcanzar un alto gradiente de temperaturas entre la carga y sus alrededores.
3.4 TIPOS DE HORNOS 3.4.1 Hornos rotatorios Los hornos rotatorios (Ver Figura 2), constan de un cilindro largo de acero que gira alrededor de su eje. En el caso de trabajo a altas temperaturas hay que recubrir el cilindro con ladrillo refractario en su interior. Ya sea para aislarlo del exterior o para proteger el acero (Shigley, 2001)
Figura 2. Horno rotatorio con enfriador
3.4.2 Hornos de cuba Posee una cámara vertical llamada cuba, la cual puede ser cilíndrica o cónica. En su interior puede estar cubierta por un refractario según la temperatura de trabajo. La carga se alimenta por la parte superior llamada tragante. El producto se evacua por la parte inferior. Los gases que calientan, la carga entra a la cuba por la parte inferior y se encuentran con la carga en contracorriente (Arenas, 1997) Dentro de los hornos de cuba se encuentran los horno para cal, alto horno para obtener arrabio (hierro de primera fundición), hornos de guijas para calentar aire, hidrógeno, metano, vapor de agua, o en algunos casos como recuperador de calor y el Thermofor que se usa para pirolizar (crakear) petróleo y producir oleofinas, gasolinas y aromáticos. (figura3).
Figura 3. Horno de cuba – Alto horno
3.4.3 Hornos de Reverbero Es un horno cuyo hogar está separado del material que debe tratar, y en el que los gases de combustión están en contacto con el material. El objetivo de estos hornos es fundir (ÇENGEL, 2005) Consta básicamente de un recipiente refractario de forma rectangular o elíptica poco profundo (aprox. 40cm) llamado solera. Por lo general los hornos de este tipo constan de regeneradores de ladrillo a cada extremo y a un nivel más bajo que el horno, los cuales son usados para precalentar el aire. (Ver Figura 4).
Figura 4. Horno de reverbero – Matin-Siemens
3.4.4 Hornos de túnel Como su nombre los dice, consta de un túnel que puede ser recto o circular, y por el interior del cual se mueve la carga de un extremo a otro (CENGEL, 1997) Para darle movimiento a la carga se utiliza una vagoneta movida sobre rieles o una banda de tela metálica.
3.4.5 Hornos de fundición Cualquier proceso de producción de acero a partir del Arrabio consiste en quemar el exceso de carbono y otras impurezas presentes en el hierro. Una dificultad para la fabricación del acero es su elevado punto de fusión, 1.400ºC aproximadamente, que impide utilizar combustibles y hornos convencionales. Para superar esta dificultad, se han desarrollado 3 importantes tipos de hornos para el refinamiento del Acero, en cada uno de estos procesos el oxígeno se combina con las impurezas y el carbono en el metal fundido (Yunus A. Cengel)
3.4.6 Horno de hogar abierto o crisol (CENGEL, 1997)El horno de hogar abierto semeja un horno enorme, y se le denomina de esta manera porque contiene en el hogar (fondo) una especie de piscina larga y poco profunda (6m de ancho, por 15 m de largo, por 1 m de profundidad, aproximadamente). (Ver Figura 6).
Figura 5. Horno de Crisol para metales no ferrosos
3. 4. 6. 1
Tipos de horno de crisol
3.4.6.1.1 Hornos pozo El crisol es removido del horno y llevado hasta los moldes para vaciar el metal. Este horno se puede construir sobre o bajo el nivel del suelo. En ambos casos el horno es fijo. Existen en una variedad de tamaño para acomodar crisoles desde 15 a 150 kg de capacidad de latón. Son extremadamente flexibles, tanto en relación a las aleaciones como a las cantidades. Se pueden usar crisoles distintos para diferentes aleaciones y, hasta cierto punto, crisoles de distinto tamaño en un mismo horno (ORDOÑEZ, 2001)
3.4.6.1.2 Hornos Bale-out (de espera) El metal es retirado del crisol con cucharas y transferido a los moldes. Se utilizan, principalmente, para fundición bajo presión, donde se necesitan pequeñas cantidades a intervalos frecuentes. Capacidades típicas en el rango de 50 kg a 500 kg de aluminio y 110 kg a 330 kg de latón. Rendimiento máximo: 240 kg de aluminio por hora.
3.4.6.1.3 Hornos Basculantes Son hornos movibles apoyados sobre un sistema de sustentación. Usualmente se les utiliza cuando es necesaria una producción relativamente grande de una aleación determinada. El metal es transferido a los moldes en una cuchara o un crisol precalentado, con la excepción de casos especiales en que es vaciado directamente. El tipo original de horno basculante, con capacidades de 70 kg a 750 kg de latón, bascula en torno a un eje central. Su desventaja es que el punto
de descarga acompaña el
movimiento basculante. Para superar este inconveniente se desarrolló un horno basculante de eje en la piquera, con capacidad de 200 kg a 750 kg de latón, y el modelo moderno es basculado por pistones hidráulicos, otorgando la ventaja de un mayor control en la operación de vaciado (Mosquera, 2012) El calentamiento del material contenido en el crisol se hace por vía indirecta, mediante los gases de combustión que fluyen por la parte exterior del crisol, la transmisión del calor al metal se hace fundamentalmente por conducción a través de las paredes del crisol, y los gases de combustión salen del horno a alta temperatura. Los crisoles son en esencia recipientes abiertos por la parte superior, de forma troncocónica, en la actualidad existen de varias tamaños. Este tipo de hornos constituyen el primer paso dado para alcanzar un rendimiento en la fusión de los metales; ya que se empezó a inyectar aire para mejorar su combustión y obtener una mayor eficiencia térmica con respecto al horno de crisol fijo. En contrapropuesta los experimentos de precalentamiento de aire no han sido muy satisfactorios, pues solo se consigue reducir pequeñas cantidades de combustible, lo que resulta de gran ayuda en la disminución de costos.
3.4.6.1.4 Horno de crisol inmerso Es el inverso del horno normal de crisol, en el sentido de que la llama quema dentro del crisol que está inmerso en el baño de aleación de zinc o aluminio, el cual se encuentra en un recipiente refractario. Estos hornos son fabricados con capacidad de fusión de 300 kg a 1000 kg de aluminio por hora. Sus ventajas principales respecto de hornos de llama abierta son una mayor eficiencia, que alcanza a un 40%, y pérdidas de metal de tan sólo un 1 ó 2%, otorgando una considerable economía financiera.
3.4.6.1.5 Horno rotativo de crisol Se utilizan para la recuperación de viruta, escoria y otros tipos de chatarra menuda. El horno contiene un crisol con forma de garrafa, con capacidad de 300 kg de limadura de latón y trabaja a un ángulo aproximado de 50º con respecto a la vertical. El cuerpo del horno y el crisol giran constantemente durante la fusión, trayendo el metal para el lado caliente del crisol y tirando la limadura no fundida hacia adentro y abajo del metal ya fundido. De esta forma, la rotación proporciona una fusión más rápida y también evita la adhesión de la carga a las paredes del crisol, como ocurre frecuentemente con los hornos convencionales. El formato del crisol, y especialmente el cuello estrecho, junto con las condiciones neutras o reductoras dentro del crisol, virtualmente eliminan las pérdidas por oxidación de las cargas y aseguran una alta recuperación de metal (un porcentaje típico es la recuperación de un 94% del metal de limadura de latón 60/40, conteniendo 3% de aceite). La selección del tipo y tamaño de horno dependerá de la aplicación (por ej. si es para fusión o mantención), del número de aleaciones, la producción diaria de cada aleación, la mayor pieza a ser fundida, la continuidad de alimentación de metal, el tipo de combustible (ÇENGEL, 2005)
3.4.6.2 Formas de calentamiento en los hornos de crisol En relación a la forma de energía utilizada, los hornos de crisol pueden ser operados básicamente a través de energía eléctrica o de combustibles. En relación a la energía eléctrica, los hornos más comunes son de resistencia y de inducción. En cuanto a los combustibles, se puede utilizar una serie de formas diferentes (Tabla 1).
Tabla 1Principales tipos de combustible que pueden ser usados en la operación de los hornos de crisol.
Poder Calorífico Combustible
Tipo Leña Carbón mineral Coque de fundición
Sólido
Líquido
Gaseoso
Kcal/K 3800 4000 a 6000 6200 a 7500
Coque de petróleo Carbón vegetal Gasolina Petróleo diesel Alcohol etílico Querosene Petróleo - Fuel-Oil - OC4 Gas licuado Gas de coque Gas natural Metano
8000 6500 a 7000 10200 11000 Kcal/litro 7300 11600 9820 10000 10900 4500 10000 8500
En la práctica, los combustibles más utilizados son petróleo y gas. El petróleo no combustiona en su estado líquido original; la manera de alcanzar una gasificación rápida consiste en proyectarlo finamente subdividido hacia el interior de la cámara de combustión. El elemento mecánico que realiza tal operación es el quemador. Los quemadores de petróleo deben cumplir los siguientes objetivos:
Pulverizar el petróleo en gotitas cuyos diámetros varían desde unos 30 a 150 micrones (1 micrón = 0,001 mm).
Mezclar el petróleo, ya en estado nebuloso o de vapor, con el aire.
Mantener la proporción entre el aire y el petróleo. El gas combustible propicia las mejores condiciones de servicio, después de la
energía eléctrica, en lo que toca a la limpieza de las instalaciones; entretanto, tiene como desventaja el peligro de explosión y el costo relativamente alto.
3.4.6.3 Medición de la temperatura La exactitud con que midan y controlen las temperaturas determinará el éxito de la operación de algunos procesos metalúrgicos, como la fundición, la refinación y el tratamiento térmico. También tendrá un profundo efecto sobre las propiedades de resistencia de muchos metales y aleaciones (Sanchez, 2007)
La temperatura de proceso debería controlarse dentro de ±2,5 °C. Aunque a veces es posible este apretado rango, uno más práctico es de unos ±5 °C. Se deben ejecutar tres pasos en todo proceso de control de temperatura. Antes de poder establecer control, primero se debe "sentir" (detectar) la variable mediante algún mecanismo que responda a cambios en la calidad o valor de la variable. Luego, esta cantidad, o su cambio, deben ser indicados o registrada, previo a ser controlada. Siguiendo la acción de control, el último paso en la secuencia es la transmisión de la salida del controlador al "elemento final", el cual es un componente del proceso en sí. Los elementos finales envían por medio de un relé la salida del controlador y causan cambios correctivos en el proceso. Sensores de Temperatura. Como es a menudo el caso, una variable es medida y luego traducida, o convertida, a otra. Por ejemplo, las temperaturas ambientales se miden por la expansión o contracción de una columna de fluido o de un metal. Mediante calibración, estas variables se convierten a lecturas de temperatura numérica. Estos simples mecanismos, sin embargo, no se adecuan a temperaturas más elevadas. Los sensores utilizados para medir altas temperaturas son los termopares y los pirómetros. Como sea, ambos utilizan el mismo enfoque anterior; esto es, se mide una variable y se la convierte a otra (UMSS, 2000)
3.4.6.4
Medición de la temperatura por el color
Uno de los métodos más sencillos para exterminar la temperatura de un metal es mediante la observación del color del cuerpo caliente. Existe una correlación trivial entre la temperatura de un metal y su color (Tabla 2). Este método dará sólo estimaciones de temperatura aproximadas, excepto cuando lo aplique un observador experimentado. La principal dificultad es que la apreciación del color varíe con los diferentes materiales.
Tabla 2. Variación del calor con la temperatura.
COLOR Rojo tenue Rojo oscuro Cereza oscuro Rojo cereza Cereza subido Naranja oscuro Naranja Amarillo
TEMP., º C 500 620 650 700 800 900 950 980
Si se necesita una indicación o un registro continuo de la temperatura, los instrumentos que se utilicen pueden ser de dos tipos: a) los sistemas mecánicos que funcionan esencialmente por efecto de la expansión de un metal, un líquido, un gas o vapor, y b) los sistemas eléctricos que funcionan por medio de la resistencia eléctrica medida, un termopar, la radiación o pirómetros ópticos (Vascones, 2011)
3.4.7 Horno de oxigeno básico Es un horno en forma de pera que puede producir una cantidad aproximadamente de 300 toneladas de acero en alrededor de 45 minutos.
3.4.8 Hornos eléctricos La idea de la construcción de hornos eléctricos comenzó a tomar forma a mitad del siglo XVIII. Su utilización efectiva a escala industrial se inició solamente después de 1900, obteniéndose su máxima aceptación después de la 2ª Guerra Mundial, cuando la energía eléctrica comenzó a disminuir de precio tornándose competitiva con los combustibles tradicionales .
4 REFRACTARIOS
4.1
GENERALIDADES DE LOS MATERIALES REFRACTARIOS En las operaciones de fundición, los materiales refractarios cumplen un papel
fundamental dentro del proceso, ya que tienen la función de mantener la temperatura y otorgar estabilidad estructural al horno o convertidor. Una de las dificultades que tiene la construcción del horno tipo basculante es el cálculo del revestimiento refractario. Por esta razón la determinación del espesor de ladrillo, manto cerámico y chapa de acero es relevante para determinar el estado del equipo, que se requiere para planificar los trabajos de mantención pertinentes y optimizar el proceso de fusión. El presente trabajo tiene por finalidad presentar un método confiable que permita estimar el espesor de los revestimientos refractarios en base a la temperatura de la superficie externa de los hornos. La metodología se basa en balances de energía que describen la transferencia de calor ocurrida en el horno que considera los perfiles de temperatura y los espesores de los ladrillos, manto y carcaza (CENGEL, 1997) Hoy en día los refractarios son materiales muy importantes en cualquier lugar donde se requieren altas temperaturas, ya sea en equipos tales como calderas, hornos de vidrio, cerámica, Hierro, cobre, acero, etc. Además de proporcionar aislamiento térmico, los refractarios pueden soportar abrasión e impactos, resistir polvos, humos, metales fundidos y escorias, en tal extensión como sean las exigencias.
4.2
CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES REFRACTARIOS 4.2.1 Refractarios ácidos Son resistentes a escorias del tipo ácidas, los básicos son resistentes a las
escorias básicas y los neutros son resistentes a ambas. De acuerdo a su composición química, se tienen ladrillos de arcilla refractaria, de alta alumina, de sílice, y básicos de liga directa, convencional y química (Shigley, 2001)
4.2.2 Refractarios básicos Varios refractarios se basan en el MgO (magnesia o periclasa) El MgO puro tiene un punto de fusión alto, buena refractariedad buena resistencia al ataque por los entornos que a menudo se encuentran en los procesos de fabricación de acero. Típicamente, los refractarios básicos son más costosos que los refractarios ácidos.
4.2.3 Refractarios neutros Normalmente incluyen la cromatina y la magnesita, pueden ser utilizados para separar refractarios ácidos de los básicos, impidiendo que uno ataque al otro.
4.2.4 Refractarios especiales El carbono, el grafito, es utilizado en muchas aplicaciones refractarias, particularmente cuando no hay oxígeno fácilmente disponible. Estos materiales refractarios incluyen la circonia (ZrO2), el circón (ZrO2.SiO2) y una diversidad de nitruros, carburos y boruros (Vascones, 2011) Así mismo y cada vez más frecuentemente, ciertos procesos de producción específicos no pueden ser puestos en marcha si no se ha desarrollado previamente el revestimiento refractario adecuado. De todo ello se deduce el carácter estratégico de este tipo de materiales, más allá del valor en si del material o de su participación en la estructura de costes de un determinado proceso. Por otra parte, un revestimiento refractario- aislante protege a la estructura portante de las altas temperaturas y hace que las pérdidas de calor a través de las paredes de los hornos sean menores, contribuyendo de ese modo al ahorro energético, debido a un menor consumo de calor. Además, los materiales refractarios ayudan a proteger el medio ambiente asegurando que las temperaturas altas necesarias en muchos procesos no presentan un impacto perjudicial para el medio ambiente. Los principales sectores de aplicación de los materiales refractarios, así como el tipo de instalación en la que se usan pueden verse en la Tabla 5. En ella también se da la temperatura del proceso y el tipo o tipos de refractarios utilizados. Se observa que se corresponden con sectores industriales básicos de la economía de un país.
Si al sector siderúrgico añadimos el de tos metales no férreos, el del vidrio, el del cemento y la cal y el cerámico tradicional el tanto por ciento de consumo anterior se eleva al 80 %. La industria de los materiales refractarios ha experimentado una extraordinaria evolución en los últimos anos, como consecuencia de las nuevas y cada vez más exigentes especificaciones impuestas por las industrias consumidoras. Esto se ha traducido, no solo en un más estricto control de las materias primas y en una mejora de los procesos de fabricación, sino en el aporte científico de técnicas que, procediendo tanto de la metalografía como de la fisicoquímica de materiales, han permitido el establecimiento de los diagramas de equilibrio de fases de los óxidos potencialmente utilizables como refractarios por su elevado punto de fusión (A12O3, CaO, SiC2, MgO, ZrO2, Cr2O3, etc), lo que ha supuesto un mejor conocimiento de la influencia de las impurezas presentes, a la temperatura y condiciones reales de trabajo de cada tipo de material. Igualmente el avance en los estudios micro estructurales han permitido prever, tanto el comportamiento ante el ataque químico o erosión de las escorias y gases presentes, como una mejor evaluación de las propiedades termomecánicas requeridas a los revestimientos refractarios (Yunus A. Cengel)
4.3
DEFINICIÓN Y CONSTITUCIÓN DE LOS MATERIALES REFRACTARIOS (CALLISTER, 1995)Pueden existir diversas maneras de definir lo que se entiende
por un material refractario. Así, según la Real Academia de la Lengua se define material refractario como aquel cuerpo que resiste la acción del fuego sin cambiar de estado ni descomponerse. Por tanto, se considera como material refractario a todo aquel compuesto o elemento que es capaz de conservar sus propiedades físicas, químicas y mecánicas a elevada temperatura. La norma española UNE (150 R836-68) define a los materiales refractarios como a aquellos productos naturales o artificiales cuya Refractariedad (Resistencia piroscópica o cono pirometrico equivalente) es igual o superior a 1500 ºC. Es decir, resisten esas temperaturas sin fundir o reblandecer. La resistencia piroscópica se determina según la norma UNE 61042 o la ISO/R 528 o la DIN EN 993-12. A su vez, son materiales cerámicos no metálicos.
La definición anterior solo hace referencia a las temperaturas mínimas que debe de ser capaz de resistir un refractario, sin tener en cuenta otro tipo de solicitaciones o condiciones. Es importante precisar que la resistencia piroscopica es una condición necesaria, pero no es suficiente para que una material sea considerado como refractario, ya que además debe conservar a dichas
temperaturas elevadas una resistencia
mecánica y/o una resistencia a la corrosión suficientes para el empleo a que se destine. Una definición “ampliada”, que hace mención al hecho de que no es solo la resistencia a
la temperatura lo que se exige a un material refractario, es la siguiente, Materiales capaces de resistir temperaturas elevadas conservando al mismo tiempo buenas propiedades operativas frente a las solicitaciones presentes en hornos y reactores industriales. Tenemos pues, que los refractarios son fundamentalmente materiales capaces de resistir altas temperaturas sin fundirse. Pero no solo eso, además deben poseer una resistencia mecánica elevada a dichas temperaturas para poder resistir sin deformarse su propio peso y el de los materiales que están en contacto sobre ellos. Dependiendo de las aplicaciones se les exigirán otras propiedades en mayor o menor grado, por ejemplo, la estabilidad química frente a los metales fundidos, las escorias, el vidrio fundido, los gases y vapores, etc. Y resistencia a los cambios bruscos de temperatura (Choque térmico). En su mayor parte los materiales refractarios están constituidos por silicatos, óxidos, carburos, nitruros, boruros, siliciuros, carbono, grafito, etc.
4.4
TIPOS DE MATERIALES REFRACTARIOS 4.4.1 Refractario de arcilla calcinada. Estos materiales se denominan también silicos aluminios por ser la Sílice y la
Alúmina, los constituyentes principales de ellos. Son los más utilizados, hay dos tipos generales y cinco clases de ladrillo.
4.4.2 Refractario de Sílice. Están constituidos fundamentalmente por Óxido de Silicio (SiO 2). Se distinguen dos clases de ladrillos calcinados.
4.4.3 Refractarios Aislantes. Están fabricados a base de Sílice. Existen dos grandes divisiones en los cuales se agrupan los ladrillos aislantes o sea los ladrillos aislantes quemados, o ladrillos aislantes prensados.
4.4.4 Refractarios de Tipos especiales. Son refractarios que se pueden obtener de fabricantes particulares, empleados para condiciones específicas severas, son muy costosos. Entre otros tenemos: Caolín de alto cocido, Carburos, Sulfuros, Boruros, Nitruros, entre otros.
4.4.5 Especialidades refractarias. Bajo esta denominación se agrupan los refractarios no conformados. Empleados en la construcción de revestimiento monolíticos, vaciado de pieza de gran tamaño, reparaciones y para pegar ladrillos.
4.4.6 Concretos refractarios. Son mezclas de materiales refractarios molidos con adecuada granulometría y aditivos ligantes.
4.4.7 Morteros refractarios. Utilizados para pegar ladrillos entre si y rellenar las juntas entre ellos. El mortero refractario se debe seleccionar cuidadosamente como el ladrillo en el cual va a ser usado y debe ser compatible con la composición química del ladrillo.
5 DISEÑO Y CÁLCULO DEL HORNO BASCULANTE Una parte importante en el diseño es la construcción, donde todas las ideas en papel se cumplen y se dan a conocer tanto los éxitos como los errores en el diseño. Una buena manufactura de la pieza traerá como
consecuencia:
Uniformidad de
propiedades mecánicas, reducción de esfuerzos en ciertas zonas y buen acabado superficial (ÇENGEL, 2005) Es importante notar que los parámetros calculados sirven de referencia, pues en su maquinado real tienen que ser modificados debido a situaciones externas por ejemplo: No contar con la herramienta adecuada, impurezas en los materiales que hace que sus propiedades no sean uniformes, el tipo de sujeción de la pieza entre otras. El tiempo y costo de construcción depende en gran manera del adecuado plan de proceso para cada pieza, apropiados parámetros de corte y uso correcto de las herramientas y máquinas herramientas.
5.1 SELECCIÓN DEL CRISOL El tamaño del crisol está determinado por las condiciones de diseño, que son:
Fundir 20 kg de aluminio.
Que el material resista alta temperaturas (1000 ºC).
Económico.
En la selección del crisol se tuvo en cuenta que el material soportara altas temperaturas, para llevar el aluminio de un estado sólido a un estado liquido. Se utilizo Hierro fundido, por cumplir con las características más optimas para el proceso. El diámetro de crisol lo asumimos de 25 cm y la altura está determinada por la relación, masa sobre volumen es decir la densidad.
Ƿ
(3)
Ƿ= densidad
m= masa v= volumen
ℎ (4) 5.1.1 Posición del crisol en el horno La posición del crisol en el horno es muy importante. La base del crisol puede estar al mismo nivel o ligeramente arriba de la línea del centro del quemador. Esto es posible si colocamos el crisol sobre el bloque pedestal a una altura apropiada, el crisol se debe colocar concéntrico a la pared interior del horno y dejar espacio uniforme de combustión alrededor.
5.1.2 Arranque del crisol o prendida del horno Para los crisoles ligados con arcilla la temperatura del horno debe subir muy lentamente y particularmente para grandes tamaños del crisol; esto asegura un buen recocido y evita agrietamiento en caso de contener algo de humedad; los crisoles ligados con carbón pueden ponerse en funcionamiento más rápidamente,
lo que puede
favorecer el revestimiento protector que es apto para temperaturas altas, para cargar
5.2
SELECCIÓN DEL MATERIAL REFRACTARIO Esta selección del material refractario, se hace con el fin de contrarrestar las
pérdidas de calor máximas que se pueden presentar, si no se cuenta con los refractarios. Basándonos en no permitir este problema, seleccionamos los siguientes materiales: [7] ✓
Ladrillo refractario Arco 2, Recto, Ref. U-33.
✓
Fibra Cerámica HPS, NUTEC-FIBRATEC
✓
Mortero, SUPERAEROFRAX
✓
Concreto, CONCRAX-1500
Las especificaciones técnicas de estos materiales está dada por el proveedor. (Ver Anexos A, B, C)
5.3 CALCULO DEL TAMAÑO DE LA CÁMARA DE COMBUSTIÓN
Volumen de la cámara de combustión:
∗
(5)
q =800 kw/m3
∗ ∆ ℎ (6) Q = = Potencia calorífica (kj/h) m = Flujo masico de combustible (kg/h) ∆h= Poder calorífico del combustible (kj/kg)
El poder calorífico para el ACPM es de 45000 kj/kg, y la ρ=850 kg/m3, la masa de combustible necesaria es la relación entre la potencia calorífica solicitada y el poder calorífico del combustible. m = 4.03281993*10E-4 kg/s
Y el volumen de la cámara de combustión queda: v cc = 0,0362953 m 3
5.4
CALCULO DEL TAMAÑO DE LA CHAPA DE ACERO
Por requerimientos de diseño, de mantener un buen quemado y tener controlado la temperatura exterior del cilindro de acero, se diseño de la siguiente manera. Crisol de Hierro Fundido 5” de radio. Cámara de combustión de 3 ¼” de ancho Ladrillo Refractario 4 ½” de ancho Manta cerámica 2” de ancho
Chapa de acero A- 36 1/8” de espesor
Entonces el diámetro de la chapa de acero seria: Diámetro exterior: (5” + 3 ¼” + 4 ½” + 2” + 1/8”)*2 Diámetro exterior: 29.75” = 75,56 cm.
Y la Altura se calcula dependiendo del tamaño del crisol seleccionado y los materiales refractarios. Como el tamaño del crisol seleccionado anteriormente es de:
Diámetro: 25,5 cm.
Altura: 20 cm. Para evitar pérdidas en la colada se sobredimensiono la
altura del mismo en un rango de 5 cm. Entonces queda de 25 cm.
El espesor del material refractario utilizado en la base de la chapa que es
de, 16 cm.
5.5
La base del crisol es de, 7 cm.
Altura de la tapa superior de la chapa hasta el crisol es de 6 cm.
CALCULO DEL CENTRO DE MASA Es el punto donde puede considerarse que está concentrada toda la masa de un
cuerpo para estudiar determinados aspectos de su movimiento. El centro de masa de una esfera de densidad uniforme está situado en el centro de la esfera. El centro de masa de una varilla cilíndrica de densidad uniforme está situado a la mitad de su eje. En algunos objetos, el centro de masa puede estar fuera del objeto.
∑= ∗ ∑=
Y = centro de gravedad y= centro de cada figura m = masa de cada figura
(7)
Figura 18:
1. Chapa de Acero A-36. 2. Manta cerámica. 3. Ladrillo refractario. 4. crisol.
Figura 6: Horno
5.6
CÁLCULO Y DISEÑO DEL EJE Un eje es un elemento de máquina generalmente rotatorio y a veces estacionario,
que tiene sección normalmente circular de dimensiones menores a la longitud del mismo. Tiene montados sobre sí, elementos que transmiten energía o movimiento, tales como poleas (con correas o cadenas), engranajes, levas, volantes, etc. (Ver Figura 7)
Figura 7: Ilustración de un eje
La geometría de un eje es tal que el diámetro generalmente será la variable que se use para satisfacer un diseño. El procedimiento general para el diseño de ejes, consiste en los siguientes pasos:
Definición de las especificaciones de velocidad de giro y
potencia
de
transmisión necesaria. Selección de la configuración. Elección de los elementos que irán montados
sobre el eje para la transmisión de potencia deseada a los distintos elementos a los que se deba realizar tal transmisión. Elección del sistema de fijación de cada uno de estos elementos al eje. Precisar la posición de los cojinetes/rodamientos de soporte del eje. Propuesta de la forma general para la geometría del eje para el montaje de los
elementos elegidos (cambios de sección oportunos). Determinación de los esfuerzos sobre los distintos elementos que
van
montados sobre el eje.
Cálculo de las reacciones sobre los soportes.
Cálculo de las solicitaciones en cualquier sección.
Selección del material del eje, y de su acabado.
Selección del coeficiente de seguridad adecuado, en función de la manera en que se aplica la carga (suave, impacto). Suele estar entre 1.5 y 2. Localización y análisis de los puntos críticos en función de la geometría
(cambios de sección) y de las solicitaciones calculadas. Dimensionado para su resistencia.
Comprobación dinámica de velocidad crítica.
Determinación de las dimensiones definitivas que se ajusten a las dimensiones comerciales de los elementos montados sobre el eje.
Algunas recomendaciones que se deben tener en cuenta durante el diseño son:
Los ejes han de ser tan cortos como sea posible para evitar solicitaciones de flexión elevadas. Con la misma finalidad, los cojinetes y rodamientos de soporte se dispondrán lo más cerca posible de las cargas más elevadas.
Se evitarán en la medida de lo posible las concentraciones de tensiones, para lo cual se utilizarán radios de acuerdo generosos en los cambios de sección.
Momento flector: El material utilizado es un Acero AISI 1045; Análisis químico según Norma Nacional NMX B-301 (% en peso): C
Si
Mn
P màx.
S màx.
0.43-0.50
0.15-0.35
0.60-0.90
0.040
0.050
Tipo: Acero de medio contenido de carbón.
Formas y Acabados: -
Barra redonda, cuadrada, hexagonal y solera, laminadas o forjadas en caliente, estiradas en frío y peladas o maquinadas.
-
Placa laminada caliente.
-
Anillos forjados.
Características: El más popular de los aceros al carbón templables es sin duda el 1045. En todo tipo de aplicaciones en donde se requiera soportar esfuerzos por encima de los 600 MPa. (61 kgf/mm2), o en el caso de diámetros mayores, en donde se
necesite una
superficie con dureza media, 30 a 40 Rc, y un centro tenaz. Aunque su maquinabilidad no es muy buena, se mejora con el estirado en frío, además con este acabado se vuelve ideal para flechas, tornillos, etc. de alta resistencia.
5.7
CÁLCULO Y SELECCIÓN DEL RODAMIENTO 5.7.1 Selección del rodamiento Cuando un rodamiento bajo varga está parado, efectúa lentos movimientos de
oscilación, o funciona a velocidades muy bajas, su capacidad para soportar carga no viene determinada por la fatiga del material, si no por la deformación permanente en los puntos de contacto entre los elementos rodantes y los caminos de rodadura.
Esto también es válido para rodamientos giratorios sometidos a elevadas cargas de choque durante una fracción de revolución. En general pueden absorberse cargas equivalentes a la capacidad de carga estática C 0 , sin perjuicio alguno sobre las características de funcionamiento del rodamiento.
5.7.2 Carga estática equivalente Las cargas que tienen componente radial y axial deben ser convertidas en una carga estática equivalente. La carga estática equivalente se define como la carga radial que si se aplicase produciría la misma deformación en el rodamiento que las cargas reales. Se obtiene por medio de la ecuación general: P 0
= X 0 F r + Y 0 F a (8)
P 0 = Carga estática equivalente, en N F r
= Carga radial real, en N F a = Carga axial real, en N X
0 = Factor radial Y 0 = Factor axial
Tipo de rodamiento seleccionado: Rodamiento NU 1009, rodamiento de rodillo cilíndrico.
5.8
CALCULO DE LA COMBUSTIÓN Para la ingeniería el proceso de combustión es fundamental, puesto que con el
se logra liberar la energía química de los combustibles, depositarla como energía interna en la masa resultante de los gases de combustión y utilizar estos últimos en procesos de transferencia de calor, los combustibles son compuestos que tienen la particularidad de tener reacciones exotérmicas de oxidación, para lograr un proceso de combustión efectivo, se requiere que en la cámara de combustión se cumplan tres condiciones:
Que el combustible y el aire estén mezclados adecuadamente, de tal manera que
cada partícula de combustible se encuentre rodeada del aire suficiente para su reacción; el mecanismo utilizado para lograr lamezcla de los reactivos en la cámara de combustión es el de propiciar la mezcla dentro de ellos. Es necesario también que la mezcla aire combustible se encuentre a una
temperatura determinada, llamada temperatura de ignición, para que se desencadene el proceso de combustión. Una vez iniciada la combustión se requiere que cada partícula de combustible
permanezca dentro de la cámara de combustión el tiempo suficiente para que pueda reaccionar completamente al que se le llama tiempo de residencia. Cuando en los reactivos se utilice el aire como agente oxidante, así suceden la realidad, la reacción de un combustible hidrocarburo, cuya fórmula general es
C n
H m , será:
CnHm + ( m/4 + n )O2 + 3.76 ( m/4 + n )N 2
nCO2 + m/2H2O + 3.76 (m/4 + n )N2 (9)
n=12 y m=26 C12H26 + 18.5 ( O2 + 3.76N2)
12CO2 + 13H2O + 69.56 N2 (10)
Moles de aire= 18.5 * (4.76)kmol Moles de aire = 88.06 kmol Masa de aire = 88.06kmol * 29 kg/mol Masa de aire = 2553.74 kg de aire
Masa molar = 12 12 + 26(1 ) (11) Masa molar = 176 kg de combustible Entonces la relación teórica de aire/combustible es:
2553.74 15 (12) 176 Con esta relación se garantiza realizar una quemada más pura y menos contaminante.
Entonces se obtendrá una relación de aire combustible de acuerdo a la cantidad de aire que satisface el ventilador centrífugo, y de acuerdo con la cantidad de combustible que fluye por la tubería de ¼”.
5.9
CALCULO DE TRANSFERENCIA 5.9.1 Calentamiento y vaciado Para desarrollar la operación de fundición, el metal se calienta hasta una
temperatura ligeramente mayor a su punto de fusión y después se vacía en la cavidad del molde para que se solidifique. En esta sección consideramos varios aspectos de estos dos pasos en la fundición.
5.9.2 Calentamiento del metal Se usan varias clases de hornos, para calentar el metal a la temperatura necesaria. La energía calorífica requerida es la suma de 1) calor para elevar la temperatura hasta el punto de fusión, 2) calor de fusión para convertir el metal sólido a líquido
y 3) calor
para elevar al metal fundido a la temperatura de vaciado. Esto se puede expresar como:
(13)
Donde: H = Calor requerido para elevar la temperatura del metal a la temperatura de fusión, ( J
) 3
ρ = Densidad, (Kg / m ) C s = Calor específico del material sólido, ( J / Kg °C ) T m
= Temperatura de fusión del metal, (°C ) T 0 = Temperatura inicial, generalmente la ambiente, (°C )
( H f )=Calor de fusión, ( J / Kg )
( C t ) Calor específico en peso del metal líquido, (J / Kg °C ) =
(T p )=Temperatura de vaciado, ( °C ) V
Volumen del metal que se calienta, ( m3 )
=
Entonces el calor requerido para elevar la temperatura del material es: H = 22866.089kJ
En términos de potencia, lo dividimos en el tiempo necesario para llevar el aluminio en estado sólido a estado líquido. t =40minutos Entonces obtendremos que la potencia es de: Q = 9.52753 kw
5.9.3 Masa combustible necesaria El poder calorífico promedio para ACPM es de 45000 (kj/kg) y la densidad es de 850 (kg/m3), la masa de combustible necesaria, es entonces la relación
entre la potencia
calorífica solicitada (18.14768969 kw), y el poder calorífico del Combustible.
∗ ∆ℎ (14) Q = Potencia calorífica ( KJ / h) m =Flujo másico de combustible (Kg / h) ∆h = Poder calorífico del combustible (KJ / Kg )
De esta forma el flujo masivo del combustible es: m = 4.03281993*10E-4 kg/s
5.9.4 Transferencia de calor Del estudio de la termodinámica sabemos que el calor es energía en tránsito que tiene lugar como resultado de las interacciones entre un sistema y sus alrededores debido a una diferencia de temperatura, de esta forma la transferencia de calor juega un papel importante, en lo que se refiere a las velocidades de transferencia de energía. Existen tres modos de transferencia de calor, llamadas conducción, convección y radiación, cada uno de estos modos puede estudiarse separadamente, si bien la mayoría de las aplicaciones en ingeniería, equipos de transferencia de calor como los intercambiadores de calor, las calderas, los condensadores, los radiadores, los calentadores, los hornos, los refrigeradores y los colectores solares, están diseñados tomando en cuenta el análisis de transferencia de calor. Los problemas de esta ciencia que es encuentran en la práctica se pueden considerar en dos grupos;
De capacidad nominal.
De dimensionamiento.
Los problemas de capacidad nominal tratan de la determinación de la velocidad de la velocidad de transferencia de calor para un sistema existente a una diferencia específica de temperatura. Los problemas de dimensionamiento tratan con la determinación del tamaño de un sistema con el fin de transferir calor a una velocidad determinada para una diferencia específica de temperatura.
5.9.4.1
Pérdidas en la pared cilíndrica
La transferencia de calor estacionaria a través de cascos cilíndricos o esféricos de varias capas se puede manejar como en las paredes planas de capas múltiples, al sumar una resistencia adicional en serie por cada capa adicional, para el caso
del material
refractario presente en el horno de fundición se compone de tres capas de longitud L, que se muestra en la Figura 8 se puede expresar como:
Figura 8. Capas de material.
5.9.4.2
Perdidas en la pared plana (Tapa inferior del horno)
En la práctica, a menudo se encuentran paredes planas que constan de varias capas de materiales diferentes, todavía se puede usar el concepto de resistencia térmica con el fin de determinar la velocidad de transferencia de calor, estable a través de esas paredes compuestas, donde la resistencia térmica de cada pared en contra de la conducción de calor viene dada por, L KA conectadas en serie
y
aplicando la analogía eléctrica. Es decir al dividir la diferencia de temperatura que existe entre las dos superficies a las temperaturas conocidas entre la resistencia térmica total que presentan ambas. Una mejor representación (Ver Figura 9)
Figura 9: Perdida de calor en paredes planas
5.9.5 Tiempo de calentamiento de las paredes del horno El tiempo de calentamiento de las paredes del horno, se determino por la formula de Fourier.
(15)
0.2 1920 0.79 ° 0.05715 0.90 ° Obtenemos: T=18.348 min
6. ENCENDIDO Y PUESTA EN MARCHA DEL EQUIPO
Es necesario tener en cuenta las siguientes recomendaciones antes de encender el equipo, con el fin de mejorar su vida útil, y optimizar el proceso de fundición.
Es necesario que antes de introducir el crisol, en cada fundición se recubran las paredes de la cámara de combustión y tapa superior del mismo, con arcilla, de esta forma se asegura que el material refractario permanezca en óptimas condiciones.
Colocar los ladrillos refractarios en el fondo de la cámara de combustión, para lograr la altura de vaciado.
Posicionar el crisol en la cámara de combustión.
Alinear el canal de vaciado del crisol, con el canal del horno, asegurando que las alturas de los canales sean las mismas, una vez lograda la alineación, realice la debida sujeción del mismo con ladrillos tipo cuña.
Preste especial atención a la altura del combustible, ya que a alturas elevadas la gravedad se encarga de que el consumo de combustible presente excesos, la altura recomendada, de acuerdo a las pruebas de puesta a punto son las siguientes, 113 a 115 cm del suelo, como nivel de referencia.
Abra la válvula de regulación del C 3H8 y en la parte interna del horno encienda con la ayuda de un papel u otro dispositivo, la llama para
calentamiento, ardiendo esta última arroje trozos de carbón que tenga contacto con la llama.
Una vez ardan las brazas, cierre la entrada de gas, y encienda el ventilador a tres cuartos del flujo de este, simultáneamente abra la válvula de alimentación de combustible muy lentamente, y espere a que el flujo en la cámara de combustión se torne turbulento.
Encendido el equipo, espere el calentamiento en la cámara de combustión el tiempo para que esto suceda oscila entre 10 y 15 minutos.
Acople la tapa superior del horno, y prosiga a cargar el equipo por la entrada auxiliar implantada en la tapa.
Una vez cargado el equipo espere un tiempo no mayor a cuarenta minutos tiempo necesario para que el material entre en un cambio de estado.
CONCLUSIONES El horno de fundición citado en las pruebas de puesta a punto es el resultado, de investigación calculo y ejecución planteada en los capítulos anteriores, una vez logrado su funcionamiento se logró reiterar la concordancia entre el diseño y el funcionamiento del equipo. Uno de los principales inconvenientes, de la evaluación teórica fue la ausencia de equipos, especializados, para tales propósitos, pero que con ayuda de estudios secundarios, se logró suplir y logar igual resultados veraces. La calidad de las piezas fundidas por el horno, es igual a la de los hornos que imperan en comercio, sumado a que se pueden lograr puntos de f usión más alto con el fin de lograr fundiciones de materiales ferrosos y no ferrosos, esto se debe a que el ambiente en la cámara de combustión, fue diseñado para soportar temperaturas no mayores a 1750 0 C La diferencia de diámetros entre la cámara de combustión, y las paredes del crisol, cumplieron con los parámetros de diseño recomendado por los expertos en el área, todo esto con el fin de que la combustión fuera optima y se permitiera un flujo turbulento, que propicie la uniformidad de temperatura en el horno. Hay que asociar el combustible y el aire en las proporciones adecuadas, 3/4” del caudal total del aire y ¼” del caudal de combustible en el momento de encendido y abrir
al máximo para la combustión. Los combustibles líquidos se rompen en pequeñas gotas por medio de un atomizador y variando el tamaño de las gotas que salen del conducto de combustible en el quemador. El Acpm se introduce dentro de la corriente de aire asegurar una buena mezcla y estabilizar la base de la llama.
de combustión para
RECOMENDACIONES
Verificar las temperaturas con una cámara termo gráfica. Para tener idea de cómo se va expandiendo el calor por todo el horno. Hacer un análisis elemental de los gases de combustión, para identificar los porcentajes que estos emanan al medio ambiente, que se produce de la quema del ACPM. Implementar un mecanismo que remplace el volteo manual del horno, haciendo más ergonómico y seguro. Programar un apagado adecuado del horno, cada vez que se realice una fundición, para conservar la textura de los ladrillos refractarios.
