DISEÑO DE UN HORNO DISEÑO DE UN HORNO CUBILOTECUBILOTE

P iezaO b ten id a

D esm old eoD esb arb ad o

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C o lad a

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C on fecc iond e M od e lo

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D iseñ o d e P ieza Term in ad a

FUSION

Preparación de arenas

Preparación de machos

OPERACIÓN DE FUSION:

– Se realiza la transformación de la carga metálica del estado sólido al liquido, generando determinada cantidad de calor bien definida para cada metal, luego se realiza la colada de las cajas moldeadas.

– Se trabaja con materiales ferrosos siendo la unidad principal en la operación de fusión el horno cubilote.

DISEÑO DE UN HORNO CUBILOTEDISEÑO DE UN HORNO CUBILOTE

A. JUSTIFICACION:– La industria de la fundición en Trujillo, se

encuentra abastecida, es decir lo que se produce se consume no existiendo probabilidad de expansión.

– En la actualidad a la empresa se le requiera producir piezas hasta aproximadamente 700Kg, y producir 10TM mensuales en bolas de molino para molienda.

– Técnica y económicamente esta demostrado que en fundición es mas rentable tener y operar varias unidades de producción (varios hornos), pues esto permite alargar la vida útil de estas unidades y cumplir con los pedidos

B. EL HORNO CUBILOTE: • Es una unidad muy popular para la elaboración

del hierro colada o fundido, debido a su alta eficiencia térmica, bajo costo inicial bajo costo de operación y su versatilidad

• Es un horno de torre vertical, consiste de una coraza cilíndrica, revestida con materiales refractarios y equipada con una caja de viento y toberas para la entrada del aire. En la parte superior tiene una puerta de carga para la introducción de los materiales de fusión y combustible. Cerca al fondo tiene orificios y canales para evacuar el metal

j) Crisol

C. PARTES DEL HORNO CUBILOTE a) La coraza 3/8”

i) Toberas h) Cámara de viento 1/8”

g) Caja de toberas 1/8”

f) Compuerta de descarga 6-13mme) Placas del fondo ½”

d) Soporte del cubilote

c) Cimentación

b) Revestimiento interno 20mm

k) Orifico y canal de sangrado ¼”l) Orificio y canal de escoriado ¼”m) Boca de carga 1/8”n) Chimenea 1/8”o) Supresor de chispas 1/8”

a

b

c

d

e

f

g

h

i

j

kl

m

n

o

D. EQUIPO ACCESORIO Ventilador centrifugo Conducto de aire

E. VARIABLES DE DISEÑO Producción diaria : 2500Kg/t Funcionamiento: Viento frío Sangrado: Intermitente y escoriado por la

parte superior Tipo de revestimiento: Acido

Calculo del diámetro interno del horno:

La producción horaria normal de un cubilote es 75 Kg por dm2 de sección.

P = Producción horaria (2500Kg)

S = Área interior del horno

Di = diámetro interno del horno75

4

n

PDi

75SP4

2DinS

Puesto que se desea producir 10000 Kg Fe/ semana, se conseguira en un horno que funda 4 horas por semana entonces P= 2500 Kg

Espesor de la pared de revestimiento:

Es función del diámetro interior del horno

Di Int (mm)

Esp. Rev. (mm)

Prod. (Kg/hr)

Pres. Est. ( cm de H2O)

500 114 1500 25-30550 114 1800 30-40600 114 2200 30-45650 178 2500 35-45700 178 2900 40-60750 178 3400 50-65800 178 3800 60-70850 178 4300 65-80900 178 4900 70-90950 178 5400 75-951000 178 6000 80-1001100 229 7000 80-1051200 229 8800 85-1101300 229 10000 90-110

Espesor de la capa de arena Se considera 20mm, que permiten dilataciones

axiales y radiales

Espesor de la coraza Se elige la chapa de hierro dulce de ¾” de espesor

Diámetro exterior

)ba(DiDe 2

a = espesor de la pared de refractario (mm)b = espesor de la capa de arena (mm)Di = diámetro interno del cubilote (mm)

Distancia desde la solera al orificio de escorias

La capacidad del crisol en colado intermitente y escoriado en parte superior consideraremos 0.3 de capacidad horaria(2500Kg/h).

La antracita en el crisol ocupa un 50% del volumen Peso carga metal/densidad = volumen de Fe liquido Volumen de fe Liquido/0.50 = Volumen del crisol Area del crisol = Area del circulo cuyo diam. es del

cubilote en la zona del crisol. Volumen del crisol / Area del crisol = Profundidad

del crisol

Distancia del orificio de escoriado al nivel inferior de toberasSe sitúan entre 100 y 200 mm tomando un

promedio de 150mm

Distancia desde la solera al umbral de la boca de carga:Es función de Di:

Di)...(H 57

ToberasEl área total de toberas se establece en función de la

sección interior S1 del cubilote.

St = S1 /5.El numero de toberas considerando un diámetro de

120mm:Numero de toberas = St / (1202 /4)

Conductor de aire desde el ventilado ala cámara de vientoPara evitar perdidas de cargas excesivas, el diámetro

del conducto de aire esta calculado para aire de aprox 15m/seg. Mediante:

pDiSc 2106Sc = Sección de conductoDi = diámetro interno cubiloteP = Porcentaje de antracita en carga (%)

Sección de los conductos de descenso de la cámara de viento a la caja de toberas

Calculada para una velocidad de aire 15 m/seg mediante:

m)pDi(Sd

2106

Calculo de la sección de la cámara de viento

Se toma como ancho el diámetro del conducto de aire y como altura, el doble del ancho, siendo el volumen de la cámara de viento aprox. Al caudal de aire por segundo

Sd= Sección de los conductos de descenso

Di=Diámetro interno cubilote

N = No de toberas

Calculo del espesor del lecho o cama de arena

Al lecho se le da una pendiente de 1 : 12 hacia el orifico de sangrado.

Para Di = 760mm un espesor de 80mm

Para Di = 2440mm un espesor de 230mm

Interpolando obtendremos el espesor de cama como tiene pendiente 1:12 se tendría

1/12 = Y/54

Calculo de la potencia del ventilador y del motor:

4500

HQHP

n

HPBHP

Calculo del caudal de aireLa combustión de 1 Kg de antracita necesita de 8 -9

m3 de aire, considerándose un 9.5 por perdidas

Q = Caudal de aire

H = presión total en mm de columna de agua

BHP= Caballaje de freno, potencia que debe suministrar el motor al ventilador

HP = potencia necesaria para insuflar el aire

n= eficiencia

pDi.Q 275Di = diámetro interno cubiloteP = Porcentaje de antracita en carga (%)

Calculo de la presión total:

De la tabla anterior notamos que Hst = 450mm de H2O

La presión dinámica debido a la velocidad del fluido :

g

xdvH din 2

2

A

Qv

A = área de la sección transversal tubería

D = densidad del aire

g = aceleración en la gravedad

V= velocidad del aire

Q =caudal del aire insuflado

Hdin = presión dinámica en mm de agua

HstHdinH

CARACTERÍSTICAS DIMENSIONALES CARACTERÍSTICAS DIMENSIONALES DEL HORNO CUBILOTEDEL HORNO CUBILOTE

PRODUCCIÓN 2500 Kg/hrDIAMETRO INTERNO 650mmESPESOR PARED DE REFRACTARIO 178mmESPESOR DE LA CAPA DE ARENA 20mmESPESOR DE LA CORAZA 9.52mmDIAMETRO EXTERIOR 1046mmALTURA DEL CRISOL 570mmALTURA EFECTIVA 3900mmDIAMETRO DE TOBERAS 120mm

NO DE TOBERAS 6 unidadesSECCION DE LA CAMARA DE VIENTO 300 x 600mmTAMAÑO DE LADRILLO: ESTÁNDAR 229 x 114 x 64 mm

NO DE LADRILLOS 100 unidadesESPESOR DEL LECHO DE ARENA 70mmDIAMETRO DEL CONDUCTO DE AIRE 300mmESPESOR DE LA PLACA DEL FONDO 12.7mmESPESOR DE CAJA DE TOBERAS 3.176mmESPESOR DE LA CAMARA DE VIENTO 3.176mmESPESOR DE BOCA DE CARGA 3.176mmESPESOR DE LA CHIMENEA 3.176mmESPESOR DEL SUPRESOR DE CHISPAS 3.176mmESPESOR DEL CANAL DE SANGRADO 6.352 mmESPESOR DEL CANAL DE ESCORIADO 6.352 mmVENTILADOR: CENTRIFUGO 7.5 HPMOTOR 10 HP

FUNCIONAMIENTO DEL HORNO FUNCIONAMIENTO DEL HORNO CUBILOTECUBILOTE

OPERACIÓN DEL CUBILOTE1. Preparación de las cargas

Consiste en seleccionar, romper, limpiar y pesar1. Carga de Antracita: El espesor debe estar comprendido

200- 250mm. El tamaño eficiente esta entre 112 a 110

Pc = n.Di2/4 e S del diámetro interno cubilote. Uniformidad

e =espes. capa antracita para adecuada permeabilidad.S = peso volumétrico antracita(Kg /dm3)Pc = peso de antracita de carga

2. Carga metálica:El peso esta fijado por Di de acuerdo

al porcentaje de antracita que se adopte

El tamaño no debe exceder en 1/3 del DiPm = Pc / PP = porcentaje de antracita que se adopte

3. Carga de fundenteDebe estar en función de la cantidad de cenizas de carbón, óxidos asociados del metal o formado. El tamaño debe ser 20 a 50mm, conteniendo menos de 3% de silice.

Pf = 1/3(Pc)Pf = peso de fundente

2. Reparación del revestimiento refractarioEn la zona superior se repara 2 veces al año mientras que en la zona de reacción es:- Se retiran los elementos extraños adheridos a el refractario- Las partes afectadas son cubiertas con material nuevo.

3. Preparación de la soleraLa compuerta base se cierran y se mantienen fijos por puntales.Se descarga sobre ella una mezcla de arena refractaria agua y arena de moldeo por la puerta de cargaLa mezcla es cernida y apisonada dándole una pendiente de 1/12 hacia el orificio de sangrado

4. EncendidoSe introduce leña sobre la solera formando un cono

invertido hasta una altura sobre las toberas, quemar y agragar antracita 1/3, ½, ¾ de la cama total, cuando tiene un coloracion rojisa se adicina la carga de antrasita, soplando parcialmente, cuando la cama se ha quemado uniformemente, se nivela la altura de antracita

5. Introducción de la cargaSe coloca sobre la capa de antracita encendida una carga de antracita, una cantidad doble de fundentes y encima la carga metálica. Asi sucesivamente.Se cierran las mirillas de las toberas, se da viento y un espacio de tiempo que varia de 8 a 10 minutos se presenta el primer hierro fundido en la piquera de la colada.

6. Sangrado intermitente y escoriado por la parte superiorEl orificio debe estar abierto hasta que el chorro tengauna temperatura adecuada y fluya.

Luego se detiene taponeando con un tapon de barro

El hierro continua fundiéndose hasta que la escoria

fluya por el orificio. Luego se realiza el primer

sangrado y en operación intermitente

7. Descarga del hornoAl final de la operación se sacan todos los puntales,

excepto el puntal clave que sujeta la puerta del

fondo

Evacuamos todo el hierro fundido, para que al

quitar el puntal clave la cama de antrasita caera

libre de ella la cual se remojara con agua

REACCIONES DE COMBUSTION

Kgmol/KcalCOOC gasantrasita 9700022

Kgmol/KcalHCOOHC gasantrasita 30700222

A. Reacción I (16000C)

B. Reacción II (1225 oC)

C. Reacción III (1225 oC)

Kgmol/KcalCOCOC gasantrasita 4050022

ZONAS DEL HORNO CUBILOTE

Zona de oxidación o de combustión Se da principalmente la reacción I

Zona de reducción de la cama Ocurre principalmente la reacción II

Zona de fusión La reacciones aquí el cambio de fase de sólido

a liquido

Zona de precalentamiento Sirve como cambiador de calor entre los gases

que ascienden y la carga que desciende

CONCLUSIONESCONCLUSIONES Un horno de cubilote de 650 mm de diámetro

interior, capacidad de 700Kg, y una altura efectiva de 3900 mm, permitirá producir 2500 Kg/hr de hierro para bolas de molino, pudiendo efectuar una producción de 10 TM en una hornada de 4 horas.

La capacidad de crisol del horno permitirá la producción de piezas de gran masa hasta de 700Kg.

Por su alta capacidad el horno constituye la unidad de mas alta producción permitiendo prolongar la vida útil de las otras unidades de producción

RECOMENDACIONESRECOMENDACIONES Para la construcción del cubilote se debe respetar

el diseño, considerando que las dimensiones calculadas obedecen a los criterios de uso y a fórmulas teórico-prácticas.

Se recomienda el empleo de esta unidad, solo para grandes tonelajes de fusión, a fin de justificar los costos de operación.

Control estricto de las cargas para una buena operación y la duración de nuestros refractarios.

Realizar un control de aire, pues en exceso o deficiencia perjudica la calidad del hierro fundido.