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DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UN HORNO BASCULANTE VICTOR M. AGUIRRE LENS EDWIN R. RAMIREZ SIERRA Trabajo de proyecto de grado presentado como requisito parcial para optar el título de Ingeniero Mecánico Director: UBALDO BARRANCO INGENIERO METALURGICO CARTAGENA DE INDIAS D.T. Y C. CORPORACION UNIVERSITARIA TECNOLOGICA DE BOLIVAR FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA 1995
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DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UN HORNO BASCULANTE
VICTOR M. AGUIRRE LENS
EDWIN R. RAMIREZ SIERRA
Trabajo de proyecto de grado presentado como requisito
parcial para optar el título de Ingeniero Mecánico
Director: UBALDO BARRANCO
INGENIERO METALURGICO
CARTAGENA DE INDIAS D.T. Y C.
CORPORACION UNIVERSITARIA TECNOLOGICA DE
BOLIVAR
FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA
1995
Cartagena, Abril 11 de 1995 Señores MIEMBROS COMITE DE GRADO CORPORACION UNIVERSITARIA TECNOLOGICA DE BOLIVAR L.C. Estimados Señores: Por medio de la presente me permito someter a su consideración el proyecto de grado titulado "DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UN HORNO BASCULANTE, del cual fue designado Director por los estudiantes del programa de Ingeniería Mecánica: Victor Aguirre Lens y Edwin Ramírez Sierra, quienes lo presentan a ustedes para optar el título de Ingeniero Mecánico. Atentamente, ______________________ Ing. UBALDO BARRANCO Director
Cartagena, Abril 11 de 1995 Señores MIEMBROS COMITE DE GRADO CORPORACION UNIVERSITARIA TECNOLOGICA DE BOLIVAR L.C. Estimados Señores: Atentamente nos permitimos presentan a ustedes nuestra Tesis de Grado titulada "DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UN HORNO BASCULANTE, presentada como requisito parcial para optar el título de Ingeniero Mecánico. Esperamos que cumpla con las normas y requisitos exigidos por la facultad. Agradeciendo la atención prestada. VICTOR M. AGUIRRE LENS EDWIN R. RAMIREZ SIERRA Cod. 9103306 Cod. 9003499
TABLA DE CONTENIDO
RESUMEN INTRODUCCION 1 MATERIALES Y ALEACIONES 1.1COBRE Y SUS ALEACIONES 1.1.1 Bronces 1.1.1.1 Bronces de Estaño 1.1.1.2 Bronces de Aluminio 1.1.1.3 Bronces de Silicio 1.1.1.4 Bronce de Berilio 1.1.1.5 Bronces Sinterizados 1.2ALUMINIO Y SUS ALEACIONES 1.2.1 Aleaciones de aluminio para fundición en arena 1.2.2 Las aleaciones de aluminio-silicio 1.2.3 Las aleaciones de aluminio-magnesio 1.2.4 Aleaciones para fundición a presión 2 MATERIALES REFRACTARIOS 2.1GENERALIDADES 2.2CLASIFICACION DE LOS REFRACTARIOS
2.2.1 Refractarios para Aislamiento de Hornos 2.2.2 Refractarios para Crisoles 3 HORNOS PARA FUNDICION 3.1HORNOS ELECTRICOS 3.1.1 Hornos Eléctricos de Arco 3.1.2 Hornos Trifásicos de Arco 3.1.3 Horno Monofásico de Arco 3.1.4 Horno Eléctrico de Inducción 3.1.4.1 Horno de Inducción sin núcleo 3.1.4.2 Horno de Inducción con núcleo 3.2HORNOS DE REVERBERO 3.3HORNOS OSCILANTES Y GIRATORIOS 3.4HORNO DE CRISOL 3.5HORNO DE CUBILOTE 4 COMBUSTIBLES 4.1GENERALIDADES 4.2COMBUSTIBLES SOLIDOS 4.2.1 Carbón Mineral 4.2.1.1 La Metaantracita 4.2.1.2 La Antracita 4.2.1.3 La Semiantracita 4.2.1.4 El Carbón Bituminoso 4.2.1.5 El Carbón Bituminoso medianamente volátil 4.2.1.6 El Carbón Bituminoso con contenido alto de material volátil A 4.2.1.7 Carbón Bituminoso con contenido alto de material volátil B
4.2.1.8 El Carbón Bituminoso con contenido de material volátil C 4.2.1.9 Los lignitos 4.2.1.10 Carbón común de bandas 4.2.2 Coque 4.3COMBUSTIBLES LIQUIDOS 4.3.1 Petróleo crudo 4.3.2 La gasolina 4.3.3 Keroseno 4.3.4 El Alquitrán de Hulla 4.3.5 Los Alcoholes 4.4COMBUSTIBLES GASEOSOS 4.4.1 El gas natural 4.4.2 El gas fabricado 4.4.3 El gas licuado del petróleo (gas LP) 5 DISEÑO, CALCULO Y CONSTRUCCION DEL HORNO BASCULANTE 5.1DIMENSIONES Y CARACTERISTICAS 5.2SELECCION DEL REFRACTARIO Y AISLANTE APROPIADO 5.3ANALISIS DE PERDIDA DE CALOR 5.3.1 Arreglo # 1 para espesor de paredes 5.3.1.1 Cálculos pared cilíndrica (Figura 9) 5.3.1.2 Cálculo de la pared del fondo 5.3.1.3 Cálculo de la tapa 5.3.2 Arreglo # 2 para espesor de paredes 5.3.2.1 Cálculo de la pared cilíndrica 5.3.2.2 Cálculo de la pared del fondo
5.3.2.3 Cálculo de la tapa 5.3.3 Calor necesario para fundir el material 5.4CALCULO DE CANTIDAD DE CALOR NECESARIA 5.5CONSTRUCCION DEL HORNO 5.5.1 Esfuerzo por dilatación térmica en la carcaza del horno 6 DISEÑO DEL SISTEMA BASCULANTE 6.1CALCULO DEL CENTRO DE GRAVEDAD DEL HORNO 6.2CALCULO PESO DEL HORNO 6.3CALCULO DEL TORQUE DE GIRO 6.4DISEÑO DEL SISTEMA DE TRANSMISON DE POTENCIA 6.4.1 Cálculo chaveta engranaje 6.4.2 Diseño del mecanismo de freno 6.5DISEÑO MECANISMO DE LEVANTE DE LA TAPA 6.5.1 Tornillo de potencia 6.5.2 Láminas de estructura de soporte 6.6DISEÑO COLUMNA DE SOPORTE 6.7DISEÑO EJE DEL HORNO FIG. (20) 6.8DISEÑO VENTILADOR 6.8.1 Cálculo de las dimensiones principales del ventilador centrífugo de baja presión 6.8.2 Diseño de la carcaza 7 MANUAL DE OPERACIONES Y MANTENIMIENTO 7.1PRECAUCIONES GENERALES 7.1.1 Prevenciones personales 7.1.2 Precauciones a tener en el horno 7.1.3 Precauciones en la fundición del material
7.2DESCRIPCION DEL EQUIPO Y FUNCIONES 7.3OPERACION DEL EQUIPO 7.4RECOMENDACIONES 7.5MANTENIMIENTO CONCLUSIONES
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1.Retículos o celdas cristalinas FIGURA 2.Horno trifásico de arco FIGURA 3.Horno de inducción sin núcleo FIGURA 4.Horno de inducción con núcleo FIGURA 5.Horno de reverbero FIGURA 6.Horno oscilante y giratorio FIGURA 7.Horno de crisol FIGURA 8.Horno de cubilote FIGURA 9.Cálculo de pared cilíndrica arreglo # 1 FIGURA 10.Cálculo pared del fondo arreglo # 1 FIGURA 11.Cálculo de la tapa arreglo # 1 FIGURA 12.Cálculo de la pared del fondo arreglo # 2 FIGURA 13.Cálculo de la tapa arreglo # 2 FIGURA 14.Desarrollo lámina carcaza FIGURA 15.Soldadura carcaza FIGURA 16.Cálculo dentro de gravedad del horno FIGURA 17.Cálculo torque de giro FIGURA 18.Diseño del mecanismo de freno FIGURA 19.Análisis de fuerzas freno
FIGURA 20.Diseño eje del horno FIGURA 21.Diámetro del rotor ventilador FIGURA 22.Triángulo de velocidades ventilador FIGURA 23.Diseño carcaza ventilador
LISTA DE TABLAS
TABLA 1.Denominación genérica y constituyentes principales de las aleaciones para fundición TABLA 2.Peso específico de los metales y de las aleaciones TABLA 3.Conductividad térmica de algunos materiales TABLA 4.Coeficiente de dilatación térmica lineal de algunos materiales TABLA 5.Clasificación de carbones por categorías (ASTM D 388)a TABLA 6.Fuentes y análisis de carbones de varias clases, tal como se recibe TABLA 7.Análisis del coque TABLA 8.Variación de la conductividad térmica con la temperatura aislante UA-26 TABLA 9.Variación de la conductividad térmica con la temperatura refractario U-33 TABLA 10.Resumen de datos para el cálculo del centro de gravedad TABLA 11.Selección engranaje para el diseño
LISTA DE ANEXOS
ANEXO A.Factor de forma para engranajes ANEXO B.Factor de esfuerzo de fatiga en engranajes ANEXO C.Constante forma del diente de engranaje ANEXO D.Coeficiente de rozamiento entre diferentes materiales ANEXO E.Aceros y sus propiedades ANEXO F.Selección de perfiles en forma de chanel ANEXO G.Análisis de esfuerzo en vigas
AGRADECIMIENTOS
Los autores expresan sus agradecimientos
ALa Corporación Universitaria Tecnológica de Bolívar de Cartagena Bolívar.
AVirginia Padilla Programadora y Analista de Sistemas.
ARosmaris de la Rosa: Comunicadora Social Universidad Externado de
Colombia de Bogotá.
AFabian Torres. Delineante de Arquitectura.
ANestor Reyes. Docente y Jefe de Taller de Máquinas y Herramientas,
Soldadura y Fundición de la Corporación Universitaria Tecnológica de
Bolívar.
ACarlos Cuadrado. Asistente de Talleres de la Corporación Universitaria
Tecnológica de Bolívar.
ATodas aquellas personas que en una otra forma colaboraron en el ensamble y
montaje del Horno.
DEDICATORIA
Este proyecto está dedicado con mucho cariño a mis padres José Ramírez C. y
Lucila Sierra P.
A mis hermanos, José Luis, Rosalba y María Isabel.
A mis sobrinos Sergio Luis y Lucila María.
A mi novia Rosmaris y demás familiares que me apoyaron para la feliz
culminación de este proyecto.
EDWIN R. RAMIREZ SIERRA
DEDICATORIA
Este proyecto está dedicado con mucho cariño a mis padres.
A mi esposa Margarita.
A mis hijas Margarita María, Angélica María.
VICTOR M. AGUIRRE LENS
Artículo 105. La Corporación Universitaria Tecnológica
de Bolívar, se reserva el derecho de propiedad intelectual de todos los trabajos
de grado aprobados y no pueden ser explotados comercialmente sin
autorización
NOTA DE ACEPTACION
----------------------
---------------------
---------------------
____________________
PRESIDENTE DEL JURADO
____________________
JURADO
____________________
JUEZ
RESUMEN
El siguiente proyecto titulado Diseño y Construcción de un Horno Basculante, se
encuentra distribuido en un total de siete capítulos de la siguiente manera: un
primer capítulo que contiene una información teórica sobre materiales y
aleaciones, el cobre y sus aleaciones entre las cuales mencionamos los
bronces: bronces de estaño, de aluminio, de silicio, de berilio, sinterizados.
Además el aluminio, entre las cuales aleaciones de aluminio-silicio, aleaciones
de aluminio-magnesio, aleaciones para fundiciones a presión.
Un segundo capítulo que contiene lo referente a materiales refractarios,
clasificándolos en refractarios ácidos, básicos, neutros y refractarios especiales
se hace mención de los refractarios para aislamiento de hornos entre los cuales
tenemos la alúmina, la tierra diatomeas, el carburo de silicio, la transita y la
mulita. Además tenemos los refractarios para crisoles entre los cuales tenemos
la magnesia, la sílice, el grafito, el grafito-arcilla.
El tercer capítulo hace referencia a los hornos utilizados para realizar
fundiciones, entre los cuales mencionamos los hornos eléctricos, los cuales
comprenden los hornos trifásicos de arco, horno monofásico de arco, horno de
inducción sin núcleo, horno de inducción con núcleo. Mencionamos otros tipos
de hornos como son de Reverbero, Oscilante y Giratorios, de crisol y finalmente
el horno de cubilote.
El cuarto capítulo hace referencia a los combustibles, clasificándolos en sólidos,
líquidos y gaseosos. Entre los combustibles sólidos hacemos mención del
carbón mineral, este a su vez se divide en mataantracita, antracita y la
semiantracita, carbón bituminoso, los lignitos y carbón común de banda. Otro
combustible sólido mencionado es el coque. Entre los combustibles líquidos
hacemos mención del petróleo crudo, la gasolina, keroseno, el alquitrán de hulla
y los alcoholes. Entre los combustibles gaseosos hacemos referencia al gas
natural, el gas fabricado y el gas licuado del petróleo.
El quinto capítulo referente al diseño, cálculo y construcción del horno
basculante, el cual se encuentra distribuido de la siguiente manera.
Dimensiones y características, selección del refractario y aislante apropiado,
análisis de pérdidas de calor, calor necesario para la fundición del material,
construcción del horno.
El sexto capítulo se refiere al diseño del sistema basculante, el cual contiene
cálculo del centro de gravedad del horno, cálculo del peso del horno, cálculo del
torque de giro, diseño del sistema de transmisión de potencia, diseño del
mecanismo de freno, diseño del mecanismo de levante de la tapa, diseño de la
columna de soporte, diseño del ventilador y su carcaza.
Finalmente un séptimo capítulo referente al manual de operaciones y
mantenimiento, el cual contiene precauciones generales, teniendo en cuenta las
prevenciones personales, precauciones a tener en el horno, y precauciones en
la fundición del material. Hacemos también una descripción del equipo y
funciones. Además lo referente a la operación del equipo, recomendaciones y
mantenimiento del horno.
INTRODUCCION
En el presente proyecto diseño y construcción de un Horno Basculante de
combustión, se realizó con el fin de facilitar a las futuras promociones de
estudiantes de ingeniería las prácticas de fundición de metales la labor cuando
se está operando y evitar graves consecuencias por imprevistos.
El diseño del mecanismo basculante del horno, permite facilitar el llenado de los
moldes de fundición, para dicho mecanismo se utilizó un sistema de engrane, el
cual contiene una rueda de engranajes internos y un piñón externo, ambos con
dientes rectos. Además se diseñó un sistema de frenado del horno y una
volanta para aplicar el torque.
Para soportar el horno se selccionó un eje circular de acero diseñado de
acuerdo al peso del horno, el cual es apoyado sobre un par de columnas en
forma de chanel, también debidamente selecccionadas.
El sistema de levante de la tapa se diseñó utilizando un tornillo de potencia el
cual es articulado con una pequeña volanta.
En cuanto a la capacidad del horno se hizo para fundir 50 kg de bronce por
colada, garantizando 3 coladas aproximadamente en el período del laboratorio.
El crisol se ubicó en el horno en forma fija con el fin de reducir los riesgos de
accidente.
El combustible a utilizar en este horno es líquido, para lo cual utilizaremos
A.C.P.M. en combinación con aceite quemado con el fin de reducir los costos de
éste.
El ventilador diseñado para garantizar una mezcla de aire combustible
adecuada para la fundición, es centríguo, accionado por un motor monofásico a
220 v, con potencia de 1/2 Hp.
Además el proyecto contiene información teórica acerca de las aleaciones de
cobre y aluminio, materiales refractarios, combustibles y tipos de hornos.
RESUMEN
El siguiente proyecto titulado Diseño y Construcción de un Horno Basculante, se
encuentra distribuido en un total de siete capítulos de la siguiente manera: un
primer capítulo que contiene una información teórica sobre materiales y
aleaciones, el cobre y sus aleaciones entre las cuales mencionamos los
bronces: bronces de estaño, de aluminio, de silicio, de berilio, sinterizados.
Además el aluminio, entre las cuales aleaciones de aluminio-silicio, aleaciones
de aluminio-magnesio, aleaciones para fundiciones a presión.
Un segundo capítulo que contiene lo referente a materiales refractarios,
clasificándolos en refractarios ácidos, básicos, neutros y refractarios especiales
se hace mención de los refractarios para aislamiento de hornos entre los cuales
tenemos la alúmina, la tierra diatomeas, el carburo de silicio, la transita y la
mulita. Además tenemos los refractarios para crisoles entre los cuales tenemos
la magnesia, la sílice, el grafito, el grafito-arcilla.
El tercer capítulo hace referencia a los hornos utilizados para realizar
fundiciones, entre los cuales mencionamos los hornos eléctricos, los cuales
comprenden los hornos trifásicos de arco, horno monofásico de arco, horno de
inducción sin núcleo, horno de inducción con núcleo. Mencionamos otros tipos
de hornos como son de Reverbero, Oscilante y Giratorios, de crisol y finalmente
el horno de cubilote.
El cuarto capítulo hace referencia a los combustibles, clasificándolos en sólidos,
líquidos y gaseosos. Entre los combustibles sólidos hacemos mención del
carbón mineral, este a su vez se divide en mataantracita, antracita y la
semiantracita, carbón bituminoso, los lignitos y carbón común de banda. Otro
combustible sólido mencionado es el coque. Entre los combustibles líquidos
hacemos mención del petróleo crudo, la gasolina, keroseno, el alquitrán de hulla
y los alcoholes. Entre los combustibles gaseosos hacemos referencia al gas
natural, el gas fabricado y el gas licuado del petróleo.
El quinto capítulo referente al diseño, cálculo y construcción del horno
basculante, el cual se encuentra distribuido de la siguiente manera.
Dimensiones y características, selección del refractario y aislante apropiado,
análisis de pérdidas de calor, calor necesario para la fundición del material,
construcción del horno.
El sexto capítulo se refiere al diseño del sistema basculante, el cual contiene
cálculo del centro de gravedad del horno, cálculo del peso del horno, cálculo del
torque de giro, diseño del sistema de transmisión de potencia, diseño del
mecanismo de freno, diseño del mecanismo de levante de la tapa, diseño de la
columna de soporte, diseño del ventilador y su carcaza.
Finalmente un séptimo capítulo referente al manual de operaciones y
mantenimiento, el cual contiene precauciones generales, teniendo en cuenta las
prevenciones personales, precauciones a tener en el horno, y precauciones en
la fundición del material. Hacemos también una descripción del equipo y
funciones. Además lo referente a la operación del equipo, recomendaciones y
mantenimiento del horno.
CONCLUSIONES
Finalizado el diseño y construcción del Horno Basculante de combustión para el
laboratorio de metalurgia utilizado para la fundición de metales de bajo punto de
fución, utilizando como materiales principales el Bronce y el Aluminio.
Primeramente se cumplió con el diseño del mecanismo basculante con el fin de
mejorar la labor de llenado de los moldes de fundición.
Como se segunda medida se cumplió con el aumento de la capacidad de
material a fundir durante el transcurso del laboratorio.
Además se redujeron las pérdidas de calor con la ayuda de una tapa, con su
respectivo orificio de desfogue y con un mecanismo que permita maniobrar sin
aplicar una fuerza considerable.
La selección del combustible para la mezcla aire-combustible fue el A.C.P.M. el
cual combinado con aceite quemado sin impurezas sólidas. Esta combinación
permite que el combustible fluya en forma lenta debido a la viscosidad y además
se reducen considerablemente los costos de combustibles.
En cuanto al diseño y construcción del horno se realizó de tal forma que todos
los mecanismos conforman un solo cuerpo que se puede manipular sin
necesidad de desacoplar ninguna de sus partes.
Con el anterior proyecto esperamos despertar la inquietud de futuras
promociones para que se interesen en diseñar y construir hornos lo más
novedoso y técnicamente posible.
BIBLIOGRAFIA
BEER, Ferdinand P. Mecánica de materiales. Mc Graw-Hill, 1988. p. 618. BEER, Ferdinand P. Mecánica vectorial para Ingenieros. Mc Graw-Hill,
1970. p. 418 CAPELLO, Eduardo. Tecnología de la Fundición, American Foundrymens Society, 1967. p. 101. CERNICA, John N. Resistencia de Materiales. Continental, 1972. p. 488. ERECOS. Catálogo de productos, Empresas de refractarios colombianos S.A. 1970. p. 980. FAIRES, Virgil M. Diseño de elementos de Máquina. Barcelona; Montaner y
Simón, 1970. p. 802. HALL, A.S. Diseño de Máquinas. Mc Graw-Hill, 1971. p. 344. HANSEN, Artur G. Mecánica de fluidos Limusa-Wiley S.A. 1971. p. 575. HOLMAN, J.P. Transferencia de calor. Continental, 1984. p. 534. INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TECNICAS. Normas colombianas
sobre documentación y presentación de tesis de grado. INCONTEC. JENSSEN, Jorge. Fundamento de dibujo mecánico. Mc Graw-Hill, 1982. KARLEKAR, B.V. Transferencia de calor. Mc Graw-Hill, 1985. p. 795. MARKS, Leonel. Manual del Ingeniero Mecánico, Mc Graw-Hill, 1978. p. 2.596. OBERT, Edward F. Motores de combustión interna. Continental, 1974. p.
764. SHIGLEY, Joseph E. Diseño de Ingeniería Mecánica. Mc Graw-Hill,
1990. p. 883.
RESUMEN DEL TRABAJO DE GRADO
DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UN HORNO BASCULANTE
VICTOR M. AGUIRRE LENS
EDWIN R. RAMIREZ SIERRA
CORPORACION UNIVERSITARIA TECNOLOGICA DE
BOLIVAR
FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA
CARTAGENA DE INDIAS D.T. Y C.
1995
INTRODUCCION
En el presente proyecto diseño y construcción de un Horno Basculante de
combustión, se realizó con el fin de facilitar a las futuras promociones de
estudiantes de ingeniería las prácticas de fundición de metales la labor cuando
se está operando y evitar graves consecuencias por imprevistos.
El diseño del mecanismo basculante del horno, permite facilitar el llenado de los
moldes de fundición, para dicho mecanismo se utilizó un sistema de engrane, el
cual contiene una rueda de engranajes internos y un piñón externo, ambos con
dientes rectos. Además se diseñó un sistema de frenado del horno y una
volanta para aplicar el torque.
Para soportar el horno se selccionó un eje circular de acero diseñado de
acuerdo al peso del horno, el cual es apoyado sobre un par de columnas en
forma de chanel, también debidamente selecccionadas.
El sistema de levante de la tapa se diseñó utilizando un tornillo de potencia el
cual es articulado con una pequeña volanta.
En cuanto a la capacidad del horno se hizo para fundir 50 kg de bronce por
colada, garantizando 3 coladas aproximadamente en el período del laboratorio.
El crisol se ubicó en el horno en forma fija con el fin de reducir los riesgos de
accidente.
El combustible a utilizar en este horno es líquido, para lo cual utilizaremos
A.C.P.M. en combinación con aceite quemado con el fin de reducir los costos de
éste.
El ventilador diseñado para garantizar una mezcla de aire combustible
adecuada para la fundición, es centríguo, accionado por un motor monofásico a
220 v.
Además el proyecto contiene información teórica acerca de las aleaciones de
cobre y aluminio, materiales refractarios, combustibles y tipos de hornos.
1 MATERIALES Y ALEACIONES
En fundición no se usan metales puros, que, por lo demás, no existen en la
práctica, sino aleaciones de metales y metales, o de metales y metaloides.
Los metales puros tienen estructura cristalina, es decir, los átomos que los
constituyen estas dispuestos según un retículo o celda cristalina que en general
tiene forma prismática simple, por ejemplo:
El hierro hasta la temperatura de 906°C y entre 1401 y 1528°C; el molibdeno, el
cromo, etc., tienen retículo cúbico de cuerpo centrado (Figura 1a); el hierro (de
906 a 1401°C), el níquel, el cobre, el plomo, el aluminio, etc., tienen retículos
cúbicos de caras centradas (Figura 1b); el magnesio, el zinc, el cromo, etc.,
tienen retículo hexagonal compacto (Figura 1c).
Las aleaciones metálicas están constituidas por un metal base o uno o más
elementos (metal o metaloides) que modifican las características de aquel; por
ejemplo, aumentando su resistencia mecánica, o capacidad de mecanización,
variando la dureza, o reduciendo el costo.
Como ejemplo referimos en la Tabla 1 la denominación genérica de algunas
aleaciones entre las más usadas en los talleres de fundición, con indicación de
los varios componentes. Las proporciones son variables. Además de estas
aleaciones, que se pueden llamar comunes, hay también las especiales: aceros
(inoxidables, al níquel, al manganeso, etc), fundiciones especiales, bronces y
latones especiales, etc.
A continuación mencionaremos algunas características de los metales y de sus
aleaciones:
a) Colores. El color se observa en la fractura, que en la mayoría de los metales
o aleaciones tiene un aspecto característico, brillante, cristalino más o menos
fino; son:
Blanco: la plata y el estaño.
Blanco azulado: el zinc, el plomo, el cromo, el aluminio.
Blanco amarillento: el níquel
Gris: el hierro, el acero, la fundición (esta última puede presentarse blanca, gris
claro, gris oscuro).
Amarillo verdoso: el latón.
Amarillo rojizo: el bronce.
Rojo: el cobre.
b) Peso específico. El peso específico de una sustancia es el peso de la unidad
de volumen de dicha sustancia.
En la Tabla 2 se indican los pesos específicos de los metales y de las aleaciones
más comúnmente en fundición.
c) Ductibilidad. Es la propiedad de los metales de ser reducidos a hilos.
El metal más dúctil es el platino; siguen el oro, la plata, algunos bronces, el
níquel, el hierro y el cobre, algunos latones, el aluminio, el zinc, el estaño y el
plomo.
La ductibilidad varía mucho con las impurezas contenidas en el metal o en la
aleación, con la temperatura, etc.
d) Maleabilidad. Es la propiedad del metal de ser reducido a láminas. El metal
más maleable es el oro; siguen la plata, el cobre, el bronce y los latones, el
aluminio, y el estaño, el platino, el plomo, el zinc, el hierro y el níquel.
La maleabilidad varía mucho con las impurezas y la temperatura.
e) Temperatura de fusión y fusibilidad. La temperatura de fusión es una
característica muy importante para los metales y para las aleaciones de función;
la fusibilidad es concepto diverso, y se puede definir como el conjunto de todas
aquellas cualidades que permiten obtener piezas con un metal o una aleación.
f) Conductividad Térmica. Es la capacidad de un material para transmitir el
calor por conducción: los metales son buenos conductores; los materiales
refractarios, la lana de vidrio, la harina fósil, etc., son malos conductores, y son
usados por lo tanto para construir las paredes de los hornos.
En la Tabla (3) se indican algunos valores de la conductividad de calor trasmitida
a través de una sección de 1 m² de la sustancia, a otra sección distante 1 m, en
una hora, por 1°C de diferencia de temperatura.
g) Dilatación Térmica. Es el aumento de dimensiones causado por el aumento
de temperatura; el fenómeno opuesto, esto es, la reducción de dimensiones a
causa del enfriamiento se llama contracción.
En la Tabla 4 están indicados los coeficientes de dilatación térmica lineal de
algunas sustancias, esto es la variación de la unidad de longitud por el aumento
de 1°C de la temperatura.
h) Conductividad Eléctrica. Es la capacidad de una sustancia de transmitir la
corriente eléctrica: en la práctica se indica con su recíproca, que se le llama
resistividad, es decir, la resistencia ofrecida por la sustancia al paso de la
corriente expresada en ohmios por cm²/cm o microohmios por cm²/cm (1
microohmio = 10-6 ohmios).
Los conductores en las máquinas eléctricas (motores, transformadores, hornos,
etc.) son de cobre, que es, después de la plata, el mejor conductor; alguna vez
para las líneas eléctricas y para los motores se usa el aluminio. En los hornos
eléctricos de resistencia se usan aleaciones y materiales de elevada resistencia.
TABLA 1.Denominaciones genéricas y constituyentes principales de las
aleaciones para fundición.
ALEACION METAL BASE ELEMENTOS ESENCIALES
OTROS ELEMENTOS
Acero Fundición Bronce Latón Aleaciones de aluminio Aleaciones de magnesio Aleaciones de zinc
Fe Fe Cu Cu Al Mg Zn
C C, Si Sn Zn Si, Mg, Cu Al, Zn, Si, Mn Al, Cu, Sn
Mn, Si, P, S Mn, P, S Mn, Zn, Ni varios
TABLA 2.Peso específico de los metales y de las aleaciones.
METALES δ ALEACIONES δ
Aluminio Antimonio Berilio Cromo Hierro Magnesio Manganeso Molibdeno Níquel Plomo Potasio Cobre Silicio Sodio Estaño Volframio Zinc
2,7 6,7 1,84
7 7,7 1,75 7,4 10,2 8,86 11,35
0,875 8,7 2,2
0,972 7,3 19,1 7,14
Acero (hierro homogéneo) Acero rápido Fundición gris Fundición blanca Bronce Latón Aleaciones de aluminio: Siluminio (13% Si) Duraluminio Aleaciones de magnesio: Electrón (6 al 10% de Al (0,3% de Si)
7,7 8,32 7...7,2 7,4...7,6 8,7 7,8
2,6 2,8
1,8
TABLA 3.Conductividad térmica de algunos materiales Kcal/m h °C.
MATERIAL CONDUCTIVIDAD TERMICA
MATERIAL CONDUCTIVIDAD
TERMICA
Aluminio Hierro Níquel Plomo Cobre Estaño Zinc
175 50...60
50 30
320...345 54 95
Agua Amianto Cemento (mortero) Carbón fósil Muro de ladrillos compactos Muro de ladrillos huecos Arena seca
0,5 0,19 0,65 0,12 0,35 0,28 0,28
TABLA 4.Coeficiente de dilatación térmica lineal de algunos materiales.
MATERIAL
COEFICIENTE DE DILATACION
TERMICA LINEAL
MATERIAL
COEFICIENTE DE
DILATACION TERMICA LINEAL
Aluminio Aluminio Hierro Magnesio Níquel Plomo Cobre Silicio Estaño Zinc
0,000018 0,000025 0,0000114 0,000026 0,000012 0,000029 0,000017 0,0000075 0,000027 0,000026
Bronce (90% Cu, 10% Sn) Bronce (80% Cu, 20% Sn Latón (66% Cu, 34% Zn) Duraluminio Acero (según la composición y la temperatura) Fundición Invar (64% Fe, 36% Ni) Grafito Cuarzo fundido
0,000022 0,000027 0,000019 0,000023 de 0,000010 a 0,000016
0,0000006 0,0000078 0,0000005
2.1COBRE Y SUS ALEACIONES
El empleo de las aleaciones de cobre (particularmente con el estaño) tiene su
origen en la más remota antigüedad. Fue justamente una aleación de cobre y
estaño la que dio el nombre a la llamada Edad del Bronce, que siguió a la de
Piedra y precedió a la del Hierro.
Los descubrimientos arqueológicos y los estudios correspondientes hacen
remontar los primeros objetos de bronce a unos miles de años antes de Cristo;
no obstante, todavía se emplean estas aleaciones ampliamente en las
construcciones metálicas y, aun siendo en buena parte los elementos aleatorios
iguales a los empleados hace tres mil o cuatro mil años, se obtienen resultados
superiores, por estar perfeccionados los métodos de fusión y por ser mayor el
conocimiento que se tiene de las recíprocas influencias de los elementos en sí y
de las aleaciones por ellos formadas.
Los metales que más comúnmente entran en la composición de los bronces son
el cobre, el estaño, el zinc, el plomo y el aluminio, con proporciones muy
pequeñas de otros metales, como el níquel, el hierro, el manganeso, el silicio, el
fósforo, que aun en pequeñas cantidades confieren características especiales a
las aleaciones.
El cobre funde a unos 1083°C, y tiene buena conductividad térmica y eléctrica.
Se encuentra en la naturaleza en forma de óxidos, carbonatos y sulfuros, con el
nombre respectivo de cuprita, malaquita y calcopirita, que es el mineral más
importante.
Los yacimientos más importantes de estos minerales se encuentran en los
Estados Unidos, Canadá, México, Chile, Alemania, Rusia, España y Japón. El
cobre más puro y que da mejores resultados en la fundición de los bronces es el
llamado electrolítico, por ser obtenido por electrólisis.
El estaño funde a unos 232°C y se emplea en aleaciones con otros metales.
Está menos difundido en naturaleza que el cobre, y se encuentra en Inglaterra,
China, Malasia, Bolivia y Siam, en forma de óxido, que toma el nombre de
casiterita, de la que se extrae el metal por reducción.
El zinc funde a unos 420°C y entra a formar parte, además de los bronces, en los
que sustituye parte del estaño, en las aleaciones llamadas latones, muy usadas
en fundición y para obtener planchas etc, y para aleaciones de zinc y aluminio
adecuadas para la fusión en coquilla y a presión.
El zinc se encuentra en la naturaleza sobre todo en forma de sulfuros, que toma
el nombre de blenda, o de carbonato, llamado calamina, en los Estados Unidos,
España, Francia, Silisia e Italia.
El plomo funde a unos 327°C y se encuentra en la naturaleza principalmente en
forma de sulfuro en los Estados Unidos, Mxico, Canadá, Austria, Alemania e
Italia.
Entra también en aleaciones con el cobre y el zinc, y tiende al solidificarse la
aleación, a producir licuaciones, esto es, a separarse de los otros metales.
El aluminio no entra en las aleaciones de cobre y estaño clásicas (o bronces), en
las que casi siempre es considerado una impureza, pues resulta muy perjudicial
por la formación de óxido (alúmina), pero sí en los llamados bronces de
aluminio.
El aluminio funde a 657°C, y es la base de toda la basta gama de aleaciones
llamadas ligeras. Se extrae sobre todo de la bauxita, óxido hidratado de hierro
y aluminio, mediante electrólisis de un baño fundido de ésta.
Se encuentran yacimientos de minerales de aluminio en América, Francia, Italia
y Noruega.
2.2.1 Bronces.
Las normas alemanas DIN 1718 definen como bronces las aleaciones con 60%
(mínimo) de cobre y otro u otros componentes aleados principales (sin que
predomine zinc entre ellos). Casi siempre se designan por el componente
aleado (o dos componentes) que predomina por ejemplo: bronce de estaño,
bronce de estaño-plomo. Si contienen más de dos componentes aleados al
cobre, se designan como bronce complejo o múltiple. También pueden
designarse los bronces por su aplicación; así: Bronce de electrodos. De los
bronces para fundir piezas debe concretarse su carácter de fundición de bronce
o de lo contrario de entiende que son bronces forjables o plásticos.
Según su composición, elaboración tecnológica y tratamiento térmico, los
bronces ofrecen las siguientes propiedades: bella coloración rojiza (en general),
coeficiente de resistencia mecánica elevados, incluso a temperaturas altas o
bajas, gran resistencia a la corrosión (en particular los bronces de aluminio y
silicio), gran conductibilidad eléctrica (bronces para conductores, y bronces de
electrodos).
La aleación de las fundiciones de bronce se prepara en hornos de crisol, de
reverbero o eléctricos (a veces, utilizando aleaciones intermedias), y una vez
fundidas se cuelan en moldes de arena o de tierra, o en moldes permanentes,
para obtener piezas moldeadas.
La fundición de bronce centrifugada ofrece ventajas para anillos, tubos, coronas
de ruedas, casquillos de cojinetes, camisas para ejes de buques y cilindros para
máquinas de la industria papelera. Las favorables condiciones de enfriamiento
del metal, en las coquillas que lo centrifugan, le dan excelente calidad.
Para fabricar tubos y barras de bronce fundido, que pueden acabarse
directamente en tornos automáticos, se recurre hoy a la extrusión en prensas de
hilera. Los bronces forjables o plásticos se funden en hornos de crisol, de
reverbero o eléctricos, se cuelan en coquillas de fundición gris o de cobre
refrigeradas (en forma de placas o de lingotes) y se elaboran por plasticidad a la
temperatura del recinto, o en caliente, para obtener productos semifabricados
(barras, tubos, chapas, etc.); el estado en que se suministran estos
semifabricados depende del tratamiento plástico o térmico con que han sido
terminados.
2.2.2.1 Bronces de Estaño.
Aleaciones de cobre y estaño. Los tres bronces al estaño más comunes
contienen aproximadamente 5, 8 y 10% de estaño y se conocen como los
grados A, C y D respectivamente. Contienen por lo general, fósforo desde
trazas hasta 0.4%, lo cual mejora sus cualidades para fundición o vaciado, los
endurece un poco y ha dado origen al nombre conducente a error de bronce
fosforado. Los bronces se caracterizan por sus excelentes propiedades
elásticas.
2.2.2.3 Bronces de Aluminio.
Son aleaciones de cobre: con aluminio solo acompañado de otros componentes
(bronces complejos); pueden ser fundiciones (del 8 al 14% Al), o
bronces plásticos (4-11% Al). Los otros componentes pueden ser: hasta 6%
Fe, hasta 6% Ni, hasta 5% Mn; a veces, también, estaño, silicio, plomo.
Los bronces de aluminio con 5 y 8% de aluminio encuentran aplicación a causa
de su alta resistencia mecánica y su buena resistencia a la corrosión, y algunas
veces a causa de su color de oro. Los que contienen 10% de aluminio y otras
aleaciones con cantidades aún mayores son muy plásticos en caliente y tienen
resistencia mecánica excepcionalmente alta, particularmente después del
tratamiento térmico.
2.2.2.5 Bronces de Silicio.
Se fabrican cierto número de aleaciones y se venden bajo diversos nombres
comerciales en los cuales el silicio es el agente primario de aleación, pero que
también contienen cantidades apreciables de zinc, hierro, estaño o manganeso.
Estas aleaciones son tan resistentes a la corrosión como el cobre (ligeramente
más en algunas soluciones) y poseen excelentes propiedades para el trabajo en
caliente combinadas con alta resistencia. Su característica sobresaliente es la
de poderse soldar por todos los métodos. Se usan mucho estas aleaciones
soldadas por soldadura de arco u oxiacetilénica en tanques y recipientes para
depósitos de agua caliente y para procesos químicos.
2.2.2.7 Bronce de Berilio.
Es otra aleación termotratable que contiene aproximadamente 2% de berilio.
Esta aleación es muy resistente a la corrosión y posee alta resistencia al
desgaste. Aunque es un metal costoso, se utiliza en resortes y otras piezas
sujetas a cargas por fatiga, donde además se requiere resistencia a la corrosión.
2.2.2.9 Bronces Sinterizados.
Con este nombre se designan los bronces obtenidos por moldeo a presión de
piezas, valiéndose de metales en polvo, con subsiguiente recocido de difusión.
Para ello, lo mismo pueden emplearse mezclas de polvos de los componentes
de aleación (por ejemplo cobre y estaño), que polvos de aleaciones de cobre
(verbigracia: 9% Sn, 1...2% Zn, el resto Cu). Con preferencia se recurre a la
mezcla de polvos de aleación (polvo complejo).
El prensado se facilita por adición de materias lubricantes. El grado de
porosidad ha de fijarse de antemano, distribuyendo la composición
granulométrica y graduando la presión. Estos bronces se emplean, sobre todo,
en casquillos de cojinetes impregnados de aceite (para cargas y velocidades de
deslizamiento moderadas). En la actualidad, se usan también para piezas
moldeadas que se fabrican en grandes cantidades (bronce y latón sinterizado).
2.3ALUMINIO Y SUS ALEACIONES
El aluminio debe la mayoría de sus aplicaciones a su ligereza y a la resistencia
relativamente de sus aleaciones, aunque otros usos dependen de su resistencia
a la corrosión, que es relativamente buena, de sus buenas propiedades para ser
trabajado o de sus propiedades eléctricas o térmicas de conductibilidad y
reflectividad.
El aluminio comercial es un metal blando y dúctil y se usa para muchas
aplicaciones en las que no se desea una resistencia muy alta. Se consigue en
formas producidas por extrusión o por laminado y puede endurecerse por
trabajo en frío, pero no por tratamiento térmico. Las aleaciones de aluminio
poseen mejores características para ser fundidas y maquinadas y mejores
propiedades mecánicas, y, por tanto, se emplea en mayor extensión que el
metal puro.
2.4.1 Aleaciones de aluminio para fundición en arena.
La mayor parte de éstas están basadas en sistemas de aluminio-cobre o de
aluminio-silicio con adiciones para mejorar las características de la fundición
particularmente porque la hacen menos quebradiza en caliente. Las adiciones
de zinc a esta aleación, 213.0, se hace con el fin de mejorar su maquinabilidad.
Las aleaciones con 4% no tienen tan buenas propiedades para el vaciado o
fundido como las que contienen 8% de cobre.
Las aleaciones con 12% de cobre son ligeramente más resistentes que las de
8%, pero considerablemente menos tenaces. Estas deben su empleo al hecho
de que es fácil producir piezas fundidas exentas de poros con esta aleación,
aunque en la actualidad han sido reemplazadas en gran parte por las aleaciones
de aluminio al silicio.
2.4.3 Las aleaciones de aluminio-silicio.
Estas aleaciones han venido a ser de gran aplicación por sus excelentes
cualidades para fundirse y su resistencia a la corrosión. Las aleaciones no son
quebradizas en caliente y es fácil obtener con ellas fundiciones sanas en
secciones gruesas o delgadas. Son más bien difíciles de maquinar. La
aleación de aluminio-silicio más comúnmente usada es la que contiene 5% de
silicio, B443.0. La aleación B443.0 se solidifica normalmente con una gruesa
estructura hipereutéctica pero ésta es modificada antes de fundirse por la
adición de una pequeña cantidad de sodio para darle una estructura fina
eutéctica de mayor resistencia y tenacidad. En todas las aleaciones que
contienen cantidades importantes de silicio, el contenido de hierro debe ser bajo
para evitar la fragilidad.
2.4.5 Las aleaciones de aluminio-magnesio.
Son superiores a casi todas las otras aleaciones de fundición de aluminio, en lo
que respecta a la resistencia, a la corrosión y a la maquinabilidad. Además,
dichas aleaciones muestran combinaciones de resistencia mecánica y ductilidad
desde buena a excepcional. Sin embargo, en general, es difícil fundir con estas
aleaciones piezas intrincadas que sean herméticas a presión y se necesitan
minuciosas prácticas controladas de fundición para reducir al mínimo la
marcada tendencia a la oxidación de estas aleaciones cuando están fundidas.
Aleaciones para moldes permanentes. Las aleaciones para fundición en
moldes permanentes no deben ser quebradizas en caliente. Las aleaciones al
silicio mencionadas anteriormente son de uso muy amplio, como también las
que contienen cobre, y las aleaciones que contienen ambos, silicio y cobre.
2.4.7 Aleaciones para fundición a presión.
Las aleaciones de aluminio para fundiciones a presión deben poseer una fluidez
considerable y no deben ser quebradizas en caliente. Las propiedades físicas
son, por lo general, de menor importancia que las cualidades para la fundición.
3 MATERIALES REFRACTARIOS
4.1GENERALIDADES
En el desarrollo de procesos térmicos en los cuales se deba mantener una
temperatura deseada en el interior de un sistema (horno), que para nuestro
estudio tiene que estar muy por encima que la temperatura exterior, se debe
revestir éste de un material no metálico que soporta temperaturas muy elevadas
sin fundirse, sin sufrir deformación excesiva o sin experimentar cambios de
composición, a los cuales se les llama refractarios.
Existe una gran cantidad de requisitos que debe cumplir un material refractario
para considerarse como tal, pero las condiciones más importantes para el
metalurgista son las siguientes:
1. Habilidad para procurar un buen aislamiento térmico.
2. Servir como soporte del enrrollamiento metálico en hornos de resistencia
eléctrica.
3. Trabajar el refractario como material estructural de alta temperatura.
4. Que pueda utilizarse como recipiente para metales líquidos.
4.3CLASIFICACION DE LOS REFRACTARIOS
Para clasificar los refractarios, conforme a los requisitos principales
anteriormente citados, se deben conocer las siguientes características:
1. Punto de fusión
2. Conductividad térmica
3. Resistencia a temperaturas elevadas
4. Coeficiente de expansión térmica
5. Resistencia al choque térmico
6. Capacidad de ser químicamente inerte a los metales líquidos
7. Conductividad eléctrica a temperaturas altas
Los refractarios se pueden clasificar atendiendo a su composición química. Se
han dividido de una forma general en varios grupos, siendo los principales los
que contienen Sílice, Alúmina y Sílice juntas, y Magnesia y Cromita, bien por
separado o juntas. Estos refractarios dejan un residuo, la mayor parte del cual
se puede incluir en la clasificación más usual, que se basa en el comportamiento
respecto a las escorias metalúrgicas, en la forma siguiente:
- Refractarios ácidos: Se basan en SiO2 e incluyen la sílice, la serie de arcillas
refractarias conteniendo 30-40% de Al2O3. Sillimanita y Andalucita con
aproximadamente 60% de Al2O3.
- Refractarios básicos: Se basan en el contenido de MgO e incluyen la magnesia
y dolomita, cromo-magnesita y magnesita-cromo. También se clasifican como
básicas las briquetas de alúmina y de mullita y en la misma categoría se incluyen
algunos refractarios "especiales" como ThO2 y BeO.
- Refractarios neutros: Estos son relativamente inertes, tanto a las escorias
silíceas como a las calizas.
En este grupo se incluyen las briquetas de carbón, cromita (FeO. Cr2O3) y la
frosterita (2MgO. SiO2).
- Refractarios especiales: Son normalmente materiales nuevos o muy caros,
como los anteriormente mencionados de ZrO2 y BeO, y se destinan únicamente
para fines de investigación y otros usos aislados, tales como energía atómica o
tecnología de turbinas de gas. También se pueden clasificar como ácidos
básicos - neutros, si bien en este caso la clasificación no tiene gran importancia
práctica.
El término Super-refractario se aplica actualmente para algunos de estos
materiales cuyo punto de fusión se sitúa por encima a los 1900°C.
Para nuestro estudio nos limitaremos a tratar aquellos materiales refractarios de
interés principal en el proceso metalúrgico.
4.4.1 Refractarios para Aislamiento de Hornos.
- La Alúmina: Es el refractario más usado en el laboratorio metalúrgico, porque
se obtiene con una pureza muy alta, por su punto de fusión elevado, por su baja
reactividad, por su resistencia al choque térmico regular y por su conductividad
eléctrica muy baja a temperaturas elevadas. Es esta última propiedad, en
unión de algunas ya mencionadas, la que hace que la alúmina sea un material
de empleo casi universal en la construcción de tubos de hornos y muflas sobre
las cuales va el devanado de las resistencias metálicas. Se pueden obtener
exponentes en una variedad de forma muy amplia que incluye crisoles, tubos
rodillos, placas muflas y polvo.
Como la alúmina no es muy resistente a los óxidos de metales básicos, como el
óxido de hierro, a diferencia del óxido de magnesio, su uso como crisol para la
fundición de metales del grupo del hierro no ha sido recomendable,
particularmente en la fundición al aire o donde los óxidos de estos metales se
encuentran presentes. Sin embargo, últimamente ha sido posible obtener un
crisol de alta alúmina fundida y de gran pureza y mucho menos susceptible a la
reacción con los óxidos metálicos que los crisoles de quemada bajo y de menor
pureza. Estos nuevos crisoles tienen la apariencia y el carácter traslúcido de la
porcelana, y parecen obtener una solución al problema de fundir materiales
moderadamente reactivos sin un cambio apreciable de su composición.
- La tierra Diatomeas (Dil-o- Cel ó Kieselgur): Es un producto silíceo, celular y
granulado que se utiliza en el aislamiento térmico.
Se puede obtener en forma de polvo, más bien grueso y liviano, y se usa
principalmente para el aislamiento de hornos y estufas. No se recomienda
trabajarlo a temperaturas superiores 1100°C. Algunos tipos de esta tierra no
deben usarse a más de 850°C. A temperaturas más elevadas es excesivo su
encogimiento y tenderá a reaccionar con la mufla o tubo de alúmina del horno.
Sin embargo, a temperaturas moderadas, es probablemente el mejor
aislamiento para aislamiento térmico del tipo polvo y es el más comúnmente
empleado como polvo aislante en revestimiento de hornos de tubos con
resistencia de Nicronel (Tipo 80Ni-20Cr). Debido a su contenido de mezcla
húmeda y a su estructura celular cerrada, este material no debe usarse dentro
de una cámara de vacío, ya que es difícil desgasarlo.
- El Carburo de Silicio (SiC): Es un material refractario que, como tal, es
conocido con el nombre de Carboflax o Crystolon. En estos materiales, se usa
la arcilla como aglutinante que mantiene unidas las partículas de carburo de
silicio de una manera enteramente análoga a la del grafito-arcilla. Debido a la
naturaleza semimetálica del carbono de silicio, estos refractarios tienen
conductividad térmica mucho más elevada que la mayoría de refractarios.
Los usos principales de los grados refractarios de carburo de silicio se dan en las
muflas, en hornos eléctricos o de gas, en los cuales es muy importante tener una
gran transferencia de calor interior de la cámara de trabajo o mufla. También se
puede encontrar este refractario en forma de ladrillo, los cuales, unidos con un
cemento especial, permite construir grandes paredes de hornos en el mismo
sitio donde se va a utilizar. Los productos de carbono de silicio vienen, en
general, esmaltados, para evitar su oxidación durante el servicio. Los esmaltes
varían en su composición y pueden ser más o menos refractarios, de manera
que se debe tener cuidado en seleccionar el tipo apropiado.
- La Transita: Corresponde al nombre comercial de las más grandes compañías
de refractarios. Está formada de asbesto enlazada con cemento portland.
Aunque este material, como muchos de los tratados aquí, no es un refractario
verdadero, ya que no puede ser calentado a temperaturas superiores sin
descomposición, se utiliza como material de construcción de elevada
temperatura.
Se emplea principalmente como cubierta de hornos en la que la temperatura no
pasa de 370°C; su uso prolongado a temperaturas más elevadas causa
deterioración. La transita se fabrica en forma de tubería de 5 a 8 cm hasta
cerca de 90 cm de diámetro. La tubería de 30 a 60 cm de diámetro es muy
conveniente para la construcción de hornos de tubo. También se puede
encontrar en placas de espesor de 5 cm. Las hojas de transita se usan a
menudo en el laboratorio como cubiertas de mesa de trabajo, debido a su
resistencia química y resistencia al calor. La transita se puede maquinar
fácilmente, pero es abrasiva.
- La Mulita: Se puede encontrar como refractario pesado en ladrillos o formas
especiales, fundamentalmente adecuado para recubrimientos de hornos
grandes y construcción de paredes de hornos. Su buena resistencia mecánica,
punto de fusión elevado (por encima de la arcilla quemada), su conductividad
térmica más bien baja y su resistencia elevada a la abrasión hacen de la mulita
un material excelente para toda clase de trabajo de horno. Los cementos de
mulita son de uso común.
4.4.3 Refractarios para Crisoles.
- La magnesia (MgO): Es uno de los refractarios más útiles en la investigación
debido a su alto punto de fusión, estabilidad química, y economía, y se puede
obtener en el comercio fácilmente. Desgraciadamente, no siempre se
encuentra en forma de crisoles de alta pureza. Hay muchos fabricantes que
puedan suministrar crisoles de magnesia, pero estos contienen en general,
grandes cantidades de aglutinante tal como arcilla o sílice. A menudo estos
crisoles, en lugar de ser del color blanco de la magnesia pura, presentan un
color cercano al café del chocolate con leche. Afortunadamente no es difícil
hacer crisoles, si se dispone de una prensa hidráulica pequeña o una máquina
universal de ensayos de tensión y de un horno de alta frecuencia.
El polvo de magnesia de alta calidad se puede obtener fácilmente de algunos
proveedores. Además de usarlo para fabricar crisoles u otras formas
cerámicas, se acostumbra mucho emplear un tipo impuro de magnesia y por
consiguiente más barata, como material para aislamiento térmico en la fundición
por alta frecuencia. Los crisoles de magnesia son particularmente útiles para la
fundición de hierro o acero, ya que su carácter básico ayuda a la resistencia al
efecto de escoriación del FeO. Igualmente son adecuados en la fundición de
níquel, cobalto o sus aleaciones. Debido a sus características de choque
térmico pobres, el MgO se rompe fácilmente con las velocidades de
calentamiento o enfriamiento rápidas, que se presentan en el calentamiento por
inducción. Sin embargo, si se rodea el crisol con una capa bien apretada de
polvo refractario, las grietas que se forman no ocasionan daños serios, mientras
el crisol permanezca en su lugar. El fundido no puede introducirse
profundamente en la grieta, ya que pronto alcanza una temperatura inferior a su
punto de fusión debido al gradiente de temperatura tan marcado que existe. La
tensión superficial evita que el material gotee a través de las grietas finas.
- La Sílice: Se usa generalmente como una sustancia pura en forma de cuarzo
fundido o más correctamente, sílice fundida. Antes de describir la utilidad de la
sílice fundida, se debe hacer algunas consideraciones acerca de los crisoles de
sílice granular llamada algunas veces crisoles de arena. Estos son
enteramente similares en su naturaleza al ladrillo refractario de sílice, que se usa
mucho en el techado de hornos de reverbero, en la fundición de aceros. Los
crisoles de sílice o arena están sujetos a dos inconvenientes lo suficientemente
serios como para eliminarlos como contendientes de cuidado para ocupar un
lugar importante en los ensayos de metales. Uno de estos son las
transformaciones polimórficas a 578 y 870°C, en el cuarzo bajo, pasa a cuarzo
alto y luego a tridimita respectivamente. Estos cambios son acompañados por
alteraciones considerables de volumen que tienden a romper el crisol, ya sea
durante el calentamiento o en el enfriamiento.
El segundo inconveniente está en que la sílice no es particularmente estable y
se halla sujeta a reducción parcial por muchos metales. También tienden a
reaccionar con varios óxidos metálicos debido a la naturaleza ácida del SiO ya
que los óxidos metálicos tienen, en general una naturaleza básica.
La sílice fundida no debe usarse a temperaturas superiores a 1100°C y se
utiliza, debe hacerse sólo por períodos de tiempo muy cortos. Es mejor limitar
la temperatura de trabajo a 1000°C. Las exposiciones largas aún a 1000°C
causan una desvitrificación debido a la transformación de la sílice amorfa en
cristobalita cristalina, con un acompañamiento de cambio de volumen. Este
cambio a la forma cristalina del cuarzo trae como resultado una estructura de
yeso muy débil y porosa.
Las principales ventajas de la sílice fundida son:
1. Impermeable a los gases
2. Resistencia mecánica
3. Químicamente resistente, particularmente a la mayoría de las soluciones
acuosas y a los gases.
4. Coeficiente de expansión extraordinariamente bajo
5. Aislamiento eléctrico
6. Soportar temperaturas de calentamiento hasta los 1000°C
7. Transparencia (solamente en tamaños pequeños y en ciertos tipos).
La sílice fundida no presenta el problema del choque térmico debido a su
coeficiente de expansión bajo; puede ser prácticamente calentada o enfriada a
cualquier velocidad sin rotura.
La sílice fundida se puede dividir en dos categorías: opaca y transparente.
La del tipo opaca se encuentra en forma mucho más grande que la transparente
y es mucho más cara. En la mayoría de sus aplicaciones se usan ambos
materiales en forma de tubería. La forma opaca se puede hallar en dos tipos:
superficie arenosa o superficie satinada. La última se encuentra en tamaños
más pequeños, quizás hasta 5 cm de diámetro, mientras que la tubería de
superficie arenosa puede encontrarse en diámetros hasta 75 cm. La tubería de
superficie satinada está dimensionalmente mejor controlada, mientras que el
espesor de pared y la excentricidad del material de la superficie arenosa puede
variar de 3.1 mm a 9.5 mm dependiendo del tamaño.
Las propiedades de la sílice fundida transparente (cuarzo fundido) son idénticas
a las del grado opaco, excepto por la propiedad de transparencia; ésta proviene
de una selección cuidadosa de las materias primas; se usan piezas fundidas de
cristal de cuarzo de alto grado de pureza, en lugar de una arena silícea de
pureza regular. Además se tiene cuidado de evitar la mayoría de las burbujas,
ya que gran parte de la opacidad de los restantes tipos de sílice es debida a las
pequeñas burbujas de aire distribuídas a través de la pared, que, cuando es de
sílice transparente resulta muy delgada en comparación con la pared opaca, y
puede sellarse con el vidrio mediante un sello de calidad; no es posible aplicar
este procedimiento a la sílice fundida en pared gruesa. En general, las razones
para usar cuarzo transparente de pared delgada están en la visibilidad y debido
a que es más adecuada para las operaciones de soplado de vidrio.
- El Grafito: Es un material refractario extraordinariamente útil, debido a su
inactividad química (excepto con el oxígeno a temperaturas elevadas), alto
punto de fusión, conductividad eléctrica térmica elevada, resistencia regular, la
cual no es afectada por las temperaturas elevadas y por su maquinabilidad.
Muchos refractarios poseen alguna de éstas cualidades y son mejores que el
grafito respecto a una o dos de esas cualidades, pero ninguno de ellos reúne
una conductividad térmica y eléctrica elevada y, sobre todo, la cualidad de
maquinabilidad. Seguiremos insistiendo sobre la importancia de tener un
material adecuado a partir del cual se puedan maquinar, por ejemplo un crisol o
un tubo en un tamaño exacto en cuestión de más cuantas horas y con
herramientas de maquinado comunes.
Como crisol tiene la desventaja de que se deshace rápidamente en el aire y a
temperaturas elevadas, debido a la oxidación, pero a menudo es posible
protegerlo igual que su carga por fusión en atmósfera inerte o en vacío.
Naturalmente, no se puede usar para fundir metales como el aluminio o cobre,
tienen la ventaja de ser mínima la adquisición de impureza provenientes del
crisol; ya que los metales que no forman carburos no mojan el grafito, puede
"vaciarse limpiamente" el crisol. Se puede utilizar el crisol de grafito en los
casos en que el carburo formado tenga una solubilidad limitada en el metal, por
que no hay alternativa de usar un crisol satisfactorio.
Como el grafito tiene un coeficiente de expansión muy bajo y una conductividad
térmica elevada, se puede calentar o enfriar tan rápidamente como se desee, sin
peligro de rotura. Esta propiedad hace posible que se use como molde para la
colada de metales y, en realidad, se emplea mucho para tal propósito.
En el negro de humo es entre todos los materiales de grafito, el mejor para
aislamiento a elevada temperatura, como por ejemplo en horno ARSEM o en el
calentamiento por inducción de grafito en aire a temperaturas muy por encima
de 1000°C. Esto no solamente tiene valor como buen aislante sino que protege
también el grafito de la oxidación.
- El grafito-arcilla: Se usa mucho como material de crisol para la fundición de
metales no ferrosos. Es posible obtenerlo en una gran variedad de tamaños y
formas de crisol. El grafito Arcilla como su nombre lo indica es una
combinación de estos dos materiales en la cual el grafito se mantiene unido
mediante una red de arcilla. En este material se conjunta la actividad térmica
elevada del grafito con la flexibilidad y resistencia de la arcilla.
Debido a esta naturaleza doble, no se oxida en el aire tan rápidamente como el
grafito puro y no está sujeto al choque térmico como la arcilla quemada pura; por
consiguiente, éste es un material muy empleado en la construcción de crisoles
extremadamente útiles en la fusión de una gran variedad de metales que no
corroen fácilmente el carbón.
Es posible encamisar el interior del crisol con un cemento de magnesia, por
ejemplo, y usar el crisol encamisado para la fundición de metales que formen
rápidamente carburos o que disuelvan al carbón tal como el hierro o el níquel.
Los crisoles en arcilla quemada no se emplean mucho actualmente, aunque
fueron comúnmente usados en algunas épocas para la fundición de materiales
no ferrosos. Debido a su bajo costo, todavía se utilizan estos crisoles en
operaciones tales como los ensayos de quemada en que no son de importancia
la pureza y la inactividad química altas. El grafito-arcilla que tiene una
resistencia superior al choque térmico y una inactividad mayor, ha reemplazado
en la mayoría de sus aplicaciones a la arcilla calcinada. Esta no es estable, y
puede introducir impurezas en los fundidos de alta pureza; por consiguiente, no
es tan refractaria como la Alúmina o Magnesia y se limita a trabajar en
temperaturas del orden de 1600°C o menores, dependiendo de la calidad
particular que tenga la arcilla quemada que se emplee.
5 HORNOS PARA FUNDICION
6.1HORNOS ELECTRICOS
Los hornos eléctricos tienen grandes ventajas para la fusión de los metales,
siendo las más destacadas las siguientes:
1. Pueden obtenerse temperaturas muy elevadas hasta de 3500°C en algunos
hornos eléctricos.
2. Puede controlarse la velocidad de elevación de temperaturas y mantener ésta
entre límites muy precisos, con regulación completamente automáticas.
3. La carga queda por completo libre de contaminación del gas combustible.
4. Puede controlarse perfectamente la atmósfera en contacto con la masa
fundida, haciéndola oxidante a reductora a voluntad, e incluso en algún tipo de
horno puede operarse en vacío.
5. Tienen mayor duración los revestimientos que en los demás tipos de hornos.
5. Tienen mayor duración los revestimientos que en los demás tipos de hornos.
6. Se instala en espacios reducidos.
7. Su operación se realiza con mayor higiene que los hornos de otros tipos.
6.2.1 Hornos Eléctricos de Arco.
Se encuentran en uso común dos tipos de arco: 1) el horno trifásico, y 2) el horno
monofásico. El campo general de aplicación del primero es la fusión y
refinación de aceros al carbono y aleados; el segundo se utiliza en fusión de
aleaciones no ferrosas. Existe un uso creciente de ambos tipos de hornos para
la fusión y refinado de varios tipos de hierros.
6.2.3 Hornos Trifásicos de Arco.
En la Figura 2 se ilustra el diseño general del horno trifásico. En su
funcionamiento, cada calda u hornada se inicia girando hacia un lado de la
cubierta del horno y cargando luego al cuerpo del mismo que está revestido
interiormente de refractario, con chatarra que se deja caer desde un cucharón
de quijadas manipuladas con grúa. Luego se hace que salten arcos entre los
extremos inferiores de los electrodos de grafito y la chatarra; prosigue la fusión
bajo control automático hasta que el hogar contenga metal fundido. Esta etapa
fluidificadora se efectúa con un rendimiento térmico de alrededor del 85%. Se
necesitan de ordinario varias cargas para formar el baño de dicho metal,
particularmente cuando se producen lingotes. Para la colada o vaciado se
inclina el horno hacia adelante; la inclinación hacia atrás sirve para quitar la
escoria y permitir que se mantenga el hogar del horno en un estado adecuado.
La puerta de trabajo está en el lado opuesto de la piquera de colada. Los
grandes hornos suelen tener además una puerta lateral.
En cuanto al refractario los hornos eléctricos de arco que producen aceros para
hacer piezas fundidas tienen revestimiento interior ácido, es decir, que sus
paredes están formadas con ladrillos de sílice el hogar es de ganister o un
material equivalente. Las cubiertas más empleadas son de ladrillos de sílice,
pero pueden preferirse los ladrillos de arcilla para el funcionamiento intermitente.
Las escorias que resultan de la práctica del revestimiento ácido no eliminan el
fósforo ni el azufre. Las operaciones para producción de lingotes se realizan
fundamentalmente con hornos con revestimiento interiores básicos; es decir,
con el fondo y las paredes refractarios de alta calidad para prolongar la vida o
duración de la cubierta, especialmente cuando el funcionamiento del horno es
continuo. En la práctica básica, el fósforo se une a la escoria fácilmente; el
azufre puede eliminarse a continuación por una segunda escoria, cuando ésta
se haya hecho muy reductora. La escoria que cubre el baño fundido sirve para
refinar el metal y además reduce el calentamiento de los ladrillos de las paredes
y la cubierta. En la operación a alta temperatura y en que el refinado es de gran
duración se utilizan ladrillos superrefractarios. Los hierros para usos eléctricos
(como hierro al silicio) se fabrican en hornos con revestimiento ácido.
La temperatura de arco es de unos 3500°C por consiguiente, tiene que
realizarse la operación de modo que los refractarios se protejan todo lo posible.
Como el horno de carga por arriba ha sustituído ahora al de carga por puerta en
casi todo el trabajo de fusión del material frío, son buenas las condiciones para
que los refractarios queden protegidos durante la etapa de fusión de cada
horneada. Con el horno lleno de chatarra hasta el tope, los electrodos abren su
paso a través de ella y el calor de los arcos pasa directamente a la propia carga
metálica. Cuando la carga, y cualesquiera carga que se vuelva a hacer, se
aproxima a la etapa fluida se acostumbra a reducir tanto el consumo de potencia
o energía como la longitud de los arcos utilizados. Durante las etapas de
acabado o terminado, la cubierta y las paredes laterales quedan protegidas por
la escoria y por el efecto de "sombrilla" de los mismos electrodos. Merece
atención la utilización creciente de oxígeno para ganar rapidez de producción,
porque con ello crecen las temperaturas de los hornos.
En cuanto a la carga, los hornos de arcos trifásicos se emplean primordialmente
para convertir chatarra en acero para colarlo en lingotes o piezas fundidas;
también se aplica cada vez más en la fusión del material frío y en el
procedimiento duplex de las fundiciones gris y blanca. La carga a mano y por
vertedero han desaparecido prácticamente, al menos en lo relacionado con
hornos de más de una tonelada de carga. Una de las principales ventajas de
los hornos de carga por arriba es que la chatarra que se consume no se necesita
cortarla al tamaño de la puerta, como antes ocurría.
Aunque al principio sólo se empleaban para los grados más costosos del acero,
el horno de arco se utiliza actualmente en la producción de lingotes para su
laminación en barras comerciales y calidades semejantes. La velocidad de
producción en este tipo de trabajo, llamado práctica básica de desfosforado con
una simple escoria, puede ser el doble que la que se consigue con el mismo
horno usado para fabricar aceros aleados básicos, desfosforados y
desulfurados con dos escorias. En el trabajo ácido del acero para piezas
fundidas, se alcanza aproximadamente la misma velocidad que en la práctica
básica de desfosforado con una simple escoria, y algunos aceros aleados
requieren alrededor de una mitad más de tiempo; aunque la mayoría de los
aceros al carbono , requieren para la refinación del cobre y el níquel y para las
horneadas de muchas aleaciones resistentes al calor.
6.2.5 Horno Monofásico de Arco.
Se fabrican del tipo de dos electrodos. Cuando éstos funcionan verticalmente,
se verifica la fusión en el horno muy semejante a la del horno trifásico de arcos
directos. Sin embargo, la mayoría de los hornos monofásicos de electrodos
verticales son del tamaño de laboratorio, es decir, de una potencia aparente de
150 KVA.
Cuando los dos electrodos se montan verticalmente en un horno oscilante hacen
buen servicio en la fundición de latones, bronces y labores semejantes. Se
reincorporan volátiles al metal porque el baño lava parte del interior del horno.
La oscilación se aproxima a 200°.
6.2.7 Horno Eléctrico de Inducción.
Hay dos tipos básicos de hornos de inducción para fundir metales: 1) sin núcleo
y 2) de núcleo. Ambos tipos emplean el principio de un transformador. El
circuito de alto voltaje se acopla con el de bajo, sin contener directamente
ambos circuitos. El elemento responsable de este efecto de acoplamiento es el
campo magnético. El calentamiento por inducción emplea la propiedad de
campo magnético, que permite que el calor sea transferido sin contacto directo,
mediante la correcta disposición del arrollamiento de alto voltaje, que el caso del
horno de inducción sería una bobina de inducción o un inductor. El campo
magnético se dirige al metal que va a ser calentado o fundido para que absorba
energía, la temperatura que puede alcanzarse está limitada solamente por la
resistencia al calentamiento del material de revestimiento que constituye los
alrededores.
Cualquier metal que conduzca corriente eléctrica puede fundirse en un horno de
inducción.
6.2.8.1 Horno de Inducción sin núcleo. (Figura 3).
Este tipo de horno consiste en un crisol, una bobina y un bastidor apoyado sobre
soportes, dispuestos de tal manera que permiten la inclinación del crisol para la
colada. La bobina de inducción, de diseño especial, actúa como el primario del
transformador. En el conformado del crisol se sigue la práctica corriente con los
materiales refractarios. Se emplea un crisol apisonado para hornos de más de
50 KW y crisoles previamente formados para los hornos pequeños. El principio
del funcionamiento del horno de inducción sin núcleo es el mismo que el del
calentador de inducción antes descrito. En un horno, la carga está compuesta
inicialmente en chatarra fría de metal, piezas de dimensiones y formas variadas,
y un gran porcentaje de huecos. A medida que se aplica la potencia y progresa
el ciclo calorífico, la carga cambia a un cuerpo de metal fundido; se añade una
cantidad de material frío hasta que el nivel del metal fundido llega a la
temperatura y a la composición metalúrgica deseadas. Entonces se vacía el
horno. Cuando el horno se vuelve fluido, según que se emplee una línea de
frecuencia o un suministro de frecuencia media usando convertidores, se
produce cierta agitación electromagnética. Esta acción agitadora es peculiar
del horno de inducción y contribuye en la producción de ciertos tipos de
aleaciones. La agitación aumenta a medida que la frecuencia se reduce.
Las aplicaciones de frecuencias de líneas se reservan generalmente para
hornos con capacidad de contenido de metal de 360 kg o superiores. Siempre
hay una relación ideal entre el tamaño del horno sin núcleo y la frecuencia de
operación. Como regla general, un horno pequeño proporciona mejores
resultados con frecuencias altas o intermedias y los hornos grandes trabajan
mejor con frecuencias más bajas. Se adapta una frecuencia a un horno dado,
cuando se produce una fusión rápida y adecuada con una agitación lenta.
Frecuencias muy altas o demasiado bajas están acompañadas de efectos
laterales indeseables. En general, el horno de inducción sin núcleo se llena y
se vacía completamente, aunque con frecuencias de línea puede ser necesario
retener cierta cantidad de metal en el horno para continuar la operación, ya que
es difícil arrancarlo con pequeñas partículas de metal, como virutas de tornos y
taladros en un crisol frío. Como resultado, una práctica frecuente consiste en
retener una parte en horno equivalente, más o menos, a un tercio del volumen
del metal fundido. Este problema puede evitarse en los hornos de más alta
frecuencia, en donde puede arrancarse con cargas de metal de tamaño
pequeño.
El horno de inducción sin núcleo es muy atractivo para cargas fundidas y
aleaciones de análisis conocido; en esencia la operación consiste en la fusión de
metales con absorción rápida de calor proveniente de electricidad, sin alterar las
propiedades metalúrgicas de la carga inicial.
6.2.8.3 Horno de Inducción con núcleo. (Ver Figura 4).
El transformador se excita para conformar el diseño típico de un transformador
con núcleo de hierro y capas de alambre que actúan como anillo de circuito
primario. El canal de metal fundido actúa como anillo de corto circuito alrededor
del transformador en la cámara de fusión. De acuerdo con la capacidad de
fusión deseada, uno, dos o tres transformadores pueden incluirse en el
envolvente del horno. En todo tiempo el canal debe contener suficiente metal,
para mantener el corto circuito alrededor del núcleo del transformador. Se
utiliza aire de enfriamiento en la medida en que sea necesario para evitar un
calentamiento indebido en las bobinas del inductor y en los núcleos magnéticos.
La salida de metal fundido se controla variando el voltaje suministrado a los
inductores, mediante un transformador de voltaje variable conectado el circuito
primario del suministro. Los hornos de núcleo siempre emplean frecuencias de
línea, por lo tanto, el voltaje o la regulación de la potencia de entrada puede
controlarse ajustando la terminal del transformador que alimenta al
transformador del horno unido al envolvente. Estos transformadores son
monofásicos y si se emplean tres unidades de éstas, puede obtenerse una
entrada trifásica balanceada. La corriente que pasa a través de los inductores
primarios por transformación origina una corriente mucho mayor en la espira del
metal, cuya resistencia crea el calor para la fusión.
El horno de núcleo, representa el tipo de horno de inducción más eficiente,
debido a que su núcleo de hierro concentra el flujo magnético en el área de la
espira magnética, que asegura la transferencia máxima de potencia del primario
al secundario. La eficiencia en el uso de la potencia puede ser del 95 al 98%
La espira esencial del metal debe mantenerse siempre en el horno de núcleo.
Los canales de fusión relativamente estrechos deben mantenerse tan limpios
como sea posible, debido a que en la espira hay una temperatura elevada del
metal. Los fragmentos no metálicos en la carga del metal tienden a acumularse
en las paredes del área del canal, con lo cual se restringe el libre flujo de este
último e incluso llega a impedirle el paso.
Estos hornos son muy útiles para fundir metales no ferrosos, como aluminio,
aleaciones de cobre y zinc.
6.3HORNOS DE REVERBERO
Los hornos de rebervero están constituídos por un hogar, una plaza o laboratorio
con solera y bóveda y una chimenea. Desde el principio de su aplicación
(segunda mitad del siglo pasado) han sido objeto de grandes modificaciones
pero éstas no han afectado a sus principios fundamentales de funcionamiento.
El tipo más sencillo de construcción está representado en la Figura 5.
En la plaza se pone la carga metálica que se calienta por convección de la llama,
que la roza, y por la erradicación de la bóveda y las paredes. La denominación
hornos de reverbero expresa este concepto de irradiación o reverbación.
También reciben el nombre de hornos de plaza porque las operaciones
esenciales del proceso de fusión y afinado se realizan en la plaza, que por este
motivo es conocida también como plaza de trabajo.
El combustible empleado es la hulla grasa de llama larga, o sea con un
contenido elevado de sustancias volátiles (aproximadamente un 30%), pero se
puede emplear también el polvo de carbón, el petróleo, el gas de coque y el
metano, sustituyendo, como es natural, el hogar por quemadores adecuados
para cada combustible.
Los hornos de reverbero tienen un amplio campo de aplicación en las
fundiciones de bronce, aluminio y en las de hierro fundido maleable (calentado
con polvo de carbón). La construcción es sencilla: las paredes son de ladrillos
refractarios siliceoaluminosos de primera y segunda clase, con el 35 a 40% o el
20 a 25%, respectivamente, de alúmina, Al2O3, apoyados y protegidos con
planchas de hierro fundido y de acero. La plaza se construye por apisonado de
los materiales o con ladrillos ácidos, mientras que la bóveda se construye en
sectores móviles con ladrillos de sílice: esto permite efectuar rápidamente la
carga, distribuirla bien y cambiar fácilmente los elementos deteriorados de la
bóveda. Se construyen con una capacidad hasta de 40 toneladas. Su
funcionamiento, a diferencia de los cubilotes, es intermitente. La carga y la
colada se efectúan con ayuda de grúas.
También en las industrias que trabajan con aleaciones ligeras se emplean los
hornos de reverbero, sean fijos, sean basculantes, con recuperación de calor o
sin ella.
6.5HORNOS OSCILANTES Y GIRATORIOS
Esta clase de hornos nacieron de la necesidad de aumentar la transmisión del
calor de las paredes del laboratorio o cámara a la masa de fundición, o sea de
aumentar el rendimiento térmico. Se realiza del modo siguiente: la carga sólida
es introducida después de haber calentado el laboratorio a 700°C
aproximadamente; si se emplea el procedimiento "duplex", se introduce el metal
líquido: en el primer caso se produce una oscilación bastante limitada (unos
45°), que somete toda la masa metálica a la acción de los gases calientes.
Cuando la masa está fundida, se aumenta la oscilación (o se hace girar el
laboratorio) de modo que todo el recubrimiento entre en contacto,
alternativamente, con la llama y con el metal: la máxima oscilación o la rotación
se aplica cuando el metal está cubierto de escoria: ello asegura una mezcla
eficaz y, a la vez, la máxima homogeneidad del baño.
El revestimiento del horno es, generalmente, de material silíceo o
extraaluminoso, y su calidad varía según los materiales que deban fundirse.
Los hornos oscilantes y los giratorios pueden, sin dificultad, ser calentados con
fuel-oil, gas o carbón en polvo.
La Figura 6 muestra un horno de este tipo con recuperación de calor quitando la
parte indicada a la derecha, se suprime la recuperación de calor en ciertos casos
en que no es necesaria y, por consiguiente, la instalación resulta notablemente
simplificada.
6.7HORNO DE CRISOL
Es el tipo más sencillo de horno, y todavía se encuentra en algunas pequeñas
fundiciones que trabajan aleaciones de metales no férreos. En las fundiciones
que trabajan con hierro fundido puede tener empleo para coladas pequeñas y
urgentes. No se emplea para el acero, a pesar de que es un hecho cierto que
los mejores aceros ingleses del siglo pasado eran obtenidos en baterías de este
tipo de horno.
La Figura 7 muestra su construcción: un crisol de grafito es apoyado sobre
zócalos de refractarios y rodeado por todas partes de coque partido que se
enciende y alcanza la incandesencia por la insuflación de aire. El crisol alcanza
de este modo temperaturas muy elevadas y la carga metálica que contiene se
funde sin entrar en contacto directo con los gases de la combustión.
El elemento más importante es el crisol, compuesto de grafito de Ceilán o de
Madagascar, con la adición eventual de carborundo, mezclado con aglutinantes
adecuados, por ejemplo, arcilla o alquitrán. Los crisoles se construyen con
estampas de acero sobre las cuales es fuertemente prensado el material de
aquellos, se acaban en el torno y después de secados se introducen en cajones
de material refractario y se someten a cocción en hornos adecuados a
temperaturas muy elevadas.
Los crisoles se clasifican por puntos, entendiendo por puntos el contenido en
peso de 1 kg de bronce líquido (es decir, un crisol de 100 puntos puede contener
100 kg de bronce fundido). En el comercio se encuentran crisoles de muy
pocos puntos e incluso de fracciones de puntos para metales preciosos, y
crisoles de 30-50-80-100-120-150-175-200-250-300-400 puntos para
aleaciones no férreas; de esto se desprende que los hornos de este tipo sólo son
aptos para coladas de poco volumen.
Para la fusión de metales de bajo punto de fusión, como el zinc, aluminio,
estaño, plomo, etc, sirven los crisoles metálicos de fundición especial o de
acero.
Los hornos de crisol fijo tienen el grave inconveniente de que el metal debe ser
extraído en pequeñas cantidades, con cucharas, a menos que la colada se
efectúe directamente con el mismo crisol, en cuyo caso debe ser cogido y
extraído del horno con cucharas o ganchos. Para evitar este inconveniente y
para utilizar el calor sensible de los gases de la combustión, se construyeron los
hornos de crisoles inclinables mecánica o hidráulicamente y que pueden tener,
sistemas de precalentamiento de aire.
6.9HORNO DE CUBILOTE
El horno más usado en la fundición del hierro colado es el cubilote u horno de
manga o cúpula. Es también el más antiguo de los hornos para la refusión del
hierro colado, ya que se emplea desde hace siglos, si bien el progreso y la
experiencia han sugerido muchas modificaciones que han cambiado totalmente
el aspecto de los cubilotes modernos con respecto a los antiguos. Sin embargo
los principios en que se basa su funcionamiento continúan siendo los mismos.
El cubilote es un horno que funciona con combustible sólido y en el cual la carga
metálica, el combustible y el comburente están en íntimo contacto entre sí.
Esto permite un intercambio térmico directo y activo y, por lo tanto, un
rendimiento elevado. Sin embargo, y por causa de este mismo contacto entre
el metal, las cenizas y el oxígeno, el hierro colado producido no puede ser
rigurosamente controlado desde el punto de vista metalúrgico.
El cubilote está constituído por las siguientes partes. Ver Figura 8.
a) Envoltura cilíndrica de eje vertical en chapa de hierro solada.
b) Revestimiento interno en material refractario: entre éste y la envoltura se
deja una capa intermedia de unos 2 cm aproximadamente, rellena de arena
seca para permitir las dilataciones radiales y axiales del refractario.
c) Chimenea y su correspondiente cobertura. Algunas veces se añade un
apaga chispas.
d) Boca de carga: Pequeña y provista de una plancha inclinada para la
introducción de la carga cuando se efectúa a mano, más amplia si se hace
mecánicamente, para el paso de las carretillas o de los calderos de carga.
e) Cámara de viento, anular, de plancha delgada, que circunda del todo o en
parte la envoltura y dentro de la cual pasa el aire o viento (enviado por una
máquina soplante) para la combustión.
f) Tobera, de hierro colado, en forma de caja horadada y adaptada al
revestimiento. Conduce el aire al interior del cubilote. En la parte
correspondiente a cada tobera la pared exterior de la cámara de viento está
agujereada y provista de portillos con mirilla (de mica o cristal) para la vigilancia
de la combustión.
g) Evacuador de escoria. Abertura dispuesta unos 15 a 20 cm,
aproximadamente, por debajo del plano de las toberas, que se destina a la
evacuación de la escoria, la cual, por ser más ligera, flota sobre el hierro colado
líquido.
h) Puerta lateral de encendido y limpieza. Antes de cerrarla al comienzo de la
fusión, hay que rehacer el murete que completa el revestimiento refractario.
i) Canal de colada, de plancha de hierro, revestido de masa refractaria. Parte
de la piquera y una ligera inclinación (10° aproximadamente) hace caer el hierro
fundido en el caldero de colada.
j) Solera o fondo del cubilote: de arena de fundición, inclinada hacia la piquera.
k) Plancha base de la envoltura; de hierro colado o chapa fuerte. En su centro
hay una abertura del diámetro de la solera que puede cerrarse por medio de un
cerrojo, de una palanca o quitando un puntal.
l) Columna de apoyo: casi siempre son cuatro, de hierro o fundición, son
sostenidas a su vez por unos cimientos de ladrillo o de hormigón.
m) Crisol, es la parte inferior del cubilote comprendido entre la solera y el plano
de las toberas.
n) Algunas veces se aplica al cubilote un anticrisol en el cual se puede acumular,
una mayor cantidad de hierro colado fuera del contacto del coque sin estorbar el
funcionamiento del horno y efectuar adiciones, correcciones, mezclas, etc.
7 COMBUSTIBLES
8.1GENERALIDADES
Casi todos los combustibles utilizados en la industria se derivan del petróleo, el
cual es una mezcla compleja de hidrocarburos. Sin embargo, a media que
disminuyen los manantiales de petróleo, tienen mayor importancia el carbón,
que es el combustible más abundante. Por la misma razón, los combustibles
elaborados con productos del campo, algún día serán la fuente de nuestra
potencia motriz.
8.3COMBUSTIBLES SOLIDOS
8.4.1 Carbón Mineral.
Es un combustible sólido negro o negropardusco formado por la
descomposición de la antigua vegetación en ausencia de aire, bajo la influencia
de acción bioquímica, humedad, oxígeno y pequeñas cantidades de nitrógeno y
azufre. El carbón mineral es un material heterogéneo, que varía de acuerdo
con los componentes de la planta que le dio origen y el grado de cambio
metamórfico. Asociados a la matriz orgánica, se encuentran el agua y una gran
variedad de materiales inorgánicos (que contienen hasta 65 elementos
químicos). El carbón mineral es ampliamente utilizado como combustible y, en
menor cantidad, como fuente de productos químicos y orgánicos.
El carbón mineral puede clasificarse en varias formas según su clase, esto es,
de acuerdo con su grado de metamorfosis o alteración progresiva, en las series
naturales, desde lignito hasta antracita. En la Tabla 5 se muestra la
clasificación de carbón mineral según su clase, adoptada como estándar por la
ASTM.
El esquema básico de clasificación por este sistema está de acuerdo con el
carbono fijo y con el poder calorífico calcula sobre base libre de materia
(mineral-mater-fremmf).
Los carbones minerales de clase más alta se clasifican de acuerdo con el
carbono fijo sobre base seca y los de menor clase de acuerdo con el poder
calorífico sobre base húmeda. El poder aglutinante se usa para diferenciar
ciertos grupos adyacentes. Los carbones se consideran aglutinantes si, en un
ensayo para determinar la cantidad de material volátil, producen un botón que
soporte 500 g de peso sin pulverizarse o un botón que presente crecimiento o
estructura de celdas.
Las referencias y los análisis de carbones seleccionados para representar las
diferentes clases se incluye en la Tabla 6.
8.4.2.1 La Metaantracita. Es un carbón cuya composición y estructura son
semejantes a las del grafito. En general, requiere tiempo para entrar en ignición
y es difícil de quemar. Tiene poca importancia comercial en la actualidad.
8.4.2.3 La Antracita. Llamada algunas veces carbón duro, es duro, compacto
y negro brillante, en general con una fractura en forma de concha. Entra en
ignición con cierta dificultad y se quema con llama azul, corta y sin humo. La
antracita se usa para calentamiento y como fuente de carbón. También se
emplea en plantas de generación de electricidad cercanas a zonas de
producción de antracita. En la industria del hierro y el acero, la antracita se
utiliza mezclada con carbón bituminoso para hacer coque, para sinterizar
minerales de hierro finos, para revestir recipientes y moldes, para calentar y
sustituir del coque en fundiciones.
8.4.2.5 La Semiantracita. Es densa, pero más suave que la antracita. Se
quema con llama azulada, corta y limpia, y se enciende un poco más fácilmente
que la antracita. Los usos son casi los mismos que los de la antracita.
8.4.2.7 El Carbón Bituminoso, poco volátil. Es negro grisáceo, de estructura
granular y frágil en cuanto a su manejo. Se apelmaza en el fuego y se quema
con flama corta, que se considera, en general, sin humo en cualquier condición
de quemado. Se utiliza para calentamiento y producción de vapor, y como un
constituyente de mezclas para mejorar la fuerza del coque de carbones
bituminosos muy volátiles. Los carbones bituminosos poco volátiles no pueden
ser carbonizados solos en hornos de tipo de abertura, porque se expanden y
dañan las paredes.
8.4.2.9 El Carbón Bituminoso medianamente volátil. Corresponde a un
estado, intermedio entre los carbones bituminosos de alta y baja volatilidad y en
consecuencia, tiene algunas características de ambos. Algunos son muy
suaves y frágiles, pero otros son duros y no se desintegran al manejarlos. Se
apelmazan en el lecho combustible y producen humo cuando se queman en
forma inadecuada. Producen coque de excelente resistencia y se carbonizan
solos, solamente aquellos carbones que se expanden en forma apreciable
pueden usarse sin peligro de dañar las paredes del horno.
8.4.2.11 El Carbón Bituminoso con contenido alto de material volátil A. Es
duro y se maneja bien con pocas fracturas. Incluye algunos de los mejores
carbones de coquización y productores de vapor. Al quemarse en un lecho
combustible, se apelmaza y produce humo y se quema en forma inadecuada.
Con frecuencia, la propiedad de coquización se mejora al mezclarlo con un
medio muy concentrado de coquización y un carbón bituminoso de bajo
contenido de material volátil.
8.4.2.13 Carbón Bituminoso con contenido alto de material volátil B. Es
similar al A, pero tiene un contenido de humedad y de oxígeno en el yacimiento
ligeramente mayor y es menos coquizante. Es bueno para calefacción y
producción de vapor. Algunos se mezclan con carbones más fuertemente
coquizantes para producir coque metalúrgico.
8.4.2.15 El Carbón Bituminoso con contenido alto de material volátil C. Se
encuentra en una etapa más abajo en clase que el carbón bituminoso B y, en
consecuencia, tiene un contenido progresivamente más alto de humedad y
oxígeno. Se usa primordialmente como medio de calefacción y en producción
de vapor.
Los carbones subbituminosos presentan, en general, menos evidencia de
bandas que los bituminosos. Tienen un contenido de humedad mayor y se
desintegran cuando se exponen al aire, debido a las fracturas provocadas por la
pérdida de humedad. No se apelmazan ni se coquizan y se emplean
principalmente para calefacción y producción de vapor.
8.4.2.17 Los lignitos. Tienen colores que van del café al negro y un contenido
de humedad en el yacimiento que va del 30 al 45%, con el resultante menor
poder calorífico con respecto a los carbones de clase más elevada. Como los
carbones subbituminosos, tienden a desintegrarse durante el secado al aire. El
lignito puede quemarse en hogares grandes o móviles y en forma pulverizada.
8.4.2.19 Carbón común de bandas. Es una variedad común del carbón
bituminoso y subbituminoso. Consta de una sección de capas o lentículos que
alternan irregularmente de: 1) material negro homogéneo de lustre vítreo
brillante; 2) material negro grisáceo, menos brillante, estirado y ordinariamente
de lustre sedoso; 3) bandas o lentículos, en general, más delgadas, de
partículas blandas, pulverulentas y fibrosas de carbón bituminoso fibroso. La
diferencia en el lustre de las bandas es mayor en el bituminoso que en el
subbituminoso.
8.4.3 Coque.
Es un material sólido enfusible, celular, coherente que se obtiene del carbón,
alquitrán, residuos del petróleo y de otros materiales carboníferos, como el
residuo de la destilación destructiva. Este residuo tiene una estructura
característica, resultante de la descomposición y polimerización de masas
fundidas o semilíquidas. Actualmente, otras variedades específicas de coque,
distintas a las provenientes del carbón, se distinguen por la palabra que indica su
origen, como "coque del petróleo" y "coque de alquitrán". También se utiliza
algún término para indicar el proceso por el cual se produce, por ejemplo, en el
caso de coque obtenido de carbón mineral, "coque de horno de abertura",
"coque de horno de colmena", etc. (Ver Tabla 7).
El coque de alta temperatura es el que se utiliza más frecuentemente en
Estados Unidos. En 1971 los hornos de recuperación del tipo de abertura
produjeron 98.7% del total de la producción de coque de alta temperatura, el
resto se obtuvo de los hornos del tipo de colmena y otros.
Los requerimientos del coque de fundición son un poco diferente de los del
coque para altos hornos.
Químicamente, en la cúpula, la única función del coque es la de suministrar calor
para fundir el hierro, mientras que en el alto horno la función es doble,
proporcionar el monóxido de carbono para reducir el mineral y proveer el calor
para fundir el hierro. En general el coque de fundición debe ser de gran tamaño
(de más de 75 mm) y lo suficientemente fuerte como para evitar la degradación
excesiva por el impacto de la masa de hierro cargada en la cúpula. Las
siguientes características químicas son deseables en el coque de fundición:
material volátil, no más del 2.0%; carbón fijo, no inferior al 86%; ceniza, no más
del 12.0%; y azufre, no más del 1.0%.
El coque de alquitrán se produce a partir de alquitrán de carbón; mientras que el
del petróleo, de los residuos de la refinación de petróleo. Ambos se
caracterizan por un alto contenido de carbono y un bajo contenido de ceniza y se
emplea sobre todo para fabricar electrodos de carbón.
8.5COMBUSTIBLES LIQUIDOS
8.6.1 Petróleo crudo.
Los depósitos de petróleo se encuentran por todo el mundo y en cada continente
se han localizado yacimientos. La mayoría de estos depósitos se encuentran a
varios cientos de metros de profundidad y el producto se obtiene a través de
pozos perforados para penetrar hasta las formaciones en donde se encuentra.
La producción en 1971 fue estimada en 17.700 millones de barriles, es decir, 48
millones de barriles por día.
Los petróleos crudos son mezclas muy complejas, que consisten sobre todo en
hidrocarburos y en compuestos que contienen azufre, nitrógeno, oxígeno y
trazas de metales, como constituyentes menores.
Las características físicas y químicas de los petróleos crudos varían mucho,
según los porcentajes de sus diversos compuestos. Las densidades
específicas cubren un intérvalo amplio, pero para la mayoría de los petróleos
crudos se encuentra entre 0.80 y 0.97 g/ml, o la gravedad tiene valores
comprendidos entre 45 y 15 grados API. También hay una gran variedad de
viscosidades, pero para la mayor parte de los crudos se encuentra entre 2.3 y 23
centistokes. La composición última señala un contenido de 84 a 86% de
carbón, 10 a 14% de hidrógeno y pequeños porcentajes de azufre, nitrógeno y
oxígeno.
Los petróleos crudos se usan raras veces como combustibles, porque son más
valiosos cuando se refinan para formar otros productos. El primer proceso de
refinado es ordinariamente una destilación simple, que separa el petróleo crudo
en fracciones que corresponden, aproximadamente, en punto de ebullición a la
gasolina, keroseno, el aceite de gas, el aceite lubricante y los residuos. La
desintegración catalítica o térmica ("cracking") se emplea para convertir
keroseno, aceite de gas ("gas oil") o residuos de petróleo en gasolinas,
fracciones de punto de ebullición y coque residual. El reformado catalítico, la
isomerización, alquilación, polimerización, hidrogenación y las combinaciones
de estos procesos catalíticos se emplean para transformar los productos
intermedios de refinación en gasolinas o destilados mejorados. La mayor parte
de los productos terminados son, en general, mezclas de diferentes productos y
aditivos.
8.6.3 La gasolina.
Es una mezcla compleja de hidrocarburos que destila, aproximadamente, dentro
del intérvalo de 100 a 400°F. Las gasolinas comerciales son, en general,
mezclas de gasolinas de destilación directa, de desintegración, reformadas y
naturales.
La gasolina de destilación directa se recupera del petróleo crudo por destilación
simple y contiene una proporción grande de hidrocarburos normales de la serie
parafínica su número de octano con frecuencia es demasiado bajo para motores
modernos; se mezcla con otros productos para mejorar sus propiedades de
combustión.
La gasolina de desintegración se fabrica calentando las fracciones de destilación
del petróleo crudo, o residuos, a presión o sin ella en presencia de un
catalizador. Los hidrocarburos más pesados se desintegran o disocian en
moléculas más pequeñas, algunas de las cuales destilan en el intérvalo de la
gasolina. El octanaje es, en general, superior al de la gasolina de destilación
directa.
La gasolina reformada se fabrica haciendo pasar las fracciones de la gasolina
sobre catalizadores, de tal forma que los hidrocarburos de bajo octanaje se
vuelvan a disponer molecularmente para formar hidrocarburos de octanaje alto.
Muchos catalizadores emplean platino y otros metales, soportados sobre
alúmina y/o sílice.
La gasolina natural se obtiene del gas natural, licuando los elementos
constitutivos que hierven en el intérvalo de la gasolina, ya sea por compresión y
enfriamiento o por absorción en aceite. La gasolina natural es demasiado
volátil para el uso general, pero pueden conseguirse características apropiadas
por destilación o por mezcla. Con frecuencia se mezcla con gasolinas menos
volátiles para mejorar sus características.
8.6.5 Keroseno.
El keroseno es menos volátil que la gasolina y tiene un punto de "flasheo" más
alto, para proporcionar mayor seguridad en su manejo. Otras pruebas de
calidad son: densidad específica, color, olor, intérvalo de destilación, contenido
de azufre y calidad de combustión. La mayor parte de keroseno se emplea
para calefacción en hornillos de estufas e iluminación; se trata con el ácido
sulfúrico, para reducir el contenido de aromáticos, que se queman con flama que
produce humo. Las pruebas de especificación por control de calidad incluyen
el punto de "flasheo" (mínimo, 115°F), punto final de destilación (máximo,
572°F), azufre (0.13%, máximo) y color (+ 16 mínimo).
8.6.7 El Alquitrán de Hulla.
Se produce como un subproducto de la destilación destructiva del carbón
bituminoso para obtener coque. Sus características están determinadas por el
tipo de carbón y equipo utilizado, y por la temperatura y duración del proceso de
calentamiento.
El uso del alquitrán de hulla está limitado al de aceite combustible pesado en
equipos diseñados para el precalentamiento del combustible, con el fin de
reducir su viscosidad y ayudar a la atomización. En Europa, los destilados de
alquitrán, particularmente la parte neutra, se emplean como combustibles para
motores diesel de baja velocidad. Los motores que emplean este tipo de
combustible son difíciles de arrancar, debido al tiempo requerido para la ignición.
8.6.9 Los Alcoholes.
Los alcoholes son un producto de la oxidación parcial del petróleo y no se les
encuentra en ninguna proporción en el aceite crudo. Los compuestos son
saturados, con estructura de cadena de la forma general R. OH. En este caso,
el radical R es el grupo parafina unido al radical hidróxilo OH.
Se ha contemplado alguna vez, el empleo del alcohol como combustible para
motores, ya sea puro o como mezcla alcohol-gasolina. La principal razón para
proponer al alcohol como combustible, es que se puede obtener de productos
agrícolas y también de desperdicios, en tanto que la gasolina es un recurso
natural que está siendo agotado rápidamente. El alcohol tiene la ventaja de las
buenas características de antigolpeteo, por otra parte, el costo de manufactura
de un combustible es prohibitivamente alto cuando se le compara con el
petróleo.
Cuando se mezclan juntos las gasolina y el alcohol, surge otro problema, porque
el alcohol absorbe agua de la atmósfera, separándose de la gasolina. Como el
alcohol requiere una relación aire-combustible, diferente de la gasolina, tal
separación tiende a provocar un mal funcionamiento.
8.7COMBUSTIBLES GASEOSOS
8.8.1 El gas natural.
Es el primer combustible gaseoso en Estados Unidos, representa el 98% de
todas las entregas de gas a los consumidores por parte de las empresas y los
gasoductos. El gas natural se encuentra en depósitos subterráneos,
separados o mezclados con petróleo crudo.
8.8.3 El gas fabricado.
Es un gas combustible, preparado a partir de otro material sólido, líquido o
gaseoso, como el carbón, coque, aceite o gas natural. Los tipos principales de
este gas son: gas de retorta de carbón mineral, gas de hornos de coquización,
gas de agua, gas de agua carburado, gas de aceite, gas natural reformado,
propano reformado o gas licuado de petróleo. En la actualidad se desarrollan
varios procesos para preparar un sustituto del gas natural (SNG) a partir del
carbón.
El gas mezclado se prepara añadiendo gas natural o gas licuado del petróleo al
gas fabricado, resultando un producto de mejor utilidad y de más alto contenido
de calor.
8.8.5 El gas licuado del petróleo (gas LP).
Es una mezcla de hidrocarburos, que contiene generalmente propano, butano,
isobutano y cantidades menores de propileno o butileno. Los productos más
comerciales son el propano y el butano, o mezclado los dos. El propano y los
butanos se extraen, en general, a partir del gas natural o del petróleo crudo. El
propileno y los butilenos son resultado de la desintegración de otros
hidrocarburos, durante la refinación del petróleo y constituyen dos materias
primas importantes para la industria química.
9 DISEÑO, CALCULO Y CONSTRUCCION DEL HORNO
BASCULANTE
10.1DIMENSIONES Y CARACTERISTICAS
El horno requerido por los laboratorios de Metalurgia y Resistencia de Materiales
de la Corporación Universitaria Tecnológica de Bolívar, debe satisfacer las
siguientes necesidades de operación:
- Horno vertical de combustión para la fundición de metales de bajo punto de
fusión, en nuestro caso bronce y aluminio.
- Sistema basculante para facilitar el llenado de moldes y reducir los riesgos de
accidente.
- Temperatura máxima de trabajo 1200°C. Con esta temperatura se puede
fundir los materiales no ferroso de bajo punto de fusión (bronce y aluminio en
nuestro caso).
- Dimensiones interiores del horno:
Diámetro: 30 cm
Altura: 60 cm
- Masa máxima. 50 kg correspondientes a una pieza o piezas de material a
fundir que ocupan el volumen interior del crisol.
- Tiempo de calentamiento. Consideramos dos horas equivalentes a la práctica
de fundición.
10.3SELECCION DEL REFRACTARIO Y AISLANTE APROPIADO
Considerando que la temperatura máxima de trabajo es de 1200°C, la
temperatura del refractario no excederá dicha temperatura. Con esta
temperatura y las condiciones de operación que influyen en el refractario tales
como: dimensiones interiores, frecuencia de servicio, no ataque de escoria ni
oxidantes químicos, poca abrasión etc, la Empresa de Refractarios
Colombianos S.A. "ERECOS" recomienda como refractarios ladrillo refractario
U-33 y ladrillo aislante UA 26. Las propiedades de estos materiales son los
siguientes:
a) Aislante UA-26
- Cono pirométrico 29, Temperatura equivalente 1650°C
- 34.8% Alumina - 59.2% sílice
- Oxido de titanio menor de 2.0%
- Oxido de hierro menor de 1.8%
- Oxido de calcio menor de 1.0%
- Oxido de Magnesio menor 1.8%
- Alcalis menor de 1.5%
- Densidad aparente 0.8 gr/cm3
- Porosidad aparente: 65%
- Resistencia a la compresión: 12 kg/cm2
TABLA 8.Variación de la conductividad térmica con la temperatura aislante
UA-26.
T°C 94 256 568 760 980 1315
┌─ ─┐ │ kcal │ K │---------- │ │hr-m²-°C/m │ └─ ─┘
0.186
0.214
0.283
0.316
0.365
0.421
Conductividad promedio K = 0.3225 Kcal/hr-m²-°C/m
b) Refractario U - 33
- Cono pirométrico - 33, temperatura equivalente 1743°C
- 40% Alumina - 55% Siler
- Oxido de titanio menor de 2.5%
- Oxido de hierro menor de 2.0%
- Oxido de calcio menor de 1.5%
- Oxido de magnesio menor de 1.5%
- Alcalis menor de 0.7%
- Densidad aparente 1.98 gr/cm3
- Porosidad aparente: 27%
- Resistencia a la compresión: 27,5 kg/cm²
TABLA 9.Variación de la conductividad térmica con la temperatura refeactaria
U-33.
T°C 94 256 568 760 980 1315
┌─ ─┐ │ kcal │ K │---------- │ │hr-m²-°C/m │ └─ ─┘
0.186
0.214
0.283
0.316
0.365
0.421
Conductividad promedio K = 1.13 Kcal/hr-m²-°C/m
10.5ANALISIS DE PERDIDA DE CALOR
Por medio del análisis de pérdida de calor a través de las paredes del horno, se
busca determinar la temperatura exterior de éste. El propósito es lograr que
ésta sea lo más baja posible, por razones de seguridad, para lo cual se puede
efectuar varios arreglos de espesor de pared con diferentes combinaciones de
materiales refractarios.
A continuación se realizará un análisis general de pérdidas, para así estar en
capacidad de escoger el arreglo conveniente.
10.6.1 Arreglo # 1 para espesor de paredes.
En los arreglos se utilizan ladrillos de dimensiones standard (22.86 x 11.43 x
6.35 cm) seleccionados en catálogo "ERECOS".
Consideramos una temperatura exterior del cuerpo del horno de 100 °C, pues
por datos experimentales se sabe que en éstas dichas temperaturas oscilan
entre 60 y 100°C por muy buen aislamiento térmico que se tenga.
Debido a que el horno tiene paredes curvas y planas, dividiremos el cálculo de
pérdidas a través de tres zonas: pared lateral o cilíndrica, fondo y tapa.
10.6.2.1 Cálculos pared cilíndrica (Figura 9).
Consideremos ésta como un tubo, teniendo en cuenta que la longitud es larga
comparada con su diámetro (2 veces), entonces, se tomará el flujo de calor en
una sola dirección o sea radial, obviando el efecto de los extremos o esquinas y
considerando también que tenemos un sistema de flujo estable, se podrá
hacer el siguiente análisis: (Ver Figura 9).
Asumimos las siguientes temperaturas de interfase:
Refractario U-33/Aislante UA-26 = 800°C
Aislante UA-26/Arcilla = 200°C
Arcilla/Lámina = 100°C
De lo anterior se deduce: 1200 + 800 Temperatura media U-33 = ----------- = 1000°C 2 800 + 200 Temperatura media UA-26 = --------- = 500°C 2 200 + 100 Temperatura media Arcilla = --------- = 150°C
2
Con estas temperaturas las conductividades térmicas K serían:
K1 (U-33) = 1.194 Kcal/hr-m² - °C/m
K2 (UA-26) = 0.2679 Kcal/hr-m² - °C/m
K3 (Arcilla) = 0.283 Kcal/hr-m² - °C/m
K4 (Hierro) = 41.12 Kcal/hr-m² - °C/m
Para los valores correspondientes a las conductividades térmicas del aire
interior y exterior tomamos las siguientes (F.Kreith, pág 14).
hi (1200°C) = 58.56 Kcal/hr-m² - °C (Conductancia interior)
ho (100°C) = 9.76 Kcal/hr-m² - °C (Conductancia exterior)
La conductividad de calor para una pared curva viene dada por la siguiente
expresión: Ti - To Q = --------------------------- R1 + R2 + R3 + R4 + R5 + R6 1 1 a. R1 = -------- = --------------------------------------- 2π r1Lhi 2π(0.15 m)(0.6 m)(58.56 Kcal/hr-m² - °C hr - °C R1 = 0.030 ------- Kcal Ln (r2/r1) Ln (21/15) b. R2 = ---------- = ----------------------------------- 2π K1 L 2π(1.194 Kcal/hr-m² - °C/m)(0.6 m) hr - °C R2 = 0.0745 -------
Kcal Ln (r3/r2) Ln (32.5/21) c. R3 = ---------- = ----------------------------------- 2π K2 L 2π(0.2679 Kcal/hr-m² - °C/m)(0.6 m) hr - °C R3 = 0.4325 ------- Kcal Ln (r4/r3) Ln (33/32.5) d. R4 = ---------- = ----------------------------------- 2π K3 L 2π(0.283 Kcal/hr-m² - °C/m)(0.6 m) hr - °C R4 = 0.0143 ------- Kcal Ln (r5/r4) Ln (33.6/33) e. R5 = ---------- = ----------------------------------- 2π K4 L 2π(41.12 Kcal/hr-m² - °C/m)(0.6 m) hr - °C R5 = 1.16 x 10-4 ------- Kcal 1 1 f. R6 = -------- = --------------------------------------- 2π r5Lhi 2π(0.336 m)(0.6 m)(9.76 Kcal/hr-m² - °C hr - °C R6 = 0.081 ------- Kcal
La resistencia total: Rt = R1 + R2 + R3 + R4 + R5 + R6
Rt = (0.30 + 0.0745 + 0.4325 + 0.0143 + 0.00011 + 0.081) hr - °C ------- Kcal hr - °C
Rt = 0.632 ------- Kcal La pérdida de calor total será: (1200 - 30) Q = ------------- Q = 1851.3 Kcal/hr 0.632 hr - °C ------- Kcal
Por la comprobación de las temperaturas reales de interfase tenemos: - Refractario U-33/Aislante UA-26 T = 1851.3 Kcal x 0.0745 hr - °C = 138°C ---- ------- hr Kcal Treal Interfase = (1200 - 138) °C = 1062°C (Asumimos 800 °C) - Aislante UA-26/Arcilla T = 1851.3 Kcal x 0.4325 hr - °C = 801°C ---- ------- hr Kcal Treal Interfase = (1062 - 801) °C = 270°C (Asumimos 200 °C) - Arcilla/Lámina Hierro T = 1851.3 Kcal x 0.0198 hr - °C = 37°C ---- ------- hr Kcal
Treal Interfase = (270 - 37) °C = 233°C
Como resultado de los anteriores tendríamos que la temperatura exterior del
cuerpo del horno sería de 233°C, lo que resulta muy por encima que la
temperatura asumida que fue de 100°C.
10.6.2.3 Cálculo de la pared del fondo. (Figura 10).
Considerando el flujo unidireccional y sistema de flujo estable tenemos:
Asumimos las siguientes temperaturas de Interfase:
Refractario U-33/Aislante UA-26 = 750°C -> 800°C
Aislante UA-26/Arcilla = 120°C -> 200°C
Arcilla/Lámina = 80°C -> 100°C
De lo anterior se deduce: (1200 + 800)°C Temperatura media U-33 = -------------- = 1000°C 2 (800 + 200)°C Temperatura media UA-26 = ------------- = 500°C 2 (200 + 100)°C Temperatura media Arcilla = ------------- = 150°C 2
Con estas temperaturas las conductividades térmicas K serían:
K1 (U-33) = 1.194 Kcal/hr-m² - °C/m
K2 (UA-26) = 0.2679 Kcal/hr-m² - °C/m
K3 (Arcilla) = 0.283 Kcal/hr-m² - °C/m
K4 (Hierro) = 41.12 Kcal/hr-m² - °C/m
Se considerarán los mismos valores anteriores para las conductancias interior y
exterior o sea:
hi (950°C) = 58.56 Kcal/hr-m² - °C
ho (80°C) = 9.76 Kcal/hr-m² - °C
1 hr - °C a. R1 = ------------------------------- = 0.05 ------- 58.56 Kcal/hr-m² - °C(0,342 m²) Kcal 0.1 hr - °C b. R2 = ------------------------------- = 0.244 ------- 1.194 Kcal/hr-m² - °C(0,342 m²) Kcal 0.115 hr - °C c. R3 = ------------------------------- = 1.2549 ------- 0.2679 Kcal/hr-m² - °C(0,342 m²) Kcal 0.005 hr - °C d. R4 = ------------------------------- = 0.05 ------- 0.283 Kcal/hr-m² - °C(0,342 m²) Kcal 0.006 hr - °C e. R5 = ------------------------------ = 4.26x10-4 ------- 41.12 Kcal/hr-m² - °C(0,342 m²) Kcal
Q = T
i - T
on=6
ån=1
Rn
= T
i - T
o
1h
iA
+ L1
K1A +
L2
K2A +
L3
K3A +
L4
K4A +
1h
oA
1 hr - °C f. R6 = ------------------------------ = 0.299 ------- 9.76 Kcal/hr-m² - °C(0,342 m²) Kcal Resistencia Total sería: Rt = R1 + R2 + R3 + R4 + R5 + R6 hr - °C Rt = 1.8938 ------- Kcal La pérdida de calor: (1200 - 30) Q = ------------- Q = 616 Kcal/hr 1.893 hr - °C ------- Kcal
Por la comprobación de las temperaturas reales de interfase: - Refractario U-33/Aislante UA-26 T = 616 Kcal x 0.244 hr - °C = 150°C ---- ------- hr Kcal Treal Interfase = (1200 - 150) °C = 1050°C (Asumimos 800 °C) - Aislante UA-26/Arcilla T = 616 Kcal x 1.2549 hr - °C = 773°C ---- ------- hr Kcal
Treal Interfase = (1050 - 273) °C = 277°C (Asumimos 200 °C) - Arcilla/Lámina Hierro T = 616 Kcal x 0.05 hr - °C = 31°C ---- ------- hr Kcal
Treal Interfase = (277 - 31) °C = 246°C
Como resultado de lo anterior tendríamos que la temperatura del fondo del
horno sería de 246°C, demasiado alta comparada con la asumida que fue de
100°C.
10.6.2.5 Cálculo de la tapa. (Figura 11)
Asumimos las siguientes temperaturas de Interfase:
Refractario U-33/Aislante UA-26 = 800°C
Arcilla/Lámina Hierro = 100°C
De lo anterior se deduce: (1200 + 800)°C Temperatura media U-33 = -------------- = 900°C 2 (800 + 100)°C Temperatura media UA-26 = ------------- = 450°C 2
Con estas temperaturas tenemos las siguientes conductividades térmicas:
K1 (U-33) = 1.194 Kcal/hr-m² - °C/m
K2 (UA-26) = 0.2679 Kcal/hr-m² - °C/m
K3 (Hierro) = 41.12 Kcal/hr-m² - °C/m
Se considerarán los mismos valores anteriores para las conductancias interior y
exterior:
hi (950°C) = 58.56 Kcal/hr-m² - °C
ho (80°C) = 9.76 Kcal/hr-m² - °C
La conducción de calor a través de una pared plana compuesta, viene dada por
la siguiente expresión:
1 hr - °C a. R1 = ------------------------------- = 0.107 ------- 58.56 Kcal/hr-m² - °C(0,159 m²) Kcal 0.11 hr - °C b. R2 = ------------------------------- = 0.5789 ------- 1.194 Kcal/hr-m² - °C(0,159 m²) Kcal 0.1 hr - °C c. R3 = ------------------------------- = 2.3468 ------- 0.2679 Kcal/hr-m² - °C(0,159 m²) Kcal 0.006 hr - °C d. R4 = ------------------------------ = 9.17x10-4 ------- 41.12 Kcal/hr-m² - °C(0,342 m²) Kcal
Q = T
i - T
on=5
ån=1
Rn
= T
i - T
o
1h
iA
+ L1
K1A +
L2
K2A +
L3
K3A +
1h
oA
1 hr - °C e. R5 = ------------------------------ = 0.644 ------- 9.76 Kcal/hr-m² - °C(0,159 m²) Kcal Resistencia Total sería: Rt = R1 + R2 + R3 + R4 + R5 hr - °C Rt = 3.677 ------- = 3.677 Kcal La pérdida de calor: (1200 - 30)°C Q = -------------- Q = 318.2 Kcal/hr 3.677 hr - °C ------- Kcal
Para la comprobación de las temperaturas reales de interfase: - Refractario U-33/Aislante UA-26 T = 318.2 Kcal x 0.5789 hr - °C = 184°C ---- ------- hr Kcal Treal Interfase = (1200 - 184) °C = 1016°C (Asumimos 800 °C) - Arcilla/Lámina Hierro T = 318.2 Kcal x 2.3468 hr - °C = 747°C ---- ------- hr Kcal
Treal Interfase = (1016 - 747) °C = 269°C
Esta temperatura también resulta bastante por encima que la asumida que fue
de 100°C.
Resumiendo tenemos que para el arreglo # 1 la pérdida de calor total sería la
suma de las pérdidas a través de la pared lateral, fondo y tapa o sea:
Q = 2785.5 Kcal/hr
10.6.3 Arreglo # 2 para espesor de paredes.
Se tendrán en cuenta las mismas consideraciones anteriores, efectuando la
siguiente variante: se reemplazará el apisonado de refractario U-33 por
apisonado de aislante en UA-26 en la pared lateral, fondo y tapa, manteniendo
los espesores considerados en el arreglo # 1. Dada la menor conductividad
térmica del aislante UA-26, buscamos con esto disminuir la temperatura exterior
del horno y por consiguiente menores pérdidas a través de las paredes.
10.6.4.1 Cálculo de la pared cilíndrica.
Asumimos las siguientes temperaturas de Interfase:
Apisonado UA-26/Ladrillo UA-26 = 800°C
Ladrillo UA-26/Arcilla = 200°C
Arcilla/Lámina = 100°C
De lo anterior se deduce:
1200 + 800°C Temperatura media apisonado UA-26 = -------------- = 1000°C 2 800 + 200°C Temperatura media Ladrillo UA-26 = ------------- = 500°C 2 200 + 100°C Temperatura media Arcilla = ------------- = 150°C 2
Con estas temperaturas las conductividades térmicas serían:
K1 (A.UA-26) = 0.365 Kcal/hr-m² - °C/m
K2 (L.UA-26) = 0.2679 Kcal/hr-m² - °C/m
K3 (Arcilla) = 0.283 Kcal/hr-m² - °C/m
K4 (Lámina Hierro) = 41.12 Kcal/hr-m² - °C/m
1 1 a. R1= -------- = --------------------------------------- 2πr1Lhi 2π(0.164 m)(0.6 m)(58.56 Kcal/hr-m² - °C hr - °C R1 = 0.0276 ------- Kcal Ln (r2/r1) Ln (21/16.4) b. R2 = ---------- = ----------------------------------- 2π K1 L 2π(0.365 Kcal/hr-m² - °C/m)(0.6 m) hr - °C R2 = 0.1763 ------- Kcal Ln (r3/r2) Ln (32.5/21)
Q = T
i - T
on=6
ån=1
Rn
= T
i - T
o
R1 + R2 + R3 + R4 + R5 + R6
c. R3 = ---------- = ----------------------------------- 2π K2 L 2π(0.2679 Kcal/hr-m² - °C/m)(0.6 m) hr - °C R3 = 0.4323 ------- Kcal Ln (r4/r3) Ln (33/32.5) d. R4 = ---------- = ----------------------------------- 2π K3 L 2π(0.283 Kcal/hr-m² - °C/m)(0.6 m) hr - °C R4 = 0.0142 ------- Kcal Ln (r5/r4) Ln (33.6/33) e. R5 = ---------- = ----------------------------------- 2π K4 L 2π(41.12 Kcal/hr-m² - °C/m)(0.6 m) hr - °C R5 = 1.16 x 10-4 ------- Kcal 1 1 f. R6 = -------- = --------------------------------------- 2π r5Lho 2π(0.336 m)(0.6 m)(9.76 Kcal/hr-m² - °C hr - °C R6 = 0.081 ------- Kcal
Rt = R1 + R2 + R3 + R4 + R5 + R6 hr - °C Rt = 0.7315 ------- Kcal La pérdida de calor: Ti - To (1200 - 30)°C Q = -------- Q = -------------- = 1599.4 Kcal/hr
RT 1.893 hr - °C ------- Kcal
La comprobación de las temperaturas interfase sería: - Apisonado U-26/Ladrillo UA-26 T = 1599.4 Kcal x 0.1763 hr - °C = 282°C ---- ------- hr Kcal Treal Interfase = (1200 - 282) = 918°C (Asumimos 918 °C) - Ladrillo UA-26/Arcilla T = 1599.4 Kcal x 0.4323 hr - °C = 691°C ---- ------- hr Kcal Treal Interfase = (918 - 691) = 272°C (Asumimos 200 °C) - Arcilla/Lámina Hierro T = 1599.4 Kcal x 0.0142 hr - °C = 23°C ---- ------- hr Kcal
Treal Interfase = (227 - 23) = 204°C
Como resultado de los anteriores tendríamos que la temperatura exterior del
cuerpo del horno será 204°C lo que resulta muy por encima que la temperatura
asumida que fue de 100 °C.
10.6.4.3 Cálculo de la pared del fondo. (Figura 12)
Asumimos las siguientes temperaturas interfase:
Apisonado UA-26/Ladrillo UA-26 = 950°C
Ladrillo UA-26/Arcilla = 250°C
Arcilla/Lámina Hierro = 100°C
De lo anterior se deduce: 1200 + 950°C Temperatura media apisonado UA-26 = -------------- = 1075°C 2 950 + 250°C Temperatura media Ladrillo UA-26 = ------------- = 600°C 2 250 + 100°C Temperatura media Arcilla = ------------- = 175°C 2
Con estas temperaturas las conductividades térmicas serían:
K1 (A.UA-26) = 0.380 Kcal/hr-m² - °C/m
K2 (L.UA-26) = 0.288 Kcal/hr-m² - °C/m
K3 (Arcilla) = 0.283 Kcal/hr-m² - °C/m
K4 (Lámina Hierro) = 41.12 Kcal/hr-m² - °C/m
Q = T
i - T
on=6
ån=1
Rn
1 1 hr - °C a. R1= ---- = ----------------------------- = 0.05 ------- hiA 58.56 Kcal/hr-m² -°C(0.342 m) Kcal hr - °C R1 = 0.05 ------- Kcal L1 0.1 m b. R2 = ----- = --------------------------------- = K1A 0.380 Kcal/hr-m² - °C/m(0.342 m) hr - °C 0.7694 ------- Kcal hr - °C R2 = 0.7694 ------- Kcal 0.115 m c. R3 = ---------------------------------- = 1.1675 0.288 Kcal/hr-m² - °C/m(0.342 m) hr - °C R3 = 1.1675 ------- Kcal 0.005 m hr - °C d. R4 = -------------------------------- = 0.0519 ------- 0.283 Kcal/hr-m² - °C/m(0.342 m) Kcal hr - °C R4 = 0.0519 ------- Kcal 0.006 m hr - °C e. R5 = ------------------------------ = 4.26x10-4 ------- 41.12 Kcal/hr-m² -°C/m(0.342 m) Kcal hr - °C R5 = 4.26 x 10-4 ------- Kcal 1 hr - °C
f. R6 = -------------------------------- = 0.299 ------- 9.76 Kcal/hr-m² - °C/m(0.342 m) Kcal hr - °C R6 = 0.299 ------- Kcal
Rt = R1 + R2 + R3 + R4 + R5 + R6 hr - °C Rt = 2.3382 ------- Kcal La pérdida de calor: Ti - To (1200 - 30)°C Q = -------- Q = -------------- = 500 Kcal/hr RT 2.3382 hr - °C ------- Kcal
Para la comprobación de las temperaturas interfase sería: - Apisonado U-26/Ladrillo UA-26 T = 500 Kcal x 0.7694 hr - °C = 385°C ---- ------- hr Kcal Treal Interfase = (1200 - 385)°C = 815°C (Asumimos 950 °C) - Ladrillo UA-26/Arcilla T = 500 Kcal x 1.1675 hr - °C = 584°C ---- ------- hr Kcal Treal Interfase = (815 - 584) = 231°C (Asumimos 250 °C) - Arcilla/Lámina Hierro
T = 500 Kcal x 0.0519 hr - °C = 26°C ---- ------- hr Kcal
Treal Interfase = (231 - 26) = 205°C
10.6.4.5 Cálculo de la tapa. (Figura 13)
Como se tiene únicamente apisonado UA-26, no asumiremos temperaturas de
interfase, sino la temperatura exterior que sería 100°C.
1200 + 100 Temperatura media UA-26 = ---------- = 650°C 2
Con esta temperatura la conductividad térmica K sería
K1 (UA-26) = 0.297 Kcal/hr-m² °C/m
K2 (Lámina Hierro) = 41.12 Kcal/hr-m² °C/m
1 1 hr - °C a. R1= --- = ---------------------------- = 0.107 ------- hiA 58.56 Kcal/hr-m² -°C(0.159 m) Kcal L1 0.21 m b. R2 = ----- = -------------------------------- = K1A 0.297 Kcal/hr-m² - °C/m(0.159 m) hr - °C
Q = T
i - T
on=4
ån=1
Rn
2.96 ------- Kcal L2 0.006 m c. R3 = ---- R3 = --------------------------------- = K2A 41.12 Kcal/hr-m² - °C/m(0.159 m) hr - °C 9.17 x 10-4 ------- Kcal 1 1 d. R4 = ---- R4 = -------------------------------- = hoA 9.76 Kcal/hr-m² - °C/m(0.159 m) hr - °C 0.644 ------- Kcal hr - °C
Rt = R1 + R2 + R3 + R4 = 3.71 --------
Kcal La pérdida de calor: Ti - To (1200 - 30)°C Q = -------- Q = -------------- = 315,4 Kcal/hr RT 3.71
Para comprobación de temperatura externa tenemos: T = 315,36 Kcal x 2.96 hr - °C = 933.5°C ---- ------- hr Kcal Treal ext = 1200 - 933.5 °C = 266.5 °C QT = Σ Qlateral + Qfondo + QTap QT = 1599.4 + 500 + 315.4 = 2414.8 Kcal/hr
QT = 2414.8 Kcal/hr
Este es el calor perdido por las superficies del horno.
10.6.5 Calor necesario para fundir el material.
Cálculo de la cantidad de calor requerida para el calentamiento. El calor
requerido para el calentamiento lo calculamos a través del material a fundir de
mayor temperatura, en nuestro caso sería el bronce que funde
aproximadamente a 1100°C. Pero para nuestro diseño hemos elegido una
temperatura 1200°C.
Q = C.W (ti - to)
C = Calor específico del material
W = Peso en kilogramo
ti = temperatura final, °C
to = temperatura inicial o ambiental °C
C = 0.098 Kcal/Kg °C (para el bronce 95% cu, 5% Al)
W = 50 kg
to = 30°C
ti = 1200°C
Q = 0.098 Kcal/kg -°C x 50 kg (1200 - 30)°C = 5733 Kcal
Q = 5733 Kcal
10.7CALCULO DE CANTIDAD DE CALOR NECESARIA
La cantidad de calor total a suministrar en el horno es la suma de los calores
parciales.
- Pérdida de calor a través de las paredes
- Calor necesario para fundir las piezas
- Calor almacenado por las paredes
Como se vio anteriormente el calor específico del aislante es tan bajo (0.23
Kcal/kg-°C) y su densidad tan pequeña (0.8 gr/cm²), que el calor almacenado
por ésta es despreciable. Por tanto los únicos factores realmente incidente en
el suministro de la cantidad de calor generado del horno son las pérdidas a
través de pondes y calor necesario para fundir las piezas de bronce de 50 kg de
30°C a 1200°C.
QN = Cantidad de calor total
QH = Pérdida de calor a través de las paredes del horno
QF = Calor necesario para fundir el metal
qp = Poder calorífico del combustible
Qp = Flujo de calor
QN = QH + QF
QN = (2414.8 + 5733) Kcal = 8147.8 Kcal
qp = 11000 Kcal/kg (Keroseno)
Qp = qm = 11000 Kcal/kg x 1 kg = 11000 Kcal 11000 Kcal 11000 Kcal Qp = ---------- = ---------- = 183,33 Kcal/min 1 hr 60 min QN = Qp x t QT 8147.8 Kcal t = --- = --------------- = 44.4 min 183.33 Kcal/min
O sea el tiempo requerido para fundir 50 kg de bronce es de 44.4 minutos.
- Para el aluminio
Punto de fusión = 660°F para nuestros cálculos escogemos 700°C
C = Calor específico del material (C = 0.214 Aluminio)
QH = QLateral + Qfondo + QTapa
W = 30 kg que ocupan el volumen del crisol
QF = CW (to - to) = 0.214 Kcal/kg °C x 30 Kg x (700 - 30)°C = 4301.4 Kcal
QN = QH + QF = (1277.8 + 4301.4) Kcal = 5679.2 Kcal QN 5679.2 Kcal t = ---- = ---------------- = 31 min Qp 183.33 Kcal/min
El tiempo necesario para fundir 30 kg de aluminio de 31 min.
QH = (700 - 30)
1
0.7357 + 1
2.3382 + 1
3.71 = 1377.8
10.9CONSTRUCCION DEL HORNO
Debido a los diferentes usos, ya mencionados anteriormente el horno se debió
fabricar en forma vertical, para lo cual se roló un cilindro en lámina de hierro de 6
mm de espesor cuyas dimensiones dependían directamente de la cavidad útil
requerida (ø = 30 cm - alto = 60 cm) y del espesor del refractario en las
diferentes paredes.
Hechas las anteriores consideraciones, las dimensiones definitivas del cilindro
son:
Diámetro interior: 660 mm
Altura: 850 mm
Este cilindro o carcaza del horno es sellado en su parte inferior o fondo, y abierto
en su parte superior para dar lugar al acceso e instalación de la tapa de cierre.
Para la selección del espesor de la lámina si tuvieron en cuenta los siguientes
aspectos:
a. Peso del material refractario: 418 kg aproximadamente.
b. Capacidad de dilatación térmica debida a la temperatura exterior del horno
204°C.
c. Consistencia en la construcción del equipo, dadas las características de
trabajo pesado en el cual se emplearía.
d. Corrosión ambiental y térmica.
En base a todo lo expresado, se seleccionó lámina de hierro de 6 mm de
espesor, dado que consideramos que es el mínimo espesor de lámina que
cumple con todos los requisitos anteriores, a partir de que se busca la forma de
fabricar el equipo lo más liviano posible de tal manera que sea más fácil de
maniobrar cuando se requiera.
La tapa del cilindro se fabrica también como un cilindro rolado en lámina de
hierro de 6 mm de espesor con cierre atornillado en la parte superior y expuesto
al refractario en la parte interior ya que es el área encargada de sellar la cavidad
del horno.
Considerando el diámetro de la cavidad así como el espesor calculado del
refractario las medidas definitivas son:
Diámetro interior: 450 mm
Altura: 140 mm
El cierre rolado de la lámina no se soldó como en la carcaza, sino que se hizo
atornillado para obtener así una junta de expansión, dada la forma compacta del
vaciado del mortero refractario dentro de ella.
10.10.1 Esfuerzo por dilatación térmica en la carcaza del horno.
Como sabemos esta carcaza cilíndrica fue fabricada de una lámina que se llevó
al roll y luego se soldó: hay la necesidad de seleccionar la soldadura a utilizar
aquí, teniendo en cuenta que cuando esta carcaza se recalienta existen unos
esfuerzos por dilatación térmica del material, por tanto tenemos que calcularlo y
así hacer una correcta selección de la soldadura de unión del cilindro.
Tenemos los siguientes datos
- Temperatura ambiente: 30°C
- Temperatura de la carcaza con el horno a plena operación: 204°C
- Material a utilizar acero laminado
- E: Módulo de elasticidad del acero = 2.1 x 106 kg/cm²
- ε: Coeficiente de dilatación lineal = 11.7 x 10-6 mm/mm/°C
Desdoblando la carga nos quedaría Fig. (14)
- Perímetro = πD = 3.14 x 66 cm = 207.35
δ = ELAT (Libro resistencia de materiales John N. Sernica Pág. 77)
δ = 11.7 x 10-6 x 207.35 cm (204 - 30) = 0.422 cm
δ = εLAT = PL/AE ; A = 0.6 cm x 85 cm = 51 cm² δAE 0.42 cm (51 cm²) x 2.1 x 106 kg/cm² P = --- = ----------------------------------- L 207.35 cm P = 218034.2 kg
Como la placa es de espesor bajo, utilizaremos una soldadura a tope con ranura
en V. Figura 15.
P = St e L
Siendo
P: La fuerza
St: El esfuerzo nominal
L : Longitud del cordón
e : espesor de la lámina P St = ---- eL 216713 kgs St = ------------- = 42.5 kg/mm² 6 mm x 850 mm
Este es el esfuerzo nominal medio que se produce en el cordón de soldura al
dilatarse la carcaza por efectos del cambio de temperatura. Con este esfuerzo
nominal nos vamos al catálogo de soldadura de la West Arco y seleccionamos la
soldadura E 6010 cuya resistencia a la tracción es de 43.5 kg/mm².
11 DISEÑO DEL SISTEMA BASCULANTE
12.1CALCULO DEL CENTRO DE GRAVEDAD DEL HORNO
Para realizar este cálculo consideramos el horno formado por un cilindro hueco
que es la parte lateral, dos cilindros sólidos que lo conforman el fondo y la tapa
del horno y el crisol que lo analizamos como un paraboliode de revolución.
Además de acuerdo a la simetría podemos decir que el centro está ubicado en el
eje vertical. (Figura 16). πD²L π(660.4)²(216) Vfondo = -------------------- = 73.95 x106 4 _ 1 216 Yfondo = --- + 254 = --- + 254 = 362 2 2 π π VHueco = --- 1(D² - d²) = --- (635)[(660.4)²-(327.7)²] 4 4 V = 163.96 x 106 mm3 _ YHueco = 787 mm πD²L π(457.2)²(140) VTapa = ---- = -------------- 4 4 V = 22.98 x 106 mm3 _ Y = 1175 mm
1 1 Vcrisol = --- πC²h = --- π (127)²(330) 2 2 Vcrisol = 8.36 x 106 _ h 330 Y = --- + L = --- + 546 = 656 3 3 _ Y = 656 _ Y = y trazo V = volumen
TABLA 10.Resumen de datos para el cálculo del centro de gravedad.
Figura Geométrica
_ Y
V
_ YV
Cilindro fondo 362 73.95 x 106 2.67 x 1010
Cilindro Hueco 787 163.96 x 106 1.29 x 1011
Cilindro tapa 1175 22.98 x 106 2.7 x 1010
Crisol 656 8.36 x 106 5.48 x 109
ΣV = 269.2 x 106
_ ΣYV = 1.88 x 1011
_ _ ΣYV 1.88 x 1011 Y = --- = ----------- = 698 mm ΣV 269.2 x 106 _ Y ≈ 700 mm
12.3CALCULO PESO DEL HORNO
ρ : densidad
V : volumen
m : masa
V1 fondo refractario = 73.5 x 106 mm3
ρrefractario UA-26 = 0.8 x 106 kg/mm3
ρacero = 7.85 x 10-6 kg/mm3
mfondo refractario = ρV = 58.84 kg
Vrefractario cil Hueco = 162 x 106 mm3
m = ρV = 129.6 kg
Vcarcaza cil Hueco = 10.67 x 106 mm3
m = ρV = 16.7 kg
Ccubierta fondo = 2.13x106 mm3
Vcubiera superior = 1.52 x 106
m = ρV = 11.9 kg
mT cuerpo = 58.84 + 129.6 + 83.6 + 16.7 + 11.9 = 300.6 kg
Vrefractario tapa = 20.35 x 106
m = ρV = 16.28 kg
Vcubierta cil tapa = 1.1 x 106
m = ρV = 8.6 kg
Vcubierta sup tapa = 1 x 106
m = 7.85 kg
Vcubierta prot ref = 0.88 x 106
m = 6.9 kg
mT Tap = 40 kg
Mcrisol = 50 kg + 10 kg = 60 kg
mventilador = 16 kg
msistema levante tapa = 4 kg
mT = 300.6 kg + 40 + 60 + 16 + 4 ≈ 421 kg
12.5CALCULO DEL TORQUE DE GIRO
Ubicamos el horno en posición horizontal (Figura 17) con el fin de facilitar el
cálculo del torque de giro.
MT fondo = 336.5 mm (70 kg) = 23555
Mcub. inf = 443 mm (16.7) = 7398
Mcil Hueco infe = 114.3 mm (69.6 kg) = 7955
MCil Hueco sup = 132 mm (80.4 kg) = 10613
Mcub. sup 261 m (11.9 kg) = 3106
Mtapa = 334 mm (40) = 13360
MVentilador = 168.5 (16) = 2696 kg-mm
Mcrisol = 44 (60) = 2640 kg-mm
MT = 23555 + 7398 + 7955 + 2696 + 2640 - 10613 - 3106 - 13360 =
17165 kg-mm = 1716.5 kg-cm
12.7DISEÑO DEL SISTEMA DE TRANSMISON DE POTENCIA
Para dicho diseño utilizamos un engranaje interno con dientes rector y un piñón
con dientes rectos externo
Las condiciones son las siguientes:
Mw : Relación de velocidad = 5: 1
np : velocidad del piñón = 10 Rpm
nG : velocidad del engranaje = 2 Rpm
Np = número de dientes del piñón = 12
NG = número de dientes del engranaje = 60
S0 = coeficiente estático unitario corregido por valores de concentración de
esfuerzo del material para los aceros está comprendido entre 10-60 k psi
Tomamos un S0 = 15.000 psi para el acero
Tomamos un S0 = 8.000 psi hierro fundido
TABLA 11.Selección engranaje para el diseño.
Número de dientes S0 Factor de forma S0Y
Piñón
12
15.000
0.078
1170
Engranaje
60
8.000
0.134
1074
Para el factor de forma Ver Anexo A.
Como la capacidad del diente de conducir carga es una función del producto
S0Y, el engranaje es el más débil.
Enseguida se determina la velocidad en la línea primitiva, V, con el fin de
seleccionar el factor que se requiere para calcular el esfuerzo permisible.
DG = diámetro primitivo engranaje = 135/8
Sreal = 2 Mt Pd3/Kπ² y Ng
Pd = 3.2
K = 4 recomendado
Pc = 1
Mt = 1716.5 lb-pg (momento para bascular el horno) 2(1716,5 lb-pg)(3.2)3 Sreal = --------------------- = 354,4 psi 4(π²)(0.134)(60) Sreal < Sperm
El diseño es satisfactorio desde el punto de vista de resistencia.
- Verificamos con base a la carga límite de desgaste y límite de fatiga.
F0 : carga de fatiga a la flexión
V =
πDGng
12 = 8
12 = 8.84pies/min
Sperm
= S0
600
600 + V para V menores de 2000 pies/min
Sperm
= 8000
600
600 + 8.84 = 7884 ψ
Fw : carga de desgaste
F0 = S0bY Pc
b : longitud del diente = 1 3/8
Pc : paso circular = 1 pul
Y : factor de forma = 0.134
F0 = 8000 psi (1 3/8 pul) (0.134) (1 pulg) = 1474 lb
Fw = Dp b K Q
K : Factor de esfuerzo de fatiga = 196 para dureza de 250 BHN del piñón. Ver
Anexo B.
Dp = diámetro primitivo piñón = 3 3/4 pul 2 Ng 2(60) Q = ------- = ------- = 1.67 Ng + Np 60 + 12 Fw = (3 3/4)(1 3/8)(196)(1.67) = 1687.7 lb
Tanto Fo y Fw deben ser mayores que la carga dinámica del diente, Fd
F: Fuerza transmitida
C: Constante de la forma del diente = 3420 Ver Anexo C
Fd =
0.05 V(bc + F)0.05 V + bc + F
+ F
2Mt 2(1716,5 lb-pul) F = --- = ---------------- = 203.4 lb D (135/8) pul
El diseño es satisfactorio porque: F0 > Fd y Fw < Fd
12.8.1 Cálculo chaveta engranaje.
Cuña acero Aisi 1020 forma cuadrada
D : diámetro eje engranaje
S : resistencia a la fluencia
Sy = 66 K psi Alsi 1020
eje acero Aisi 1045
M = 1716.5 lb-pul = 1,71 K psi
Ss : esfuerzo a la cizalladura
Sc : esfuerzo a la compresión
L : Longitud chaveta
b : lado chaveta
t : lado chaveta
b = 1/2 pul
t = 1/2 pul 2 T 2(1.71 kpsi)
¡Error!
Ss = --- = ------------ = 1.71 k psi bD1 (0.5)(2)(12) 4 T 4(1.71 kpsi) Sc = --- = ------------ = 3.42 k psi tD1 (0.5)(2)(12) 0.5 Sy 0.5 Sy 0.5 (66) Ss = ------ ; N = ------- = -------- = 19.3 N Sc 1.71 Sy Sy 66 Sc = ---- ; N = ---- = ---- = 19.3 N Sc 3.42
Este factor me garantiza que no fallará.
12.8.3 Diseño del mecanismo de freno.
Para nuestro caso la analizamos como un freno de doble zapata, que se utilizan
comúnmente para reducir las cargas en el eje y en los cojinetes, para obtener
mayor capacidad y para reducir la cantidad de calor generado por pulgada
cuadrada.
Tenemos entonces según Figura 18
Para ángulo de contacto de la zapata mayor de 60° tenemos:
T = f (NL + N
R)
4R Sen 1/2 θ
θ + Sen θ
Donde:
f : coeficiente de rozamiento = 0.25 Ver Anexo D
NL, NR : Fuerza normal
R : Radio del tambor del freno
θ : Angulo de contacto de la zapata
T : momento de frenado
Para nuestro uso NL = NR Ft x Dp 203.4(3 3/4) T = ------- = ------------ = 381.4 lb-pg 2 2 Ft : Fuerza tangencial en el piñón Dp : diámetro primitivo del piñón θ : 178° (4 R Sen 1/2 θ) 0.25(2 NR)(4 (1) Sen 89 2 NR T = f(2 NR)--------------- = ----------------------- = ---- θ + Sen θ 178 π/180 + Sen 178° 1.D1 T 381.4 NR = --- = ----- = 190.7 lb 2 2
Según Figura 19 analizamos los momentos con el fin de calcular la fuerza que
actúa en el perno.
ΣMA = 0
fN(1) + N(1) - F 2.75 = 0 0.25(190.7) + 190.7(1) F = ---------------------- = 86.7 lb
2.75
Luego la fuerza que actúa en el perno es 2 veces la calculada o sea 173.4 lb
Con esta fuerza analizamos el torque que se aplica en el perno, según la
ecuación ver planos principales.
Donde:
Tp : momento aplicado en perno
rm : radio medio de la rosca
f : coeficiente de rozamiento de rosca
fc : coeficiente de rozamiento del collar
α : ángulo de hélice
θn : Radio de rozamiento del color
p : paso
L : avance
D : diámetro
Para un tornillo de 5/8" de diámetro tenemos los siguientes datos:
D = 5/8 pul
p = 1/8 pul
L = 1/8 pul 5 1/8 Dm = D + D/2 = --- + --- = 9/16 8 2
Tp = F
rm
tan α + f/cos thetan
1 - f tan α/cos θn + F fc r
c
Dm 9 rm = --- = --- pul 2 32 L 1/8 Tan α = ----- = ------- = 0.0707 2π rm 2π(9/32) α = 4° Tan θn = tan θ cos α θ = 14.5° para rosca Acme Tan θn = tan 14.5 x cos 4° = 0.256 θn = 14.46° rc = 0.4 pul fc = 0.25 f = 0.15 Tenemos
Tp = Fpal rpal Tp 28.34 Fpal = ---- = ----- = 2 lb rpal 14 Fpal : fuerza aplicada en la palanca del freno
Además calculamos la fuerza necesaria aplicada en la volanta para mover el
sistema basculante tenemos: Tv 381.4 lb-pg Tv = Fv rv ; Fv = --- = ----------- = 25.4 lb rv 15
T
p = 173.4 lb x (9/32 pul)
tan 4° + 0.15/cosa 14.46°
1 - 0.15 tan 4°/cos 14.46° +
173.4(0.25)(0.4) = 28.34 lb-pg
Tv = Torque en el eje de la volanta rv = Radio de la volanta Fv = Fuerza aplicada a la volanta
12.9DISEÑO MECANISMO DE LEVANTE DE LA TAPA
12.10.1 Tornillo de potencia.
Wtapa = 40 kg = 88 lb
Profundidad de la rosca = 1/8 pg
Coeficiente de rozamiento de la rosca (fc) = 0.15
Avance = 1/4 pg
Poso = 1/4 pg
Radio medio de la rosca (rm) (α) 1 prot. rosca 1 1/8 rm = --- - ------------ = --- - --- = 0.4375 2 2 2 2 avance 1/4 Tan α = ------ = ---------- = 0.091 2π rm 2π(0.4375) α = 5.2° θ = 14.5° para rosca ACME Tan θ = tan θ cos α = tan (14.5) . cos 5.4 = 0.275 θn = 14.4 -> cos θn = 0.97
Analizamos enseguida la fuerza necesaria aplicada en la volanta para levantar
la tapa, sabiendo que ésta tiene un radio de 5 pulgadas. T 9.7 lb-pul T = F.r ; F = --- = ---------- = 1.94 lb r 5
Análisis del tornillo por columna
Fcr = Carga crítica que produce pandeo
C = Constante que depende de las condiciones de los extremos
E = Módulo de elasticidad, psi
A = Area de la sección transversal, pul² (cm²)
L = Longitud de la columna, pul (cm)
K = radio mínimo de giro
K = √I/A K = D/4 para sección circular
L = 16 pul
K = D/4 = 1/4 pg
C = 2
T = W
r
m
c
1 - f tan α/cos θn
T = 88
0.4375
0.094 + (0.15/0.97)
1 - 0.15 x 0.094/0.97 = 9.7 lb-pg
Fcr =
Cπ2EA(L/K)2 (EULER) y F
cr = S
yA
1 - S
y(L/F)2
4πC2E (JOHNSON)
E = 30x106 psi πD² π(1) π A = --- = ---- = --- 4 4 4 1 16 --- = --- = 64 K 1/4
64 > 4.45 utilizo ecuación EULER Cπ²EA 2(π²)(30x106)(π/4) Fcr = ------ = ------------------ = 113548,37 lb (L/K)² (64)² Fcr Fcr 113548.37 F = --- --> N = --- = ---------- = 1290 N F 88 Lo cual significa que no fallará 12.10.3 Láminas de estructura de soporte. Wtapa - 40 kg Acero estructural = ASTM A36 F Sc = 2531 kg/cm² (Tabla AT 7 faire p.744) G = --- AT = b x h A b = 7.62 cm Sc F 40 kg 2531 kg/cm² 40 x 10 --- = --- = ----------- = ---------- -> h = ----------- = n A 7.62 cm x h 10 7.62 x 2531 2.07 x10-2 h ≈ D . 2 escogemos h = 6 mm (comercial) Cálculo pines
1K
= 2Cπ2E
Sy
= 2(2)(π2)(30x106)
60.000 = 4.45
F 40 kg 60 x 40 G = --- = 2531 kg/cm² = ----- -> S² = ------- = 0.02 A πD² π(2531) D = 0.14 cm = 1.4 mm _ 2 mm se escogió D = 4 mm
12.11DISEÑO COLUMNA DE SOPORTE
E = módulo de elasticidad E 2.1x106 kg/cm
A = área sección transversal cm²
L = Longitud de la columna en cm: 70 cm
K = radio mínimo de giro ┌───┐ │ I │ K = │--- \│ A Sy = 4218 kg/cm² Ver Anexo E
Escogemos Chanel C150x15.6 Anexo F
d = 152 mm
bf = 51 mm
tf = 8.7 mm
tw = 8 mm
A = 1994 mm²
K = 56.4 mm Ver Anexo F
1 700
¡Error!
--- = ---- = 12.41 K 56.4
12.41 = 49.56 (aplicó Johnson)
Fcr 83843.3 kg F = --- = ---------- = 8384.33 kg N 10
Lo cual indica un diseño satisfactorio
1K
= 2Cπ2E
Sy ;
1K
= 2(1/4)π2(2.1x106)
4218 = 49.56
¡Error!
12.13DISEÑO EJE DEL HORNO FIG. (20)
Ver Anexo G
Kb = 1 eje estacionario pág 114 carga aplicada
Kt = 1 eje estacionario Shawm gradualmente
Ss = 6000 psi eje con cuñero código ASHRAE
Mt = pequeño comparado Mb (flexionante)
Normalizando d = 2 7/16" por seguridad
12.15DISEÑO VENTILADOR
12.16.1 Cálculo de las dimensiones principales del ventilador centrífugo de
baja presión.
∆p = 17 mm H2O ∆p: presión diferencial
Q = 14.25 m3/min Q: caudal
Peso específico del fluido (aire) = 1.2 kg/m3 a 20°C y 760 mm Hg ß2 = 90°
d3 = 16πS
s
(Kb Mb)2 + (Kt Mt)2
d3 = 16
π600ψ (1)(9260)2 -> d = 2"
- Velocidad periférica (H) ∆p 17 1 H = ---- = ---- = 14.17 m --> Q = ---------- = 1 n = 0.65 w 1.2 1 + Tan α² ---------- Tan ß2 µ = n.φ = 0.65
Según Hutte V1 = 0.25 ... 0.5 √2 gH
Tomamos la velocidad promedio o sea: V1 = 6.25 m/seg - Diámetro canalización de aspiración (Da)
Diámetro D1 > Da Se adopta D1 = 0.225 m - Diámetro del rotor, D2 (Fig. 21)
µ2 = gHµ
= (9.81)(14.17)
0.65 = 14.62
V1 = 0.25 2(9.81)(14.17) = 4.17 m/seg
V1 = 0.5 2(9.81)(14.17) = 8.34 m/seg
¡Error!
µ2 x 60 (14.62 m/seg((60) D2 = ------- = ----------------- = 0.26 πn π(1075 Rpm) - Anchura de los alabes: Cr < V1 C1 = 4.4 m/seg Q 0.237 b1 = ----- = ------------- = 0.0762 m πD1C1 π(0.225((4.4) Triángulo de velocidades (Fig. 22) Q 0.237 C2r = ----- = ---------------- = 3.74 m/seg πD2b2 π(0.265)(0.0762)
D1 (0.225)(14.62) µ1 = --- µ2 = -------------- = 12.4 m/seg D2 (0.265) C1 4.4 Tg ß1 = --- = ---- = 0.355 -> ß1 = 19.5° µ1 12.4
C2 = µ2 + C2
2r (14.62)2 + (3.74)2 = 15 m/seg
W1 = C2
1 + U2
1 = (4.4)2 + (12.4)2 = 13,16 m/seg
Si incrementamos a dos veces el ancho de los alabes y considerando doble
succión, el caudal se nos duplica, con lo que tienen
Q = b1πD1C1 = (2b1)(π) D1C1 = 2(0.0762)π(0.225)(4.4) =
0.474m3/seg = 28.44 m3/min
Luego calculamos la potencia del motor Q.P 24.44 m3/min x 60 min/1 m x 17 P = ------- = ------------------------------ = 210.000 210.000 0.138 CV ≈ 1/8 Hp Q = m3/Hp P = mm H2O
Escogemos un motor de 1/2 Hp con el fin de aumentar la eficiencia.
12.16.3 Diseño de la carcaza.
Para el cálculo de la carcaza se tiene en cuenta la siguiente ecuación:
logarítmica:
θ - θ0 = K . Log (Rmax/R0)
θ0 = ángulo comprendido entre R0 y Rmax
θ = ángulo mayor (Ver Fig. 23)
Rmáx = Dimpulsor/2 + Dducto
De donde:
Dimpulso = 26.5 cm
Ducto = 11.5
Reemplazando tenemos:
Rmáx = 26.5/2 + 11.5 = 24.75 se eligió 24 cm
R90° = 0.6 Dimpulso = 0.6 x 26.5 = 15.9 cm, elegimos 19 cm
Con estos datos entramos a calcular la constante K que se encuentra presente
en la ecuación logarítmica.
De donde:
360 - 90 = K log (24/16)
K = 1533
R180° = 270 - 90 = 1533 log (R180/16)
0.1174 = log (R180/16)
R180 = 21 cm escogemos 19 cm
R270 = 180 - 90 = 1533 log (R270/21) = 24 cm
R270 = 24 cm, escogimos 23 cm
Con el fin de evitar que el aire choque al tratar de salir del ducto, este se hizo en
forma rectangular con dimensiones de 29 x 21 cm y luego se le hizo una
reducción un diámetro de 10 cm.
13 MANUAL DE OPERACIONES Y MANTENIMIENTO
14.1PRECAUCIONES GENERALES
14.2.1 Prevenciones personales.
Las personas encargadas de realizar el proceso de fundición deben vestir ropa
apropiada (chaleco de cuero o asbesto, guantes refractarios, botas de
seguridad, caretas para protección visual, nasal y en sí de toda la cara, casco
etc).
Además poseer un equipo de primeros auxilios, en caso de que se presenten
accidentes ocasionados por el calor, como también los humos de escape.
Adecuación del sitio con el fin de evitar accidentes debido a obstáculos que
puedan impedir una correcta manipulación de la colada.
14.2.3 Precauciones a tener en el horno.
Verificar que el refractario del horno se encuentre en buen estado antes del
proceso de fundición, además verificar que el crisol y su fijación se mantenga en
buenas condiciones.
Probar el funcionamiento del ventilador antes de realizar la fundición, con el fin
de verificar el flujo de aire y las posibles fugas que puedan presentarse en los
acoples o tubería de alimentación.
Conectar correctamente la manguera de suministro de combustible, con el fin de
evitar fugas que puedan ocasionar incendio de las zonas cercanas al tanque de
almacenamiento.
En cuanto al sistema basculante verificar que no se presenten piezas flojas o
desacopladas, como también mantener el sistema lubricado para facilitar su
mejor manipulación.
Después de realizar la colada, verificar que tanto el horno como el crisol queden
libre de impurezas.
14.2.5 Precauciones en la fundición del material.
Someter a calentamiento previo el crisol antes de introducir la chatarra para la
fundición con el fin de evitar choques térmicos.
En cuanto a la introducción de la chatarra, se hace primero con una cantidad
pequeña y esperar que funda para así poder introducir el resto de ésta.
Una vez que el metal se encuentre fundido agregar desgasificadores con el fin
de producir una escoria necesaria para garantizar una colada óptima.
En el momento del vaciado tener en cuenta de proteger la zona para evitar
choques térmicos en caso de derrame de colada.
14.3DESCRIPCION DEL EQUIPO Y FUNCIONES
El equipo puesto a consideración es un horno basculante de combustión, el cual
en su interior está constituido de un material refractario. Este material
refractario se seleccionó utilizando el catálogo de la empresa de refractarios de
Colombia "ERECOS", teniendo en cuenta el arreglo más adecuado en cuanto a
la transferencia de calor al exterior.
En la construcción de la carcaza del horno, se roló una lámina de acero al
carbono con un espesor de 6 mm, cumpliendo con las necesidades requeridas
en cuanto a expansión y resistencia térmica. La cubierta inferior se hizo
soldada y la superior atornillada, con fin de evitar cierta expansión.
La tapa principal del horno se construye teniendo en cuenta los dos criterios
anteriormente señalados.
En cuanto al suministro de la mezcla aire-combustible el ventilador seleccionado
es centrífugo con doble succión, accionado por un motor monofásico a 220 V, su
salida se hizo con una reducción a la cual se acopló la tubería que lleva el aire al
interior del horno. Este ventilador se fijo al cuerpo del horno con el fin de
manipular todo el sistema. Lo referente al combustible este se encuentra
almacenado en un recipiente, ubicado a una altura considerable, con el fin de
que el flujo se deje por gravedad y llegue por una manguera a la tubería de
suministro de aire a poca distancia de la entrada del horno.
En cuanto al sistema basculante, el horno se montó sobre ejes circulares
apoyados sobre dos columnas con perfil en forma de chanel, con sus
respectivos soportes de articulación. Para bascular el horno se utiliza un
sistema de transmisión de potencia, utilizando para esto un par de ruedas
dentadas, el cual es manipulado con una volanta y además posee un
mecanismo de freno de zapatas articulado con una palanca de accionamiento.
Para abrir y cerrar la tapa se cuenta con un sistema basado en un tornillo de
potencia, un eje vertical, soportes sobre platinos y una volanta para maniobrar.
14.5OPERACION DEL EQUIPO
a. Conectar y dar arranque al ventilador centrífugo.
b. Abrir la válvula de suministro de combustible a mediano flujo.
c. Utilizar mechero para dar inicio del fuego en el horno.
d. Una vez formada una llama estable y haber calentado el crisol cierto tiempo,
se agrega una pequeña cantidad de chatarra o metal a fundir seleccionado con
anterioridad.
f. Incrementar el suministro de combustibles, hasta obtener una mezcla
adecuada de aire combustible.
g. Transcurrido un período de tiempo aproximadamente de unos 25 minutos,
levantar tapa y observar la colada utilizando los respectivos equipos de
protección personal.
h. Una vez empiece a fundir el metal, introducir poco a poco el resto del material
a fundir hasta completar la cantidad estipulada.
i. Cerrar la tapa con el fin que se funda todo el material seleccionado.
j. Lista la colada agregar desgasificadores con el fin de producir una escoria
necesaria para purificar la colada.
k. Abrir la tapa y extraer la escoria, luego cerramos y nos preparamos para
realizar el vaciado de la colada.
l. Lista la colada, se reduce el suministro de combustible hasta un punto en que
el fuego y los humos, no sean peligrosos para el proceso de vaciado.
m. Una vez realizado todos los anteriores pasos basculamos el horno y
vaciamos el primer molde y volumen a la posición vertical. Este proceso se
repite hasta agotar el total de la colada.
14.7RECOMENDACIONES
- La conexión del motor del ventilador que garantice el funcionamiento con
interruptor y además que permita la manipulación de éste con el horno.
- Evitar tocar las partes eléctricas vivas.
- Tener en cuenta que para poder realizar la fundición el estado atmosférico sea
adecuado con el fin de evitar la humedad que es causante de choques térmicos.
- Utilizar desgasificadores adecuados para optimizar la colada.
- Evitar que muchas personas se encuentren cerca del horno en funcionamiento,
con el fin de reducir los accidentes.
14.9MANTENIMIENTO
1. Una vez realizada la fundición y el horno esté totalmente frío, hacer una
limpieza general de cada una de sus partes.
2. Mantener lubricadas las partes móviles con el fin de evitar la corrosión.
3. Durante el período en que no se vaya a utilizar el horno, desconectar la
manguera de suministro así como hacer vaciado del combustible del recipiente
de almacenamiento.
4. Las partes del sistema basculante, del ventilador, tubería, tapa, se pueden
desmontar para hacer reparación de cualquier parte de éstas.
5. Utilizar carpa para proteger el horno contra la lluvia, corrosión etc.
6. Finalmente se recomienda la reparación del refractario semestralmente, con
el fin de evitar el deterioro total.
CONCLUSIONES
Finalizado el diseño y construcción del Horno Basculante de combustión para el
laboratorio de metalurgia utilizado para la fundición de metales de bajo punto de
función, utilizando como materiales principales el Bronce y el Aluminio.
Primeramente se cumplió con el diseño del mecanismo basculante con el fin de
mejorar la labor de llenado de los moldes de fundición.
Como se segunda medida se cumplió con el aumento de la capacidad de
material a fundir durante el transcurso del laboratorio.
Además se redujeron las pérdidas de calor con la ayuda de una tapa, con su
respectivo orificio de desfogue y con un mecanismo que permita maniobrar sin
aplicar una fuerza considerable.
La selección del combustible para la mezcla aire-combustible fue el A.C.P.M. el
cual combinado con aceite quemado sin impurezas sólidas. Esta combinación
permite que el combustible fluya en forma lenta debido a la viscosidad y además
se reducen considerablemente los costos de combustibles.
En cuanto al diseño y construcción del horno se realizó de tal forma que todos
los mecanismos conforman un solo cuerpo que se puede manipular sin
necesidad de desacoplar ninguna de sus partes.
Con el anterior proyecto esperamos despertar la inquietud de futuras
promociones para que se interesen en diseñar y construir hornos lo más
novedoso y técnicamente posible.
BIBLIOGRAFIA
BEER, Ferdinand P. Mecánica de materiales. Mc Graw-Hill, 1988. p. 618. BEER, Ferdinand P. Mecánica vectorial para Ingenieros. Mc Graw-Hill,
1970. p. 418 CAPELLO, Eduardo. Tecnología de la Fundición, American Foundrymens Society, 1967. p. 101. CERNICA, John N. Resistencia de Materiales. Continental, 1972. p. 488. ERECOS. Catálogo de productos, Empresas de refractarios colombianos S.A. 1970. p. 980. FAIRES, Virgil M. Diseño de elementos de Máquina. Barcelona; Montaner y
Simón, 1970. p. 802. HALL, A.S. Diseño de Máquinas. Mc Graw-Hill, 1971. p. 344. HANSEN, Artur G. Mecánica de fluidos Limusa-Wiley S.A. 1971. p. 575. HOLMAN, J.P. Transferencia de calor. Continental, 1984. p. 534. INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TECNICAS. Normas colombianas
sobre documentación y presentación de tesis de grado. INCONTEC. JENSSEN, Jorge. Fundamento de dibujo mecánico. Mc Graw-Hill, 1982. KARLEKAR, B.V. Transferencia de calor. Mc Graw-Hill, 1985. p. 795. MARKS, Leonel. Manual del Ingeniero Mecánico, Mc Graw-Hill, 1978. p. 2.596. OBERT, Edward F. Motores de combustión interna. Continental, 1974. p.
764. SHIGLEY, Joseph E. Diseño de Ingeniería Mecánica. Mc Graw-Hill,
1990. p. 883.
TABLA 5.Clasificación de carbones por categorías (ASTM D 388)a.
Clase Grupo Límites de carbono fijo, porcentaje (base seca, libre de materia)
Límites de materia volátil porcentaje (base seca, libre de materia mineral, seco)
Límites de poder calorífico, Btu por libra (base húmeda, libre de materia mineral)b
Carácter aglutinante
Igual o mayor que
Menor que
Mayor que
Igual o menor que
Igual o mayor que
Menor que
I. Antracita 1. Metaantracita 2. Antracita 3. Semiantratica
98 92 86
... 98 92
... 2 8
2 8 14
.......
.....
No aglutinante
II. Bituminoso 1. Carbón bituminoso poco volátil 2. Carbón bituminoso de volatilidad media 3. Carbón bituminoso A de volatilidad elevada 4. Carbón bituminoso B de volatilidad elevada 5. Carbón bituminoso C de volatilidad elevada
78 69 ... ... ...
86 78 69 ... ...
14 22 31 ... ...
22 31 ... ... ... ┌─ ─┤ └─
....... ...... 14 000d 13 000d 11 500 10 500
.....
.....
..... 14 000 13 000 11 500
─┐ │ Generalmente ├─aglutinante │ ├─ ─┘ Aglutinante
III. Subbituminoso
1. Carbón Subbituminoso A 2. Carbón subbituminoso B 3. Carbón subbituminoso C
... ... ...
... ... ...
... ... ...
... ... ...
10 500 9 500 8 300
11 500 10 500 9 500
No aglutinante
IV. Lignitico 1. Lignito A 2. Lignito B
... ...
... ...
... ...
... ...
6 300 .......
8 300 6 300
"Esta clasificación excluye clases, principalmente las variedades de carbón no estratificados, que tienen propiedades físicas y químicas poco comunes y que caen dentro de los límites de carbono fijo o de poder calorífico de las clases bituminoso muy volátil y subbituminoso. Todos estos carbones contienen menos del 48% de carbono fijo sobre base seca, libre de materia mineral o poseen más de 15 500 unidades térmicas británicas (Btu) por lb sobre base húmeda, libre de materia mineral. Btu/lb x 2 328 = kJ/lb. "La humedad se refiere al contenido natural, pero no incluye el agua visible sobre la superficie de carbón. "Si aglomera, se clasifica en el grupo de la clase bituminoso poco volátil. "Los carbones que tienen 69% o más de carbono fijo sobre base seca, libre de materia mineral se clasifican de acuerdo con el carbono fijo, sin importar el poder calorífico. "Se acepta que existen variedades tal vez no aglutinantes en estos grupos de la clase bituminoso y que existen excepciones notables en el grupo bituminoso C, muy volátil. TABLA 7.Análisis del coque.
Base, "tal como se recibe" Poder calorífico superior, Btu/lb§
Análisis inmediato, % Análisis elemental, %
Clase de proceso
Humedad
Materia volátil
Carbono Fijo
Ceniza*
Hidrógeno
Carbono
Nitrógeno
Oxígeno
Azufre
Coque elaborado con subproductos
0.4 1.0 89.6 9.0 0.7 87.7 1.5 0.1 1.0 13 200
Coque de colmena 0.5 1.2 88.8 9.5 0.7 87.5 1.1 0.2 1.0 13 100
Coque de baja temperatura 0.9 9.6 80.3 9.2 3.1 81.0 1.9 2.8 1.0 12 890
Coque de alquitrán 0.3 1.1 97.6 1.0 0.6 96.6 0.7 0.6 0.5 14 100
Coque de petróleo 1.1 7.0 90.7 1.2 3.3 90.8 0.8 3.1 0.8 15 050
*La ceniza forma parte tanto del análisis inmeditato como del elmental. §Btu/lb x 2.328 = kj/kg
TABLA 6.Fuentes y análisis de carbonos de varias clases, tal como se recibe.
% inmediato % elemental Poder calorí-fico Btu/lb*
Clasificación por grado
Estado
Condado
Yacimiento
Humedad
Materia volátil
Carbono Fijo
Ceniza+
Azufre
Hidrógeno
Carbono
Nitrógeno
Oxígeno
Metaantracita Antracita Semiantracita Crbón bitumi-noso, poco volátil Carbón bitumi-noso de volati-lidad media Carbón bitumi-noso A de vola-tilidad elevada Carbón
Rhode Island Pennsylvania Arkansas Virginia Occidental Pennsylvania Virginia Occidental Kentucky,
Newport Lackawanna Jonson Wyoming Clearfield Marion Muhlenburg
Intermedio Clark Inferior Hartshorne Pocahontas No. 3 Kittanning Superior Pittsburgh No. 9
13.2 4.3 2.6
2.9
2.1
2.3
8.5
14.4
16.9
2.6 5.1 10.6
17.7
24.4
36.5
36.4
35.4
34.8
65.3 81.0 79.3
74.0
67.4
56.0
44.3
40.6
44.7
18.9 9.6 7.5
5.4
6.1
5.2
10.8
9.6
3.6
0.3 0.8 1.7
0.8
1.0
0.8
2.8
3.8
1.4
1.9 2.9 3.8
4.6
5.0
5.5
5.4
5.8
6.0
64.2 79.7 81.4
83.2
81.6
78.4
65.1
59.7
60.4
0.2 0.9 1.6
1.3
1.4
1.6
1.3
1.0
1.2
14.5 6.1 4.0
4.7
4.9
8.5
14.6
20.1
27.4
9 310 12
880 13
880
14 400
14 310
14 040
11 680
bitumi-noso B de vola-tilidad elevada Carbón bitumi-noso C de vola-tilidad elevada Carbón A, sub-bituminoso Carbón B, Sub-bituiminoso Carbón C, sub-bituminoso Lignito
campo occidental Illinois Wyoming Wyoming Colorado Dakota del norte
Sangamon Sweetwater Sheridan El Paso Mclean
No. 5 No. 3 Monarch Fox-Hill Sin nombre
22.2
25.1
36.8
33.2
30.4
27.8
40.3
37.7
29.5
4.3
6.8
5.9
0.5
0.3
0.9
6.9
6.2
6.9
53.9
50.5
40.6
1.0
0.7
0.6
33.4
35.5
45.1
10 810
10 650
9
610
8 560
7
000
*Btu/lb x 2.328 = kj/kg +La ceniza es parte del análisis inmeditato como del elmental.
