DISEÑO DE HORNOS INDUSTRIALES.docx

DISEÑO DE HORNOS INDUSTRIALES

UNIVERSIDAD NACIONAL “SAN LUIS GONZAGA DE ICA”

Definición de hornos industriales. Los hornos industriales son los equipos o dispositivos utilizados en la industria, en los que se calientan los materiales y las piezas o elementos colocados en su interior por encima de la temperatura ambiente. El objeto de este calentamiento puede ser muy variado, por ejemplo: 

   

Alcanzar la temperatura necesaria para que se produzcan las reacciones químicas necesarias para la obtención de un determinado producto. Cambios de estado (Fusión de los metales y vaporización). Ablandar para una operación de conformado posterior. Tratar térmicamente para impartir determinadas propiedades. Recubrir las piezas con otros elementos, operación que se facilita frecuentemente operando a temperatura superior a la del ambiente (Vitrificado de los productos cerámicos).

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UNIVERSIDAD NACIONAL

“SAN LUIS GONZAGA DE ICA”

FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA

CLASIFICACIÓN La clasificación de los hornos es difícil de establecer, por ello se dice que existe casi un tipo de horno específico para cada aplicación. Por lo tanto, normalmente se clasifican desde ciertos puntos de vista:

1. De acuerdo con su temperatura de trabajo.  

Hornos: Temperaturas de trabajo superiores a 550 °C. Estufas: Temperaturas de trabajo inferiores a 550 °C.

2. De acuerdo con su uso      

Hornos de cemento Hornos de cal Hornos de coque Hornos cerámicos Hornos incineradores Alto Horno, etc.

3. De acuerdo con su forma de operación 

Continuos  Discontinuos  Periódicos

4. De acuerdo con su forma de calentar 

Directos  Indirectos

5. De acuerdo con su fuente de energía Combustibles: sólidos, líquidos o gaseosos y mixtos.  Energía eléctrica.  Mixtas 

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TIPOS DE HORNOS 

Hornos rotatorios

Los hornos rotatorios constan de un cilindro largo de acero que gira alrededor de su eje. En el caso de trabajo a altas temperaturas hay que recubrir el cilindro con ladrillo refractario en su interior. Ya sea para aislarlo del exterior o para proteger el acero 

Hornos de cuba

Posee una cámara vertical llamada cuba, la cual puede ser cilíndrica o cónica. En su interior puede estar cubierta por un refractario según la temperatura de trabajo. La carga se alimenta por la parte superior llamada tragante. El producto seevacua p or la parte inferior. Los gases que calientan, la carga entra a la cuba por la parte inferior y se encuentran con la carga en contracorriente 

Hornos de Reverbero

Es un horno cuyo hogar está separado del material que debe tratar, y en el que los gases de combustión están en contacto con el material. El objetivo de estos hornos es fundir. Consta básicamente de un recipiente refractario de forma rectangular o elíptica poco profundo (aprox. 40cm) llamado solera. Por lo general los hornos de este tipo constan de regeneradores de ladrillo a cada extremo y a un nivel más bajo que el horno, los cuales son usados para precalentar el aire. 

Hornos de túnel

Como su nombre los dice, consta de un túnel que puede ser recto o circular, y por el interior del cual se mueve la carga de un extremo a otro. Para darle movimiento a la carga se utiliza una vagoneta movida sobre rieles o una banda de tela metálica El túnel se divide principalmente en 3 zonas



Zona de precalentamiento Zona de combustión o de cochura Zona de enfriamiento



Hornos de fundición

 

Cualquier proceso de producción de acero a partir del Arrabio consiste enquemar el exceso de carbono y otras impurezas presentes en el hierro.Una dificultad para la fabricación del acero es su elevado punto de fusión,1.40 0ºC aproximadamente, que impide utilizar combustibles y hornosconvencionales.Par a superar esta dificultad, se han desarrollado 3 importantes tipos de hornos para el refinamiento del Acero, en cada uno de estos procesos el oxígeno se combina con las impurezas y el carbono en el metal fundido. Cada uno de los tres tipos de hornos, crisol, oxígeno básico y eléctrico, requiere diferentes fuentes de energía UNIVERSIDAD NACIONAL



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y de materias primas. La clase de instalación se escoge, por tanto, por razones económicas, la disponibilidad de materias primas o f uentes energéticas



Horno de hogar abierto o crisol

El horno de hogar abierto semeja un horno enorme, y se le denomina de esta manera porque contiene en el hogar (fondo) una especie de piscina larga y poco profunda (6m de ancho, por 15 m de largo, por 1 m de profundidad, aproximadamente) 

Horno de oxigeno básico

Es un horno en forma de pera que puede producir una cantidad aproximadamente de 300 toneladas de acero en alrededor de 45 minutos 

Hornos eléctricos

La idea de la construcción de hornos eléctricos comenzó a tomar forma a mitad del siglo XVIII. Su utilización efectiva a escala industrial se inició solamente después de 1900, obteniéndose su máxima aceptación después de la 2ª Guerra Mundial, cuando la energía eléctrica comenzó a disminuir de precio tornándose competitiva con los combustibles tradicionales

APLICACIONES DE LOS HORNOS INDUSTRIALES EN RELACIÓN CON EL PROCEDIMIENTO O PROCESOS UTILIZADOS

Desde este punto de vista se clasifican de la siguiente forma:

- Sinterizado y calcinación.

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- Fusión y mantenimiento de: UNIVERSIDAD NACIONAL



-Metales férricos (fundición, acero, níquel, cromo y aleaciones). – Metales no férricos pesados (cobre, aleaciones). -Metales no férricos ligeros (aluminio, magnesio y aleaciones). -Metales preciosos y aleaciones. -Otros metales y aleaciones. - Vidrio y productos cerámicos. -Materiales de goma y plásticos. - Extracción por fusión. - Calentamiento de los materiales para: - Laminación y trefilado. - Extrusión. - Forja. - Estampación. - Conformado en caliente. - Tratamientos térmicos de los materiales para: - Recocido, normalizado, temple, revenido, homogeneizado, solubilización, maduración o envejecimiento, etc. - Cementación, carbonitruración, nitrocarburación, nitruración, cianuración, descarburación, etc. - Otros procesos para materiales no metálicos, por ejemplo, vulcanizado de gomas y tratamientos de plásticos. - Recubrimientos de piezas metálicas y no metálicas que incluye: - Galvanización. - Estañado. - Emplomado. - Esmaltado. - A base de polvos metálicos. - De plásticos. - Por medio de pinturas y barnices.


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- Secado o, en general, reducción del contenido de humedad. - Extracción de polvo que en algunos casos supone la utilización de hornos.

FACTORES PARA UNA ELECCIÓN CORRECTA. Para que sea correcta la elección de un horno para una aplicación determinada deben tenerse en cuenta diversos factores que pueden agruparse según los tres criterios principales siguientes:

1.- Requerimientos y datos del usuario. 2.- Posibilidades tecnológicas del constructor. 3.- Exigencias y posibilidades económicas.

EXIGENCIAS TÉCNICAS.

Resolver un problema concreto de fabricación dentro de un contexto industrial concreto. 1.- Carga a tratar: - Naturaleza y forma de la carga o piezas - Naturaleza del material (emisividad, calor específico, densidad aparente y real) - Temperatura inicial. 2.- Tratamiento: - Ciclo temperatura-tiempo - Temperatura normal de utilización del horno, máxima y mínima - Precisión de temperatura requerida - Presencia o no de atmósfera controlada. 3.- Producción. - Producción horaria o por ciclo/carga - Posibilidad de dividir la producción en varios hornos - Utilización del equipo (horas, días, semanas, etc.). 6




EXIGENCIAS DE FABRICACIÓN.

Si se instala el horno dentro de un proceso concreto de fabricación, hay que tener en cuenta:

- El entorno/ambiente general. - El proceso de fabricación en el que se inserta el horno (operaciones anteriores y posteriores, condiciones de preparación de las cargas). - Cualificación del personal de explotación y su disponibilidad. - Posibilidades de mantenimiento y nivel del personal. - Características de la energía disponible. - Posibilidades de fluidos auxiliares (agua, aire comprimido, nitrógeno, vapor de agua, etc.) y la salida de fluentes (agua, vapor, etc.).

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DISEÑO Y CÁLCULO DEL HORNO BASCULANTE

Una parte importante en el diseño es la construcción, donde todas las ideas en papel se cumplen y se dan a conocer tanto los éxitos como los errores en el diseño. Una buena manufactura de la pieza traerá como consecuencia: Uniformidad de propiedades mecánicas, reducción de esfuerzos en ciertas zonas y buen acabado superficial. Es importante notar que los parámetros calculados sirven de referencia, pues en su maquinado real tienen que ser modificados debido a situaciones externas por ejemplo: No contar con la herramienta adecuada, impurezas en los materiales que hace que sus propiedades no sean uniformes, el tipo de sujeción de la pieza entre otras

SELECCIÓN DEL CRISOL El tamaño del crisol está determinado por las condiciones de diseño, que son: i. ii. iii.

Fundir 20 kg de aluminio. Que el material resista alta temperaturas (1000 ºC). Económico.

En la selección del crisol se tuvo en cuenta que el material soportara altas temperaturas, para llevar el aluminio de un estado sólido a un estado líquido. Se utilizó Hierro fundido, por cumplir con las características más óptimas para el proceso. El diámetro de crisol lo asumimos de 25 cm y la altura está determinada por la relación, masa sobre volumen es decir la densidad.



ρ =

(1)



ρ = Densidad m = Masa v = Volumen;

V = π r 2 h

(2)

De la anterior formula despejamos h, la cual representa la altura adecuada para fundir 20 kg de aluminio.




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h=

 π 2

h= 27cm

CALCULO DEL TAMAÑO DE LA CÁMARA DE COMBUSTIÓN Volumen de la cámara de combustión:

Q = 800 kw/m3 , carga volumétrica

Q = Potencia calorífica (kj/h) M = Flujo másico de combustible (kg/h) ∆h= Poder calorífico del combustible (kj/kg)

El poder calorífico para el ACPM es de 45000 kj/kg, y la ρ = 850 kg/m3, la masa de combustible necesaria es la relación entre la potencia calorífica solicitada y el poder calorífico del combustible.

M = 4.03281993*10E-4 kg/s

Y el volumen de la cámara de combustión queda:

v cc = 0,0362953 m3 9

CALCULO DEL TAMAÑO DE LA CHAPA DE ACERO UNIVERSIDAD NACIONAL



Por requerimientos de diseño, de mantener un buen quemado y tener controlado la temperatura exterior del cilindro de acero, se diseño de la siguiente manera. Crisol de Hierro Fundido 5” de radio. Cámara de combustión de 3 ¼” de ancho Ladrillo Refractario 4 ½” de ancho Manta cerámica 2” de ancho Chapa de acero A-36 1/8” de espesor Entonces el diámetro de la chapa de acero seria: Diámetro exterior: (5” + 3 ¼” + 4 ½” + 2” + 1/8”)*2 Diámetro exterior: 29.75” = 75,56 cm.

Y la Altura se calcula dependiendo del tamaño del crisol seleccionado y los materiales refractarios.

Como el tamaño del crisol seleccionado anteriormente es de: Diámetro: 25,5 cm. Altura: 20 cm. Para evitar pérdidas en la colada se sobredimensiono la altura del mismo en un rango de 5 cm. Entonces queda de 25 cm. El espesor del material refractario utilizado en la base de la chapa que esde, 16 cm. La base del crisol es de, 7 cm. Altura de la tapa superior de la chapa hasta el crisol es de 6 cm.

CALCULO DEL CENTRO DE MASA Es el punto donde puede considerarse que está concentrada toda la masa de un cuerpo para estudiar determinados aspectos de su movimiento. El centro de masa de una esfera de densidad uniforme está situado en el centro de la esfera. El centro de masa de una varilla cilíndrica de densidad uniforme está situado a la mitad de su eje. En algunos objetos, el centro de masa puede estar fuera del objeto.




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Y = Centro de masa. y = Centro de cada figura m = Masa de cada figura

En el centro de masa, es por donde estará ubicado el eje de Acero AISI 1045, y es en donde se concentrara toda la carga en un punto. El centroide está Ubicado en: Y = 27cm

X = 0

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