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TRATAMIENTOS termicosDescripción completa
Laboratorio de Tratamientos Termicos de la universidad de piura
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Universidad Centroamericana José Simeón Cañas Tecnología Mecánica Ciclo 01-2011
Proyecto de diseño Diseño conceptual de Horno para Tratamientos Térmicos Grupo número 06
26 de mayo de 2011
Descripción El tratamiento térmico es un proceso en el cual se somete intencionalmente un metal a una secuencia de tiempo temperatura. En algunas ocasiones el metal puede ser sometido a influencias químicas o físicas. El tratamiento térmico tiene como objetivo conferirle al material propiedades requeridas para procesos de transformación posteriores. Además el proceso de tratamiento térmico puede provocar transformaciones de los constituyentes estructurales pero sin modificar su composición química. Existen diferentes tipos de tratamientos térmicos para el acero como lo son el templado, revenido, recocido y normalizado. Para nuestro caso nos centraremos en el proceso de templado el cual es el que se les da a los tambos de gas. El templado tiene como objetivo aumentar la dureza y la resistencia del acero y para poder lograrlo es necesario calentar al hacer a una temperatura entre 900950°C y luego enfriarlo rápidamente en un medio como agua, aceite, etc. El estudio que se muestra a continuación es el diseño de un horno para tratamientos térmicos para tambos de gas propano. Como se ha mencionado anteriormente el tratamiento térmico que se les realizará será el de templado, para que de esta forma podamos aumentar su resistencia. El diseño del horno se basa en una estructura metálica elevada del piso que soporta a unas paredes de ladrillo refractario forradas con acero inoxidable. Dicha estructura está diseñada para ser fabricada de ángulo de dos pulgadas por media pulgada de espesor , suficiente para soportar el peso del ladrillo refractario y el tambo de gas que se encuentre dentro del horno. En la figura 1 y figura 2 se muestra un bosquejo de la estructura de ángulo que es la base del horno.
Figura 1. Estructura donde irá remachada lamina
Figura 2. Estructura de la base
Las paredes del horno estarán construidas de ladrillo refractario y unidas con cemento refractario de un espesor de 4 pulgadas, en su exterior cubiertas de láminas de acero inoxidable chapa 12. En el interior existirá un espacio vacío que es donde se distribuirá la llama, calentando las paredes del acero refractario que sostendrá los tambos de gas y que dejará pasar a través de radiación y conducción el calor generado por el quemador. En la figura 3 y 4 se muestra un bosquejo del diseño de las paredes.
Figura 3. Vista exterior de paredes
Figura 4. Vista interna de paredes
La energía principal del horno del diseño de este horno es el gas propano el cual estará almacenado en un cilindro de 2 m de largo y 1 m de dímetro alejado por lo menos 3 metros del horno para evitar cualquier tipo de accidente por el calor. La tubería del tambo de gas se conecta conecta al quemador el cual esparcirá la llama por la cara de abajo del horno y de esta manera producir una llama que nos asegure una mejor distribución de calor dentro del horno. En la figura 5 se muestra como irá conectado el tambo de gas con la tubería y el horno.
Figura 5. Diseño de conexión entre el tambo de gas y el horno
La forma de cómo se controlará la temperatura dentro de la cámara de tratamientos térmicos del horno será con termocuplas que censarán un promedio de temperaturas entre la cara de abajo y la de arriba para asegurarnos tener la temperatura adecuada para el tratamiento térmico que buscamos. La forma en como nosotros programaremos esa temperatura será mediante un tablero electrónico sujeto del horno, el cual tendrá una pantalla que indique la temperatura que nosotros deseamos y nos alerte cuando la hayamos alcanzado. El la figura 5 también se muestra el tablero electrónico el cual está ubicado al lado derecho del horno. Otra consideración importante tomada en el diseño de este horno es el diseño de la puerta, la cual tendrá como base una estructura de ángulo el cual contendrá al ladrillo refractario y que será forrado con lámina de acero inoxidable. El mecanismo de cierre se realizará por medio de bisagras y un pasador que asegurará que no se abra mientras se realice un tratamiento térmico. En la parte externa de la puerta también se cuenta con un manubrio que permitirá halar o empujar la puerta según el caso. En la figura 6 y 7se muestra el diseño de la puerta.
Figura 6.Vista externa de puerta
Figura 7. Vista interna de puerta
En la figuras 8 se presenta un bosquejo de cómo se vería el horno completamente terminado.
Figura 8. Diseño completo de horno para tratamientos térmicos de cilindros de gas propano.
CALCULOS
Para calcular la energía requerida para llevar el material a la temperatura deseada (950°C) se utilizo la siguiente fórmula: (T
· c p · mas a =
E requerida
Obtenemos por medio de una báscula el peso del material, en este caso un cilindro de 25 lbs de gas propano con un peso libre de 12 kg. Esta energía requerida debe aportarse en un tiempo determinado, 10 minutos. Con la energía y el tiempo podemos obtener el flujo de calor necesario:
Q carga
=
E requerida t
Para calcular las pérdidas se encontró el coeficiente total de transmisión de calor por las paredes, que están compuestas por cemento y ladrillo refractario, con un k de 55 y 47 (W·m1
-1
·K ) respectivamente. Para convección se asume aire t ranquilo alrededor del horno.
U =
1 1 1.65
+
xcemento k cemento
xladrillo
+
+
k ladrillo
1 1.65
El flujo de calor por las paredes se calcula como:
Q perdidas
=
Aparedes
·
(T
· U
Con los quemadores de propano disponibles en el país el que más se acerca a la carga es el siguiente:
W quemador
= 117.228
[kW]
Y la potencia para el proceso y las perdidas es:
W horno
=
Q carga
+ Q perdidas
Para conocer el flujo másico necesario para el proceso utilizamos el poder calorífico del propano con una eficiencia del quemador del 70%. Se divide la potencia entre el poder calorífico, con e sta ecuación obtenemos el flujo másico en kg/s.