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´´UNIVERSIDAD NACIONAL JOSÉ FAUSTINO SÁNCHEZ CARRIÓN´´

FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y METALÚRGICA

ESCUELA ACADÉMICA PROFESIONAL DE ING. METALÚRGICA

CURSO: Hornos Metalúrgicos “DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN HORNO CUBILOTE.” INTEGRANTES: BEDON ALVINO CARLOS JOSÉ DÍAZ MEDRANO ALDAÍR CÉSPEDES SIMEÓN CAMILO ESTRADA ESPINOZA EMMANUEL MEJÍA MACALUPÚ JESÚS HUAMAN ORIHUELA JAROL CALERO SALGADO KEVIN MATURRANOS

DOCENTE: Ing. MINAYA HUAMAN

HUACHO-PERÚ 2020

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DEDICATORIA Este presente trabajo está dedicado a nuestros padres ya que a pesar de todas las dificultades nos apoyan día a día a seguir adelante para poder terminar esta hermosa carrera.

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AGRADECIMIENTOS A todas las personas involucradas tanto de manera directa e indirecta en la elaboración del presente proyecto en especial a nuestro docente que nos guía en la elaboración de este proyecto.

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ÍNDICE DE CONTENIDO

Contenido DEDICATORIA ........................................................................................................................ 2 AGRADECIMIENTOS ............................................................................................................. 3 ÍNDICE DE FIGURAS ............................................................................................................. 7 ÍNDICE DE TABLAS ............................................................................................................... 8 RESUMEN ................................................................................................................................ 9 CAPITULO I ............................................................................................................................. 1 1

Generalidades .................................................................................................................... 1

1.1

Introducción....................................................................................................................... 1

1.2

Objetivos de la investigación ............................................................................................. 2

1.2.1 Objetivo general ............................................................................................................... 2 1.2.2 Objetivos específicos ........................................................................................................ 2 CAPITULO II ........................................................................................................................... 3 2.

MARCO TEÓRICO .......................................................................................................... 3

2.1. Horno de Cubilote .............................................................................................................. 3 2.2. Tipos de Cubilotes.............................................................................................................. 6 2.2.1. Cubilote shaw-walker. ........................................................................................................ 6 2.2.2. Cubilote ovalado. ............................................................................................................... 7 2.2.3. Cubilote Grandall. .............................................................................................................. 8 2.2.4. Cubilotes enfriados con agua.............................................................................................. 9 2.3. Partes del horno de Cubilote ............................................................................................. 10 2.3.1. Parte Eléctrica ................................................................................................................. 10 2.3.2. Parte Estructural............................................................................................................... 10

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2.3.3. Parte de Instrumentación .................................................................................................. 11 2.4. Zonas del Cubilote............................................................................................................ 12 2.4.1. Zona de precalentamiento................................................................................................. 13 2.4.2. Zona de fusión ................................................................................................................. 13 2.4.3. Zona de oxidación............................................................................................................ 14 2.4.4. Zona de reducción ............................................................................................................ 14 2.5. APLICACIONES INDUSTRIALES DE UN HORNO CUBILOTE ................................ 15 2.5.1. TIPOS Y PROPIEDADES: ............................................................................................. 15 2.5.2. Aplicación de Los hornos tipo cubilote en las industrias .................................................... 16 CAPITULO III ........................................................................................................................ 31 3.

CONSTRUCCIÓN, MONTAJE Y ANÁLISIS DE COSTOS ......................................... 31

3.1

Generalidades .................................................................................................................. 31

3.2

Construcción y montaje del horno .................................................................................... 31

3.2.1. Requerimientos para la construcción ................................................................................ 31 Listado de elementos a construir. Considerar lo siguiente: ......................................................... 32 3.3.

Hoja de Procesos ............................................................................................................. 32

3.3.1. Montaje de Horno .......................................................................................................... 36 3.4.

ANÁLISIS ECONÓMICO ............................................................................................. 40

3.4.1. Análisis de costos directos ............................................................................................... 40 3.4.1.1.

Materiales Directos. Los costos de materiales directos se presentan en la tabla 1. 41

3.4.2. ANÁLISIS DE COSTOS INDIRECTOS ........................................................................ 45 3.4.3. COSTO TOTAL DE LA MÁQUINA .............................................................................. 46 3.5.

Reacciones de combustión en el horno de cubilote ........................................................... 47

3.5.1. La reacción de combustión............................................................................................... 47 3.5.3. TRANSFERENCIA DE CALOR EN EL HORNO DE CUBILOTE ............................... 47

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3.3.1.1. 3.6.

DETERMINACIÓN DEL INDICE DE BASICIDAD DE LA ESCORIA .............. 51

VARIABLES DE OPERACION ..................................................................................... 51

3.6.1. VENTAJAS Y LIMITACIONES VENTAJAS LIMITACIONES ................................... 53 3.6.2. DESCRIPCIÓN Y DATOS CONSTRUCTIVOS DEL CUBILOTE ............................... 53 3.6.3. FUNCIONAMIENTO Y ZONAS EN EL CUBILOTE.................................................... 53 3.7.

MATERIAL A TRABAJAR EN EL HORNO DE CUBILOTE ...................................... 55

3.7.1. ARRABIO ...................................................................................................................... 58 3.7.1.1. 3.8.

Ventajas de usar arrabio como material de carga en las fundiciones........................ 58

COMBUSTIBLE ............................................................................................................ 60

3.8.1. El coque metalúrgico ...................................................................................................... 60 3.8.2. Fabricación de coque ...................................................................................................... 60 3.8.3. Misión del coque en el proceso siderúrgico: .................................................................. 60 3.8.4. Características de un buen coque: .................................................................................. 61 3.8.5. FUNDENTE ................................................................................................................... 61 3.8.6. Tipos de fundentes finalidades y aplicaciones ............................................................... 62 3.8.7. Clases de fundentes ........................................................................................................ 62 3.9.

CALCULO TÉCNICO DE UN HORNO CUBILOTE .................................................... 63

3.9.1. CÁLCULO DE LAS DIMENSIONES Y DISEÑO DEL HORNO DE CUBILOTE DE 400 mmDE DIÁMETRO INTERNO .................................................. 63 3.9.2. Preparación ..................................................................................................................... 68 3.9.3. Reparación del cubilote .................................................................................................. 69 4.

BIBLIOGRAFÍA............................................................................................................. 71

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ÍNDICE DE FIGURAS

viii

ÍNDICE DE TABLAS

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RESUMEN El presente proyecto se basa en una metodología que considera los principa les parámetros de diseño, construcción y operación de un horno de cubilote con aire precalentado utilizado para fines docentes y de investigación. En tal sentido, se evalúan la altura efectiva del horno, el área total de las toberas,

las

dimensiones de los conductos de aire, la

productividad, el consumo de aire, la altura de la cama de coque, el peso de la carga, la relación metal/coq ue, entre otros parámetros de diseño y operación igualmente significativos. Se ha considerado al funcionamiento, operación y mantenimiento del horno como un capítulo yuxtapuesto, ya que cada uno de estos parámetros guardan estrecha relación y dependencia para que se dé un correcto proceso de fusión y menor escala de efectos nocivos producidos por los gases de combustión.

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CAPITULO I 1 1.1

Generalidades Introducción

El horno de cubilote es una de las unidades de fusión más utilizadas para la producción de hierro gris, no solo por su facilidad de construcción y manejo, sino también por la gran producción que pueden brindar estos a escala industrial. Más del 90% de los elementos mecánicos para equipos que se hallan sometidos a grandes esfuerzos están hechos de hierro como materia prima, por lo cual su fabricación se ha convertido en una de las más importantes a nivel mundial, en tal sentido el horno de cubilote pasa a ser la herramienta adecuada para su proceso de obtención. La producción de hierro colado ha alcanzado un papel preponderante, tanto por sus características y propiedades mecánicas, así como por la vasta cantidad de recursos disponibles en varias regiones del globo, este metal es transformado para obtener los diversos tipos de fundiciones, entre las cuales se halla la fundición gris la cual es una aleación hipoeutéctica con un contenido de carbono de hasta el 4%; el grafito fluye mucho mejor cuando el porcentaje de carbono es mayor y la temperatura de fusión es alta, estas condiciones de servicio solo se encuentran en hornos que presten dichos requerimientos ; además para tener un buen control de las variables de cualquier fundición es necesario saber cuáles son los contenidos de carbono de la materia prima utilizada. En virtud a lo anteriormente expuesto y debido a que las fundiciones tienen un alto contenido de carbono, estas son relativamente duras y resistentes al desgaste por lo que tienen innumerables aplicaciones y mayores ventajas en relación al acero.

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1.2

Objetivos de la investigación

1.2.1 Objetivo general En este presente trabajo diseñaremos un horno de cubilote para la utilización con fines de estudio en la Universidad Nacional José Faustino Sánchez Carrión. 1.2.2 Objetivos específicos  Realizar los cálculos para definir la cantidad de aire necesario para el horno; seleccionar y construir el intercambiador de calor correspondiente.  Determinar las medidas y material correspondientes para la construcción de un horno cubilote que funda 50Kg. por carga.  Determinar costo de instalación y construcción del horno cubilote

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CAPITULO II 2. MARCO TEÓRICO 2.1. Horno de Cubilote Un cubilote es un horno vertical para refundir los lingotes de hierro que se obtienen en los altos hornos, chatarra reutilizada, alimentadores y bebederos de piezas fundidas anteriormente, principalmente se usa para fundir fundición gris y con la ayuda de metales añadidos al momento del sangrado denominados inoculantes se puede obtener fundición nodular, eventualmente se usa también para aleaciones de cobre pero el uso no es muy difundido. Del material líquido vaciado en moldes apropiados se podrá fabricar directamente piezas de maquinaria y objetos de hierro fundido. El cubilote es básicamente un tubo vertical que sirve de soporte al refractario que lo recubre interiormente. Se han dado casos de cubilotes hechos hasta de cilindros vacíos de aceite apilados uno encima del otro y recubiertos de arcilla que sea refractaria, lógicamente los lotes de producción serán para uso eventual o en zonas aisladas. Comercialmente los cubilotes oscilan entre los 450 mm (18") de diámetro interior con producciones de algunos cientos de kilos hora de fundición gris hasta unidades de más de 2 m de diámetro interno (80") con producción de varias toneladas por hora. Al cubilote lo rodea un anillo cerrado de mayor diámetro denominado caja de viento donde se sopla aire externo con una cierta presión que estará en función del diámetro y altura del cubilote llegando desde los 400 mm de columna de agua de presión estática hasta más de 1200 mm de la misma. El cubilote consume en términos generales el mismo peso en aire que el del metal que logra fundir y la relación de metal a carbón que son cargados por la boca de carga alternativamente puede oscilar entre una parte de carbón por seis de metal hasta una de carbón por diez de metal,

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dependiendo de las características del carbón, de las dimensiones del cubilote y del diseño de las toberas de soplado. Existen cubilotes que aprovechan los gases de escape para precalentar el aire de soplado y los resultados han sido variados desde unidades que logran gran eficiencia térmica precalentando hasta los +525 °C el aire de soplado hasta unidades cuyos costos de operación y mantenimiento del sistema de precalentamiento suben tanto que hacen que el sistema no sea rentable. El cubilote es el único horno de fusión secundaria, no siderúrgico, que tiene al metal y al combustible en contacto directo por lo que logra altos grados de eficiencia térmica. El combustible más usado es el coque de carbón, el carbón mineral y el carbón vegetal obteniéndose con este último hierro fundido de muy bajo contenido de azufre, la implicancia de tipo ecológico hace que esto solo sea posible actualmente con carbón obtenido de bosques cultivados. Actualmente hay una empresa inglesa que ha desarrolla do un cubilote que no usa carbón y lo reemplaza por quemadores de gas natural con la adición de unas bolas cerámicas dentro del horno para permitir el paso de los gases de combustió n. El cubilote está forrado interiormente de ladrillos refractarios y tiene dos aberturas opuestas en la parte baja a las cuales se les da el nombre de boca de sangría y de escoriado: por ellas sale el metal líquido fundido y por la otra la escoria de fundición que no es otra cosa que las cenizas de combustión, los óxidos metálicos no reducidos, las impurezas de la chatarra, el refractario consumido y cualquier otro elemento diferente al metal deseado. Con la finalidad de darle mayor fluidez a la escoria se carga junto con el carbón un porcentaje de alrededor de 6% de piedra caliza en trozos que se fundirá y dará facilidad a la descarga de la escoria del horno. En cubilotes primitivos la boca de sangrado se usaba para vaciar el caldillo del

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metal después de fundido, el cual viene por un caño de hierro y cae en la cuchara corriendo por ella hasta la pieza que debe fundirse. En la actualidad es frecuente en las operaciones comerciales la descarga continua en un ante crisol que es un recipiente de almacenaje temporal que permite vaciar piezas de mayores dimensiones y sobre todo de una calidad más homogénea al permitir la mezcla de las diferentes cargas que se han realizado al cubilote. En el fondo del cubilote se encuentra una tapa articulada cuya función es descargar los sobrantes de carbón, metal y escoria cuando se desea acabar con el ciclo de fundido. En la parte alta tiene el cubilote otra abertura llamada boca de carga por la cual se echa el metal que debe fundirse con el carbón que se cargaran junto con el fundente en cargas alternadas sobre una cama de carbón incandescente que se carga inicialmente al prender el cubilote sin ningún metal, una vez esta carga denominada cama se encuentra totalmente encendida se inician las cargas alternadas de metal y carbón/fundente, la altura de la cama debe de mantenerse a lo largo de la fusión para asegurar una temperatura homogénea en el metal obtenido y el lograrlo es la parte más compleja de la operación del cubilote. Además de las aberturas indicadas, hay otros agujeros circulares

o

rectangulares para que a través de ellos entre el aire de soplado, en la actualidad el número de toberas será dependiente del diámetro del cubilote y su área es usualmente proporcional al área interna del mismo. Hay numerosas disposiciones de las mismas en una o dos capas, con funcionamiento alternante para prevenir la obturación de las mismas y aún las hay fabricadas de bronce con refrigeración interna para producir un soplado que penetre más al centro del cubilote a fin de que arda el combustible más

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eficientemente. El cubilote aún en la actualidad sigue siendo el horno de fundición para metal ferroso de uso más extendido en el mundo teniendo solo como limitante el que no llega a fundir aceros por la ganancia de carbono que se produce dentro del cubilote aun cargando solo chatarra de acero. Se usa también como elemento primario de fusión para trabajar en forma "duplex" con hornos eléctricos de inducción o arco en donde se hace la reducción del carbono y ajuste metalúrgico.

Figura 1 Vista seccional de un cubilote 2.2. Tipos de Cubilotes 2.2.1. Cubilote shaw-walker. Es un ingenioso pequeño cubilote con un diámetro interior de unos 60 cm, y solamente unos 60 cm de altura sobre las toberas, con un pequeño soplador similar a un pequeño secador de pelo en cada tobera. Una cubierta sobre el coronamiento, con un pequeño orificio de unos 15 cm de diámetro, ayudaba a forzar el chorro de aire

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hacia el centro, al mismo tiempo que irradiaba el calor hacia abajo. Cualidades de esta pequeña unidad eran un volumen de producción de hierro fundido de unos 45 a 90 kg de hierro a intervalos frecuentes, y temperaturas de 1425 °c o más. 2.2.2. Cubilote ovalado. El cubilote ovalado, llamado también cubilote Mackenzie tomado de american foundry practice, de T.D. West, 1882, fue diseñado para dar una mejor penetración al chorro de aire en tamaños grandes. Naturalmente, el enladrillado

es realmente

complicado, pero la idea es buena y la dificultad ha sido vencida haciendo el horno en forma de eslabón, por ejemplo, dos semicírculos con una sección rectangular entre ellos. Los tres cubilotes de 40 toneladas de una gran planta de tubería consisten de dos semicírculos de 183 cm con una sección rectangular de 76.2x183 cm. Así se dispone de formas standard de ladrillos refractarios para el revestimiento. Algunos de los primeros cubilotes

se hicieron cuadrados, y algunos otros rectangulares, pero la

forma circular es empleada casi universalmente hoy día. Este cubilote fue el primer cubilote patentado y presenta un número de detalles nuevos en la construcción de cubilotes. La antigua teoría de dirigir el soplado hacia el centro del cubilote por la fuerza del soplador y de las toberas pequeñas fue abandonada por entero, y se adoptó la teoría de suministrar a un volumen de aire suficiente para llenar el cubilote. Se atornillaron a las corazas cajas de toberas y hierro colado, para recibir la tubería del soplo de aire, y esta era entregada al cubilote desde una cámara de aire que lo rodeaba, y a través de una tobera continua. La cámara de aire que estaba formada por un mandil de placa remachada a la cima del cubilote, estaba enteramente abierta en el fondo, dando un

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espacio ilimitado para la admisión del viento en el cubilote.

Figura 2 Cubilote de forma ovalada 2.2.3. Cubilote Grandall. El señor E. Kirk pensó alguna vez que la forma de lámpara de petróleo, era ideal, pero más tarde cambio su opinión a favor de un revestimiento recto, o con un ligero estrechamiento, como se muestra en el arreglo de zipper.

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Figura 2 Vista seccional del cubilote Grandall, de torre de candil 2.2.4. Cubilotes enfriados con agua. Diversos tipos de cubilotes enfriados con agua han sido desarrollados en los estados unidos y en otros países. Aun cuando iguales en principios, diferentes en el método adoptado para el enfriamiento, el que puede llevarse a cabo por medio de camisas de agua internas, o una serie de tubos igualmente instalados, o por medio de un manto de agua fluyendo en el exterior de la coraza. Las opiniones difieren mucho sobre el mérito de cada uno de estos sistemas, pero se estima que el método externo, a causa de su sencille z, presenta pocos problemas de operación. Sin embargo, deberá indicarse que ambos tipos han dado resultados excelentes durante varios años de operación.

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2.3. Partes del horno de Cubilote ¿Cómo está constituido un horno cubilote? Usualmente los hornos cubilotes se dividen e 3 partes. 2.3.1. Parte Eléctrica Comprende

el conjunto

de

medios

y elementos

útiles

para la

generación, el transporte y la distribución de la energía eléctrica. Este conjunto está dotado de mecanismos de control, seguridad y protección. Por la cual tenemos: Chimenea y su correspondiente cobertura. Algunas veces se añade apaga chispas. 2.3.2. Parte Estructural El componente estructural se refiere a aquellas partes de un horno que lo mantienen en pie, incluyendo columnas, diseñados para transmitir cargas, a través de las columnas y cimientos hacia el suelo. La falla de uno de estos elementos puede generar serios problemas al horno incluido su destrucción total. Por los cuales tenemos: Revestimiento interno de material refractario (entre este y la envoltura se deja una capa intermedia de unos 2 cm, rellena de arena seca, para permitir las dilataciones radiales y axiales de refractario). Toberas, de hierro colado o chapas de acero, en forma de caja horadada y adaptada al revestimiento para conducir el aire al interior del cubilote. En la parte correspondiente de cada tobera, la pared exterior está agujereada y provista de portillos con mirillas (de mica o cristal) para vigilar la combustión.

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Piquera de escoria. Abertura dispuesta a unos 15 o 20 cm aproximadamente por debajo del plano de toberas, inclinada de 30 a 40º, respecto a la horizontal Puerta lateral de encendido y limpieza. Antes de cerrarla, al comienzo de la fusión, hay que rehacer el murete que completa el revestimiento. Canal de colada, de plancha de hierro, revestido de masa refractaria. Mantiene la misma inclinación de la solera (10º). Plancha base de envoltura cilíndrica; de hierro colado o chapa fuerte. En su centro hay una abertura del diámetro de la solera, que puede cerrarse con un portillo de descarga de uno o dos batientes que se abren hacia abajo por medio de un cerrojo, de una palanca o quitando el puntal. A través de ella se descarga el contenido de coque de la cama, al final de la operación del horno. Columnas de apoyo: casi siempre son cuatro, de hierro fundido y son sostenidas a su vez por unos cimientos de ladrillos de hormigón. 2.3.3. Parte de Instrumentación Es el grupo de elementos que sirven para medir, sobrevivir, convertir, transmit ir, controlar o registrar variables de un proceso con el fin de optimizar los recursos utilizados en éste. Es el conocimiento de la correcta aplicación de los equipos encaminados

para apoyar al usuario en la medición, regulación,

transformación,

ofrecer

seguridad,

observación,

etc., de una variable dada en un proceso

productivo. Por los cuales tenemos: Boca de carga: pequeña y provista de una plancha inclinada para la introducción

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de las cargas cuando se realizan a mano, más amplia si se hace mecánicamente. Cámara de aire anular, de plancha delgada, que circunda del todo o en parte la envoltura y dentro de la cual, pasa aire o viento (enviado por una máquina soplante) para la combustión del coque. Solera a fondo de cubilote. Consiste en arena de moldeo apisonada e inclinada 10º hacia la piquera de sangría del horno. Crisol: es la parte inferior del cubilote comprendido entre la solera y el plano de las toberas. Se estima que el metal ocupa en él, el 46 % del volumen. El 54 % restante está ocupado por coque incandescente.

Figura 3 Partes del horno cubilote 2.4. Zonas del Cubilote La energía necesaria para el proceso de fusión se genera cuando el coque incandescente se pone en contacto con el oxígeno que entra en el soplo produciendo la reacción de combustión. Los gases calientes producto de la combustión suben a

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través de la columna del horno y entran en contacto con la carga metálica fundiéndola. Como los gases ascienden y los materiales de carga descienden, el proceso se considera a contracorriente. Ha sido común que los investigadores de cubilote lo dividan en zonas según los procesos y reacciones que ocurren en él. Las cinco zonas más comúnme nte citadas son la de precalentamiento, la de fusión, la de reducción, la de oxidación y el crisol. 2.4.1. Zona de precalentamiento La función principal de esta sección del cubilote, que queda sobre la zona de fusión, es servir como cambiador de calor en el que se recupera el calor sobrante por un cambio de calor directo entre los gases que viajan hacia arriba y las cargas que descienden junto con el combustible. 2.4.2. Zona de fusión Cuando se alcanza la temperatura de fusión de la carga metálica se entra a la zona de fusión, la extensión y comienzo de esta va desde arriba de las toberas a la parte superior del cubilote y depende de la naturaleza del material cargado, ya que el hierro funde a unos 1150°C y el acero a unos 1500°C. Las condiciones más severas se encuentran precisamente arriba de las toberas, en donde tiene lugar la oxidación del hierro y otros elementos. La reacción principal en esta zona es el cambio de fase de sólido a líquido. Esto extrae calor adicional, cuya cantidad exacta es función del calor de fusión del metal fundido y de la relación metal/combustible empleada. En esta zona ocurre una parte significante de la absorción de carbono por parte de los metales deficientes en este elemento. La reacción es:

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2.4.3. Zona de oxidación Se encuentra cercana a las toberas y es donde ocurre la reacción de combustión, por tanto es rica en dióxido de carbono; la extensión de esta zona depende de las condiciones del soplo (temperatura, caudal, enriquecimiento con oxígeno, etc.), de las características del coque (reactividad y tamaño), del diámetro y tipo de refractario del horno. Es precisamente en esta zona donde se produce el calor necesario para el proceso. Los regímenes de las reacciones que ocurren en esta zona dependen principalmente de la

superficie

aerodinámica del combustible, que es

aproximadamente proporcional al diámetro promedio de los trozos de carga y a la concentración de los reaccionantes en la vena del gas. 2.4.4. Zona de reducción Son ricas en monóxido de carbono, la superior debido a la gasificación del coque por CO2 y la inferior debido a las reacciones de oxidación del silicio y el carbono en el metal en la zona del crisol. La extensión de la zona de reducción superior depende de la altura de la cama y de las condiciones del soplo, especialmente del caudal. El tamaño de la zona de reducción inferior depende de la diferencia de altura entre las toberas y la parte superior de la capa de escoria en el crisol.

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Figura 4 Zonas del cubilote 2.5. APLICACIONES INDUSTRIALES DE UN HORNO CUBILOTE 2.5.1. TIPOS Y PROPIEDADES: Según el artículo materiales compuestos de matriz metálica, dice que parte de los tipos, propiedades y aplicaciones (edil da costa & López Velasco de la universidad de santa Catarina de Brasil en el año 2000. Bajo epígrafe “material compuesto de matriz metálica (MMC)”, podrían incluirse dos grandes familias de materiales: aquellos materiales destinados para aplicaciones de corte y desgaste (carburos cementados, aceros reforzados con carburo, etc.) y aquellos materiales de alta rigidez, resistencia y modulo especifico, normalmente

destinados para aplicaciones estructurales en la

industria automotriz o aeronáutica. El primer grupo de materiales se basa en matrices de metales de transición (Co, Fe, Ni) y el segundo en aleaciones ligeras (base Al, Ti, Mg). Pese a que en buena ortodoxia, ambas familias caen bajo el paraguas de los MMCs, en la mayoría de tratados y revisiones únicamente se considera como tales los materiales pertenecientes a esta última familia, considerando a casi todos los materiales del primer grupo bajo definición de “metal duro”. Como conclusión se llegó a decir que los materiales compuestos tienen un gran futuro siempre y cuando se aseguren procesos económicos para su fabricación. También poder asegurar las propiedades

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deseadas según su aplicación.

2.5.2. Aplicación de Los hornos tipo cubilote en las industrias El Operador de Horno Cubilote está capacitado para encender el horno para la fusión de metales ferrosos y no ferrosos, realizar la colada y fundición de piezas mecánicas, obtener probetas para su posterior análisis y seleccionar chatarra y/o arrabio. Un cubilote es un horno vertical para refundir los lingotes de hierro que se obtienen en los altos hornos, chatarra reutilizada, alimentadores y bebederos de piezas fundidas anteriormente, principalmente se usa para fundir fundición gris y con la ayuda de metales añadidos al momento del sangrado denominados inoculantes se puede obtener fundic ión nodular, eventualmente se usa también para aleaciones de cobre pero el uso no es muy difundido. El cubilote se emplea casi exclusivamente para la producción de fundición de hierro, aunque también se utiliza algunas veces con dimensiones más pequeñas para fundir cobre si se necesitan grandes cantidades de este metal. No sirve para fundir latón o bronce porque se produce una oxidación excesiva del zinc o del estaño, aunque a veces se funde el cobre en el cubilote y luego se añaden al caldo las adiciones aleantes necesarias. Los HORNOS DE CUBILOTE para fundir Hierro son tipo cuba vertical de sección cilíndrica, donde se refunden Chatarras de Hierro y Acero, así como lingotes de Arrabio, utilizando como combustible COQUE y como fundentes Caliza y Espato Fluor. L En el Horno Cubilote están presentes en los sectores de fabricación de pieza s mecánicas a través fundición de metales, en empresas o talleres metalúrgicos que se

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dedican a: • Industrias metalúrgicas vinculadas al proceso de fusión y colada de metales. • Producción de piezas en serie. • Fabricación de piezas únicas. Producción de las empresas de fundición en toneladas por mes. En Antioquia, las empresas funden principalmente hierro, acero y aluminio. En menor proporción, se encuentran materiales como bronce, zamac, antimonio y plomo. El principal tipo de moldeo es en arena (8 empresas lo utilizan como el tipo de moldeo principal y 2 lo utilizan como secundario), seguido por el centrifugado (2 lo tienen como principal y 1 como secundario), inyección (2 empresas), espuma perdida y colada continua. Las empresas que emplean el moldeo en arena no tienen un control estricto sobre las propiedades de la arena que utiliza n. Ninguna de las empresas realiza ensayos a temperaturas altas como compresión, resistencia, humedad retenida, penetración del metal o transferencia térmica. Tampoco realizan ensayos de moldeabilidad, resilencia, refractariedad o permeabilidad. Sólo algunas empresas realizan pruebas de granulometría, dureza, contenido de humedad. En general, el control de la arena se realiza mediante el tacto. Se encontró una variedad alta en el tipo de horno utilizado para fundir los metales: 3 empresas funden con hornos cubilote, 1 con horno de reverbero, 4 con crisoles y 4 con hornos de inducción, 1 tiene hornos cubilote y de crisol, 1 tiene hornos de crisol e inducción. Las empresas con hornos de cubilote presentan los mayores problemas ambientales.

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2.6. CICLO DE FUNCIONAMIENTO 2.6.1. ENCENDIDO Dos horas antes de dar comienzo a la colada del metal, se repara la solera del horno con arena de moldear seca con una pequeña adición de grafito, arcilla y agua, secándose con fuego de leña o con una llama de fuel-oil o de gas, una vez seca la solera y desde arriba de la sección inferior del horno se introduce un montoncito de leña seca que se enciende hasta obtener un fuego abundante y vivo, favorecido por el enérgico tiro que producen las mirillas de las toberas, la piquera de colada y escoria.

Figura. Encendido del horno Se empieza entonces a introducir el coque para encenderlo, en una capa de unos 30 cm para cada carga, a razón de 140 Kg por metro cuadrado de horno; con el coque debe mezclarse un 5 a 10 % de piedra caliza, llamada también fundente, antes de introducir una nueva capa hay que asegurarse de que el coque situado debajo debe estar bien encendido. El coque de encendido debe alcanzar de 40 a 60 centímetros sobre el plano de las toberas. El nivel se comprueba introduciendo por la boca de carga una cadena o una cabilla doblada en (Z), el encendido de la columna se comprueba observando el color rojo del revestimiento refractario u observando directamente los trozos de coque por la mirilla de las toberas. Se activa el encendido dando viento por espacio de 4 a 5 minutos, lo cual sirve también para desulfurar el coque.

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2.6.2. INTRODUCCIÓN DE LA CARGA La carga del horno se comienza colocando sobre la capa de coque de encendido una carga de coque adicionada de la necesaria cantidad de fundente y encima de esta la carga metálica. A continuación, se coloca una segunda carga de coque con fundente y la segunda carga metálica, y así alternativamente hasta alcanzar la boqueta de carga. Se espera un período de tiempo de 20 minutos, para que el coque encendido de la cama precaliente las cargas añadidas al horno. Transcurrido ese tiempo, se cierran

las

mirillas de las toberas y las portillas, se enciende la cámara de

calentamiento registrándose que la cantidad de aire y gas sea la necesaria se enciende la premezcla, se conecta el ventilador del intercambiador de calor y si todo ha sido bien ejecutado, transcurrido de 8 a 10 minutos, se presentará el primer hierro fundido en la piquera de colada. Este hierro se considera frío y no se utiliza. Solo se emplea cuando comienza a salir fluido y bien caliente por el canal de sangrado. Si se desea un mayor rendimiento del horno hay que encender la cámara de calentamiento de aire 10 min antes de completada la hora de precalentamiento de las cargas, esto con el fin de que el aire que ingresa a la cámara de calentamiento ingrese a la temperatura deseada.

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Figura. Introducción de la carga de coque La carga de coque de encendido (cama), cuya función es sostener las cargas colocadas encima y dar con su combustión, la energía térmica necesaria, debe estar constituida por una cantidad de combustible cuya altura permanezca invariable durante toda la colada. Para ello, el coque consumido se reintegra de modo regular a través de las cargas sucesivas de coque, que entran por la boqueta de carga. 2.6.3. PERÍODO DE OPERACIÓN A partir de que el primer hierro fluye libremente por el canal de sangría, se cierra este orificio con un tapón de arcilla o barro refractario. Ahora se espera a que se acumule el hierro líquido en el crisol del horno. La medida de que el crisol estará lleno le dará la salida de escoria por la piquera correspondiente.

Figura. Horno de cubilote en plena operación La fluidez con que salga la escoria es índice del buen funcionamiento del horno. Inmediatamente que salga toda la escoria (comienza a salir hierro, junto con la escoria), quiere decir que el crisol está lleno de hierro líquido. Entonces se rompe el tapón del orific io de sangría y se recibe el hierro en las cazuelas de vertido. Vaciado el

21

crisol se coloca un nuevo tapón en el orificio de sangría y se repite todo el proceso. Lo descrito aquí es lo que se denomina operar el horno por picada y se hace cuando se demandan grandes cantidades de hierro de una vez o por la práctica establecida.

Figura. Picado del horno En el sistema por sifón (Pinar del Río), desde un inicio el orificio de sangría permanece abierto, el hierro y la escoria se separan en el sifón. Esto es lo que se conoce como colada continúa. 2.6.4. FIN DE LA FUSIÓN Después del periodo de operación del horno, se comprueba la cantidad de piezas que quedan todavía por colar y se introduce la última carga, reservado para esta los trozos de metal más ligeros. Cuando el nivel de la carga alcanza aproximadamente las tres cuartas partes de la altura del horno, se reduce gradualmente el viento, cerrando por completo la entrada de aire al horno cuando está próxima la fusión del último hierro colado. Cuando aparece escoria en la piquera se vacía el horno.

22

Figura. Colado de las piezas

Figura. Piezas obtenidas por fundición en el cubilote 2.6.5. VACIADO DEL HORNO Una vez terminada de fundir la última carga, se abren los portillos de las toberas, se abre el canal de colada y la portilla de encendido y se hace correr cerrojo o el puntal que cierra la puerta inferior del horno. La solera del horno cae al igual que los residuos de la capa de coque y de material contenidos, que se apagan con chorros de agua y se retiran para que no se estropee el cubilote. El coque recuperado se aprovecha para las estufas o para el relleno de machos muy voluminosos. El hierro se funde para las piezas corrientes.

23

Figura. Vaciado del horno 2.7. PARAMETROS DE DIMENSIONAMIENTO Y OPERACION 2.7.1. PARÁMETROS DE DISEÑO. 2.7.2. Altura del horno. El principal parámetro de diseño del horno es su diámetro interior (D), medido al nivel de tobera. De él depende la altura efectiva (He), que va desde el nivel de toberas a la puerta de carga y la altura (H), que es la distancia de la solera a la puerta de carga. La experiencia demuestra que ambos parámetros deben variar en los límites siguientes: 5 4 H= D ; H= D 7 6

2.7.3. Toberas. El aire para quemar el coque hace su entrada al horno a través del sistema de toberas. En Cuba predomina el sistema de colocar todas las toberas en un mismo plano. En ese caso, el área total (S1) de las mismas debe ser de 1/4 a 1/8 del área de la sección interior del horno (F), medido a nivel de toberas. El valor más empleado es 1/4 (25 %). La práctica inglesa recomienda colocar una tobera cada 15 cm de diámetro interior del horno. Su número siempre debe ser par y no menor de 4

24

Otras recomendaciones son:  . Para cubilotes grandes----------S1=F/(5  Para cubilotes pequeños------- S1=F/(4

6) 5)

2.7.4. Conductores de aire

La ubicación de las toberas está en dependencia de la capacidad del crisol del horno. Una recomendación puede ser la siguiente: la hilera de toberas debe colocarse a 30 cm aproximadamente del fondo de la solera del horno, si este se opera por colada continua y de 90 a 120 cm, si este se opera por picadas. La tubería, desde el ventilador hasta la caja de aire del horno, debe ser recta y de sección circular. El área de su sección (S2) debe ser el doble de la sección de salida del ventilador. La tubería, debe entrar tangencialmente en la caja de aire, de sección (S3). Debe cumplirse que: S3= (2.5 3) S2 a=

donde: S3 = Área de la sección de la caja de aire. dónde: a = Altura de la caja de aire.

2.7.5. Zona del crisol Las dimensiones del crisol también dependen del diámetro interior del horno (D). Para hornos intermitentes, por picada, la altura del crisol (hcrisol) se puede tomar como: H crisol = (0.8 1) D En el crisol se estima que el metal líquido ocupa el 46 % del volumen. En nuestro caso todos los hornos evaluados emplean sifón, por lo tanto son de sangrado continuo. En este tipo de horno, la altura promedio del crisol es de 30 cm, en tanto no se acumula metal dentro del horno (en el crisol), y este fluye constantemente hacia el exterior. La piquera de escoria se recomienda colocarla de 15 a 20 cm por debajo del nivel de tobera y siempre situarla entre dos toberas, con inclinación suficiente para que corra la escoria libremente por ella. El diámetro de orificio debe ser de 30 a 50 mm. La piquera de colada se coloca al nivel de la

25

solera del horno, debe tener una inclinación de 10º, el diámetro del orificio debe ser alrededor de 15 a 25 mm. 2.7.6. Antecrisol El antecrisol se utiliza cuando el horno opera por picada continua. La capacidad del antecrisol, en toneladas por hora, debe ser de 0.5 a 1.0 veces la capacidad del horno. Por lo general el valor más empleado es de 0.8. El diámetro interior del antecrisol se toma de 1.0 a 1.3 veces el diámetro interior del horno al nivel de tobera. La altura del antecrisol se toma igual que su diámetro. 2.7.7. Puerta de carga y chimenea La puerta de carga se coloca a 180º respecto a la piquera de colada. Se sitúa a partir de la altura efectiva del horno. El tamaño de la puerta de carga depende del sistema de carga empleado. La chimenea debe sobresalir por el techo del edificio. En el extremo se añade el apagachispas. La chimenea del horno debe quedar a no menos de 30 a 50 metros del edificio de plantillería, para evitar incendios. 2.8. PARÁMETROS DE OPERACIÓN 2.8.1. Producción horaria del horno Al igual que en su diseño, el parámetro fundamental de operación del horno es su diámetro interior (D, medido a nivel de toberas). De él depende la producción horaria del horno: D=

Dónde:

P = producción horaria, en Kg/hr. D = diámetro interior del horno a nivel de tobera, en dm.

Al respecto existen discrepancias en la literatura científica. Por ello se han propuesto otras formas de calcular la producción del horno. Entre ellas se encuentra la llamada producción por el factor de corrección del horno, en ton/hr. La misma se obtiene multiplicando el área de la sección del horno a nivel de toberas por un factor, que depende de la relación Fe/coque (Capello, 1974), o sea:

26

Relación Fe/coque Factor: 6/1 ---------------- 0.047 7/1 ---------------- 0.0546 7.5/1 ---------------- 0.057 8.1 ---------------- 0.0622 8.3/1 ---------------- 0.0644 9/1 ---------------- 0.0696 10/1 ---------------- 0.077

P= F x Factor para la relación Fe/coque que le corresponda. La productividad real se puede calcular teniendo los siguientes datos: volumen de cazuela (Vcaz), densidad del hierro fundido (ÞHo/Fo) y el número de cazuela en una hora (Nocaz). P=Vcaz x ÞHo/Fo x Nocaz

Un cubilote operado adecuadamente debe producir 75 Kg de hierro fundido por hora y por decímetro cuadrado de sección (medida a nivel de toberas o su equivalente de 10lb/hora x pul 2 (Heine, Loper, Rosentral, 1967). Esto es lo que se conoce como producción específica del horno. De igual forma, debe fundir a un ritmo promedio de aproximadamente 10 cargas por hora. 2.8.2. Altura de la cama Otro parámetro importante en la operación del horno es lo que se denomina altura de la cama del horno (hc). Se entiende por tal, la distancia medida a partir del nivel de toberas y que representa el nivel máximo a que habrá de llegar el coque encargado de producir la combustión dentro del horno. Esta altura depende de la presión con que es soplado el aire (Pa) dentro del horno. Su cálculo se efectúa mediante fórmulas empíricas avaladas por la experiencia práctica (A.F.S. 1954).

27

hc=

x 10.5 + 6

donde : hc = altura de la cama, en pulgadas Pa= presión de la caja de aire, en onzas/pulg2 (1onza/pulg2= 44mmH2O)

Dicha altura debe mantenerse constante durante toda la operación del horno y esa es la función de las cargas de coque que acompañan a las cargas metálicas. El coque empleado en producir la cama del horno debe ser de la mayor calidad posible y el tamaño de los trozos, debe oscilar entre 1/10 y 1/12 del diámetro interior del horno. Una regla empírica muy efectiva consiste en lo siguiente: si la altura de la cama del horno está bien calculada, el primer hierro fundido líquido (se considera frío y no se utiliza), debe salir por la piquera de colada entre 6 y 9 minutos después de iniciada la marcha del horno. El coque para formar la cama del horno debe calcularse a razón de 140 Kg/m2 de sección del horno y en capas que alcancen aproximadamente 32 cm por la altura del horno. Antes de añadirse una nueva capa de coque, para formar la cama, hay que asegurarse de que el coque añadido anteriormente esté bien encendido. Después de alcanzada la altura definitiva de la cama (en muchas fundiciones se hace por experiencia), se debe soplar aire durante 4 o 5 minutos. De esa forma se desulfura el coque. A la cama del horno se le puede o debe añadir 5 a 10 % de piedra caliza (fundente) (AFS, 1954), para desulfurar el coque. El coque que se emplea en el cubilote y particularmente en la cama, debe poseer buena resistencia mecánica, ya que tiene que soportar el peso de las cargas metálicas que se introducen por la puerta de carga. Un valor adecuado de resistencia mecánica se considera el siguiente: 15 MPa. El término resistencia mecánica aquí también puede entenderse como la mayor o menor tendencia al fraccionamiento de los trozos de coque. De ahí que en algunas normas estatales, este valor se exprese en función del porciento de trozos retenidos sobre una malla, después de someter el coque a un tratamiento mecánico dentro de un

28

tambor giratorio. En esas condiciones, la fracción menuda, en un buen coque, no debe sobrepasar el 15 % de la muestra. 2.8.3. Suministro de aire El aire que se sopla dentro del horno, por lo general proviene de un ventilador centrífugo o de un ventilador de émbolos rotatorios (tipo Root). En las fundiciones cubanas más antiguas predomina este último. Cualquiera que este sea, debe garantizar la presión y el volumen de aire necesarios. El ventilador centrífugo, como se sabe, es más elástico a los efectos de su regulación y más ventajoso desde el punto de vista económico. El de émbolos rotatorios, en cambio, garantiza una presión constante, lo cual posee particular importancia para un horno de cubilote, dado que la permeabilidad al aire y los gases dentro del horno puede variar durante la operación del mismo. (Variación en el tamaño del coque y los trozos de la carga metálica). Los instrumentos de medición de la presión y el flujo de aire deben estar instalados en una porción recta del conducto de aire, sobre una distancia no menor de 14 veces el diámetro. El conducto de aire debe ser de sección circular y de un diámetro tal, que la velocidad lineal del flujo sea menor a 15 m/s. La cantidad de aire que se inyecta a un horno de cubilote, viene dada por la relación hierro/coque que se emplea (dicha relación oscila normalmente entre 6/1 y 15/1) y determina, junto con el diámetro interior del horno, la producción horaria del mismo (t/h). Un cubilote debe consumir aproximadamente 100 metros cúbicos de aire por cada metro cuadrado de sección transversal del horno (a nivel de toberas). La instalación de las máquinas soplantes resulta a menudo inadecuada. Dos errores muy frecuentes son: demasiado próximas a los hornos (lo cual no permite la instalación de los instrumentos de medición según las normas vigentes) y a un nivel diferente al de la caja de aire del horno. Algunas de las recomendaciones que deben seguirse son las siguientes: la

29

entrada del conducto del aire a la caja de aire del horno debe ser tangencial; la válvula de regulación del flujo (solo para ventiladores centrífugos), debe estar alejada de los equipos de medición (metro orificio, Venturi, etc.); el equipo de soplado debe estar en un lugar aireado, sin comunicación con el ambiente polvoriento de la fundición y finalmente, como ya se señaló, ninguna sección del conducto puede ser menor que el diámetro de salida del equipo soplador. Como hemos visto, calidad del coque, presión del aire y altura de la cama del horno, son parámetros esenciales para el buen funcionamiento del mismo. Es difícil dar una guía segura sobre la presión del aire que se suministra al horno, ya que depende de muchos factores, entre ellos: dimensiones de las toberas, tamaño promedio de los trozos de coque, características de los materiales de la carga y otros. En condiciones normales de operación suelen ser frecuentes los valores siguientes (Vetishka, 1981): Diámetro interior del horno (cm): 60-75 76-100 101-125 126-150 Presión (cm de columna de agua): 30-40 41-55 56-70 71-90 Un aspecto importante y al cual no se le presta siempre la debida atención, es el referido a la humedad relativa del aire que se sopla en el horno. Se ha demostrado que en un horno que funde a razón de 14 t/h, y 25ºC y 75 % de humedad relativa del aire que se sopla, se introducen en el horno aproximadamente 192 Kg de agua por hora. Esto representa un consumo adicional de 230 Kg de coque por hora (San Solo, 1999). 2.8.4. Emisión de los gases En ningún momento se debe olvidar que desde el punto de vista ambiental, el horno de cubilote es un emisor de gases nocivos. De ahí la importancia de conocer adecuadamente la composición de los gases de escape del horno. Se considera que un horno de cubilote opera correctamente, como proceso de combustión, cuando la composición de los gases de escape, medidos en la puerta de carga del horno, es aproximadamente la siguiente: CO2 -

30

15% y CO -9%. Lo anterior, sin embargo, debe considerarse como valores teóricos, ya que en la práctica pueden variar dichos contenidos en límites más amplios. Por ejemplo, para cubilotes de soplo frío, empleando una relación hierro/coque de 10/1, son normales los valores siguientes: 12-15% de CO2 y 8-12% de CO (Sujarchuk, Judkin, 1989). En cualquier caso, el contenido de CO2 en los gases de escape debe mantenerse entre el 50 y el 65% del total. Aunque son grandes variaciones en la relación hierro/coque, este valor puede descender hasta 33%. La ausencia de llamas en la puerta de carga del horno es uno de los índices que indican una operación normal del mismo. Algunos autores consideran que se pueden predecir fallas en el funcionamiento del horno, mediante la observación del tipo de llama que se tiene en la puerta de carga.

31

CAPITULO III 3. CONSTRUCCIÓN, MONTAJE Y ANÁLISIS DE COSTOS 3.1 Generalidades Una vez dimensionadas las partes que conforman el horno, se procede a la construcción y montaje de las mismas de manera sistemática, posteriormente se hará un análisis de costos de acuerdo al tiempo, material y mano de obra empleada. 3.2 Construcción y montaje del horno En el proceso de construcción de la máquina es necesario determinar los requerimientos para la construcción, entre los que tenemos:

3.2.1.



Herramientas.



Máquinas y equipos que se va utilizar en la construcción



Materia prima



Instrumentos de medición y verificación.



Elementos estandarizados.



Elementos a construir.



Hoja de procesos.

Requerimientos para la construcción Para la construcción del horno cubilote se utilizan equipos, herramientas e

instrumentos de medida para la conformación de la misma, a continuación se detalla algunos de los equipos, herramientas, materia prima, elementos estandarizados y elementos a construir.

32

Listado de elementos a construir. Considerar lo siguiente:

3.3.



Sección cilíndrica superior e inferior.



Placa base.



Puerta de descarga.



Caja de aire.



Apaga chispas.



Columnas de soporte (patas).



Sección cilíndrica para el intercambiador de calor.



Tapas del intercambiador.



Bridas para el intercambiador.



Tornillo de potencia.



Guías roscadas.



Soporte del sistema de elevació n.

Hoja de Procesos Se realizará seis hojas de procesos de los elementos principales que conforman

el horno, en las que se detallaran cada uno de los procedimientos que se debe seguir para obtener los diferentes elementos que se va construir. 

Sección cilíndrica superior e inferior



Tapas del intercambiador



Bridas para el intercambiador



Tornillo de potencia



Guía roscada

33

HOJA DE PROCESO N.º

NOMBRE DE PIEZA

MATERIAL

CANTIDA D

1

BASE DE CRISOL

LADRILLO REFRACTARIO

1

2

CARCASA METÁLICA

ACERO

1

3

GUÍA

ACERO

1

MANTA CERÁMICA

2

4

AISLANTE TÉRMICO DE TAPA CORREDIZA

5

TAPAS CORREDIZAS

ACERO

2

6

SOPORTE DE AGITADOR

ACERO

1

7

TAPA TRASERA

ACERO

1

8

PERILLA AGITADORDOR EJE

ACERO/ PLÁSTICO

1

9

TAPA DELANTERA

ACERO

1

10

CRISOL

CARBURO DE SILICIO

1

11

TAPA CRISOL

PLACA CERÁMICA

1

34

N.º

12

13

14

NOMBRE DE PIEZA

PROTECTOR DE RESISTENCIA CERAMICO

AISLANTE TÉRMICO

ANILLO SOPORTE PROTECTOR

MATERIAL

CANTIDA D

CERÁMICO

16

MANTA CERÁMICA

1

CERÁMICO

32

15

SOPORTE TALADRO

ACERO

1

16

EJE SOPORTE DE TALADRO B

ACERO

1

ACERO

1

17

ABRAZADERA EJES SOPORTE DE TALADRO

18

EJE SOPORTE DE TALADRO A

ACERO

1

19

RESORTE SOPORTE

ACERO

1

ACERO/ PLÁSTICO

2

ACERO

1

ACRÍLICO

1

ACRÍLICO

1

20

21

22

23

PERILLA

TAPA CAJA DE CONTROL

BOTÓN ON

BOTÓN MOTOR

35

N.º

NOMBRE DE PIEZA

MATERIAL

CANTID AD

25

PERILLA CONTROL

ACERO

2

26

CAJA DEL CONTROL

ACERO

1

24

BOTÓN OFF

ACRÍLICO

1

27

PANEL DE CONTROL

PLÁSTICO/ LED

1

28

SOPORTE CAJA DE CONTROL

ACERO

1

29

TAPA IZQUIERDA

ACERO

1

30

TERMOCUPLA

ACERO

1

31

TALADRO

MIXTO

1

32

AGITADOR

ACERO

1

33

MANIJA

ACERO

1

34

RESISTENCIA ELECTRICA

HIERRO/NIQUEL

4

36

3.3.1. Montaje de Horno Una vez dimensionados y construidos los elementos que conforman el horno, se procede a su montaje. Para lo cual se debe tener lista y establecida la zona donde se la va ensamblar el equipo, este espacio debe ser el adecuado para que exista la facilidad de movilidad durante el proceso de operación del mismo. Todos los elementos que constituyen el horno se los arma en su sitio de operación, a diferencia del intercambiador de calor el cual se lo ha ensamblado previamente en su sitio de construcción. Es muy importante que horno se lo establezca sobre una base firme por lo que es necesaria la construcción de una base cimentada de hormigón armado, zona en la cual se funden los pernos que sujetaran al horno en conjunto. El montaje del equipo se lo realiza de manera sistemática, primeramente se sujetan las patas a la base cimentada y esta a su vez a la placa base la cual tiene sujetada previame nte la puerta de descarga; una vez que se tiene ensamblado este conjunto se procede a colocar las secciones inferior y superior del horno respectivamente, teniendo en cuenta que el sistema de elevación se encuentre perfectamente alineado y escuadrado a las dos secciones del mismo.

Figura 5 Montaje del horno en su zona de trabajo

37

Una vez armada la estructura del horno, procedemos a la colocación del refractario en las secciones inferior y superior, para lo cual se realizan unos moldes a las medidas externa e interna de los mismos ya que el refractario consiste en un único bloque a manera de cilindro hueco, la composición del mismo se estima en un 80% de concrax 1700 y 20% de ladrillo refractario U32 molido; toda la masa mezclada en conjunto con agua es vertida en el molde para obtener el cilindro con las características y medidas deseadas, en este particular es importante definir las zonas donde irán los agujeros de las toberas y piqueras, los cuales se los elaboran durante la fundición del cilindro refractario inferior, para lo cual se colocan tochos de espuma flex con las medidas establecidas en las zonas donde deben ir las mismas de acuerdo al cálculo previo.

Figura 6 Cilindro inferior refractario con agujeros de piqueras y toberas. Una vez ensambladas las secciones superior e inferior del horno y colocado dentro de las mismas el refractario se procede a la colocación de un anillo o capa de

38

diatomita entre el refractario previamente fundido y la chapa metálica, esta es colocada con la finalidad de absorber la dilación que se da en el refractario debido a la gran temperatura que soporta el mismo y así minimizar danos por agrietamientos en la cámara de combustión. El montaje del intercambiador de calor (carcasa, tubos, bridas, tapas) se lo realizo en su lugar de construcción, esto únicamente por facilidad, ya que se disponía de

las herramientas adecuadas en dicho lugar. Seguidamente se trasladó

el

intercambiador a la zona de operación del cubilote, el mismo que fue anexado de manera directa por uno de sus extremos al ducto de entrada de aire del horno y por el otro al ventilador centrífugo que envía el caudal necesario de aire a la cámara de combustión.

Figura 8 Montaje del intercambiador de calor. Una vez colocado y sujetado dicho intercambiador se procede aislarlo por medio de una capa de lana de vidrio que es distribuida alrededor de la carcasa hasta alcanzar un espesor adecuado y sobre esta una lámina de aluminio para evitar el contacto directo con la lana de vidrio, y brindar mayor seguridad a los operarios. El montaje de la cámara de calentamiento se lo realiza al igual que el horno en su zona de operación, este como se dijo en el capítulo de diseño no es más que una

39

cámara de combustión de forma rectangular, en la cual al aire y gas previamente mezclados ingresan por uno de los extremos se combustionan en su interior y los gases producto de dicha combustión salen por el otro extremo ingresando al intercambiador de calor para calentar el aire que ingresa a la cámara de combustión del horno. Esta cámara es anexada a la entrada del intercambiador de calor por medio de un ducto de diámetro igual al de su cámara de combustión. La cámara de calentamiento se halla sujeta a su soporte en el cual se encuentran además las válvulas de aire, gas, ductos de mezcla y ventilador centrífugo.

Figura 7 Montaje de la cámara de calentamiento de aire Finalmente se coloca el apaga chispas y el instrumento de medición de presión de aire. El apaga chispas es colocado en la parte superior del horno, el cual consiste en un cono hecho de tol cuyo único fin es de minimizar la salida de chispas que se registran durante la operación del horno. El instrumento de medición de presión del aire consiste en un tubo pitot, el mismo que sirve para registrar la presión dinámica de aire que ingresa al horno; un tubo

40

colocado a nivel del ducto de entrada de aire, el cual sirve para registrar la presión estática del aire, estos a su vez se hallan anexados entre sí a un barómetro de cristal a manera de U lleno de agua, este dispositivo sirve para registrar como se dijo con anterioridad la presión estática, dinámica y de trabajo del aire que es enviado por el ventilador hacia la cámara de combustió n del horno de cubilote.

Figura 8 Instrumento de medida de presión del aire 3.4.

ANÁLISIS ECONÓMICO Para el análisis económico es necesario cotizar cada uno de los elementos que

conforman el horno. 3.4.1. Análisis de costos directos En los costos directos se analizan: materiales directos, elementos directos, costos de maquinado y montaje.

41

3.4.1.1. Materiales Directos. Los costos de materiales directos se presentan en la tabla 1. Tabla.1 Costos de materiales directos

CANTIDAD

VALOR UNITARIO (USD)

VALOR (USD)

Chapas acero A36 2400*1200 mm, e=3mm

3

70.00

210.00

Chapa acero A36 2400*1200 mm. e=4mm

1

90.00

90.00

Cilindro acero ANSI 1018 Ø 30mm, L = 1 m

1

50.00

50.00

Cilindro acero ANSI 1018 Ø 50mm, L = 200 mm

1

10.00

10.00

Tubo redondo para vapor 1 1/4 in, e = 2 mm , L = 6000 mm

9

9.88

88.92

Perfil en U 80*40*4 mm L = 1m

1

6.00

6.00

Chapa acero A36 680*680 mm, e = 6 mm

1

20.00

20.00

Chapa acero A36 250*250 mm, e = 10 mm

1

10.00

10.00

Tubo redondo estructural, Φ = 600 mm, e = 2 mm, L = 2000 mm

1

10.00

10.00

Cemento refractario Concrax 1700

10

78.00

780.00

Ladrillo refractario U32

20

2.50

50.00

MATERIAL

Subtotal

$ 1,324.92

Elementos Directos. Los costos de los elementos directos se presentan en la tabla 2. Tabla.2. Costos de elementos directos

CANTIDAD

VALOR UNITARIO (USD)

VALOR TOTAL (USD)

Venterol eléctrico Trifásico 3600RPM, 2HP

1

362.55

362.55

Venterol eléctrico Trifásico 3600RPM, 1/2HP

1

148.50

148.50

Palanca de rachet mando ¾ de 20”

1

39.20

39.20

Copa de ajuste 22mm, mando ¾”

1

3.07

3.07

Válvula para gas

1

3.20

3.20

Perno 10*1.5*30

50

0.20

10.00

Perno 10*1.25*120

12

0.65

7.80

Perno 8*1.25*40

1

0.20

0.20

Perno 5*1.25*30

16

0.12

1.92

Tuerca 8*1.25

1

0.12

0.12

Tuerca 10*1.25

50

0.15

7.50

ELEMENTO

42 Tuerca 10*1.50

12

0.15

1.80

Tuerca 5*1.25

12

0.08

0.96

Rodamiento puerta corrediza 40mm

1

0.20

0.20

Rodela plana 12mm

12

0.07

0.84

Rodela de presión 10 mm

50

0.05

2.50

Subtotal

$ 590.36

Costos de Maquinado. Otro aspecto que se debe considerar para obtener el costo de la máquina es la mano de obra para la construcción, ya que el salario del trabajador se considera en el análisis económico. El valor de los costos se presenta en la tabla 3

Figura 11 Proceso de cortado y doblado de las planchas.

43

Figura 12 Proceso de barolado de las planchas

Figura 13 Corte de las planchas

44

Figura 14 Corte de las planchas

Tabla 3 Costos de mano de obra en máquinas-herramientas. COSTO POR MÁQUINA INCLUIDO MANO DE OBRA (USD/h)

TIEMPO TOTAL (h)

COSTO TOTAL POR MÁQUINA (USD)

Baroladora

10

1.00

10.00

Torno

MÁQUINA

10

6.00

60.00

Soldadora

8

12.00

96.00

Taladro de pedestal

5

1.00

5.00

10

0.45

4.50

5

1.00

5.00

Dobladora Cizalla

Subtotal

$

180.50

Costos de Montaje. Para obtener el costo de montaje se considera la mano de obra necesaria para el armado y ensamblado de cada uno de los subconjuntos y la totalidad de la máquina. Se considera el trabajo de 2 personas durante 10 días a un costo de 15USD diarios/trabajador, resultando un costo total de 300 USD. Costo Directo Total. En la tabla 4 se indica la cantidad total del costo directo.

45

Tabla 4 Costo directo total. COSTOS

VALOR (USD)

Materiales directos

1324.92

Elementos directos

590.36

Costo de maquinado COSTOS

180.50 VALOR (USD)

Costo de montaje

300.00

Subtotal

$ 2,395.78

3.4.2. ANÁLISIS DE COSTOS INDIRECTOS Se analizan: materiales indirectos, costo de ingeniería, y gastos indirectos. Tabla 5 Costos de materiales indirectos

CANTIDAD

VALOR UNITARIO (USD)

VALOR TOTAL (USD)

10 kg

3.97/1kg

39.70

Cuchilla torno HSS

1

8.00

8.00

Disco de corte

4

2.77

11.08

Disco de desbaste

2

3.05

6.10

Sierra para metal

5

1.53

7.65

Lija para hierro

4

0.40

1.60

Pintura anticorrosiva

2.5 L

3.50

8.75

Pintura esmalte

1.5L

4.10

6.15

Thiñer

4L

1.30

5.20

8

0.10

0.80

MATERIAL

Electrodo 6011 de 4.8mm

Guaype Subtotal

$ 95.03

Costo de Ingeniería. Este costo se refiere al tiempo empleado en el diseño de cada uno de los elementos constitutivos de la máquina.

46

Para el costo de ingeniería se considera el sueldo de un ayudante de laboratorio de la EPN de 570 USD durante 2 meses, el costo total de ingeniería es de 1140 USD. Gastos Indirectos. Los gastos

indirectos

son referentes a costos de

movilizac ión de las personas y transporte de materiales para la construcción, montaje de la máquina, y pruebas realizadas. Se estima un valor de 150 USD. Costo Indirecto Total. En la tabla 6 se indica la cantidad total del costo indirecto. Tabla 6 Costo indirecto total.

COSTO

VALOR(USD)

Materiales indirectos

95.03

Costo de ingeniería

1140.00

Gastos indirectos

150.00 Subtotal

$ 1,385.03

3.4.3. COSTO TOTAL DE LA MÁQUINA Tabla 7 Costo total del horno de cubilote con aire precalentado

COSTO

VALOR (USD)

Costo directo

2395.78

Costo indirecto

1385.03 TOTAL

$ 3,780.81

47 3.5.

Reacciones de combustión en el horno de cubilote

3.5.1. La reacción de combustión Cuando el oxígeno que transporta el aire del soplo entra en contacto con el coque incandescente, ocurre la siguiente reacción de combustión(A) C + O2 → CO2 Esta reacción es exotérmica y produce la mayor parte del calor necesario para el proceso. En el horno de cubilote ocurre en una zona muy cercana a las toberas, en donde la temperatura se encuentra por encima de 2.000 ºC. La reacción es de carácter heterogéneo ya que en ella se encuentran involucrados un sólido (coque) y un fluido gaseoso (aire); bajo las condiciones térmicas en las cuales ocurre, la cinética está controlada por el transporte del reactante gaseoso (oxígeno), hasta la superficie del coque. Stanek et al. [11 3.5.3. TRANSFERENCIA DE CALOR EN EL HORNO DE CUBILOTE Uno de los factores que más influyen sobre la profundidad (altura) de la zona de reducción de la cama es el régimen de transferencia de calor entre los gases y el combustib le. Los gases que dejan la zona de oxidación están en un equilibrio de temperatura con respecto al combustible, pero arriba de esta zona existe una diferencia de temperatura entre el gas y el combustible. Es precisamente esta diferencia de temperaturas la que promueve la transferencia de calor de la vena de gas al combustible. La transferencia de calor es directamente proporcional a la superficie del combustib le y al tiempo de contacto entre el gas y el combustible. Siendo el tiempo de contacto entre gas y combustible tan sólo una fracción de segundo (con una gama normal de velocidades entre 12 y 25 m por segundo para volúmenes de aire entre 65 y

48

130 m3 por minuto y por m2 de área de cama) pueden existir diferencias de temperatura más bien amplias. Volúmenes de soplado mayores pueden resultar en tiempos de contacto menores, y menor transferencia de calor. Al igual que el calor extraído en el sobrecalentamiento del metal sobre su temperatura de fusión, hasta una temperatura máxima de 1540°C o mayor, depende de la cantidad del mismo impartida al metal y de la relación metal a carbón empleada en una operación dada. Para un metal de relación de combustible de 10/1 y un sobrecalentamiento de 335 °C, el calor extraído será, aproximadamente, de 3800 Kcal. /mol de carbón consumido. La formación de escoria y subsiguiente sobrecalentamiento de la misma extrae calor de esta zona. Aunque el calor extraído por cada kilogramo de escoria es relativamente alto (normalmente del orden de magnitud de 305 Kcal. /Kg. de escoria) el calor extraído, en términos de moles de carbón consumido, es relativamente pequeño comparado con el extraído en el sobrecalentamiento del metal. Sin embargo, aumenta al aumentar el volumen de escoria, y tiende a bajar la temperatura de la zona de reducción, y por lo tanto la profundidad de esta zona. Factores que ejercen influencia sobre las zonas del cubilote. Existen ciertas limitaciones físicas que causan que las zonas parezcan, en un cubilote real, muy diferentes de las representadas en la figura 6, para la cama idealizada, y que también influyen en los resultados de la operación real. Los más importantes de ellos se discuten en los siguie ntes numerales. Penetración del aire de soplado. En la práctica, el aire es introducido a través de las toberas localizadas alrededor de la periferia del cubilote. Puesto que el oxígeno es consumido después de pasar una distancia equivalente entre 3 y 7 diámetros de trozo ver anexo 13 , y esto corresponde a la región de máxima temperatura, se deduce que

49

existe una zona de reducción con temperaturas decreciendo progresivamente hacia el centro del cubilote, si la penetración del aire no es la adecuada no todo el coque se consumirá y formara puntos fríos en la zona de oxidación, por otro lado si es demasiado el aire se llevaría el calor a los niveles superiores del horno hasta expulsarlo fuera de él. En algunos de los hornos evaluados de hecho lo que sucede es que la penetración del aire es tal que un gran porcentaje de todo el calor suministrado por el coque, termina en los gases de la chimenea. Resistencia de la cama de combustible. La resistenc ia de la cama de combustible es, con frecuencia, un factor importante en la operación del cubilote. Los intentos de operar el cubilote a capacidades apreciablemente más altas que las diseñadas, o a usar combustible de menor tamaño, resulta con frecuencia en presiones contra las que el soplador centrífugo comúnmente empleado es incapaz de entregar el volumen de aire necesario. Los combustibles de calidad pobre, que se despedazan apreciablemente debido al choque térmico o al mecánico producen también una mayor resistencia de la cama de combustible, que puede dar lugar a problemas de presión, y asimismo el uso de combustib le que contiene cantidades apreciables de materiales de tamaño pequeño. La chatarra sucia es otra fuente de resistencia de la cama de combustible. La resistencia al flujo de gas en el cubilote se determina primordialmente por la resistencia de la cama, las cual es una función de la homogeneidad de tamaño del combustible y de la velocidad del gas. Diferentes combustibles sólidos se apretarán en grados diferentes, dependiendo de la forma y rugosidad de la superficie, además producen, diferentes porcentajes de espacios vacíos. EL coque exhibe de 53 a 55% de

50

espacios vacíos. Es así entonces como el coque en igualdad de condiciones presenta menos resistencia que la antracita ya que esta presenta solo de un 43 a 48% de espacios libres ver figura 13. De la misma manera, cambiando el tamaño del mismo combustible de un promedio de 10 cm a un promedio de 7 cm doblará, aproximadamente, la resistencia de la cama, permanecie ndo constantes otras condiciones ver figura. Se puede apreciar que hay más resistencia de la cama cuando el combustible tiene un tamaño muy pequeño. En la figura 14 b. se puede ver que el paso de los gases de combustión se enfrenta a una resistencia menor de la cama. Los hornos que se evaluaron no tienen problemas de sobre producción, pues su diámetro interior se ajusta a la ecuación de la producción horaria, pero si presentan problemas en las otras dimensiones, como la altura del crisol, y la zona de precalentamiento. No son las adecuadas para un óptimo desempeño. Con respecto al combustible todas las empresas usan coque el cual no es un sólido frágil y no presenta resistencia al flujo de los gases debido a su alto margen de espacio entre el. La chatarra usada en las cargas, presenta mucha oxidación y no tienen un proceso de limpieza previo.

Figura. 13. Resistencia de la cama debida a los espacios libres presentados por los combustibles sólidos.

Figura. 14. Resistencia de la cama debida al tamaño del combustible solidó.

51

3.3.1.1.

DETERMINACIÓN DEL INDICE DE BASICIDAD DE LA ESCORIA Es necesario conocer la basicidad de la escoria para poder controlar el

grado de oxidación en el proceso de fusión del horno cubilote. Para este cálculo se tienen la composición de la escoria resultante encontrando anteriormente:

Basicidad de la escoria = (CaO + MgO) SiO2

I.B. = (8.1536 + 0.365)

I.B. = 0,9147

9.312

3.6.

VARIABLES DE OPERACION Se describirán las variadas unidades de fusión utilizadas para la obtención del

material metálico en estado líquido con el objetivo de producir piezas fundidas. El cuadro siguiente presenta las principales características de cada unidad.

Fuente de energía Carbón

HORNOS DE FUSIÓN PARA DIFERENTES APLICACIONE S Form a de la fuente de Aleaciones Horno energía Bituminos o en polvo Fierros Fundidos

Llama directa

Antracita

Fierro Fundido

Cubilote

Coque

Tamaño medio

Fierros Fundid os No Ferrosos

Cubilote Horno de Crisol

Petróleo

Diesel o Residual Diesel o Residual

No ferrosos Hierro, Acero

Horno de Crisol Horno de Hogar Abierto

Gas

Gas licuado de No ferrosos Petróle o o Gas Natural Licuado Hierro, Acero Gas licuado de Petróle o o Gas Natural Licuado

Horno de Crisol Horno de Hogar Abierto

52 Electricidad

Arco Directo

Acero, Fierros Fundidos

Horno de Arco eléctrico de una, dos o tres fases

Arco Indirecto

No Ferrosos, Fierros Fundidos

Horno de arco Indirecto

Resistencia

No Ferrosos

Horno de resistencia central irradiante

Inducción

Todos los metales

Horno de Inducción Basculante

Debido a lo requerimientos de fabricación, cualquier tipo de horno puede ser el reco- mendable para una particular operación. La elección puede ser dictada por consideracio nes de costo inicial, costo relativo promedio de mantenimiento y reparación, costo base de operación, disponibilidad y costos relativos de las fuentes de energía en una localidad en particular, condiciones ambientales y nivel de ruido en operación, eficiencia de fusión (particularmente velocidad de fusión), grado de control de composición química del metal, temperatura metálico,

y

experticia

del

de

fusión del

personal.

material

53

3.6.1.

3.6.2.

VENTAJAS Y LIMITACIONES VENTAJAS LIMITACIONES

DESCRIPCIÓN Y DATOS CONSTRUCTIVOS DEL CUBILOTE a) CIMENTACIÓN b) SOPORTE O PATAS c) PLACA DEL FONDO d) CORAZA e) CAJA DE VIENTOS f) TOBERAS g) PIQUERAS DE SANGRIA Y ESCORIA h) PUERTA DE CARGA i) CHIMENEA

3.6.3.

FUNCIONAMIENTO Y ZONAS EN EL CUBILOTE El encendido del cubilote se hace de 2 a 3 horas para que alcance una

temperatura entre los 1200 y 1500 grados centígrados Se añade coque poco a poco hasta que la cama crece a una altura conveniente. Cuando la cama del coque esta encendida completamente se carga arrabio y la chatarra con una proporción de una parte

54

de coque por 10 de hierro, esta relación es en masa. Tanto los cubilotes de aire frío como los de aire caliente están en uso. Los gases del cubilote, a diversos niveles, consisten principalmente de CO2, CO, O2 y N2, con cantidades variables de H2O y H2, dependiendo de la humedad del aire soplado. El bióxido de carbono, el oxígeno y el vapor de agua, son gases oxidantes, mientras que el monóxido de carbono y el hidrógeno son gases reductores; el nitrógeno es un gas inerte, y su principal papel es el de ser un medio de transferencia de calor. En la cama de coque, el oxígeno consumido en el aire, soplado a nivel de las toberas, reacciona con el combustib le incandescente, el contenido de oxígeno disminuirá rápidamente con la producción simultánea de CO2, el que en cambio, reacciona con el combustible para formar CO. Cualquier vapor de agua presente reaccionará simultáneamente con el combustible, para producir CO e H2. Zona de oxidación o de combustión. Zona de reducción de la cama. Zona de fusión Zona de precalentamiento

55

3.7.

MATERIAL A TRABAJAR EN EL HORNO DE CUBILOTE FUNDICIÓN DE HIERRO: 50KG HORNO DE CUBILOTE

De las unidades de fusión actualmente empleadas, ésta es una de las más antiguas, ya que sus características básicas, datan desde el siglo XVIII. En el horno de cubilote se lleva a cabo un intercambio térmico, que es el más importante, y el químico, en cierto modo secundario; que se realiza a contracorriente, es decir de la carga sólida y el descenso de esta misma. El amplio uso del cubilote para la fusión del hierro gris, se debe a las siguie ntes ventajas: Fusión continua.- La producción en la fundición es facilitada debido a que el hierro fundido puede ser sangrado a intervalos regulares. El flujo del metal fundido y moldes para el colado, deben ser sincronizados para la producción requerida. Bajo costo de fusión.- Los costos de materias primas y operación,

son

inferiores que los de otro tipo de unidad de fusión, para producir un tonelaje equivalente. Control de la composición química.- Es posible con una operación apropiada del horno. Control de la temperatura.- Este puede ser obtenido para tener la fluidez adecuada durante el colado. Ciertas limitaciones también son características del horno de cubilote. Porcentajes de carbono con el hierro abajo del 2.8 %, son difíciles de obtener. Elementos de aleación, como cromo o molibdeno, son

56

parcialmente oxidados. No es posible obtener temperaturas superiores a 1550 °C. Las características estructurales de un cubilote convencional consisten en: a) Una coraza metálica cilíndrica, construida en placa de acero de 1/4" a 3/8". b) La coraza está revestida interiormente con ladrillo refractario. c) Una caja de viento y toberas para el abastecimiento de aire hacia el horno. d) Una puerta de carga localizada a 6 o más metros de altura, por donde se introducen los materiales utilizados. e) Puertas abatibles en el fondo del horno, por donde es vaciado. Este fondo generalmente es de arena de moldeo que es apisonada sobre las puertas. f) En la parte frontal del interior del horno está un antepecho y salida para el hierro fundido.

g) En la parte posterior y arriba del nivel del antepecho está el escoriadero. h) El horno está rematado en su parte superior por un supresor de chispas y polvos. i) Finalmente, algún tipo de soplador y control de soplo es requerido para el aire suministrado para la combustión. Las constantes de operación fundamentales son: a) Velocidad de fusión. 0.5 a 1.0 Kg. por hora por cm2 de área en la zona de fusión. b) Altura de la cama de coque. De 90 a 120 cm. arriba de las toberas, dependiendo de la presión de aire insuflado.

57

c) Carga de coque. Una cantidad tal que ocupe una altura de 15 a 20 cm. en la columna de carga o del 10 al 12.5% en peso de la carga metálica. d) Carga metálica. Del 10 al 12.5% de la velocidad de fusión en toneladas por hora. e) Aire insuflado. Velocidad de fusión en Kg. por hora dividida entre 65 (m3. por minuto). f) Área total de toberas. Del 25 al 12.5% del área del cubilote al nivel de las toberas. Disminuyendo como el área del cubilote incrementa. g) Presión de soplado. Suficiente para asegurar la penetración al centro de la carga en el cubilote, desde 30 cm. columna de agua para hornos de diámetro pequeño, hasta 60 cm. para más grandes. h) Caliza. Del 2 al 3% de la carga metálica. i) Pérdidas y ganancias durante la fusión. Silicio pérdida del 10 al 15% Manganeso pérdida del 20 al 30% Fósforo ganancia del 1 al 2% Azufre ganancia del 20 al 45% La carga de los cubilotes puede hacerse a mano o mecánicamente. Cuando se trata de cubilotes pequeños, se efectúa a mano desde una plataforma de carga, donde además a menudo, se le almacena material de reserva. Los hornos de cubilote se cargan en forma alternada de material metálico, coque y caliza. Para cargar hornos más

58

grandes, se utiliza n dispositivos mecánicos de construcción muy variada. Los más comunes son los montacargas verticales u horizontales, accionados eléctricamente y con descarga automática. La fusión en el cubilote es un proceso complejo que esta ocurriendo a altas temperaturas, en el cual las materias primas, los materiales, así como lo es el proceso. Entre un 15 al 40% del hierro es refundido, forma de los retornos generados y piezas defectuosas. El material nuevo que entra al ciclo viene del arrabio, chatarra de hierro y acero, coque, caliza y aire insuflado. La selección de los materiales que componen la carga metálica se basa tanto en su precio como de las características físicas y químicas que se requieren obtener en el hierro fundido. De esto depende la decisión de usar arrabio, chatarra automotriz, agrícola, de maquinaria, etc.; acero aleado o no, etc. La selección del coque está en función de la uniformidad de tamaño, de acuerdo al diámetro del cubilote y de propiedades tales como: Carbón fijo de un 90 92% Cenizas de 7 - 9% Azufre de 0.6% máx. Material volátil de 0.6 - 0.9% 3.7.1. 3.7.1.1.

ARRABIO Ventajas de usar arrabio como material de carga en las fundiciones. Las fundiciones de arrabio dúctil, nodular y gris se encuentra en todos los

lugares de manufactura. La demanda para la fundición de fierro se basa en su propia naturaleza como la ingeniería de materiales y en sus ventajas económicas sobre el costo. Este grupo de productos ofrece en un gran rango las propiedades de los metales como la dureza, fuerza, duración, resistencia a la abrasión, resistencia a la corrosión y otras propiedades, son más las propiedades de las fundición de fierro en términos de rendimiento, fluidez

59

en la contracción, solidez de los productos, facilidad de producción y otras, las que hacen al material atractivo para la fundición y confirman su utilización continua y en un constante aumento. El punto de partida debe ser escoger la carga metálica apropiada, para obtener las propiedades requeridas con el menor costo posible y un mínimo de problemas. Para lograr esto el fundidor debe estudiar cuidadosamente las ventajas y desventajas de los diferentes materiales de carga Para producir cualquier tipo de fierro fundido la carga metálica puede ser una mezcla de: • Arrabio • Chatarra de acero • Chatarra de fierro • Fierro esponja FYCO-101

ARRABIO TIPO FUNDICION

Descripción

Hierro de primera fusión

aplicación

Excelente materia prima para hierro gris

Propiedades

Análisis Químico típico C. 3.97 % Si. 2.88 % Mn. 0.71 % P 0.83 % Max S. 0.O2 % Max

presentación

Lingotes a granel

60

3.8. 3.8.1.

COMBUSTIBLE El coque metalúrgico

El coque metalúrgico es utilizado como combustible y reductor en distintas industrias, pero su principal empleo es en el horno (coque siderúrgico). El coque cumple tres papeles principales en el horno de cubilote: (I) Como combustible, proporcionando calor para los requerimientos endotérmicos de las reacciones químicas, y para la fusión de la escoria y del metal. Este papel ha perdido cierta importancia debido a las adiciones de fuel y gas por las toberas y, recientemente, por la inyección de carbón. (II) Como reductor que produce y regenera los gases para la reducción de los óxidos de hierro. (III) Como soporte de la carga y responsable de la permeabilidad de la misma. Este papel es cada vez más importante, a medida que aumenta el tamaño de los hornos altos. Que generalmente es carbón de coque. Recuerda que este carbón se obtiene por destilación del carbón de hulla y tiene alto poder calorífico. El carbón de coque, además de actuar como combustible provoca la reducción del mineral de hierro, es decir, provoca que el metal hierro se separe del oxígeno. 3.8.2.

Fabricación de coque

El CARBÓN es la materia prima para obtener COQUE. Sólo son aptas las hullas grasas y semigrasas de llama corta, con contenido en materias volátiles entre 22% y 30%, azufre