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• Marco Zarate

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· FERRO .

.

METALURGIA Y MATERIALES PARA CONSTRUCCiONES MECANICAS

.

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tNDICE

Pág.

COMBUSTION- Cálculos de combustión. Poder calorífico. Combustibles, distintos tipos, principales características. Distintos tipos de quemadores. Hornos usados en metalurgia. Principios del cálculo de hornos. Materiales refractarios. Clasificación de los refractarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

11-

. . ll

MINERALES DE HIERRO -Distintos tipos. Tratamiento de los minerales. Reducción de los minerales. Alto horno. Arrabios. Hierro esponja

21

Ili

ACEROS -Métodos de obtención. Por carburación. Pudelado. Al crisol. Convertidores (Bessemer, Thomas, LD). Siemen Martin. Hornos eléctricos. Hornos a resistencia. Hornos de arco. Arco resistencia e inducción. Colada del acero: Laminación . Colada continua. Plantas siderúrgicas integradas y semiintegradas. Definiciones •'¡tiles (tocho y palanquilla) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

37

· IV ACERO FUNDIDO MOLDEADO- Fundición gris. Fundición maleable. Fundición nodular. Moldeo. Tierras p ara moldeo. El modelo. Preparación de noyos. Ejecución del molde. Máquinas de moldeo. La placa modelo. Moldeo en cáscara. Otros procesos de moldeo.

51

V ACEROS ESPECIALES- Proceso para su obtención. Influencia de los elementos de aleación. Aceros para herramientas de corte. Tratamientos térmicos. Tratamientos térmicos superficiales

113

VI FORJADO - Máquinas empleadas para forjar. Martillos y prensas. Prensas. Fraguas y hornos. Forja libre y con estampa cerrada. Recalca doras. Forjadoras a rodillos. Técnica empleada para el diseño de estampas. Elección de materiales para estampas y fabricación de las mismas. Defectos de forja. Magnaflux y otros métodos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

73

SOLDADURA - · Soldadu r .J at. tu~m u EL toe.~ :·eacción química, puede meuirse 1a \'elocidad de combu~ti(m y en base a esto se distinguen las combustiones lentas, rápi d a~ y explosivas. Sabemos que toda reacción química pone en juego una deter:.·.inada cantidad de calor c ue: se llama calor de reacción; en el c·aso particular de una combustién. e~ calor, o la energía calorífica ¡:::uest.a en juego, tomará el nombre de calor de combustión. Por ejemplo. al quemarse el carbono con producción de anhídrido carbónico se ponen en juego 97.000 rramos calorías: c·1 esencia es una reacc:ión óe

t

e -:- 02 = co2 -- 97.000

gramos calorías

Cuando existe un exceso de oxígeno y la sustancia reacciona con él en forma total, se dice que la combustión es perfecta; en cambio cuando la cantidad de aire es insuficiente y el oxígeno no alcanza para quemar totalmente el combustible se dice que la combustión es jmperfecta: ejemplos: combustión perfecta del carbono :

e+ 02 = co2+ ~:ombust i ón

97 000 gramos calorías

imperfecta del carbono:

e + 1 lz 02

=

co . .;. 29.000 gramos calorías 9

=----..--------------------~ el monóxido de carbono obtenido en esta última ecuacwn puede quemarse también de acuerdo a la siguiente fórmula:

co + 1f2 02 = co2 + 68.000

gramos calorías

Se observa que la suma de estos dos últimos calores de combustión es igual al calor de la combustión perfecta del carbono. A menudo en los dispositivos industriales donde se quema el combustible (hogares de calderas, parrillas, hornos, etc.), parte del combustible no llega a reaccionar resultando perdido junto con la ceniza, escoria, etc., una cierta proporción y en este caso decimos que la combustión es incompleta. Podrá haber entonces una reacción perfecta pero incompleta, o también completa pero imperfecta. Iguales consideraciones rigen para todos los combustibles só-:. lidos, líquidos y gaseosos; por ejemplo para la madera, papel y algodón, compuestos de celulosa cuya fórmula es C 5 H 10 0 ;;, la combustión perfecta quedará representada así:

Para los combustibles líquidos formados por mezclas de varios hidrocarburos, entre los cuales se encuentra el octano, CRH1a:

Igualmente la combustión perfecta del gas natural (metano. de fórmula CH 4) será:

Se dice que una combustión es neutra cuando las cantidades de aire y combustible sean las estequiométricas (las indicadas por la ecuación química) y se obtenga combustión perfecta; cuando hay exceso de aire la combustión es oxidante y los gases resultantes contendrán oxígeno; si hay exceso de combustible (o falta de aire) la combustión será reductora, pues los gases contendrán sustancias no quemadas, carbón, CO, etc. y se depositará hollín. Cuando hay un exceso grande de aire, o falta del mismo, se rebaja la temperatura de combustión. Para que haya combustión, el combustible debe ser previamente calentado hasta una temperatura determinada para cada combustible, que se llama temperatura de inflamación o de ignic-ión y que será necesario mantener en el dispositivo donde se realiza la misma para que pueda proseguir; para la madera es de aproximadamente 300°C y algo menos para el papel, para el petróleo unos 200°C. etc. 10

Cálculos de combustión En primer lugar es fundamental determinar la cantidad de aire que requiere el combustible para quemarse en la forma más perfecta posible. Supongamos que debemos quemar un carbón que tenga el 85% de elemento carbono, siendo el resto materias inertes; la combustión se realiza según la siguiente ecuación:

e

+

02 22,4 lts

12 grs

donde se observa que hemos agregado los siguientes números: 12 gramos es el peso atómico del carbono expresado en gramos que se saca de las tablas; 22,4 es el volumen en litros ocupado por un mol de cualquier gas a presión y temperatura normales (0°C y 760 mm de mercurio) según una ley de la Química. Tenemos que llegar a determinar cuánto aire va a ser necesario, expresado en m 3 de aire/kg de combustible quemado, para que en base a este dato pueda seleccionarse posteriormente l~ máquina soplante. Decimos, pasando de gramos a kilogramos, multiplicando pol 1.000 y en igual forma de litros a m 5 : 12 kg de 0,85 kg de

e - - 22,4 e-- X

ms de oxígeno m 3 de oxígeno (recordar que nuestro combustible tiene 85 % de carbono, o sea que 1 kg tendrá 0,85 kg de1 mismo); por simple regla de tres obtenemos el valor de x que representa el oxígeno teórico necesario para quemar 1 kilogramo de nuestro combustible: 0,85 x = Üt = - · 22,4 = 1,5 ms de oxígeno/kg de comb. 12

Veamos ahora un caso más completo; vamos a suponer que nuestro combustible tiene la siguiente composición: 80% de e; 5% de H; 1 % de S y 10 % de O; calcularemos el aire necesario para quemar todos estos elementos

Para el carbono tenemos la misma ecuación que desarrollamos anteriormente, o sea que será para este caso:

0.80 0,1 = - ·- - • 22 4 m 8 12

'

Para el H será:

H2 2 grs

+

14 02 22,4 lts

2 11

--Y en forma similar a la anterior planteamos:

2 X 2 kg de H 2 --22,4 m 3 de 0 2 0,05 kg de H 2 - - X 0,05 X =Otz=-- ·224 4 . Análogamente para el S será:

+

S 32 grs

02 22.4 lts

SOz

y planteamos: 32 kg de S - - 22,4 m 3 de 0 2 0,01 kg de S - - X m 3 de 0:!

de donde obtenemos ~ L'>.

0,01 = 0,3 = --. 22,4 32

El contenido de oxígeno existente en nuestro combustible tendrá que ser restado del que debemos aportar, en la siguiente proporción: 32 kg de oxígeno - - 22,4 ms 0,1 kg de oxígeno - - - X 0,1 X = Ot• = - - · 22,~ 3~

El total de oxígeno necesario será la suma de O t\ • 0 ,2, 0 ,4, que expresamos sacando factor común:

'

, .

oxigeno teonco =

o , = ( -0,8- + -0,05 0,01 0,1 + -- -12

4

32

32

O ,~ y

) 22

.4

Podemos generalizar esta fórmula para cualquier combustible, y así llamando e, h, S, o a los % de e , H, S , O, r espectivamente. tendremos: e

O, = ( --

'

12

+ -h- + -s- - -o- ) 4

32

32

22.4

El oxígeno se encuentra en el a ire en la proporción del 21 !fo (es decir que en 1 m 3 de aire hay 0.21 m 3 de o~) . de modo que necesitamos calcular el aire teór ico necesar io que nos va a aportar el oxígeno teórico.

1 m 3 de air e - - - 0,21 m a de

o~

- - - O , m 3 de

o~

X

o,

X=A,=--0.21

12

reemplazando el valor de O, obtenido anteriormente, resulta:

A,=

e

(

que se expresa en

h

s

o

12 + -4- + 32 - 32 N m 3 de aire

)

22,4

0,21

,

(*) y es el aire mínimo kg de combustible necesario para una combustión perfecta. En la práctica debe asegurarse que todas las partículas del combustible estén bien rodeadas de suficiente aire y para asegurar esto es necesario proveer una cantidad algo superior a la teórica de manera que podemos escribir la relación: Aire práctico ,\ = - -Aire ---- > 1 teórico dependerá de la naturaleza del combustible que se quema y también puede ser influido por el tipo de quemador empleado; en ge~ neral. para obtener correcta rela ción combustible~aire tendremos: para combusti bles sólidos, .\ = 1,5 a 2; para combustibles líquidos, >.. = 1,1 a 1,2; para combust ibles gaseosos y polvo de carbón , .\ = 1 a 1,1. El su ministro de aire par a todo comb ustible puede hacerse : por tiro natural (con chimeneas) ; por aire a presión (con compresores); p or aire a baja presión (ventiladores centrífugos) ; pero h ay t ambién sistemas mixtos.

Cálculos similar es p ueden aplicarse p ara determinar el v olu men de los gases de combustión (humos) . El con t rol de la combustión se realiza con el aparato d e Orsat (fig. 1) que permite analizar los gases y deter minar los porcentajes d e co~. o~ ;.' co presentes. para lo cual los f rascos se llenan con soluciones absorbentes de hidrato de pot asio. solución alcalina de pirogalol y solución amonia cal de clorurn cuproso, respecti\·amente.

FIG. l.

·~Normales m etros cúbicos de aire; es decir el voiurne n referido a p resión y t emperatura normales co· y 760 mm de mercurial.

13

Accionando el frasco de nivel que se ve arriba, se aspira un volumen de 100 ce. de los gases en la bureta graduada, filtrando previamente por lana de vidrio para eliminación de polvo y hollín, y se va haciendo pasar sucesivamente por las tres soluciones de absorción, cada una de las cuales retiene el volumen correspondiente, el que luego puede leerse en la bureta graduada. Para el llenado completo de los recipientes de absorción se opera con peras de goma conectadas a los tubos acodados que aparecen en la figura; las peras no aparecen.

...

Poder calorífico Se denomina poder calorífico de un combustible a la cantidad de calor que puede ceder 1 kilogramo de ese combustible, y se expresa para sólidos y líquidos en kg calorías/kg de combustible, y para gases en kg calorías/m11 de gas. Existen aparatos denominados calorímetros que permiten determinar este valor característico. Para los líquidos y sólidos se usa el calorímetro de Mahler y para gases el de Junkers. También hay fórmulas que permiten el cálculo del poder calorífico conociendo la composición química elemental. Hay que distinguir el llamado poder calorífico superior del llamado inferior. Poder calorífico superior (PCS) es aquel que considera al agua que tiene el combustible en estado condensado , y es el valor que nos dan los calorímetros. En cambio industrialmente interesa el poder calorífico inferior (PCI), pues el agua que contiene el combustible se considera en este caso al estado de vapor, lo que implica la absorción de cierta cantidad de calor; es el caso del cálculo del hogar de una caldera, por ejemplo. El agua del combustible puede provenir, aparte de la humedad natural, de la combustión del hidrógeno que contenga el combustible. Es decir que si del poder calorífico superior deducimos la cantidad de calor necesaria para vaporizar el agua contenida (W) . obtendremos el poder calorífico inferior: PCS-W=PCI Es necesario conocer los poderes caloríficos para poder evaluar los distintos combustibles y para efectuar los cálculos técnicos de combustión. Combustibles. Distintos tipos. Principales características Un combustible industrial es una sustancia capaz de reaccionar con el oxígeno, produciendo calor aprovechable. Para clasificarlos tendremos en cuenta su estado físico {sólido, líquido o gaseoso) y su método de obtención (naturales y artificiales o fabricados). En la composición de todos ellos se encuentra fundamentalmente el carbon~ y el hidrógeno.

14

Poder calorífico

Antracita Hulla Lignito Turba Leña

Naturales Combustibles sólidos

Coque Carbón de leña Aglomerados (briquetas) Artificiales {

l

8.500 8.000 6.000 5.000 3.500

kg kg kg kg kg

cal/kg cal/kg cal/kg cal/kg cal/k~

7.500 kg calfkg 6.500 kg cal/kg

Los combustibles sólidos en general son abundantes y de costo reducido, encontrándoselos listos para su utilización a los naturales, pero todos tienen serias desventajas representadas principalmente por su elevado costo de transporte y manipuleo para regular el fuego y para eliminar residuos y cenizas. A veces requieren costosas parrillas y mecanismos de transporte si se quiere evitar mano de obra para tales labores. Algunos de estos combustibles pueden ser utilizados previa pulverización (polvo de carbón) con lo cual se eliminan muchos inconvenientes y se mejora su eficiencia. Poder calorüico

Combustibles líquidos

r Natural

¡

Petróleo

10.500 kg cal/kg

1

~l

Naftas Kerosene Gas oil Diesel oil Fuel oil Alcohol

11.200 11.100 10.900 10.700 10.300 9.000

Artificiales

l

kg kg kg kg kg kg

cal/kg cal/kg cal/kg caljkg cal/kg cal/kg

Los combustibles líquidos son de manipuleo más fácil y económico (bombeo) y se introducen pulverizados en los hogares de los hornos metalúrgicos de fusión, forja y tratamiento térmico permitiendo elevadas temperaturas y un satisfactorio control de la combustión. Con excepción del alcohol, que es de origen vegetal, todos son derivados del petróleo. Poder calorífico

Combustibles gaseosos

f

l

Natural

{ Gas natural

Artificiales

~

9.300 kg cal/m8

Gas de destilería 11.600 Gas de agua 2.500 Gas de aire 1.000 Gas mixto 1.500 Gas de alto horno 900 Acetileno 13.000

kg kg kg kg kg kg

cal/m3 cal/m3 cal/m1 cal/m1 cal/m' cal/m1 15

(El gas natural se extrae de los yacimientos petrolíferos; e1 gas de destilería se obtiene allí como producto gaseoso del procesamiento del petróleo; el gas de agua se obtiene haciendo actuar vapor de agua sobre carbón a 1.000°C; el gas de aire se obtiene haciendo pasar aire por carbón a 1.000°C; el gas mixto es unz. mezcla de los dos anteriores; -el gas de alto horno se obtiene en este horno y lo veremos en el próximo capítulo; al acetileno lo estudiaremos en el capítulo referente a soldaduras.) .Los combustibles gaseosos se están aplicando en forma creciente en nuestro país, especialmente el gas natural (gas metano: CH4 ) en calderas y hornos de forja y tratamiento térmico, aparte de las aplicaciones domésticas. Su alimentación es continua, requiriendo escasa mano de obra; permite muy buen control de su combustión y de temperaturas. Didintos tipos de quemadores

· Los combustibles sólidos se queman sobre parrillas construidas de fundición de hierro; pueden ser rectas, inclinadas o escalonadas.

FJG. 2. - Corte esquemat1co de una parrilla indicando la forma ée lus barrotes para evitar obstnrcciones por las cenizas, escoria s, etc.

Los combustibles líquidos deben ser bien atomizados y mezclados con el aire en movimiento de torbellino. Se proveen combustibles líquidos pesados (fuel oil) o mezclas menos densas para facilitar el manipuleo (fuel oil con 30 % de diesel oil), pero debe evitarse en lo posible el empleo del diesel oil por su elevado precio comb.

..:::--

--

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-

- -

aire

F1c. 3.- Es, 1uema de un quemador para combustible liqUido.

16

-

con respecto al fuel oil. Los combustibles pesados son previamente calentados por vapor o agua a presión. La atomización puede lograrse por aire, por vapor y también mecánicamente. El atomizado por aire puede hacerse a baja presión o a alta presión; en el primer caso el aire es suministrado por un vent)lador centrífugo y en el segundo por un compresor.

FIG. 4. -- Vista de un quemador en funcionamiento (baja presión).

A fin de mejorar la atomización, en algunos casos se coloca en el punto de salida del combustible, una pastilla que hace quE' el combustible salga en dirección transversal al camino del ai:t: y con cierto movimiento circular o espiral : :om/:'ust :.ble

_o_ir_e__

· (~ ~--- -

~L--------:::m~-

~---~-

--

l

FrG. 5.

El aire empleado para pulverizar o atomizar generalmente no constituye la totalidad del aire necesario para la combustión. por lo cual de inmediato a la salida del combustible debe ingresar el resto o aire secundario. Los sistemas de vapor se usan donde hay calderas, consumiendo para este fin una pequeña parte del vapor producido en el generador. Los quemadores industriales para combustibles gaseosos pueden funcionar según el tipo Venturi o bien a aire insuflado por 17

un ventilador centrífugo. En el primer caso el aire entra inducido por el gas que se encuentra a mayor presión: fluido inductor

gas ----

FIG. 6. -

aire i nducido Quemador para gas del tipo venturi.

El mechero bunsen de laboratorio sería el tipo mas sencillo, pero también hay quemadores indust'riales de este tipo. Para quemadores industriales de mayor potencia calorífica se usan los de aire insuflado, existiendo diversos tipos (fig. 7) . gas a pr('sión

cámara de mezcla

FIG.

i.

En todos estos quemadores se agregan siempre dispositivos de seguridad, así como llama piloto o encendedores automáticos.

oKc o Pfn •On 1" (atOf'T'IIizaCfcin)

filtro

F IG. 8.- Esquema de una ins-

talación de combustión para combustible líquido.

18

Hornos usados en metalurgia

Un horno es un dispositivo donde se realizan transformaciones físicas y químicas a elevada temperatura, pudiendo decir como primera descripción que se trata de un recipiente donde se colocan minerales o metales para su tratamiento con el aporte de .calor proveniente de un combustible adecuado que se quema, o de la energía eléctrica. Fundamentalmente están constituidos por una estructura resistente metálica recubierta interiormente con un material destinado a estar en contacto con el contenido y capaz de soportar dicho contacto y las elevadas temperaturas (material refractario). · En todas las operaciones metalúrgicas está siempre presente algún tipo de horno; veremos su clasificación: De cuba (combustibie y mineral juntos)

lf

Alt~ horno Cubilote

r

Reverbero sin récuperación de calor

1

1 1

i De reverbero (el com~u,tible arde

en camara separada; para fusión y tostación)

A combustible -11 1 1

1

Hornos ~

1 1

'

l

carga metal bruto y se afina su composición)

rA 1

LD Por conducción

resistencia

1

Eléctricos

! j

A arco