mecanica - diseño de un horno de crisol
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UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN ANTONIO ABAD DEL CUSCO
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRICA, ELECTRONICA, MECANICA Y DE MINAS
CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERIA MECANICAPROING
TESIS:
Presentado por:Br. YURI JONNATHAN AVILES CORDOVABr. JOSE LUIS FIGUEROA ZUÑIGA
Para optar al Título Profesional de Ingeniero Mecánico
ASESOR: Ing. OMAR INCA ROCA SANCHEZ
CUSCO – PERU2010
DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS
NATURAL
DEDICATORIA
A Cristo por ser la luz de mi existencia, a mi Cholita y Papi que con su incansable e inmenso amor son la alegría de mi vida y a Nano por ser el motivo de mi superación.
Yuri
A mis padres , hermanos y sobrina por su apoyo, paciencia y en especial por el gran cariño que fue mi gran empuje para seguir adelante y encaminarme al desarrollo personal y profesional prometiéndoles seguir, poniendo en práctica la educación y valores aprendidos.
Jose
PRESENTACIÓN
SEÑOR DECANO DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA,
ELECTRÓNICA, MECÁNICA Y MINAS, SEÑORES CATEDRÁTICOS
MIEMBROS DEL JURADO:
Cumpliendo con las disposiciones del Reglamento de Grados y Títulos
vigentes en la Facultad, y con objeto de optar al Título Profesional de Ingeniero
Mecánico, ponemos a vuestra consideración la tesis colectiva intitulada:
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN
ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
El cual representa el gran deseo por perennizar nuestros
conocimientos científico-tecnológicos en la materia y sea un aporte para el
desarrollo tecnológico de las personas dedicadas a la artesanía metálica..
Yuri Jonnathan José Luis
RESUMEN
El trabajo de investigación tecnológica tiene como punto de partida
aspectos fundamentales para el diseño y construcción de hornos, tales como la
descripción y clasificación de hornos metalúrgicos, elementos para su
construcción y una descripción del combustible que en este caso es el GN.
Luego se abarca el flujo térmico, los efectos del calor y movimiento de los
gases dentro de los hornos de fundición, así como los principios de la
combustión, la distribución y las pérdidas de calor dentro de los hornos.
Tomando como base los puntos tratados anteriormente se prosigue con
el tema central de la tesis, el cual es el diseño del horno de crisol utilizando GN,
con este fin, se realizaron los respectivos cálculos de ingeniería, selección de
materiales y pruebas experimentales.
En el Capítulo I detallamos los Fundamentos de la Investigación
planteando nuestra síntesis del trabajo enmarcado a contribuir en el
mejoramiento de la tecnología de la fundición como también el desarrollo
industrial de nuestra zona. En el Capítulo II tocamos los Fundamentos Teóricos
describiendo los hornos de Fundición como también sus elementos y
propiedades. En el Capítulo III vemos lo concerniente a nuestro combustible el
GN tocando sus características, composición como también los dispositivos de
regulación. En el Capítulo IV tocamos un punto importante el Flujo Térmico en
Hornos, la transferencia de calor entre los materiales de construcción y los
calores perdidos. En el Capitulo V vemos el Movimiento de Gases dentro del
horno, las diferencias de pesos específicos como la energía cinética de los
gases circulantes. En el Capítulo VI vemos lo fundamental que es el Diseño del
horno partiendo de sus dimensiones, características, y el cálculo térmico como
también los costos. En el Capítulo VII vemos el reglamento de seguridad
industrial e impacto ambiental para los hornos de fundición.
Para la construcción del horno se usaron ladrillos refractarios con alto
contenido de alúmina (70% Al2O3), y castable refractario para la tapa, de
similares características que el ladrillo. La inversión total para la construcción
del horno es de S/. 3 949.00, este monto abarca la compra de materiales y
mano de obra.
Mediante los cálculos experimentales se demostró que 0.400 kg de GN
se consumen en 10 minutos (fundición de chatarra de aluminio). Los costos de
operación para las fundiciones de 1.0 Kg de chatarra de aluminio es S/. 5.79.
La temperatura adiabática de la llama calculada para el GN es de 2 033.824ºC.
Finalmente se abarca el reglamento de seguridad industrial e impacto
ambiental referente a hornos de crisol.
Las reacciones de combustión completa del GN no producen óxidos de
azufre, óxidos de nitrógeno, ni monóxido de carbono. Los únicos gases que se
producen son dióxido de carbono y vapor de agua, los cuales no están
considerados como agentes contaminantes.
CONTENIDO
CAPITULO I
FUNDAMENTOS DE LA INVESTIGACIÓN
1.1 ANTECEDENTES
1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
1.3 JUSTIFICACIÓN E IMPORTANCIA
1.4 OBJETIVOS
1.4.1 OBJETIVO GENERAL
1.4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
1.5 HIPÓTESIS
CAPÍTULO II
FUNDAMENTO TEÓRICO
2.1 HORNOS DE CRISOL
2.2 ELEMENTOS DE CONSTRUCCIÓN DE HORNOS
2.2.1 PROPIEDADES DE LOS MATERIALES UTILIZADOS EN LOS
HORNOS
2.2.2 PAREDES Y SOLERA DE LOS HORNOS
2.2.3 TAPA O PUERTAS DE LOS HORNOS
CAPÍTULO III
GAS NATURAL
3.1 CONCEPTO
3.2 CARACTERÍSTICAS
3.2.1 COMPOSICIÓN
3.2.2 CARACTERÍSTICAS TERMODINÁMICAS
3.2.3 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL USO DEL GAS NATURAL
3.2.3.1 VENTAJAS DEL USO DEL GAS NATURAL
3.2.3.2 DESVENTAJAS DEL USO DEL GAS NATURAL
3.3. REACCIONES DE COMBUSTIÓN DEL GAS NATURAL
3.3.1. TEMPERATURA MÁXIMA DE LOS PRODUCTOS DE
COMBUSTIÓN
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3.3.2 CALOR DISPONIBLE Y EFICIENCIA DEL PROCESO
3.4 QUEMADORES A GAS
3.4.1 CLASIFICACIÓN DE QUEMADORES A GAS
3.5 COMPARACIÓN DEL GAS NATURAL CON OTROS COMBUSTIBLES
3.6 NORMAS PARA LOS DISPOSITIVOS DE REGULACIÓN
3.7 NORMAS PARA EL DISEÑO Y DIMENSIONAMIENTO EN EL
SISTEMA DE TUBERÍAS
CAPÍTULO IV
FLUJO TÉRMICO EN HORNOS DE FUNDICIÓN
4.1 CALENTAMIENTO DE METALES EN HORNOS DE FUNDICIÓN
4.1.1 CANTIDAD DE CALOR A IMPARTIR A LA CARGA
4.1.2 INTERACCIÓN TÉRMICA EN LOS HORNOS
4.2 CAPACIDAD DE CALENTAMIENTO DE LOS HORNOS
4.2.1 EFECTO DE LA CANTIDAD DE CALOR LIBERADO
4.2.2 EFECTO DE LA CANTIDAD DE CALOR ABSORBIDO POR LA
CARGA
4.3 RENDIMIENTO DEL HORNO
4.4 DISTRIBUCIÓN DE CALOR EN LOS HORNOS
4.5 CALOR PERDIDO POR LAS PAREDES DEL HORNO
4.5.1 CALOR PERDIDO POR LAS PAREDES DEL HORNO
4.5.2 CALOR PERDIDO POR RADIACIÓN A TRAVÉS DE LAS
ABERTURAS
4.5.3 CALOR PERDIDO POR LA FUGA DE GASES
4.5.4 CALOR SENSIBLE SACADO DEL HORNO EN LOS GASES DE
COMBUSTIÓN
4.5.5 CALOR PERDIDO POR COMBUSTIÓN INCOMPLETA
4.6 REDUCCIÓN DE LAS PÉRDIDAS POR LAS PAREDES
4.7 UTILIZACIÓN DEL CALOR DE LOS GASES QUEMADOS
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CAPÍTULO V
MOVIMIENTO DE GASES
5.1 PRESIÓN EN LOS HORNOS, TAMAÑO Y SITUACIÓN DE LOS
ORIFICIOS DE SALIDA DE GASES
5.2 CANAL DE HUMOS
5.3 FLUJO DE GASES EN LOS HORNOS
5.4 CIRCULACIÓN DE LOS GASES EN LOS HORNOS
5.4.1 CAMBIO DE VOLUMEN A CAUSA DEL CAMBIO DE TEMPERATURA
5.4.2 DIFERENCIA EN EL PESO ESPECÍFICO DE GASES CALIENTES Y
FRÍOS
5.4.3 ENERGÍA CINÉTICA DE LOS GASES CIRCULANTES DEBIDO A LA
PRESIÓN DEL COMBUSTIBLE Y AIRE DE ENTRADA
5.4.4 LA PRESIÓN EN EL HORNO EN RELACIÓN CON EL TIRO DE LOS
CANALES DE HUMOS
5.4.5 UBICACIÓN DE LOS DISPOSITIVOS DE CALENTAMIENTO Y DE
COMBUSTIÓN
5.4.6 DIRECCIÓN DE LOS CHORROS DE GASES CALIENTES O DE LA
LLAMA
5.5.7 CIRCULACIÓN POR MEDIOS MECÁNICOS
CAPÍTULO VI
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL HORNO DE CRISOL
6.1 CÁLCULOS DE INGENIERÍA
6.1.1 DISEÑO DEL HORNO DE CRISOL
6.1.2 SELECCIÓN DE MATERIALES
6.1.3 VOLUMEN OPERATIVO DEL HORNO
6.1.4 QUEMADOR DEL HORNO DE CRISOL
6.1.4.1 CARACTERÍSTICAS DEL QUEMADOR
6.1.4.2 CARACTERÍSTICAS DEL VENTILADOR
6.1.5 VELOCIDAD DE AIRE SUMINISTRADO AL HORNO
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6.1.6 VELOCIDAD DE GN SUMINISTRADO AL HORNO
6.1.7 FLUJO CALORÍFICO A TRAVÉS DEL CRISOL
6.2 CÁLCULOS EXPERIMENTALES
6.2.1 CALCULO CON CHATARRA DE ALUMINIO
6.2.1.1 OBJETIVO
6.2.1.2 PARÁMETROS DE OPERACIÓN
6.2.1.3 DIAGRAMA DE FLUJO DE LA FUNDICIÓN DE CHATARRA DE
ALUMINIO
6.2.1.4 FLUJO DE COMBUSTIBLE
6.2.1.5 BALANCE DE MATERIA
6.2.1.6 BALANCE DE ENERGÍA
6.2.1.7 CÁLCULO DE LA TEMPERATURA ADIABÁTICA DE LA LLAMA
6.2.1.8 PÉRDIDAS CALORÍFICAS
6.3 MATERIALES Y COSTOS
6.3.1 MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN DEL HORNO Y SUS COSTOS
6.3.2 COSTOS DE OPERACIÓN
6.3.2.1 COSTO DE LA FUNDICIÓN DE CHATARRA DE ALUMINIO
6.4 ESPECIFICACIONES DE MATERIALES DE CONSTRUCCION
6.5. SELECCIÓN DE QUEMADOR A GAS PARA EL HORNO DE CRISOL
BASCULANTE
6.6. COMPARACION DE COSTOS ENTRE HORNO CRISOL FIJO Y
HORNO CRISOL BASCULANTE
CAPÍTULO VII
REGLAMENTO DE SEGURIDAD INDUSTRIAL E IMPACTO AMBIENTAL
DEL HORNO DE CRISOL UTILIZANDO GN
7.1 REGLAMENTO DE SEGURIDAD INDUSTRIAL
7.2 IMPACTO AMBIENTAL DEL HORNO DE CRISOL UTILIZANDO GN
7.2.1 CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA Y AGENTES CONTAMINANTES
7.2.2 PREVENCIÓN DE LA CONTAMINACIÓN
CONCLUSIONES
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RECOMENDACIONES
BIBLIOGRAFÍA
PAGINAS DE INTERNET
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
CAPITULO I
FUNDAMENTOS DE LA INVESTIGACIÓN
1.1. ANTECEDENTES
En nuestra ciudad y en las provincias donde se sitúan las restos
arqueológicos, hemos visto que la mayoría de los centros manufactureros –en
especial las fundidoras la transformación de los productos lo realiza en un
taller cuyas herramientas e instrumentos de trabajo son tradicionales; es decir,
que no han variado a través del tiempo. Específicamente los artesanos
dedicados a la fabricación de artesanía de metales (como es el caso de ídolos,
pumas, tumis, etc.) utilizan crisoles de grafito, y como combustible usan el
petróleo, petróleo mezclado con aceite quemado y en algunos casos usan el
estiércol del ganado vacuno, por el cual el tiempo de fusión del metal es alto y
muy contaminante, por lo que los productos obtenidos por fundición no
alcanzan los requerimientos técnicos para su correcto aprovechamiento.
Para la realización del presente trabajo se tuvo que buscar fuentes de
información como son: textos, tesis, seminarios y otros que pueden ayudar al
desarrollo de la presente tesis. No encontrándose información alguna respeto
al tema ya que la actividad de fundición artesanal se realiza de manera
empírica y utilizando combustibles nocivos para el medio ambiente. Por lo que
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“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
el trabajo ayudara mucho en el diseño y rendimiento de hornos de crisol
aplicando como combustible gas natural.
1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Con el desarrollo del presente trabajo, queremos dar a conocer las bondades
del uso del gas natural. De esa manera contribuir en el mejoramiento de la
tecnología de la fundición y buscar no solamente el desarrollo industrial sino
también el desarrollo socio-económico de nuestra zona y disminuir la
contaminación ambiental. Por lo que nos planteamos el siguiente problema
objeto de investigación:
¿Será técnica y económicamente posible el uso de Gas Natural como
combustible en los hornos de crisol aplicado en Artesanía?
1.3 JUSTIFICACION E IMPORTANCIA
La actividad industrial en la actualidad, demanda una mayor competitividad
para la inserción oportuna e innovadora en un mundo globalizado. En tal
sentido, se entiende que el diseño y su posterior estudio térmico de un horno
de crisol utilizando Gas Natural facilitará la fundición de metales y la
capacitación de los futuros profesionales en el área de fundición, así como
alcanzará menores costos de producción, mejor calidad de los productos y una
menor contaminación ambiental.
Y teniendo en cuenta que nuestra región, carente de una
industrialización consolidada y con escasez económica para la investigación,
es importante que se recurra a la innovación tecnológica aprovechando
recursos como el gas natural y el talento del capital humano.
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“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
1.4 OBJETIVOS
1.4.1 Objetivo General:
Diseñar un horno de crisol que reúna los requisitos técnicos y
térmicos que permitan fundir metales en el menor tiempo posible
utilizando un combustible que produzca una mínima
contaminación ambiental.
1.4.2 Objetivos Específicos:
Encontrar las variables adecuadas de diseño y rendimiento del
horno de crisol utilizando Gas Natural.
Evaluar técnica y económicamente los resultados de rendimiento
obtenidos.
Evaluar los aspectos de impacto ambiental que se puedan
producir en el proceso de fundición.
1.5 HIPOTESIS
“Se alcanzará un mayor rendimiento del horno de crisol utilizando un
combustible de poca contaminación y disminuyendo los costos de producción”.
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“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
CAPÍTULO II
FUNDAMENTO TEÓRICO
2.2 HORNOS DE CRISOL
El término hornos de fundición, abarca aquellos en los que se imparte
calor a la carga, pretendiéndose tenga lugar reacciones químicas o cambios de
estado, tal como la fusión. Tales hornos pueden denominarse “hornos de fusión
de metales”.
En el trabajo de los metales, la temperatura desempeña un papel de
gran importancia. El calentamiento de los metales, cualquiera sea su objetivo,
se realiza en hornos, que se denominan comúnmente hornos de calentamiento,
hornos de recalentamiento, hornos de recocido, hornos de tratamiento térmico
y hornos de fusión. La fusión de los metales y del vidrio, el vitrificado de los
productos cerámicos, la coquificación del carbón, la destilación del zinc y
muchos otros procesos, para los que se aporta calor, se realizan también en
hornos que sirven en la industria.
Tenemos dos tipos de horno de crisol: El de crisol fijo y el basculante.
HORNO DE CRISOL FIJO. Se usa para fundir metales férreos y no
férreos, no se usa para la fusión de acero. Los crisoles pueden ser de carburo
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“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
se silicio o grafito y la capacidad se especifica por puntos, la extracción del
crisol del horno, se realiza por medio de unas tenazas. Son hornos de baja
inversión pero la vida del crisol disminuye debido a que se saca el crisol
caliente a un ambiente frío que es donde se realiza la colada, o puede colarse
con cucharas en pequeñas cantidades. Normalmente los crisoles para el caso
de la fundición de bronce tienen una vida de 100 coladas, este tipo de horno se
muestra en la figura N° 2.1
21Figura 5.9.- Horno de Crisol, de Pozo (Lift Out).
HORNO BASCULANTE. Una de las principales ventajas de este tipo
de horno es el de poseer una pequeña oxidación de los elementos
componentes del metal, por consiguiente hay pequeñas modificaciones de los
componentes de la carga, el crisol no sufre daño debido a choques térmicos
debido a que se hace la colada hacia una cuchara y luego hacia los moldes.
Este tipo de horno se muestra en la figura N° 2.2
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FIG. 2.1 HORNO DE CRISOL DE
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
25Figura 5.11.- Horno de Crisol, Basculante.
2.2 ELEMENTOS DE CONSTRUCCIÓN DE HORNOS
Los elementos con que se construyen los hornos son simples y bien
conocidos. En la mayoría de los hornos, la carga que ha de calentarse o
fundirse se apoya sobre la solera. Para proteger las cimentaciones e impedir
que la solera se ablande, se disponen espacios abiertos debajo de esta para la
ventilación por circulación de aire; se dice en este caso que la solera esta
ventilada. El combustible y el aire entran en el horno a través de quemadores u
orificios. Los quemadores realizan la combustión en el bloque de la
mampostería de los mismos. Los productos de combustión salen el horno a
través de conductos de ventilación, pasando a través de canales de humos o
chimeneas. El hogar está rodeado por las paredes laterales, que soportan la
tapa apoyada sobre las paredes laterales o sobre la estructura externa de
acero.
El material empleado más comúnmente en la construcción de hornos
es el ladrillo refractario, que se fabrica con arcilla refractaria. Los ladrillos
refractarios se clasifican en ladrillos refractarios para grandes temperaturas
(temperaturas de fusión inferior, mayor que 1744ºC), ladrillos medianamente
refractarios (temperatura de fusión mayor que 1615ºC) y ladrillos ligeramente
refractarios.
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FIG 2.2 HORNO DE CRISOL BASCULANTE
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
Actualmente se dispone de ladrillos de muy diversas formas. Para
evitar un trabajo excesivo en el corte de los ladrillos, se construyen los hornos
con una multiplicidad de dimensiones de ladrillos. Para reducir las pérdidas de
calor se construyen frecuentemente los hornos con ladrillo refractario aislante o
se recubren también con material aislante, que es un material refractario
finamente dividido. Los ladrillos ligeros sirven también para colocar como
aislante detrás del ladrillo denso. Raramente se colocan los ladrillos en seco;
generalmente se colocan con una capa delgada de mortero entre ellos. Se
protegen, ocasionalmente, de la temperatura y atmósfera del horno por un
lavado, que se realiza por cepillado o por pulverizado con una pistola.
2.2.1 PROPIEDADES DE LOS MATERIALES UTILIZADOS EN LOS
HORNOS
Los hornos se construyen con metales, materiales no metálicos resistentes al
calor, llamados refractarios y hormigón. Los factores externos que afectan a la
resistencia y la duración de los hornos son:
1. Temperaturas elevadas.
2. Variaciones de temperaturas.
3. La acción química de los óxidos, compuestos a base de azufre y escoria.
4. Oxígeno y otros gases o vapores a alta temperatura.
5. Las explosiones.
6. El desgaste mecánico por desplazamiento de piezas metálicas.
7. El vapor de agua.
8. La carga excesiva de las bóvedas y paredes laterales.
9. Asentamiento de las cimentaciones.
10. Las vibraciones.
Estas causas individuales se traducen en una diversidad de efectos sobre la
solera, paredes laterales y tapa.
En general, los metales se emplean en los hornos para las
resistencias eléctricas, vigas móviles, emparrillados, barras de solera, muflas,
rodillos, bandas, cadenas, frentes de horno, cuadros y umbrales de puertas.
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“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
Los más económicos son el hierro fundido y el acero al carbono y, por
lo tanto, deben emplearse siempre que sea posible. No dan resultado si se les
expone a altas temperaturas; en primer lugar porque disminuye su resistencia
mecánica y también porque se oxidan y se queman.
Los metales que deben utilizarse en la construcción de hornos deben
satisfacer dos condiciones:
1. No deben oxidarse rápidamente.
2. No deben sufrir deformaciones permanentes notables por la
influencia de tensiones moderadas o solamente debe ser
necesario su emplazamiento después de una amplia utilización.
El horno propiamente dicho (paredes, solera y tapa), debe construirse
con refractarios, que son materiales rígidos que deben resistir la temperatura
del horno y que sean malos conductores de calor. También es necesario que
tengan poco efecto sobre ellos la atmósfera del horno y las escorias.
2.2.2 PAREDES Y SOLERA DE LOS HORNOS
La resistencia y duración de estos elementos tiene una considerable
importancia para los usuarios de hornos.
Las paredes pueden agrietarse, ceder, quemarse o derrumbarse, de
donde se deduce la utilidad de realizar un estudio de las averías más
frecuentes.
Las partes lisas, sin orificios, resisten excelentemente en los hornos
pequeños, incluso cuando la temperatura alcanza los 1260ºC. En los hornos
grandes existe una serie de causas que, unidas entre sí, crean diversos
problemas. En las paredes muy largas o muy altas de hornos de alta
temperatura, la dilatación lineal de la pared interna es notablemente diferente
de la dilatación de la pared externa. Este agrietamiento incrementa las
pérdidas de calor, pero no produce ningún daño estructural, aunque se pueda
creer que está cercano al derrumbamiento total del horno. Si por el contrario,
el horno es lo suficientemente resistente para contrarrestar la dilatación,
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“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
pueden ocurrir diversos fenómenos. Si los ladrillos refractarios son de calidad
media, sufrirán deformaciones plásticas en la parte caliente. Si los ladrillos
están colocados muy próximos, sin juntas de dilatación, y si son de tipo
aluminosos, se producen roturas en la cara caliente. Si los ladrillos de gran
calidad no se sujetan rígidamente, y no hay juntas de dilatación, las paredes
pueden pandearse.
La solera al ser la base del horno debe ser bastante resistente y aislante
al calor. Para los hornos de crisol, son excelentes los ladrillos refractarios
utilizados en las paredes, pero es recomendable que estos sean, de mayor
espesor, debido a que soportarán el crisol conteniendo la carga que se ha de
fundir. Para el horno de crisol la solera debe estar sobre una capa de hormigón.
Los hornos modernos, deben protegerse exteriormente con placas de
acero, puesto que estos refractarios son frágiles y se vuelven quebradizos en
mayor o en menor grado, y porque generalmente se emplean aislamientos en
bloque en capas delgadas en el exterior. Hay que tener en cuenta que la
mayoría de los materiales aislantes se desintegran con el tiempo. La ventaja de
estas paredes consiste en que es posible sustituir cualquier losa sin tocar
ninguna otra; la rotura se reduce a consecuencia de la libre dilatación, y las
losas inferiores no están sometidas a las sobrecargas de peso de los ladrillos
superiores.
2.2.3 TAPA O PUERTAS DE LOS HORNOS
Las tapas o puertas de los hornos deben ser estancas, ligeras, sólidas
y resistentes al calor. El problema de esta clasificación consiste en obtener el
mayor número posible de características deseables, especialmente resistencia
mecánica y duración.
Los cuerpos metálicos de las tapas o puertas deben ser muy fuertes y
suficientemente rígidos para soportar el revestimiento refractario, sin correr el
peligro de que se resquebraje, y resistir la tendencia al alabeo debida a la
dilatación térmica. Para hacer lo más pequeñas posibles las pérdidas térmicas,
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“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
este revestimiento debe ser grueso y aislante, pero el peso de la tapa no debe
ser excesivo, con el fin de ofrecer poca resistencia al roce y tener escasa
inercia en los movimientos de apertura y cierre. Además, la tapa debe resistir
la acción del calor que se escapa del horno.
Los hornos de crisol no cuentan con puertas, sino más bien con una tapa
superior, la cual cuenta con un orificio o canal que sirve para la evacuación de
gases producidos en la combustión. El refractario utilizado en la tapa es un
Castable refractario.
Los Castables Refractarios son concretos u hormigones de fragua
hidráulica constituidos por un agregado granular refractario y ligantes
hidráulicos especiales que se confieren, después de fraguado, todas las
propiedades físico-químicas necesarias para resistir un trabajo térmico
prolongado. Son muy fáciles de preparar y usar, y se pueden instalar por
vaciado, vertiéndolos dentro de un encofrado como cualquier concreto, o
manualmente, usando un badilejo, o proyectándolos con pistola neumática.
Los castables convencionales fraguan al agregárseles agua, pero la
estructura hidráulica es transitoria hasta la aparición de una liga cerámica,
desarrollada por la temperatura, esto origina diferencias estructurales
escalonadas en el interior de la masa, y produce comportamientos igualmente
diferenciados, por eso, para superar esos problemas, hoy en día se ha
introducido la fabricación de castables de muy bajo cemento, que inclusive ya
no requieren del pre-mezclado con agua para su instalación.
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“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
CAPÍTULO III
GAS NATURAL
3.1 CONCEPTO.
Son una mezcla de hidrocarburos livianos, en estado gaseoso. Estos gases
suelen encontrarse en las capas superiores de los yacimientos petrolíferos en
condiciones normales de temperatura y presión o en yacimientos considerados
como gasíferos.
3. OBTENCIÓN
El gas natural se obtiene directamente de la tierra, sin necesidad de ningún tipo
de fabricación.
El gas natural puede surgir directamente de capas gasíferas o bien encontrarse
con el combustible liquido en capas petrolíferas.
Las capas gasíferas son aquellas en las cuales los hidrocarburos que
constituyen el gas natural se encuentran desvinculadas de yacimientos
petrolíferos.
La mezcla liquida extraída del gas se separa mediante procesos de
fraccionamiento en sus componentes: etano, gas licuado de petróleo (mejor
conocido como gas L.P.) y naftas, entre otros. Posteriormente estos
componentes encuentran uso como combustibles o como materias primas
petroquímicas.
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“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
Tabla 3.1: Comparación de la producción y consumo de energía a nivel
mundial.
ENERGÍA
PRODUCCIÓN
En miles de barriles
de petróleo
equivalente por día.
CONSUMO
En toneladas de
combustible
equivalente a 7 804
mega toneladas por
año.
PETROLEO 65 039 3 122 = 40%
GAS 39 916 2 107 = 27%
CARBÓN 43 395 1 795 = 23%
NUCLEAR 11 718 546 = 7%
HIDRÁULICA 13 142 234 = 3%
TOTAL 173 210 7 804 = 100%
Fuente: El Gas natural. Cáceres Graziani, Luís F., 3ra Edición, 2 002.
El Perú es un país que está haciendo uso de este recurso, pues cuenta
con reservas importantes especialmente en el departamento de Cusco. El
cuadro de las reservas probadas de gas natural en el Perú, reportadas para
fines de 1999, se puede resumir en la tabla 2.2.
Tabla 3.2: Reservas probadas de gas natural en el Perú.
ZONA RESERVAS (m3)
NOROESTE 0.005x1012
ZÓCALO CONTINENTAL
(TALARA)0.004x1012
ESTE (AGUAYTIA) 0.008x1012
SURESTE (CAMISEA Y OTROS) 0.230x1012
TOTAL 0.247x1012
Fuente: El Gas natural. Cáceres Graziani, Luís F., 3ra Edición, 2 002.
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“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
También podemos tener en cuenta el incremento de la producción de
gas de Camisea entre el año 2004 y 2005 (tabla 3.3):
Tabla 3.3: Producción de Gas de Camisea, 2004-2005
Fuente: Perupetro – Reporte Estadístico Minero Energético 2005.
3.2 CARACTERÍSTICAS
3.2.1 COMPOSICIÓN
La Composición del gas natural es variable, dependiendo del lugar donde se
encuentre el yacimiento. No obstante, el Metano (CH4) suele ser el principal
componente del gas natural. Están presentes también, el etano, Propano,
Butano, Pentano y otros gases existentes en menor proporción (Nitrógeno,
Bióxido de carbono y Oxigeno. Como impurezas que deben eliminarse antes de
introducido en los sistemas de tuberías, ya sea de transporte o distribución y se
encuentran, el acido sulfúrico (H2S), azufre y agua.
De acuerdo a la Norma NOM-001-SECRE-1997 Calidad del gas Natural y
dentro de sus especificaciones, describimos los siguientes.
13
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
Tabla 3.4: Composición del Gas Natural
Componente NomenclaturaComposición
(%)Estado Natural
Metano CH4 95,08 Gas
Etano C2H4 2,14 Gas
Propano C3H8 0,29 Gas licuable (GLP)
Butano C4H10 0,11 Gas licuable (GLP)
Pentano C5H12 0,04 líquido
Hexano C6H14 0,01 líquido
Nitrógeno N2 1,94 Gas
Gas
CarbónicoCO2 0,39 Gas
Fuente: http://www.monografias.com/gas clasificación
Tabla 3.5: Especificaciones del Gas Natural
PROPIEDAD MÉTODO UNIDADESESPECIFICACIONES
Mínimo Máximo
Poder Calorífico
bruto en base secaASTM D-1826
Kcal/m3
MJ/m38455 -
Acido sulfhídrico ASTM D-4468mg/m3
Ppm36.39 -
Azufre total ASTM D-4468mg/m3
- 6.1
Humedad.ASTM D-1142
Higrómetro
mg/m3112
Nitrógeno + bióxido
de Carbono
ASTM D-1945% Vol. 3
Contenido de
licuables
Temperatura
ASTM D-1945
ASTM D-1945
l/m3
K
% Vol.
0.059
323
0.5
14
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
Oxigeno
Material solido
Libre de polvos,
gomas y de cualquier
solido que ocasione
problemas de tubería
LiquidoLibre de Agua y de
HC líquidos
Microbiológicos. Libre
Fuente: http://www.monografias.com/metalugiahornosclasificación
El gas natural no tiene color ni olor pero al tratarse de material inflamable, se le
agregan odorizantes químicos (mercaptanos), a fin que pueda ser detectado
por el olfato humano en caso de una fuga.
El gas natural es más ligero que el aire, su gravedad específica se encuentra
en el rango de 0.55 a 0.67, relativa al aire.
3.2.2 CARACTERÍSTICAS TERMODINÁMICAS
Propiedades de gas natural:
Es más ligero que el aire.
Combustión limpia.
Requiere ignición por la combustión.
Eficiente y abundante.
No tiene color ni olor.
No es absorbente.
No es corrosivo.
Componentes energéticos del gas natural antes de ser procesado:
Metano (CH4)
Etano (C2H6)
Propano (C3H8)
Butano (C4H10)
Pentanos en adelante (C5H12 a C10H22)
Formula de hidrocarburos saturados Con H2n + 2
Sus características físicas, químicas y térmicas del metano, principal
componente del GN:
15
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
Peso molecular: 18,00 g/m
Ebullición, -150.2 ºC
Temperatura critica -76.3 ºC
Presión critica 46.3 atmosferas.
Densidad Critica 0.151 g/cm3
Volumen critico 0.096 m3/Kg/mol.
Densidad relativa 0.6247 g/cm3
Factor de desviación (de la ley de Boyle) 50 ºF 1.002,
100ºF 1.0015
Limites explosivos % gas en el aire: inferior 5.0
Superior 15.0
m3 aire para quemar 1 m3 gas. 8.38m3
Calor de fusión 15 KJ/m
Calor especifico Kcal/Kg Cp vapor/Cu vapor, N= Cp/Cu= 1.308.
El Gas Natural:
Reduce entre 65 y 90% las emisiones contaminantes de monóxido de
carbono (CO), bióxido de carbono (CO2), partículas suspendidas totales
(PST) e hidrocarburos reactivos (HC’s).
No contiene acido sulfhídrico (H2S), plomo ni benceno.
Abate eficazmente el efecto invernadero.
Presenta una elevada eficiencia en la combustión (no emite
hidrocarburos no quemados)
Tiene un precio competitivo, respecto al de otros combustibles.
Reduce los costos de mantenimiento en vehículos que utilizan este
energético (para los cuales se requiere realizar la conversión).
Genera menor cantidad de NOx que el combustóleo, por combustión.
Se recibe por ducto y no se almacena, por lo que su manejo es muy
seguro.
Incrementa la eficiencia de los procesos de generación y cogeneración
de energía.
No forma residuos de combustión, lo que prolonga la vida útil de los
equipos.
16
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
3.2.3 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL USO DEL GAS NATURAL
3.2.3.1 VENTAJAS DEL USO DEL GAS NATURAL
1. Disminuye el costo del gas natural (GN) en un 50%.aprox.
2. La ventaja del uso del GN es que no requiere de recipientes para
almacenarlo ya que todo el gas va por ductos, lo que proporciona
seguridad en el suministro.
3. Flujo constante del combustible, lo que garantiza una presión constante
a grandes volúmenes de combustible, eliminado problemas por efectos
climatológicos de congelación de recipientes y perdidas de presión.
4. Seguridad en el manejo, menor peligrosidad y mayor control.
5. Las instalaciones que se proyecten para gas natural, deben ser
controladas en su totalidad por la empresa distribuidora, contando con
programas de mantenimiento específico, el personal que ejecute las
instalaciones y las controle debe recibir capacitación para especializarlo.
6. Se evitan gastos exagerados en el mantenimiento de los recipientes, ya
que por norma cada 5 años hay que cambiar sus accesorios de control y
seguridad, cada 10 años se debe efectuar una prueba no destructiva de
ultrasonido al recipiente, para analizar si existe corrosión en la lamina
del envolvente, si exige cambiarlo por uno nuevo.
7. Para grandes volúmenes de consumo, se requieren grandes
capacidades de almacenamiento.
8. Con los años se van quedando residuos en los recipientes, tales como
gasolinas, aceites, mercaptanos y no hay manera de eliminarlos,
disminuyendo la capacidad de almacenamiento, además contaminan el
aire, agua y tierra, causando gran daño a la ecología.
9. Con el gas natural se elimina surtir GLP en auto tanques que causan
aumento de la vialidad, problemas de transito, peligro en choques y
volcaduras que provoquen fugas y causen pérdidas materiales y
humanas.
En síntesis el beneficio primordial en la utilización del GN es la
disminución en costos de operación, eliminando parte del personal
17
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
administrativo que solicita, revisa y controla el suministro de
combustible, traducido en ahorro.
3.2.3.2 DESVENTAJAS DEL USO DEL GAS NATURAL
En encuestas realizadas a usuarios en el sector domestico, comercial y de
servicios, aproximadamente en un 10% no tiene obstáculo para la utilización
del gas natural. El 90% restante menciono como principales desventajas:
1. El costo de la instalación y conversión.
2. Problemas derivados del cambio de espreas en los quemadores.
Aspecto que se soluciona con el ahorro del costo del combustible.
En usuarios del sector industrial 15% sin obstáculos y 85%.
1. El costo de conversión alto o instalación costosa.
2. Recuperación a largo plazo, que no fuese rentable.
3. Problemas con el acceso a la red.
4. Con mayor frecuencia se menciona.
5. Gas natural con menor poder calorífico.
6. Problemas de conversión en tuberías y equipo.
7. Implicación en la calidad del producto final.
8. Desconocimiento de la tecnología necesaria para utilizarlo, sobre medidas
de seguridad y equipos a instalar.
9. Inseguridad generada por el subsuelo sísmico.
10.Problemas en el suministro.
11.Obstáculos presentados por vecinos por temor a gaseoductos.
12.Arrendamiento de la unidad industrial a contar con autorización del dueño.
Todos estos obstáculos o desventajas se solucionan si se cuenta con personal
con experiencia y calificado en el manejo y uso del gas natural.
Tabla 3.6: Ventajas y desventajas del Gas Natural frente al GLP
18
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
GAS NATURALGAS LICUADO DE PETRÓLEO
(GLP)
Es menos pesado que el aire, en caso
de fuga se dispersa rápidamente a la
atmosfera
Es más pesado y no se diluye más
que con vientos o en grandes
cantidades de aire.
Disminuye la contaminación, ya que
no existen fugas de gas sin quemar.
Contamina en grandes cantidades
que provienen de los trasiegos, en
plantas de almacenamiento, autos de
transporte etc.
El sistema de cobro al usuario debe
ser directo de la empresa
distribuidora, sin errores ni perjuicios.
Existe deficiencias por el sistema de
cobro en litros que hacen los
distribuidores
Influye mucho que la instalación sea
proyectada correctamente por
personal capacitado.
Influye la capacidad de los
recipientes, la presión que
proporcionan los reguladores de baja,
cálculo del diámetro de tuberías, la
mayoría adolecen de un buen
proyecto y no funcionan
adecuadamente.
Para la economía Nacional, es
preferible quemar gas natural que es
más limpio.
Debe canalizarse a la petroquímica
como en los países industrializados.
Para Instalaciones industriales no
requieren grandes capacidades de
almacenamiento, eliminación de
recipientes y equipos.
Requieren grandes capacidades de
almacenamiento para recipientes de
grandes dimensiones
Fuente: Elaboración Propia
3.3. REACCIONES DE COMBUSTIÓN DEL GAS NATURAL
19
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
El comportamiento del calor disponible, la eficiencia de combustión y
las emisiones contaminantes, es evaluado en función del exceso de aire y la
temperatura de los gases de combustión. Se calcula el valor de la temperatura
máxima de productos y su relación con el exceso y el precalentamiento del
aire. Se establecen consideraciones energéticas y ambientales para el
perfeccionamiento de la operación de cualquier proceso de combustión
del gas natural.
Se estudian algunos parámetros influyentes en el proceso de
combustión como la relación entre la temperatura máxima de llama, el calor
disponible en los gases de combustión, la eficiencia de combustión y las
emisiones contaminantes como función del exceso de aire (relación aire-
combustible), la temperatura de los reactantes y la temperatura de los gases de
combustión. Todo esto como herramienta en la toma de decisiones tanto
económicas como ambientales.
3.3.1. TEMPERATURA MÁXIMA DE LOS PRODUCTOS DE
COMBUSTIÓN
El modelo utilizado para el análisis de combustión se basa en metano,
principal componente del gas natural, y como oxidante el aire, constituido
por oxígeno y nitrógeno. Se desprecia el argón y trazas de otros
constituyentes. Las condiciones de los reactantes, excepto en el
precalentamiento del aire, son 298,15 K y 1 atm.
La máxima temperatura que pueden alcanzar los productos de
combustión es la temperatura adiabática de llama. Es la temperatura que se
obtiene si todo el calor desarrollado durante el proceso se utiliza integralmente
para calentar los productos. El procedimiento de cálculo de la temperatura de
llama adiabática, considerando los fenómenos de disociación, se lleva a cabo
por iteracion de la temperatura de los productos hasta que se cumpla la
siguiente expresión:
H reactantes = H productos
20
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
En esta ecuación la Hreactantes se refiere a la entalpía del combustible y del
aire que hacen parte del proceso de combustión. Cuando toda esta energía es
empleada para elevar la temperatura de los humos de combustión, sin pérdidas
de calor hacia el medio, los productos alcanzarán una entalpía H productos
igual a la de los reactantes, y por ende, obtendrán su máxima temperatura.
3.3.2. CALOR DISPONIBLE Y EFICIENCIA DEL PROCESO
Los productos de combustión poseen una energía térmica de acuerdo a
su temperatura. Esta energía o calor disponible Qdisp, entendido como la
cantidad de energía que puede ser convertida en energía útil, es tanto mayor,
entre más fríos salen los gases de combustión del proceso de calentamiento
de una carga, lo que indica un aprovechamiento notable de la energía
térmica. El calor disponible está definido como:
Qdisp = PCS − Qgases
Donde:
PCS: es el poder calorífico superior del combustible.
Qgases: es la energía contenida en los gases de combustión
El gas natural caracterizado como metano CH4 y tiene un poder calorífico
superior de 55528 kJ/kg
Se propone el sistema de reacciones linealmente independientes siguiente, que
se llevan a cabo en el proceso de combustión:
CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O (1)
2 CH4 + 3 O2 → 2 CO + 4 H2O (2)
2 C2H6 + 7 O2 → 4 CO2 + 6 H2O (3)
C3H8 + 5 O2 → 3 CO2 + 4 H2O (4)
El nitrógeno contenido en el gas natural se comporta como inerte en el proceso
de combustión, ya que la formación de óxidos de nitrógeno no afecta la
cantidad de aire necesario para la combustión ni la cantidad de gases de
combustión producidos. Sin embargo desde el punto de vista ambiental es
importante considerar la formación de dichos óxidos por la contaminación que
producen los mismos.
21
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
Dado que para las reacciones de combustión la constante de equilibrio es
sumamente grande, pueden considerarse a las reacciones (1) a (4) como
irreversibles y de primer orden.
3.4. QUEMADORES A GAS
El propósito del quemador es transformar la energía contenida en el
combustible en calor útil para que pueda ser aprovechado. Sin embargo para
lograr dicho objetivo se requiere tener presente ciertos aspectos como el
diseño de la cámara de combustión, el elemento a ser calentado y la forma y
dimensiones de los ductos para evacuar los productos de combustión.
En general un quemador debe tener las siguientes características:
4. Ser controlable sobre un amplio rango sin presentar interrupciones.
5. Proveer un calor uniforme sobre el área a calentar.
6. Facilitar la total reacción del combustible.
7. No permitir que se presente retrollama ni desprendimiento de llama.
3.4.1 CLASIFICACIÓN DE QUEMADORES A GAS
No existe una clasificación estándar de los quemadores a gas que sea
universalmente aceptada, por ello solamente se mencionarán. Son diversos los
criterios asumidos para presentar una clasificación de estos (Tabla 3.7).
En los quemadores industriales, la combustión de gas es
aparentemente la más sencilla, pero en realidad requiere de cuidados más
específicos que los otros combustibles. Una razón de lo anterior, es que la
llama en muchos tipos de gas tiene poca luminosidad por lo que es difícil verla
en el horno, otra es que la acumulación del gas sin quemarse por resultado de
fugas dentro del horno, o pérdida de fuego dentro del horno, o por pérdida de
fuego dentro del quemador, no lo hace visible y por tal motivo no será notado
por los operadores dando por consecuencia una explosión.
Tabla 3.7: Criterios de clasificación de quemadores a gas
22
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
Según la presión de
suministro.
Quemadores de muy baja presión (presión
de suministro menor igual a 1 bar).
Quemadores de presión intermedia (presión
de suministro mayor a 0.1 bar y menor a la
presión crítica).
Quemadores de alta presión (presión de
suministro mayor a la presión crítica).
Según el punto de mezcla.
Quemadores de pre mezcla.
Quemadores de pre mezcla a presión.
Quemadores sin mezcla previa o llama de
difusión.
Según el suministro de aire. Quemadores de aire forzado.
Quemadores de inducción.
Según presión de trabajo
con respecto a la
atmosférica.
Quemadores atmosféricos.
Quemadores no atmosféricos.
Fuente: Conversiones de equipos y sistemas para uso de gas en las industria;
Universidad Wiener, Tecnigas Ingenieros.
A continuación se describen algunos quemadores industriales a gas:
QUEMADORES ABIERTOS DE TIRO NATURAL
Se caracterizan por producir una presión negativa en la cámara de
combustión que causa el tiro (o aspiración) del aire necesario, usualmente a
través de obturadores ajustables colocados alrededor de las toberas de
combustible. La aspiración hacia la cámara puede ser natural (por efecto de
chimenea) o inducida por un ventilador de aspiración. El mezclado de aire
combustible puede ser deficiente, y quizás no exista control de la relación
combustible aire.
Figura 3.1: Quemador abierto de tiro natural.
23
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
Fuente: Conversiones de equipos y sistemas para uso de gas en industrias;
Universidad de Wiener; Tecnigas ingenieros.
QUEMADORES SELLADOS MECÁNICOS
Todo el flujo de entrada de aire usualmente es controlado por un
ventilador de inyección (ventilador de tiro forzado) que impulsa aire a través de
tubos o de una caja de aire. Estos quemadores suelen tener una mayor caída
de presión de aire en la tobera, de modo que las velocidades del aire son
mayores y por tanto son mejores el mezclado y control de la configuración de
llama. Es posible medir el flujo de aire y resulta fácil el control automático de la
relación aire combustible.
Figura 3.2: Quemador sellado mecánico y quemador integrado.
Fuente: Conversiones de equipos y sistemas para uso de gas en industrias;
Universidad de Wiener; Tecnigas ingenieros.
SISTEMA DE QUEMADOR CON MEZCLADO EN BOQUILLA
24
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
En este dispositivo se mezclan gas y aire al entrar a la cámara de
combustión. Tales sistemas permiten el uso de una amplia variedad de
relaciones aire – combustible, formas de llama y combustibles. Para procesos
que requieren ambientes especiales, pueden operar con mezclas muy ricas
(exceso de combustible 50%) o muy pobres (exceso de aire 1500%). Pueden
construirse de modo que las velocidades sean muy grandes, para mejorar aún
más la transferencia de calor por convección. En otros se usan efectos
centrífugos y de otra clase para hacer que la llama siga el contorno de una
pared refractaria adyacente, y de este mejorar la radiación por las paredes.
Las diferentes formas de llamas se muestran en las siguientes figuras:
Figura 3.3: Quemador con mezclado en tobera controlado por aire.
Figura 3.4: Quemador de alta velocidad.
Figura 3.4: Quemador de radiación por la pared.
25
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
Fuente: Conversiones de equipos y sistemas para uso de gas en industrias;
Universidad de Wiener; Tecnigas ingenieros.
3.5. COMPARACIÓN DEL GAS NATURAL CON OTROS COMBUSTIBLES
Si bien el gas natural forma parte del grupo de los combustibles fósiles,
principales causantes del dióxido de carbono que se emite a la atmósfera
generando el calentamiento global, es este el más verde de todos ellos.
Ahora bien, el conocido conjunto de los combustibles fósiles está formado
principalmente por el carbón, el petróleo y el gas natural. Lo que generalmente
no se dice es que no todos ellos son igualmente contaminantes y si bien el
óptimo sería lograr la completa eliminación del uso de estos como fuentes de
energía también sabemos que esto constituye un imposible para el corto plazo.
El gas natural constituye la opción más ambientalmente amigable dentro del
grupo de los combustibles fósiles. Emite en su combustión entre 25% y 30%
menos de dióxido de carbono (CO2) por unidad de energía producida que los
productos derivados del petróleo, y entre 40% a 50% menos que el carbón.
La siguiente tabla comparativa permite ver como el gas natural es el más verde
de los combustibles fósiles.
Tabla 3.8: Tabla de Emisiones
26
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
Tabla 3.9: Tabla comparativa del gas natural con otros combustibles
Fuente: http://www.monografias.com/metalugiahornosclasificación
Emisiones.
1. En comparación con la gasolina el GNC produce las siguientes
emisiones:
a. 20% de emisiones formadoras de ozono.
b. 20% de emisiones de CO.
c. 20% de emisiones de óxidos de nitrógeno (NOx) y aceltaidos.
d. 50% de emisiones de forma aldehídos
e. Emisiones de Benceno y butadieno son virtualmente inexistentes.
3.6. NORMAS PARA LOS DISPOSITIVOS DE REGULACIÓN
EQUIPOS DE REGULACIÓN Y MEDICIÓN
1. La Estación de Regulación de Presión y Medición Primaria
(ERPMP) utilizada para la regulación y medición centralizada del
consumo de gas del usuario deberá ser instalada de acuerdo a normas
técnicas reconocidas internacionalmente tales como CEN EN 12279,
27
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
CEN EN 12186, CEN EN 1776 y AGA reportes 2, 7 y 9, o equivalentes.
El diseño, los materiales, la instalación y las pruebas de dichas
estaciones deberán ser aprobados por la entidad competente.
2. La ERPMP deberá ser instalada en el predio del usuario, tan cerca
como sea posible de la válvula de servicio (punto de entrega). El
propósito es minimizar el recorrido de la tubería que lleva la presión de
la red de distribución en el tramo entre la válvula de servicio y la
ERPMP. El distribuidor deberá siempre tener acceso a la ERPMP
para intervenir adecuadamente en caso de emergencia.
3. Se deberá también tener en cuenta lo estipulado en el
Reglamento de Distribución de Gas Natural por Red de Ductos D.S Nº
042-99-EM y sus modificaciones, con respecto a los medidores y
reguladores.
Medidores
A. En el caso de ser requeridos medidores adicionales para la
medición del gas natural seco de un equipo de consumo en
particular en la instalación interna, estos deberán cumplir con
normas reconocidas tales como CEN EN 1359 ó ANSI B109
(partes 1 y 2) para medidores a diafragma y CEN EN 12480 ó
ANSI B109.3 para medidores rotativos o equivalentes y ser
aprobados.
B. El medidor de gas debe garantizar la correcta medida del
volumen de gas que está circulando en el sistema de tuberías.
C. Los medidores deberán ser ubicados en espacios ventilados,
fácilmente accesibles para su examen, reemplazo, toma de
lecturas y adecuado mantenimiento
D. Los medidores no deberán ser ubicados donde puedan estar
expuestos a daños físicos. Los medidores serán protegidos
28
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
adecuadamente contra la intemperie, las salpicaduras, la
humedad, las altas temperaturas, fuentes de ignición, tráfico
vehicular etc.
Los medidores deberán ser soportados y conectados a tuberías rígidas de
manera tal que no se ejerzan esfuerzos sobre ellos.
Reguladores
En el caso de existir estaciones de regulación de presión secundarias, los
reguladores deberán cumplir con normativas internacionales reconocidas
tales como CEN EN 334 ó ANSI B109.4 o equivalentes y ser Aprobados.
Los reguladores deben ubicarse de tal forma que las conexiones
sean fácilmente accesibles para operaciones de servicio y mantenimiento.
Los reguladores no deben ser ubicados donde puedan estar expuestos a
daños físicos. Los medidores serán protegidos adecuadamente contra la
intemperie, las salpicaduras, la humedad, las altas temperaturas, fuentes
de ignición, otros similares.
Se deberán colocar los venteos de los reguladores hacia espacios
muy ventilados de acuerdo a las especificaciones de sus fabricantes.
3.7NORMAS PARA EL DISEÑO Y DIMENSIONAMIENTO EN EL SISTEMA
DE TUBERÍAS
Generalidades
Toda la instalación deberá estar dimensionada para conducir el
caudal requerido por los equipos de consumo en el momento de
máxima demanda. Asimismo, para las ampliaciones futuras previstas;
se debe tener en cuenta las limitaciones en la pérdida de carga y la
velocidad, indicadas más adelante.
29
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
El diseño debe incluir la ubicación y trazado del sistema de tuberías de
la instalación con todos los accesorios, el dimensionamiento de los
diferentes tramos y derivaciones, la capacidad necesaria para cubrir la
demanda y la ubicación del punto de entrega de gas, entre otros.
Los elementos de la instalación a partir de los reguladores se diseñarán
considerando la presión máxima a que pueden estar sometidos teniendo
en cuenta el valor de las sobrepresiones que pueden ocurrir ante
defectos de funcionamiento de las respectivas válvulas de regulación
y la acción de los sistemas de protección previstos (válvulas de
seguridad por alivio o por bloqueo).
Condiciones básicas para el dimensionamiento
El dimensionamiento de la tubería de gas natural seco depende entre
otros de los siguientes factores:
A. Máxima cantidad de gas natural seco requerido por los equipos
de consumo.
B. Demanda proyectada futura, incluyendo el factor de
Simultaneidad
C. Caída de presión permitida entre el punto de suministro y los
equipos de consumo.
D. Longitud de la tubería y cantidad de accesorios.
E. Gravedad específica y poder calorífico del gasnatural
seco
F. Velocidad permisible del gas.
El tramo de tubería comprendida entre la válvula de bloqueo de servicio
del distribuidor de gas y la entrada a los reguladores de la Estación de
Regulación de Presión y Medición Primaria, se calculará con una caída
de presión máxima no superior al 10 % de la presión mínima de
suministro.
30
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
Los tramos de la red interna comprendidos entre dos etapas de
regulación se calcularán con una caída máxima del 50 % de la presión
regulada al comienzo de esos tramos. El cálculo de estos tramos deberá
garantizar las condiciones mínimas de presión y caudal requerido por
los equipos de consumo ubicados aguas abajo.
Los tramos de tubería que alimentan directamente los equipos de
consumo, serán calculados de la misma forma que el item anterior y el
cálculo de estos tramos deberá garantizar las condiciones mínimas
de presión y caudal requerido por el equipo de consumo.
En todos los puntos de la instalación la velocidad de circulación del gas
deberá ser siempre inferior a 30 m/s, para evitar vibraciones y ruidos
excesivos en el sistema de tuberías.
Para el dimensionamiento de las tuberías, se admitirán fórmulas de
cálculo reconocidos, las cuales deben considerar el rango de
presión de cálculo. Los datos obtenidos deberán responder por lo
menos, a las exigencias de:
1. La fórmula de Poole para presiones hasta un máximo de 5 kPa
(5mbar)
Q = √(D5 * h)/2*s*l
Donde:
Q caudal en m3/h (condiciones estándar)
D diámetro en cm.
h pérdida de carga en mm. de columna de H2O
s densidad relativa del gas
l longitud de tubería en metros, incluyendo la longitud
equivalente de los accesorios que la componen. Véase
tabla10 para longitudes equivalentes
2. La fórmula de Renouard simplificada para presiones en el rango de 0
31
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
kPa a 400 kPa (0 bar a 4 bar); válida para Q/D < 150
PA2 – PB
2 =48600 s L Q1.82/D4.82
Donde:
PA y PB: presión absoluta en ambos extremos del tramo, en kg/cm2
s: densidad relativa del gas.
L: longitud del tramo en km, incluyendo la longitud
equivalente de los accesorios que la componen.
Q: caudal en m3/h (condiciones estándar)
D: diámetro en mm.
32
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
CAPÍTULO IV
FLUJO TÉRMICO EN HORNOS DE FUNDICIÓN
4.1 CALENTAMIENTO DE METALES EN HORNOS DE FUNDICIÓN
4.1.1 CANTIDAD DE CALOR A IMPARTIR A LA CARGA
Si han de calentarse y/o fundirse metales o cuerpos sólidos en un
horno, primero debe generarse (liberarse o desprenderse) calor en el mismo,
luego se transmite al material y luego a la carga.
Para una clara compresión del proceso de calentamiento y/o fundición
se recomienda comenzar por las propiedades físicas del material que se ha de
calentar o fundir.
El calor que ha de impartirse a la carga es igual al producto del peso de
la carga por la elevación de la temperatura y por el calor específico medio de
la carga.
Si se emplea el horno para el calentamiento de materiales, en los que
las temperaturas elevadas producen reacciones químicas, deberán tenerse en
cuenta los calores específicos y de reacción, que podrán obtenerse en tablas
de ingeniería química.
33
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
4.1.2 INTERACCIÓN TÉRMICA EN LOS HORNOS
En la figura 4.1 se muestra en forma de diagrama el flujo de calor en un
horno, representando un horno que se calienta por los productos de
combustión.
Los elementos superficiales de las paredes y de la carga, como 3 y 6, se
calientan por convección por los gases calientes que fluyen a lo largo de las
paredes y de la carga. Una molécula de estos gases, tal como la que se indica
por 9, radia en todas direcciones, por ejemplo a 2 y a 8. Estos elementos
superficiales radian en todas las direcciones posibles, por ejemplo a 1, 5 y 7
desde 3 y a 4 desde 7, Etc.
Figura 4.1: Representación en forma de diagrama de la transmisión del
calor en el interior de la cámara de un horno.
.
Fuente: Hornos industriales; Trinks, W.; Mawhinney, M. H.; tomo I; 1975, P.65.
De la figura 4.1 se desprende que cada partícula de los productos de la
combustión, así como cada elemento de las superficies de las paredes y de la
carga, radian en todas direcciones posibles. Este hecho hace extremadamente
dificultoso el cálculo exacto de la transmisión de calor en un horno que se
calienta por medio de un combustible. La prueba de la exactitud de esta
afirmación está proporcionada por las muy numerosas e influyentes variables, a
saber: temperatura, composición y velocidad de los productos de combustión,
espesor de la carga de gases entre las paredes y la carga, relación entre la
34
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
superficie de la pared y la superficie expuesta de la carga, y las emisividades
de las paredes y la carga.
4.2 CAPACIDAD DE CALENTAMIENTO DE LOS HORNOS
La capacidad de calentamiento de un horno se expresa generalmente
por el peso del metal que puede calentar y/o fundir en la unidad de tiempo a
una determinada temperatura, en el punto más frío de la carga, y sin que se
produzca un sobrecalentamiento del resto de la misma. Puesto que el costo
del horno es aproximadamente proporcional a su tamaño, tiene importancia a
capacidad de calentamiento por unidad de volumen. La capacidad de
calentamiento específico se expresa de las dos formas siguientes:
Peso . calentado .( Kg)hora . x . volumen . del . horno (m3 ) ; Ecuación 4.1 ó por:
Peso . . calentado .(Kg )hora .. x . . superficie . . de .. la . . solera .(m2) Ecuación 4.2
Ninguna de estas relaciones constituye una medida perfecta de la
capacidad de calentamiento, la cual se establece por los dos ejemplos
siguientes: en el recocido de grandes depósitos, el volumen del horno debe ser
suficientemente amplio para recibir el depósito y dejar espacio para la
circulación de los gases de combustión. En consecuencia, la capacidad de
calentamiento por unidad de volumen es pequeña.
La capacidad de calentamiento depende de varios factores, como son
la cantidad de calor liberado, la cantidad de calor transmitido a la carga y la
cantidad de calor conducido al punto más frío de la carga.
35
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
4.2.1 EFECTO DE LA CANTIDAD DE CALOR LIBERADO
La cantidad de calor liberado varía con el tipo de equipo de generación
de calor.
En los hornos en los cuales se queman combustibles el calor liberado se
expresa, generalmente, en unidades de calor liberado por unidad de volumen y
por unidad de tiempo. En la práctica, el calor liberado se expresa en Kcal/m3
/h
ó Kcal/m3
/s. En estrecha relación con la cantidad de calor liberado está el
término “longitud de llama”. Para hornos de solera abierta y cubas para vidrio,
la longitud de la llama significa la distancia entre el quemador y el punto donde
se extingue la llama. En los hornos industriales, la longitud de llama indica la
distancia entre el quemador y el punto en que se ha completado la combustión,
al menos en un 95%. En condiciones normales del horno, la combustión no es
completa, si no se suministra un exceso de aire. La forma de considerar el final
de la combustión cuando se ha realizado el 95% de ella, también se llama
volumen de combustión. La longitud de llama depende del tipo de combustible
y tipo de dispositivo de combustión, empleados, y va de 25,4 mm. a 12 m.
El volumen de combustión y la longitud de llama se indican en las
figuras 4.2 y 4.3. Los croquis muestran quemadores de gas geométricamente
semejantes. El quemador más amplio (fig. 4.2) produce una llama larga. Si se
coloca un solo quemador grande en el centro de una pared de horno, se
estropea el espacio que rodea al quemador, en lo que se refiere a espacio de
combustión. Por el contrario, muchos quemadores pequeños (fig. 4.3) utilizan la
superficie de pared completa, trabajando con llamas más cortas. Asimismo en
estas figuras se muestra el aire al mezclarse con el combustible en la entrada
del quemador. Si se mezcla el aire y el combustible antes del quemador
(premezcla), se produce la combustión más rápidamente, necesitándose
menos volumen de combustión que en los hornos con mezcla de aire y
combustible. Finalmente, si se precalienta el aire de combustión, la combustión
se realiza aún más rápidamente.
36
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
Figura 4.2: Mal aprovechamiento del espacio de combustión por un
quemador excesivamente grande.
Fuente: Hornos industriales; Trinks, W.; Mawhinney, M. H.; tomo I; 1975, P.65
Figura 4.3: Buen aprovechamiento del espacio de combustión por medio
de cuatro quemadores pequeños de igual capacidad que la de la figura 3.2
Fuente: Hornos industriales; Trinks, W.; Mawhinney, M. H.; tomo I; 1975, P.65
El término “condición de combustión” representa las combinaciones de
diversos elementos y requiere cierto juicio para su empleo apropiado. Pueden
servir como guía las siguientes explicaciones:
Condición de combustión 1. Mezcla muy mala del aire y del
combustible, combustible grueso, aire frío, inclusión de espacio en el que no
tiene lugar la combustión con la denominación “volumen de combustión”.
37
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
Condición de combustión 2. Mezcla mala de combustible y aire,
regular utilización del volumen de la cámara de combustión, combustible
grueso, aire frío. También condiciones iguales a la 1, excepto el aire que está a
260º C.
Condición de combustión 3. Buena mezcla de combustible y de aire,
buena utilización de la cámara de combustión, atomización muy fina, aire frío.
Condiciones similares a 2, pero con aire a 260º C.
Condición de combustión 4. Mezcla completa (o premezcla) de aire y
de combustible, utilización perfecta de la cámara de combustión, atomización
muy fina del combustible, Aire a 260º C. Condiciones idénticas a la 3, pero el
aire a 538º C.
Condición de combustión 5. Mezcla completa (o premezcla) de aire y
de combustible, utilización perfecta del espacio de combustión, atomización
muy fina del combustible, aire a 538º C. También descarga desde muchos
quemadores pequeños.
Condición de combustión 6. El combustible premezclado y el aire
que sale de orificios pequeños poco separados se proyectan contra las
superficies refractarias, que actúan como catalizadores y aceleran la
combustión.
Tabla 4.1: Producción de Calor en las diferentes condiciones de
combustión
Fuente: Hornos industriales; Trinks, W.; Mawhinney, M. H.; tomo I; 1975, P.66
38
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
4.2.2 EFECTO DE LA CANTIDAD DE CALOR ABSORBIDO POR LA
CARGA
Puesto que la cantidad de calor que puede liberarse a temperaturas
suficientemente elevadas es amplia en los hornos industriales, el problema de
calcular la capacidad del horno puede estudiarse sobre la base de la
transmisión de calor a la carga y de la igualación de la temperatura dentro de la
misma.
Con una cantidad adecuada de calor liberado, y a una temperatura lo
suficientemente elevada, la capacidad del horno está afectada por las
siguientes variables:
1. La temperatura de las paredes del horno cuando se introduce la carga fría.
2. La temperatura que se ha de calentar la carga.
3. La temperatura de los productos de combustión.
4. La emisividad de los productos de combustión.
5. L a emisividad de las paredes.
6. La emisividad de la carga.
7. La relación de la superficie de las paredes a la superficie de la carga.
8. El espesor de la capa de los productos de combustión.
9. La conductividad térmica de la carga (incluyendo los espacios vacíos).
10. La uniformidad de la temperatura deseada en el producto.
11. El espesor de la carga.
12. Las dimensiones del horno (superficie de la solera y volumen).
13. Velocidades de los gases en el horno.
Es evidente que no se puede concretar la relación del calentamiento
con todas esas variables en una sola ecuación. Los ingenieros han construido
tablas y gráficos para diversas combinaciones que se les presentan en la
práctica en los diversos tipos de hornos y materiales.
39
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
Puede decirse, en términos generales, que la transmisión del calor a la
carga determina la capacidad de calentamiento de material delgado, mientras
que la igualación de temperaturas dentro de la carga determina la capacidad de
calentamiento para cargas de gran espesor, que posean baja conductividad
térmica.
4.3 RENDIMIENTO DEL HORNO
El término “rendimiento” se utiliza en su verdadero sentido, al aplicarse
a los hornos industriales, se refieren al costo de calentamiento por unidad de
peso de producto terminado o listo para el siguiente proceso u operación. El
rendimiento térmico de los hornos se expresa por la siguiente relación:
Calor . .cedido . .a .. la . .carg aCalor . .en ..el ..combustible ..consumido . . para . . calentar .. la . . carg a x 100% Ecuación 4.3
En los hornos eléctricos, el denominador de esta relación es
reemplazado por el valor térmico de la energía eléctrica consumida. En la
práctica de los hornos de calentamiento y/o fusión es bastante corriente utilizar
los términos litros de aceite/tonelada de acero o metros cúbicos de gas/
toneladas de acero, Etc.
El “costo de procesamiento” incluye no solamente el costo del
combustible, sino también, el costo de la calefacción y el costo de la
explotación del horno, la amortización de este, los costos de mantenimiento y
reparación, el costo de generación de una atmósfera protectora y el costo de
las piezas estropeadas o rechazadas por cualquier motivo. Además, incluye el
costo de la manipulación del material dentro y fuera del horno.
Los rendimientos de las calderas son del orden del 60 al 90%, e
incluso superiores, los rendimientos de los hornos industriales son algunas
veces tan bajos como 5% en los hornos de combustión, y mucho más en los
eléctricos si se incluye el rendimiento térmico de la energía eléctrica en esta
comparación.
40
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
4.4 DISTRIBUCIÓN DE CALOR EN LOS HORNOS
Para una comprensión de la distribución del calor en un horno simple
deberá consultarse la figura 4.4. La mayor parte del calor se libera en la zona
de combustión a la izquierda y se desplaza, de allí, a la derecha. El paso de
calor a la carga se indica por las flechas, 1. Pero el calor se desplaza en todas
direcciones; algo pasa a través de las paredes del horno y a través de la solera,
como se indica por las flechas 3, incrementando la temperatura de estas
partes. Otra porción se pierde en el ambiente por radiación y convección desde
la superficie exterior de las paredes o por conducción al suelo, flecha 2. Se
transmite calor por radiación a través de grietas u otras aberturas, flecha 4; los
gases del horno salen por la puerta 5, frecuentemente, quemándose al aire
libre y llevando calor. Se pierde calor cada vez que se abre la puerta.
Figura 4.4: Flujo calorífico en los hornos.
Fuente: Hornos industriales; Trinks, W.; Mawhinney, M. H.; tomo I; 1975, P.125
El primer paso para conseguir que la fracción de calor total que pasa a
la carga sea tan grande como sea posible con un calentamiento correcto, para
41
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
esto se requiere la solución de dos problemas: primero, determinación de las
pérdidas de calor y los métodos de reducirla, y segundo, determinación de la
cantidad de combustible o de energía eléctrica que se necesita para calentar
y/o fundir una cantidad dada de metal a una determinada temperatura y en un
horno dado.
4.5 CALOR PERDIDO POR LAS PAREDES DEL HORNO
4.5.1 CALOR PERDIDO POR LAS PAREDES DEL HORNO
El calor perdido por el exterior de las paredes del horno constituye uno
de los problemas sobresalientes que afectan a la economía de los hornos y que
deben examinarse ampliamente. Las pérdidas por las paredes, durante el
funcionamiento continuo de un horno, son diferentes de las pérdidas por las
paredes del mismo horno, si éste funciona de manera intermitente. Se
examinan primeramente las pérdidas por las paredes durante el funcionamiento
continuo.
a) PÉRDIDAS POR LAS PAREDES DURANTE EL FUNCIONAMIENTO
CONTINUO
La temperatura de los productos de combustión excede de la
temperatura interior de la pared. La temperatura de los productos de
combustión es raramente conocida a causa de las dificultades que se
presentan en la medida de la temperatura de los gases. La temperatura de la
cara interior de la pared puede medirse fácilmente y es conocida generalmente.
La temperatura de la pared desciende rápidamente al aproximarse a su
superficie exterior, donde la temperatura excede ligeramente la del aire
ambiente. La pérdida de calor para una superficie de pared dada y para una
determinada temperatura del horno es menor si la pared es más gruesa, si se
construye con un material más aislante o si la superficie exterior de la pared es
de tal naturaleza que no da calor con rapidez al medio ambiente.
42
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
b) PÉRDIDAS POR LAS PAREDES DURANTE EL FUNCIONAMIENTO
INTERMITENTE
Las pérdidas de calor examinado anteriormente se presentan durante
la marcha uniforme e ininterrumpida. En la práctica real, los periodos de
funcionamiento alternan con tiempos de parada. Durante el tiempo de parada el
calor almacenado en los refractarios durante el tiempo de funcionamiento se
disipa gradualmente, principalmente por convección y radiación desde la pared
fría. Además, cierta cantidad de calor es extraída por el aire que fluye a través
del horno. La disipación del calor almacenado es una pérdida, porque debe
impartirse el calor perdido como mínimo a los refractarios en el próximo periodo
de funcionamiento.
Es extremadamente difícil estimar las pérdidas de calor por la
circulación de aire a través de las aberturas de los quemadores y de las
rendijas de las puertas cerradas incompletamente. Sin embargo, es posible
estimar las pérdidas de calor almacenado que se produce por radiación y
convección desde la cara fría mientras está parado el horno caliente.
Sin cálculo resulta evidente que, cuando existen cortos periodos de
funcionamiento y grandes periodos de parada, es preferible utilizar paredes
delgadas de refractarios aislantes, porque se almacena en ellos poco calor. La
pérdida de calor por disipación del calor almacenado en los refractarios se
determina por la relación de tiempo de funcionamiento a tiempo de parada y
por la longitud del ciclo.
Para calcular estas pérdidas podemos hacer uso de la ecuación:
Q =
2 π . L(T 1−T 4 )ln (r2/r1 )/k A+ ln(r3 /r2 )/k B+ ln(r 4/r3 ) /kC Ecuación 4.4
43
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
Aplicando la ecuación para un horno de crisol, el cual consta de dos
capas (ladrillo refractario y cubierta metálica) obtenemos:
Q =
2 π . L(T1−T 3 )ln (r2/r1 )/k A+ ln(r3 /r2 )/k B Ecuación 4.5
Donde:
Q: Pérdida calorífica.
L: Longitud del horno con forma cilíndrica.
KA: Conductividad térmica (ladrillo refractario).
kB: Conductividad térmica (cubierta metálica).
T1: Temperatura en la cara interior del ladrillo refractario.
T2: Temperatura en la cara exterior del ladrillo refractario (o interior de la
Cubierta metálica).
T3: Temperatura en la exterior de la cubierta metálica.
r1: Radio interior del ladrillo refractario.
r2: Radio exterior del ladrillo refractario (o interior de la cubierta metálica).
r3: Radio exterior de la cubierta metálica.
Figura 4.5: Flujo de calor a través de dos secciones cilíndricas.
Fuente: Elaboración Propia.
4.5.2 CALOR PERDIDO POR RADIACIÓN A TRAVÉS DE LAS
ABERTURAS
44
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
El espesor finito de la pared ocasiona que se obstruyera la radiación
directa de una medida que depende de la relación del espesor de la pared al
ancho de la abertura. Por otro lado, los bordes de la abertura se calientan por
la radiación que reciben y vuelven a radiar una parte de este calor al exterior.
La re radiación compensa la reducción de la radiación directa.
J. D. Keller, usando de referencia la radiación de cuerpos negros según
la temperatura del horno (grafico 4.1), construyó un grafico para calcular la
radiación a través de aberturas de forma diversa (grafico 4.2), el cual relaciona
la fracción diámetro-espesor de la abertura, para obtener el factor de radiación
total. Luego el factor de radiación total obtenido (grafico 4.2) se multiplica por
la radiación del cuerpo negro (grafico 4.1) para obtener así la radiación total a
través de la abertura.
Figura 4.6: Representación esquemática de la radiación del calor a través
de una abertura.
Fuente: Hornos industriales; Trinks, W.; Mawhinney, M. H.; tomo I; 1975, P.149
Los valores obtenidos por este investigador aparecen en el gráfico 3.2
para aberturas de diversas formas.
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“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
Gráfico 4.1: Radiación del cuerpo negro en función de la temperatura (ºC.)
Gráfico 4.2: Radiación a través de aberturas de forma diversa, expresada
como fracción de la radiación de una superficie libremente expuesta que
tenga la misma superficie que la sección transversal de la abertura.
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“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
Fuente: Hornos industriales; Trinks, W.; Mawhinney, M. H.; tomo I; 1975, P.149
En los hornos de elevada temperatura con paredes gruesas, pueden
observarse semiaberturas. A menos que el enlace sea muy resistente, los
ladrillos del interior del horno se dilatan de manera considerable, mientras que
las capas exteriores dilatan muy poco. A través de las rendijas que se producen
por esta causa, pueden observarse los ladrillos interiores al rojo. Si se tiene la
misma impresión de que el operador puede ver en interior del horno a través
de la rendijas. Los ladrillos interiores al rojo radian una considerable cantidad
de calor a través de las rendijas más o menos anchas.
4.5.3 CALOR PERDIDO POR LA FUGA DE GASES
Las pérdidas de calor que se producen por los gases que salen por la
tapa del horno, se producen por radiación y convección. Son pequeñas en los
hornos eléctricos. En los hornos con combustible se presenta invariablemente
una cierta pérdida de calor, porque estos hornos funcionan con una presión
interior al nivel de la solera en la cámara de calentamiento. La razón de este
método de funcionamiento estriba en que una pequeña pérdida de los gases,
que salen al exterior, es menos perjudicial que la oxidación (y enfriamiento) que
se produce por la infiltración del aire al interior del horno. Si la tapa está
montada herméticamente, la pérdida necesaria no supera el 2% del calor total
aportado al horno. Con un montaje holgado de las puertas y con la llama o los
chorros de gases proyectándose contra las mismas, la pérdida puede alcanzar
el 8% e incluso superar este valor.
Debe hacerse una distinción entre la cantidad de gases que escapan
por las puertas y el calor disponible sacado por estos gases. Si la combustión
se ha completado en el interior del horno, no existe prácticamente pérdida de
calor en los hornos discontinuos al escapar los gases por las puertas. Por otro
lado, si la combustión no ha sido completada, existe una pérdida de calor,
porque los gases completan su combustión fuera del horno.
47
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
4.5.4 CALOR SENSIBLE SACADO DEL HORNO EN LOS GASES DE
COMBUSTIÓN
En los hornos de combustión, existen otras causas de pérdidas de
calor, las cuales se indican en la figura 3.4 por la flecha 7. Estas pérdidas se
producen por la energía calorífica que los productos de combustión sacan del
horno, ya sea en forma potencial, como combustible sin quemar, o en forma
cinética, como calor sensible. Al calor sensible puede añadirse el calor latente
del vapor de agua.
La composición química del combustible tiene influencia sobre la
pérdida de calor (pérdidas por chimenea) que estamos examinando. En los
hornos de baja temperatura, del orden de 538ºC, las pérdidas de humos (calor
extraído por los productos de combustión) son poco afectados por la naturaleza
del combustible. A temperaturas más elevadas, del orden de 1 315ºC, la
diferencia en la economía del combustible es notoria. La diferencia se produce
por la variación de las temperaturas de las llamas que pueden alcanzarse con
los diferentes combustibles. Una medida de la temperatura máxima está
constituida por la temperatura adiabática de la llama (ideal o teórica). La
temperatura adiabática de la llama se define como la temperatura que se
alcanza quemando el combustible a presión constante con temperatura del aire
ambiente y en un recipiente aislado térmicamente. En los hornos nunca se
alcanzan las temperaturas ideales de la llama, porque se radia calor mientras
tiene lugar la combustión. Sin duda, es interesante comparar las temperaturas
adiabáticas de la llama. Si se ha de calentar un metal a la temperatura
adiabática de la llama, el consumo del combustible sería infinitamente grande y
el tiempo de calentamiento infinitamente largo.
4.5.5 CALOR PERDIDO POR COMBUSTIÓN INCOMPLETA
48
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
En muchos hornos industriales salen los combustibles sin que se haya
realizado la combustión completa. Para reducir la oxidación de la carga, los
horneros mantienen a veces los hornos con atmósferas cargadas de humo.
Con una relación de combustible-aire teóricamente correcta, no se
completa la combustión a menos que el combustible y el aire estén
completamente mezclados. Aún con un exceso de aire se encuentra en
ocasiones combustible en los gases quemados. Por lo tanto, la cantidad de
calor perdido de esta manera, no depende solamente del tipo de quemador y
horno, sino de los requisitos de funcionamiento.
Los combustibles industriales, a excepción del coque y gas de horno
alto, contienen hidrocarburos. En las etapas iníciales de la combustión se
forman compuestos, tales como CHnOH. Con exceso de aire, estos
compuestos se oxidan a CO2 y H2O. Con un suministro de aire insuficiente (ya
sea completa o localmente), los productos finales son CO2, CO, H2O, H2 y
metano. Si se enfrían los productos de combustión parcial se forma hollín.
4.6. REDUCCIÓN DE LAS PÉRDIDAS POR LAS PAREDES
La combustión a través de puertas poco herméticas constituye una
parte de las pérdidas por las paredes.
Las paredes de los hornos construidas con ladrillos refractarios
aislantes y cubiertas en una carcasa de acero, reducen el flujo de calor al
ambiente.
Las pérdidas se reducen aún más por la inserción de bloques de fibra
entre el refractario aislante y la cubierta de acero.
La economía del calor no significa necesariamente un ahorro de dinero,
puesto que los gastos fijos del costo del aislamiento pueden exceder del costo
de combustible que se ahorra; aunque esto es un caso muy raro, debe de
tenerse en cuenta.
Otro factor que reduce la utilidad del aislamiento es su empleo en
paredes que están sujetas a frecuentes reparaciones. Algunos ejemplos
clásicos son los hornos que están cerca de martillos de forja y los hornos que
49
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
se calientan demasiado rápidamente después de una parada prolongada. En
esto casos se producen roturas. Ningún aislamiento puede justificarse
económicamente cuando son necesarias costosas reparaciones.
4.7 UTILIZACIÓN DEL CALOR DE LOS GASES QUEMADOS
La necesidad de reducir las pérdidas de humos conduce a los dos
métodos siguientes de economía del calor:
a) Precalentamiento de la carga fría por los gases quemados.
b) Precalentamiento del aire de combustión (y de algunos combustibles).
50
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
CAPÍTULO V
MOVIMIENTO DE GASES
5.1 PRESIÓN EN LOS HORNOS, TAMAÑO Y SITUACIÓN DE LOS
ORIFICIOS DE SALIDA DE GASES
En relación con las condiciones de presión en los hornos deben
observarse dos reglas importantes, como sigue:
a) En el calentamiento de los metales, la presión en la cámara de
calentamiento debe ser la atmosférica o algo superior a esta, con
cualquier tasa de calentamiento.
b) Cuanto más baja es la temperatura de calentamiento del material
mayor es la necesidad de una circulación completa de los gases en la
cámara de calentamiento.
La razón por la que debe existir presión atmosférica en la cámara de
calentamiento para conseguir un funcionamiento correcto, es obvia. Si fuera
mayor que la atmosférica, saldrían llamas o gases calientes por las aberturas y,
si fuese más pequeña, entraría aire por las puertas y el material sería oxidado.
En hornos de cierta altura es imposible tener presión atmosférica en
todos los niveles, porque el horno forma una chimenea (columna de gases
calientes). Es evidente que debe existir una diferencia entre la presión de la
51
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
atmósfera y la presión del horno en algún nivel del horno, presentándose la
cuestión de la “distribución de la diferencia de presión en el horno”. Para
impedir el acceso de aire, la presión en el horno excede casi invariablemente
desde la presión atmosférica desde la solera, siendo el exceso en este punto
muy pequeño, mientras que el exceso de presión en la coronación de la
bóveda es mucho mayor, dependiendo de la altura y temperatura del horno.
Los operarios del horno prueban la presión que prevalece en el mismo al nivel
de la solera observando la salida de una llama o gas caliente por un agujero de
observación en una puerta del horno.
La condición deseable de tener un exceso de presión de la solera se
mantiene fácilmente si los productos de combustión salen cerca de la misma.
Cada canal de humos es una chimenea que introduce aire frío en el
horno cada vez que se abre una puerta del horno, a menos que entre en acción
simultánea un registro. El aire que entra no es perjudicial si se dispone el
registro cerca de la puerta, porque en este caso el aire entra en el canal de
humos en derivación a través del respiro.
El control automático de la presión del horno, con un registro en cada
canal de humos, es complicado y costoso. Por esta razón, los ingenieros de
hornos han inventado medios para el control semiautomático. Uno consiste en
disponer un agujero pequeño ajustable en la parte inferior de cada canal de
humos, fuera del horno. El otro medio consiste en construir canales de humos
con ladrillos refractarios muy delgados. El propósito de cada artificio es el
mismo, es decir, producir menos tiro con calentamiento bajo, que el que se
produce en el horno cuando está calentado a plena potencia.
Con el fin de sobredimensionar ligeramente los respiros y canales de
humos, deben determinarse las dimensiones que se necesitan para un
consumo de calefacción máximo. Las dimensiones requeridas son función del
volumen y temperatura de los productos de combustión que fluyen en la unidad
de tiempo, y de la pérdida admisible de la carga.
52
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
En consecuencia, el volumen de gases quemados que pasan a través
de los respiros y canales de humos por unidad de tiempo se conoce con
exactitud suficiente, si se conocen el calor liberado en la unidad de tiempo y la
temperatura de los gases quemados. Un canal de humos muy corto puede
considerarse como un respiro.
5.2 CANAL DE HUMOS
Los hornos calentados por gas o aceite no necesitan chimeneas, sino
solamente canales de humos cortos, en los que se refiere a su funcionamiento.
Los productos de combustión se descargan por los canales de humos cortos en
la nave de trabajo. Si no se desea su presencia, se puede disponer una
campana o un recogedor con una salida a través del tejado. Las chimeneas
son necesarias en los hornos con regenerador, cualquiera sea el combustible y
también en muchos hornos con recuperador.
Aunque parezca una reiteración, se debe indicar de nuevo que debe
existir una ligera presión en el horno y que en el trabajo de los hornos de
calentamiento y/o fusión la chimenea o canal de humos no tiene otra función
que la de evacuar los productos de combustión. Solamente se necesita una
fracción muy pequeña de su capacidad productora de tiro. En consecuencia, la
chimenea puede ser de cualquier altura, mientras sea lo suficientemente alta
para atravesar el tejado y elevarse por encima de los edificios de los
alrededores para evitarlos tiros hacia atrás o remolinos en su interior.
5.3 FLUJO DE GASES EN LOS HORNOS
Es conveniente examinar el movimiento de las corrientes que ceden
calor. La regla es que un gas caliente, mientras mayor sea su corrido cederá
mayor calor dentro del horno. Para comprender esta regla véase la figura 4.1.
53
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
Figura 5.1: Flujo de una corriente subdividida de gases.
Fuente: Hornos industriales; Trinks, W.; Mawhinney, M. H.; tomo I; 1975, P.412
Supongamos que los ladrillos están fríos, y que los gases calientes que
se elevan desde el quemador ceden calor a los ladrillos y a la carga.
Supongamos que una corriente, por ejemplo la (1), tiene un recorrido mayor
que el resto; por consiguiente, cederá más calor y calentará más las zonas
adyacentes. Si otra corriente, por ejemplo la (2), tiene un menor recorrido,
entonces cederá menos calor que la corriente (1) y calentará el horno
deficientemente.
5.4 CIRCULACIÓN DE LOS GASES EN LOS HORNOS
Existe cierta diferencia entre el flujo de gases y la circulación de gases.
Los productos de combustión pueden fluir directamente desde el quemador al
respiro o pueden ser obligados a pasar por la misma zona dos o más veces
sucesivamente, siendo este último caso cuando verdaderamente circulan.
Existen cuatro causas principales de la circulación de los gases en los
hornos:
1. Cambio de volumen a causa de un cambio de temperatura.
2. Diferencia en el peso específico de los gases calientes y fríos.
54
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
3. Energía cinética de los gases circulantes, debida a la presión de
combustible y de aire de entrada.
4. Presión en el horno, en relación con el tiro de los canales de humos.
Los medios para dar dirección a la circulación son los siguientes:
1. Emplazamiento de los dispositivos de combustión.
2. Dirección de los gases calientes o llama.
3. Emplazamiento de los respiros de salida.
4. Ventiladores.
5.4.1 CAMBIO DE VOLUMEN A CAUSA DEL CAMBIO DE TEMPERATURA
El volumen de un peso dado de un gas es proporcional a la temperatura
absoluta, si la presión permanece constante; así ocurre en la práctica de los
hornos. Este factor en si mismo afecta poco a la circulación de los gases en el
horno, pero aumenta e intensifica sin duda alguna la acción de la causa 3. El
incremento de volumen durante la combustión ayuda en gran manera al llenado
de los espacios de combustión y canales de humos con calor y llama y a
producir un flujo uniforme de gases a través de la cámara de calefacción,
aunque la mezcla de aire y combustible pueda entrar en el horno en chorros
independientes.
5.4.2 DIFERENCIA EN EL PESO ESPECÍFICO DE GASES CALIENTES Y
FRÍOS
Esta diferencia produce el bien conocido efecto de chimenea. Es muy
beneficiosa si se usa en forma apropiada, pero es perjudicial si se permite que
actúe de determinada forma. Es beneficiosa porque introduce el aire en el
horno a través de los regeneradores o recuperadores dispuestos en bajo.
Lleva los productos de combustión a la cámara de calefacción desde los
hogares dispuestos en bajo. Prácticamente constituye el único agente que
produce la circulación en el interior de las muflas y hornos calentados
55
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
eléctricamente. Obliga al calor y a la llama a buscar la bóveda del horno y
pasar sobre la carga a fundir, la cual se halla a una atmósfera más fría.
5.4.3 ENERGÍA CINÉTICA DE LOS GASES CIRCULANTES DEBIDO A LA
PRESIÓN DEL COMBUSTIBLE Y AIRE DE ENTRADA
El hecho de que el aire o el gas o el aceite entren en el horno con una
velocidad considerable (que es necesario para producir la mezcla y la presión a
nivel de la solera), proporciona uno de los medios más valiosos para efectuar
una rápida circulación en el horno, suponiendo que éste tiene la forma
adecuada para dirigir los gases y mantener la circulación. Una corriente de gas
muy pequeña puede mantener una circulación perpetua en una cámara circular
con un agujero central, tal como se ve en la figura 5.2.
Figura 5.2: Circulación mantenida por un pequeño chorro.
Fuente: Hornos industriales; Trinks, W.; Mawhinney, M. H.; tomo I; 1975, P.434
5.4.4 LA PRESIÓN EN EL HORNO EN RELACIÓN CON EL TIRO DE LOS
CANALES DE HUMOS
La acción de la diferencia de presiones es tan evidente que necesita
poca atención. Los fluidos se desplazan siempre de las regiones de alta
presión a las de baja, a no ser que la diferencia de presión se produzca por el
peso de una columna superpuesta de fluido. Para una densidad dada de
56
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
fluido, se produce un flujo más rápido, cuanto mayor sea la diferencia de la
presión. Esta última proposición es tan simple que puede esperarse que todos
los ingenieros de hornos la tengan en cuenta, aunque se produzcan errores por
no considerarla.
5.4.5 UBICACIÓN DE LOS DISPOSITIVOS DE CALENTAMIENTO Y DE
COMBUSTIÓN
Los hornos pueden tener calefacción lateral, según la dirección y
recorrido que se desee dar a la llama. Los quemadores pueden disponerse
encima o debajo de la carga. Puede variarse el número de quemadores. Las
resistencias y los tubos radiantes pueden colocarse encima o debajo de la
carga. La multiplicidad de disposiciones es tan elevada que no permite un
examen exhaustivo.
En algunos hornos que se calientan por resistencias o tubos radiantes,
se obtiene la circulación por medios mecánicos. Si no existen tales medios se
produce en estos hornos una débil circulación.
5.4.6 DIRECCIÓN DE LOS CHORROS DE GASES CALIENTES O DE LA
LLAMA
En pocos casos se obtendrá un funcionamiento satisfactorio al dirigir las
llamas hacia y entre la carga que se ha de fundir. Existe el peligro de que las
lenguas de las llamas alcancen la carga y se produzca oxidación, porque la
llama es signo de combustión incompleta. Generalmente, la mejor solución es
dirigir los gases calientes a lo largo de una pared refractaria y desviarlos de tal
manera que vuelvan hacia atrás, de la carga o alrededor de éste.
57
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
Figura 5.3: Circulación de los gases calientes a lo largo de la pared
refractaria del horno.
Fuente: Elaboración Propia
5.5.7 CIRCULACIÓN POR MEDIOS MECÁNICOS
Los medios mecánicos pueden producir la circulación de productos de
combustión o de atmósferas protectoras que se calientan por resistencias
eléctricas o por tubos radiantes.
Si se invierte periódicamente la dirección del flujo del gas o aire se
incrementa la uniformidad de temperatura para un tiempo de calentamiento
determinado, y se acorta el tiempo de calentamiento para una uniformidad
dada.
58
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
CAPÍTULO VI
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL HORNO DE CRISOL
6.1 CÁLCULOS DE INGENIERÍA
6.1.1 DISEÑO DEL HORNO DE CRISOL
Tomando en cuenta las clasificaciones de hornos metalúrgicos
considerados anteriormente, vemos por conveniente optar por un horno de las
siguientes características:
Primero: El calor debe producirse por combustión de GN.
Segundo: El material a fundir será cargado de manera discontinua.
Tercero: El horno deberá ser construido con una baja inversión.
Cuarto: Se deberán fundir tanto metales férreos como no férreos.
En consecuencia, el horno será clasificado como “Horno de Crisol
Basculante”. El cual será construido con las siguientes dimensiones:
DIMENSIONES INTERIORES
Diámetro = 250 mm. = 0.250 m.
Altura = 400 mm.= 0.400 m
DIMENSIONES EXTERIORES
59
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
Diámetro = 520 mm. = 0.520 m.
Altura = 510 mm. = 0.510 m.
6.1.2 SELECCIÓN DE MATERIALES
Para la construcción del horno de crisol se emplearon ladrillos
refractarios con alto contenido de alúmina (70% Al2O3), que son más
refractarios y más resistentes a la acción de fundentes que los ladrillos de
arcilla y sus propiedades varían en proporción directa aproximada con el
contenido de alúmina. Estos ladrillos tienen una resistencia excepcional a la
desintegración, principalmente la ocasionada por cambios bruscos de
temperatura, y poseen una gran resistencia mecánica y constancia de volumen
a temperatura de trabajo. Los ladrillos con 60% o más de Al2O3 son muy
resistentes a determinadas acciones corrosivas, inclusive la causada por
cenizas de carbón, petróleo, madera, bagazo y aún escorias básicas.
Tabla 6.1: Características del ladrillo refractario empleado en la
construcción del horno
CLASE MARCA
TEMPERATURA
TIPICA
TRABAJO
USOS Y APLICACIONES
70%
Al2O3
REPSA
ALUSITE 1750ºc
Hornos rotatorios de cal y cemento,
calderos, hornos metalúrgicos.
*Según norma ASTM C-27
Fuente: www.repsa.com.pe.ladrillosrefractarios/altocontenidoalumina.htm
El castable usado en la construcción de la tapa tiene las siguientes
características:
Tabla 6.2: Características del castable refractario empleado en la
construcción de la tapa del horno
60
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
MATERIAL
BASE
MARCA % DE AGUA
NECESARIA
TEMPERATURA
TÍPICA
TRABAJO
USOS Y
APLICACIONES
Alúmina
Repsa
Castable
de
Alta
Alúmina
9 1650ºc
Conos de
quemadores, hornos
metalúrgicos,
refinerías de
petróleo, calderos
Fuente: www.repsa.com.pe.ladrillosrefractarioscon/altocontenidoalumina
Los metales que deben utilizarse en la construcción de la cubierta
metálica deben satisfacer dos condiciones:
1. No deben oxidarse rápidamente.
2. No deben sufrir deformaciones permanentes notables por la
influencia de tensiones moderadas o solamente debe ser
necesario su emplazamiento después de una amplia utilización.
Existen diversos aceros que cumplen estas condiciones, pero tomando
en cuanta el aspecto económico, optamos por usar el acero ASTM A 36.
6.1.3 VOLUMEN OPERATIVO DEL HORNO
De la ecuación:
Volumen total del horno = π.r2.L
Donde:
r = radio interior del horno (0.125m).
L = Longitud del hogar (altura) (0.400m).
Reemplazando en ecuación, se tiene:
Volumen total del horno = 0.0196m3
61
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
Tomando el 75% del volumen total del horno se obtiene el Volumen
operativo del horno, que es igual a:
Volumen operativo del horno = 0.0196m3 x 0.75
Volumen operativo del horno = 0.0147 m3
6.1.4 QUEMADOR DEL HORNO DE CRISOL
6.1.4.1 CARACTERÍSTICAS DEL QUEMADOR
Tomando en cuenta las clasificaciones consideradas
anteriormente, vemos por conveniente optar por un quemador de las siguientes
características:
Primero: La relación Aire-Combustible debe ser controlada.
Segundo: La presión en la cámara de combustión debe ser negativa
Tercero: Debe producir una llama adecuada.
Fig. 6.1: Esquema del quemador usado en el horno de crisol con GN
Fuente: Elaboración propia.
62
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
En la fabricación del quemador se utilizo un tubo de hierro fundido para
la entrada de aire y otro tubo de acero para la entrada de gas, como se observa
en la figura.
- Orificio de alimentación de GN : 1/8 Pulg.
- Orificio de alimentación de aire : 2 Pulg.
- Cámara de mezclado aire-GN : 810cm3.
- Orificio de salida de la llama : 2 Pulg.
6.1.4.2 CARACTERÍSTICAS DEL VENTILADOR
El suministro de aire para la combustión del GN en el horno de crisol se
realiza utilizando un ventilador centrífugo de paletas radiales, con diámetro de
suministro de aire de 2 pulgadas, y con un motor eléctrico de 0.5 HP de
potencia. Cabe señalar que el ventilador se usa además de que proporcione
aire para la combustión, para darle la longitud y dirección a la llama, de tal
manera se produzca el efecto centrífugo logrando que la llama siga el contorno
de la pared refractaria adyacente, y de este modo mejorar la radiación por las
paredes.
Fig. 6.1: Esquema del quemador usado en el horno de crisol con GN
Fuente: Fundición Medrano.
63
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
6.1.5 VELOCIDAD DE AIRE SUMINISTRADO AL HORNO
De datos recopilados en fundiciones artesanales se encontró que 0.400
Kg de GN requieren 6.543 Kg de aire, los cuales se consumen en un tiempo de
10 minutos (fundición de chatarra de aluminio tabla).
v =
cA
Donde:
v : Velocidad de suministro de aire (m/min.).
c : Caudal de aire requerido (0.513 m3/min.).
Se sabe que:
6.543 Kg Aire x
1 . mol .. Aire29 . Kg . . Aire x
22 . 4 .m3 .. Aire1 . mol .. Aire = 5.054 m3 Aire
c =
5. 054 .m3 . . Aire10 ..min = 0.505 m3 / min.
A: Área de la sección de alimentación de aire (0.00203 m2).
Reemplazando en ecuación se tiene:
v =
0 .505 .m3 /min0 .00203 .m2
v = 248.966
mmin = 4.149
mseg
6.1.6 VELOCIDAD DE GN SUMINISTRADO AL HORNO
Teniendo los siguientes datos experimentales:
Caudal = 0.400 Kg / 10 min. (Fundición de chatarra de Al) = 0.04 Kg/min.
64
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
m =
0 .364 Kg10 min = 0.0364
Kgmin ; Para el metano.
0.0364
Kg .min
CH 4x
1. . mol .CH 4
16 . Kg .CH 4 x
22 . 4 m3 CH 4
1. mol . CH 4 = 0.051
m3
minCH 4
m =
0 .025 Kg10 min = 0.0025
Kgmin ; Para el etano.
0.025
Kg .min
C 2 H6x
1. . mol .C2 H6
30 . Kg .C2 H6 x
22 . 4 .m3 C2 H6
1 . .mol . C 2 H6 = 0.002
m3
minC2 Halignl ¿ 6 ¿¿ ¿
Sección de suministro de GN = π . r2
Sección de suministro de GN = π (0.00075 m)2 = 1.767x 10-6 m2
De la ecuación, calculamos la velocidad de GN suministrado al horno:
Para el metano:
0 .051 . .m3 . CH 4 /min
1. 767x 10-6 . m2 = 28862.478 m/min. = 481 m/seg.
Para el etano:
0 .002 . .m3 . C2 H 6 /min
1 .767x 10-6 . m2 = 1131.862 m/min. = 18.864 m/seg.
6.1.7 FLUJO CALORÍFICO A TRAVÉS DEL CRISOL
Para calcular el flujo calorífico a través del crisol usamos la ecuación:
Q = 2 π L k
T 1−T 2
ln (r2/r1 )
Donde:
65
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
Q : Conducción de calor a través del crisol (Kcal / hr).
L : Longitud (altura del crisol) (0.320 m).
k : conductividad térmica del crisol (1.371 Kcal / hr.m.K).
T1 : Temperatura al interior del crisol (1963 K).
T2 : Temperatura al exterior del crisol (285.5 K).
r1 : Radio exterior del crisol (0.125 m).
r2 : Radio interior del crisol (0.09 m).
Q = 2π x 0.2m x 1.371 Kcal / hr.m.K
(1963−285. 5 )Kln (0. 125/0 . 09 )
Q = 14076.5
Kcalhr
6.2 CÁLCULOS EXPERIMENTALES
Los cálculos experimentales se realizaron para las fundiciones de
chatarra de aluminio.
6.2.1 CALCULO CON CHATARRA DE ALUMINIO
6.2.1.1 OBJETIVO
Lograr la fundición de un kilogramo de chatarra de aluminio,
determinando las variables para el óptimo funcionamiento del horno de crisol
con GN.
EQUIPOS Y MATERIALES
- Horno de crisol con GN
- Gas Natural
- Pirómetro.
66
HORNODE
FUSIÓN
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
- Crisol de grafito.
- Equipo de seguridad personal.
- Balanza.
- Cronometro.
- Equipo de fundición.
- Chatarra de aluminio.
- Cloruro de sodio.
6.2.1.2 PARÁMETROS DE OPERACIÓN
Tiempo de fusión.
Temperatura de fusión.
Consumo de GN.
Aire suministrado.
Peso del material a fundir.
6.2.1.3 DIAGRAMA DE FLUJO DE LA FUNDICIÓN DE CHATARRA DE
ALUMINIO
Se tiene el diagrama de flujo del horno:
Chatarra de Al Gases de Combustión
Gas GN Tocho de Al
Aire Húmedo Escoria
67
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
6.2.1.4 FLUJO DE COMBUSTIBLE
Cabe señalar previamente que para la fusión de la chatarra de aluminio
se recabaron datos experimentales que para la fusión de Al se emplearon
0.400 Kg de GN (CH4; 90.87% y C2H6; 6.19%), con un tiempo de fusión de 10
minutos.
Se tiene el flujo másico del propano y del butano para la fusión del
aluminio:
m =
364 g10 min = 36.4
gmin ; Para el metano.
m =
25 g10 min = 2.5
gmin ; Para el etano.
6.2.1.5 BALANCE DE MATERIA
Se tienen las reacciones de combustión completa del GN (CH4; 90.87%
y C2H6; 6.19%):
CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O …………….a
2C2H6 + 7O2 4CO2 + 6H2O……………..b
También reaccionan el aluminio y el cloruro de sodio que es usado
como escorificante:
4Al + 3O2 2 Al2O3…………………………………….c
4NaCl + O2 2Na2O + 2Cl2………………d
El O2 requerido para que ocurran las reacciones es:
364g CH4 x
2(32 g . O2)16 g .CH 4 )
= 1 456 g O2.
68
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
25g C2H6 x
7(32 g .O2 )2(30 g . C2 H 6 ) = 93.3 g O2.
5 g Al x
3(32 g . O2 )4 (27 g . Al ) = 4.444g O2.
10 g NaCl x
32 g . O2
4 (59 g . NaCl) = 1.356 g O2.
Sub total: 1551.1 g O2 = 1.551 Kg O2.
Considerando que la combustión necesita un 20% de exceso de O2, se
obtiene el O2 total requerido para la combustión:
(1551.1)0.20 = 303.22 g O2 en exceso.
Total: 1861.32 g O2 = 1.861 Kg O2
El porcentaje en peso del O2 y N2 en el aire es el siguiente:
O2 : 23.2%
N2 : 76.8%, entonces el contenido de N2 en el aire es:
1861.32g O2 x
76 . 8 g . N2
23 . 2 g .O2 = 6161.61g N2., entonces la cantidad de aire seco para
la combustión es: 8022.931 g = 8.022 Kg aire seco
Las cantidades de los gases que se generan de las combustiones:
De la reacción del metano:
CO2: 364g CH4 x
(44 g . CO2 )44 g . CH 4 = 1001 g CO2.
69
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
Vapor de H2O: 364g CH4 x
2(18 g . H2O)16 g .CH 4 = 819 g H2O.
De la reacción del etano:
CO2: 25g C2H6 x
4 (44 g .CO 2 )2(30 g .C2 H 6 ) = 73.3 g CO2.
Vapor de H2O: 25g C2H6 x
4 (18 g . H2O)2(30 g . C2 H 6 ) = 45 g H2O.
Total de CO2: 1074.3 g = 1.074 Kg
Total de vapor de H2O: 864 g = 0.864 Kg
En el Cusco las condiciones ambientales son:
Presión atmosférica: 512 mm Hg.
Porcentaje de humedad: 60%.
Temperatura media del ambiente: 12.500ºC.
Presión del agua a 12ºC: 10.500 mm Hg.
Entonces la presión del agua a 12ºC y con un porcentaje de humedad
del 60% es:
10.500mm Hg x 0.600 = 6.300 mm Hg. Luego, la presión del aire seco es 512 –
6.300 = 505.700 mmHg.
La cantidad de vapor de agua que entra en la reacción:
6 .300 mmHgx (8022. 931 g .aire )512 mmHg = 98.719 g de vapor de agua en el aire.
La escoria que se produce de las reacciones es:
70
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
De la reacción (c) se tiene: 5g Al x
2(102 g . Al2 O3 )4 (27 g . Al ) = 9.444 g Al2O3.
De la reacción (d) se tiene: 10 g NaCl x
2(62 g . Na2 O )4(59 g . NaCl ) = 5.254g Na2O.
Total de escoria = 14.698 g.
El cloro que sale con los gases de combustión es:
De la reacción (d) se tiene: 10g NaCl x
2(36 g . Cl2 )2(59 g . NaCl) = 6.102g Cl2.
Tabla 6.3: RESUMEN DEL BALANCE DE MATERIA DE LA FUNDICIÓN DE
ALUMINIO.
ENTRADA (g) SALIDA (g)
Al = 1 000 Tocho Al = 995
NaCl = 10 Cl2 = 6.102
O2 requerido = 1551.1 CO2 = 1074.3
O2 exceso = 303.22 O2 exceso = 310.22
GN = 400 Escoria: Al2O3 9.444 + Na2O 5.254
N2 = 6161.61 N2 = 6161.61
Vapor de agua = 98.719 Vapor de agua: 962.719
TOTAL = 9524.649 TOTAL = 9524.649
Fuente: Elaboración propia.
6.2.1.6 BALANCE DE ENERGÍA
Con la ayuda del diagrama de flujo del Horno de fusión, empezamos a
realizar el balance de energía tomando como referencia la temperatura a
condiciones normales (25ºC). La temperatura a la que entran la materia prima,
el aire y el GN es 12.5ºC, que es la temperatura media de la ciudad del Cusco.
71
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
De la misma forma el producto, la escoria y los gases de combustión salen a
una temperatura de 750ºC.
Chatarra de Al: 12.5ºC Gases de Combustión: 750ºC
Gas GN: 12.5ºC Tocho de Al: 750ºC
Aire Húmedo: 12.5ºC Escoria: 750ºC
Seguidamente hacemos la diferencia entre las sustancias que generan
calor y las que la absorben:
EXOTÉRMICOS :
Reacción de combustión del CH4: WΔ HR= -QR.
Δ HR=Δ HProductos-Δ HReactantes
Δ HR = 2(Δ HRH2O) + (Δ HRCO2) - Δ HRCH4 - 2(Δ HRO2)
Δ HR = 2(-3.211) + (2.137) – (-13.187) – 2(0)
HR = - 8.902
Kcalg
QR = 364g x (- 8.902
Kcalg ) = -3240.328 Kcal.
Reacción de combustión de C2H6: WΔ HR= -QR. ;
72
HORNODE
FUSION
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
Δ HR=Δ HProductos-Δ HReactantes
Δ HR = 6(Δ HRH2O) + 4(Δ HRCO2) – 2(Δ HRC4H10) - 7(Δ HRO2)
Δ HR = 6(-3.211) + 4(2.137) – 2(-12.267) – 7 (0)
Δ HR = -13.816
Kcalg
QR = 25g x (-13.816
Kcalg ) = -345.4 Kcal.
Reacción de oxidación de Al: WΔ HR= -QR; Δ HR=Δ HProductos-Δ HReactantes
Δ HR = 2(Δ HRAl2O3) - 4(Δ HRAl) - Δ HRO2
Δ HR = 2(-3.922) – 4(0) – (0)
Δ HR = -7.844
Kcalg
QR = 5g x (- 7.844
Kcalg ) = -39.220 Kcal.
Reacción de oxidación del NaCl: WΔ HR= -QR.
Δ HR=Δ HProductos-Δ HReactantes
Δ HR = 2(Δ HRCl2) + 2(Δ HRNa2O) – 4(Δ HRNaCl) - Δ HRO2
Δ HR = 2(0) + 2(1.604) -4(5.051) – (0)
Δ HR = -16.996
Kcalg
73
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
QR = 10 g x (- 16.996
Kcalg ) = -169.960 Kcal.
TOTAL: - 3794.908 Kcal.
ENDOTÉRMICOS:
Calentamiento del Al: W C (T0 – T1) = QC
Qc= 1 000g x0.217
calg . ºC (25-12.5)ºC = 2 712.500 cal.
Calentamiento del NaCl: W C (T0 – T1) = QC.
Qc = 10g x0.200
calg . ºC (25-12.5)ºC = 25cal.
Calentamiento del aire seco: W C (T0 – T1) = QC.
Qc= 8022.931 g x0.240
calg . ºC (25-12.5)ºC= 24068.793 cal.
Calentamiento del vapor de agua: W C (T1 – T0) = QC
QC = 98.719 g x0.500
calg . ºC (25-12.5)ºC = 616.993 cal.
Calentamiento del metano: W C (T1 – T0) = QC.
Qc = 364g x 0.72
calg . ºC (25-12.5)ºC = 32776 cal.
Calentamiento del etano: W C (T1 – T0) = QC.
Qc= 25g x0.53
calg . ºC (25-12.5)ºC= 165.625 cal.
Subtotal: 46.559 Kcal.
Fusión del aluminio: WΔ HF = QF
74
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
= 995g x 94.500
calg = 94 027.500 cal.
Subtotal = 94.028 Kcal.
Calentamiento del Al: W C (T2 – T0) = QC.
QC = 995g x0.217
calg . ºC (750-25)ºC = 156 538.375 cal.
Calentamiento del Al2O3: W C (T2 – T0) = QC.
QC=9.444g x 0.239
calg . ºC (750-25)ºC= 1 636.409 cal.
Calentamiento del Na2O: W C (T2 – T0) = QC
QC = 5.254g x 0.225
calg . ºC (750-25)ºC = 857.059cal.
Calentamiento del O2: W C (T2 – T0) = QC.
QC= 303.22 g x0.220
calg . ºC (750-25)ºC= 48363.59 cal.
Calentamiento del N2: W C (T2 – T0) = Q
QC = 6161.61 g x 0.220
calg . ºC (750-25)ºC = 982776.795 cal.
Calentamiento del CO2: W C (T2 – T0) = QC.
QC = 1074.3 g x 0.210
calg . ºC (750-25)ºC = 163562.175cal.
Calentamiento del Cl2: W C (T2 – T0) = QC.
75
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
QC = 6.102g x 0.120
calg . ºC (750-25)ºC = 530.874 cal.
Calentamiento del vapor agua: W C (T2 – T0) = QC.
QC= 962.719 g x0.500
calg . ºC (750-25)ºC= 348985.638 cal.
Subtotal: 1703.250 Kcal.
TOTAL: 1843.837 Kcal.
Donde:
W : Peso (g).
Δ HR : Calor latente de reacción (cal/g)
QR : Calor de reacción (cal, Kcal.)
C : Calor específico (cal/g ºC)
T0 : Temperatura a condiciones normales (ºC).
T1 : Temperatura inicial (ºC).
T2 : Temperatura final (ºC).
QC : Calor de calentamiento (cal)
Δ HF : Calor latente de fusión (cal/g)
Tabla 6.4: RESUMEN DEL BALANCE DE ENERGÍA EN LA FUNDICIÓN DE
ALUMINIO.
PRODUCIDOS (Kcal.) CONSUMIDOS (Kcal.)
Metano = -2421.692 Calentamiento: 12.5 -25ºC= 46.559
76
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
Etano = -345.4 Fusión del aluminio = 94.028
Aluminio = -39.220 Calentamiento: 25 – 750ºC = 1703.250
Cloruro de sodio = -169.960 Total = 1843.837
Total = -2976.272 Rendimiento = 61.95%
Pérdidas = 1132.435
Fuente: Elaboración propia.
6.2.1.7 CÁLCULO DE LA TEMPERATURA ADIABÁTICA DE LA LLAMA
Para el cálculo de la temperatura adiabática de la llama, se comienza
por los balances de materia y energía para el combustible, suponiendo que; el
GN se combustiona con oxígeno teóricamente requerido y que el aire es
completamente seco, y también se supone que no se agregan ni fundentes ni
escorificantes, por lo tanto, la temperatura adiabática de llama se calcula de la
siguiente manera:
BALANCE DE MATERIA
Oxígeno teóricamente requerido:
364g CH4 x
2(32 grO2 )16 g .CH 4 = 1456 g O2.
25g CH6 x
7(32 g . O2 )2(30 g . CH 6 ) = 93.3 g O2
Total : 1549.3 g = 1.549 Kg.
Nitrógeno teóricamente requerido:
77
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
1549.3 g O2 x
76 . 8 g . N2
23 . 2 g .O2 = 5128.717 g N2 = 5.128 Kg N2.
CO2 y H2Ovapor teóricamente producido:
De la reacción del metano:
CO2: 364g CH4 x
(44 g . CO2 )16 g .CH 4 = 1001 g CO2.
Vapor de H2O: 364 g CH4 x
2(18 g . H2O)16 g .CH 4 = 819 g H2O.
De la reacción del etano:
CO2: 25g C2H6 x
4 (44 g .CO 2 )2(30 g . C2 H 6 ) = 73.3 g CO2.
Vapor de H2O: 25 g C2H6 x
6 (18 g . H2O)2(30 g . C2 H 6 ) = 45 g H2O.
Tabla 6.5: RESUMEN DEL BALANCE DE MATERIA PARA EL CÁLCULO
DE LA TALL.
ENTRADAS (g) SALIDAS (g)
GN: CH4 = 364
C2H6 = 25
Gases: CO2 = 1074.3
N2 = 5128.717
H2Ovapor = 864
Aire seco: O2 = 1549.3
78
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
N2 = 5128.71
TOTAL = 7067.01 TOTAL = 7067.01
Fuente: Elaboración propia.
BALANCE DE ENERGÍA
Calor producido por el GN:
Reacción de combustión del CH4: WΔ HR= -QR. ;
Δ HR=Δ HProductos-Δ HReactantes
Δ HR = 2(Δ HRH2O) + (Δ HRCO2) - Δ HRC3H8 - 2(Δ HRO2)
Δ HR = 2(-3.211) + (2.137) – (-13.187) – 2(0)
Δ HR = -8.902
Kcalg
QR = 364g x (- 8.902
Kcalg ) = -3240.328 Kcal.
Reacción de combustión de C2H6: WΔ HR= -QR. ;
Δ HR=Δ HProductos-Δ HReactantes
Δ HR = 6(Δ HRH2O) + 4(Δ HRCO2) – 2(Δ HRC4H10) - 7(Δ HRO2)
Δ HR = 6(-3.211) + 4(2.137) – 2(-12.267) – 7(0)
Δ HR = - 13.816
Kcalg
79
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
QR = 25g x (-13.816
Kcalg ) = -345.4 Kcal.
Total: 3585.728 Kcal.
Calor consumido por los gases:
Calentamiento del N2: W C (TALL – T0) = Q
QC = 5128.71 g x 0.220
calg . ºC (TALL -25)ºC
= 1128.316 cal TALL - 28207.9 cal
Calentamiento del CO2: W C (TALL – T0) = QC.
QC = 1074.3 g x 0.210
calg . ºC (TALL -25)ºC
= 225.603 cal TALL - 5640.075 cal
Calentamiento del vapor agua: W C (TALL– T0) = QC.
QC=864 g x 0.500
calg . ºC (TALL -25)ºC
= 432 cal TALL - 10800cal
Total: 1785.919 cal TALL -44647.975 cal
= 1.785 Kcal TALL – 44.647 Kcal
1.785 Kcal TALL – 44.647 Kcal = 3585.728 Kcal (calor total producido).
Despejando TALL; se tiene:
80
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
TALL = 2033.824 ºC.
6.2.1.8 PÉRDIDAS CALORÍFICAS
PÉRDIDAS POR CONDUCCIÓN:
Las pérdidas caloríficas a través de las paredes del horno se calculan
utilizando la ecuación 3.2:
Qcond =
2 π . L(T1−T 3 )ln (r2/r1 )/k A+ ln(r3 /r2 )/k B
Donde:
Qcond : Pérdida calorífica (Kcal /hr.).
kA : Conductividad térmica del ladrillo(0.403 Kcal / hr.m.K).
kB : Conductividad térmica del Acero (44.990 Kcal / hr.m.K).
T1 : Temperatura de la pared interior del horno (1 023 K).
T3 : Temperatura de la pared exterior del horno (353 K).
r1: Radio interior del crisol (0.09 m).
r2: Radio exterior del crisol (o interior de la cubierta metálica), (0.125 m).
r3: Radio exterior de la cubierta metálica (semejante a r2), (0.125 m).
Qcond =
2π .x . 0. 32 .m .(1023−353 ). Kln (0. 125/0 . 09 )/0.403 . Kcal /m .hr .K+ ln(0 .125 /0. 125 )/44 .990 . Kcal /m .hr . K
Qcond = 1652.604
Kcalhr
PÉRDIDAS POR CONVECCIÓN:
Las pérdidas por convección se calculan usando la ecuación 2.4
Qconv = h As (Ts - T∞)
81
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
Donde:
h: Coeficiente de transferencia de calor por convección, 1.713 Kcal / hr.m2 ºC.
As: Área superficial a través de la cual tiene lugar la convección, 1.037m2.
Ts: Temperatura de la superficie, 80ºC.
T∞: Temperatura del fluido, 12.5ºC.
Qconv = 1.713 Kcal / hr m2 ºC x 1.037m2 (80 – 12.5) ºC
Qconv = 119.906
Kcalhr
PÉRDIDAS POR RADIACIÓN:
Las pérdidas por radiación se calculan usando la ecuación 2.5:
Qrad = ε σ As (Ts4 – Talred
4)
Donde:
σ : Constante de Stefan – Boltzmann (5,67x10-8 W / m2 K4).
ε : Emisividad (0.17) .
As : Área superficial (1.037 m2).
Talred : Temperatura del rededor (285.5 K).
Ts : Temperatura superficial (353 K).
Qrad = 0.17 x 5,67x10-8 W / m2 K4 x 1.037 m2 (3534 – 285.54)K4
Qrad = 88.796 w x
0 .857 . Kcal /hr1. w = 76.098
Kcalhr
Las pérdidas por radiación a través del orificio de salida de
gases, se calcula utilizando los gráficos:
Sea el diámetro del orificio: D = 0.10 m.; el espesor del mismo:
S = 0.13 m. y la temperatura del horno ¿750ºC.
Entonces:
82
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
Se deduce que la radiación por metro cuadrado y por hora a 750ºC es
365
Kcalhr
La relación del ancho del orificio al espesor de la pared es:
DS =
0 .13 . m0 .13 . m = 1.00
Entonces el factor total de la radiación es 0.55, por lo tanto la radiación
real es:
365
Kcalhr x 0.52 = 189.8
Kcalhr
Hallando la relación de entrada y salida de gases tenemos:
Entrada:
Flujo másico y volumétrico de combustible GN: 2.4 Kg/h= 3.18 m3/h
Flujo volumétrico y másico de aire: 30.3 m3/h x 1.2 Kg/ m3 = 36.36 Kg/h
Caudal volumétrico total de aire y combustible: 33.48 30.3 m3/h
Salida (gases de combustión) a 750ºC
Caudal volumétrico de CO2: (6.44 Kg/h)/(1.12 Kg/m3) = 5.75 m3/h
Caudal volumétrico de N2: 30.768 Kg/h/(0.83 Kg/m3) = 37.98 m3/h
Caudal volumétrico de H2O: 5.184 Kg/h/(0.80 Kg/m3) = 5.76 m3/h
Caudal volumétrico total de salida de gases de combustión = 49.49 m3/h
Por tanto el caudal volumétrico de gases de combustión es mayor que el
caudal volumétrico de los componentes de ingreso de combustión
6.3 MATERIALES Y COSTOS
83
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
6.3.1 MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN DEL HORNO Y SUS COSTOS
TABLA 6.6 Cantidad y costo de los materiales del horno de crisol
MATERIALES CANTIDAD COSTO (S/.)
Ladrillos refractarios 75 unidades 787.50
Castable refractario 20 Kg. 72.50
Plancha de acero (1/8”) 1.20m. x 2.40m. 240.00
Tubo de hierro fundido (2”) 60 cm. 24.00
Ventilador 1 unidad 90.00
Balón de gas 1 unidad 480.0
0
Válvulas y mangueras de gas 1 unidad 75.0
0
Mano de Obra, transporte y
Otros
730.0
0
Armazón (angular 2x2x1/4) 450.00
Fuente: Elaboración propia.
TOTAL: S/. 3949.00
6.3.2 COSTOS DE OPERACIÓN
6.3.2.1 COSTO DE LA FUNDICIÓN DE CHATARRA DE ALUMINIO
Para sacar los costos de operación de la fundición de aluminio,
recurrimos al flujo de combustible para tal fin:
m =
364 g10 min ; Para el metano.
m =
25 g10 min ; Para el etano.
El costo promedio del GN como referencia en la ciudad de Lima es de
S/.2.48 por kilogramo. Entonces el costo de operación es:
84
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
Costo de operación = mGN X
S / .Kg
mGN: Suma de los flujos másicos del metano y del etano (
gmin ).
S / .Kg : Costo en nuevos soles por kilogramo de GN.
=
364 g10 min +
25 g10 min =
389 g10 min
=
789 g10 min x
1 Kg1000 g x
S / .2 . 481. Kg
Costo de operación = 0.965
S / .10 min x
60 min1 hr = 5.79
S / .hr .
Costo de operación = 5.79
S / .hr .
6.4 ESPECIFICACIONES DE MATERIALES DE CONSTRUCCION
En la tabla 6.7 se mencionan los materiales utilizados en el diseño del
horno de crisol basculante.
TABLA 6.7: Materiales utilizados para el diseño del horno de crisol basculante.
Nombre Tipo de material
Carcasa Acero ASTM A36
Soportes Acero ASTM A36
Chimenea Acero ASTM A36
Eje Acero al cromo-níquel
Rodamiento rígido de bolas 6306
Quemador Acero ASTM A36
Ventilador Aleación aluminio-Manganeso
6.4.1 CARACTERISTICAS DE LOS MATERIALES
85
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
6.4.1.1. MATERIALES BASICOS
a) Acero ASTM A36
a.1) Composición química.
Específicamente se uso el acero A36 en la especificación SAE (Society of
automotive Engeeneering) y en la especificación ASTM (American society for
testing materials) un 1020.
La composición química del acero se muestra en la tabla 6.8
TABLA 6.8: Composición química del acero A36
Carbono (C) 0,26% máx.
Manganeso (Mn) No hay requisito
Fósforo (P) 0,04% máx.Azufre (S) 0,05% máx.Silicio (Si) 0,40% máx.
Cobre (Cu) 0,20% mínimoa.2) Propiedades mecánicas
De igual forma, en la tabla 6.9 se muestra las propiedades mecánicas del acero A36.
TABLA 6.9: Propiedades mecánicas del acero A36
Límite de fluencia mínimo Resistencia a la Tracción
Mpa psi psi Mpa
min. máx. min. Máx.
250 36000 58000 80000 400 550
6.4.1.2 MATERIAL DE APORTE
Para el presente trabajo se uso el electrodo E-6011, cuya composición
química y propiedades mecánicas se muestran en las tablas 6.10 y 6.11
TABLA 6.10: Composición química de E-6011
86
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
C Mn Si P S
0.08-0.15 0.40-0.60 0.18-0.25 0.01 0.01
TABLA 6.11: Propiedades mecánicas de E-6011
6.5. SELECCIÓN DE QUEMADOR A GAS PARA EL HORNO DE CRISOL
BASCULANTE
Para la selección del quemador, este se realiza en base a los datos
obtenidos, entre estos tenemos:
Caudal de GN (Combustible) : 0.4 Kg/10 min = 2.4 Kg/h
Velocidad de suministro de aire : 4.149 m/seg.
Caudal de aire requerido : 0.513 m3/min = 30.78 m3/h
Teniendo en cuenta el caudal de GN requerido se ha seleccionado el siguiente
quemador a gas:
Marca : Joannes
Modelo : AZ 4
A continuación detallaremos el quemador con su respectiva ficha técnica:
TABLA 6.12: Características técnicas del quemador utilizado
87
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
TABLA 6.13: Dimensiones y pesos del quemador utilizado
TABLA 6.14: Curvas de Funcionamiento para AZ 4 (Presión en cámara de
combustión vs Potencia)
88
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
Para mayor especificación del quemador a gas utilizado, se adjunta el
catalogo completo en el anexo 10.
6.6. COMPARACION DE COSTOS ENTRE HORNO CRISOL FIJO Y HORNO
CRISOL BASCULANTE
Para la fusión de 1 Kg. de Aluminio
a) HORNO CRISOL FIJO:
Tabla 6.15 Costo de utilización de GN en Horno de crisol Fijo
PROCEDIMIENTO CANTIDAD COSTO UNIT. COSTO TOTAL
Temp. De Fusión 750 ºC
Consumo de Combustible 3.72 Kg. S/0.0965 x min. S/ 1.45 (15 min.)
Tiempo de fusión 15 min.
Manipulación 2 Personas S/0.0833 x min. S/ 1.2495 (15 min.)
TOTAL S/ 2.70
b) HORNO CRISOL BASCULANTE:
Tabla 6.16 Costo de utilización de GN en Horno de crisol Fijo
89
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
PROCEDIMIENTO CANTIDAD COSTO UNIT. COSTO TOTAL
Temp. De Fusión 750 ºC
Consumo de Combustible 2.48 Kg. S/0.0965 x min. S/ 0.965 (10 min.)
Tiempo de fusión 10 min.
Manipulación 1 Persona S/0.04167 x min.
S/ 0.4167 (10 min.)
TOTAL S/ 1.38
c) MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN Y COSTOS DEL HORNO DE
CRISOL FIJO Y BASCULANTE
TABLA 6.17 Cantidad y costo de los materiales del horno de crisol Fijo
MATERIALES CANTIDAD COSTO (S/.)
Ladrillos refractarios 95 unidades 997.50
Castable refractario 40 Kg. 145.00
Plancha de acero (1/8”) 1.20m. x 2.40m. 240.00
Quemador 1 unidad 390.00
Válvulas y mangueras de gas 1 unidad 70.00
Mano de Obra, transporte y Otros 1 230.00
TOTAL 3 072.50
Fuente: Elaboración propia
TABLA 6.18 Cantidad y costo de los materiales del horno de crisol Basculante
MATERIALES CANTIDAD COSTO (S/.)
Ladrillos refractarios 75 unidades 787.50
Castable refractario 20 Kg. 72.50
Plancha de acero (1/8”) 1.20m. x 2.40m. 240.00
Tubo de hierro fundido (2”) 60 cm. 24.00
Ventilador 1 unidad 90.00
Balón de gas 1 unidad 480.00
Válvulas y mangueras de gas 1 unidad 75.00
Mano de obra, transporte y otros 1540.00
TOTAL 3 949.00
Fuente: Elaboración propia.
90
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
Para la realización del siguiente cuadro hicimos una comparación de costos
tanto de construcción como de uso de GN en los dos tipos de horno de crisol
(Fijo y Basculante), para lo cual se llego a la conclusión de que la recuperación
de costo del horno de crisol basculante en relación al fijo es en un tiempo de 3
a 4 meses, esto se debe al ahorro de combustible y a la disminución de
pérdidas de calor en el horno de crisol basculante.
91
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
CAPÍTULO VII
REGLAMENTO DE SEGURIDAD INDUSTRIAL E IMPACTO
AMBIENTAL DEL HORNO DE CRISOL UTILIZANDO GN
7.1 REGLAMENTO DE SEGURIDAD INDUSTRIAL
Mediante el Decreto Supremo Nº 42-F del 22 de Mayo de 1964, se
aprueba el “Reglamento de Seguridad Industrial”, el cual dice:
DECRETO SUPREMO Nº 42-F
TITULO PRELIMINAR
Art. I Toda persona natural o jurídica que se encuentre comprendida dentro
de las actividades señaladas en el Artículo 2º de la “LEY DE
PROMOCION INDUSTRIAL” Nº 13270 y Artículo 4º de su
Reglamento, está obligada a dar cumplimiento a las disposiciones
contenidas en el presente Reglamento de Seguridad Industrial.
Art. II. Igualmente estarán obligadas a dar cumplimiento a estas
disposiciones, aquellos establecimientos que se dediquen a las
actividades incluidas en la División -8- Servicios de la “Clasificación
Internacional Uniforme de todas las Actividades Económicas” de las
Naciones Unidas, que por la naturaleza de sus operaciones
92
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
industriales la Dirección de Industrias y Electricidad los considere
susceptibles de estar comprendidas dentro de este Reglamento, por
implicar riesgos de accidentes.
Art. III Los fabricantes de maquinarias y equipo industrial, cuidarán de que
las máquinas y equipos que construyan, estén dotados de los
correspondientes dispositivos de seguridad, que garanticen los fines
del presente Reglamento.
Art. IV. Este Reglamento tiene por objeto dictar las normas y demás
disposiciones pertinentes para la debida aplicación del Artículo 157º
de la Ley de Promoción Industrial Nº 13270, prevenir los accidentes
derivados de las actividades señaladas en los Artículos I y II y
sometiendo al régimen del Reglamento a tales actividades, con
miras a:
a) Garantizar condiciones de seguridad a los trabajadores
(empleados y obreros) en todo lugar en que éstos desarrollan sus
actividades.
b) Salvaguardar la vida, salud e integridad física de los
trabajadores y terceros, mediante la prevención y eliminación de
las causas de accidentes.
c) Proteger las instalaciones y propiedades industriales, con el
objeto de garantizar las fuentes de trabajo y mejorar la
productividad; y
d) Obtener todas las ventajas derivadas de un adecuado régimen
de seguridad industrial.
Art. V. Se entiende por “Seguridad Industrial” el conjunto de actividades de
orden técnico, legal, humano, económico, etc., que tiene por objeto
ayudar a los trabajadores y empleadores a prevenir los accidentes
industriales, controlando los riesgos inherentes a cualquier tipo de
ocupación y conservar el local, materiales, maquinarias y equipos de
la industria.
Art. VI. Para los efectos de la aplicación del presente Reglamento, se
tendrán como básicas las siguientes denominaciones:
93
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
a) DIRECCIÓN : Se entenderá que se menciona a la
Dirección de Industrias y Electricidad.
b) INSPECCIÓN : Las ordenadas y efectuadas por la Dirección
en los establecimientos con el objeto de comprobar el
cumplimiento del presente Reglamento; y las que deben
realizar por su propia cuenta el Industrial en sus maquinarias
y equipos.
c) INSPECTOR : El funcionario o persona autorizada por la
Dirección para llevar a cabo las inspecciones.
d) ACCIDENTE : Todo acontecimiento eventual, previsible o
imprevisible, que pueda causar daños materiales o lesiones
personales y que ocurra dentro de las horas de trabajo, en el
trabajo y como consecuencia del trabajo.
e) LESIÓN : El daño o daños personales que sufra un
trabajador como consecuencia de, o durante su trabajo.
TITULO PRIMERO: DISPOSICIONES GENERALES
CAPITULO I: FORMA DE APLICACIÓN DEL REGLAMENTO
SECCIÓN PRIMERA: ORGANISMOS COMPETENTES
Art. 1: De conformidad a lo dispuesto por el Art. 157º de la "Ley de
Promoción Industrial No 13270”, el control de la aplicación del
presente Reglamento y demás disposiciones de Seguridad Industrial
vigentes, o por establecerse, es de competencia de la Dirección de
Industrias y Electricidad, por intermedio de sus dependencias y
funcionarios ejecutivos.
Art. 2: Serán igualmente organismos competentes en materia de Seguridad
Industrial, de acuerdo con las funciones que les señala el presente
Reglamento, las siguientes entidades:
a) La Comisión Nacional de Seguridad Industrial.
b) El Instituto Nacional de Normas Técnicas Industriales y
Certificación.
c) El Ministerio de Trabajo y Asuntos Indígenas.
94
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
d) El Ministerio de Educación Pública.
e) El Instituto de Salud Ocupacional.
TITULO OCTAVO: HORNOS Y SECADORES
CAPITULO I
SECCIÓN PRIMERA: DEFINICIONES Y CONDICIONES GENERALES
Art. 650: En este Reglamento, los términos siguientes, tienen el significado
que se expresa a continuación:
a) El término "horno" se asigna a toda estructura o cámara
construida principalmente de una armazón de acero revestida de
material refractario y generalmente empleada para fundir
minerales o metales o someterlos a la acción continua de un
calor intenso.
b) El término "horno para secar" o “secador” se asigna a toda
estructura o cámara calentada, construida usualmente de
materiales refractarios o de acero de materiales refractarios,
empleada para calcinar o quemar productos de piedra o de
arcilla.
c) El término "horno para cocer", se asigna a toda cámara
calentada, construida de ladrillo, de piedra o de metal, empleada,
para hornear productos de panadería, machos y moldes de
fundición y artículos o superficies esmaltadas, laqueadas o
pintadas.
d) El término "alto horno", se asigna a todo horno alto, vertical
cilíndrico construido de ladrillos refractarios o de piedra y
reforzada exteriormente por cascos de acero, y en el cual la
reacción del material es forzada por el tiro de aire precalentado y
a presión, con el fin de obtener metal en bruto por medio de la
fundición del mineral mezclado con coque o con otro combustible
adecuado y fundente, e incluye los accesorios necesarios para
dichas operaciones.
e) El término "cubilote" se asigna a toda horno consistente en un
cilindro vertical de acero, forrado con materiales refractarios,
95
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
rematado por una chimenea para extraer los gases de
combustión y en el cual la reacción del material es forzada por
una corriente de aire comprimido, para fundir hierro en bruto con
coque y con fundentes adecuados para las fundiciones o para
emplearse con los hornos para fabricar acero.
f) El término "horno para fabricar acero", se asigna a todo horno
empleado para refinar hierro en bruto o mezcla de hierro en bruto
y desechos de acero, agregando generalmente algún fundente
para eliminar el oxígeno, fósforo o azufre del metal, para la
fabricación de acero, incluyendo los accesorios necesarios para
tales operaciones.
g) El término "Horno Siemens Martín" se asigna a todo horno
horizontal, estacionario, o de báscula para fabricar acero,
construido de una armazón revestida de material refractario y en
el cual se pasa por la parte superior de las cargas una corriente
de gases quemantes procedentes de combustibles sólidos,
líquidos, o gaseosos y están provisto de regeneradores para los
gases.
h) El término "convertidos Bessemer", se asigna a todo horno para
fabricar acero, consistente en un casco de acero vertical, de
forma cilíndrica o de pera, revestido de refractario con fondo
desmontable y soportado, en los lados opuestos del cuerpo por
muñones que descansan en una armazón, para poderlo inclinar
hacia adelante o hacia atrás, para cargarlo o para vaciarlo y en el
cual se pasa a través de la carga de hierro bruto fundido, un tiro
de aire forzado para descarburar y eliminar las impurezas.
i) El término "horno de crisol" se asigna a un horno construido de
material refractario, provisto en la parte superior de cavidades
para insertar los crisoles.
j) El término "horno de arco eléctrico", se asigna a todo horno para
fabricar acero, fijo o de báscula, generalmente formado por un
casco de acero cilíndrico o elíptico, revestido de material
refractario, provisto en la parte superior, de aberturas para
insertar dos o más electrodos que se elevan o bajan
96
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
automáticamente, a fin de mantenerlos a una distancia adecuada
de la carga que se funde o refina por medio de la energía
calorífica procedente de los arcos.
k) El término "horno de recocer", se asigna a todo horno
reverberativo, regenerativo, recuperativo o de otro tipo, empleado
para:
- Recalentar uniforme y gradualmente, a temperaturas
predeterminadas, lingotes, platinas, changotes, zamarras,
barras para laminación de acero o piezas forjadas, para
formarlos mecánicamente en productos de acero laminados o
forjados; o
- Calentar productos de acero laminados o forjados a
temperaturas predeterminadas adecuadas, para destemplar,
endurecer, templar o para otros procedimientos de tratamiento
por calor.
l) El término "Horno para ladrillo y cerámica", se asigna a todo
horno vertical, cilíndrico con tiro de aire hacia arriba o hacia
abajo, con techo cónico o abovedado u horno tipo de túnel con
tiro de aire horizontal, provistos ambos tipos de una caja de fuego
en la parte inferior y que es empleado para cocer ladrillos,
tuberías para alcantarilla, terracota, tejas y productos cerámicos.
m) El término "horno giratorio para cemento, cal, yeso, dolomita o de
aglomerado", se asigna a todo cilindro giratorio, horizontal, de
acero, ligeramente inclinado, forrado de material refractario,
soportado en llantas que giran sobre rodillos de fricción y que es
empleado en la fabricación de cemento, cal, yeso, dolomita o de
aglomerado.
n) El termino "horno para secar o secador", se asigna a toda
estructura cerrada, provista de puertas y que se emplea para
secar y para sazonar madera cortada u otros productos de
madera.
o) El término "horno para machos y para secar moldes", se asigna a
todo horno usado en las fundiciones para cocer machos de arena
o moldes de arena.
97
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
p) El término "hornos de esmalte, laca o pintura", se asigna a todo
horno usado para secar artículos recién esmaltados, laqueados o
pintados.
SECCIÓN SEGUNDA: CONDICIONES GENERALES
Art. 651: Los espacios cerrados en las proximidades de los altos hornos o de
las tuberías de gas, estarán construidos de tal manera que el gas no
pueda acumularse en ellos. No se usará en esos lugares ningún
aparato calentador que emplee como combustible gas de los altos
hornos.
Art. 652: Los pisos alrededor de los hornos y de los secadores, serán de
materiales incombustibles, libres de obstrucciones y limpiadas tantas
veces como sea necesario, para procurar y mantener condiciones de
trabajo seguras.
Art. 653: Los pisos en o alrededor de los hornos y de los secadores y las
carrileras inmediatamente continuas, sobre las cuales transiten los
operarios frecuentemente, serán firmes y a nivel con la parte
superior de los rieles.
Art. 654: Cuando se empleen pisos de planchas de acero alrededor de los
hornos y secadores, las planchas estarán estiradas y serán
suficientemente pesadas para que no se desplacen fácilmente.
Art. 655: Los fosos y otras aberturas en los pisos de los hornos secadores,
cuando no estén en uso, estarán protegidos por cubiertas o por
barandillas.
Art. 656: Las carrileras y sus accesorios, utilizados para el transporte de los
calderos para escoria y para hierro, serán cuidadosamente
conservados para evitar sacudidas y descarrilamientos.
Art. 657: Cuando las puertas que se elevan verticalmente en los hornos y
secadores estén contrapesadas, se tendrá en cuenta lo siguiente:
a) Los cables de los contrapesos serán de material de resistencia
adecuada y resistente a altas temperaturas,
b) Los contrapesos y los cables estarán encerrados en toda la
tensión de su recorrido.
98
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
c) Los contrapesos elevados estarán resguardados de modo que no
puedan caer sobre alguna persona en el caso de que el cable se
rompa: y
d) Las puertas que se eleven verticalmente, estarán construidas de
tal manera que la puerta no caiga si la fuerza motriz cesa o el
mecanismo de suspensión se rompe.
Art. 658: Los hornos y, secadores estarán provistos de:
a) Plataformas y pasillos convenientes en todos los sitios elevados
donde los operarios tengan que ir a diario o frecuentemente para,
ejecutar sus trabajos; y
b) Accesos apropiados y seguros a las plataformas, por medio de
escaleras o de escalerillas permanentes, de construcción sólida
resistente al fuego o por medio de ascensores.
Art. 659: Las plataformas, los pasajes y las escaleras de los hornos y
secadores, estarán provistos, por todos los lados abiertos, de
barandillas y con panales de hasta. 6" de altura, con el fin de evitar
la caída de herramientas y equipos de reparación de las plataformas.
Art. 660: A los trabajadores les estará prohibido entrar en los hornos y
secadores cuando la temperatura del aire exceda 50°C (122° F),
exceptuando los casos de emergencia, para lo cual se tomarán las
precauciones especiales.
Art. 661: Cuando los hornos y secadores emitan humos, gases, emanaciones
en cantidad tal que sean dañinos u ofensivas a la salud o a los ojos
de los operarios, se deberá disponer de campanas y conductos de
aspiración u otros medios eficaces para eliminarlos.
Art. 662: No se permitirá que los trabajadores, visitantes u otras personas
miren al interior de los hornos encendidos, a menos que estén
protegidos por gafas o viseras protectoras que absorban cualquier
radiación dañina.
Art. 663: Los operarios de los hornos y secadores estarán provistos y usarán
ropa y equipo de protección adecuada conforme a los requisitos del
Título "Equipo de Protección Personal".
Art. 664: Las tuberías abastecedoras de gas de los hornos y secadores
encendidos a gas serán herméticas y equipadas con:
99
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
a) Puertas de explosión; y
b) Válvulas de cierre de seguridad que permitan cortar el
abastecimiento de combustible que serán si es posible,
automáticas, para los casos que deje de funcionar el
abastecimiento de gas o aire, de la tubería principal de gas o del
tiro de aire.
Art. 665: Las tuberías abastecedoras de petróleo de los hornos y secadores
encendidos por este combustible, estarán provistas de dispositivos
automáticos que detengan el abastecimiento del petróleo cuando la
presión baje demasiado para mantener la llama en los quemadores.
Art. 666: La presencia de válvulas de cierre de seguridad automáticas en las
tuberías de abastecimiento de combustible, no dispensará al
operador de mantener una constante vigilancia en el abastecimiento
de combustible.
Art. 667: Todas las instalaciones de hornos, deberán controlarse desde un
puesto de mando central, situado de tal manera que permita la
operación a distancia y evite que los trabajadores estén expuestos a
peligro.
Art. 668: Antes de que sean encendidos los hornos y secadores se cuidará de
realizar un examen detenido de los mismos, para asegurarse de que
todos sus accesorios y aparatos están en buen estado de
funcionamiento, tales como, equipo de abastecimiento de aire,
chimeneas, equipo de abastecimiento de combustible, etc.
Art. 669: Cuando los hornos y secadores pequeños sean encendidos por
antorchas de mano, éstas estarán equipadas con pantallas y serán
de largo suficiente para evitar quemaduras.
Cuando se aplique la antorcha a los quemadores y se abra la válvula
de abastecimiento de combustible, el abastecimiento de aire se
abrirá para producir una ligera corriente y se mantendrá en
funcionamiento hasta que desaparezca el peligro de que se apague.
Art. 670: Ninguna persona se detendrá o pasará delante de las puertas
durante la operación de encendido.
Art. 671: En caso de que los quemadores de petróleo, gas o carbón de los
hornos y secadores se apaguen accidentalmente, o que se
100
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
interrumpa el abastecimiento de combustible, las válvulas de
abastecimiento de combustible se cerrarán y la cámara de
combustión deberá ventilarse a fondo antes de encender de nuevo
los quemadores.
Art. 672: Los hornos y secadores eléctricos, así como sus accesorios
dispositivos, aditamentos circuitos, se construirán, instalarán y
conservarán de acuerdo con los requisitos del Título Quinto.
CAPITULO II: CONDICIONES ESPECÍFICAS DE SEGURIDAD PARA LOS
DIVERSOS TIPOS DE HORNOS
SECCIÓN SEXTA: HORNOS DE CRISOL
Art. 784: Los hornos de crisol verticales con planchas de bóveda, que estén a
una altura de más de 30 cm. (12 pulgadas) sobre el piso, estarán
equipados con plataformas:
a) Construidas de metal o de otro material resistente al fuego.
b) De suficiente anchura.
c) Extendidas a lo largo del frente y costados del horno a nivel con
la bóveda.
d) Libres de toda obstrucción.
Art. 785: Cuando los compresores y las bombas de petróleo para una batería
de hornos de crisol alimentados con petróleo no estén conectadas a
la misma fuente de fuerza motriz, se instalará una válvula de
compuerta de accionamiento manual o automático en la línea
abastecedora principal de petróleo, de manera que, en caso de que
falle el aire, el abastecimiento de petróleo para todos los hornos,
pueda ser detenido inmediatamente.
Art. 786: Los crisoles estarán depositados en lugares calientes y secos y
serán inspeccionados a fondo, para investigar rajaduras o fallas
antes de ser usados; serán cargados cuidadosamente sin causar
daños a los fondos o a las paredes laterales, calentados lentamente
y levantados solo con tenazas de forma y tamaño apropiados.
101
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
Art. 787: La extracción de crisoles será llevada a cabo por un suficiente
número de hombres, de tal manera que se eviten esfuerzos
indebidos a los trabajadores.
TITULO DÉCIMO TERCERO: EQUIPO DE PROTECCIÓN PERSONAL
CAPITULO I: ROPA DE TRABAJO, VESTIDOS PROTECTORES,
MANDILES,
SECCIÓN PRIMERA: ROPA DE TRABAJO
Art. 1254: Cuando se seleccione ropa de trabajo se deberá tornar en
consideración los riesgos a los cuales el trabajador pueda estar
expuesto y se seleccionará aquellos tipos que reduzcan los riesgos
al mínimo.
Art. 1255: No se usarán prendas de vestir sueltas, desgarradas o rotas, ni
corbatas, ni cadenas de llaveros o de relojes, cerca de maquinaria
en movimiento.
Art. 1256: Las camisas con mangas cortas deberán usarse con preferencia a
las camisas con mangas enrolladas.
Art. 1257: No se deberá llevar en los bolsillos objetos afilados o con puntas, ni
materiales explosivos o inflamables.
Art. 1258: Las personas expuestas a polvos inflamables, explosivos o tóxicos,
no usarán ropa que tenga bolsillos, bocamangas o partes vueltas
hacia arriba que puedan recoger dichos polvos.
Art. 1259: El uso y condición del calzado será, regulado cuando sea necesario.
En aquellos casos en que el calzado ordinario no sea apropiado, los
empleadores proveerán calzado, botas, zapatos fuertes u otros
medios convenientes de protección.
SECCIÓN SEGUNDA: VESTIDOS PROTECTORES
Art. 1260: Los vestidos protectores y capuchones para los trabajadores
expuestos a sustancias, corrosivas u otras sustancias dañinas,
serán:
102
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
a) A prueba de líquido o gas, de acuerdo con la naturaleza de la
sustancia o sustancias empleadas; y
b) De construcción y material tal, que sean aceptados por la
autoridad competente.
Art. 1261: Los vestidos de amianto para protección en aquellos lugares donde
pueda ocurrir fuego o explosión súbita durante operaciones de
urgencia, consistirán en una prenda de vestir completa, con su
capuchón, guantes o botas adheridas.
Art. 1262: Los vestidos protectores y overoles para los trabajadores expuestos
a sustancias radioactivas, serán:
a) De material lavable.
b) Diseñados de tal manera que cubran otras ropas en el cuello y
muñecas.
c) De largo adecuado; y
d) Lavados o renovados por lo menos una vez por semana.
SECCIÓN TERCERA: MANDILES
Art. 1263: No se deberán usar mandiles cerca de partes giratorias de
movimiento alternativo de máquina.
Art. 1264: Los mandiles para los trabajadores empleados cerca de llamas
abiertas, fuegos y objetos incandescentes, o que manipulen metal
fundido, serán confeccionados de material resistente al fuego y
tendrán petos.
Art. 1265: Los mandiles para los trabajadores que manipulen líquidos
corrosivos, tales como ácidos o cáusticos, serán confeccionados de
caucho natural o sintético u otro material resistente a la corrosión y
tendrán petos.
Art. 1266: Los mandiles para los trabajadores expuestos a sustancias
radioactivas, serán confeccionados de caucho o de otro material a
prueba de agua y además tendrán petos.
Art. 1267: Los mandiles de plomo para la protección contra los rayos X
deberán cubrir la clavícula, todo el esternón y la mayor parte del
pecho en el frente y por debajo de éste se extenderán, alrededor de
103
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
todo el cuerpo de 30 a 40 cm. (12 a 16 pulgadas), por debajo de la
cintura.
La protección suministrada por los mandiles de plomo, será por lo
menos igual a la proporcionada por plomo de 1 mm. (0.04 pulgada)
de espesor.
CAPITULO II: OTRAS PROTECCIONES ESPECÍFICAS
SECCIÓN PRIMERA: PROTECCIÓN DE LA CABEZA
Art. 1271: Los trabajadores deberán usar cascos de seguridad en los lugares o
zonas donde exista el peligro de caída de materiales u objetos o
donde estén expuestos a sufrir golpes en la cabeza.
Art. 1272: Los cascos de seguridad serán fabricados de material resistente,
liviano e incombustible. El material de los cascos para electricistas y
personal que trabaje en o cerca a equipo eléctrico o líneas de
tensión, además de los requisitos ya mencionados, será no
conductor de la electricidad.
Art. 1273: Cuando se use cascos de seguridad, deberá tenerse especial
cuidado en mantener la cabeza separada del casco mismo,
mediante el ajuste correcto de las bandas de soporte.
Art. 1274: Es obligatorio el uso de redecilla, pañuelos ajustados o gorras
especiales a las operarias que trabajen en la vecindad de
maquinaria en movimiento. De preferencia el material de estos
implementos de seguridad será incombustible.
SECCIÓN SEGUNDA: PROTECCIÓN DE LA VISTA
Art. 1275: Todos los trabajadores que ejecuten cualquier operación que pueda
poner en peligro sus ojos, dispondrán de protección apropiada para
estos órganos.
Art. 1276: Los anteojos protectores para trabajadores ocupados en
operaciones de picado, remachado, recalcado y operaciones
similares que pueda producir el desprendimiento de partículas en
104
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
forma violenta, estarán provistos de lunas resistentes a este tipo de
impactos y en conformidad con las normas de la autoridad
competente.
Art. 1277: Los anteojos protectores para trabajadores ocupados en
operaciones de fundición, forja, tratamiento térmico de metales, etc.,
se ajustarán a las condiciones de impacto fuerte y altas
temperaturas y a las normas establecidas por la autoridad
competente.
Art. 1278: Los anteojos protectores para trabajadores ocupados en
operaciones que requieran el empleo de sustancias químicas
corrosivas o similares, serán fabricados de material blando que se
ajuste a la cara, resistente al ataque de dichas sustancias,
incombustibles y construidos de tal manera que impida el ingreso por
cualquier lado, de las sustancias indicadas y estarán de acuerdo con
las normas establecidas por la autoridad competente.
Art. 1279: Los anteojos protectores para trabajadores ocupados en
operaciones en donde se pueda producir o produzca gases o
emanaciones peligrosas, serán de material flexible, resistente a
dichos gases, no deberán tener aberturas de ventilación y se
ajustarán a las normas establecidas por la autoridad competente.
Art. 1280: Las gafas protectoras, los capuchones y las pantallas protectoras
para los trabajadores ocupados en soldadura por arco, soldadura
oxiacetilénica, trabajos en hornos o en cualquier otra operación
donde sus ojos puedan estar expuestos a deslumbramiento, deberán
tener lentes o ventanas filtros, conforme a las normas de absorción
señaladas en el Reglamento de Higiene Industrial.
Art. 1281: Los trabajadores cuya vista requiera el empleo de lentes correctores
y necesiten usar protectores, serán provistos de anteojos que
puedan ser superpuestos a sus lentes correctores sin disturbar su
ajuste.
Art. 1282: El uso y tipo de anteojos, estará de acuerdo con la clase de
operación que se realice. En este sentido, su empleo será obligatorio
en las siguientes operaciones:
105
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
a) USO DE ESMERILES, inclusive si dichos esmeriles están
provistos de defensas de vidrio.
b) PICADO, corte o perforación de piedra, ladrillo, concreto, brea
dura, fierro fundido, acero, bronce, metal antifricción o cualquier
otro metal o material que pueda despedir partículas.
c) EN TRABAJO DE VACIADO DE METAL FUNDIDO, en el
manipuleo de productos asfálticos o químicos.
d) EN EL MANIPULEO DE METALES en forma de polvo o sin polvo
o donde exista peligro de partículas pequeñas volantes.
e) USO DE AIRE PARA LIMPIEZA de polvo o partículas metálicas.
f) RASQUETEADO o limpieza de superficies metálicas.
g) PRUEBA o ajuste de vidrios a nivel.
h) EN LA EXTRACCIÓN DE BANDAS de metal de materiales
encajonados o asegurados con las mismas.
i) EN EL MANIPULEO a granel de azufre, litargirio u otros polvos
nocivos.
j) EN SOLDADURA ELÉCTRICA los hombres expuestos a los
rayos de arco eléctrico deberán usar anteojos especiales.
k) MANIPULEO DE ÁCIDOS, soda cáustica, cal o productos
químicos similares.
l) EN SOLDADURA AUTÓGENA
m) EN TRABAJOS DE REMACHADO y calafateado en general.
n) EN TRABAJOS DE MADERA (sierra, torno, etc.) donde pueda
existir peligro de pequeñas partículas volantes.
o) EN TRABAJOS DE PICO sobre tierra dura o roca.
p) EN MEZCLAS DE MATERIALES REFRACTARIOS.
q) En LIMPIEZA DE CALDEROS, hornos y chimeneas.
r) EN TRABAJOS DE ARENADO o similares.
s) EN CUALQUIER TRABAJO en que partículas extrañas puedan
herir los ojos.
106
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
SECCIÓN TERCERA: PROTECCIÓN DE LOS OÍDOS
Art. 1283: Los hombres que trabajen en lugares de ruido intenso y prolongado
deberán usar tapones de oído.
Art. 1284: Los tapones de oído:
a) Serán limpiados diariamente a menos que se descarten cada vez
que se usen; y
b) No deberán ser transferidos de un usuario a otro sin esterilizarlos.
Art. 1285: Los resguardos para la protección de los oídos contra chispas, metal
fundido, partículas u otros cuerpos extraños, consistirán en una
malla fuerte, ligera en peso e inoxidable, debidamente montada y
mantenida en su lugar por medio de un resorte ajustable, de acero
usado alrededor de la cabeza, o en un dispositivo protector
equivalente.
Art. 1286: Cuando los dispositivos para la protección de les oídos no se usen,
deberán conservarse en recipientes cerrados, protegiéndolos contra
daños mecánicos y contaminación por aceite, grasa u otras
sustancias.
SECCIÓN CUARTA: PROTECCIÓN PARA MANOS Y BRAZOS
Art. 1287: Cuando se seleccionen guantes, se deberán tomar en consideración
los riesgos a los cuales el usuario pueda estar expuesto y a la
necesidad del movimiento libre de los dedos.
Art. 1288: No usarán guantes los trabajadores que operen taladros, prensas
punzonadoras u otras máquinas en las cuales la mano pueda ser
atrapada por partes en movimiento.
Art. 1289: Los guantes, mitones, hojas de cuero o almohadillas para los
trabajadores que manipulen objetos con bordes agudos o abrasivos,
estarán confeccionados de material fuerte, y cuando sea necesario,
provistos de refuerzos especiales.
Art. 1290: Los guantes para los trabajadores empleados en el corte o
deshuesado de carne, pescado, etc., serán confeccionados de malla
de acero.
107
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
Art. 1291: Los guantes, mitones y mangas protectoras para los trabajadores
que manipulen metales calientes, serán confeccionados de amianto
u otro material apropiado, resistente al calor.
Art. 1292: Los guantes y mangas protectoras para las personas ocupadas en
trabajos eléctricos, serán confeccionados de caucho u otro material
apropiado conforme a las normas de resistencia dieléctrica
aceptadas por la autoridad competente.
Art. 1293: Los guantes para trabajadores que manipulen sustancias corrosivas,
tales como ácidos o cáusticos, serán confeccionados de caucho
natural, caucho sintético o películas plásticas flexibles y su
resistencia a la corrosión se ajustara a las normas aceptadas por la
autoridad competente.
Art. 1294: Los guantes para proteger a los trabajadores contra la acción de
sustancias tóxicas, irritantes o infecciosas:
a) Cubrirán tanto como sea posible del antebrazo.
b) Cerrarán bien ajustados en el extremo superior.
c) No tendrán ni la más ligera quebradura.
Cuando se desgarren durante el trabajo, se reemplazarán
inmediatamente.
Art. 1295: Los guantes de plomo para la protección contra los rayos X deberán
suministrar una protección sin solución de continuidad; por todos los
lados y deberán estar provistos de mangas que cubran por lo menos
la mitad del antebrazo.
La protección suministrada por los guantes de plomo, será por lo
menos igual a la proporcionada por plomo de 0.55 mm. (0.02
pulgadas) de espesor.
En vista del peso de dichos guantes, se deberán usar aquellos que
sean del tipo más ligero y más flexible.
SECCIÓN QUINTA: PROTECCIÓN PARA LOS PIES Y LAS PIERNAS -
POLAINAS DE SEGURIDAD
Art. 1296: Las polainas de seguridad para los trabajadores que manipulen
metales fundidos, estarán confeccionadas de amianto u otro material
108
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
apropiado, resistente al calor y se extenderán hasta la rodilla y
ajustarán de tal manera que eviten la entrada de metal fundido.
Las polainas de seguridad para los trabajadores que estén
expuestos a salpicaduras ligeras o a chispas grandes, o que
manipulen objetos toscos o afilados, estarán confeccionadas de
cuero, cromo u otro material de suficiente dureza.
Art. 1297: Deberán usarse protectores de canilla de suficiente resistencia,
cuando los trabajadores empleen hachas, azuelas y herramientas
similares.
CALZADO
Art. 1298: Se usarán protectores de pie, botas o zapatos de seguridad en
aquellas operaciones tales como apilamiento de lingotes de hierro y
troncos o donde se manipule material pesado.
Art. 1299: El calzado para los trabajadores que manipulen líquidos corrosivos,
tales como ácidos y sustancias cáusticas, deberán ser
confeccionados de caucho, cuero, cuero tratado especialmente,
madera u otro material apropiado, resistente a la corrosión.
Art. 1300: El calzado para los trabajadores que manipulen metales fundidos o
líquidos calientes o corrosivos:
a) Ajustará al pie y al tobillo estrechamente, de manera que el
material manipulado no pueda penetrar entre el tobillo y el
calzado; y
b) No tendrá ojales para cordones, que puedan dar entrada a
líquidos o metales fundidos.
Art. 1301: Las botas de seguridad tendrán punteras de acero o de otro metal,
conforme a las normas de resistencia aceptadas por la autoridad
competente.
Art. 1302: El calzado para los trabajadores ocupados en trabajos eléctricos, no
deberá tener ajustes de metal y tendrá suelas y tacones clavados
con clavijas de madera o cosidos.
109
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
7.2 IMPACTO AMBIENTAL DEL HORNO DE CRISOL UTILIZANDO GN
7.2.1 CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA Y AGENTES CONTAMINANTES
A lo largo de los tiempos, las condiciones ambientales de nuestro
planeta han ido cambiando como consecuencia de la acción de múltiples
factores, tanto internos como externos.
En los primeros años del siglo XXI nos encontramos en un mundo en el
que muchas condiciones ambientales han ido cambiando de forma más o
menos rápida, y entre estas , las que más se hacen notar son aquellas sobre
las que el hombre ha influido de una manera o de otra.
Los parques de vehículos automóviles han crecido enormemente, pero
al mismo tiempo se ha avanzado mucho en la mejora de la calidad de los
combustibles, en la combustión en los motores, en el rendimiento de los
motores y en la reglamentación de las emisiones.
Las industrias que emitían gases a la atmósfera avanzaron mucho en
el control de sus emisiones y, de todas maneras, la mayoría se trasladaron a
zonas industriales ad hoc. Por otra parte, la reglamentación se desarrollo
enormemente y el control actualmente es infinitamente superior al de épocas
anteriores.
Las calefacciones (o mas bien sus calderas) cambiaron de combustible
en su inmensa mayoría, y hoy priman el gas natural, el fuel o la electricidad.
El medio natural sufre asimismo desde hace años unas agresiones
sobre la composición normal de su atmósfera que se pueden ilustrar con
infinidad de casos:
Plomo de origen atmosférico en los hielos de Groenlandia desde 1960.
Emisiones de SO2 a partir de los años 60.
110
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
Lluvias ácidas sobre lagos y masas forestales del centro y norte de
Europa a partir de los años 60.
Depósitos ácidos en el contorno de las grandes instalaciones de
combustión en España a partir de mediados del decenio de los 70.
Contaminación de vegetación y fauna en el contorno de ciertas vías de
gran circulación.
Emisión accidental de dioxina en 1976, en una fábrica de triclofenol,
provocando miles de muertes en aves y en ganado porcino. Asimismo
aparecieron malformaciones congénitas.
En la guerra del Golfo en 1991, el ejército Iraquí incendió 600 pozos de
petróleo, provocando una gravísima contaminación atmosférica y daños
en las zonas agrícolas y sobre las reservas de agua en la zona.
Lo mismo podemos decir de la industria siderurgica, de la del aluminio
o de multitud de industrias químicas. Y de tratamientos fitosanitarios en las
actividades agroforestales.
En los países desarrollados Estados Unidos, Unión Europea, Japón,
etc., la normativa y la tecnología han permitido reducir muy considerablemente
las emisiones a la atmósfera, tanto en las industrias como en las ciudades.
Muchos países de economías emergentes se encuentran en pleno desarrollo,
con poca o ninguna legislación al respecto, y, en todo caso, si la hay casi
nunca se cumple, por lo que el conjunto de sus emisiones a nivel industrial
crece considerablemente. Las diferencias básicas con la situación anterior son
que los países desarrollados contaminan menos a nivel unitario pero igual o
más a nivel urbano o de conjuntos industriales, a causa del crecimiento.
Los órganos supranacionales e internacionales han desarrollado
normativas, convenios y protocolos a los que mal que bien se van adhiriendo
los países, aunque el de Kyoto siga siendo rechazado por algunos países
111
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
importantes como Estados Unidos, Australia, Italia y otros, y otros muchos
entre ellos España no lo hayan firmado todavía por considerar que las
limitaciones a las emisiones de CO2 reducen la capacidad competitiva de su
industria al respecto a la de los países que carecen de control técnico o
legislativo.
Los grupos científicos y ecologistas, cuya opinión o no existía o no
pesaba en los años 70, han pasado un notable protagonismo , y gracias a
ellos la postura de la sociedad ante estos problemas es ahora enormemente
sensible.
Tabla 7.1: CLASIFICACIÓN Y FUENTES DE LOS CONTAMINANTES
ATMOSFÉRICOS
Fase Agente Fuente
Partículas
Sólidas o
Líquidas
Metales pesados.
Compuestos minerales.
Compuestos orgánicos
naturales.
Compuestos orgánicos
de síntesis.
Compuestos radiactivos.
Aerosoles.
Polvo extraterrestre, industrias.
Volcanes, erosión eólica, relaves,
aguas acidas.
Industrias, combustiones.
Combustiones, incineración de
residuos, plaguicidas, incendios,
industrias.
Centrales nucleares, explosiones
nucleares, uso de compuestos
radiactivos (medicina, investigación).
Combustiones, aglomeraciones
urbanas.
Monóxido de carbono.
Anhídrido carbónico.
Hidrocarburos y otros
Combustión en vehículos, volcanes,
emisiones de seres vivos.
Respiración de los seres vivos,
combustiones (combustibles fósiles),
volcanes.
112
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
Compuesto
s
Gaseosos
compuestos orgánicos.
Compuestos de azufre.
Compuestos de
nitrógeno.
Derivados halogenados.
Combustión de vehículos, industria
petroquímica, industria química,
incineración de residuos, vegetales,
bacterias.
Combustibles, combustiones, suelo,
industria minera, volcanes, bacterias.
Combustibles, combustiones,
industrias (abonos), bacterias.
Suelos, vegetales, industrias
extractivas o de elaboración (flúor,
cloro), combustiones (plásticos).
Fuente: Tratado de la Contaminación Atmosférica; Seoánez Calvo, Mariano, 2
000, P.86.
7.2.2 PREVENCIÓN DE LA CONTAMINACIÓN
Los países desarrollados necesitan enormes cantidades de energía,
para mantener la producción de materiales, para sustentar el confort de la
población y para los transportes. Parte de esa energía proviene del consumo
de combustibles que se consumen en centrales termoeléctricas, en las
calderas de calefacción, en los transportes, y en las demás industrias.
Todos los combustibles deben ser procesados de manera que por una
parte se obtenga un rendimiento en su uso y por otra se eviten al máximo las
emisiones de productos no deseados (SOX, NOX, etc.).
Tabla 7.2: Normas EPA de calidad del aire (U.S. Environmental Protection
Agency)
Agente
Norma 24hr
Concentración (en ppm, salvo para
partículas sólidas)
µg / m3 ppm Fondo Urbana
Oxidantes 59 0.03 0.02 0.03
113
“DISEÑO DE UN HORNO DE CRISOL BASCULANTE APLICADO EN ARTESANÍA UTILIZANDO GAS NATURAL”
Partículas
sólidas 150 37µg/m3 120 µg/m3
Óxidos de Azufre 266 0.1 0 0.05
Oxido Nitroso 400 0.2 0.001 0.04
Monóxido de
Carbono 7800 7 0.1 7
Fuente: Tratado de la Contaminación Atmosférica; Seoánez Calvo, Mariano, 2
000, P.848.
Evidentemente, lo ideal es el tratamiento en la fuente (y si es antes
mejor), por lo que suministrar combustibles de buena calidad medioambiental
debida a mejoras y tratamientos es muy deseable.
De acuerdo a las Normas de Calidad del Aire de la Agencia
Norteamericana de Protección Ambiental (tabla 6.2), y tomando en cuenta las
reacciones de combustión del horno de crisol utilizando GN, podemos afirmar
que no se produce algún tipo de contaminación que sea nociva al medio
ambiente.
114
CONCLUSIONES
1. El uso del GN como combustible es técnica y económicamente posible
aplicable en hornos de fundición.
2. La utilización del GN disminuye considerablemente la contaminación
ambiental ya que los residuos de combustión son mínimos.
3. El Gas Natural reduce considerablemente costos de operación como
también alarga la vida útil de los equipos por ser menos nocivo.
4. El horno que se diseño esta clasificado como “Horno de Crisol
Basculante”, el cual utiliza GN como combustible. Su costo de
construcción es de S/. 3 949.00 en total.
5. El Horno de Crisol Basculante facilita la colada de los metales fundidos
como también alarga la vida útil del Crisol.
6. Los refractarios seleccionados para la construcción del horno de crisol
con GN fueron; ladrillos refractarios de alto contenido de alúmina (70%
Al2O3) “Repsa Alusite” ; y “Castable Refractario Repsa” para la tapa.
7. El calculo que se realizó para fundir chatarra de aluminio arrojó los
siguientes resultados:
- Cantidad de chatarra de aluminio (peso) = 1 Kg.
- Consumo (GN) = 0.400 Kg
- Consumo de aire (para combustión) = 8.022 Kg = 6.23 m3.
- Tiempo = 10 minutos.
- Temperatura alcanzada = 750ºC.
- Costo de operacion = S/. 5.79
8. Las reacciones de combustión del GN (metano y etano), sólo producen
Dióxido de Carbono y Vapor de agua. Estas sustancias no son
consideradas como agentes contaminantes según las Normas EPA y por
lo tanto no se considera los porcentajes que se producen al realizar una
fundición.
CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O
2C2H6 + 7O2 4CO2 + 6H2O
RECOMENDACIONES
1. Para reducir las pérdidas a través de las paredes, se pueden utilizar
materiales aislantes entre el ladrillo refractario y la cubierta metálica.
2. El rendimiento térmico del horno de crisol utilizando GN puede ser
incrementado instalándose equipos que aprovechen el calor de los
productos de combustión (recuperadores y regeneradores de calor). Los
recuperadores y regeneradores de calor son usados para precalentar la
carga, el aire de combustión y el combustible.
3. Se debería hacer un precalentamiento del horno, del crisol y si es
posible de la carga, puesto que así se mejorará el tiempo de fusión.
4. Se deben cumplir todas las normas de seguridad en ambientes
industriales.
5. Se deberá tener un programa de mantenimiento para comprobar el
estado y la operatividad del horno de crisol.
6. Las reparaciones se deben realizar consultando las especificaciones
técnicas de los proveedores de refractarios.
7. Se deberá considerar dentro del plan de mantenimiento la verificación
periódica de las instalaciones de Gas (Medidores, reguladores y
tuberías).
8. Se deberá de contar con un plan de contingencias en caso de
accidentes, el cual deberá tener los implementos necesarios para el
manejo y control del Gas Natural.
ANEXOS
ANEXOS
ANEXO 1: PROPIEDADES TÉRMICAS DE ALGUNOS ELEMENTOS Y
MATERIALES.
SustanciaPeso específico
kgf/dm3
Punto de
fusión
(°C)
Punto de
ebullición
(°C)
Valor
(calorífico )
kcal/mh°C
Calor
específico
kcal/kg°C
Acero ~7,85 ~1350 2500 40 á 50 0,110
Aluminio 2,6 658 ~2200 180,0 0,216
Aluminio
bronce
7,7 1040 ~2300 110,0 0,104
Alúmina 0.239
Arcilla
refractaria
1,8 á 2,2 ~2000 2900 0,40 0,210
Arena seca 1,2 á 1,6 ~1550 2600 0,28 0,190
Caliza 1,8 á 2,8 . . 0,13 á 0,2 0,217
Cloruro de
sodio
0.200
Cobre fundido 8,8 1083 2310 320.0 0,094
Cobre laminado 8,9 1083 2310 320,0 0,094
Cobre puro 8,93 1083 2310 320 0 0,094
Concreto –
acero
2,4 . . 0,7 á 1, 0,210
Cuarzo ~2,6 ~ 1550 2590 0,94 0,190
Diamante 3,5 . (3540) 7,2 0,0795
Duraluminio 2,8 650 2000 111,0 0,220
Estaño lámina 7,3 á 7,5 232 2200 55,0 0,060
Hierro fundido 7,8 ~1200 . 40,50 0,110
Hierro óxido 5,1 1565 . 0,50 0,160
Hierro puro 7,86 1530 ~3000 40 á 50 0,109
Ladrillo 1,4 á 1,6 . . 0,7 0,220
Latón fundido 8,4 á 8,7 900 á 980 ~2300 70 á 90 0,092
Latón laminado 8,5 á 8,6 900 á 980 ~2300 75 á 100 0,092
Níquel 8,8 1452 2400 45,0 0,110
Oro 19,33 1064 2610 265,0 0,031
Petróleo 0,80 -70 150 á 300 0,137 0,500
Plata 10,5 960 2000 360,0 0,056
Porcelana 2,2 á 2,5 1670 . 0,7 á 0,9 0,220
Sodio 0,98 97,5 880 115,0 0,300
Vanadio 0,6 1715 . . 0,120
Vidrio fibra 0,1 á 0,2 . . 0,03 á 0,06 0,200
Zinc colado 6,86 419 920 95,0 0,090
Zinc laminado 7,15 419 920 91,0 0,090
Fuente:
http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/estadistica/otros/fusion/fusion.htm
http://www.sapiensman.com/conversion_tables/
peso_especifico_gases.htm
http://www.fisicanet.com.ar/fisica/termodinamica/tb01_calor.php
ANEXO 2: PROPIEDADES TÉRMICAS DE ALGUNOS ELEMENTOS Y
SUSTANCIAS.
Elemento
Peso
específico
Punto de
fusión
Punto de
evaporació
n
Índice
calorífico
Calor específico
kcal/kgºC
kgf/m3 ºC ºC Aire = 100 Cp Cv
Ácido
sulfúrico1,54 -83 -60,3 . . .
Aire ,
atmósfera1,293 -220 -195 100 0,240 0,170
Amoníaco 0,77 -78,3 -33,7 90 0,530 0,410
Argón 1,78 -190 -186 72 0,130 0,080
Azufre 3,41 -112 46 28 0,160 0,130
Butano 2,70 -135 1 . 0,055
Cloro 3,22 -100 -34 65 0,120 0,070
Dióxido de
carbono1,96 -57 -78,5 60 0,210 0,150
Dióxido
sulfúrico2,93 -73 -10 72 0,150 0,200
Helio 0,18 -272 -268,9 . 1,250 0,760
Hidrógeno 0,09 -258 -253 733 3,410 2,420
Metano 0,72 -184 -164 127 0,530 0,410
Monóxido de
carbono1,25 -211 -190 95 0,250 0,180
Neón 0,9 -249 -246 198 0,250 0,150
Nitrógeno 1,25 -210,5 -195,7 100 0,220 0,160
Oxígeno 1,43 -219 -183 101 0,220 0,160
Ozono 2,14 -251 -112 . .
Peróxido de
sodio0.225
Propano 2,02 -190 -45 . 0,058
Vapor de
agua a 100 ºC0,81 0 100 75 0,500 0,350
Fuente:
Metallurgical problems. Tablas de calor específico. Butts, Allison.
http://www.es.wikipedia.org/wiki/Butano
http://www.terra.es/personal6/jgallego2/selectividad/quimica/Termoquimica.htm
http://www.sapiensman.com/conversion_tables/peso_especifico.htm
ANEXO 3: COEFICIENTES DE CONDUCTIVIDAD TÉRMICA DE ALGUNOS
MATERIALES Y ELEMENTOS.
MATERIAL/
ELEMENTO
CONDUCTIVIDAD TÉRMICA
Km
W/mºK
Acero 47 – 58
Aluminio 209.300
Aire 0.020
Agua 0.580
Bronce 116 – 186
Cobre 373.100 – 385.500
Grafito 6.0
Estaño 64
Hierro 1.700
Ladrillo 0.800
Ladrillo refractario 0.470 – 1.050
Madera 0.130
*Multiplicar por 0.857 para convertir a Kcal / m hr K
Fuente: http://www.es.wikipedia.0rg/wiki/coeficiente_ac_ t%c3%A9rnica.
ANEXO 4: CONDICIONES ATMOSFÉRICAS EN LA CIUDAD DEL CUSCO
Punto de ebullición agua 89ºC
Presión atmosférica 512 mm Hg
Porcentaje de humedad 60%
Temperatura media del ambiente 12.500ºC
Presión del agua a 12ºC 10.500 mm Hg
Fuente
http://www.minen.gob.pe/archivos/dgaam/estudios/capI_resumenejecutivo.pdf
http://www.swisscontact.org,pe/PRAL/01_karsten_kunchet.pdf
http://www.patrimonio.iveroamerica.org/patrimonio_tangible_ciudad.shtml
ANEXO 5: CATÁLOGO DE PRODUCTOS “REPSA”
Ladrillos
Ladrillos de Arcilla
Refractaria.
Ladrillos Refractarios con
Alto Contenido de
Aluminio.
Ladrillos Refractarios de
Sílice.
Ladrillos Refractarios
Básicos.
Masas
Morteros Refractarios.
Castables Refractarios.
Plásticos Refractarios.
Apisonables Refractarios.
Proyectables Refractarios.
LADRILLOS DE ARCILLA REFRACTARIA
TABLA "A"
LADRILLOS DE ARCILLA REFRACTARIA
CLASE* MARCA CPE(1) TEMP(2)
TIPICA
TRABAJO
USOS Y
APLICACIONES(3)
ALTA
REFRACTARIEDA
D
KERO 31-31
1/2
1450 Cámaras de tostación y
secado, calderos,
crisoles, cucharas
metalúrgicas.
REPSA 31
1/2
1500 Cámaras de
combustión, caladeros
incineradores, hornos
metalúrgicos, hornos de
vidrio, de cerámica y
enlozado.
REPSA
18
31
1/2
1500 Cubilotes, hornos de
cal, hornos de cemento,
hornos metalúrgicos.
SUPER
REFRACTARIEDA
D
REPSA
ALAMO
33-34 1600 Hornos rotativos,
hornos de cal, hornos
de cemento, de vidrio,
de enlozado,
recuperadores de calor.
REPSA
VARNO
N
33-34 1600 Hornos de cal, hornos
de cemento, de vidrio,
regeneradores y
recuperadores de calor.
REPSA
ALADIN
33-34 1650 Hornos metalúrgicos,
cucharas de trasvase,
cámaras de tostado.
* Según norma ASTM C-27
(1) Cono Pirométrico Equivalente
(2) Temperatura aplicada a una sola cara del ladrillo, en °C
(3) Para un mejor uso se recomienda consultar con SERVICIOS
TECNICOS de REPSA
LADRILLOS REFRACTARIOS CON ALTO CONTENIDO DE ALÚMINA
TABLA "B"
LADRILLOS REFRACTARIOS DE ALTA ALUMINA
CLASE
*
MARCA CPE(1) TEMP(2)
TIPICA
TRABAJO
USOS Y APLICACIONES(3)
50%
Al2O3
REPSA
DIALITE
34 1600 Paredes de calderos,
regeneradores y
recuperadores de calor, horno
de cal y cemento y vidrio.
REPSA 61-
65
34 1600 Cucharas para trasvase de
acero, carros torpedos, artesas
de colada continua.
60%
Al2O3
REPSA
ANCHOR
35 1700 Hornos rotatorios de cal y
cemento, calderos bagaceros,
hornos metalúrgicos de
recalentamiento.
REPSA
UFALA
35 1700 Altos hornos y estufas de altos
hornos, carros torpedos,
tanques de vidrio, hornos de
inducción.
REPSA
ALADIN 60
35 1700 Cucharas de trasvase de
acero líquido.
70%
Al2O3
REPSA
ALUSITE
36 1750 Zonas de sinterización de
hornos de cemento y de
calcinación de hornos de cal,
bóvedas de hornos eléctricos,
hornos de recalentamiento.
REPSA 36 1750 Bóvedas de hornos eléctricos
ALUSA de arco, cucharas metalúrgicas
de trasvase, hornos rotatorios.
REPSA
ALADIN 70
36 1750 Cucharas de trasvase de
acero líquido.
80%
Al2O3
REPSA
CORALITE
37 1770 Hornos rotatorios de cemento,
metalúrgicos, bóvedas de
horno eléctricos de arco.
REPSA
ALADIN 80
37 1770 Cucharas de trasvase de
acero líquido.
85%
Al2O3
REPSA 9 –
61
1800 Hornos de fundición de
aluminio, reactores para negro
e humo y reactores para
fertilizantes sintéticos.
REPSA
CORAL BP
1800 Hornos de fundición y
refinación de aluminio, hornos
eléctricos de inducción con y
sin núcleo.
90%
Al2O3
REPSA
KORUNDAL
XD
1850 Altos hornos, artesas de
colada continua, hornos de
inducción sin núcleo,
regeneradores de hornos de
vidrio y hornos de negro de
humo.
* Según norma ASTM C-27
(1) Cono Pirométrico Equivalente
(2) Temperatura aplicada a una sola cara del ladrillo, en °C
(3) Para un mejor uso se recomienda consultar con SERVICIOS
TÉCNICOS de REPSA
LADRILLOS REFRACTARIOS DE SÍLICE
TABLA "C"
LADRILLOS REFRACTARIOS DE SILICE
CLASE MARCA
TEMP(1)
TIPICA
DE
TRABAJO
USOS Y APLICACIONES(2)
ALTA
REFRACTARIEDA
D
REPSA
STAR1700
Hornos de vidrio con y sin
recuperación, hornos eléctricos,
operaciones metalúrgicas ácidas
reverberos de cobre. Baterías de
coquización.
SUPER
REFRACTARIEDA
D
REPSA
VEGA1705
Super estructura y bóveda de
hornos de vidrio, reverberos de
cobre, hornos eléctricos de arco.
* Según norma ASTM C-27
(1) Aplicada a una cara de ladrillo en °C
(2) Para un mejor uso se recomienda consultar con SERVICIOS
TECNICOS de REPSA
LADRILLOS REFRACTARIOS BÁSICOS
TABLA "D" LADRILLOS REFRACTARIOS
CLASE* MARCA TIPO
%Mgo
MINIMO
USOS Y APLICACIONES(2)
MAGNESITA
REPSA
HARCON
98 96 Paredes superiores de
hornos eléctricos de arco.
REPSA
NULINE
98 96 Revestimiento de hornos
convertidores L-D, zonas
más agresivas de hornos
eléctricos de arco.
REPSA
OXILINE
KLP (3)
98 96 Revestimiento de hornos
convertidores L-D
REPSA
OXIBAK H
98 96 Protección de seguridad y
hornos convertidores L-D
regeneradores de calor,
hornos eléctricos de arco.
REPSA
REPMAG B
95 91 Paredes inferiores sub-
solera y línea de escoria de
hornos eléctricos de acería,
reverberos de cobre.
REPSA
MAGNEL:(4)
90 86 Zona de clinquerización de
hornos rotatorios de
cemento
MAGNESITA-
CROMO
REPSA
NUCON
80(5)
80 75 Puntos calientes de hornos
eléctricos de arco, zona de
clinquerización de hornos
rotativos de cemento.
REPSA
MAGNEX
H(5)
70 65 Uso general en hornos
siderúrgicos, paredes
superiores de hornos
eléctricos de arco.
REPSA
MAGNEX (5)
60 55 Bóvedas de reverberos de
cobre.
REPSA
NUCON
60(5)
60 55 Paredes superiores y
bóvedas de hornos
eléctricos de arco, zona de
clinquerización de hornos
rotatorios de cemento,
hornos reverberos y
convertidores de cobre
REPSA 50 45 Paredes y emparrillado de
NUCON
50(5)
regeneradores de hornos
de vidrio; reverberos,
convertidores de cobre.
CROMO-
MAGNESITA
REPSA
CHROMEX
BG
40 35 Paredes de regeneradores
de hornos de vidrio, hornos
reverberos y convertidores
de cobre.
REPSA
CB-20
30 25 Uso general de ladrillos
básicos, hornos
metalúrgicos de cobre,
plomo, zinc, fundiciones no
ferrosas.
REPSA
CHROMEX
30 25 Fundiciones de metales no
ferrosos, hornos de
recalentamiento,
regeneradores de hornos
de vidrio.
* Clasificación y contenido mínimo de MgO según norma ASTM C-
455
(1) Contenido mínimo de Cr2O3 en el mineral cromita.
(2) Par un mejor uso se recomienda consultar con SERVICIOS
TECNICOS de REPSA.
(3) Ladrillos Magnesia - Carbón.
(4) Ladrillos Magnesia - Espinela.
(5) Ladrillo también fabricados en la versión "METALKASE" (con
funda metálica).
CASTABLES REFRACTARIOS
TABLA "E"
CASTABLES REFRACTARIOS
MARCA MATERI
AL BASE
CANT.(1)
REQUERI
DA
% DE
AGUA
NECESA
RIA
TEM
P
TIPI
CA
DE
US
O(2)
USOS
TIPICOS(3)
DE RESISTENCIA MECÁNICA NORMAL
CASTABL
E REPSA
ARCILLA
1825 15 1370 Tapas de
calderos,
incineradore
s, paredes
de calderos
acuotubular
es
bagaceros.
REPSA
CASTABL
E
STANDAR
D
ARCILLA
1825 15 1370 Calderos
pirotubulare
s, calderos
acuotubular
es,
incineradore
s, cámaras
de fuego.
REPSA
BAFFLE
MIX
ARCILLA
1825 15 1370 Construcció
n de
deflextores
de calderos
acuotubular
es tipo
Sterling.
REPSA
CASTABL
E SUPER
ARCILLA
1875 15 1480 Incineradore
s, cámaras
de
combustión,
calderos
bagaceros,
tapas de
crisoles.
REPSA
HARCAST
ARCILLA
2002 12 1540 Destilación
primaria de
petróleo,
carros
cerámicos,
hornos de
recalentami
ento.
REPSA
CASTABL
E ALTA
ALUMINA
ALUMINA
2160 09 1650 Conos de
quemadores
, hornos
metalúrgico
s, refinerías
de petróleo,
calderos.
REPSA
CASTABL
E 1-76
ALUMINA
2340 14 1760 Hornos de
inducción,
conos de
quemador,
hornos
metalúrgico
s.
REPSA
CHROME
CROMO-
MAGNES
2089 08 1600 Mantenimie
nto de
PAK ITA paredes y
bóvedas de
hornos
metalúrgico
s, hornos de
fundición.
REPSA
CASTABL
E CROMO
CROMIT
A
2675 11 1420 Fogón de
calderos
bagaceros,
hornos de
forja y
recalentami
ento.
DE ALTA RESISTENCIA MECÁNICA
REPSA
CASTABL
E EXTRA
ARCILLA
1940 14 1315 Pases de
calderos
pirotubulare
s, tapas de
hornos de
crisol,
chutes de
secadores.
REPSA
HARCAST
ES
ALUMINA
2300 13 1590 Refinería de
petróleo,
hornos de
recalentami
ento,
enfriadores
de clinquer.
REPSA
CASTABL
E 2-72
ALUMINA
2160 11 1590 Conos de
quemador,
hornos
metalúrgico
s, y de
tratamiento
térmico.
REPSA
CASTOLA
ST G
ALUMINA
2530 10 1800 Hornos
rotatorios de
cemento,
enfriadores
de clinquer,
reactores
químicos.
REPSA
CASTABL
E CROMO
ES
CROMIT
A
2580 12 1370 Hornos de
plomo,
calderos,
hornos de
tratamiento
térmico.
(1) En kilogramos por metro cúbico.
(2) En grados centígrados y aplicados a una sola cara.
(3) Para un mejor uso se recomienda consultar con SERVICIOS
TECNICOS de REPSA
FORMATO ESTANDAR DE LADRILLOS
RECTANGULA
R (STRAIGHT)
229x114x63
mm
9"x4 1/2" x2 1/2
PEQUEÑO(SMALL
)
229x89x63 mm
9"x3 ½"x 2 1/2"
JABON
(SOAP)
229x57x63
mm
9"x2 1/4"x2
1/2"
DIVIDIDO
(SPLIT)
229x114x32
mm
9"x4 1/2"x 1
1/4"
229x114x51
mm
9"x4 1/2"x 2"
ARCO(ARCH)
N°1 229x114x(63-
54) mm
9"x4 1/2"x(2 1/2"-2
1/8")
N°2 229x114x(63-
44) mm
9"x4 1/2"x(2 1/2"-1
3/4")
CUÑA (WEDGE)
N°1-X 229x114x(63-
57) mm
9"x4
1/2"x(21/2"-21/4")
N°1 229x114x(63-48)
mm
9"x4 1/2"x(2
1/2"-1 7/8")
N°2 229x114x(63-38)
N°3 229x114x(63-
25) mm
9"x4 1/2"x(2 1/2"-
1")
mm
9"x4 1/2"x(2
1/2"-1 1/2")
LLAVE (KEY)
N°1 229x(114-102)x63
mm
9"x(4 1/2"-4")x 2
1/2"
N°2 229x(114-89)x63
mm
9"x(4 1/2"-3 1/2")x 2
1/2"
N°3 229x(114-76)x63
mm
9"x(4 1/2"-3")x 2
1/2"
N°4 229x(114-57)x63
mm
9"x(4 1/2"-2 1/4")x 2
1/2"
BISEL CANTO
(FEATHEREDGE)
229x114x(63-3)
mm
9"x4 1/2"x(2 1/2" -
1/8")
JAMBA
(JAMB)
229x114x63
mm
9"x4 1/2"x2
1/2"
CUELLO(NECK)
229x114x(63-
16)mm
9"x4 1/2"x (2 1/2"-
5/8")
BISEL LONGITUDINAL
(END SKEW)
48° (229-171)x114-63
mm
(9"-6 3/4")x 4 1/2"x
2 1/2")
60° (229-192)x 114x63
mm
(9"-7 9/16)x 4 1/2" x
2 1/2"
BISEL LATERAL
(SIDE SKEW)
48° 229x(114-57)x63
mm
9"x(4 1/2"-2 1/4")x 2
1/2"
ARRANQUE(EDGE
SKEW)
229x(114-38)x63 mm
9"x(4 1/2"-1 1/2")x 2
1/2"
Fuente http://www.repsa.com.pe/productos.htm
Anexo 6: Valores típicos del coeficiente de transferencia de calor
por convección
Tipo de
Convección
Convecció
n libre de
gases
Convecció
n libre de
líquidos
Convección
forzada de
gases
Convección
forzada de
líquidos
Ebullición y
condensació
n
h, (W / m2
ºC) de 2 a 25
de 10 a 1
000 de 25 a 250
de 50 a 20
000
2 500 a 100
000
Fuente: Transferencia de Calor; Yunus A. Çengel; 2003.
Anexo 8: Emisividades Superficiales de Algunos Materiales
MATERIAL TEMPERATURA (k) ε
Al (lámina comercial)
Cu (lámina comercial)
Fe fundido
Acero (lámina comercial)
Ladrillo refractario
400
300
300
500 – 1200
1200
0.09
0.02
0.44
0.20 – 0.32
0.75
Fuente: Transferencia de Calor; Yunus A. Çengel; 2003.
Anexo 9: Caracteristicas de soldaura utilizada E-6011
Anexo 10: Catálogo del quemador a gas utilizado en el horno de crisol basculante
BIBLIOGRAFÍA
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Lima - Perú, 2 002.
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http://www.swisscontact.org,pe/PRAL/01_karsten_kunchet.pdf
http://www.terra.es/personal6/jgallego2/selectividad/quimica/Termoquimica.htm
MATRIZ DE CONSISTENCIAÁMBITO DE ESTUDIO PROBLEMA JUSTIFICACIÓN E
IMPORTANCIACONCLUSIONES RECOMENDACIONES
Para poder facilitar la valoración del estudio, se ha realizado una delimitación del campo de investigación, teniendo en cuenta diferentes
GEOGRÁFICO:El presente estudio de investigación ha sido elaborado principalmente para la Ciudad del Cusco como también para otras provincias que poseen gran demanda en artículos artesanales.FUNCIONALSe han tenido en cuenta varios campos de investigación desde el punto de vista funcional: sector productivo como actividad económica.OCUPACIONALEn el ámbito ocupacional, se considera que son beneficiarios directos del estudio, todos aquellos trabajadores cuyas ocupaciones se desarrollan en el área de artesanía de metales.
¿Será técnica y económicamente posible el uso de Gas Natural como combustible en los hornos de crisol aplicado en Artesanía?
La actividad industrial en la actualidad, demanda una mayor competitividad para la inserción oportuna e innovadora en un mundo globalizado. En tal sentido, se entiende que el diseño y su posterior estudio térmico de un horno de crisol utilizando Gas Natural facilitará la fundición de metales y la capacitación de los futuros profesionales en el área de fundición, así como alcanzará menores costos de producción, mejor calidad de los productos y una menor contaminación ambiental.Y teniendo en cuenta que nuestra región, carente de una industrialización consolidada y con escasez económica para la investigación, es importante que se recurra a la innovación tecnológica aprovechando recursos como el gas natural y el talento del capital humano.
1. El uso del GN como combustible es técnica y económicamente posible aplicable en hornos de fundición.
2. La utilización del GN disminuye considerablemente la contaminación ambiental ya que los residuos de combustión son mínimos.
3. El Gas Natural reduce considerablemente costos de operación como también alarga la vida útil de los equipos por ser menos nocivo.
4. El horno que se diseño esta clasificado como “Horno de Crisol Basculante”, el cual utiliza GN como combustible. Su costo de construcción es de S/. 3 949.00 en total.
5. El Horno de Crisol Basculante facilita la colada de los metales fundidos como también alarga la vida útil del Crisol.
6. Los refractarios seleccionados para la construcción del horno de crisol con GN fueron; ladrillos refractarios de alto contenido de alúmina (70% Al2O3) “Repsa Alusite” ; y “Castable Refractario Repsa” para la tapa.
7. El calculo que se realizó para fundir chatarra de aluminio arrojó los siguientes resultados:
- Cantidad de chatarra de aluminio (peso) = 1Kg. - Consumo (GN)=0.400 Kg- Consumo de aire (para combustión)= 8.022 Kg = 6.23 m3.- Tiempo=10minutos. - Temperatura alcanzada= 750ºC.- Costo de operación= S/. 5.798. Las reacciones de combustión del GN (metano y
etano), sólo producen Dióxido de Carbono y Vapor de agua. Estas sustancias no son consideradas como agentes contaminantes según las Normas EPA y por lo tanto no se considera los porcentajes que se producen al realizar una fundición.
CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O 2C2H6 + 7O2 4CO2 + 6H2O
1. Para reducir las pérdidas a través de las paredes, se pueden utilizar materiales aislantes entre el ladrillo refractario y la cubierta metálica.2. El rendimiento térmico del horno de crisol utilizando GN puede ser incrementado instalándose equipos que aprovechen el calor de los productos de combustión (recuperadores y regeneradores de calor). Los recuperadores y regeneradores de calor son usados para precalentar la carga, el aire de combustión y el combustible.3. Se debería hacer un precalentamiento del horno, del crisol y si es posible de la carga, puesto que así se mejorará el tiempo de fusión.4. Se deben cumplir todas las normas de seguridad en ambientes industriales.5. Se deberá tener un programa de mantenimiento para comprobar el estado y la operatividad del horno de crisol.6. Las reparaciones se deben realizar consultando las especificaciones técnicas de los proveedores de refractarios.7. Se deberá considerar dentro del plan de mantenimiento la verificación periódica de las instalaciones de Gas (Medidores, reguladores y tuberías).8. Se deberá de contar con un plan de contingencias en caso de accidentes, el cual deberá tener los implementos necesarios para el manejo y control del Gas Natural.
OBJETIVO GENERALDiseñar un horno de crisol que reúna los requisitos técnicos y térmicos que permitan fundir metales en el menor tiempo posible utilizando un combustible que produzca una mínima contaminación ambiental
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Encontrar las variables adecuadas de diseño y rendimiento del horno de crisol utilizando Gas Natural.Evaluar técnica y económicamente los resultados de rendimiento obtenidos.Evaluar los aspectos de impacto ambiental que se puedan producir en el proceso de fundición
ANTECEDENTESEn nuestra ciudad y en las provincias donde se sitúan las restos arqueológicos, hemos visto que la mayoría de los centros manufactureros –en especial las fundidoras la transformación de los productos lo realiza en un taller cuyas herramientas e instrumentos de trabajo son tradicionales; es decir, que no han variado a través del tiempo. Específicamente los artesanos dedicados a la fabricación de artesanía de metales (como es el caso de ídolos, pumas, tumis, etc.) utilizan crisoles de grafito, y como combustible usan el petróleo, petróleo mezclado con aceite quemado y en algunos casos usan el estiércol del ganado vacuno, por el cual el tiempo de fusión del metal es alto y muy contaminante, por lo que los productos obtenidos por fundición no alcanzan los requerimientos técnicos para su correcto aprovechamiento.
HIPÓTESIS“Se alcanzará un mayor rendimiento del horno de crisol utilizando un combustible de poca contaminación y disminuyendo los costos de producción”.
METODOLOGIA :Quisiéramos mencionar que el presente trabajo es un estudio de investigación tecnológica, por lo que se utilizara la siguiente metodología. ANÁLISIS Y SÍNTESIS.- Por este método se fundamentara teóricamente el presente trabajo haciendo uso de la bibliografía existente.MÉTODO ANALITICO.- Se ejecutaran cálculos relacionados al diseño y análisis térmico.
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