apunte1 hornos generalidades

8/19/2019 APUNTE1 Hornos Generalidades

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Hornos industriales.

Generalidades

Definición de hornos industriales.

Los hornos industriales son los equipos o dispositivos utilizados en la industria, en los que se calientan losmateriales y las piezas o elementos colocados en su interior por encima de la temperatura ambiente.

Hay que señalar que la definición anterior, aparentemente clara, no lo es tanto en la práctica, ya que es frecuenteutilizar otros términos tales como!." #stufas, para hornos que operen a ba$a temperatura pero sin definir ésta, normalmente hasta %&&"'&& (). *eutiliza la denominación estufas )ooper para los precalentadores de aire en hornos altos que operan a altastemperaturas.+." *ecaderos también denominados, cuando se realiza por elevación de la temperatura, estufas de secado-. Latemperatura de secado puede ser elevada y adoptar una técnica de construcción similar a la de los hornos.

." /ater0as de coque son las series de hornos en forma de celda utilizadas en la producción del coque.

1." 2rcas de recocer en la industria del vidrio.%." 3ncineradores, equipos destinados a la combustión y eliminación de residuos.4ara evitar ambi56edades se denominará hornos a todos aquellos equipos o instalaciones que operan, en todo oen parte del proceso, a temperatura superior a la ambiente.

#l ob$eto de este calentamiento puede ser muy variado, por e$emplo" 2lcanzar la temperatura necesaria para que se produzcan las reacciones qu0micas necesarias para la obtenciónde un determinado producto." )ambios de estado 7usión de los metales y vaporización-." 2blandar para una operación de conformado posterior." 8ratar térmicamente para impartir determinadas propiedades." 9ecubrir las piezas con otros elementos, operación que se facilita frecuentemente operando

a temperatura superior a la del ambiente :itrificado de los productos cerámicos-.

#n el traba$o de los metales, la temperatura desempeña un papel de 5ran importancia. Las temperaturas elevadasvuelven más blandos la mayor0a de los metales, capacitándolos para las operaciones de deformación por fle;ión,for$a, estampado, e;trusión o laminación. Las temperaturas todav0a más elevadas funden los metales y tambiéneliminan la acritud de los mismos< el proceso de calentamiento de los metales con este fin, enfriando después demodo que no se produzca nin5una deformación, se conoce como recocido. La elevaciónde la temperatura por encima de un cierto punto cr0tico, se5uida de un enfriamiento brusco, vuelve el acero másduro y resistente pero con una ductilidad menor. =n nuevo calentamiento a una temperatura inferior al punto cr0ticodisminuye la dureza y aumenta la ductilidad. *e conoce como tratamiento térmico el proceso completo que tienepor ob$eto producir unas propiedades f0sicas deseadas, controlando la estructura cristalina.Las operaciones industriales abarcan una amplia 5ama de temperaturas, las cuales dependen del material acalentar y también para un material dado- del ob$eto del proceso de calentamiento y de las operaciones

subsi5uientes.

Así, atendiendo al tipo de efecto que el horno produce en el producto, se pueden tener:

" Hornos para producir efectos f0sicos en el producto, que a su vez pueden dividirse enHornos de calentamientoHornos de fusión

" Hornos para producir efectos qu0micos en el producto 9educción sin fusión, fusiones reductoras, sinterización,tostación, calcinación, volatilización reductora, volatilización, metalotermias, etc-.

La ener50a calor0fica requerida para el calentamiento de los hornos puede proceder de

!." >ases calientes Llama- producidos en la combustión de combustibles sólidos, l0quidos o 5aseosos quecalientan las piezas por contacto directo entre ambos o indirectamente a través de paredes o tubos radiantes ointercambiadores en 5eneral.


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+."#ner50a eléctrica en diversas formas" 2rco voltaico de corriente alterna o continua." 3nducción electroma5nética." 2lta frecuencia en forma de dielectricidad o microondas." 9esistencia óhmica directa de las piezas." 9esistencias eléctricas dispuestas en el horno que se calientan por efecto ?oule y ceden calor a la car5a por lasdiversas formas de transmisión de calor.

La forma de calentamiento da lugar a la clasificación de los hornos en dos grandes grupos, con diversostipos:

!." H@9A@* D# LL2B2!.!." H@9A@* :#983)2L#* @ D# )=/2!.+." H@9A@* D# /2L*2!. ." H@9A@* 9@828@93@*!.1." H@9A@* 8=A#L

+." H@9A@* #L#)893)@*+.!." H@9A@* D# 9#*3*8#A)32*.+.+." H@9A@* D# 29)@+. ." H@9A@* D# 3AD=))3@A

*on evidentes al5unas de las venta$as del calentamiento eléctrico que se señalan a continuación!." 2usencia de humos de combustión.+." Be$ores condiciones de traba$o alrededor del horno y ambientales por el e;terior.

." Bayor se5uridad del personal.1." 4osibilidad de mantener los hornos sin vi5ilancia fuera de las horas de traba$o por eliminación del peli5ro dee;plosiones.%." >ran elasticidad de funcionamiento y sencilla automatización de los hornos.

Ha sido frecuente la instalación de los diversos hornos de una planta industrial en un recinto propio denominadodepartamento de hornos o de tratamientos térmicos, con el costo que ello supone por el transporte de las piezasdesde el mecanizado y hasta la l0nea de monta$e o proceso posterior.Los hornos eléctricos permiten instalar los hornos dentro de las l0neas de producción, ya que se consi5uencondiciones ambientales perfectamente aceptables.

8anto en los hornos de llama como en los eléctricos se hace referencia al tipo de recinto. 2s0, se5Cn el tipo de recinto pueden ser" Hornos de solera." Hornos de balsa." Hornos de soleras mCltiples." Hornos de solera 5iratoria." Hornos de tCnel." Hornos rotativos." Hornos de solera móvil." Hornos de crisol." Hornos de mufla." Hornos de cuba.

Campos de aplicación de los hornos industriales.Los campos de aplicación se pueden clasificar por los diferentes tipos de industrias, con una indicación somera delos hornos utilizados o de las operaciones realizadas en ellos.

3ndustria siderCr5ica." Hornos altos de reducción de mineral de hierro." Bezcladores de arrabio calentados por llamas o por inducción." )onvertidores de acero." Hornos de arco para fusión de chatarra." Hornos de fusión de chatarra por inducción." Hornos de recalentar para las operaciones de laminación, for$a, e;trusión, de muy diferentes tipos.


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" Hornos de tratamientos térmicos de barras, redondos, chapas, perfiles, bobinas, etc." #quipos au;iliares, tales como precalentadores de cestas de car5a y de cucharas de colada, hornos delaboratorio, atmósferas controladas, etc." Hornos de fabricación de ferroaleaciones 7e"*i, 7e"Bn, *i"Bn, 7e"Bo, 7e"8i, 7e":, etc.-,

3ndustria del aluminio." )eldas de electrólisis 05nea para transformar alCmina en aluminio fundido." Hornos de fusión y mantenimiento, a partir de chatarra o aluminio fundido." Hornos de recalentar placas o redondos para laminación o e;trusión." Hornos de tratamientos térmicos, fundamentalmente recocido, pero también solubilización, maduración oenve$ecimiento." #quipos au;iliares, tales como atmósferas controladas para tratamientos térmicos, precalentadores de matricespara e;trusión, precalentadores de chatarra, hornos de tratamiento térmico de utilla$es, etc.*e incluyen en este campo, no sólo las aleaciones de aluminio, sino también el ma5nesio y sus aleaciones quedenominamos metales li5eros en 5eneral.

3ndustria del cobre y sus aleaciones que se denominan en 5eneral metales no férricos pesados, tales comobronces, latones, cupron0queles, alpacas, etc." Hornos de reducción de minerales." Hornos de fusión de chatarra del tipo de reverbero o crisol." Hornos de recalentamiento para laminación, for$a, e;trusión o estampación." Hornos de tratamientos térmicos, fundamentalmente recocidos y del tipo adecuado al producto a tratar." #quipos au;iliares, tales como atmósferas controladas o vac0o, equipos de barnizado o esmaltado de hilos decobre, etc.

3ndustria de automoción.3ncluye la fabricación de veh0culos, camiones, tractores, motocicletas y bicicletas. #s, tal vez, el campo deaplicaciones más variado y que e;i5e mayor nCmero de unidades y mayor sofisticación en los hornos, aunque suimportancia económica sea inferior a la de otros campos. #n este campo se tienen" Hornos de fusión de metales férricos y no férricos." Hornos de tratamientos térmicos, de todos los tipos posibles prácticamente, dada la 5ran variedad de piezase;istentes." Hornos de preparación y pintado de carrocer0as, de 5ran valor económico." 3nstalaciones au;iliares, tales como 5eneradores de atmósferas controladas, tanques de temple, cámaras deenfriamiento, desen5rasadores y hornos de lavado y secado, etc.7undiciones, tanto de metales férricos, como de metales no férricos." Hornos de fusión y mantenimiento." Hornos de tratamientos térmicos, continuos o intermitentes, de los tipos adecuados a la producción, forma de laspiezas, temperatura requerida, etc." #quipos au;iliares, tales como hornos de secado de moldes y machos y, en al5una proporción, tambiénatmósferas controladas.

3ndustrias de productos manufacturados.*e incluyen la fabricación de materiales eléctricos transformadores y motores, sobre todo-, la industria deelectrodomésticos fundamentalmente la serie blanca-, los talleres de calderer0a, la fabricación de piezasmecánicas, la industria de la máquina"herramienta, la industria electrónica, etc.4ueden incluirse hornos de todos los tipos y para prácticamente todas las aplicaciones. *e citan a continuaciónCnicamente al5unos e$emplos" Hornos de recocido de chapa ma5nética." Hornos de soldadura brillante de pequeñas piezas." Hornos de sinterizado y, en 5eneral, todos los utilizados en pulvimetalur5ia." >randes hornos de recocido para eliminación de tensiones de piezas fundidas y soldadas." 3nstalaciones completas formadas por varios hornos para tratamiento de herramientas." Hornos de recocido de bancadas de máquinas"herramientas." Hornos de difusión de hidró5eno en semiconductores." Hornos de secado al vac0o de derivados de transformadores.

3ndustria qu0mica, en la que incluimos la petroqu0mica y la farmacéutica." Hornos de reformado reformin5- en la industria petroqu0mica.""Hornos de esterilizado de productos medicinales.

3ndustria au;iliar.


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#ntra dentro de este campo la fabricación de reductores, rodamientos, bu$0as, accesorios de tuber0a, frenos,direcciones, etc. Berecen mención especial los talleres de tratamiento térmico cuyos elementos de traba$o sonCnicamente hornos y equipos au;iliares.

3ndustria cerámica y del vidrio." Hornos rotativos de fabricación de clin er en la industria del cemento." Hornos continuos tipo tCnel de fabricación de piezas cerámicas industriales y hornos intermitentes, por e$emplopara cerámica art0stica." Hornos de fusión de vidrio y de materiales cerámicos materiales cerámicos fundidos y fibras cerámicas-." Hornos de tratamientos térmicos, fundamentalmente de vidrio, pero también, aplicable a piezas cerámicas.

Dentro de los campos de aplicación citados, el calentamiento por resistencias eléctricas es ampliamente utilizadoen todos los procesos de ba$a y media temperatura principalmente hasta !.+&& ().- siendo el nCmero deinstalaciones comparable al de hornos de llamas y netamente superior al de las calentadas por otrosprocedimientos arco, inducción, alta frecuencia y especiales-.

Procedimientos.*e pueden también plantear las aplicaciones de los hornos industriales en relación con el procedimiento o procesosutilizados.

Desde este punto de vista se clasifican de la si5uiente forma" *interizado y calcinación." 7usión y mantenimiento de

"Betales férricos fundición, acero, n0quel, cromo y aleaciones-."Betales no férricos pesados cobre, aleaciones-."Betales no férricos li5eros aluminio, ma5nesio y aleaciones-."Betales preciosos y aleaciones."@tros metales y aleaciones." :idrio y productos cerámicos."Bateriales de 5oma y plásticos.

" )alentamiento de los materiales para" Laminación y trefilado." #;trusión." 7or$a." #stampado." )onformado en caliente.

" 8ratamientos térmicos de los materiales para" 9ecocido, normalizado, temple, revenido, homo5eneizado, solubilización, maduración o enve$ecimiento,etc." )ementación, carbonitruración, nitrocarburación, nitruración, cianuración, descarburación, etc." @tros procesos para materiales no metálicos, por e$emplo, vulcanizado de 5omas y tratamientos deplásticos.

" 9ecubrimientos de piezas metálicas y no metálicas que incluye" >alvanización." #stañado." #mplomado." #smaltado." 2 base de polvos metálicos." De plásticos." 4or medio de pinturas y barnices." *ecado o, en 5eneral, reducción del contenido de humedad." #;tracción de polvo que en al5unos casos supone la utilización de hornos.

" 4rocedimientos qu0micos en una variedad de tipos que resulta dif0cil resumir. )itaremos la prerreducción y lareducción de minerales, de 5ran importancia en la industria metalCr5ica, la tostación, calcinación, etc.

Factores para una elección correcta.4ara que sea correcta la elección de un horno para una aplicación determinada deben tenerse en cuenta diversosfactores que pueden a5ruparse se5Cn los tres criterios principales si5uientes

!." 9equerimientos y datos del usuario.+." 4osibilidades tecnoló5icas del constructor.


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." #;i5encias y posibilidades económicas.

Resolver un pro lema concreto de fa ricación dentro de un conte!to industrial concreto.

!" 9equerimientos y datos del usuario.

a- #;i5encias técnicas.a! )ar5a a tratar

Aaturaleza y forma de la car5a o piezas Aaturaleza del material emisividad, calor espec0fico, densidad aparente y real-8emperatura inicial.

b! 8ratamiento)iclo temperatura"tiempo8emperatura normal de utilización del horno, má;ima y m0nima4recisión de temperatura requerida4resencia o no de atmósfera controlada.

c! 4roducción.4roducción horaria o por cicloEcar5a4osibilidad de dividir la producción en varios hornos=tilización del equipo horas, d0as, semanas, etc.-.

b- #;i5encias de fabricación.*i se instala el horno dentro de un proceso concreto de fabricación, hay que tener en cuenta

" #l entornoEambiente 5eneral." #l proceso de fabricación en el que se inserta el horno operaciones anteriores y posteriores,

condiciones de preparación de las car5as-." )ualificación del personal de e;plotación y su disponibilidad." 4osibilidades de mantenimiento y nivel del personal." )aracter0sticas de la ener50a disponible." 4osibilidades de fluidos au;iliares a5ua, aire comprimido, nitró5eno, vapor de a5ua, etc.- y la salida de

fluentes a5ua, vapor, etc.-.

+." 4osibilidades tecnoló5icas del constructor " )omprobar que el ciclo de temperatura requerido es realizable en condiciones industriales razonables." Determinar el horno alrededor de

La car5a cuando se trata de car5as unitarias 5randes, por e$emplo, el recocido de eliminación detensiones de soldadura de una pieza de calderer0a 5ruesa.

La producción, que es el caso más frecuente, cuando se trata de un 5ran nCmero de piezas unitarias.La capacidad del horno u hornos se determina multiplicando la producción 5Eh- por la duración del ciclo horas-..

."4osibilidades económicas.#l costo total de e;plotación de un horno, referido a la unidad producida, es la suma de los si5uientes factoresprincipales" )osto de la ener50a." )osto de la mano de obra directa." )osto de la mano de obra de control y supervisión." )osto de las materias consumibles y fluidos diversos aparte de la ener50a-." 2mortización de la instalación." )osto del mantenimiento.4ara efectuar la elección correcta de un horno es preciso establecer su coste previsto de e;plotación. #s más queun balance ener5ético. #n particular, el factor mantenimiento puede $u5ar un papel importante, no por suimportancia eventual, sino, sobre todo, por el tiempo de inmovilización del horno.

" "#emplos de hornos industriales.#n las fi5uras y fotos si5uientes se dan e$emplos de hornos industriales, como son el alto horno, horno eléctrico dearco, horno de fusión de vidrio con re5eneradores de conductos laterales, horno tCnel de va5onetas, horno tCnel derodillos y horno rotatorio de cemento, respectivamente


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PARTES DE UN ALTO HORNO


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Esquema HornoElé !r" o #e Ar o

Horno #e $us"%n #e&"#r"o


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Horno tCnel de va5onetas

.

Los hornos que se dividen de acuerdo a los fines con que fueron ideados, teniendo por lo tanto estructurasapropiadas para cada caso, pero todos comparten toda una serie de elementos constructivos comunes, aunque condiseños distintos.

Hornoemen!ero


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La parte principal de cada horno es la zona de traba$o, donde se efectCa el proceso tecnoló5ico prefi$ado. #n lamayor0a de los casos, dicha zona se separa del ambiente por la bóveda, las paredes y la solera, construidas demateriales refractarios y termoaislantes. #n su base tienen los cimientos, construidos de materiales comunes.La mamposteria refractaria de cada horno está unida por el esqueleto metálico o por un blinda$e que la abarca ensu totalidad.Los hornos, donde la ener50a térmica es resultado de la i5nición de un combustible, tienen los ho5ares para lossólidos o los mecheros o quemadores para el combustible. Buchas veces los ho5ares se suprimen, y la i5nición delos combustibles se efectCa directamente en la zona de traba$o del horno. La eliminación de los productos decombustión a la atmósfera se hace por la chimenea, a través de canales adecuados.Buchos hornos tienen también instalaciones de intercambio o aprovechamiento del calor de los 5ases de escape,llamadas los re5eneradores y los recuperadores. 4ara re5ular las corrientes de los 5ases tanto en los hornos como en los conductos se utilizan las válvulas, las aletas y otroscierres.

C$%$"&'().Los cimientos son la parte del horno que se apoya directamente en el suelo reconocido como apto para ése f i n yque sostienen todas las demás partes del horno. 4or supuesto, lo Cnico que se requiere de los cimientos es suabsoluta solidez como para a5uantar toda la car5a estática de las partes del horno dispuestas encima, as0 comoeventualmente las posibles car5as dinámicas, sin sufrir deterioro al5uno. Los cimientos deben tener dimensionessuficientes, como para que la presión contra el suelo no pase los valores admisibles.

PLA'AF(R%A.La plataforma es el plano inmediatamente superior a los cimientos del horno y el inferior de lamamposter0a. 4ara su construcción se emplean distintos materiales ladrillos refractarios ytermoaislantes. #l tipo de construcción y el espesor de la plataforma se dictan por la estructura del horno. *u finprincipal es dar una superficie sobre la cual pueden ser dispuestas todas las partes inferiores del horno.

)(L"RA*olera es la parte del horno sobre la cual se dispone el metal fundido o los materiales a calentarse. )omo soportala car5a del material debe ser suficientemente sólida, impermeable para el metal l0quido, material v0treo y escorias,y qu0micamente estable respecto a estas Cltimas. #n la mayor0a de los casos tiene una forma de bañera ba$o loshornos de reverbero o los eléctricos de fundición.

La solera debe ser capaz de soportar" #l impacto mecánico a la ca0da de la chatarra." La erosión por el acero fundido." La penetración del acero y otros metales de ba$o punto de fusión." La hidratación posible entre campañas.

PAR"*").Las paredes rodean la zona de traba$o del horno. >eneralmente ellas mantienen la bóveda. Deben prote5er la zonade las pérdidas de calor, no permitir el escape de los 5ases de ho5ar ni succión del aire de la atmósfera hacia elinterior del horno. La cara más importante de las paredes es la interior. Debe ser pare$a, limpia, tener $untasdel5adas. *e hacen con ladrillos enteros y sanos tanto de sus caras, como de aristas y án5ulos.

Los refractarios de la pared a la altura de la l0nea de escorias deben eliminar o reducir la penetración de la escoria yser compatibles con ella.4or su parte, el refractario de la parte superior de las paredes debe soportar" #l ataque de los humos con 7e@" Las salpicaduras de escoria al utilizar las lanzas de @+ y por el arco" )hoque térmico por las fuertes fluctuaciones de temperatura desde baño fundido a car5a de chatarra fr0a

posibilidad de desconchado, si no tiene resistencia al choque térmico-.

+ -"*A.La bóveda es una de las partes más importantes del horno. >eneralmente soporta temperaturas muy altas y secalienta mucho. )omo los 5ases calientes en la parte superior de la zona de traba$o se encuentran ba$o una presiónsuperior a la normal, la bóveda debe ser impermeable para con los mismos.Los refractarios de la bóveda debe ser capaz de soportar" #l ataque de los humos con 7e@, )@, etc." La radiación térmica del arco, cuando no está sumer5ido en la escoria espumosa." #l choque térmico por fuertes variaciones de temperatura y, en ocasiones, impacto mecánico.

#;isten cuatro tipos de bóvedas!-." 4lanas, de ladrillos de 5randes dimensiones+-." De arco


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-." *emicirculares1-." *uspendidas

Las bóvedas de arco son las más frecuentes. #l corte transversal de una bóveda de arco de radio constante 9-está representado en la fi5ura.

#n ella se puede distin5uir la imposta ;-, el án5ulo al centro - y la flecha de la bóveda f-. #l valor de F oscilaentre '& y G&(. La flecha, por re5la 5eneral, es !+"!% de la cuerda.

La reacción provocada por la car5a del arco en la imposta puede ser calculada por la fórmula

donde4I )omponente horizontal de la reacción<> I 4eso del sector de la bóveda en 5, por un metro lineal de lar5o.. l I )uerda, m.f I flecha, m<

I )oeficiente, que comprende la dilatación del ladrillo por el calor y que depende de la temperatura del horno.

*us valores son8emperatura del horno () G&& !&&& ! && !%&& !J%&)oeficiente + +.% .% 1#l cálculo es apro;imativo.

/@:#D2 )@A 892/2K@A /@:#D2 2A=L29

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Gl P k

f =


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+óvedas suspendidas #stas bóvedas se construyen con ladrillos perfilados que se fi$an en las estructuras metálicas suspendidas enestribos especiales. #l uso de las bóvedas suspendidas permite disminuir el consumo de calor para calentar lamamposter0a, porque, primero el volumen de la misma es menor y, se5undo, es posible el empleo de materialesrefractarios más livianos. Las bóvedas de este tipo resultan ser fáciles para refecciones. *us inconvenientesestriban en la construcción más complicada que la de otras bóvedas.

7i5ura /óvedas suspendidas.

CA&AL").Los canales sirven para conducir los 5ases hasta la chimenea y suelen ser de sección rectan5ular y de techo planoo abovedado. #l área de la sección se calcula a partir de la velocidad media admisible del movimiento de 5ases quein5resan en el canal que se toma !"+ mEs y de la cantidad de 5ases que entran por se5undo.

/&'A) '0R%$CA) .Las $untas térmicas deben compensar la dilatación volumétrica de la mamposter0a por el calor. 2se5urando lainte5ridad de la mamposter0a, las $untas a la vez no deben reba$ar la solidez de la misma y ser causa de escapesde 5ases, de metales o escorias. #l ancho y la disposición de las $untas se determinan en concordancia con elcalentamiento de una parte dada del horno y de los coeficientes de dilatación de los materiales por el calor.

")1/"L"'( %"'2L$C(.*e llama esqueleto la estructura metálica que su$eta todas las partes del horno y absorbe los esfuerzos que seori5inan en la mamposter0a tanto durante su e$ercicio, como posteriormente en los procesos de su traba$o. #lesqueleto transmite estos esfuerzos a los cimientos. Las partes del esqueleto se aprovechan también para montarsobre ellas los accesorios del horno, como marcos, tapas, puertas, ventanas, mecheros, toberas, etc.La fi5ura !&.'.G representa un esqueleto armado de vi5as +, lon5itudinales< %, de imposta, los parantes ! unidosentre s0 por los tensores y 1 por encima de la bóveda y por deba$o de la solera, respectivamente.)uando se calienta el horno, los tensores deben aflo$arse, para que el calor no ha5a que la bóveda se hinche haciaarriba por dilatación. 4ara ello se aflo$an las tuercas de los tensores en un mismo 5rado en cada parante.=na vez lle5ado a la temperatura má;ima, los tensores quedan invariables por apretarse las contratuercas.


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#squeleto Betálico

-"&'A&A) *" 'RA+A ( .4ara car5ar y descar5ar los materiales y ob$etos, para vi5ilar el proceso a que se someten y para re5larlo, en lasparedes del horno se practican diversas aberturas, llamadas ventanas de traba$o.

P/"R'A).

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