OPTIMIZACION DE HORNOS DE CRISOL Y CUBILOTE EN LAS EMPRESAS
METALURGICAS DE LA CIUDAD DE CALI
WILLIAM RAFAEL SALAS ROSERO
UNIVERSIDAD AUTONOMA DE OCCIDENTE
FACULTAD DE INGENIERIA
DEPARTAMENTO DE ENERGETICA Y MECANICA
PROGRAMA DE INGENIERIA MECANICA
SANTIAGO DE CALI
2006
2
OPTIMIZACION DE HORNOS DE CRISOL Y CUBILOTE EN LAS EMPRESAS
METALURGICAS DE LA CIUDAD DE CALI
WILLIAM RAFAEL SALAS ROSERO
Trabajo de grado para optar al titulo de ingeniero mecánico
Directora
SONIA GOMEZ
Ingeniera mecánica.
UNIVERSIDAD AUTONOMA DE OCCIDENTE
FACULTAD DE INGENIERIA
DEPARTAMENTO DE ENERGETICA Y MECANICA
PROGRAMA DE INGENIERIA MECANICA
SANTIAGO DE CALI
2006
3
Nota de aceptación: Aprobado por el Comité de Grado en cumplimiento de los requisitos exigidos por la Universidad Autónoma de Occidente para optar al título de Ingeniero mecánico.
Ing. LEIVER ALZATE______________________ Jurado Ing. NÉSTOR PINCAY____________________ Jurado Santiago de Cali, 11 de Agosto de 2006.
4
A mi familia. Sin ellos no habría sido posible culminar esta gran empresa.
5
AGRADECIMIENTOS
A toda mi familia, especialmente a mi madre que fue una motivadora infalible para
lograr esta meta.
A todos los profesores que supieron transmitir su conocimiento a mi formación
personal y profesional.
A mis compañeros, que gracias a su amistad y respaldo, hicieron de mi estancia
en la universidad un sitio muy agradable.
A todo el personal, de las empresas que me brindaron su ayuda y colaboración
para elaborar este trabajo de investigación.
6
CONTENIDO
Pág
GLOSARIO 19
RESUMEN 20
INTRODUCCION 21
1 DESCRIPCIÓN DE HORNOS DE CRISOL Y CUBILOTE O CÚPULA 22
1.1 HORNO DE AIRE O CRISOL 22
1.2 HORNO DE CUBILOTE O CÚPULA 25
2 COMBUSTIBLES. 28
2.1 COMBUSTIBLES SÓLIDOS 29
2.2 COMBUSTIBLES LÍQUIDOS 31
3 COMBUSTIÓN 33
3.1 REACCIONES DE COMBUSTIÓN Y ESTEQUIOMETRIA. 33
3.2 OXÍGENO NECESARIO. 34 3.2.1. Exceso de aire. 35 3.2.2. Atmósferas oxidantes y reductoras. 37 3.2.3. Poder calorífico del aire. 38 3.2.4. Aire húmedo. 39 3.2.4.1.1 Humedad relativa. 39
3.3 COMBUSTIÓN EN EL HORNO DE CUBILOTE 41
7
3.3.1 Reacciones químicas. 42 3.3.2 . Índice de combustión n 44 3.3.3 Zonas de influencia en el cubilote 47 3.3.3.1 Zona de oxidación o combustión 48 3.3.3.2 Zona de reducción de la cama 48 3.3.4 Tiempo de combustión del coque y tiempo de fusión de la carga 51 3.3.5 Producción óptima 53 3.3.6 Diagrama reticular del cubilote o de Jungbluth 55 3.3.6.1 Zonas del diagrama reticular o de Jungbluth. 57
3.4 COMBUSTIÓN EN EL HORNO DE CRISOL 58 3.4.1 Reacciones químicas. 58 3.4.2 Combustión por atomización 59 3.4.3 Atomizadores 60
4 TRANSFERENCIA DE CALOR EN LOS HORNOS DE CRISOL Y CUBILOTE 62
4.1 CONDUCCIÓN 62
4.2 CONVECCIÓN 64
4.3 RADIACIÓN 65
4.4 TRANSFERENCIA DE CALOR EN EL HORNO DE CUBILOTE 67 4.4.1 Factores que ejercen influencia sobre las zonas del cubilote 68 4.4.1.1 Penetración del aire de soplado 69 4.4.1.2 Resistencia de la cama de combustible 69
8
4.5 TRANFERENCIA DE CALOR EN EL HORNO DE CRISOL 71
4.6 CALOR REQUERIDO 72 4.6.1 Calor de calentamiento al punto de fusión 74 4.6.2 Calor de recalentamiento 75 4.6.3 Calor latente de fusión. 75
4.7 PÉRDIDAS DE CALOR 76 4.7.1 Pérdidas por los gases de combustión 77 4.7.2 Pérdida por humedad 77 4.7.3 Pérdidas por hidrógeno en el combustible 78 4.7.4 Pérdidas por combustión incompleta 79 4.7.5 Pérdidas por combustible en cenizas 80 4.7.6 Pérdidas por carburación de hierro 80 4.7.7 Pérdidas por calor en la escoria 82 4.7.8 Pérdidas por las paredes del horno 84 4.7.9 Pérdidas por radiación 89
5 CONCEPTOS PARA MEJORAR LA EFICIENCIA DE LOS HORNOS 90
5.1 CONTROL DE LA PROPORCIÓN AIRE-COMBUSTIBLE. 90
5.2 SUPERFICIES DE TRANSFERENCIA DE CALOR LIMPIAS 91
5.3 INSTALACIÓN DE AISLANTES APROPIADOS 91
5.4 PRECALENTAMIENTO DEL AIRE DE COMBUSTIÓN 91
5.5 PRECALENTAMIENTO DE LA CARGA. 92
6 EVALUACIÓN ENERGETICA DE LAS PYMES EN LA CIUDAD DE CALI. 93
9
6.1 METODOLOGÍA. 93 6.1.1 Calculo de la población de hornos de cubilote y crisol 94 6.1.1.1 Muestra poblacional de los hornos de cubilote 95 6.1.1.2 Muestra poblacional de los hornos de crisol 96 6.1.2 La encuesta y la información recopilada 96 6.1.3 Parámetros medidos para la operación de fundición 97 6.1.3.1 Materiales a fundir 97 6.1.3.2 Tipo de proceso de fundición 97 6.1.3.3 Propiedades térmicas del combustible 97 6.1.3.4 Calidad del aire de combustión y relación aire - combustible 98 6.1.3.5 Temperatura del metal fundido a la salida del horno 98 6.1.3.6 Temperatura de la superficie exterior de las paredes del horno 98 6.1.3.7 Tamaño de los trozos del metal de carga y del combustible 98 6.1.4 Equipo de medición 99 6.1.5 . Procedimiento para realizar las mediciones 99 6.1.5.1 Previo a la operación de fundición. 99 6.1.5.2 Durante la operación de fundición. 100 6.1.5.3 Después de la operación 102
6.2 CARACTERIZACION DE LOS HORNOS 103 6.2.1. Hornos de cubilote 103 6.2.2 . Caracterización de los hornos de crisol 107 6.2.3 . Balance térmico y cálculo de eficiencia 109
10
6.2.3.1 Evaluación energética en la empresa A. 110 6.2.3.2 Cálculo de pérdidas de calor y eficiencia energética empresa A. 112 6.2.3.2.1 Pérdidas por humedad que entra al horno. 112 6.2.3.2.2 Pérdidas por combustión de hidrógeno presente en el combustible. 115 6.2.3.2.3 Pérdidas por fundición de caliza y transformación a escoria. 116 6.2.3.2.4 Pérdidas por carburación del hierro. 118 6.2.3.2.5 Pérdidas por transferencia de calor. 118 6.2.3.2.6 Pérdidas de calor en los gases de combustión. 129 6.2.3.2.7 Cálculo de la eficiencia de fusión del horno CA1. 135 6.2.3.3 Cálculo de pérdidas de calor y eficiencia energética. Empresa B 136 6.2.3.3.1 Evaluación energética Horno CB1 137 6.2.3.3.2 Evaluación energética Horno CB2 139 6.2.3.4 Cálculo de pérdidas de calor y eficiencia energética. Empresa C 142 6.2.3.5 Cálculo de pérdidas de calor y eficiencia energética. Empresa D 149 6.2.3.6 Cálculo de pérdidas de calor y eficiencia energética. Empresa E 153 6.2.3.7 Cálculo de pérdidas de calor y eficiencia energética. Empresa F. 156 6.2.4 Análisis de los resultados. 160 6.2.4.1 Graficas de los resultados de los hornos de cubilote. 160 6.2.4.2 Gráficas de los resultados hornos de crisol 169
7 COSTOS ENERGETICOS 176
7.1 COSTOS ENERGETICOS PARA LOS HORNOS DE CUBILOTE. 176
11
7.2 COSTOS ENERGETICOS PARA LOS HORNOS DE CRISOL. 179
7.3 MEDIO AMBIENTE Y USO DE COMBUSTIBLES ALTERNATIVOS 180 7.3.1 Íntercambiabilidad de combustibles. 182
8 SOFTWARE PARA CALCULAR EFICIENCIA ENERGETICA. 185
9 CONCLUSIONES 189
10 RECOMENDACIONES. 191
BIBLIOGRAFIA. 198
ANEXOS 201
12
LISTA DE TABLAS
Pág
Tabla 1. Análisis elemental de coque de Cundinamarca. 31
Tabla 2. Propiedades físico - químicas del aceite usado. 32
Tabla 3.Análisis elemental del aceite residual vehicular 32
Tabla 4. Constantes físicas de algunos metales y aleaciones. 75
Tabla 5. Hornos de cubilote dimensionamiento. 104
Tabla 6. Hornos de cubilote por material de revestimiento. 104
Tabla 7. Hornos de cubilote sistemas de operación. 105
Tabla 8. Hornos de cubilote metal de fundición y combustible usado. 105
Tabla 9. Hornos de cubilote. Técnicas de operación. 105
Tabla 10. Hornos de cubilote. Sistema de inyección de aire. 106
Tabla 11. Hornos de cubilote. Capacidad de producción. 106
Tabla 12. Hornos de Crisol. Dimensiones. 107
Tabla 13. Hornos de crisol. Tecnología para la operación. 107
Tabla 14. Tipo de crisol, metal de fundición y combustible usado. 108
Tabla 15. Hornos de crisol. Técnicas de operación. 108
Tabla 16. Hornos de crisol materiales de construcción. 108
Tabla 17. Hornos de crisol. Capacidad de fundición. 109
Tabla 18. Hornos de crisol. Número y tipo de quemadores. 109
Tabla 19 Dimensiones del horno CA1 110
Tabla 20. Datos del aire, horno CA1, 110
Tabla 21. Temperaturas durante la operación, horno CA1. 111
Tabla 22 Temperaturas de la superficie del la coraza 111
Tabla 23. Datos de flujos de carga a la entrada del horno CA1 112
Tabla 24. Resultados para la evaluación energética del horno CA1 136
Tabla 25 Dimensiones horno CB1. 137
13
Tabla 26. Datos temperaturas de operación horno CB1. 137
Tabla 27. Temperaturas de la coraza CB1 138
Tabla 28. Datos del aire de combustión, horno CB1 138
Tabla 29. Datos de flujo de carga a la entrada del horno CB1 138
Tabla 30.Resultados de la evaluación energética al horno CB1 139
Tabla 31.Dimensiones del horno. CB2 139
Tabla 32. Tabla de temperaturas de operación del horno CB2 140
Tabla 33. Temperatura de operación de la coraza del horno CB2 140
Tabla 34. Condiciones atmosféricas del horno CB2 140
Tabla 35. Flujo material de carga al interior del horno CB2 141
Tabla 36. Magnitud de las pérdidas y eficiencia de fusión horno CB2. 141
Tabla 37. Dimensiones del horno CC1 142
Tabla 38. Temperaturas de operación del horno CC1. 142
Tabla 39. Temperaturas de operación horno CC1. 143
Tabla 40. Condiciones atmosféricas del horno CC1. 143
Tabla 41. Flujo material de carga al interior del horno CC1. 143
Tabla 42.magnitud de las pérdidas y eficiencia de fusión horno CC1. 144
Tabla 43. Dimensiones de operación del horno CRC1 147
Tabla 44. Temperaturas de operación del horno CRC1 147
Tabla 45. Temperaturas de operación de las superficies del horno CRC1 147
Tabla 46 condiciones atmosféricas de operación del horno CRC1 148
Tabla 47. Flujo material al interior del horno CRC1 148
Tabla 48. Magnitud de las perdías y eficiencia horno CRC1 148
Tabla 49. Dimensiones del horno CD1 149
Tabla 50.Temperaturas de operación del horno CD1 149
Tabla 51. Temperaturas de operación de la coraza del horno CD1 150
Tabla 52. Condiciones atmosféricas de operación horno CD1. 150
Tabla 53. Flujo material de carga al interior del horno CD1. 150
Tabla 54. Magnitud de las pérdidas y eficiencia de fusión horno CD1 151
14
Tabla 55. Dimensiones del horno CRD1. 151
Tabla 56. Temperaturas de operación del horno CRD1 152
Tabla 57. Temperaturas de operación de las superficies del horno CRD1 152
Tabla 58. Condiciones atmosféricas de operación del horno CRD1 152
Tabla 59. Flujo de material al interior del horno CRD1 153
Tabla 60.Magnitud de las pérdidas y eficiencia del horno CRD1. 153
Tabla 61. Dimensiones del horno CRE1 154
Tabla 62. Temperaturas de operación del horno CRE1 154
Tabla 63. Temperatura de operación de las superficies del horno CRE1 154
Tabla 64. Condiciones atmosféricas de operación del horno CRE1 155
Tabla 65. Flujo de materiales al interior del horno CRE1 155
Tabla 66. Magnitud de las pérdidas y eficiencia del horno CRE1. 155
Tabla 67. Dimensiones del horno CRF1 156
Tabla 68. Temperaturas de operación del horno CRF1 156
Tabla 69. Temperatura de operación de las superficies del horno CRF1 157
Tabla 70. Condiciones atmosféricas de operación del horno CFR1 157
Tabla 71. Magnitud de las pérdidas y eficiencia de fundición del horno CRF1. 157
Tabla 72.dimensiones del horno CFR2 158
Tabla 73.Temperaturas de operación del horno CRF2 158
Tabla 74.Temperaturas de operación de las superficies del horno. 158
Tabla 75. Condiciones atmosféricas de operación del horno CFR2 159
Tabla 76. Flujo d e materiales al interior del horno CRF2 159
Tabla 77. Magnitud de las pérdidas y eficiencia de fusión. 159
Tabla 78 tabla producción real de los hornos 168
Tabla 79. Consumo de energía eléctrica de los cubilotes 178
Tabla 80. Consumo de energía eléctrica crisoles. 180
Tabla 81. Equivalentes energéticos 183
Tabla 82. Tabla horno operado con diferentes % de oxígeno. 195
15
LISTA DE FIGURAS
Pág
Figura. 1 Horno de crisol de foso. 22
Figura. 2. Horno de crisol basculante 23
Figura. 3 el horno de crisol y sus partes 24
Figura. 4. Vista esquemática del horno de cubilote 27
Figura. 5. Representación de la combustión en el horno de cubilote 46
Figura. 6. Diagrama de las condiciones de la cama de combustible del cubilote 50
Figura. 7 Diagrama reticular de Jungbluth 56
Figura. 8 .Variación de la velocidad en la cámara refractaria del quemador. 60
Figura. 9. Ruptura de una capa liquida en gotas 61
Figura. 10. Transferencia de calor a través de una pared. 63
Figura. 11. Transferencia de calor por de conveccion entre un sólido y un fluido. 64
Figura. 12. Transferencia de calor en el interior del horno debido a la radiación. 67
Figura. 13. Resistencia de la cama por espacioes libres 71
Figura. 14. Resistencia de la cama debida al tamaño del combustible solidó. 71
Figura. 15. Transferencia de calor en el horno de crisol. 72
Figura. 16 Diagrama de calor necesario para fundir un metal. 74
Figura. 17. Pérdidas de calor en el horno. 76
Figura. 18. Representación gráfica de las paredes de los hornos 85
Figura. 19 Pérdidas de calor en Kw. Horno CA1. 160
Figura. 20 Porcentaje de participación de las pérdidas. Horno CA1 160
Figura. 21 Porcentaje del calor suministrado. CA1 161
Figura. 22 Pérdidas de calor en Kw. Horno CB1 161
Figura. 23 Porcentaje de las pérdidas. Horno CB1 161
Figura. 24 Porcentaje del calor suministrado. CB1 162
16
Figura. 25 Pérdidas de calor en Kw. Horno CB2 162
Figura. 26. Porcentaje de las pérdidas. Horno CB2. 162
Figura. 27. Porcentaje del calor suministrado. Horno CB2. 163
Figura. 28. Pérdidas de calor en Kw. Horno CC1 163
Figura. 29. Porcentaje de las pérdidas. Horno CC1 163
Figura. 30 Porcentaje del calor suministrado. Horno CC1. 164
Figura. 31 Pérdidas de calor en Kw. Horno CD1. 164
Figura. 32 Porcentaje de las pérdidas. Hormo CD1 164
Figura. 33 Porcentaje del calor suministrado. Horno CD1 165
Figura. 34. Pérdidas de calor del horno CRC1 169
Figura. 35. Porcentaje de las pérdidas. Horno CRC1 169
Figura. 36. Porcentaje del calor suministrado. Horno CRC1 170
Figura. 37. Pérdida de calor. Horno CRD1 170
Figura. 38. Porcentaje de las pérdidas. Honro CRD1 170
Figura. 39. Porcentaje del calor suministrado. Horno CRD1 171
Figura. 40. Pérdidas de calor. Horno CRE1 171
Figura. 41. Porcentaje de las pérdidas. Honor CRE1 171
Figura. 42. Porcentaje del calor suministrado. Horno CRE1. 172
Figura. 43. Pérdidas de calor. Horno CFR1. 172
Figura. 44. Porcentaje de las pérdidas de calor. Horno CFR1 172
Figura. 45. Porcentaje del calor suministrado. Horno CFR1 173
Figura. 46. Pérdidas de calor. Horno CFR2. 173
Figura. 47. Porcentaje de las pérdidas de calor. Horno CFR2 173
Figura. 48. Porcentaje del calor suministrado. Horno CFR2 174
Figura. 49. Menú de selección del tipo de horno y metal de fundición. 186
Figura. 50. Menú de entrada de datos del software 187
Figura. 51. Menú de datos de los gases de escape. 187
Figura. 52. Formulario de resultados del software. 188
Figura. 53. Porcentaje de aire adecuado para los hornos 191
17
Figura. 54. Intercambiador de calor de coraza y tubos 192
Figura. 55. Cubilote con dos hileras de toberas. 193
Figura. 56. Enriquecimiento de oxígeno en el cubilote. 194
Figura. 57. Diagrama de Jungbluth de un horno con oxígeno 195
18
LISTA DE ANEXOS
Pág
Anexo 1. Encuesta para las empresas. 200
Anexo 2. La hoja de datos de operación. 207
Anexo 3. Tabla de propiedades térmicas de algunos materiales 211
Anexo 4. Propiedades termodinámicas de los aceros 212
Anexo 5. Propiedades termodinámicas del aire. 213
Anexo 6. Propiedades termodinámicas del agua saturada 214
Anexo 7. Calores específicos medios usuales para los hornos de cubilote 215
Anexo 8. Características del gas natural según el yacimiento de origen 216
Anexo 9. Tabla de emisividad para algunos metales 217
Anexo 10.Tabla de clasificación para el carbón. 218
Anexo 11. Datos de capacidad térmica especifica de gas ideal selectos. 219
Anexo 12 Propiedades térmicas de los metales 220
Anexo 13. Instrucciones generales carga de cubilotes 221
Anexo 14. Diagrama de las temperaturas en los hornos de cubilote. 222
Anexo 15. Tabla. Valores para la función Z distribución estándar acumulada 223
Anexo 16. ficha tecnica motores de inducción Siemens. 224
Anexo 17. Ficha técnica de motores de inducción WEG 225
Anexo 18. Fotografías de los hornos de cubilote. 226
Anexo 19. Fotografías de los hornos de Crisol 229
19
GLOSARIO
AIRE FRIÓ: en los hornos de cubilote el aire frió representa el aire que es
introducido al interior sin ser precalentado.
ANÁLISIS ELEMENTAL O ANÁLISIS ÚLTIMO: descripción porcentual de los
elementos que componen un combustible.
BACHE: significa que la producción de un horno es parada por un momento
mientras se hace algún procedimiento de fundición. O se espera que el metal
llegue a la temperatura de fundición.
EXOTÉRMICAS: reacciones que liberan calor
JUNGBLUTH GEORGE: científico alemán que se especializo en el desarrollo
de técnicas para mejorar el rendimiento de los hornos de cubilote.
PEDACERIA: trozos de chatarra.
PELETS: trozos de hierro fundido sin moldearse, que ha quedado después de
las jornadas de fundición
SAE: clasificación de viscosidad para los lubricantes automotrices, de la
sociedad americana de ingenieros de sus siglas en ingles.
VENA DE GAS: es el fluido de gases de combustión, que se abre paso entre
los trozos de metal y coque en su camino hacia las zonas superiores del horno.
20
RESUMEN
Este estudio caracteriza deficiencias energéticas en hornos de crisol y cubilote,
usados en las pequeñas empresas de fundición de Cali, y busca plantear
soluciones aplicables para su optimización desde el punto de vista energético.
La metodología a seguir inicia con la elaboración de una encuesta cuya finalidad
es caracterizar los hornos, está será realiza entre una muestra de empresas
contactadas previamente, se continúa con visitas técnicas, para realizar
mediciones y análisis de los procesos de fundición y finalmente se realiza un
análisis de los datos arrojados por la evaluación energética, con los cuales se
llega a unas conclusiones y se plantean posibles soluciones basadas en los
resultados de esta investigación y con métodos sugeridos y aplicados por otras
empresas y asociaciones de profesionales metalúrgicos internacionales.
De esta manera se obtiene datos, para hacer una caracterización de los hornos
que fueron evaluados. Como resultado se obtuvo una caracterización
documentada de los hornos operados por las pymes metalúrgicas de la ciudad de
Cali. En donde indica: tamaño de los hornos, capacidad de producción, el
combustible usado como energético, el grado de modernización de los hornos, el
metal que es fundido, el método de fundición y el tipo de horno, así mismo, la
validación de la metodología, cálculo de su eficiencia, la identificación de áreas
criticas donde se puedan obtener los mayores ahorros y costos de producción con
base al combustible usado.
21
INTRODUCCIÓN Las pequeñas empresas metalúrgicas, deben afrontar la competencia, no solo con
empresas grandes, sino también con la entrada de productos del exterior, como
consecuencias de la apertura de mercados por tratados como el ALCA y TLC.
Uno de los principales factores que inciden negativamente en los costos de
producción es el ineficiente uso de la energía1, esto fue revelado en el informe
realizado por la unidad de plantación minero energética (UPME), en este también
se hace énfasis en las posibilidades de mejorar el desempeño de los hornos. Por
lo tanto, se deben identificar las principales causas que influyen en el bajo
rendimiento de los hornos y corregirlas si es posible. En este sentido se ha
planteado este proyecto, a partir de la investigación realizada por el GIEN (grupo
de investigación en eficiencia energética) de la universidad autónoma.
Los hornos de estas empresas, funcionan con combustibles como el aceite
residual de vehículos ARV y el carbón mineral (coque), que provocan
contaminación ambiental.
1 Determinación de la eficiencia energética del subsector industrial de hierro acero y metales no ferrosos [en linea]. Santa fe
de Bogota: upme 2001. [consultado 05 de Noviembre, 2005]. Disponible por Internet:: http://www.upme.gov.co
22
1 DESCRIPCIÓN DE HORNOS DE CRISOL Y CUBILOTE O CÚPULA
1.1 HORNO DE AIRE O CRISOL
Es el horno más antiguo que existe empleado en la fundición de metales, también
se le conoce como horno de aire. Este equipo se integra por un crisol de arcilla y
grafito, los que son extremadamente frágiles, los crisoles se colocan dentro de un
confinamiento que puede contener algún combustible sólido como carbón o los
productos de la combustión, al igual que combustibles líquidos o gases.
Los crisoles son poco utilizados en los países desarrollados, excepto por
pequeñas empresas, su capacidad fluctúa entre los 50 y 100 kg. Actualmente en
la ciudad de Cali son muy usados en la pequeña y mediana industria para fundir
aluminio y bronce.
Figura. 1 Horno de crisol de foso.
Fuente: CAPELLO, Eduardo. Tecnología de la fundición. Barcelona: Gustavo Gili,
1974. p. 48
23
Los hornos de crisol según su construcción se pueden clasificar en Hornos de
crisol de foso Fig. 1. Los cuales son los mas fácil de construir ya que no se
requiere una estructura metálica que contenga al crisol y el equipo de soplado. Los
de base fija que son más elaborados tienen estructura metálica que sostiene la
cámara de combustión y el crisol, este es el tipo de horno más común en las
metalúrgicas de la ciudad de Cali. Y están los basculantes que tienen una
pequeña modificación con respecto a los de base fija, pues el horno es abatible en
un pivote el cual permite que este gire para desalojar de una manera más sencilla
y efectiva el metal fundido fig. 2.
Figura. 2. Horno de crisol basculante
Fuente: CAPELLO, Eduardo. Tecnología de la fundición. Barcelona: Gustavo Gili,
1974. p. 48
El horno de crisol esta constituido por una cámara de combustión en cuyo interior
sucede toda la operación de combustión.
El metal se encuentra en el interior del crisol, el cual ha sido precalentado para no
sufrir fracturas durante la operación plena del horno; el crisol es elevado de
temperatura hasta alcanzar la temperatura de fusión del metal. Las paredes de la
24
cámara de combustión están generalmente hechas de un refractario como piedra
caliza, este evita que el calor generado en el interior y los alrededores del crisol
escape al aire ambiente. La tapa del cubilote cumple la misma función que las
paredes pero esta es móvil para facilitar el vaciado del metal que se encuentra en
el crisol. De las pymes metalúrgicas evaluadas, solo dos hicieron uso de la tapa
durante el proceso, los demás lo hacen con el horno abierto al ambiente.
El quemador es el sistema que me permite combinar el combustible con el
oxígeno del aire y producir la llama que finalmente es la que transmitirá calor al
crisol y este a su vez al metal contenido en el. Hay diferentes tipos de quemadores
que varían dependiendo del combustible que se vaya utilizar, puede ser líquido, un
gas o incluso hay quemadores que pueden quemar los dos tipos de combustibles.
El tanque de combustible solo cumple la función de almacenar el combustible y
debe estar en buen estado de lo contrario se corre el riesgo de fugas que
provocarían posibles conflagraciones. Una particularidad del horno de crisol es
que no tiene chimenea, generalmente se usa un agujero en la tapa para permitir la
fuga de los gases de la combustión la cual lo hace muy deficiente.
Figura. 3 el horno de crisol y sus partes
Fuente: CAPELLO, Eduardo. Tecnología de la fundición. Barcelona: Gustavo Gili,
1974. p. 49
25
1.2 HORNO DE CUBILOTE O CÚPULA
Los hornos de cubilote son equipos muy económicos y de poco mantenimiento, se
utilizan para hacer fundición de hierros colados. Consisten en un tubo de más de 4
metros de longitud las paredes están recubiertas de material refractario y este a su
vez esta asegurado por un coraza de acero que lo en vuelve (fig. 4). Pueden tener
entre 0.6 a 1.4 m de diámetro, se cargan por la parte superior con camas de
chatarra de hierro, coque y piedra caliza. Para la combustión del coque se inyecta
aire con unos ventiladores de alta presión, este accede al interior por unas toberas
ubicadas en la parte inferior del horno.
Estos hornos se pueden cargar con pelets de mineral de hierro o pedacearía de
arrabio sólido.
Los hornos de cubilote pueden producir colados (metal fundido) de hasta 20
toneladas cada tres horas. El mayor problema de estos hornos es que sus equipos
para el control de emisiones contaminantes es más costoso que el propio horno,
por ello no se controlan sus emisiones de polvo, este hecho hace que en algunos
países no se autorice su operación.
Son relativamente fáciles de operar; la operación consiste en colocar en
proporciones correspondientes el combustible (coque) y la carga (chatarra y
fundentes) en capas alternas de coque y material de carga, repartidos a lo largo
del horno, desde la cámara de fundición hasta la puerta de carga. Fig.4. a medida
que el coque se consume y el metal se funde las cargas de combustible y metal
van descendiendo y entonces se depositan nuevas cargas en el interior del
cubilote hasta terminar la jornada de fundición. El aire de combustión es
suministrado por un ventilador de alto caudal (alto flujo de aire en un tiempo
definido), esta reacción produce una llama y esta lleva el calor generado por el
26
carbón y el aire, hacia el metal que se encuentra justo encima de la cama de
coque.
Los hornos de cubilote tienen una gran cantidad de variaciones y adaptaciones
pero en esencia funcionan de la misma forma y la única diferencia notable es la
composición química del refractario con el que están construidos, por lo cual los
podemos clasificar en Cubilotes básicos y ácidos, esta diferencia reside en la
composición del material refractario usado en su construcción, los hornos básicos
tienen un revestimiento de ladrillo refractario de dolomita y los ácidos tienen un
revestimiento de ladrillo refractario de sílice. El tipo de revestimiento depende del
tipo de hierro se desea obtener del horno, una vez que se halla pasado por el
proceso de fundición.
El horno de cubilote básico se usan en procesos en los que se exige un hierro de
bajo contenido de azufre y alto contenido de carbono, la operación de este tipo de
hornos es mas compleja debido a la cantidad de reacciones químicas que ocurren
en el interior de este.
De acuerdo con lo anterior los procesos que no tienen estas restricciones de
calidad son llevados a cabo con los hornos de cubilote ácidos ya que su operación
no es tan compleja además los costos de construcción de este tipo de hornos es
mucho mas económica.
Hasta la fecha de esta investigación en la ciudad de Cali, no se encuentra en
operación ningún horno de cubilote básico.
27
Figura. 4. Vista esquemática del horno de cubilote
Fuente: QUIROGA CORREA, Álvaro. Manual de operación del horno de cubilote.
Bucaramanga: Universidad Industrial de Santander, 1984. p. 85
28
2 COMBUSTIBLES
Sustancias, ricas en C (carbono) y en H (hidrógeno), que al oxidarse
violentamente en una reacción química con un agente oxidante (por lo general
oxígeno del aire), liberan energía en forma de calor. Las propiedades térmicas que
son muy útiles al momento de seleccionarlos son:
� Calor de combustión: Cantidad de calor que se desprende cuando un mol
de un combustible se quema a temperatura y presión constante.
� Poder calorífico
Es la cantidad de calor desprendido por un combustible al momento de oxidarse
violentamente en presencia del aire o de oxígeno. El poder calorífico ha sido
caracterizado de dos maneras. Según sea el estado en el que se encuentra el
agua presente en el combustible.
Poder calorífico superior (HHV). Es el calor desprendido en la combustión
completa, a presión constante y temperatura de 25° C. el agua presente en estado
líquido en el combustible aparece en los productos de la combustión condensada.
( ) ( ) ( ) ( )lOH2g2COHUMEDAD3OgH2sC2 2222 +⇒+++ 1
Poder calorífico inferior (IHV). Es el calor desprendido en la combustión completa,
a presión constante y temperatura de 25° C. el agua se encuentra en forma de
vapor después de la combustión.
29
( ) ( ) ( ) ( )gO2Hg2COHUMEDAD3Og2Hs2C 2222 +⇒+++ 2
Los porcentajes de Carbono, hidrógeno y oxígeno presentes en los combustibles
sólidos y líquidos, se establece a partir del análisis elemental.
� Viscosidad
Propiedad de los fluidos debida al frotamiento de sus moléculas o resistencia que
experimenta al movimiento. En los combustibles líquidos es importante conocer
esta propiedad por que es parte de los parámetros de selección de los equipos de
soplado e inyección de combustible.
2.1 COMBUSTIBLES SÓLIDOS
El carbón (con sus diferentes variantes), la leña (biomasa) y los residuos sólidos,
son los representantes típicos de los combustibles sólidos.
Aunque el carbón desempeñó en su día un papel primordial entre todos los
combustibles, hoy en día ha sido desplazado por los combustibles líquidos y
gaseosos. Sin embargo, las reservas de carbón siguen siendo las mas
importantes de todos los combustibles.
El carbono consta principalmente de carbono, hidrógeno y oxígeno en cantidades
variables y nitrógeno en proporciones aproximadamente constantes entre 1.3 y 1.5
%, su clasificación se hace con base al análisis elemental o análisis ultimo.
En la actualidad existen tres clasificaciones con amplia aplicación, basadas en el
análisis inmediato del carbón. La ASTM que establece su clasificación por el poder
30
calorífico del combustible y la presencia de cenizas en este. La FRB que cuya
clasificación esta basada en el contenido de material volátil, expresado sobre la
base de materia seca y exenta de materia mineral, y en el poder coquizarte del
material limpio y la clasificación Seyler es la mas completa por que tiene en cuenta
la composición elemental del combustible (carbono e hidrógeno), material volátil,
poder calorífico, índice de hinchamiento y potencia calorífica total.
El combustible sólido mas usado en los hornos de cubilote en la ciudad de Cali es
el coque, que se extrae de la zona de Cundinamarca. También es usado en
algunos hornos de crisol.
El análisis ultimo realizado por el ministerio de minas esta descrito en la tabla No
1. La composición de este coque es muy buena ya que tiene un alto porcentaje de
carbono fijo y el porcentaje de cenizas no supera el 10 %. Lo cual proporciona un
alto poder calorífico por unidad de masa de coque.
31
Tabla 1. Análisis elemental de coque de Cundinamarca.
Compuesto %
Carbono 76.35
Hidrógeno 4.84
Azufre 0.81
Humedad 1.97
Nitrógeno 1.63
Oxígeno 4.59
Cenizas 9.81
Temperatura de ignición 700ºC
Poder calorífico 25550KJ /Kg.
Fuente: DUQUE CEDEÑO, Carlos Fernando. Diseño de un sistema de control de
emisiones y acondicionamiento del aire en un horno de cubilote. Cali, 2003. p. 32.
tesis de grado (Ingeniero Mecánico). Universidad del Valle. Facultad de Ingeniería.
2.2 COMBUSTIBLES LÍQUIDOS
El combustible usado en las pymes donde se evaluaron los hornos de crisol, es el
aceite residual de vehículos.
Las propiedades de los aceites usados dependen primordialmente de las bases
lubricantes de las cuales se derivan, de los aditivos adicionados para mejorar la
viscosidad, el poder detergente y la resistencia a altas temperaturas.
Por su elevada capacidad calorífica y otras propiedades físico químicas tabla 3; el
aceite usado se constituye en uno de los residuos con mayor potencial para ser
empleado como combustible para la industria.
32
Es el combustible líquido que presenta mayor cantidad de emisiones toxicas, su
uso esta restringido por la C.V.C y el Dagma pero no hay control sobre su uso.
Tabla 2. Propiedades físico - químicas del aceite usado.
Propiedades Aceite automotor usado Aceite industrial usado
Densidad a 15,6º 0,8692 - 0,9396 g/cm3 0,8972-0.9002 g/cm3
Viscosidad a 40º 21,3 - 26,3 CST 31,4-72,5 CST
Poder calorífico 7.539-10.720 Kcal./Kg. 9.584-9.995 Kcal./Kg.
Punto de inflamación 78 - 220 º C 157-179 º C
Agua % Vol. 0,2 - 33,8 0,1-4,6
Fuente: "La recuperación de los aceites usados de automóvil" [en línea].
Comunicación presentada al Foro de Ingenieros Superiores de Andalucía. Sevilla,
13 de noviembre de 2003. [consultado 04 de marzo, 2005]. Disponible en Internet:
http://cema.iies.es/Cursos/Aceites.htm
Tabla 3.Análisis elemental del aceite residual vehicular
Compuesto %
Carbono 85.03
Hidrógeno 11.28
Azufre 2.81
Humedad 0.58
Nitrógeno 0.30
Oxígeno 0.10
Poder calorífico 44750 KJ / Kg.
Fuente: ENTREVISTA con Jhon Erick Mellizo, Laboratorista de química de la
universidad del Valle. Cali, 10 de Mayo de 2005.
33
3 COMBUSTIÓN
Reacción química de tipo exotérmica, entre un combustible y un comburente
(oxígeno que es obtenido del aire), en la cual se forman gases y cenizas.
Los mecanismos de reacción son realmente complejos, además de los productos
completamente oxidados; también existen residuos de otros componentes
indeseados (contaminantes atmosféricos).
Cuando la reacción de combustión es completa a partir del carbono e hidrógeno
contenidos en los derivados del petróleo se obtiene como productos dióxido de
carbono CO2 y agua H2O. Por el contrario si la combustión es incompleta
adicionalmente tiene lugar la formación de monóxido de carbono CO.
La combustión puede dar lugar a la formación de otros productos de emisión como
los óxidos de nitrógeno, sílice y azufre, dependiendo de la composición del
combustible que se este usando.
3.1 REACCIONES DE COMBUSTIÓN Y ESTEQUIOMETRIA.
La relación que existe entre la masa de combustible que entra al horno y el
caudal de aire usado para su combustión es de suma importancia para la correcta
operación de fundición en el interior del horno. Si esta relación es adecuada los
costos de producción y temperatura del metal son los que se requieren, si esto no
es así se presentaran problemas durante la operación de fusión que terminaran
afectando el desempeño del horno y se obtendrán piezas metálicas de mala
calidad.
34
Es por eso importante calcular la cantidad de aire necesaria para obtener la
máxima combustión posible del combustible.
3.2 OXÍGENO NECESARIO.
La reacción de combustión de un hidrocarburo de formula CnHm se escribe:
2mn .O4m
nHC
++ = OH2m
COn 22 + 3
Donde:
n: número de átomos de carbono en la molécula del hidrocarburo
m: número de átomos de hidrógeno en la molécula del hidrocarburo
Lo anterior describe de forma general, la estequiometria para calcular la cantidad
de oxígeno requerida para que un Kmol de CnHm, reaccione con (n+ m/4) Kmoles
de O2, para producir n Kmoles de CO2 y m/2 Kmoles de H2O.
En los casos de que todas las especies químicas sean gases, la lectura anterior
puede repetirse exactamente sustituyendo las palabras Kmol por m3.
Como la masa molar del hidrocarburo vale (12.n + m) Kg., la del oxígeno 32 Kg, la
del dióxido de carbono 44 y la del agua 18, puede también hacerse la siguiente
lectura2:
2. MÁRQUEZ MARTÍNEZ, Manuel. Combustión y quemadores. Barcelona: Marcombo, 1989. p. 25
35
( ).Kg
m12n
m4n8.
++
de O2 4
Y produce:
Kgm12.n
44.n
+ de CO2 y Kg
m12n
9.m
+ de H2O. 5
La reacción de combustión anterior, permite así obtener la cantidad de oxígeno
estrictamente necesaria para la combustión de la unidad de combustible, y por eso
se designa como oxígeno mínimo (Omin). Si este viene aportado por el aire, se
designa como aire mínimo (Amin) la cantidad de aire seco que lo contiene. Como la
proporción de oxígeno en el aire es del 21% en volumen. El volumen de aire
mínimo se obtiene multiplicando el volumen del oxígeno mínimo por 4,76.
Amin = 4,76.Omin 6
3.2.1 . Exceso de aire. La combustión en la práctica, no se realiza con el aire
mínimo, para garantizar una óptima combustión se inyecta aire en exceso. La
cantidad de aire utilizado se expresa en función del aire mínimo mediante un
coeficiente α llamado porcentaje de exceso de aire, tal que:
Aire utilizado = α. (Amin) 7
Donde:
α : Porcentaje de exceso de aire.
Amin: Aire mínimo a usar para la combustión.
36
El aire en exceso es por tanto:
exceso
min
A
A1−=α 8
Amin = 3n
3n2min mm4,76.O 9
En el caso de combustibles sólidos y líquidos, en los que suele partirse de su
composición elemental, si las fracciones pondérales de los distintos componentes
se representan por C, H, O y S la cantidad de oxígeno mínimo en m3(n) por
kilogramo de combustible viene dada por:
Omin = OSH8C1232 −++ 10
En las combustiones estequiometricas completas, los productos de la combustión,
son los de reacciones completamente oxidadas (CO2, H2O, SO2, etc.) y los inertes
(N2).
La masa de los gases de combustión se calcula así:
NOHA10079
S2H9C1244
m 2minHUMOS +++++= 11
La masa de los gases con exceso de aire se calcula con la siguiente ecuación:
37
α+= HUMOSHUMOSEXHUMOS mmm 12
Donde:
EXHUMOSm : Masa de humos teórica con exceso de aire.
3.2.2 . Atmósferas oxidantes y reductoras. Las atmósferas en el interior de un
horno se pueden clasificar según como se comporten los gases productos de la
combustión, si en ellos existe un porcentaje alto de O2 la atmósfera se llama
oxidante; si además, existen CO y H2 en proporciones tales que H2+CO < O2 se
llama atmósfera semioxidante; por el contrario la suma es H2+CO > O2 entonces
es una atmósfera semi-reductora y si se trabaja con defecto del aire, no exista el
oxígeno sino solo CO y H2 y consecuentemente inquemados la atmósfera se
llamara reductora.
Estos datos son muy importantes, porque permiten analizar como esta
funcionando el horno, si el equipo está quemando adecuadamente el combustible
o si hay problemas de cálculos estequiométricos.
Para esta investigación no se encontró el equipo adecuado para realizar la toma
de datos de emisiones de los hornos, debido a que las temperaturas de los humos
a la salida de los hornos, eran mayores que los rangos permitidos por el equipo
analizador de gases de la universidad autónoma. Con el propósito subsanar esto,
se solicitó colaboración y asesoria para la medición de emisiones de hornos de
fundición, a los ingenieros del Dagma y la de la CVC pero no tenían ni la
metodología ni los equipos para hacer las mediciones, también se acudió a la
empresa privada, pero al igual que las anteriores, no pudieron colaborar en esta
38
investigación. Además, de haber hallado el equipo adecuado para esta
inspección, no se habría podido utilizar en la mayoría de los hornos por que estos
no poseen chimenea ni las dimensiones adecuadas para permitir el uso de estos
dispositivos en estos hornos.
3.2.3 . Poder calorífico del aire. La cantidad de calor desarrollada depende del
combustible que se use para la reacción; pero el aire bajo ciertas características
también puede aportar calor.El poder calorífico del aire se ha calculado por el
orden de los 2,93 MJ/Kg. ≈ 3 MJ/Kg.
Se puede considerar que aproximadamente los productos de la combustión
difieren poco del aire en cuanto a sus propiedades con lo que se puede considerar
que el aumento de entalpía del aire por efecto de la combustión es la misma
variación entalpica de los gases de combustión. De hecho para trabajar con un
exceso de aire, el aumento de entalpía es aproximadamente4:
kgMJ
α
3∆H = 13
El valor del numerador corresponde al valor aproximado que se ha calculado del
poder calorífico del aire.
El calor que aporta el aire a la combustión se incrementa a medida que se
aumenta la temperatura de este a la entrada de la cámara de combustión.
3 Ibid., p. 25 4.Ibid., p. 27.
39
3.2.4 . Aire húmedo. Básicamente el aire se compone de Nitrógeno y Oxígeno que
en total vienen a ser el 99% del total. El 1% restante se compones de gases
inertes.
En base molar o volumétrica las proporciones son:
O2 = 21%
N2 = 79%
La masa molar del aire es de 28,9 Kg. /Kmol , y su masa volumétrica, a 0 °C y
presión atmosférica es ρ0 = 1.293 Kg./m3 . El aire atmosférico, sin embargo
incorpora a los dos componentes citados anteriormente, cantidades variables de
humedad (H2O) que se debe tener en cuenta en la eficiencia de energía5.
El contenido de humedad en el aire por lo general se expresa referido a base
seca, definiendo esta humedad como humedad absoluta, que es los Kg de H2O
por cada Kg. de aire seco, valor que se simboliza por x.
El contenido de humedad en el aire, varía con una presión p y una temperatura T.
Para calcular la cantidad de vapor de agua que esta entrando en la combustión es
necesario conocer la humedad relativa.
3.2.4.1.1 . Humedad relativa. Se define como el cociente de la presión parcial del
vapor entre la presión de saturación a la misma temperatura de una mezcla6.
El porcentaje en masa del vapor de agua, por cada metro cúbico de aire
atmosférico será variable a diferentes temperaturas y presiones.
5 Ibid., p. 29 6 WARK, Kenneth. Termodinámica. México: McGraw-Hill, 1991. p. 272
40
ϕ = g
v
p
p 14
Donde:
ϕ : Humedad relativa.
vp : Presión real del vapor.
gp : Presión de saturación a la misma temperatura
Entonces la relación de humedad es:
ω = .0.622.pp
.p
v
v
ϕ−ϕ
Kg. H2O / Kg. aire. 15
Donde
ω : relación de humedad Kg. H2O / Kg. Aire.
P: presión atmosférica.
Volumen específico de la mezcla por Kg. de aire seco se halla con la siguiente
ecuación.
secoKg.airem
PP
TR
P
TR
airesecoν
3
v
a
a
a
−== 16
41
Donde:
Vaireseco: Volumen del aire seco
Ra: constante del aire.
Masa de humedad presente en el aire de combustión. Esta se obtiene
simplemente de multiplicar el flujo volumétrico que entra al horno por el volumen
específico y por la relación de humedad.
AIRESECOH2OAire
0
ωmm = 17
Esta ecuación permite encontrar la humedad absoluta en función de la relativa, y
viceversa, si se conoce la presión total (p) y la temperatura (mediante la cual se
determina pv) y la masa de aire que entra al horno.
3.3 COMBUSTIÓN EN EL HORNO DE CUBILOTE
La combustión en el cubilote, presenta algunas variaciones con respecto a la
combustión normal, entre un combustible y un comburente, ya que estos en el
interior del cubilote tienen contacto directo con los metales que se desean fundir,
también con los fundentes y con el refractario de las paredes del horno, lo que
provoca reacciones químicas endotérmicas y exotérmicas las cuales deben
estudiarse con cuidado, ya que de estos cambios depende una buena combustión
y un producto fundido de buena calidad, con un mínimo de inversión en tiempo y
combustible.
42
El principal objetivo en la operación del cubilote es producir hierro de la
composición y temperatura deseadas aun régimen definido y de la manera más
económica7.
La calidad del producto fundido depende tanto de la composición química del
metal de carga, la atmósfera gaseosa en contacto con el hierro fundido en el
cubilote ya sea (oxidante o reductora). Las características del metal son
igualmente importantes así como la forma física de la cama y de las cargas,
velocidad y humedad del aire8.
En las operaciones de fundición en las empresas que se evaluaron en esta
investigación, se pudo observar que la clasificación de los metales, para lograr las
composiciones deseadas del metal fundido, es un proceso claramente conocido
por los operarios y las personas a cargo de la operación de los hornos. En la
mayoría de las empresas hacen la clasificación en lugares de la empresa muy
cercanos a los hornos, pues cuentan con áreas de trabajo relativamente pequeñas
para la magnitud de sus labores.
3.3.1 . Reacciones químicas. Las tres reacciones principales que ocurren en el
interior del cubilote, dependen totalmente del carbón aportado por el coque, al
momento de reaccionar con las diferentes moléculas de comburentes que entran
al horno o se desarrollan en el interior de este.
7 AMERICAN FOUNDRYMEN’S SOCIETY. El horno de cubilote y su operación. 4 ed. México: C.E.C.S.A, 1983. p. 665.
8 Ibid., p. 667
43
Reacción 1
2(Gas)2(Gas)(coque) COOC ⇔+
Desprendimiento de calor a Kg.molKcal0 97000C25 +=
id a Kg.molKcal0 97600C1600 +=
Reacción 2
(Gas)2(Gas)(coque) 2COCOC ⇔+
Desprendimiento de calor a Kg.molKcal0 40500C25 −=
id a Kg.molKcal0 38.700C1.225 −=
Reacción 3
2(gas)(gas)gas2(coque) HCOOHC +⇔+
Desprendimiento de calor a Kg.molKcal0 30700C25 +=
id a /kg.mol32.100KcalC1.2250 =
La reacción 1, es la principal puesto que es la generadora de calor para todo el
proceso. La reacción es en esencia completa en el sentido hacia la derecha según
como esta escrita, el régimen de la reacción es muy rápido a las temperaturas que
44
existen en el cubilote y solo es controlado por el régimen de transferencia de masa
del oxígeno presente en el aire de soplado a la superficie del combustible9.
Las reacciones 2 y 3 son las que extraen calor del cubilote. La reacción 2 al igual
que la 1 es esencialmente completa pero esta, es controlada por la temperatura, si
esta es baja es probable que esta reacción se invierta y ocurra deposición de
carbono. La reacción 3 es igualmente importante que las dos anteriores y depende
de la cantidad de vapor de agua que entra al cubilote por medio del aire de
soplado10.
3.3.2 . Índice de combustión n. Este índice indica la composición simplificada de
los gases de combustión, según las reacciones 1, 2, 3. Indican las cantidades de
CO2 y CO, que van en los humos11.
COCOCO
n2
2
+= 18
Donde
:n Índice de combustión.
:2CO Porcentaje de bióxido de carbono en los humos en la chimenea.
:CO Porcentaje de monóxido de carbono en los humos de la chimenea.
9 Ibid., p. 678
10 Ibid., p . 679 - 680.
11 BAQUERO, Alonso Arnaldo. Diseño, operación y control del cubilote. Bucaramanga: UIS, 2000. p. 8-9
45
Esta información sirve para conocer cuales son las condiciones de funcionamiento
de la fusión.
El índice de combustión, depende de la calidad del coque utilizado, del flujo de
aire y del porcentaje de carbono utilizado12. Según el investigador alemán
Jungbluth, el aire ejerce una influencia muy baja sobre el índice de combustión y
en una primera aproximación se puede despreciar dentro de los límites del trabajo
habitual del cubilote13. Bajo esta consideración y aceptando que n depende
esencialmente del porcentaje de carbono en la carga menos el que se pierde en la
carburación del hierro (el hierro fundido gana carbono del coque el cual no se
consume en la combustión). Se puede establecer la siguiente relación.
0.15∆Cp.C
0.03865n +
−= 19
En donde:
p = porcentaje de coque entre carga.
C = porcentaje de carbono en el coque.
∆C = porcentaje de carburación de la fusión.
Si se representan las relaciones 1, 2 y 3 en función del índice de combustión n
para un kmol de carbono, estas reacciones se realizan como lo indica la figura 5.
12 Ibid., p. 8-9
13 Ibid., p. 9.
46
Estas reacciones definen la fusión del cubilote en función del índice de combustión
n. la figura 5 expresa de manera esquemática la ocurrencia de dichas reacciones.
A partir de ellas se pueden determinar los diferentes parámetros que influencian la
operación del horno14.
Figura. 5. Representación esquemática de la combustión en el horno de cubilote
Fuente: diseño y operación del horno de cubilote.
14. Ibid., p. 10
47
3.3.3 . Zonas de influencia en el cubilote. Los gases del cubilote a diversos
niveles, contienen principalmente de CO2, CO, O2, N2 con cantidades variables de
H2O y H2 que dependen de la humedad del aire que entra en el cubilote. El CO2 y
el O2 son gases oxidantes, mientras que el CO y el H2 son gases reductores, el
nitrógeno es un gas inerte y solo actúa como un medio para transferir calor15.
Dependiendo de las características de estos gases y las reacciones en las que
intervienen, el horno de cubilote puede ser definido por zonas de operación. Las
cuales son de oxidación y de reducción.
La no disposición de equipos para establecer la composición de gases a diversos
niveles del horno hizo imposible conocer como se estaban desempeñando estas
zonas del horno directamente. Pero haciendo inspecciones en la superficie del
horno se pudo hallar las zonas de mayor y menor temperatura del horno.
15 AMERICAN FOUNDRYMEN’S SOCIETY, Op. cit., p. 779.
48
3.3.3.1 Zona de oxidación o combustión. La principal reacción en esta zona es la
No 1 el oxígeno reacciona con el combustible, aquí la concentración de oxígeno
pasa de 21% al 1% y el CO2 alcanza su máximo porcentaje que está entre el 14%
y el 18%. A este nivel se alcanza la máxima temperatura en el cubilote la cual está
entre 1540°C y 1870°C , este nivel también tiene lu gar la reacción No 2 y alcanza
su mayor magnitud cuando los niveles de O2 llegan a sus niveles mas bajos. Los
regímenes de todas las reacciones a estos niveles están controlados por el flujo
de masa, dependen de la superficie aerodinámica del combustible y un poco de la
temperatura pero este control no tiene relación con las características
termoquímicas del combustible16.
La superficie aerodinámica del combustible, es el área superficial del trozo de
coque que se introduce al horno, la american foundrymen’s society ha
recomendado tamaños de coque para ser usados en los hornos que están entre
10 y 12% del diámetro interior del cubilote. En las pymes vinculadas a esta
investigación, se pudo ver que el manejo del tamaño del combustible se realiza
antes de entrar al horno. El control de flujo de masa se controla análogamente, por
el personal de operación del horno.
3.3.3.2 . Zona de reducción de la cama. Esta zona esta limitada en su parte
inferior por la zona de oxidación y en su parte superior esta limitada por la zona de
fusión. Esta zona se encuentra a temperaturas superiores a los 1170°C. Esta
depende de la composición del metal aquí la principal reacción es la No 2 pero
también tiene lugar la No 3. En la porción mas baja de esta zona, se hallan
temperaturas cercanas a 1480°C, estas reacciones ta mbién son controladas por el
transporte de masa e igualmente independiente de la reactividad del combustible y
16 Ibid., p. 780.
49
medianamente dependiente de la temperatura y del volumen del aire de soplado.
También depende de la superficie aerodinámica del combustible y de la
concentración de CO2 en la vena de gas.
La correcta operación de un horno de cubilote depende de una adecuada,
disposición del combustible relacionado por una cantidad adecuada de oxígeno
que es proporcionado por el aire, al momento de la fusión17. Si esta relación es la
adecuada, los valores de producción, composición química, y temperatura son los
que se buscan. De lo contrario toda la producción entra en una tapa de
incertidumbre, ya que se esta entrando a improvisar, y a hacer uso de la habilidad,
y el conocimiento del personal, con conocimiento del horno y su comportamiento,
pero esta experiencia no garantiza, un producto de calidad optimo ni el uso
eficiente de energía (eléctrica y / o térmica).
17 Ibid., p. 725
50
Figura. 6. Diagrama idealizado que representa las condiciones en la cama de
combustible del cubilote
Fuente: AMERICAN FOUNDRYMEN’S SOCIETY. El horno de cubilote y su
operación. 4 ed. México: C.E.C.S.A, 1983. p. 725
La operación de fundición en los hornos de cubilote en las pymes, es llevada por
personal que tiene muchos años operando estos hornos, con base a la
experiencia los operadores manipulan las proporciones de coque-metal y aire-
coque. Por lo tanto en cada una de las empresas de fundición tienen una taza de
soplo de aire diferente a las de otras, al igual que las de combustible y metal.
Estas tasas de flujo de materiales al interior del horno, no son en todas las
empresas proporcionales al tamaño del horno, ni a la cantidad de metal que se
funde en el interior.
51
3.3.4 Tiempo de combustión del coque y tiempo de fusión de la carga. En la
búsqueda de los factores que afectan la relación porcentaje de coque entre carga
– caudal de aire, es necesario conocer la dependencia que existe entre tiempo de
combustión del coque y el tiempo de fusión de la carga metálica. Para evitar
grandes variaciones en la altura de la cama de coque, es necesario que la carga
metálica este fundida, cuando el coque entre carga se haya consumido, o mejor,
su equivalente en la zona de combustión. Esto depende de los factores que
actúan sobre el tiempo de fusión de la carga metálica y sobre el tiempo de
combustión del coque.
Factores que tienen influencia en el tiempo de fusión de la carga metálica18.
• Temperatura de fusión de los constituyentes de la carga metálica
• Temperatura de los gases que envuelven la carga metálica en la zona de
precalentamiento
• Espesor de la chatarra cargada.
Exceptuando el tamaño de la chatarra, es muy difícil actuar sobre los demás
factores que afectan el tiempo de fusión, en especial sobre la temperatura de
fusión de los elementos que constituyen la carga metálica. Por esta razón en la
práctica se considera que este factor define el tiempo de fusión de la carga y por
consiguiente, determina la cantidad de coque que se va a consumir. El porcentaje
de chatarra de acero en la carga, por ser el constituyente que funde a mas alta
temperatura, será el que determine el porcentaje de coque entre carga.
18 BAQUERO, Op. cit., p. 77.
52
Factores que tienen influencia en el tiempo de combustión de la carga de coque19.
• Naturaleza del coque.
• Espesor de la carga de coque.
• Tamaño o espesor del coque.
• Cantidad de aire.
De esto factores. El flujo de aire es el que ejerce una mayor influencia en el tiempo
de combustión del coque. Su acción es de tal magnitud, que prácticamente se
considera determinante. Por esta razón es indispensable conocerla cantidad de
aire de combustión, para establecer una relación entre el porcentaje de coque
adecuada entre cargas y el aire de combustión.
Uno de los mayores inconvenientes de la operación de los hornos en las pymes
estaba en la manipulación del aire soplado al interior del horno, en muchas de las
empresas no estaban seguros de la cantidad de aire que proveían al horno, solo
tenían datos especulativos, los datos arrojados por los equipos de medición de
caudal de aire mostraron que la mayoría de las empresas ha optado por lanzar un
desmedido exceso de aire para conseguir una buena combustión y lograr altas
temperaturas en la zona de oxidación. Esta medida hace que las temperaturas
arriba de la zona de oxidación desciendan por que el aire en exceso se lleva este
calor hacia el exterior del horno. Otro inconveniente localizado en las pymes fue la
manipulación del tamaño del metal, que por recomendaciones de la american
foundrymen’s society debe tener por su lado de mayor longitud, un tamaño
equivalente a 1/3 del diámetro interior del horno. Esto no ocurre en la práctica,
esto debido a que fraccionar grandes trozos de acero o hierro a tamaños muchos
mas pequeños es muy dispendioso y se necesita de muchas horas de trabajo y
19 Ibid., p. 77
53
fuerza, además de la indisciplina de algunos obreros al no cortar o partir los
pedazos de metal a un tamaño adecuado.
3.3.5 Producción óptima. En general la manipulación de los flujos de materiales
al interior del horno, mejoran o empeoran la operación y desempeño de este. Para
un caudal fijo de aire, si se aumenta el porcentaje de coque entre carga, se
disminuye la producción, pero se aumenta la temperatura. Para un porcentaje de
coque entre carga constante, la temperatura de la fundición puede variar en
sentido opuesto al modificarse el caudal de aire. Todo depende de la producción
que se tiene y de su posición con relación a la producción específica óptima
equivalente a 7.65 t /m2 /h. a esta producción específica corresponde una
producción horaria óptima, expresada estadísticamente por la relación20:
Producción óptima = Po = hkg2 .Di60 20
Donde:
Di: diámetro interior en dm.
Po: producción óptima.
Para establecer que tan óptimo es el funcionamiento del cubilote se debe conocer,
que porción de la superficie de fusión, establecida por el diámetro interior del
cubilote es la que realmente esta operando.
20 Ibid., p. 77
54
La superficie de trabajo real del horno de cubilote, se puede calcular de la
siguiente manera21.
QC = 4,48(1+ n)Ch 21
Donde:
QC: caudal del aire de combustión.
Ch: carbón quemado por hora.
QoeQc
SF = 22
Donde:
SF: superficie de fusión de la marcha.
Qoe: caudal de aire óptimo para hornos de soplado con aire frió. Equivale a 100
Nm3 / m2 / min.
Ahora con SF se puede calcular el diámetro de fusión de la marcha este diámetro
de trabajo es comparado con el diámetro teórico de la ecuación 20 y dependiendo
de los resultados se puede establecer que tan optimo es el desempeño del horno.
21 Ibid., p. 92 - 91
55
No fue posible calcular la superficie de trabajo de los hornos de las pymes por que
no se conocen los porcentajes de CO2 y CO en los humos.
3.3.6 Diagrama reticular del cubilote o de Jungbluth. Este diagrama fue
desarrollado por un investigador alemán con base a experiencias realizadas en un
horno para realizar estudios concernientes al comportamiento del cubilote a
diferentes condiciones de trabajo. Con este estudio logro establecer el
comportamiento del cubilote, en función de la temperatura del metal, flujo de aire,
y porcentaje de coque entre carga. Toda esta información quedo consignada en el
diagrama reticular del cubilote o de Jungbluth, este También determina la
producción horaria, temperatura de la fundición y composición química.
Este diagrama facilita los cálculos de flujos de materiales que se deben suministrar
al horno y es muy preciso solo si el horno tiene las dimensiones adecuadas de
producción.
El diagrama reticular de Jungbluth, no es usado en ninguna de las empresas
evaluadas.
56
Figura. 7 Diagrama reticular de Jungbluth.
Fuente: BAQUERO, Alonso Arnaldo. Diseño, operación y control del cubilote
Santiago de Cali: Universidad Industrial de Santander, 2000. p. 79.
Los últimos estudios realizados por europeos y norteamericanos han establecido
que la ecuación para calcular la producción óptima más exacta es la que muestra
la ecuación 2322.
Po = hkg2 .54Di 23
22 Ibid., p. 78 - 80
57
En esta investigación no se hará uso de la ecuación 24 porque esta se
recomienda para hornos de producción horaria igual o mayores a 6900Kg/h,
producción que ninguna empresa en la ciudad de Cali tiene.
3.3.6.1 Zonas del diagrama reticular o de Jungbluth23. En el diagrama reticular,
se pueden apreciar tres zonas. De izquierda a derecha. La primera zona es de
baja producción y bajas temperaturas, situada entre el eje de las temperaturas y la
zona de máximas temperaturas, en la parte superior del diagrama. Una segunda
zona llamada zona de máximas temperaturas, en donde se obtiene la producción
óptima para un flujo de aire considerado, según el porcentaje de coque entre
carga. Finalmente una tercera zona de elevada producción y bajas temperaturas,
que se encuentra ubicada a la derecha de la zona de máximas temperaturas. Lo
anterior muestra que la producción del cubilote se puede adaptar según los
requerimientos del modelo. Es decir aumentarla, reducirla, o mantenerla en la
producción óptima, según sean las necesidades metalúrgicas y de producción.
El diagrama reticular del cubilote muestra claramente que para un porcentaje de
coque determinado, la temperatura de la fundición aumenta al mismo tiempo que
se incrementa la producción horaria, pasa por la zona de máximas temperaturas o
de producción óptima, y después disminuye.
23 Ibid., p. 80
58
3.4 COMBUSTIÓN EN EL HORNO DE CRISOL
En la ciudad de Cali el combustible mas usado en los hornos de crisol es el aceite
residual de automotores. Para su combustión este es atomizado y alcanza la
temperatura de ignición en la cámara refractaria del quemador o en el interior del
horno.
En la cámara refractaria cónica del quemador se solapan la atomización, mezcla,
evaporación, craqueado y combustión. La combustión comienza donde la
velocidad de propagación de la llama iguala a la velocidad de la mezcla aire-
combustible.
El esquema de la Figura 8 explica lo que ocurre en la cámara refractaria del
quemador. En la parte superior se indican las velocidades .La velocidad del flujo
disminuye al principio a causa de la mayor sección transversal y luego aumenta
debido al incremento de volumen. La velocidad de propagación de la llama
aumenta debido a la radiación desde el horno que hace subir la temperatura.
3.4.1 Reacciones químicas. Son esencialmente las mismas que ocurren en el
cubilote, se diferencian en que en el horno de crisol no ocurre carburación del
metal, por lo tanto no hay pérdidas de carbono por este hecho, tampoco hay
reacciones endotérmicas y exotérmicas de los materiales que se funden.
59
3.4.2 Combustión por atomización.24 La atomización es el proceso de ruptura de
la fase líquida continua del combustible, que lo transforma en gotitas muy
pequeñas ver figura 9. en ella se muestra el proceso ideal, a través del cual, la
superficie de una capa líquida, se incrementa hasta formar gotas.
El combustible líquido habitualmente se quema a través de una suspensión de
gotas generadas como consecuencia de su atomización. Las gotas provienen del
atomizador y se dirigen hacia la zona de combustión, y en su camino se calientan
como consecuencia de la radiación de la llama y de la transferencia de calor
convectiva desde los gases calientes que la rodean. Ello produce la vaporización
de los componentes más livianos del combustible, que se mezclan con el aire que
rodea la gota y luego combustionan. Según el tipo de combustible, la gota puede
ser completamente vaporizada, o parcialmente vaporizada dejando depósitos
carbonosos residuales o partículas de coque.
24. Combustión unidad XII [en linea]. Buenos Aires: BRIZUELA E, J. C, 2001. [consultado 28 de mayo, 2005]. Disponible en
Internet: http// www. fi. uba. Ar / materias / 6730 /Tomo 2 Unidad11
60
Figura. 8 .Variación de la velocidad en la cámara refractaria del quemador.
Fuente: GILCHRIST, J. D. Combustibles y refractarios Madrid : Alhambra, 1967. p.
23
3.4.3 Atomizadores. Los atomizadores son los dispositivos encargados de
atomizar el combustible líquido que es suministrado a los hornos de crisol, hay
muchos tipos y variedades de atomizadores, en las empresas de Cali usan un tipo
de atomizador de desarrollo artesanal en la que el líquido es llevado a la cámara
de combustión por inducción del aire de combustión, soplado en el interior del
horno. Estos dispositivos no proveen una atomización adecuada del combustible,
dejando muchos productos inquemados y hacen que el poder calorífico del
combustible no sea bien aprovechado. Además no siempre las características
físicas, químicas y las propiedades térmicas del aceite residual de uso vehicular
61
(ARV), son las mismas varían mucho entre cada compra porque estos aceites
proceden de residuos lubricantes cuyas viscosidades están entre SAE 5W-30 a
SAE 250, por lo que no siempre el atomizador podrá cumplir con un trabajo
adecuado de atomización.
Figura. 9. Ruptura de una capa liquida en gotas
Fuente: Combustión unidad XII [en linea]. Buenos Aires: BRIZUELA E, J. C, 2001.
[consultado 28 de mayo, 2005]. Disponible en Internet:
http://wwwfiuba.Ar/materias/6730/Tomo2Unidad11
62
4 TRANSFERENCIA DE CALOR EN LOS HORNOS DE CRISOL Y CUBILOTE
La transferencia de calor es el intercambio de energía calorífica entre distintos
cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo, las cuales deben estar a
distinta temperatura, para que esto ocurra.
El calor se puede transferir de 3 maneras diferentes por conducción, por
convección y por radiación. En casos prácticos la transferencia de calor ocurre por
lo menos por la acción de dos de las tres formas.
4.1 CONDUCCIÓN
En los sólidos, la única forma de transferencia de calor es la conducción. No se
comprende en su totalidad el mecanismo exacto de la conducción de calor en los
sólidos, pero se cree que se debe, en parte, al movimiento de los electrones libres
que transportan energía cuando existe una diferencia de temperatura25.
La transferencia del calor en los sólidos viene expresada por la ecuación de
Fourier:
PARED
21Con R
TTQ
−= 24
Donde:
Qcon: es la cantidad de calor que fluye a través de la pared.
25 MILLS, A.F. Transferencia de calor. Santafe de Bogota: Mc Graw Hill, 1999. p 7 - 8.
63
T1: es la temperatura interior de la pared a través de la cual se transfiere el calor.
T2: es la temperatura exterior de la pared.
RPARED: es la resistencia del material a dejar pasar calor.
K
LRPARED = 25
Cuando una pared esta constituida por mas de un material la resistencia total se
calcula por medio de una analogía con la ley de Ohm.
Kn
Ln........
K
L
K
LR
2
2
1
1TOTAL +++= 26
Figura. 10. Transferencia de calor a través de una pared.
64
4.2 CONVECCIÓN
La convección es el mecanismo por el cual los fluidos (gases y líquidos) trasfieren
calor entre ellos y una superficie.
El movimiento del fluido puede ser natural o forzado. Este tipo de movimiento,
debido exclusivamente a la no uniformidad de la temperatura del fluido, se
denomina convección natural. La convección forzada se logra sometiendo el fluido
a un gradiente de presiones, con lo que se fuerza su movimiento de acuerdo a las
leyes de la mecánica de fluidos. También ocurre conveccion entre sólidos –
líquido, líquido – sólido, sólido – gas y gas solidó.
Figura. 11. Transferencia de calor por de conveccion entre un sólido y un fluido.
65
La ecuación 27 se usa para calcular la transferencia de calor por conveccion entre
un solidó y un fluido.
)T.A(TshQ cC ∞−= 27
Donde:
QC: Calor por conveccion.
hc : Conductancia convectiva térmica unitaria promedio.
A: área de transferencia de la superficie.
Ts: temperatura superficial del área de transferencia.
T ∞ : es la temperatura del fluido alejado de la superficie.
4.3 RADIACIÓN
La radiación presenta una diferencia fundamental respecto a la conducción y la
convección no necesita un medio para transferir calor, así que por medio de este
mecanismo los cuerpos que intercambian calor pueden estar separados por un
vacío.
La radiación cobra importancia en la transferencia de calor en el interior del horno
cuando la llama ha alcanzado los 1000 oC. Esta transfiere calor al horno por
66
radiación directa de la llama y por la radiación indirecta que llega desde las
paredes. Figura 12.
La energía radiada total entre dos cuerpos es:
∞−= 4T4sTεfσAradiadoQ 28
Donde:
RADOADOQ : Calor radiado.
σ : Constante de Stefan – Boltzman (5,57 x 10 -8 W/m2)
ε : Emisividad.
f : Factor de forma.
T: temperatura de la superficie del cuerpo que emite la radicación.
∞T : Temperatura de los alrededores.
67
Figura. 12. Transferencia de calor en el interior del horno debido a la radiación.
Fuente: BRITISH GAS SCHOOL OF FUEL MANAGEMENT. Combustion
engineering and gas utilisation. Londres: chapman, 1995. p. 132
4.4 TRANSFERENCIA DE CALOR EN EL HORNO DE CUBILOTE
Uno de los factores que más influyen sobre la profundidad (altura) de la zona de
reducción de la cama es el régimen de transferencia de calor entre los gases y el
combustible. Los gases que dejan la zona de oxidación están en un equilibrio de
temperatura con respecto al combustible, pero arriba de esta zona existe una
diferencia de temperatura entre el gas y el combustible. Es precisamente esta
diferencia de temperaturas la que promueve la transferencia de calor de la vena
de gas al combustible26.
26 AMERICAN FOUNDRYMEN’S SOCIETY Op. cit., p. 685.
68
La transferencia de calor es directamente proporcional a la superficie del
combustible y al tiempo de contacto entre el gas y el combustible. Siendo el
tiempo de contacto entre gas y combustible tan sólo una fracción de segundo (con
una gama normal de velocidades entre 12 y 25 m por segundo para volúmenes de
aire entre 65 y 130 m3 por minuto y por m2 de área de cama) pueden existir
diferencias de temperatura más bien amplias. Volúmenes de soplado mayores
pueden resultar en tiempos de contacto menores, y menor transferencia de calor.
Al igual que el calor extraído en el sobrecalentamiento del metal sobre su
temperatura de fusión, hasta una temperatura máxima de 1540°C o mayor,
depende de la cantidad del mismo impartida al metal y de la relación metal a
carbón empleada en una operación dada. Para un metal de relación de
combustible de 10/1 y un sobrecalentamiento de 335 °C, el calor extraído será,
aproximadamente, de 3800 Kcal. /mol de carbón consumido.
La formación de escoria y subsiguiente sobrecalentamiento de la misma extrae
calor de esta zona. Aunque el calor extraído por cada kilogramo de escoria es
relativamente alto (normalmente del orden de magnitud de 305 Kcal. /Kg. de escoria)
el calor extraído, en términos de moles de carbón consumido, es relativamente
pequeño comparado con el extraído en el sobrecalentamiento del metal. Sin
embargo, aumenta al aumentar el volumen de escoria, y tiende a bajar la
temperatura de la zona de reducción, y por lo tanto la profundidad de esta zona.
4.4.1 Factores que ejercen influencia sobre las zonas del cubilote. Existen
ciertas limitaciones físicas que causan que las zonas parezcan, en un cubilote
real, muy diferentes de las representadas en la figura 6, para la cama idealizada, y
que también influyen en los resultados de la operación real. Los más importantes
de ellos se discuten en los siguientes numerales.
69
4.4.1.1 Penetración del aire de soplado. En la práctica, el aire es introducido a
través de las toberas localizadas alrededor de la periferia del cubilote. Puesto que
el oxígeno es consumido después de pasar una distancia equivalente entre 3 y 7
diámetros de trozo ver anexo 13 , y esto corresponde a la región de máxima
temperatura, se deduce que existe una zona de reducción con temperaturas
decreciendo progresivamente hacia el centro del cubilote, si la penetración del aire
no es la adecuada no todo el coque se consumirá y formara puntos fríos en la
zona de oxidación, por otro lado si es demasiado el aire se llevaría el calor a los
niveles superiores del horno hasta expulsarlo fuera de él.
En algunos de los hornos evaluados de hecho lo que sucede es que la
penetración del aire es tal que un gran porcentaje de todo el calor suministrado por
el coque, termina en los gases de la chimenea.
4.4.1.2 Resistencia de la cama de combustible. La resistencia de la cama de
combustible es, con frecuencia, un factor importante en la operación del cubilote.
Los intentos de operar el cubilote a capacidades apreciablemente más altas que
las diseñadas, o a usar combustible de menor tamaño, resulta con frecuencia en
presiones contra las que el soplador centrífugo comúnmente empleado es incapaz
de entregar el volumen de aire necesario.
Los combustibles de calidad pobre, que se despedazan apreciablemente debido al
choque térmico o al mecánico producen también una mayor resistencia de la cama
de combustible, que puede dar lugar a problemas de presión, y asimismo el uso
de combustible que contiene cantidades apreciables de materiales de tamaño
pequeño. La chatarra sucia es otra fuente de resistencia de la cama de
combustible.
70
La resistencia al flujo de gas en el cubilote se determina primordialmente por la
resistencia de la cama, las cual es una función de la homogeneidad de tamaño del
combustible y de la velocidad del gas.
Diferentes combustibles sólidos se apretarán en grados diferentes, dependiendo
de la forma y rugosidad de la superficie, además producen, diferentes porcentajes
de espacios vacíos. EL coque exhibe de 53 a 55% de espacios vacíos. Es así
entonces como el coque en igualdad de condiciones presenta menos resistencia
que la antracita ya que esta presenta solo de un 43 a 48% de espacios libres ver
figura 13. De la misma manera, cambiando el tamaño del mismo combustible de
un promedio de 10 cm a un promedio de 7 cm doblará, aproximadamente, la
resistencia de la cama, permaneciendo constantes otras condiciones ver figura 14.
Se puede apreciar que hay más resistencia de la cama cuando el combustible
tiene un tamaño muy pequeño. En la figura 14 b. se puede ver que el paso de los
gases de combustión se enfrenta a una resistencia menor de la cama.
Los hornos que se evaluaron no tienen problemas de sobre producción, pues su
diámetro interior se ajusta a la ecuación de la producción horaria, pero si
presentan problemas en las otras dimensiones, como la altura del crisol, y la zona
de precalentamiento. No son las adecuadas para un óptimo desempeño.
Con respecto al combustible todas las empresas usan coque el cual no es un
sólido frágil y no presenta resistencia al flujo de los gases debido a su alto margen
de espacio entre el.
La chatarra usada en las cargas, presenta mucha oxidación y no tienen un
proceso de limpieza previo.
71
Figura. 13. Resistencia de la cama debida a los espacios libres presentados por
los combustibles sólidos.
Figura. 14. Resistencia de la cama debida al tamaño del combustible solidó.
4.5 TRANFERENCIA DE CALOR EN EL HORNO DE CRISOL
El calor se transfiere en todos los hornos, casi de igual manera, pero a diferencia
del horno de cubilote, en el horno de crisol, el combustible y los gases de
combustión no tienen contacto directo con el metal que se va a fundir.
El metal se funde debido, al calor suministrado por el crisol mediante conducción y
a su vez este recibe el calor producto de la combustión, a través de la conveccion
y radiación directa de la llama e indirecta de las paredes figura 15. Es por eso que
en este tipo de horno es muy importante que la convección sea muy eficiente.
72
Figura. 15. Transferencia de calor en el horno de crisol.
La transferencia de calor en los hornos de crisol en las empresas evaluadas
mostró un deficiente aprovechamiento de todo el calor desprendido por el
combustible, esto se debe a las velocidades tan elevadas que llevan la mezcla de
gases en el interior del horno. Esto se ajusta a lo documentado en la literatura.
4.6 CALOR REQUERIDO
La fusión consiste en hacer pasar los metales y sus aleaciones del estado sólido al
estado líquido, ejerciendo determinada cantidad de calor bien definida y
característica para cada metal o aleación figura 16.
73
Conocidos el material, la temperatura ambiente (estado solidó), la temperatura de
fusión (estado en transición), de sobrecalentamiento (estado líquido), y la masa a
fundir, es posible calcular la cantidad de calor requerido para fundir el metal y
mantenerlo así hasta que sea vertido en los moldes. Este calor se calcula con la
formula:
T.C.mQ ∆= 29
Donde:
Q: cantidad de calor que debe ser transferido al metal.
:m Masa del metal
C: Calor específico a presión constante.
:∆T Diferencial de temperaturas.
Para hallar el calor requerido es necesario, establecer primero que el calor
específico varia, a medida que el estado del metal cambia. Por lo tanto habrá un C
para el estado solidó un C para el estado líquido y un C para el metal líquido
recalentado. El primer Calor específico C1 será para el metal solidó y se usa
cuando el metal es llevado de una temperatura ambiente Standard (25 OC) hasta
la temperatura T2 que es la de fundición. El calor específico siguiente es C2 este
es el calor para el metal líquido y se usa para calcular el calor necesario para
recalentar el metal. Y el tercer calor específico se usa para calcular el calor latente
de fusión.
74
Figura. 16 Diagrama de calor necesario para fundir un metal.
Fuente: CAPELLO, Eduardo. Tecnología de la fundición. Barcelona: Gustavo Gili,
1974. p. 112
Ahora se pueden calcular los calores necesarios para cada una de las etapas de
la fundición. Con la formula 34 y los datos de la tabla No 6.
4.6.1 Calor de calentamiento al punto de fusión
T).m.(TCQ 111 −= 30
75
4.6.2 Calor de recalentamiento
)T.m.(TCQ 1222 −= 31
4.6.3 Calor latente de fusión.
.mCQ 33 = .T 32
Calor total de fusión y recalentamiento resultara de sumar
321REQUERIDO QQQQ ++= 33
Tabla 4. Constantes físicas de algunos metales y aleaciones.
Metal o aleación
Temperatura de
fusión OC
Calor específico de
solidó
C1
Kcal. / Kg. OC
Calor específico de
líquido
C2
Kcal. / Kg. OC
Calor latente de
fusión
C3
Kcal. / Kg.
Plomo
Magnesio
Aluminio
Bronce
Cobre
Fundición gris
Fundición blanca
Acero
327
650
657
900-960
1083
1200
1100
1400
0.031
0.25
0.23
0.09
0.094
0.16
0.16
0.12
0.04
-
0.39
-
0.156
0.20
-
-
6
72
85
-
43
70
-
50
Fuente: CAPELLO, Eduardo. Tecnología de la fundición. Barcelona: Gustavo Gili,
1974. p. 128
76
4.7 PÉRDIDAS DE CALOR
No todo el calor que se introduce al horno, es aprovechado para lograr fundir el
metal, existen fugas de calor a las que se denomina pérdidas, que no permiten el
uso del 100 % del calor generado por la combustión.
Las pérdidas de calor provienen de varias fuentes. En esta investigación se
tendrán en cuenta las fuentes que mas favorecen, las fugas de calor y las cuales
se pueden controlar.
Figura. 17. Pérdidas de calor en el horno.
Fuente: Efficient Process Heating in the Aluminum Industry [en linea]. Washintong:
Office of Energy Efficiency and Renewable Energy U.S. Department of Energy.
[consultado 12 agosto, 2005]. Disponible en internet: http://www.eren.doe.gov.
77
4.7.1 Pérdidas por los gases de combustión. Los gases de la combustión no
transfieren todo el calor al metal, parte de ese calor que liberaron las reacciones
exotérmicas, se pierde en los gases de escape, que abandonan el horno. Para
calcular estas pérdidas se usara la siguiente ecuación.
( )( )agGASESGASES TT0,24mQ −= [27] 34
Donde:
Q GASES: pérdida de calor por los gases de escape.
m GASES: masa de los gases.
Tg: Temperatura de los gases a la salida del horno.
Ta: Temperatura del aire de combustión a la entrada del Horno.
4.7.2 Pérdida por humedad. Estas pérdidas se deben al H2O presente en el aire
de combustión y en el combustible. Se pueden calcular con las siguientes
ecuaciones.
Si la temperatura de los gases de escape es inferior o igual a 5750F se usa
27 CASTRO MORA, Javier. Operación y mantenimiento de calderas. Santa fe de Bogota: universidad nacional de
Colombia, 2002. p. 67.
78
( )fgH20H20 T0,46T1,089mQ −+= [28] 35
.
Si la temperatura de los gases de escape es superior 5750F se usa
( )fgH20H20 T0,50T1066mQ −+= [29] 36
Donde:
Tf : temperatura del combustible.
H20m : Masa de agua presente en el aire y combustible.
4.7.3 Pérdidas por hidrógeno en el combustible. La combustión de hidrógeno
agrega una cantidad de calor apreciable, pero como se indicó en la reacción 3 del
tema de combustión, el agua presente en la combustión no permite que todo el
carbono disponible en el combustible reaccione con el oxígeno y libere todo su
poder calorífico. Estas pérdidas se pueden ser calculadas por las siguientes
fórmulas.
Si la temperatura de los gases de escape es inferior o igual a 5750F se usa
28 Ibid., p. 67.
29 Ibid., p. 67.
79
( )agH T0,46T1,089100
H%Q −+
= 9 [30] 37
Si la temperatura de los gases de escape es superior 5750F se usa
( )agH T0,50T1,066100
H%Q −+
= 9 38
Donde:
Q H : pérdidas por combustión de hidrógeno.
Ta : temperatura del aire de combustión a la entrada del horno.
4.7.4 Pérdidas por combustión incompleta. Como se indicó en las reacciones
2 y 3 del tema de combustión no todo el C del combustible se quema y forma CO2.
( )
+=
COMB
c
2COMIN m
m10160
COCOCO
Q [31] 39
Donde:
Qcomin = cantidad de calor perdido por inquemados.
30 Ibid., p. 67
31 Ibid, p. 68.
80
Cm : masa de carbón en el combustible.
COMBm : Kilogramos de combustible.
4.7.5 Pérdidas por combustible en cenizas. Estas pérdidas se deben al
combustible que no hizo combustión y ha pasado a formar parte de los
compuestos de las cenizas.
( )CENIZASCENIZASCENIZAS CmQ = 32 40
Donde.
QCENIZAS: pérdidas de calor por combustible no quemado en las cenizas.
mCENIZAS: masa de las cenizas producidas durante la combustión.
CCENIZAS: calor específico de las cenizas.
4.7.6 Pérdidas por carburación de hierro. En realidad estas no son pérdidas de
calor, parte del C presente en el combustible pasa a hacer parte de estructura de
la fundición gris por tanto esta pérdida de energía es necesaria para lograr las
cualidades metalmecánica del hierro. Estas pérdidas solo se calculan en el horno
de cubilote.
32 Ibid., p. 67.
81
Se debe conocer el porcentaje de carbono de la carga de metal antes de ingresar
al horno. Después de la operación de fundición se analiza el contenido de carbono
nuevamente y se hace la diferencia este porcentaje representa la relación
carbono y hierro.
CCCHncarburacio m%m%m% −= 41
Donde:
%mcarburacion: porcentaje de la masa de carbono ganado por el metal.
%mCC: porcentaje de la masa de carbono en el metal antes de la fundición.
%mCH: porcentaje de la masa de carbono presente en el hierro después de la
fundición.
Ahora se puede calcular la masa de carbono que se perdió por carburación.
mcarburacion = (%mcarburacion / 100)(mhierro) 42
Donde:
mcarburacion: masa de carbono que gana el metal.
mhierro: masa de hierro que entra por hora.
Con este dato ya es posible calcular el calor perdido por incombustion del
carbono.
82
)HVV()m(Q carbononcarburacionCarburacio = 43
Donde:
Qcarburacion: calor perdido por carburación del hierro.
HVVCARBONO: poder calorífico del carbono = 33620 KJ / KgCOMB33
.
4.7.7 Pérdidas por calor en la escoria. La escoria que es el resultado de la
fundición de la piedra caliza usada como fundente, para mejorar las condiciones
de la operación del horno de cubilote. Es generadora de pérdidas de calor.
( )calizaescoria4escoriaescoria TTCmQ −= 44
Donde:
Q escoria: calor perdido en la escoria.
escoriam : Masa formada de escoria.
C4: calor específico a presión constante de la escoria.
T escoria: temperatura de la escoria a la salida del horno.
T caliza: temperatura de piedra caliza a la entrada del horno.
33 AMERICAN FOUNDRYMEN’S SOCIETY. Op. cit., p. 868.
83
La masa de escoria formada se calcula de acuerdo a lo indicado por la american
foundrymen’s society.
Se requiere conocer el porcentaje de CaCO3 contenido en la piedra caliza, usada
como fundente, el porcentaje de CaO en la escoria. Y la masa de caliza que
ingresa al horno.
3.%CaCOmmCAL3CaCO
= 45
Donde:
3CaCOm : Masa de CaCO3 que entra al cubilote.
mCAL: masa de caliza que entra al cubilote.
% CaCO3: Porcentaje de CaCO3 presente en la caliza.
Los moles formados de escoria son los mismos moles de CaCO3 que entra al
horno de cubilote.
100
mmoles CaCO3
CaO = 46
Donde:
molesCaO: número de moles de CaO formados.
Ahora se puede calcular el peso del CaO en la escoria.
84
))(W(molesW molCaOCaOescoria = 47
Donde:
WmolCAO: Peso molar de CaO.
Wescoria: peso de CaO en la escoria
escoriaescoria
escoria Kg
100%CaOW
m = 48
Donde:
%CaO: porcentaje de CaO en la escoria.
4.7.8 Pérdidas por las paredes del horno. Los hornos pierden calor a través de
los refractarios y aislantes de sus paredes. Estos retienen gran parte del calor en
el interior del horno, pero un porcentaje escapa por convección y conducción.
El primer mecanismo que actúa, para que ocurra este escape de calor es la
conveccion, ya que los gases que están en el interior del horno transfieren calor a
la superficie del refractario que conforma la pared interior del horno. Seguidamente
el siguiente mecanismo es la conducción ya que es esta la que lleva el calor de la
superficie, interna de la pared y lo transfiere a la superficie externa del refractario.
Si el horno cuenta con una capa adicional de material aislante en la pared, el calor
se transmitirá mediante el mismo mecanismo. Al igual que la coraza de metal que
por lo general recubre la pared de los hornos.
85
Figura. 18. Representación gráfica de las paredes de los hornos
Estas pérdidas de calor en las paredes del horno pueden ser calculadas, con la
ecuación siguiente:
( )
Lrπ2h
1Lkπ2
rr
Ln
Lk2πrr
Ln
Lkπ2rr
Ln
TTQ
24aire3
3
4
2
2
3
1
1
2
ambINPARED
+++
−= 49
Donde:
Qpared: calor transferido a través de las paredes del horno
T IN: temperatura en el interior del horno.
86
T amb : temperatura del aire circundante al horno.
1r : Radio interior del refractario.
2r : Radio exterior del refractario.
3r : Radio exterior del aislante.
4r : Radio exterior de la coraza metálica.
1k : Coeficiente de conducción térmica del refractario.
2k : Coeficiente de conducción térmica del aislante.
3k : Coeficiente de conducción térmica de la coraza metálica.
L: altura de la zona de fusión del horno.
AIREh : es el coeficiente de transferencia de calor por conveccion del revestimiento
exterior del horno al ambiente. Esta variable depende de muchas propiedades del
aire que rodea al horno y también depende del área superficial de la coraza del
horno. Por lo tanto este coeficiente será variable para cada uno de los hornos y se
calcula usando la ecuación para conveccion por flujos naturales externos en
paredes verticales34.
34 MILLS, Op. cit., p. 305.
87
El coeficiente de transferencia de calor del aire por conveccion se calcula como
se indica a continuación.
ULaire
CAIRE NL
kh
= 50
Donde
Kaire : conductividad térmica del aire.
L: altura de la superficie exterior del horno.
ULN : número de Nusselt promedio para el flujo laminar.
A su vez ULN se calcula así:
( )0,25LUL ΨRa0,670,68N += Para 9
L 10Ra ≤ 51
( ) ( )Ψ++= −L
80,25LUL Ra10x6,11ΨRa0,670,68N Para 12
L9 10Ra10 ≤≤ 52
916
169
Pr492,0
1
−
+=Ψ 53
Donde:
88
Ψ: Razón del numero de Prant para conveccion natural.
RaL: Número de Rayleigh.
Pr: Número de Prandtl.
A su vez RaL es calculado así:
PrgL)T(
PrGrRa 2
3
L ν∆β== 54
Y
2
TT1
ambsup +=β 55
Donde:
ν : Viscosidad cinemática del aire.
T∆ : Diferencia de temperaturas Ts – Tamb.
Para superficies ubicadas verticalmente ULN tiene una variación35.
7L
54
1
LUL 10x2Ra10paraRa54,0N <<= 56
35 Ibid., p. 309
89
10L
73
1
LUL 10x3Ra10x2paraRa14,0N <<= 57
4.7.9 Pérdidas por radiación. En el horno de cubilote estas pérdidas solo se
deben tener en cuenta por la radiación pérdida por la coraza. En el horno de crisol
esta pérdida es importante si el horno solo usa una tapa con una ranura por la cual
salen los gases de combustión, por este mismo sitio pueden salir calor radiado por
el metal fundido.
90
5 CONCEPTOS PARA MEJORAR LA EFICIENCIA DE LOS HORNOS
En los países en los que la industria metalúrgica tiene gran desarrollo. Se ha dado
una gran importancia a la eficiencia energética, en estos estudios se han
identificado las principales pérdidas de calor, y a la vez se han implementado
técnicas que permiten, si bien no eliminarlas, si disminuirlas aprovechando al
máximo el calor suministrado.
Las principales pérdidas fueron identificadas en el capitulo 4. A continuación se
describirán algunas de los principales conceptos aplicados en el mundo para
optimizar la operación de los hornos que se pueden aplicar a los tipos de hornos
que se tratan en esta investigación.
5.1 CONTROL DE LA PROPORCIÓN AIRE-COMBUSTIBLE36.
Un correcto ajuste de la proporción aire combustible, puede reducir los costos
eficazmente. Permitir poca cantidad de aire tiene como consecuencia desperdicio
de combustible y produce emisiones de CO también hidrocarburos no quemados
(UHCs). Aumentar la cantidad de aire incrementa drásticamente el volumen de
calor desperdiciado por el tubo de escape de los gases y disminuye eficiencia
térmica. Con una combustión óptima el porcentaje de oxígeno presente en los
gases de la chimenea será menor al 2%.
36 Efficient Process Heating in the Aluminum Industry [en linea]. Washintong: Office of Energy Efficiency and Renewable
Energy U.S. Department of Energy. [consultado 12 agosto, 2005]. Disponible en internet: http://www.eren.doe.gov..
91
5.2 SUPERFICIES DE TRANSFERENCIA DE CALOR LIMPIAS37
Un modo simple de maximizar transferencia de calor es mantener superficies
limpias sobre todos los sistemas indirectamente acalorados, como tubos radiantes,
rollos de vapor, y elementos eléctricos. Cualquier contaminación o ensuciamiento
pueden reducir transferencia de calor, temperaturas de superficie de aumento, y
acortar la vida de servicio de componentes de sistema de calefacción. Esta técnica
es muy aplicable a los hornos de cubilote ya que cantidades de oxido sobre las
piezas a fundir generan mas pérdidas de calor por formación de escoria y
resistencia a la transferencia de calor de los gases de combustión.
5.3 INSTALACIÓN DE AISLANTES APROPIADOS38
Instalando y manteniendo el tipo apropiado de refractarios y aislantes para hornos
pueden reducir pérdidas de calor sustancialmente. Grietas, y la erosión en el
aislamiento de las paredes pueden incrementar rápidamente la cantidad de calor
que escapa en el proceso. Cuando se trabaje con los hornos, los tipos y grosores
de refractarios y aislantes deben ser evaluados y corregidos adecuadamente.
5.4 PRECALENTAMIENTO DEL AIRE DE COMBUSTIÓN39
Los dispositivos de recuperación de calor de desecho (quemadores regeneradores
o recuperadores) colocado en la salida de gas de conducto de humos o pila de
37 Ibid., http://www.eren.doe.gov.
38 Ibid., http://www.eren.doe.gov.
39 Ibid.,http://www.eren.doe.gov.
92
gases de combustión pueden extraer una gran parte de la energía térmica en
gases de escape y transferirlo al aire de combustión entrante.
5.5 PRECALENTAMIENTO DE LA CARGA40.
La transmisión de calor de los gases de escape a la carga que entra puede reducir
la energía requerida en el horno y bajar la energía que sale en los gases con los
humos.
40 Ibid., http://www.eren.doe.gov.
93
6 EVALUACIÓN ENERGETICA DE LAS PYMES EN LA CIUDAD DE CALI.
Si se desea optimizar el funcionamiento de los hornos, se debe identificar las
principales fugas de calor en la operación de fundición, por lo tanto se debe
realizar una evaluación energética de los hornos de las pymes metalúrgicas de la
ciudad de Cali, para ello fue necesario hacer una búsqueda de todas las pequeñas
y medianas empresas interesadas en participar en esta investigación.
6.1 METODOLOGÍA.
Para caracterizar los hornos y determinar la eficiencia energética, se procedió
como lo recomendado por la american foundrymen’s society41 y lo recomendado
por la investigación “Metodología de diagnóstico para estimación de rendimiento
energético en pequeñas empresas metalúrgicas” llevado a cabo por los ingenieros
Carlos Roncancio, Yuri López y Sonia Gómez. Estas propuestas dan un marco de
referencia para la siguiente metodología.
• Selección de una población representativa.
• elaboración de encuestas ver anexo I.
• Contacto con las empresas: Se consulto una base de datos suministrado
por la universidad autónoma de occidente del sector PYMEs metalúrgico y
también se hizo una búsqueda por medio de la guía telefónica, donde se
tomaron los nombres de cada una y se realizo contacto con ellas a través
de correo electrónico, fax y/o teléfono, informándole los objetivos de la
41 AMERICAN FOUNDRYMEN’S SOCIETY. Op. cit., p. 864 - 882.
94
investigación y las ventajas de realizar un análisis energético en la empresa
de esta manera fue posible concretar citas para realizar la encuesta. En la
ciudad de Cali existen hasta la fecha 25 empresas metalúrgicas42, de las
cuales 9 operan hornos de crisol y cubilote, de estas, 7 decidieron cooperar
con la investigación. Lo cual representa el 77 % de las empresas.
• Evaluación energética: se realiza una visita técnica a la empresa que
consiste en la inspección visual del estado de los equipos y conservación
de la instalación, observación de los procesos, aplicación de la encuesta y
obtención de datos de consumo, costos de energéticos y de producción.
• Medición de los parámetros que determinan el buen funcionamiento de los
hornos y eficiencia energética. Estos datos se obtienen de la observación
de las operaciones de fundición y son recopilados en la hoja de datos del
anexo 2.
• Diagnóstico y entrega de resultados y recomendaciones: se analizaron los
datos de la fase anterior, se evalúa el consumo de energía, se obtienen los
valores de la eficiencia energética y se identifican estrategias de
mejoramiento tanto en el proceso como en los hornos y equipos de
alimentación de aire y energía.
6.1.1 Calculo de la población de hornos de cubilote y crisol. Para seleccionar
una muestra representativa, de la población de hornos que se van a evaluar en
esta investigación, se debe tener en cuenta que estos hornos, funden metales
diferentes y usan combustibles diferentes, por lo tanto se deben seleccionar dos
42 Dato suministrado por la cámara de comercio de Cali.
95
muestra una para los hornos de cubilote, y la otra para los hornos de crisol. Con
base a su eficiencia energética, se hallara el tamaño de la muestra, para lo cual se
usa la siguiente ecuación43
2
1
d
Zn
σ= α− 58
Donde: n : Tamaño de la muestra. σ : Desviación poblacional. d : Error máximo prefijado.
α−1Z : Valor de Z obtenido de tablas (distribución normal estándar)
6.1.1.1 Muestra poblacional de los hornos de cubilote. Para estos hornos se
estima una desviación poblacional igual a 0,5 de la eficiencia, un error máximo
prefijado igual a 0,5, con estos datos es posible hallar los valores
correspondientes para Z1-α .en la tabla del anexo 16.
1-α = 0,95
1-α/2 = 0,975 con este valor es posible hallar el valor de Z en el anexo 15.
2/1Z ε− =1,96.
Reemplazando en la ecuación 58. Se obtiene la muestra de la población.
43 NEWBOLB, Paul. estadistica para los negocios y economia.4 ed. Barcelona: Prentice Hall, 1996. p. 196.
96
570,445,0
)96,1)(5,0(n
2
≈=
=
6.1.1.2 Muestra poblacional de los hornos de crisol. Bajo los mismos
parámetros establecidos para los hornos de cubilote se obtienen los mismos
resultados.
n= 5
6.1.2 La encuesta y la información recopilada. Con esta encuesta se busca
recopilar información previa a la evaluación energética, ya que con esta se puede
hacer una idea acerca de que tan adecuadamente se están realizando las
operaciones de fundición en los hornos. Con ella se podrá caracterizar los hornos.
La estructura de la encuesta se puede ver en el anexo 1. Y con ella se busca
obtener la siguiente información.
• Capacidad de fundición de los hornos.
• Dimensiones de los hornos.
• Conocimiento del personal a cargo de la operación y de los operarios
acerca del horno.
• Conocimiento del personal a cargo de las características de los
combustibles.
• Tipos de hornos utilizados (crisol o cubilote).
• Metales que son fundidos.
• Producción.
97
6.1.3 Parámetros medidos para la operación de fundición. Con base a los
parámetros se puede establecer, que tan bien están siendo operados los hornos,
la calidad de la operación de fundición y que condiciones físicas presentes en el
entorno de la ciudad de Cali obstaculizan una óptima operación de fundición.
6.1.3.1 Materiales a fundir. Este es el parámetro más importante por que de él
dependen la cantidad de combustible que se debe usar para fundir el metal y en el
caso de los hornos de cubilote permite establecer la cantidad de pérdida de calor
por la formación de escoria a partir de los fundentes. Esta cantidad de combustible
será establecida con la masa de metal que entra al horno y con las propiedades
térmicas de los materiales que se desean fundir, como el calor específico y la
temperatura de fundición, A partir de este parámetro se podrá determinar la
eficiencia de operación del horno.
6.1.3.2 Tipo de proceso de fundición. El tipo de fundición es un parámetro a
considerar en el momento de realizar un balance energético. Este puede ser de
forma continua o por baches. En el proceso continuo se tiene un flujo de
producción medido en kg / h o Ton / h y en el otro proceso la producción se mide
por la carga fundida en cada bache, bien sea en Kg. o en toneladas
6.1.3.3 Propiedades térmicas del combustible. Con este parámetro se puede
calcular la cantidad mas adecuada de combustible necesario para fundir el metal
los combustibles con mayor poder calorífico requerirán menos cantidad y
posiblemente menor costo de operación.
98
6.1.3.4 Calidad del aire de combustión y relación aire - combustible. Este
parámetro es muy importante por que a partir del análisis elemental del
combustible, se puede establecer la cantidad de aire necesaria, para obtener una
combustión lo más óptima posible. También se debe tener en cuenta que el aire
usado en la combustión, tiene humedad la cual es fuente de pérdidas de calor. La
temperatura del aire es también un parámetro muy importante, ya que este aporta
calor cuando se halla por encima de los 0º C. Por cada 22º C que se incremente la
temperatura del aire que entra al horno su eficiencia se incrementara en un 1%44.
6.1.3.5 Temperatura del metal fundido a la salida del horno. Con esta información
se podrá saber con certeza cuanto calor suministrado por el combustible fue
aprovechado para fundir el metal.
6.1.3.6 Temperatura de la superficie exterior de las paredes del horno. Dato muy
importante para determinar las pérdidas de calor por conveccion, conducción y
radiación, causadas por las paredes del horno.
6.1.3.7 Tamaño de los trozos del metal de carga y del combustible. Trozos muy
grandes de metal se fundirán con mucha dificultad y demandara más combustible.
Trozos muy pequeños se quemarían demasiado rápido y no habría una buena
carburación del metal.
44 CASTRO MORA, Op. cit., p. 136.
99
6.1.4 Equipo de medición. Para esta investigación se usaron los siguientes
equipos de medición.
• Pirometro óptico digital.
• Anemómetro Davis análogo.
• Barómetro e higrometro digital.
• Termocupla digital.
• Flexómetro.
• Calibrador análogo.
No fue posible usar el equipo de análisis de gases, debido a que la temperatura de
salida de estos superaba el rango de trabajo de la sonda del equipo. Y por otras
razones que ya se explicaron en capítulos anteriores.
6.1.5 . Procedimiento para realizar las mediciones. Los datos fueron tomados
directamente de la fuente en un periodo de tiempo en el que se considera que la
operación del horno es estable y uniforme. Por lo tanto el horno debe primero
precalentarse operación que tarda entre 1 y 5 horas dependiendo del horno y de
su tamaño.
6.1.5.1 Previo a la operación de fundición.
• Dimensiones de la pedaceria de hierro. Se midió con el calibrador análogo.
Los trozos pequeños y los de tamaño considerable con el flexo metro.
• Dimensiones de los trozos de combustible si este es sólido. Se procedió de
la misma manera como se hizo con el metal.
100
• Temperatura de metal a la entrada del horno. Esta temperatura se tomó con
la termocupla digital, ubicándola sobre la superficie del metal de carga. Se
tomaron 5 pruebas y se promedió el valor.
• La temperatura del combustible y de los fundentes se tomo de igual manera
que la del metal.
• Temperatura del aire. Esta fue tomada del barómetro digital. El cual se
ubico a una distancia no mayor a 5 metros del horno.
• Humedad relativa del aire este dato fue tomado de igual manera que el de
la temperatura del aire.
• Presión atmosférica. Esta es tomada directamente del barómetro digital.
6.1.5.2 Durante la operación de fundición.
• Flujo volumétrico de aire. Este dato fue medido con el anemómetro Davis.
El cual se ubica en la entrada de aire al ventilador del horno se deja alli, por
un minuto y se obtiene el flujo durante ese tiempo.
• Flujo másico de combustible. Este dato es suministrado por el personal de
la empresa, que son los encargados de la operación de fundición. En los
casos en los que esta fuente no sabe con exactitud cual es. Se debe
determinar dependiendo del estado del combustible. Si es solidó se pesa la
cantidad de combustible contenida en el recipiente con el que usualmente
101
se suministra el combustible al interior del horno y se multiplica, por el
número de veces, que se introdujo esta cantidad en el tiempo que dure la
operación de fundición, si esta es inferior a 1 hora. Si la operación tarda
mas tiempo se debe multiplicar por la cantidad de veces que se introdujo la
medida de combustible durante 1 hora. Si el estado del combustible es
líquido, se debe medir el nivel de combustible contenido en el recipiente
antes y después de operación de fundición, a continuación se halla el
volumen de las dos mediciones y con la densidad se puede obtener la
masa que se suministró al horno durante una hora de trabajo o por el
tiempo que llevó hacer la operación de fundición. lo que ocurra primero.
• Flujo másico de metal a fundir. Al igual que el anterior este dato es
suministrado por los operarios. Es muy difícil que el personal a cargo de la
operación del horno no sepa con exactitud la masa de metal que se desea
fundir pero si esto llegase a suceder se procede con el metal de igual
manera como se cálculo el flujo de combustible, en el caso de estado
sólido.
• Flujo másico de fundente. En el caso del cubilote el flujo másico del
fundente por lo general es la caliza y específicamente en la ciudad de Cali
la pymes evaluadas solo usan caliza como fundente, la cual se suministra
entre un 4 y 6 % del peso del metal.
• Temperatura del hierro fundido. Este es tomado de igual manera que la
temperatura de la escoria. La medición de este dato debe hacerse
directamente de la piquera.
102
• Temperatura de la superficie exterior de la pared del horno. Esta es tomada
con la termocupla en diferentes puntos de la pared en esta investigación se
tomaron 3 puntos.
• Temperatura de la escoria. Este dato es tomado con el pirómetro óptico. La
temperatura debe tomarse a la distancia recomendada por el catálogo del
dispositivo de medición; en este caso es de 1 m. y debe hacerse a la
escoria que fluye a través del agujero de escoriado para tener la
temperatura mas precisa de este producto.
• Temperatura de los gases de combustión. Este dato debe ser medido con
el dispositivo para analizar gases. Pero debido a las dificultades
presentadas por este se debió tomar con el pirometro óptico apuntando
hacia la superficie interior de la pared del horno. Esta temperatura debe ser
tomada justo en el lugar en el que los gases han dejado la zona de fusión
del horno. En el horno de cubilote el sitio más adecuado es en la puerta de
carga de los materiales de fundición. En el caso del crisol es en agujero por
donde los humos abandonan el hogar del crisol y se dirigen hacia la
chimenea (si la tiene).
6.1.5.3 Después de la operación. Después de la operación se debe tener en
cuenta las condiciones en las que el horno quedó, en especial el horno de cubilote
debido a que este sufre desgaste del revestimiento.
En el metal fundido y en los demás productos de la fundición en el horno de
cubilote se debe cuantificar, los siguientes parámetros.
103
• Porcentaje de CaCO en la escoria
• Porcentaje de C en el hierro (carburación)
• Porcentaje de C en las cenizas.
En el horno de crisol se debe tener en cuenta
• Depósitos de hollín en la boquilla del quemador.
• Depósitos de hollín en las paredes interiores del horno.
• Estado del crisol (fracturas o grietas).
6.2 CARACTERIZACION DE LOS HORNOS
6.2.1 . Hornos de cubilote. Los hornos evaluados fueron los pertenecientes a
empresas del sector metalúrgico de Cali, por razones de ética con las personas
que colaboraron con esta investigación no se mencionaran los nombres de los
lugares donde trabajan y operan estos hornos. Por lo cual a cada empresa se le
ha asignado una letra y al horno un código que representa el tipo de horno, la
empresa a la que pertenece y el número que ocupa en la empresa si hay más de
uno.
104
Tabla 5. Hornos de cubilote dimensionamiento.
Planta Código diámetro diámetro tw altura altura
horno interior m exterior m Acero
m
efectiva
teórica m
efectiva real
m
A CA1 0.6 0,98 0,01 3,6 3,95
B CB1 1,168 1,628 0,01 7 6,50
B CB2 0,635 1,012 0,01 3,79 2,5
C CC1 0,60 0,925 0,01 3,0 3,6
D CD1 0,5 0,96 0,01 3,0 2,8
Tabla 6. Hornos de cubilote por material de revestimiento.
Planta Código Tipo material material Material diseñadores
horno revestimiento refractario aislante coraza
A CA1 Acido Sílice Sílice Acero CDP
B CB1 Acido Sílice Sílice Acero CDP
B CB2 Acido Sílice Sílice Acero CDP
C CC1 Acido Sílice Sílice Acero CDP
D CD1 Acido Sílice Sílice Acero Experiencia.
105
Tabla 7. Hornos de cubilote sistemas de operación.
Planta Código control de control de flujo alimentación
horno flujo de aire combustible carga
A CA1 no usa operarios operarios
B CB1 análogo operarios operarios
B CB2 no usa operarios operarios
C CC1 no usa operarios operarios
D CD1 análogo operarios operarios
Tabla 8. Hornos de cubilote metal de fundición y combustible usado.
Planta Código metal combustible
horno de fundición
A CA1 hierro gris coque 76% C
B CB1 hierro gris coque 76% C
B CB2 hierro gris coque 76% C
C CC1 hierro gris coque 76% C
D CD1 hierro gris coque 76% C
Tabla 9. Hornos de cubilote. Técnicas de operación.
Planta Código precalentar precalentar precalentar limpiar
horno aire combustible metal metal
A CA1 no no * no
B CB1 no no * no
B CB2 no no * no
C CC1 no no * no
D CD1 no no * no
106
*El horno de cubilote precalienta el metal a medida que este va descendiendo por
el horno hasta llegar a la zona de fusión.
Tabla 10. Hornos de cubilote. Sistema de inyección de aire.
Planta Código número hilera
horno de toberas de toberas
A CA1 4 1
B CB1 4 1
B CB2 3 1
C CC1 3 1
D CD1 3 1
Tabla 11. Hornos de cubilote. Capacidad de producción.
Planta Código capacidad de
horno producción Kg. / h.
A CA1 870
B CB1 2200
B CB2 900
C CC1 790
D CD1 800
107
6.2.2 . Caracterización de los hornos de crisol. Al igual como se caracterizó los
hornos de cubilote, a las empresas se les asigna una letra y al horno un código
que representa el tipo de horno, la empresa a la que pertenece y el número que
ocupa en la empresa si hay mas de uno.
Tabla 12. Hornos de Crisol. Dimensiones.
Planta Código diámetro diámetro Grosor altura
horno interior m exterior m tapa
C CRC1 1.164 1,52 0,13 1,15
D CRD1 0,5 0,90 0,85 1
E CRE1 0,65 1,05 0,11 1,1
F CRF1 0,45 0,85 0,11 0,95
F CRF2 0,7 1,10 0,95 0
Tabla 13. Hornos de crisol. Tecnología para la operación.
Planta Código control de control de flujo alimentación
horno flujo de aire Combustible carga
C CRC1 análogo Análogo operarios
D CRD1 análogo Análogo operarios
E CRE1 análogo Análogo operarios
F CRF1 análogo Análogo operarios
F CRF2 análogo Análogo Operarios
108
Tabla 14. Tipo de crisol, metal de fundición y combustible usado.
Planta Código Tipo metal combustible
horno crisol de fundición
C CRC1 Fijo Manganeso aceite usado
D CRD1 Fijo Bronce aceite usado
E CRE1 Basculante Bronce coque 76% C
F CRF1 Fijo Aluminio aceite usado
F CRF2 foso bronce y cobre aceite usado
Tabla 15. Hornos de crisol. Técnicas de operación.
Planta Código precalentar precalentar precalentar limpiar
Horno aire combustible metal metal
C CRC1 no no no no
D CRD1 no no no no
E CRE1 no no no no
F CRF1 no no no no
F CRF2 no no no No
Tabla 16. Hornos de crisol materiales de construcción.
Planta Código material material Material diseñadores
Horno refractario tapa recubrimiento
C CRC1 sílice Silicato Cemento CDP
D CRD1 sílice Silicato Cemento CDP
E CRE1 sílice Silicato Acero CDP
F CRF1 sílice Silicato Barro CDP
F CRF2 sílice Silicato Tierra CDP
109
Tabla 17. Hornos de crisol. Capacidad de fundición.
Planta Código capacidad de
horno producción Kg. / h.
C CRC1 300
D CRD1 100
E CRE1 300
F CRF1 100
F CRF2 350
Tabla 18. Hornos de crisol. Número y tipo de quemadores.
Planta Código número de tipo de tipo
horno quemadores quemador horno
D CRD1 1 ventilador y boquilla Fijo
E CRE1 1 ventilador y boquilla Fijo
F CRF1 no posee soplador Fijo
G CRG1 1 ventilador y boquilla Fijo
G CRG2 1 ventilador y boquilla Foso
6.2.3 . Balance térmico y cálculo de eficiencia. Con los datos recopilados en la
encuesta, y los de la hoja de datos de la operación se puede proceder a calcular la
eficiencia del horno y encontrar cuales son las principales fuentes que promueven
las pérdidas de calor. Para lo cual es necesario hacer un balance de energía.
110
6.2.3.1 Evaluación energética en la empresa A. La empresa A opera un horno de
cubilote al cual se ha denominado CA1.
Datos de entrada
Tabla 19 Dimensiones del horno CA1
Dimensiones del horno m
Diámetro exterior 0,98
Diámetro interior 0,60
altura del crisol 0,16
altura zona arriba de las toberas 1,53
altura zona de fusión 0,54
altura zona precalentamiento 1,93
Tabla 20. Datos del aire, horno CA1,
Condiciones atmosféricas
presión atmosférica 26,67 (InHg) 0,9030 bar
humedad relativa del aire 44 % 0,44
presión del agua 0,05324 bar
Ru aire 0,08314 bar.m3 / Kgmol,K
111
Tabla 21. Temperaturas durante la operación, horno CA1.
Temperaturas ºC ºF K
Temp. de las superficies alrededor 44 111,2 317
Temperatura de los gases de salida 520 968 793
Temperatura del aire de combustión. 34 93,2 307
Temperatura del combustible 34 93,2 307
Temperatura de la escoria 1280 2336 1553
Temperatura del fundente 34 93,2 307
Temperatura de la carga 34 93,2 307
Temperatura del metal fundido 1348 2458,4 1621
Tabla 22 Temperaturas de la superficie del la coraza
superficie de la coraza ºC ºF K
Zona del crisol 210 410 483
zona arriba de las toberas 230 446 503
zona de fusión 185 365 458
zona precalentamiento 95 203 368
condiciones de la coraza metálica ligeramente oxidada
112
Tabla 23. Datos de flujos de carga a la entrada del horno CA1
Flujo de materiales al horno
Aire ventilador 836,65 Kg. / h
Aire teórico 1383,0 Kg. / h
exceso de aire -65,3 %
Hierro 870 Kg. / h
Coque 121,8 Kg. / h
caliza 34,80 Kg. / h
% CaCO3 en la caliza 97.5% 33,81 Kg. / h
% CaO en la escoria 25 %
Masa de C que se carburiso en Fe. 0,006 Kg. / h
6.2.3.2 Cálculo de pérdidas de calor y eficiencia energética empresa A.
La empresa A opera un horno de cubilote al que se denomina horno CA1.
Para este horno se realiza el procedimiento completo de cálculo de pérdidas y
eficiencia para los demás hornos se mostrara solo los resultados.
6.2.3.2.1 Pérdidas por humedad que entra al horno.
a. Humedad presente en el combustible.
De la tabla 2 se tiene que el porcentaje de humedad del coque es 1.97 %.
De la tabla 23
113
Flujo másico de combustible = mCOM = 121,8 Kg. / h.
Flujo másico de H2O = mH2OC = mCOM * 1,97 / 100
mH2OC= 2,39 Kg. / h. = 5,28 Lb / h.
Como la temperatura de los gases de escape es superior a 575 ºF se hace uso de
la ecuación 37.
( )
kW 59,0h
Btu1997,32Q
F93,2ºF)º 0,5(9411089h
Lb5,28Q
H20C
H20C
==
−+=
b. Pérdidas por humedad presente en el aire de combustión.
De los datos de la tabla 20 se tiene que.
La presión de saturación Pg a 34 ºC es 0.05324 bares Anexo 6
De la ecuación 15 se tiene.
Pv = ϕ Pg = 0.44*0.05324 bares
Pv = 0,02343 bares.
De la ecuación 16 se obtiene la relación de humedad.
114
ω = .0,622es0,02343barbares 0,9030
bares 0,02343−
ω = 0,01656 Kg.H2O / Kg. Aire.
Ahora se calcula el volumen de aire seco que entra en el horno. Haciendo uso de
la ecuación 17.
secoKg.airem
es0.02343bars0.9030bareK 307
.Kgmol
Kg29
K.Kgmolmbar.
0.08314
ν3
3
AIRESECO−
=
secoKg.airem
998.0ν3
aireseco=
En estas condiciones hay 1.001 Kg. de aire seco por cada m3 de aire que entra al
horno. Por lo tanto el flujo total de aire seco al horno es:
De la tabla 23.
Flujo volumétrico de aire 836 m3 / h.
h
Kg836,67m
)h
m)(641,1
m
Kg(1,001m
AIRESECOAIRESECO
3
3AIRESECO
AIRESECO
=
=
115
Flujo másico de humedad presente en el aire que entra al horno es calculado con
la ecuación18.
mH2OAire = (836, 67 Kgaireseco / h) (0, 01656 Kg.H2O / Kg. Aire)
mH2OAire = 13.88 Kg.H2O / h
Ahora se calcula la cantidad de calor perdido por la humedad presente en el aire.
Para lo cual se hará con la ecuación 38, ya que la temperatura de salida de los
gases es mayor a 575ºF.
( ) ( )F93,2ºF)0,50(941º1066Kg
Lb2,28,93KgQ H2OH20A −+
=
kW. 8,311h
BTU28355QH20A ==
6.2.3.2.2 Pérdidas por combustión de hidrógeno presente en el combustible.
De la tabla 2 se tiene que el porcentaje de hidrógeno en coque es 4.84%.
Con la ecuación 43 se tiene que:
( )
LcombBTU
634,58Q
Fº93,2F)º(9680,5010661004.84
9Q
H
H
=
−+
=
116
kW 49,84h
BTU170042,61Q
KgcomLb2,2
hKgcom
121,8LcombBTU
634,58Q
h. /Kg. 121,8 m ecombustibl de masico Flujo
H
H
COM
==
=
==
6.2.3.2.3 Pérdidas por fundición de caliza y transformación a escoria. De la tabla
23 se tiene que entran al horno 34.8 Kg. / h de fundente y la escoria resultante,
tiene un 25 % de CaCO.
Para calcular pérdidas por escoriado se debe primero calcular la masa de escoria
que se esta formando. Para ello se hace uso de las ecuaciones 46, 47, 48, 49, 50.
De la ecuación 47 se obtiene la masa de CaCO3 que entra al horno.
3CaCOCAL
CaCO3 .Kg8,33100
97,15.
h.Kg
8,34m ==
Con la ecuación 48 se calcula el número de moles de CaO formados en el interior
del cubilote.
CaOCaCO3
CaO .moles338,0100
Kg 33,8moles ==
117
De la ecuación 49 se obtiene el peso de CaO en la escoria. se obtiene el peso
molar del CaO.
WmolCAO=56,1Kg. / molesCaO
)mol
Kg. )(56,1(0,338molW
CaO
CaOCaOescoria =
Wescoria = 18,96 Kg.CaO
De la ecuación 50 se obtiene la masa de escoria formada. De la tabla 23 se tiene
que el porcentaje de CaO en la escoria es del 25 %.
.escoriaCaO
escoria Kg84,75
10025
18,96Kgm ==
Finalmente con este dato se puede calcular el calor perdido por escoriado. Con la
ecuación 46 y los datos de temperatura de la tabla 23. El calor específico de la
escoria se obtiene de la tabla del anexo 7.
( ) Kcal04,27520Cº 34Cº 1280)C.ºKg
Kcal2562,0()Kg. 75,84(Q
escoriaescoriaescoria =−=
Qescoria = 32,01 kW.
118
6.2.3.2.4 Pérdidas por carburación del hierro. De la tabla 23, se obtiene la masa
de C de carburación del hierro. Relación Fe – C. es 0,006 (Dato suministrado por
la empresa.).
Con la ecuación 43 se calcula la masa de carbono que empleo el hierro para la
carburación.
mcarburacion = (0,006)(870 Kg. / h) = 5,22 Kgcomb.
Con la ecuación 43 se puede calcular las pérdidas por carburación del metal. Para
el carbono el poder calorífico superior es de 33620CKg
kJ.
kW75,48KJ4,175496)Kg
KJ33620()Kg22,5(Q
combCOMBnCarburacio ===
6.2.3.2.5 . Pérdidas por transferencia de calor. Este cálculo se hace necesario
en esta investigación por dos razones, una de ellas es, evaluar que parte de las
pérdidas de energía aportan las paredes en la eficiencia de operación del horno.
Por otro lado al no tener disponible el equipo adecuado, para la mediciones
necesarias (% CO, % CO2, % O, % NOx, % SOX, temperatura) a los humos que
escapan por la chimenea. Se hace necesario calcular estas pérdidas para estimar,
por medio de balance de energía, el calor que se pierde con los gases de
combustión.
119
Para este cálculo se debería empleará, la ecuación 50, pero como no se conocen
las condiciones reales de combustión en la zona de oxidación del horno, se debe
hacer una aproximación usando las ecuaciones 28 y 30. Para lo cual se hace
necesario conocer, las propiedades térmicas de los materiales, que componen la
superficie exterior de las paredes del horno, las paredes que los rodean y las
propiedades del aire en las condiciones de operación. La temperatura de la
superficie exterior de la coraza no es uniforme a medida que el calor aportado por
las reacciones exotérmicas del combustible con el aire asciende por las diferentes
zonas del horno va perdiendo energía por lo tanto el calor transferido del interior
del cubilote hacia el exterior no es el mismo por lo que resulta en temperaturas
exteriores diferentes en la superficie de la coraza.
Para calcular las pérdidas por transferencia de calor se recurrió a la figura 6. en la
que aparecen representadas todas las zonas de operación y reacción del cubilote.
De las cuales solo es posible medir directamente 4 las cuales son:
� Altura del crisol.
� Altura de las toberas
� Altura zona de fusión.
� Zona de precalentamiento
La zona de oxidación corresponde a la altura de las toberas y la zona de reducción
no es posible medirla directamente debido a que la temperatura registrada por
esta zona y la de zona de fusión es prácticamente la misma por lo tanto se la tomó
como si fuese una.
Los materiales con los que están, construidos los hornos esta disponible, en la
tabla 7.
120
a. Pérdidas de calor por radiación de la coraza. Ecuación 29.
De la tabla 6, horno CA1
� Diámetro exterior superficie zona crisol = Dextc = 0,96 m
� Diámetro exterior hasta la coraza de acero Dcor = Dext + 0,02 m
� Dcor = 0,98 m
� altura crisol = LC = 0,16 m
� altura Toberas = LTob = 1,53 m
� altura zona fusión = LFus = 0,54 m
� altura zona de precalentamiento = Lpre = 1,93 m
De la tabla 7 horno CA1
Propiedades para el acero se emplea la tabla del anexo 4.
� Emisividad del acero ligeramente oxidado ε = 0,6
De la tabla 22.
� Temperatura zona crisol = TCCR = 483 K.
� Temperatura arriba de las toberas = TTB = 503 K.
121
� Temperatura zona de fusión = TFU = 458 K
� Temperatura zona de la puerta de carga = TPU = 368 K.
De la tabla 21.
� Temperatura de las paredes que rodean al horno =Tpared = 317 K.
Área de las superficies de transferencia.
� Área zona crisol = ACCR = 2ccor m49,0LD =π .
� Área arriba de las toberas = ATB = 2TOBcor m61,4LD =π
� Área zona de fusión = AFU = 2Fuscor m64,1LD =π
� Área zona de precalentamiento = APU = 2precor m67,5LD =π
Cálculo de las pérdidas de las zonas.
−= 4)K317(4)K483()(0,06)(0,7)
Km
W(5,67.10m49,0Q
428-2
Rcrisol
Kw60,0QRcrisol =
122
−= 4)K317(4)K503((0,6)(0,7))
Km
W(5,67.10m61,4Q
428-2
RTOBERAS
Kw71,6QRTOBERAS =
−= 4)K317(4)K458((0,6)(0,7))
Km
W(5,67.10m64,1Q
428-2
RFUSION
Kw61,1QRFUSION =
−= 4)K317(4)K368((0,6)(0,7))
Km
W(5,67.10m82,5Q
428-2
RPRE
kW14,2QRPRE =
Total pérdidas por radiación
QRTotal = Qcrisol + QROBERAS + QRFUSION + QRpre
QRTotal = 11,05 Kw.
b. Pérdidas de calor por conveccion de la coraza.
Para calcular las pérdidas de calor por conveccion de la coraza se usa la ecuación
53.
Datos de temperaturas de aire. Tabla 21.
123
� Tamb = 307 K.
I. Cálculo de pérdida de calor para la coraza a la altura del crisol.
Cálculo de coeficiente convectivo del aire hc.
� Propiedades del aire a la 307 K anexo 5.
� Km
W0,0269K aire =
� Pr = 0,69
� s
m10x67,15
26−=ν
Ahora se calcula ULN con la ecuación 54 o 55 dependiendo del valor de RaL.
Ψ Con la ecuación 55.
343,0
916
169
69,0492,0
1 =Ψ⇒
−
+=Ψ Adimensional.
RaL con las ecuaciones 56 y 57.
124
K1
10x53,2
2K307K483
1 3−=+
=β
( )( ) ( )( )( )69,0
sm
10x67,15
m16,0s
m81,9K176K10x53,2
Ra22
6
3
213
L
=−
−−
7L 10x22,5Ra = Adimensional.
Como 9L 10Ra ≤ entonces para calcular ULN se usa la ecuación 63.
2,44NUL = Adimensional.
Reemplazando estos valores en la ecuación 53 se obtiene el valor del coeficiente
de transferencia de calor por conveccion.
Km
W35,7h2,44
m 0,16Km
W0,0269
h2CAIRECAIRE =⇒
=
Con esta respuesta es posible conocer la magnitud de la pérdida de calor en la
coraza a la altura del crisol. Con la ecuación 34.
)K307(483K.0,49mKm
W7,35Q 2
2Ccrisol −=
125
wK634,0Q CCrisol =
II. Cálculo de pérdida de calor para la coraza arriba de las toberas.
Las propiedades del aire son las mismas para todos los cálculos de conveccion
Se calcula ULN .
Ψ =0,343 Adimensional.
K1
10x47,2
2K307K503
1 3−=+
=β
( )( ) ( )( )( )69,0
sm
10x67,15
m53,1s
m81,9K196K10x47,2
Ra22
6
3
213
L
=−
−−
10L 10x76,4Ra = Adimensional.
Como 9L 10Ra > entonces para calcular ULN se usa la ecuación 52
3,381NUL = Adimensional.
126
Km
W66,6h3,381
m 1,53Km
W0,0269
h2CAIRETOBAIRE =⇒
=
)K307(503K.4,61mKm
W6,66Q 2
2CTOB −=
wK02,6Q CTOB =
III. Cálculo de pérdida de calor para la coraza en la zona de fusión.
Las propiedades del aire son las mismas para todos los cálculos de conveccion
Se calcula ULN .
Ψ =0,343 Adimensional.
K1
10x61,.2
2K307K458
1 3−=+
=β
( )( ) ( )( )69,0
sm
10x67,15
m54,0sm
81,9K151K10x61,2Ra
226
3
213
L
=−
−−
127
9L 10x76,1Ra = Adimensional.
Como LRa es ligeramente mayor a 109 entonces es posible usar la ecuación 64
para calcular ULN .
4,128NUL = Adimensional.
Km
W35,6h4,128
m 0,54Km
W0,0269
h2CAIRECFUS =⇒
=
)K307(458K.4,61mKm
W6,35Q 2
2CFUS −=
wK57,1Q CFUS =
IV. Cálculo de pérdida de calor de la coraza en la zona de precalentamiento.
Las propiedades del aire son las mismas para todos los cálculos de conveccion
Se calcula ULN .
Ψ =0,343 Adimensional.
128
K1
10x96,.2
2K307K368
1 3−=+
=β
( )( ) ( )( )69,0
sm
10x67,15
m93,1sm
81,9K61K10x96,2Ra
226
3
213
L
=−
−−
10L 10x57,13Ra = Adimensional.
Como 9L 10Ra > entonces para calcular ULN se usa la ecuación 64.
6,346NUL = Adimensional.
KmW
84,4h4,128m 1,93
KmW
0,0269h 2CAIRECAIRE =⇒
=
)K307(368K.5,82mKm
W4,84Q 2
2CPRE −=
wK72,1Q CPRE =
Total pérdidas por conveccion de la coraza.
QCCTotal = QCCRISOL + QCTOB + QCFU + QCPRE
129
QCCTotal = 9,94 Kw.
Total pérdidas por transferencia de calor, por de conveccion y radiación de la
coraza.
QTTC = QRTotal + QCCTotal
QTTC = 20,99 Kw.
6.2.3.2.6 Pérdidas de calor en los gases de combustión. Como ya se menciono,
no hubo manera de cuantificar directamente las pérdidas de calor en los humos,
debidos principalmente a la ausencia de equipos adecuados en la ciudad de Cali
para tales mediciones. Así que se decidió hacer este cálculo por balance de
energías.
Como se conocen la magnitud de las pérdidas, el calor empleado para fundir el
metal. El calor aportado por el combustible se puede establecer fácilmente, la
única perdida no establecida es la perdida de calor en los humos asi que se hace
la diferencia entre el calor aportado por el combustible y el calor extraído del
horno, obteniendo así la magnitud de las perdidas en los humos.
PERDIDASMETALCOMHUMOS QQQQ −−= 59
NCARBURACIOESCORIAHOA2HOC2HPERDIDAS QQQQQQ ++++= 60
wK648QPERDIDAS =
130
=METALQ Como en la ecuación 32 y anexo 7.
( )Cº34Cº1348CºKg
kcal1619,0
hKg
870QMETAL −
=
Kw25,215h
Kcal84,185080QMETAL ==
De la tabla 1 se tiene el poder calorífico del coque y de la tabla 23 se obtiene el
flujo masico de combustible.
wK86,863h
KJ4,3109919
hKg
8,121KgKJ
25533QCOM ==
=
wK62,648Kw25,215wK86,863QHUMOS −−=
Kw38,483QHUMOS =
Al observar estos resultados es evidente, que las pérdidas de calor en los humos,
son las que llevan la mayor parte de la energía suministrada por el combustible,
pero se debe tener en cuenta que no se estimaron las pérdidas de calor por
incombustion de carbono, que escapa en los humos en forma de CO (monóxido
de carbono), el que queda en las cenizas y en la escoria.
Para cuantificar la cantidad de energía pérdida por estos factores se debe hacer
un balance de energía, entre el calor que sale en los humos QHUMOS calculado con
la ecuación 59 y el calor teórico que puede ser calculado con la masa de humos
131
teórica formada en la combustión y multiplicando este valor por el calor específico
de estos humos a la temperatura de salida del horno.
( )AIREHUMOSPHUMOSHRTHUMOS TTCpmQ −= 61
Donde:
QTHUMOS: Calor de los humos, teórico.
CpPHUMOS: calor específico promedio de los humos.
TAIRE: temperatura del aire a la entrada del horno.
THUMOS: temperatura de los gases de escape en la chimenea.
El aire mínimo se calcula de 6 y 7. De la tabla 2 se tiene el análisis elemental del
combustible.
Omin = 0459,00081,0)0484,0(87635,01232 −++
ECOMBUSTIBL
OXIGENOmin Kg
Kg38,2O =
Aire mínimo por kilogramo de combustible. Ecuación 7.
132
ECOMBUSTIBL
AIREMINCOM Kg
Kg35,11)47,2(76,4A ==
De la tabla 23 flujo de combustible 121,8 Kg.combustible / h
h
Kg43,1382A minT
minT =
De la tabla 23 se tiene el flujo de aire real.
h
Kg65,836A AR
REAL =
El exceso de aire se obtiene de la ecuación 8.
66,0
h
Kg65,836
h
Kg43,1382
1AIRE
AIRE
−=α⇒−=α
Esto significa que el horno tiene un déficit de aire en una proporción del 66%
Cálculo de la masa de humos teórica. Ecuación 11.
0163,00197,035,1110079
)81,0(2)0484,0(97635,01244
mHUMOS +++++=
ECOMBUSTIBL
HUMOHUMOS Kg
Kg26,12m =
133
Masa de gases con aire por kilogramo de combustible real. Ecuación 12.
( )66,0Kg
Kg26,12
Kg
Kg26,12m
ECOMBUSTIBL
HUMO
ECOMBUSTIBL
HUMOHUMOSREAL −
+=
ECOMBUSTIBL
HUMOHUMOSREAL Kg
Kg17,4m =
De la tabla 23 se tiene el flujo de combustible.
=
h
Kg8,121
Kg
Kg17,4m ECOMBUSTIBL
ECOMBUSTIBL
HUMOHR
h
Kg90,507m HUMO
HR =
Ahora se calcula el calor específico de los humos, CpPHUMOS. Con los datos del
anexo 11, se calcula el calor específico para el H2O y para SO2. Los calores
específicos para los demás componentes del humo, se determinan con los datos
de la Anexo 12.
2O2N2SO2O2H22CO2HUMOSp OCp%NCp%CpSO%OCpH%CpCO%Cp ++++=
134
Participación porcentual estequiométrica del peso de los componentes en los
humos. Esta es cociente entre el peso molar
%CO2 = %963,15m
C%
1244
RH
ecombustibl =
%H2O =( )( )
%596,2m
100mm*9
RH
OCOMB2HHCOMB =+
%SO2 = %092,0m
)100(m2
RH
SCOMB =
%N2 = ( )( ) %893,76m100
mm798,0RH
NCOMBRH =+
%O2 = ( )( ) %455,41100N%SO%OH%CO% 2222 =−−+++
KKgKJ
192,1CpHUMOSp =
( )K496KKg
KJ192,1
h
Kg2,1493Q
HUMO
HUMOTHUMOS
=
135
wK21,129h
KJ40,465173QTHUMOS ==
Las pérdidas de calor no estimadas son entonces la diferencia entre el calor
calculado en los humos por balance QHUMOS, y el calor calculado por
estequiometria QTHUMOS.
THUMOSHUMOSNOEST QQQ −=
Kw17,354Kw21,129wK38,483QNOEST =−=
Por lo tanto las pérdidas de calor en los humos están en su mayoría
representadas por la incombustion de C, además con el alto déficit de aire, la
acumulación de combustible en cenizas debe ser bastante apreciable. Además
aunque en pocas proporciones, también están involucradas las pérdidas por
conducción, conveccion y radiación que no se calcularon.
6.2.3.2.7 Cálculo de la eficiencia de fusión del horno CA1.
100kW11,815kW25,215
100QQ
kW25,215100
NCARBURACIOCOMNETOCOM
METALFUSION =
−==η
%40,26FUSION =η .
136
Tabla 24. Resultados para la evaluación energética del horno CA1
Fuente de pérdida Kw.
Humedad combustible. 0,61
combustión Hidrógeno 49,84
Gases de escape 130,42
transferencia de calor paredes 21,00
humedad del aire 13,38
Formación escoria 32,01
carburación Hierro 48,75
Pérdidas no estimadas 354,17
Eficiencia de fundición 26,40%
6.2.3.3 Cálculo de pérdidas de calor y eficiencia energética. Empresa B. Esta
empresa posee dos hornos de cubilote los cuales fueron codificados como CB1 y
CB2.
Para simplificar trabajo y espacio, en este informe, se realizaron los cálculos
correspondientes a las pérdidas de calor y eficiencia, para los demás hornos de
cubilote, de igual manera como se hizo para CA1, pero en los demás casos se uso
la ayuda de una hoja de cálculo y solo se mostraran las variables de entrada y los
resultados.
137
6.2.3.3.1 Evaluación energética Horno CB1
Tabla 25 Dimensiones horno CB1.
Tabla 26. Datos temperaturas de operación horno CB1.
Temperaturas ºC ºF K
Temp. de las superficies alrededor 42 107,6 315
Temperatura de los gases de salida 510 950 783
Temperatura del aire de combustión. 22 71,6 295
Temperatura del combustible 22 71,6 295
Temperatura de la escoria 1285 2345 1558
Temperatura del fundente 22 71,6 295
Temperatura de la carga 22 71,6 295
Temperatura del metal fundido 1378 2512,4 1651
Dimensiones del horno m
Diámetro exterior 1,628
Diámetro interior 1,168
altura del crisol 0,11
altura zona arriba de las toberas 3,05
altura zona de fusión 0,90
altura zona precalentamiento 3,05
138
Tabla 27. Temperaturas de la coraza CB1
superficie de la coraza ºC ºF K
crisol 226 438,8 499
zona arriba de las toberas 241 465,8 514
zona de fusión 198 388,4 471
zona cercana a la puerta de carga 98 208,4 371
condiciones de la coraza metálica ligeramente oxidada
Tabla 28. Datos del aire de combustión, horno CB1
Condiciones atmosféricas
presión atmosférica 29,55 (InHg) 1,0006 bar
humedad relativa del aire 43% 0,43
presión del agua 0,03782bar
Ru aire 0,08314 bar.m3 / Kgmol,K
Tabla 29. Datos de flujo de carga a la entrada del horno CB1
Flujo de materiales al horno
Aire ventilador 6143,49 Kg. / h
Aire teórico 3497,2 Kg. / h
exceso de aire 43,1 %
Hierro 2200 Kg. / h
Coque 308 Kg. / h
caliza 132,00 Kg. / h
% CaCO3 en la caliza 97.5% 128,24 Kg. / h
Masa de C que se carburiso en Fe. 13,2 Kg. / h
139
Tabla 30.Resultados de la evaluación energética al horno CB1
Fuente de pérdida Kw.
Humedad combustible. 1,58
combustión Hidrógeno 127,12
Gases de escape 797,20
transferencia de calor paredes 100,38
humedad del aire 37,95
Formación escoria 130,83
carburación Hierro 123,27
Pérdidas no estimadas 134,11
Eficiencia de fundición 35,52%
6.2.3.3.2 Evaluación energética Horno CB2
Datos de entrada horno CB2.
Tabla 31.Dimensiones del horno. CB2
Dimensiones del horno m
Diámetro exterior 1,012
Diámetro interior 0,632
altura del crisol 0,15
altura zona arriba de las toberas 1,61
altura zona de fusión 0,56
altura zona precalentamiento 1,61
140
Tabla 32. Tabla de temperaturas de operación del horno CB2
Temperaturas ºC ºF K
Temp. de las superficies alrededor 38 100,4 311
Temperatura de los gases de salida 500 932 773
Temperatura del aire de combustión. 30 86 303
Temperatura del combustible 30 86 303
Temperatura de la escoria 1140 2084 1413
Temperatura del fundente 30 86 303
Temperatura de la carga 36 96,8 309
Temperatura del metal fundido 1368 2494,4 1641
Tabla 33. Temperatura de operación de la coraza del horno CB2
superficie de la coraza ºC ºF K
Crisol 223 433,4 496
zona arriba de las toberas 241 465,8 514
zona de fusión 191 375,8 464
zona cercana a la puerta de carga 98 208,4 371
condiciones de la coraza metálica Fuertemente oxidada
Tabla 34. Condiciones atmosféricas del horno CB2
Condiciones atmosféricas
presión atmosférica 29,55 (InHg) 1,0006 bar
humedad relativa del aire 38 % 0,38
presión del agua 0,03782 bar
Ru aire 0,08314 bar.m3 / Kgmol,K
141
Tabla 35. Flujo material de carga al interior del horno CB2
Flujo de materiales al horno
Aire ventilador 2388,16 Kg. / h
Aire teórico 1430,7 Kg. / h
exceso de aire 40,1 %
Hierro 900 Kg. / h
Coque 126 Kg. / h
Caliza 45,00 Kg. / h
% CaCO3 en la caliza 97.5% 43,72 Kg. / h
Masa de C que se carburiso en Fe. 5,4 Kg. / h
Resultados de la operación horno CB2.
Tabla 36. Magnitud de las pérdidas y eficiencia de fusión horno CB2.
Fuente de pérdida Kw.
Humedad combustible. 0,61
combustión Hidrógeno 51,18
Gases de escape 311,59
transferencia de calor paredes 24,43
humedad del aire 13,79
Formación escoria 37,98
carburación Hierro 50,43
Pérdidas no estimadas 109,48
Eficiencia de fundición 34,89%
142
6.2.3.4 Cálculo de pérdidas de calor y eficiencia energética. Empresa C. Esta
empresa opera un horno de crisol CRC1 y uno de cubilote CC1.
• Datos de entrada horno de cubilote CC1
Tabla 37. Dimensiones del horno CC1
Dimensiones del horno m
Diámetro exterior 0,92
Diámetro interior 0,6
altura del crisol 0,09
altura zona arriba de las toberas 1,54
altura zona de fusión 0,51
altura zona precalentamiento 1,54
Tabla 38. Temperaturas de operación del horno CC1.
Temperaturas ºC ºF K
Temp. de las superficies alrededor 40 104 313
Temperatura de los gases de salida 505 941 778
Temperatura del aire de combustión. 28 82,4 301
Temperatura del combustible 28 82,4 301
Temperatura de la escoria 1224 2235,2 1497
Temperatura del fundente 28 82,4 301
Temperatura de la carga 28 82,4 301
Temperatura del metal fundido 1352 2465,6 1625
143
Tabla 39. Temperaturas de operación horno CC1.
superficie de la coraza ºC ºF K
Crisol 215 419 488
zona arriba de las toberas 238 460,4 511
zona de fusión 198 388,4 471
zona cercana a la puerta de carga 93 199,4 366
condiciones de la coraza metálica completamente oxidada
Tabla 40. Condiciones atmosféricas del horno CC1.
Condiciones atmosféricas
presión atmosférica 28,55 (InHg) 0,9667 bar
humedad relativa del aire 43 % 0,43
presión del agua 0,03782 bar
Ru aire 0,08314 bar.m3 / Kgmol,K
Tabla 41. Flujo material de carga al interior del horno CC1.
Flujo de materiales al horno
Aire ventilador 645,12 Kg. / h
Aire teórico 794,8 Kg. / h
exceso de aire -23,2 %
Hierro 500 Kg. / h
Coque 70 Kg. / h
caliza 30,00 Kg. / h
% CaCO3 en la caliza 97.5% 29.15 Kg. / h
Masa de C que se carburiso en Fe. 3 Kg. / h
144
Tabla 42.magnitud de las pérdidas y eficiencia de fusión horno CC1.
Fuente de pérdida Kw.
Humedad combustible. 0,35
combustión Hidrógeno 28,59
Gases de escape 96,90
transferencia de calor paredes 18,76
humedad del aire 4,82
Formación escoria 28,93
carburación Hierro 28,02
Pérdidas no estimadas 128,44
Eficiencia de fundición 34,51%
Para evaluar las pérdidas de calor y la eficiencia de fusión, en los hornos de crisol,
se procede de igual manera, como se calcularon las pérdidas en los hornos de
cubilote, excepto que en los hornos de crisol el metal no gana ni pierde carbono en
su estructura molecular por lo tanto no hay pérdidas de calor por carburación.
Tampoco forman escoria ya que en su interior no se generan reacciones químicas
estructurales del metal, no hay necesidad de agregar fundentes, en ocasiones se
hace para recoger algunas impurezas del metal pero, no se hace generalmente y
si se hace es hecho con muy pocas cantidades. Respecto a las pérdidas por
conveccion y radiación de las paredes del horno no hay necesidad de dividir la
superficie en sectores como se hizo con los hornos de cubilote, debido a que la
altura de la pared de este tipo de horno es pequeña y la temperatura superficial es
uniforme. También debe tenerse en cuenta las pérdidas de calor por la tapa del
horno.
145
• Horno de crisol CRC1
Cálculo de calor de la tapa del horno. (solo se calcula para este horno que si la
usa los demás no hacen uso de estas tapas).
Datos de la tabla 14.
Diámetro de la tapa igual al diámetro exterior del horno.
Dtapa = 1,05 m
Datos del anexo 5.
Taire = 305 K.
TSup = 571 K
Propiedades del aire a la temperatura indicada.
k = 0.0271
v= 18,65 x 10-6
Pr = 0.69
RaL = 1,37 x 1010
Como RaL es mayor a 2 x 10 7 entonces se aplica la ecuación 68.
68,184NUL =
146
Km
W77,468,184
m05.1Km
W0271.0
h2c ==
( )K305K571Km
W77,4m87,0Q 2
2TAPA −
=
wK103,1QTAPA =
El combustible usado para la mayoría de los hornos de crisol que se evaluaron en
esta investigación es el aceite quemado de vehiculo. Para calcular el aire teórico
se procede de igual manera como se hizo para el carbón coque.
El aire mínimo se calcula de 11 y 12. De la tabla 4 se tiene el análisis elemental
del combustible.
Omin = 001,00281,0)1128,0(88503,01232 −++
ECOMBUSTIBL
OXIGENOmin Kg
Kg20,3O =
Aire mínimo por kilogramo de combustible. Ecuación 11
ECOMBUSTIBL
AIREMINCOM Kg
Kg23,15)20,3(76,4A ==
147
La masa de humos real se halla igual como se cálculo para el coque. Los demás
cálculos de los hornos de crisol igual como se cálculo para CA1.
Tabla 43. Dimensiones de operación del horno CRC1
Dimensiones del horno m
Diámetro exterior 1,168
Diámetro interior 0,808
Diámetro tapa 1,168
altura del crisol 1,00
Tabla 44. Temperaturas de operación del horno CRC1
Temperaturas ºC ºF K
Temp. de las superficies alrededor 48 118,4 321
Temperatura de los gases de salida 620 1148 893
Temperatura del aire de combustión. 32 89,6 305
Temperatura del combustible 32 89,6 305
Temperatura de la carga 32 89,6 305
Temperatura del metal fundido 1320 2408 1593
Tabla 45. Temperaturas de operación de las superficies del horno CRC1
superficies del horno ºC ºF K
crisol 287 548,6 560
tapa del crisol 287 548,6 560
148
Tabla 46 condiciones atmosféricas de operación del horno CRC1
Condiciones atmosféricas
presión atmosférica 29,55 (InHg) 1,0006 Bar
humedad relativa del aire 43 % 0,43
presión del agua 0,03782 Bar
Ru aire 0,08314 bar.m3 / Kgmol,K
Tabla 47. Flujo material al interior del horno CRC1
Flujo de materiales al horno
Aire ventilador 809,54 Kg. / h
Aire teórico 422,5 Kg. / h
exceso de aire 47,8 %
metal Mn 62,5 Kg. / h
combustible 27,76 Kg. / h
Tabla 48. Magnitud de las perdías y eficiencia horno CRC1
Fuente de pérdida Kw.
Humedad combustible. 0,05
combustión Hidrógeno 28,18
Gases de escape 122,10
transferencia de calor paredes 24,72
humedad del aire 5,83
Pérdidas no estimadas 150,45
Eficiencia de fundición 3,18%
149
6.2.3.5 Cálculo de pérdidas de calor y eficiencia energética. Empresa D. Esta
empresa opera 2 hornos de cubilote CD1 y de crisol CRD1
• evaluación energética horno CD1.
Datos de entrada.
Tabla 49. Dimensiones del horno CD1
Dimensiones del horno m
Diámetro exterior 0,96
Diámetro interior 0,5
altura del crisol 0,17
altura zona arriba de las toberas 1,23
altura zona de fusión 0,53
altura zona precalentamiento 1,23
Tabla 50.Temperaturas de operación del horno CD1
Temperaturas ºC ºF K
Temp. de las superficies alrededor 40 104 313
Temperatura de los gases de salida 493 919,4 766
Temperatura del aire de combustión. 33 91,4 306
Temperatura del combustible 33 91,4 306
Temperatura de la escoria 1262 2303,6 1535
Temperatura del fundente 33 91,4 306
Temperatura de la carga 33 91,4 306
Temperatura del metal fundido 1346 2454,8 1619
150
Tabla 51. Temperaturas de operación de la coraza del horno CD1
superficie de la coraza ºC ºF K
crisol 215 419 488
zona arriba de las toberas 225 437 498
zona de fusión 173 343,4 446
zona cercana a la puerta de carga 79 174,2 352
condiciones de la coraza metálica fuertemente oxidado
Tabla 52. Condiciones atmosféricas de operación horno CD1.
Condiciones atmosféricas
presión atmosférica 29,04 (InHg) 0,9833 bar
humedad relativa del aire 39 % 0,39
presión del agua 0,05034 bar
Ru aire 0,08314 bar.m3 / Kgmol,K
Tabla 53. Flujo material de carga al interior del horno CD1.
Flujo de materiales al horno
Aire ventilador 1347,92 Kg. / h
Aire teórico 1033,3 Kg. / h
exceso de aire 23,3 %
Hierro 650 Kg. / h
Coque 91 Kg. / h
caliza 26,00 Kg. / h
% CaCO3 en la caliza 97.5% 25,26 Kg. / h
Masa de C que se carburiso en Fe. 1,3 Kg. / h
151
Tabla 54. Magnitud de las pérdidas y eficiencia de fusión horno CD1
Fuente de pérdida Kw.
Humedad combustible. 0,46
combustión Hidrógeno 39,28
Gases de escape 247,23
transferencia de calor paredes 14,91
humedad del aire 4,96
Formación escoria 25,88
carburación Hierro 6,07
Pérdidas no estimadas 164,79
Eficiencia de fundición 27,42%
• Evaluación energética horno CRD1.
Datos de entrada
Tabla 55. Dimensiones del horno CRD1.
Dimensiones del horno m
Diámetro exterior 0,91
Diámetro interior 0,55
Diámetro tapa 0,91
altura del crisol 1,0
152
Tabla 56. Temperaturas de operación del horno CRD1
Temperaturas ºC ºF K
Temp. de las superficies alrededor 52 125,6 325
Temperatura de los gases de salida 658 1216,4 931
Temperatura del aire de combustión. 38 100,4 311
Temperatura del combustible 38 100,4 311
Temperatura de la carga 38 100,4 311
Temperatura del metal fundido 985 1805 1258
Tabla 57. Temperaturas de operación de las superficies del horno CRD1
superficies del horno ºC ºF K
crisol 310 590 583
tapa del crisol
Tabla 58. Condiciones atmosféricas de operación del horno CRD1
Condiciones atmosféricas
presión atmosférica 29,00 (InHg) 0,9819 bar
humedad relativa del aire 37 % 0,37
presión del agua 0,06632 bar
Ru aire 0,08314 bar.m3 / Kgmol,K
153
Tabla 59. Flujo de material al interior del horno CRD1
Flujo de materiales al horno
Aire ventilador 629,54 Kg. / h
Aire teórico 325,0 Kg. / h
exceso de aire 48,4 %
metal Aluminio 20 Kg. / h
combustible 21,36 Kg. / h
Tabla 60.Magnitud de las pérdidas y eficiencia del horno CRD1.
Fuente de pérdida Kw.
Humedad combustible. 0,04
combustión Hidrógeno 22,00
Gases de escape 99,74
transferencia de calor paredes 14,19
humedad del aire 8,23
Pérdidas no estimadas 113,38
Eficiencia de fundición 2,14%
6.2.3.6 Cálculo de pérdidas de calor y eficiencia energética. Empresa E. Esta
empresa opera un horno de crisol el cual a diferencia de los demás hornos de
crisol evaluados en esta investigación opera con Carbón coque.
• Evaluación energética horno CRE1.
154
Datos de entrada
Tabla 61. Dimensiones del horno CRE1
Dimensiones del horno m
Diámetro exterior 1,01
Diámetro interior 0,65
Diámetro tapa 1,01
altura del crisol 1,0
Tabla 62. Temperaturas de operación del horno CRE1
Temperaturas ºC ºF K
Temp. de las superficies alrededor 47 116,6 320
Temperatura de los gases de salida 658 1216,4 931
Temperatura del aire de combustión. 34 93,2 307
Temperatura del combustible 34 93,2 307
Temperatura de la carga 34 93,2 307
Temperatura del metal fundido 968 1774,4 1241
Tabla 63. Temperatura de operación de las superficies del horno CRE1
superficies del horno ºC ºF K
crisol 295 568,4 571
tapa del crisol
155
Tabla 64. Condiciones atmosféricas de operación del horno CRE1
Condiciones atmosféricas
presión atmosférica 26,65 (InHg) 0,9024 bar
humedad relativa del aire 38 % 0,38
presión del agua 0,06632 bar
Ru aire 0,08314 bar.m3 / Kgmol,K
Tabla 65. Flujo de materiales al interior del horno CRE1
Flujo de materiales al horno
Aire ventilador 740,10 Kg. / h
Aire teórico 738,0 Kg. / h
exceso de aire 0,3 %
metal Bronce 250 Kg. / h
combustible coque 65,00 Kg. / h
Datos de salida
Tabla 66. Magnitud de las pérdidas y eficiencia del horno CRE1.
Fuente de pérdida Kw.
Humedad combustible. 0,43
combustión Hidrógeno 28,87
Gases de escape 155,63
transferencia de calor paredes 19,85
humedad del aire 13,62
Pérdidas no estimadas 218,49
Eficiencia de fundición 5,30%
156
6.2.3.7 Cálculo de pérdidas de calor y eficiencia energética. Empresa F. La
empresa F opera dos hornos de crisol CRF1
• Evaluación energética horno CFR1.
Datos de entrada.
Tabla 67. Dimensiones del horno CRF1
Dimensiones del horno m
Diámetro exterior 0,89
Diámetro interior 0,53
Diámetro tapa 0,89
altura del crisol 0,8
Tabla 68. Temperaturas de operación del horno CRF1
Temperaturas ºC ºF K
Temp. de las superficies alrededor 49 120,2 322
Temperatura de los gases de salida 658 1216,4 931
Temperatura del aire de combustión. 33 91,4 306
Temperatura del combustible 33 91,4 306
Temperatura de la carga 33 91,4 306
Temperatura del metal fundido 1116 2040,8 1389
157
Tabla 69. Temperatura de operación de las superficies del horno CRF1
superficies del horno ºC ºF K
crisol 298 568,4 571
tapa del crisol
Tabla 70. Condiciones atmosféricas de operación del horno CFR1
Flujo de materiales al horno
Aire ventilador 576,57 Kg. / h
Aire teórico 541,5 Kg. / h
exceso de aire 6,1 %
metal Cobre 70 Kg. / h
combustible 35,58 Kg. / h
Datos de salida
Tabla 71. Magnitud de las pérdidas y eficiencia de fundición del horno CRF1.
Fuente de pérdida Kw.
Humedad combustible. 0,07
combustión Hidrógeno 36,87
Gases de escape 122,02
transferencia de calor paredes 13,62
humedad del aire 6,70
Pérdidas no estimadas 245,51
Eficiencia de fundición 3,14%
158
• Evaluación energética horno CFR2.
Datos de entrada.
Tabla 72.dimensiones del horno CFR2
Dimensiones del horno m
Diámetro exterior 0,86
Diámetro interior 0,50
Diámetro tapa 0,86
altura del crisol 0,3
Tabla 73.Temperaturas de operación del horno CRF2
Temperaturas ºC ºF K
Temp. de las superficies alrededor 51 123,8 324
Temperatura de los gases de salida 660 1220 933
Temperatura del aire de combustión. 32 89,6 305
Temperatura del combustible 32 89,6 305
Temperatura de la carga 32 89,6 305
Temperatura del metal fundido 662 1223,6 935
Tabla 74.Temperaturas de operación de las superficies del horno.
superficies del horno ºC ºF K
crisol 290 554 563
tapa del crisol
159
Tabla 75. Condiciones atmosféricas de operación del horno CFR2
Condiciones atmosféricas
presión atmosférica 27,44 (InHg) 0,9291 bar
humedad relativa del aire 38 % 0,38
presión del agua 0,04759 bar
Ru aire 0,08314 bar.m3 / Kgmol,K
Tabla 76. Flujo d e materiales al interior del horno CRF2
Flujo de materiales al horno
Aire ventilador 712,64 Kg. / h
Aire teórico 650,0 Kg. / h
exceso de aire 8,8 %
metal Aluminio 85 Kg. / h
combustible 42,71 Kg. / h
Datos de salida
Tabla 77. Magnitud de las pérdidas y eficiencia de fusión.
Fuente de pérdida Kw
Humedad combustible. 0,08
combustión Hidrógeno 44,36
Gases de escape 151,04
transferencia de calor paredes 6,83
humedad del aire 7,96
Pérdidas no estimadas 291,90
Eficiencia de fundición 4,61%
160
6.2.4 Análisis de los resultados. Para observar mejor los resultados de la
evaluación energética realizada en los hornos de crisol y cubilote. Se presentan
los resultados en diagramas de barras para poder cualificar y caracterizar los
principales generadores de pérdidas, en los hornos.
6.2.4.1 Graficas de los resultados de los hornos de cubilote.
Figura. 19 Pérdidas de calor en Kw. Horno CA1.
0,63
50,39
140,49
21,9212,75
31,0848,75
272,71
0
50
100
150
200
250
300
Humedadcomb.
Hidrogeno Gases deescape
Paredes humedad delaire
Formacionescoria
carburacionHierro
perdidas noestimadas
Kw
Figura. 20 Porcentaje de participación de las pérdidas. Horno CA1
0,11%
8,71%
24,28%
3,79%2,20%
5,37%
8,42%
47,12%
0,0%
5,0%
10,0%
15,0%
20,0%
25,0%
30,0%
35,0%
40,0%
45,0%
50,0%
Humedadcomb.
Hidrogeno Gases deescape
Paredes humedad delaire
Formacionescoria
carburacionHierro
perdidas noestimadas
161
Figura. 21 Porcentaje del calor suministrado. CA1
0,1%
5,8%
16,3%
2,5%1,5%
3,6%5,6%
31,6%
0%
5%
10%
15%
20%
25%
30%
35%
Humedadcomb.
Hidrogeno Gases deescape
Paredes humedad delaire
Formacionescoria
carburacionHierro
perdidas noestimadas
Figura. 22 Pérdidas de calor en Kw. Horno CB1
1,58
127,12
797,20
100,38
37,95
130,83 123,27 134,11
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
Humedadcomb.
Hidrogeno Gases deescape
Paredes humedad delaire
Formacionescoria
carburacionHierro
perdidas noestimadas
Kw
Figura. 23 Porcentaje de las pérdidas. Horno CB1
0,1%
5,8%
36,5%
4,6%
1,7%
6,0% 5,6% 6,1%
0%
5%
10%
15%
20%
25%
30%
35%
40%
Humedadcomb.
Hidrogeno Gases deescape
Paredes humedad delaire
Formacionescoria
carburacionHierro
perdidas noestimadas
162
Figura. 24 Porcentaje del calor suministrado. CB1
0,11%
8,75%
54,89%
6,91%
2,61%
9,01% 8,49% 9,23%
0,0%
10,0%
20,0%
30,0%
40,0%
50,0%
60,0%
Humedadcomb.
Hidrogeno Gases deescape
Paredes humedad delaire
Formacionescoria
carburacionHierro
perdidas noestimadas
Figura. 25 Pérdidas de calor en Kw. Horno CB2
0,61
51,18
311,59
24,4313,79
37,9850,43
109,48
0
50
100
150
200
250
300
350
Humedadcomb.
Hidrogeno Gases deescape
Paredes humedad delaire
Formacionescoria
carburacionHierro
perdidas noestimadas
Kw
Figura. 26. Porcentaje de las pérdidas. Horno CB2.
0,10%
8,54%
51,98%
4,08%2,30%
6,34%8,41%
18,26%
0,0%
10,0%
20,0%
30,0%
40,0%
50,0%
60,0%
Humedadcomb.
Hidrogeno Gases deescape
Paredes humedad delaire
Formacionescoria
carburacionHierro
perdidas noestimadas
163
Figura. 27. Porcentaje del calor suministrado. Horno CB2.
0,1%
5,7%
34,9%
2,7%1,5%
4,2%5,6%
12,3%
0%
5%
10%
15%
20%
25%
30%
35%
40%
Humedadcomb.
Hidrogeno Gases deescape
Paredes humedad delaire
Formacionescoria
carburacionHierro
perdidas noestimadas
Figura. 28. Pérdidas de calor en Kw. Horno CC1
0,35
28,59
96,90
18,76
4,82
28,93 28,02
128,44
0
20
40
60
80
100
120
140
Humedadcomb.
Hidrogeno Gases deescape
Paredes humedad delaire
Formacionescoria
carburacionHierro
perdidas noestimadas
Kw
Figura. 29. Porcentaje de las pérdidas. Horno CC1
0,10%
8,54%
28,94%
5,60%
1,44%
8,64% 8,37%
38,36%
0,0%
5,0%
10,0%
15,0%
20,0%
25,0%
30,0%
35,0%
40,0%
45,0%
Humedadcomb.
Hidrogeno Gases deescape
Paredes humedad delaire
Formacionescoria
carburacionHierro
perdidas noestimadas
164
Figura. 30 Porcentaje del calor suministrado. Horno CC1.
0,1%
5,8%
19,5%
3,8%
1,0%
5,8% 5,6%
25,9%
0%
5%
10%
15%
20%
25%
30%
Humedadcomb.
Hidrogeno Gases deescape
Paredes humedad delaire
Formacionescoria
carburacionHierro
perdidas noestimadas
Figura. 31 Pérdidas de calor en Kw. Horno CD1.
0,43
36,66
190,44
14,91 11,92
25,88
12,14
143,08
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
Humedadcomb.
Hidrogeno Gases deescape
Paredes humedad delaire
Formacionescoria
carburacionHierro
perdidas noestimadas
Kw
Figura. 32 Porcentaje de las pérdidas. Hormo CD1
0,10%
8,42%
43,73%
3,42% 2,74%
5,94%
2,79%
32,86%
0,0%
5,0%
10,0%
15,0%
20,0%
25,0%
30,0%
35,0%
40,0%
45,0%
50,0%
Humedadcomb.
Hidrogeno Gases deescape
Paredes humedad delaire
Formacionescoria
carburacionHierro
perdidas noestimadas
165
Figura. 33 Porcentaje del calor suministrado. Horno CD1
0,1%
5,7%
29,5%
2,3% 1,8%
4,0%
1,9%
22,2%
0%
5%
10%
15%
20%
25%
30%
35%
Humedadcomb.
Hidrogeno Gases deescape
Paredes humedad delaire
Formacionescoria
carburacionHierro
perdidas noestimadas
Los resultados de la evaluación energética de los hornos de cubilote demuestran
que las principales pérdidas de calor se presentan en los gases de escape y en las
pérdidas no estimadas.
Analizando los resultados de las tablas 21 a la 80 y las figuras 19 a la 33, se
puede decir que las pérdidas no estimadas muy posiblemente se deban en su
gran mayoría a la incombustion de carbono que escapa del horno en los humos
en forma de CO (monóxido de carbón), esta especulación se basa en la teoría de
atmósferas oxidantes y reductoras. Lo cual se hace aun más evidente al analizar
los resultados de los hornos CA1 y CC1 tablas 25 y 44 respectivamente. Estos
hornos presentan un déficit de aire bastante apreciable, para CA1 es del 65,3% y
para CC1 es de 23,2% esta carencia de aire y en consecuencia de oxígeno, se ve
reflejada en la gran magnitud de pérdidas presentadas por las pérdidas no
estimadas, ante la ausencia de suficiente oxígeno para formar CO2, se considera
que estas pérdidas están representadas en las grandes cantidades de C que no
libero energía al oxidarse a CO2 y se quedo almacenada en las moléculas de CO.
166
Por el contrario los hornos CB1 y CB2 presentan la mayoría de sus pérdidas de
calor en los gases de escape como se puede apreciar en las figuras 21 a 26, esto
significa que hubo una buena combustión, debido a que estos hornos presentan
un superávit de aire apreciable para CB1 es de 43.1% y para CB2 es de 40.1 %
como lo indican las tablas 31 y 37. Las pérdidas no estimadas deben estar
representadas por una mínima cantidad de CO que sale por la chimenea y por el
Carbono que quedo atrapado en las cenizas y en la escoria.
El horno CD1 presenta una pérdida equilibrada de calor entre los gases de escape
y las pérdidas no estimadas como se puede apreciar en las figuras, esto se explica
porque el exceso de aire no es tan elevado para asegurar una buena combustión,
este exceso está representado por un 23,3 % como lo muestra la tabla 55.
Las pérdidas de calor por las paredes en ninguno de los hornos estudiados
representan más del 7% del total del calor suministrado y no superan el 6% del
total de las pérdidas. Por lo que se dice que el desempeño de los revestimientos
aislantes es adecuado para la gran cantidad de calor que se genera al interior de
los hornos de cubilote.
Las pérdidas aportadas por el contenido de hidrógeno en el combustible es en
general el tercer generador de pérdidas de calor las cuales no superan el 9% del
total y el 5% del calor suministrado. Estas pérdidas solo son compensadas por el
calor que el hidrógeno aporta con su combustión.
Las pérdidas por formación de escoria es un factor importante de fuga de calor
Alcanzando casi un 9% del total de las pérdidas y un 9% del calor suministrado en
algunos hornos. Las pérdidas reportadas por este factor solo tiene en cuenta el
calor de necesario para formar CaCO a partir de CaCO3 pero no tiene en cuenta el
167
calor que se pierde en ellas por el concepto de carbono y cenizas que ellas
contienen.
Las pérdidas aportadas por contenido de humedad en el aire de combustión es un
generador de fuga de calor que no representa más del 3% del total de pérdidas y
del calor aportado por el combustible. Este factor está directamente implicado con
el flujo de aire al interior del horno como se puede ver en las figuras 23, 24, 26 y
27 correspondientes a los hornos CB1 y CB2 los cuales registran un alto
porcentaje de las pérdidas de calor por este factor en comparación con los demás
hornos, esto se debe al alto porcentaje de exceso de aire que estos hornos tienen
en su operación.
Las pérdidas por humedad en el combustible no es un factor importante de
pérdidas ya que en ninguno de los hornos este factor alcanza el 1% del total de
las pérdidas de calor y no superan el 0,5 % del calor aportado por el combustible.
Las pérdidas por carburación en el hierro, es un indicador impórtante de fuga de
energía calorífica pero es un factor que no se puede considerar completamente
como una pérdida ya que la calidad del hierro gris depende de la cantidad de
carbono que se integre a la estructura molecular de este metal.
En general es claro que las pérdidas más representativas están generadas por el
calor que escapa por los gases de combustión y la incombustion de CO, ya que
del total de las pérdidas en los hornos de cubilote estos son los factores
responsables de más del 65 % de las pérdidas.
168
La producción de algunos de los hornos de cubilote comparada con las de la tabla
del anexo45 14 y con la ecuación 21 de producción óptima muestra claras
diferencias de producción.
Los datos arrojados por esta comparación muestran una baja producción de hierro
para las medidas que se tienen del diámetro interior. Los datos de porcentaje de
coque fueron tomados como 12% ya que en general todos los hornos de las
pymes trabajan con o por encima de este valor. No es posible hallar la superficie
de trabajo real del horno la cual se calcula con la ecuación 22, porque se carece
de la información acerca de la composición de los humos en la chimenea.
Tabla 78 tabla producción real de los hornos de las pymes comparados con los de
la ecuación 21 y la tabla del anexo 13.
Horno Diámetro
interior m
Producción
real
Kg. / h
Producción
tabla anexo
13. Kg. / h
Producción
óptima.
Kg. / h
CA1 0,6 870 1360 2160
CB1 1,168 2200 4320 8185
CB2 0,635 900 1360 2160
CC1 0,60 790 1360 2160
CD1 0,5 800 >1360 1500
45 Tabla publicada por la American foundrymen’s society en la que aparecen recomendaciones de carga del los hornos de
cubilote, con base a su diámetro interior.
169
6.2.4.2 Graficas de los resultados hornos de crisol
Figura. 34. Pérdidas de calor del horno CRC1
0,05
28,18
122,10
24,72
5,83
150,45
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Humedad comb. Hidrogeno Gases de escape Paredes humedad del aire perdidas noestimadas
Kw
Figura. 35. Porcentaje de las pérdidas. Horno CRC1
0,02%
8,50%
36,85%
7,46%
1,76%
45,41%
0,0%
5,0%
10,0%
15,0%
20,0%
25,0%
30,0%
35,0%
40,0%
45,0%
50,0%
Humedad comb. Hidrogeno Gases de escape Paredes humedad del aire perdidas noestimadas
170
Figura. 36. Porcentaje del calor suministrado. Horno CRC1
Porcentaje del calor suministrado
0,0%
8,2%
35,7%
7,2%
1,7%
44,0%
0%
5%
10%
15%
20%
25%
30%
35%
40%
45%
50%
Humedad comb. Hidrogeno Gases de escape Paredes humedad del aire perdidas noestimadas
Figura. 37. Pérdida de calor. Horno CRD1
0,04
22,00
99,74
14,198,23
113,38
0
20
40
60
80
100
120
Humedad comb. Hidrogeno Gases de escape Paredes humedad del aire perdidas noestimadas
Kw
Figura. 38. Porcentaje de las pérdidas. Honro CRD1
0,02%
8,54%
38,72%
5,51%3,19%
44,02%
0,0%
5,0%
10,0%
15,0%
20,0%
25,0%
30,0%
35,0%
40,0%
45,0%
50,0%
Humedad comb. Hidrogeno Gases de escape Paredes humedad del aire perdidas noestimadas
171
Figura. 39. Porcentaje del calor suministrado. Horno CRD1
Porcentaje del calor suministrado
0,0%
8,4%
37,9%
5,4%3,1%
43,1%
0%
5%
10%
15%
20%
25%
30%
35%
40%
45%
50%
Humedad comb. Hidrogeno Gases de escape Paredes humedad del aire perdidas noestimadas
Figura. 40. Pérdidas de calor. Horno CRE1
0,43
28,87
155,63
19,85 13,62
218,49
0
50
100
150
200
250
Humedad comb. Hidrogeno Gases de escape Paredes humedad del aire perdidas noestimadas
Kw
Figura. 41. Porcentaje de las pérdidas. Honor CRE1
172
Figura. 42. Porcentaje del calor suministrado. Horno CRE1.
0,1%
6,3%
33,7%
4,3%3,0%
47,4%
0%
5%
10%
15%
20%
25%
30%
35%
40%
45%
50%
Humedad comb. Hidrogeno Gases de escape Paredes humedad del aire perdidas noestimadas
Figura. 43. Pérdidas de calor. Horno CFR1.
0,07
36,87
122,02
13,62 6,70
245,51
0
50
100
150
200
250
300
Humedad comb. Hidrogeno Gases de escape Paredes humedad del aire perdidas noestimadas
Kw
Figura. 44. Porcentaje de las pérdidas de calor. Horno CFR1
0,02%
8,68%
28,73%
3,21%1,58%
57,80%
0,0%
10,0%
20,0%
30,0%
40,0%
50,0%
60,0%
70,0%
Humedad comb. Hidrogeno Gases de escape Paredes humedad del aire perdidas noestimadas
173
Figura. 45. Porcentaje del calor suministrado. Horno CFR1
0,0%
8,4%
27,8%
3,1%1,5%
56,0%
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
Humedad comb. Hidrogeno Gases de escape Paredes humedad del aire perdidas noestimadas
Figura. 46. Pérdidas de calor. Horno CFR2.
0,08
44,36
151,04
6,83 7,96
291,90
0
50
100
150
200
250
300
350
Humedad comb. Hidrogeno Gases de escape Paredes humedad del aire perdidas noestimadas
Kw
Figura. 47. Porcentaje de las pérdidas de calor. Horno CFR2
0,02%
8,83%
30,08%
1,36% 1,58%
58,13%
0,0%
10,0%
20,0%
30,0%
40,0%
50,0%
60,0%
70,0%
Humedad comb. Hidrogeno Gases de escape Paredes humedad del aire perdidas noestimadas
174
Figura. 48. Porcentaje del calor suministrado. Horno CFR2
0,0%
8,4%
28,7%
1,3% 1,5%
55,4%
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
Humedad comb. Hidrogeno Gases de escape Paredes humedad del aire perdidas noestimadas
La eficiencia de fundición de los hornos de crisol es muy baja, lo cual se puede
observar en las tablas de resultados de todos los hornos de crisol.
Estos hornos son los que presentan mas perdías por incombustion de C, esto es
muy claro al analizar las gráficas de las figuras 34 a 48, sin importar que tan alto
sea el porcentaje de exceso de aire las pérdidas por incombustion son muy altas.
También es evidente que la segunda causa de pérdidas es por el calor que llevan
los gases de escape. Las cuales superan el 30%.
Las fugas de calor por estos factores superan el 80% del total de las pérdidas y
del calor aportado por el combustible, razón por la cual estos hornos son bastante
deficientes.
Las pérdidas por humedad en el combustible son muy bajas, no superan el 0,1%
del total de las pérdidas y ni del calor aportado por el combustible.
175
La magnitud de las pérdidas aportadas por la combustión de hidrógeno se debe al
alto contenido de este elemento por el combustible. al igual que en los hornos de
cubilote este factor representa el tercer generador de pérdidas.
La humedad del aire es un generador de pérdidas relativamente moderado con
respecto a los demás factores.
En general las principales pérdidas presentadas en los hornos de crisol se deben
principalmente a la velocidad apreciablemente alta con la que entra la mezcla aire
combustible, a la cámara de combustión la cual abandonan rápidamente sin haber
ocurrido todas las relaciones exotérmicas descritas en las reacciones 1, 2 y 3. Las
cuales terminan por realizarse en el exterior del horno y en forma de inquemados
(hollín en el revestimiento refractario).
176
7 COSTOS ENERGETICOS
La evaluación energética demostró que los hornos de cubilote presentan una
eficiencia muy baja la cual no llega al 30%. Este estudio también mostró que la
eficiencia para los hornos de crisol es aun más baja, esta no supera el 6%.
Se debe ahora analizar que tanto afecta esta deficiencia energética a los costos
energéticos para la fundición de los metales.
7.1 COSTOS ENERGETICOS PARA LOS HORNOS DE CUBILOTE.
Los costos energéticos del horno de cubilote, se calcula con el precio del coque y
la proporción de metal – combustible. Así para un horno de cubilote que emplea
12% de combustible con base a la carga está usando 120 Kg. por cada 1000Kg de
metal.
Costo de 1 Kg. de coque = $Kgcoque = $ 230[46].
Producir 1000Kg de hierro cuesta $27600.
El total de la producción es el peso del metal que se fundió en la jornada de
operación del horno de cubilote.
46 Dato suministrado por las empresas investigadas en este estudio.
177
Para un horno que trabaja 5 horas fundiendo 1000Kg/h. entonces el costo de
producción es:
138000$230$*h5*h
Kg120CostoP COQUE ==
Así que el costo por Kg de hierro es:
hierroHIERRO Kg
127$
Kg5000138000$
CostKg ==
Además del costo del combustible, se debe tener en cuenta los costos de la
energía eléctrica, consumida por los ventiladores que suministran el aire para la
combustión. El consumo de energía eléctrica por los ventiladores de los cubilotes
se encuentra en la tabla No 79. Los valores se han obtenido del las tablas de los
anexos 16 y 17.
La potencia consumida por los motores de los ventiladores se ha estimado con las
ecuaciones siguientes.
motorW
100PP
η= 62
Donde: P: es la potencia suministrada por el eje. Pw: potencia activa (kW). Absorbida de la red.
178
motorη : Eficiencia del motor.
Cuando no se dispone de la tabla se usa la siguiente ecuación, los valores de las
variables son tomadas de la placa de identificación del motor.
PW = V.AMP 63
Tabla 79. Consumo de energía eléctrica de los cubilotes
Código
horno
P en el
eje kW.
η AMP voltaje PW kW. Costo
kW
Costo
X hora
en $
Costo
en $ X
Kg de
Hierro
CA1 2,70 79 3,41 182,96 623,89 0,71
CB1 9 81,2 11,08 “ 2027,19 0.,91
CB2 3 76,3 3,93 “ 719,03 0,80
CC1 28 220 6,16 “ 1127,03 1,42
CD1 26 220 5,72 “ 1046.53 1,30
Los costos de producción basándose en el costo del combustible son muy
rentables teniendo en cuenta que el valor agregado al producto final de la
fundición en muchas ocasiones, supera más de un 1000% de la inversión en
combustibles. Si se tiene en cuenta el valor por consumo de energía el costo por
kilogramo de hierro fundido es muy bajo.
179
7.2 COSTOS ENERGETICOS PARA LOS HORNOS DE CRISOL.
Los hornos de crisol estudiados en esta investigación, usan casi en su totalidad
aceite residual de vehiculo automotor (ARV). El precio de un contenedor de 55
galones oscila entre $ 70000 y $100000 pesos por lo que el precio promedio es
de $85000 pesos.
Un galón de ARV cuesta $1545.
En promedio los hornos consumen 7,72 Gls. de combustible.
El precio de producción es de $11930 pesos.
En general la producción en el horno de crisol tarda una hora si se funden 91Kg de
metal (promedio de las empresas evaluadas). El costo por kilogramos es de:
metalmetal
metal Kg5,131$
hKg
91
h1
11930$CostKg ==
Al igual que los hornos de cubilote el costo tan económico del combustible hace
que los costos de producción sean muy bajos.
180
Tabla 80. Consumo de energía eléctrica crisoles.
Código
horno
P en el
eje kW.
η AMP voltaje PW kW. Costo
kW
Costo
X hora
en $
Costo
en $ X
Kg de
Hierro
CRC1 16,30 220 3,586 182,96 656,1 2,2
CRD1 28 220 6,16 “ 1127.03 11,27
CRE1 3 76,3 3,93 “ 719,37 2,32
CRF1 3,73 80,5 4,63 “ 847 8,47
CRF2 26 220 5,72 “ 1046,53 2,99
Al igual que los hornos de cubilote, los costos de producción en los hornos de
crisol son muy bajos con base a la energía eléctrica excepto por el horno CRD1,
cuyo consumo de energía sale de la media, pero aun así la producción de metal
fundido es económico.
7.3 MEDIO AMBIENTE Y USO DE COMBUSTIBLES ALTERNATIVOS
Los combustibles empleados en los hornos de las pymes evaluadas en esta
investigación muestran un alto rendimiento económico, pero presentan un alto
costo ambiental sobre todo si se habla del ARV como se puede ver en la tabla 4
este combustible posee un porcentaje elevado de S, lo cual en su combustión
generara SOx contaminantes altamente tóxicos, Entre otros contaminantes los
cuales incluyen, el monóxido de carbono (CO), los óxidos del nitrógeno (NOX),
material particulado (M. P), partículas menos de 10 micrómetros de tamaño ( Pm -
10), los metales tóxicos, los compuestos orgánicos, el cloruro de hidrógeno, y los
181
gases de calentamiento global (bióxido de carbono [ CO2 ], metano [ CH4 ])47.
Después de su uso, el aceite lubricante adquiere concentraciones elevadas de
metales pesados producto principalmente del desgaste del motor o maquinaría
que lubricó y por contacto con combustibles. Además, se encuentran con
frecuencia solventes clorados en los aceites usados, provenientes del proceso de
refinación del petróleo, principalmente por contaminación durante el uso (reacción
del aceite con compuestos halogenados de los aditivos) o por la adición de estos
solventes por parte del generador. Dentro de los solventes que principalmente
figuran son tricloroetano, tricloroetileno y percloroetileno48. La presencia de
solventes clorados, junto con altas concentraciones de algunos metales pesados,
constituyen los mayores factores de riesgo de los aceite usados.
Desde el punto de vista ambiental, se puede proponer el cambio de estos
combustibles por otros menos contaminantes. En algunas empresas metalúrgicas
de la ciudad de Cali que no fueron incluidas en esta investigación, han cambiado
el uso de AVR o el coque por gas natural ya que este combustible es más
amigable con el medio ambiente.
El gas natural es una mezcla de hidrocarburos parafínicos de bajo peso molar,
principalmente metano CH4, Etano C2H6, propano C3H8, y butano C4H10 con
pequeñas cantidades de hidrocarburos mas elevados que frecuentemente
47 Emission factor documentation for Ap-42 section 1.11 waste oil combustion [en linea]. USA: Edward Aul & Associates,
Inc.Chapel Hill, E. H. Pechan & Associates, Inc.Rancho Cordova, EPA U.S.1993. [consultado 22 de Junio de 2005].
Disponible por Internet: http://www.EPA.emission/factors/combustion
48 "La recuperación de los aceites usados de automóvil" [en linea]. Sevilla: Comunicación presentada al Foro de Ingenieros
Superiores de Andalucía. Sevilla, 13 de noviembre de 2003. [consultado 04 de marzo, 2005]. Disponible en Internet:
http://cema.iies.es /Cursos /Aceites.html.
182
contienen también Nitrógeno, dióxido de carbono, sulfuro de Hidrógeno y
ocasionalmente pequeñas cantidades de Helio49.
Presenta alto poder calorífico el cual está entre 35.4 y 42.8 MJ/m3 (950 y 1150
BTU/pie3). Esto depende del yacimiento de origen del gas como se puede
observar en el anexo 8.
El gas natural en Colombia se consume en casi todos los renglones de la
economía, y se ha venido incrementando su uso.
7.3.1 . Íntercambiabilidad de combustibles. La sustitución de un combustible por
otro ya sea por conveniencia económica o por reducción de emisiones
contaminantes. Es siempre una posibilidad real
En la actualidad en la ciudad de Cali algunas empresas han sustituido el
combustible líquido (aceite residual vehicular) por gas natural. Para facilitar la
conversión se puede valer de la tabla No 80.
49 CASTRO MORA, Op. cit., p. 59-60.
183
Tabla 81. Equivalentes energéticos
Energéticos m3 de gas natural
Propano / galón.
ACPM / galón.
Crudo C / galón.
Kerosén. / galón.
Fuel oil. / galón.
Carbón mineral / Kg.
Energía eléctrica / Kwh.
2.60
3.90
4.30
4.24
3.79
0.68
0.09661
Fuente: CASTRO MORA, Javier. Operación y mantenimiento de calderas. Santa
fe de Bogota: Universidad Nacional de Colombia, 2002. p.45
.
De la tabla 79 se tiene:
Para un galón de Fuel oil (combustible con propiedades térmicas muy parecidas a
las del AVR50) se necesitan 3,79 m3 de gas natural.
El precio de 1m3 de gas natural es:
Costgas51=$916m3
El costo de 3,79m3 es de $3471,64
50 ENTREVISTA con el ingeniero David López, ingeniero asesor de gases de occidente. Cali 19 de Abril 2006.
51 CASTRO MORA, Op. cit., p. 48.
184
Costo de un galo de AVR es de $1545.
Los costos de producción en los hornos que emplean AVR se incrementarían en
124,7%.
Al hacer el mismo proceso para el coque se tiene que de la tabla 5.
1Kg de coque = 0,68 m3 de gas natural.
Costo de 1 Kg. de coque = $230.
Costo de 0,68 m3 de gas natural = $622.
Los costos de producción cambiando de coque a gas natural se incrementarían en
un 170%.
185
8 SOFTWARE PARA CALCULAR EFICIENCIA ENERGETICA.
Como se vio en esta investigación es muy dispendioso, hacer todos los cálculos
para saber que tan eficiente es un horno, razón por la cual se desarrollo este
software.
El programa de cálculo de eficiencia se hizo con el lenguaje de programación
Visual Basic versión 6.
El programa esta desarrollado para calcular la eficiencia de combustión de hornos
de crisol y cubilote (de soplado frío).
Este programa calcula:
� Eficiencia de fusión.
� Eficiencia de combustión
� Pérdidas de calor en los humos.
� Pérdidas de calor por humedad en combustible.
� Pérdidas por humedad en el aire de combustión.
� Pérdidas por producción de escoria.
� Pérdidas por cenizas del combustible.
� Pérdidas por carburación.
� Además también calcula la superficie sobre la marcha de los hornos de
cubilote.
Para calcular todas estas variables se hace uso de todas las ecuaciones
relacionadas en esta investigación.
El software permite elegir que clase de horno se desea evaluar, y que tipo de
metal esta fundiendo el horno. Figura 49.
186
Figura. 49. Menú de selección del tipo de horno y metal de fundición.
Una vez seleccionado el tipo de horno, el software muestra un panel de usuario en
el que pide unas variables de entrada. Como son para el cubilote:
� Régimen de consumo de metal por hora [Kg / h].
� Régimen de consumo de combustible [Kg / h]
� Poder calorífico del combustible KJ / Kg.
� Régimen de consumo de fundente (solo para el cubilote) [Kg / h]
� Flujo de aire de combustión [m3 / h].
� Humedad relativa %.
� Presión atmosférica [bares]
� Análisis elemental de combustible.(%H, %C, %O2, %N2 %S %cenizas y
%humedad)
� Temperaturas de entrada y salida de todos los elementos y productos que
entran y salen del horno [ºC].
� Análisis de los gases de escape (%CO2, %CO, %O2, %N2 y %S2).
� Porcentaje de CaO3 en el fundente.
� Porcentaje de CaO en la escoria.
187
Figura. 50. Menú de entrada de datos del software en este caso el horno es un
cubilote.
Figura. 51. Menú de datos de los gases de escape.
188
Después de haber suministrado todos los datos de entradas y salidas del horno
este arroja los valores en un formulario.
Figura. 52. Formulario de resultados del software.
189
9 CONCLUSIONES
Del estudio realizado a las pymes metalúrgicas de la ciudad de Cali se pudo
concluir lo siguiente.
La eficiencia de los procesos de fundición de hierro y metales no ferrosos, es
bastante baja.
El desempeño de los hornos se ve muy afectado por la pérdida de calor en los
gases de escape. Los cuales promueven en general las pérdidas de más del 80%
del calor suministrado al horno. Esto se debe a la inadecuada manipulación del
suministro de aire de combustión, que en algunos hornos es bastante deficiente y
en otros excede con mucho el aire de exceso recomendado.
El calor por combustión del C no completamente usado para la fundición del metal
debido principalmente a la deficiencia del equipo soplador.
Los propietarios y administradores de las pymes reconocen estas deficiencias
pero no realizan cambios tecnológicos en los hornos para mejorar su desempeño.
A pesar de que los revestimientos refractarios, usados en estos hornos son
usados desde hace más de 50 años, desempeñan un buen papel como aislantes
térmicos.
El aceite residual vehicular es un combustible muy económico y con un altísimo
poder calorífico lo que hace que su uso sea muy difícil de reemplazar a pesar que
esta prohibido su uso por la CVC y el Dagma, ya que es altamente contaminante.
Las características del coque hacen que sea un Carbón ideal para su uso en los
190
hornos de cubilote, además de tener un costo muy bajo.
Los dispositivos de suministro de materiales a los hornos de Las pymes evaluadas
en esta investigación son bastante rudimentarios carentes de cualquier control
automatizado que proporcione mejor desempeño al horno.
La eficiencia de los hornos de crisol es demasiado baja, como para pensar en
mejorarlos. Seria mejor usar otra clase de horno para fundición de metales no
ferrosos, como el horno de reverbero.
El uso alternativo de gas natural para algunas empresas esta limitado por los
costos de producción que se elevarían considerablemente. Además también hay
problemas para su uso porque algunas empresas están muy alejadas de las líneas
principales de suministro de este gas combustible.
Aunque los costos por consumo de energía eléctrica, son bastante bajos se puede
reducir los costos al minimizar las perdidas de calor ya que esto implica menos
tiempo de operación y por lo tanto menos tiempo de uso de los motores que
impulsan los ventiladores.
191
10 RECOMENDACIONES.
De los resultado de la evaluación energética en las pymes de Cali, y llegando a la
conclusión que los hornos de cubilote pierden mucha energía en los gases de
escape. Es lógico entonces hacer unas recomendaciones en torno a estas
pérdidas.
Ajustar el aire de exceso. Fue claro al analizar los resultados de los hornos, que el
calor que escapaba por los gases se incrementaba al tener un uso excesivo de
aire. Por el contrario para los hornos que poseen tazas de soplado mas bajas la
pérdida de calor estaba en el C que escapaba en forma de CO sin haber liberado
todo su poder calorífico.
Figura. 53. Porcentaje de aire adecuado para los hornos
Fuente: Efficient Process Heating in the Aluminum Industry [en linea]. Washington:
Office of Energy Efficiency and Renewable Energy U.S. Department of Energy.
[consultado 12 de abril, 2005]. Disponible por Internet: http://www.eren.doe.gov.
192
� Precalentar el aire de combustión. Precalentando el aire de combustión se
incrementa la eficiencia del horno, como su velocidad de combustión. El
aumento de la eficiencia traduce menos combustible por quemar Este
procedimiento permite ahorrar hasta entre un 20 y 25% del combustible
usado52. Para lograr esto se recomienda hacer uso de intercambiadores de
calor, que retomen el calor que escapa en los humos y lo transfieran al aire
de combustión que entra al horno. Así se aprovecharía el calor que se esta
perdiendo en los gases de escape, y se esta precalentando el aire,
mejorando el desempeño del horno.
Figura. 54. Intercambiador de calor de coraza y tubos
Fuente: HOLMAN, Jack Philip Transferencia de calor. México: Editorial
Continental, 1995. p.428
� Precalentar los metales de carga. Todo el calor que se pierde en los humos
al igual que con el aire, puede ser empleado para precalentar la carga
metálica en especial este procedimiento seria muy útil para el horno de 52 AMERICAN FOUNDRYMEN’S SOCIETY, Op. cit., p. 780.
193
crisol que tiene una eficiencia muy baja53.
� Ubicar doble hileras de toberas en los cubilotes54. De esta manera se
aprovecha el CO que no fue oxidado a CO2 en la zona de oxidación del
horno.
Figura. 55. Cubilote con dos hileras de toberas.
� Inyectar oxigeno a la corriente de aire del cubilote55. Este es un método
que ha venido ganando fuerza desde hace 30 años en estados unidos, y
esta entrando a Latinoamérica. Existen dos métodos para usar esta
técnica.
� Enriquecimiento con oxígeno. Se introduce un porcentaje de oxígeno
puro en la caja de viento, es el mas usado actualmente adicionándolo de
tal manera que proporciona un incremento en el porcentaje de oxígeno
en un 2 a 3%.
53 Ibid.,http://www.eren.doe.gov.
54 AMERICAN FOUNDRYMEN’S SOCIETY, Op. cit., p. 422
55 AGA gas division. Oxigen feed to foundry cupolas. Lindingö: Oxigen adition.BrochureGM 142e. March 2001. 1 plegable.
194
� Inyección de oxígeno directa a la cámara de combustión. Esto
proporciona menor consumo de coque o cualquier otro combustible
Figura. 56. Enriquecimiento de oxígeno en el cubilote.
(a) Con mezcla en la caja de viento, (b) usándolo puro.
(a) (b)
Fuente: AGA gas division. Oxigen feed to foundry cupolas. Lindingo Sweden
Oxigen adition.BrochureGM 142e. March 2001. 1 plegable.
Las ventajas de este método pueden ser apreciadas en el diagrama de Jungbluth.
Y en la tabla 80, en los cuales se muestran tres métodos dos de ellos con
enriquecimiento de oxígeno y uno operado con aire normal.
La tabla 82 y la figura 57, muestran los resultados al introducir las diferentes
composiciones de carga en el horno en el caso del punto 0, el horno opera
normalmente, en el punto 1 donde es suministrado Oxígeno se ve que se
disminuye el consumo de aire y coque, y en el punto 2 se observa que el consumo
de coque y de aire es el mismo que en 0 pero tiene la ventaja de sacar un hierro a
mayor temperatura.
195
Tabla 82. Tabla horno operado con diferentes % de oxígeno.
Sin oxígeno 0 Con oxígeno 1 Con oxígeno 2
Volumen de aire soplado m3/min. 110. 88 110
Contenido de coque % 14 10,5 14
Temperatura del hierro ºC 1475 1475 1425
Producción de metal por hora t/m3h 9 9 10
Fuente: AGA gas division. Oxigen feed to foundry cupolas. Lindingo Sweden
Oxigen adition.BrochureGM 142e. March 2001. 1 plegable.
Figura. 57. Diagrama de Jungbluth de un horno con tres métodos de trabajo con
oxígeno
Fuente: AGA gas division. Oxigen feed to foundry cupolas. Lindingo Sweden
Oxigen adition.BrochureGM 142e. March 2001. 1 plegable.
Automatizar el flujo de aire al interior de los hornos. La combustión puede ser
controlada en los hornos automáticamente, por medio del empleo de un analizador
automático de CO2 equipado con un mecanismo compensador en conjunto con un
equipo de control de volumen, también automático. Esta disposición puede
mantener un volumen de aire constante, cualesquiera que sean las condiciones
196
dentro del horno. Así se garantiza siempre el flujo de aire correcto para la
operación de fundición.
En el caso de los hornos de cubilote, las peculiaridades propias de cada cubilote,
el ajuste final de cada uno de los diversos componentes de este control
automático, así como cualquier otro, debe ser llevado acabo en cada caso
después de que el equipo ha sido completamente instalado, y el cubilote está bajo
condiciones de operación reales. Después que el cubilote ha estado bajo soplado
durante unas 2 horas, de manera que se esté seguro de haberse conseguido una
condición de equilibrio, se hacen los diversos ajustes para coordinar los controles
automáticos para satisfacer las demandas de la combustión deseada dentro del
cubilote56.
56 AMERICAN FOUNDRYMEN’S SOCIETY, Op. cit., p. 878
197
BIBLIOGRAFIA
AGA gas division. Oxigen feed to foundry cupolas. Lindingo Sweden Oxigen
adition.BrochureGM 142e. March 2001. 1 plegable.
AMERICAN FOUNDRYMEN'S SOCIETY. El horno de cubilote y su operación. 4
ed. México: Compañía Editorial Continental, 1983. 967 p.
BAQUERO, Alonso Arnaldo. Diseño, operación y control del cubilote.
Bucaramanga: Universidad Industrial de Santander, 2000. 184 p.
BRITISH GAS SCHOOL OF FUEL MANAGEMENT. Combustion engineering and
gas utilisation. Londres: Chapman, 1995. 895 p.
Combustión unidad XII.[en linea]. Buenos Aires: Brizuela E, J. C, 2001.
[consultado 28 de mayo, 2005] Disponible en Internet:
http://wwwfiuba.Ar/materias/6730/Tomo2Unidad11
CAPELLO, Eduardo. Tecnología de la fundición. Barcelona: Gustavo Gili, 1974.
493 p.
CASTRO MORA, Javier. Operación y mantenimiento de calderas. Santa fe de
Bogota: Universidad Nacional de Colombia, 2002. 245 p.
CENGEL, Yunus A. Fundamentals of therma-Fluid Sciences Bostón: McGraw-Hill,
2001. 1047 p.
198
Determinación de la eficiencia energética del subsector industrial de hierro acero y
metales no ferrosos [en linea]. Santa fe de Bogota: upme 2001. [consultado 05 de
Noviembre, 2005]. Disponible por Internet:: http://www.upme.gov.co
DUQUE CEDEÑO, Carlos Fernando. Diseño de un sistema de control de
emisiones y acondicionamiento del aire en un horno de cubilote Cali, 2003. 154 p.
tesis de grado (Ingeniero Mecánico). Universidad del Valle. Facultad de Ingeniería.
Efficient Process Heating in the Aluminum Industry [en linea]. Washintong: Office
of Energy Efficiency and Renewable Energy U.S. Department of Energy, 2003.
[consultado 12 agosto de 2005]. Disponible por Internet: http://www.eren.doe.gov.
Emission factor documentation for ap-42 section 1.11 waste oil combustion [en
linea]. USA: Edward Aul & Associates, Inc.Chapel Hill, E. H. Pechan & Associates,
Inc.Rancho Cordova, EPA U.S, 1993. [consultado 22 de Junio de 2005].
Disponible en Internet: http://www.EPA.emission/factors/combustion
ENTREVISTA con David López, ingeniero asesor de gases de occidente. Cali 19
de Abril del 2006.
GILCHRIST, J. D. Combustibles y refractarios. Madrid: Alhambra, 1967. 169 p.
GÓMEZ MORENO, Sonia; LÓPEZ CASTRILLON, Ulianov Yuri; RONCANCIO
URIBE, Carlos Eduardo. Metodología de Diagnóstico para Estimación de
Rendimiento Energético en Pequeñas Empresas Metalúrgicas. Santiago de Cali,
05 marzo de 2003. 5 p.
HOLMAN, Jack Philip. Transferencia de calor. México: Editorial Continental, 1995.
621 p.
199
"La recuperación de los aceites usados de automóvil". Comunicación presentada
al Foro de Ingenieros Superiores de Andalucía [en linea]. Sevilla, 13 de noviembre
de 2003. [consultado 04 de marzo, 2005]. Disponible en Internet:
http://cema.iies.es/Cursos/Aceites.htm
MÁRQUEZ MARTÍNEZ, Manuel. Combustión y quemadores. Barcelona:
Marcombo, 1989. 159 p.
MILLS, A.F. Transferencia de calor. Santafe de Bogota: Mc Graw Hill, 1997. 932 p.
NEWBOLD, Paul. Estadística para los negocios y la economía. Madrid: Prentice-
Hall, 1997. 752 p.
QUIROGA CORREA, Álvaro. Manual de operación del horno de cubilote.
Bucaramanga: Universidad Industrial de Santander, 1984. 89 p.
WARKS, Kenneth. Termodinámica. México: McGraw-Hill, 1991. 923 p.
200
ANEXOS
Anexo 1. Encuesta para las empresas.
Información general de las empresas metalmecánica de la ciudad de Cali
Universidad autónoma de occidente
Grupo de investigación de energías GIEN
Optimización de hornos de crisol y cubilote
Fecha
Empresa
Dirección
1. Datos de producción
¿Tienen demanda de producción de hierro con especificaciones constantes?
Si O No O
Si la respuesta es SI. ¿Qué características buscan en el hierro que producen?
Describa las características (mecánicas, composición química, apariencia).
Si le hace falta espacio use el anexo para notas (ultima pagina)
201
2. Datos de manejo de la carga y combustible
• Que tipo de combustible usa
Coque O antracita O gas natural O otro O
• Almacenamiento de combustible. (solo si el combustible es solidó)
Bajo techo O A la intemperie O
• El almacenamiento de metal se hace
Bajo techo O A la intemperie O
• Realizan algún control o proceso a la carga metálica:
� Selección de materiales ferrosos de los demás (no ferrosos,
polímeros, cementos etc.) O
� Distribución de la carga metálica según su composición química
(%C %Si %Mn %P) O
� Tiene en cuenta la proporción del diámetro del horno y el
tamaño de la pedaceria. O
� ¿Realiza otros controles? ¿Qué? :
_______________________________________________________
_______________________________________________________
______________________________________________
202
• Realiza algún control o proceso a la carga de combustible antes de
ser introducida al horno. Si O No O
� Tamaño proporcional al diámetro del cubilote O
� Eliminar humedad O
� Otro O ¿Cuál? ¿con que propósito lo realiza?:
_______________________________________________________
_______________________________________________________
_______________________________________________________
_______________________________________________________
________________________________________
3. información sobre los fundentes
¿Qué fundente usa?
Caliza
Dolomía
otro
203
4. información acerca de la operación del horno
• Porcentaje o porcentajes con los que normalmente hace la relación
Carga / combustible: ___________%
¿Bajo que criterio o hace usted esta relación?
¿Qué herramientas usa para calcular la carga del cubilote?
Tablas de proporción de aceros por carga
Tabla de proporción de diámetro de cubilote, altura de la cama y presión
Experiencia
¿Cómo calcula usted la altura de la cama de coque?
Tabla de proporción de diámetro de cubilote, altura de la cama y presión
Cálculo por porcentaje de acero en la carga
Experiencia.
• Datos del aire
Como calcula el aire para la combustión en el cubilote
Estequiometria química.
Tabla de proporción de diámetro de cubilote, altura de la cama y presión.
Experiencia.
204
• Durante la operación.
¿Realiza pruebas de altura de la cama de coque? Si O No O
¿Si lo realiza con que regularidad lo hace?
_______________________________________________________________
¿Realiza observación del comportamiento de la escoria? Si O No O
Si la respuesta es si. ¿Qué criterios usa para realizar estas observaciones?
Fluidez
Color al solidificarse
Pruebas de laboratorios
Otra ¿Cuál? ¿Con que finalidad la hace?
• Después de la operación de fundición
¿Realiza mediciones de desgaste del revestimiento interior? Si O No O.
5. información acerca de los hornos
Número de hornos que posee la empresa: _____
Diámetro interior horno No 1 m
Diámetro interior horno No 2 m
Diámetro interior horno No 3 m
Diámetro exterior horno No 1 m
Diámetro exterior horno No 2 m
Diámetro exterior horno No 3 m
205
Altura de las toberas a la puerta de carga
Horno No 1 m
Horno No 2 m
Horno No 3 m
Datos sobre el equipo de suministro de aire
Caudal de aire suministrado por los ventiladores
Ventilador horno No 1 minm3
Ventilador horno No 2 minm3
Ventilador horno No 3 minm3
Número de toberas
Horno No 1
Horno No 2
Horno No 3
Material del revestimiento refractario
Horno No 1
Horno No 2
Horno No 3
Material del revestimiento aislante
Horno No 1
Horno No 2
Horno No 3
206
Material de la coraza
Apariencia visual (oxidada, semioxida o limpia)
Horno No 1
Horno No 2
Horno No 3
6. Tecnología de operación y técnicas para optimizar fundición
¿Disponen de sistemas automatizados para el control de flujo de materiales?
Si No
Control de aire
Control de combustible
Control de carga metálica
¿Precalientan alguno de los componentes de la fundición?
Si No
Metal
Combustible.
Aire de combustión
207
Anexo 2. La hoja de datos de operación.
Hoja de datos de la operación
Universidad autónoma de occidente
Grupo de investigación de energías GIEN
Optimización de hornos de crisol y cubilote
Fecha
Empresa
Dirección
Tipo de horno.
Selección Código del horno
Crisol O
cubilote O
Tipo de combustible.
Presentación nombre
Solidó O
liquido O
Gas O
208
Análisis elemental del combustible.
componente %
Carbono
Hidrogeno
Oxigeno
Nitrógeno
Azufre
Humedad
cenizas
Datos generales de la operación de fundición.
Metal de fundición
Combustible usado
Flujo de metal h
Kg
Flujo de aire minm3
Flujo de combustible h
galo
hKg
Temperatura de metal antes de la carga ºC
Temperatura del combustible antes de la carga ºC
Temperatura del aire de combustión ºC
Temperatura del fundente antes de la carga ºC
(Solo si el horno lo usa)
Presión atmosférica bares
Humedad relativa %
209
1. Si el horno es de cubilote.
Datos acerca de la carga.
Dimensiones de la carga m
Tamaño del coque.
Tamaño de la pedaceria de hierro.
Datos de la superficie de la coraza.
superficie de la coraza Altura m ºC
Zona del crisol
zona arriba de las toberas
zona de fusión
zona precalentamiento
Datos de los productos.
Temperaturas ºC
Temp. de las superficies alrededor
Temperatura de los gases de salida
Temperatura de la escoria
Temperatura del metal fundido
210
2. Si el horno es de crisol.
Datos de temperatura.
superficie exterior del revestimiento ºC
Temperatura del revestimiento del crisol
Temperatura de la tapa.
Datos de los productos.
Temperaturas ºC
Temp. de las superficies alrededor
Temperatura de los gases de salida
Temperatura del metal fundido
3. Consumo de energía eléctrica de los ventiladores (para cualquier horno.)
Dispositivo Consumo en Watts
Ventilador No 1
Ventilador No 2
Ventilador No 3
211
Anexo 3. Tabla de propiedades térmicas de algunos materiales de construcción y
aislantes
212
Anexo 4. Propiedades termodinámicas de los aceros
213
Anexo 5. Propiedades termodinámicas del aire.
214
Anexo 6. Propiedades termodinámicas del agua saturada
215
Anexo 7. Calores específicos medios usuales para los hornos de cubilote
Cp=60Fºt
H−
BTU/lbºF (o Kcal. / Kg. ºC)
t (º F) t (º C) O2 H2 H2O N2 CO CO2 Escoria Escoria Lingote Soli Lingote Lqui
Sólida liquida 2% C 4% C 2% C 4% C
100 37,8 0,2188 3,42 0,4448 0,2482 0,2485 0,2022 0,1809 0,12 0,1308
200 93,3 0,2203 3,434 0,4472 0,2485 0,2488 0,2086 0,1893 0,1223 0,1326
300 148,9 0,2221 3,442 0,4499 0,2488 0,2493 0,2145 0,1967 0,1245 0,1353
400 204,4 0,224 3,448 0,4529 0,2493 0,2501 0,2201 0,2032 0,1275 0,1403
500 260,0 0,2259 3,452 0,4562 0,25 0,2511 0,2253 0,2089 0,1292 0,1404
600 315,6 0,2279 3,455 0,4597 0,252 0,2522 0,2301 0,2139 0,1309 0,1409
700 371,1 0,2299 3,458 0,4634 0,2509 0,2535 0,2346 0,2183 0,1327 0,1417
800 426,7 0,2318 3,462 0,4674 0,2531 0,2549 0,2388 0,2223 0,1346 0,1428
900 482,2 0,2337 3,466 0,4715 0,2544 0,2564 0,2428 0,2258 0,1367 0,1441
1000 537,8 0,2355 3,47 0,4757 0,2558 0,258 0,2465 0,2291 0,1392 0,1457
1100 593,3 0,2373 3,475 0,48 0,2572 0,2596 0,25 0,2321 0,1422 0,1475
1200 648,9 0,239 3,48 0,4844 0,2586 0,2611 0,2533 0,2349 0,1458 0,1497
1300 704,4 0,2406 3,487 0,4888 0,26 0,2627 0,2564 0,2374 0,15 0,1523
1400 760,0 0,242 3,494 0,4932 0,2614 0,2642 0,2593 0,2397 0,1671 0,1622
1500 815,6 0,2432 3,501 0,4976 0,2628 0,2657 0,262 0,2418 0,1658 0,1616
1600 871,1 0,2448 3,51 0,5021 0,2642 0,2672 0,2646 0,2437 0,1647 0,1611
1700 926,7 0,2461 3,519 0,5066 0,2656 0,2686 0,2671 0,2455 0,1638 0,1608
1800 982,2 0,2473 3,528 0,5111 0,2669 0,27 0,2694 0,2473 0,1631 0,1606
1900 1037,8 0,2484 3,538 0,5156 0,2682 0,2713 0,2716 0,249 0,1626 0,1604 0,2208 0,2221
2000 1093,3 0,2495 3,549 0,5201 0,2695 0,2726 0,2737 0,2506 0,1622 0,1604 0,2187 0,2197
2100 1148,9 0,2506 3,46 0,5245 0,2707 0,2739 0,2757 0,2522 0,162 0,1604 0,2168 0,2176
2200 1204,4 0,2517 3,572 0,5289 0,2719 0,2751 0,2776 0,2538 0,1619 0,1605 0,2151 0,2157
2300 1260,0 0,2527 3,584 0,5334 0,2732 0,2763 0,2795 0,2555 0,1618 0,1607 0,2136 0,214
2400 1315,6 0,2536 3,596 0,5375 0,2742 0,2774 0,2813 0,2571 0,3256 0,1618 0,1608 0,2122 0,2124
2500 1371,1 0,2545 3,608 0,5415 0,2753 0,2784 0,283 0,3239 0,1619 0,1611 0,211 0,2109
2600 1426,7 0,2554 3,62 0,5456 0,2764 0,2794 0,2845 0,3224 0,162 0,1613 0,2099 0,2095
2700 1482,2 0,2562 3,632 0,5496 0,2774 0,2804 0,286 0,321 0,1622 0,1616 0,2089 0,2083
2800 1537,8 0,257 3,644 0,5536 0,2784 0,2814 0,2875 0,3198 0,1624 0,1619 0,2079 0,2072
2900 1593,3 0,2578 3,656 0,5575 0,2793 0,2823 0,2889 0,3187 0,1627 0,1623 0,207 0,2062
3000 1648,9 0,2585 3,668 0,5614 0,2802 0,2831 0,2902 0,3176 0,2062 0,2052
3100 1704,4 0,2593 3,68 0,5652 0,2811 0,284 0,2915 0,3166 0,2054 0,2043
3200 1760,0 0,26 3,6992 0,5688 0,2819 0,2848 0,2927 0,3156
Fuente: american foundrymen’s society.
216
Anexo 8. Características del gas natural según el yacimiento de origen
Fuente: ECOGAS. La composición del gas esta dada en porcentaje molar.
Componentes Guajira Guepaje Payoa
Montañuelo Opob Apiay Cusiana
Neiva
540
Metano 97,76 96,94 95,68 96,17 91,86 78,46 76,55 91,78
Etano 0,38 0,55 4,2 0,70 5,52 14,06 10,86 2,77
Propano 0,2 0,15 0,12 0,24 1,32 1,96 5,36 228
I-Butano 0 0,07 0 0,05 0,5 0,48 0,68 0,54
N-Butano 0 0,02 0 0 0 0,45 0,78 0,9
I-Pentano 0 0,02 0 0 0 0,41 0,13 0,45
N-Pentano 0 0,01 0 0 0 0,09 0,08 0,21
Hexano 0 0,01 0 0 0,01 0 0,05 0
Heptano 0 0,07 0 0 0 0 0 0,2
N-Octano 0 0 0 0 0 0 0 0
N-Nonano 0 0 0 0 0 0 0 0
Hidrógeno 0 0 0 0 0 0 0 0
Nitrógeno 1,29 2,12 0 0,42 0,15 1,69 0,44 0,63
Oxígeno 0 0 0 0 0 0 0 0
CO2 0,37 0,03 0 2,42 0,96 2,39 5,07 0,24
Agua 0,01
peso molecular 16,41 16,55 17,56 17,56 17,56 20,12 21,31 18,36
gravedad
especifica 0,57 0,57 0,58
0,61 0,61 0,7 0,74 0,63
Poder calorífico BTU
/PC. 1003 1001 1044
991 1069 1146 1159 1118
217
Anexo 9. Tabla de emisividad para algunos metales
218
Anexo 10.Tabla de clasificación para el carbón.
Clasificación ASTM por rangos
Fuente: el carbón y su tecnología-ing Augusto Gutiérrez
Clasificación ASTM por grados
Fuente: el carbón y su tecnología-ing Augusto Gutiérrez
219
Anexo 11. Datos de capacidad térmica especifica de gas ideal para gases
selectos.
220
Anexo 12 Propiedades térmicas de los metales
Fuente: Fuente: Combustión unidad XII.[en linea]. Buenos Aires: BRIZUELA E, J.
C, 2001. [consultado 28 de mayo, 2005] Disponible en Internet:
http://www.fiuba.ar/materias/6731/Tablas/Tabla4.pdf.
221
Anexo 13. Instrucciones generales carga de cubilotes
222
Anexo 14. Diagrama de las temperaturas en los hornos de cubilote.
223
Anexo 15. Tabla. Valores para la función Z distribución estándar acumulada
224
Anexo 16. Ficha técnica motores de inducción Siemens.
225
Anexo 17. Ficha técnica de motores de inducción WEG
Características
• Potencia: 0,25 kW
• Polos: 4
• Frecuencia: 50 Hz
• Par: 1,62 Nm
• Tensión: 220/440 V
• Carcasa: EX61G
• RPM: 1470
• In: 3,30/1,65 A
• Eficiencia (100%): 59,0
• Factor de Potencia (100%): 0,57
• Aislamiento: B
• Ruido: ---
• Directa: 2,90/1,45 A
• Ip / In: 5,5
Eficiencia
(%)
Factor de
Potencia Potencia
HP Carcasa
In (A)
220/440
V
Ip
/
In
Cp
/
Cn
Cm
/
Cn 50 75 100 50 75 100
Factor
de
Sevicio
Inercia Tr
(s) Ruido Masa
0,25 kW EX61G 16,30/8,65
A 5,5
300
%
330
% 45,0 55,0 59,0 0,41 0,49 0,57 1,00
0,00420
kgm² 6 s --- kg
226
Anexo 18. Fotografías de los hornos de cubilote.
Ilustración 1 horno de cubilote con la coraza ligeramente oxidada.
Ilustración 2 equipo de inyección de aire
227
Ilustración 3 operario abriendo la piquera para sacar el hierro fundido
Ilustración 4. Pérdidas de calor por presencia de CO en los gases de escape.
228
Ilustración 5. Horno de cubilote con pésimo estado de la coraza
229
Anexo 19. Fotografías de los hornos de Crisol
Ilustración 6. Horno de crisol después de una jornada de fundición.
Se puede apreciar la gran cantidad de hollín que ha quedado en el interior de
revestimiento del horno.
Ilustración 7. Recipiente que sirve como de posito de AVR al horno de crisol
230
Ilustración 8. Dispositivo implementado por una empresa para disponer de los gases de escape al exterior
231
Ilustración 9. Hornos de crisol en los que se funden aluminio y cobre.
Ilustración 10 Equipo ventilador quemador de un horno de crisol