1. HORNOS INDUSTRIALES 2. HORNOS DE …biblioteca.uns.edu.pe/saladocentes/archivoz/curzoz/hornosind.pdf · Horno eléctrico de inducción, utilizado principalmente para la fusión

1. HORNOS INDUSTRIALES

2. HORNOS DE RECALENTAMIENTO.

2.1 INTRODUCCION.

2.2 TIPOS DE HORNOS.

2.3 BALANCE ENERGETICO EN HORNOS DE LLAMA PARARECALENTAMIENTO.

2.4 ALGUNAS MEDIDAS TIPICAS DE AHORRO DE ENERGIA ENLOS HORNOS DE LLAMA PARA RECALENTAMIENTO.

3. HORNOS ELECTRICOS DE ARCO.

3.1 INTRODUCCION.

3.2 BALANCE ENERGETICO EN HORNOS ELECTRICOS DEARCO.

2.4 ALGUNAS MEDIDAS TIPICAS DE AHORRO DE ENERGIA ENLOS HORNOS ELECTRICOS DE ARCO.

1- HORNOS INDUSTRIALES

Entendemos por hornos industriales los equipos o dispositivos utilizados en laindustria en los que se calientan las piezas o elementos colocados en su interiorpor encima de la temperatura ambiente. El calentamiento puede servir paradiferentes aplicaciones, como:

. Fundir.

. Ablandar para una operación de conformado posterior.

. Tratar térmicamente para impartir determinadas propiedades.

. Recubrir las piezas con otros elementos.

Hay que señalar que esta definición, aparentemente clara, no lo es tanto en lapráctica, ya que es frecuente utilizar otros términos tales como:

1. Estufas, para hornos que operen a bajas temperaturas, normalmente inferiora 500 - 600°C. Sin embargo, se sigue denominando horno de revenido a unequipo que realiza este tratamiento, aunque sea a 180°C y su diseño seaidéntico al tradicional de una estufa. En cambio, se denominan estufasCowper a los precalentadores de aire de los hornos altos, que operan aaltas temperaturas

2. Secaderos, también denominados estufas de secado cuando el secado serealiza por elevación de la temperatura. La temperatura de secado puedeser elevada y adoptarse una técnica de construcción similar a la de loshornos.

3. Baterías de coque, para las series de hornos en forma de celdas utilizadosen la producción del coque a partir del carbón de hulla.

Para evitar ambigüedades, denominaremos en este documento hornos atodos aquellos equipos o instalaciones que operan, en todo o en parte delproceso, a temperatura superior a la ambiente, realizándose el calentamientosobre las piezas de forma directa (inducción, resistencia propia,..) o de formaindirecta por transmisión de calor de otros elementos (tubos radiantes, humos decombustión,...)

En cuanto a la clasificación de los humos, se puede hacer atendiendo adiferentes aspectos:

. Forma de funcionamiento (continuo o discontinuo).

. Tipo de calefacción utilizado (quemadores de combustible, energíaeléctrica,...).

. Disposición de la calefacción (superior, inferior,...).

. Tipo de efecto en el producto (fusión, recalentamiento,...).

. Tipo de recinto (solera, carro, crisol,...).

. Forma de recuperación del calor de gases.

Los hornos industriales se aplican en un gran número de procesos dentro dediferentes sectores de la industria. En la Industria Siderúrgica, desde hornos altosde reducción de mineral de hierro hasta hornos de tratamientos térmicos debarras, chapas, perfiles, etc.

A continuación vamos a profundizar, desde el punto de vista energético, en elfuncionamiento y características de tres tipos de hornos empleados en la IndustriaSiderúrgica, como son:

1. Hornos de recalentamiento, empleados fundamentalmente en elrecalentamiento de materiales para su conformado en caliente.

2. Horno eléctrico de arco, utilizado fundamentalmente para la fusión dechatarra y/o prerreducidos en acerías y fundiciones.

3. Horno eléctrico de inducción, utilizado principalmente para la fusión dechatarra en fundiciones y el calentamiento de piezas de acero para forja yestampación.

2- HORNOS DE RECALENTAMIENTO

2.1 INTRODUCCION

El término hornos de recalentamiento se aplica en este documento aaquéllos en los que se imparte el calor a la carga para elevar la temperatura deésta, sin pretender que se produzca ninguna reacción química o cambio deestado, tal como fusión o vaporización.

En el trabajo de los metales, la temperatura desempeña un papel de granimportancia. Por ejemplo:

. Las temperaturas elevadas vuelven más blandos la mayoría de los metales,capacitándolos para las operaciones de deformación por flexión, forja,estampación, extrusión o laminación.

. Las temperaturas todavía más elevadas eliminan la acritud de los mismos.El proceso de calentamiento con este fin, enfriando después de modo queno se produzca ninguna deformación, se conoce como recocido.

. La elevación de la temperatura por encima de un cierto punto crítico,seguida de un enfriamiento brusco, vuelve el acero más duro y resistente,pero con una ductilidad menor.

. También se calientan los metales para absorber carbono, como en el casode la cementación.

El calentamiento de los metales, cualquiera que sea su objeto, se realiza enhornos, que se denominan comúnmente hornos de calentamiento o derecalentamiento, hornos de recocido y hornos de tratamiento térmico.

En este documento estamos considerando los hornos de recalentamiento,que tienen como objeto fundamental el calentamiento de piezas para procesostales como laminación, extrusión, forja, estampación y conformado.

Se mantiene el estado sólido de las piezas durante todo el período decalentamiento y empapado a temperatura, y pretenden simplemente ablandartérmicamente el material para que sea más fácilmente maleable en laoperación posterior.

2.2 TIPOS DE HORNOS

En el caso del acero, y considerando únicamente los hornos derecalentamiento mediante quemadores de combustible, los tipos de hornosmás utilizados son:

. Hornos pit o de fosa.

. Hornos de empuje.

. Hornos de vigas galopantes.

. Hornos de solera giratoria.

. Hornos de solera de rodillos.

. Hornos de carro.

2.3 BALANCE ENERGETICO EN HORNOS DE LLAMA PARARECALENTAMIENTO

El balance energético de un horno varía, fundamentalmente, en función de si esun horno continuo o un horno intermitente.

En los hornos continuos interviene la producción en kg/h o en t/h, mientras queen los hornos intermitentes es más importante la carga introducida en cadaoperación en kg o en t.

La temperatura en los hornos continuos es prácticamente constante en cadazona a lo largo del tiempo y la temperatura de la carga varía a lo largo del tiempo,pero se mantiene relativamente constante en todo el horno en un instante dado.

Dentro de los hornos intermitentes deben distinguirse los procesos en que latemperatura de regulación del horno permanece prácticamente constante (hornosde tratamiento de normalizado, temple y revenido y hornos de recalentar paraforja y estampación), de los procesos en que la temperatura del horno sigue unciclo de calentamiento, mantenimiento y enfriamiento sin extraer la carga delinterior del horno:

. En los primeros, al introducir la carga baja evidentemente la temperatura delhorno, se enfría el revestimiento cediendo su calor a la carga y la energíacedida por los elementos calefactores se utiliza en calentar nuevamente elrevestimiento y la carga hasta la temperatura de regulación del horno, cuyovalor de consigna ha permanecido constante.

. En los segundos, al introducir la carga el horno está a baja temperatura y secalienta simultáneamente la carga y el revestimiento, con todos loselementos del interior del horno. Después de un periodo de empapado omantenimiento a temperatura, se enfría la carga en el interior del horno,juntamente con el revestimiento. Es fundamental, por tanto, el caloralmacenado por el revestimiento (durante el calentamiento y empapado) ycedido en el enfriamiento.

Debe aclararse que el concepto de temperatura del horno es bastanteconvencional. Los elementos calefactores (llamas) tendrán la mayor temperatura.La carga, incluso al final del periodo de empapado, estará a menor temperaturay, finalmente el revestimiento tendrá, probablemente, una temperatura superior ala de la carga e inferior a la de los elementos calefactores. Un termopar con sucaña de protección señalará una temperatura intermedia entre las tres citadas,que se denomina temperatura del horno.

El consumo de combustible de un proceso en un horno industrial se determinacalculando los componentes del balance energético, cuando se trata del diseñode un horno, o midiéndolos en su funcionamiento real, cuando se trata de unhorno construido.

El balance energético se establece tomando como base la producción horariaen los hornos continuos, y el ciclo completo de una carga en los hornosintermitentes. Sin embargo, es frecuente que muchos hornos continuos funcionenúnicamente durante 1 ó 2 turnos de trabajo al día, por lo que las pérdidas decalor, etc. durante las horas de parada del horno deben de tenerse también encuenta.

En todo balance energético es fundamental que las condiciones al final delperiodo en que se hacen las mediciones sean las mismas que al comienzo. Porello, en los hornos intermitentes las mediciones cubren una carga completa o unciclo completo y en los hornos continuos las condiciones de trabajo deben sersuficientemente constantes para que las pequeñas variaciones que se produzcansean despreciables.

Entre los componentes de un balance energético se distinguen los quesuponen aportación de calor al proceso y los receptores de ese calor:

CALOR DE COMBUSTION

CALOR SENSIBLE DEL AIRE

CALOR SESIBLE DEL

COMBUSTIBLE

CALOR REACCIONES

EXOTERMICAS

CALOR UTIL

CALOR ESCORIA

REACCIONES ENDOTERMICAS

CALOR HUMOS

INQUEMADOS GASEOSOS

INQUEMADOS SOLIDOS

PERDIDAS PAREDES

PERDIDAS ABERTURAS

CALOR A CONTENEDORES

AGUA REFRIGERACION

CALOR REVESTIMIENTO

OTRAS PERDIDAS

HORNO

APORTACION DE CALOR

El calor incorporado procede de:

1- Calor de combustión

2- Calor sensible del aire precalentado

3- Calor sensible del combustible precalentado

4- Calor de reacciones exotérmicas

ABSORCION DE CALOR

Los receptores de ese calor corresponden a:

I- Calor útil (a la carga)

II- Calor perdido por la escoria

III- Calor de reacciones endotérmicas

IV- Calor perdido por los humos

V- Calor por inquemados gaseosos

VI- Calor por inquemados sólidos

VII- Calor perdido por las paredes

VIII- Calor perdido por puertas y aberturas

IX- Calor a contenedores

X- Calor perdido en el agua de refrigeración

XI- Pérdida de calor acumulado en el revestimiento

XII- Otras pérdidas de calor

APORTACION DE CALOR

1 Calor de combustión (Qco)

Es la energía química producida en la combustión

Qco = P.C.I. (Kcal/unidad de combustible).

2 Calor sensible del aire precalentado (Qa)

Qa = Ga. Cpa. �t

Siendo:

�t = temperatura del aire de combustión en quemadores menos temperaturaambiente.

Cpa = Calor específico del aire.

Se obtiene en el tomo II del M.E.E.T. en la Industria, página 206, tabla D.1 o enla tabla 1.1 de la ficha técnica Nº1 de Hornos Industriales.

Ga = kg de aire/unidad de combustible.

Ga lo obtenemos de la forma siguiente:

Si analizamos la combustión del horno (en el sitio adecuado, de tal forma de que noexistan entradas parásitas de aire) obtenemos:

- ta humos- O2- CO2- CO- opacidad

Para conocer el exceso de aire, entramos en el diagrama de OSTWALD de dichocombustible o en las tablas A-8, A-9, A-10, A-11 y A-12 del tomo II del M.E.E.T. en laIndustria, páginas:161,162,163,164,165.

Entrando en dichas tablas con O2 y/o CO2 obtenemos el exceso de aire de lacombustión y los kg de aire que se utilizan por unidad de combustible quemado. Ese esel valor de Ga.

3 Calor sensible del combustible precalentado (Qc)

Qc = Cc . tc (kcal/unidad de combustible)

En donde:

Cc = Calor específico del combustible en kcal/kg °C o kcal/Nm3 °C

tc = Temperatura de precalentamiento del combustible.

Este apartado únicamente se aplica a combustibles de bajo poder calorífico (gas dehorno alto, gas de gasógeno.etc.).

4 Calor de reacciones exotérmicas (Qex)

En el caso del acero, es el calor producido en la oxidación de la carga que da lugar ala cascarilla: 1.350 kcal/kg.

Qex = 1,350 . P . a (kcal/h)

Donde:

P = Producción del horno en kg/h

a = Pérdida de cascarilla en kg cascarilla/kg metal.

Si se quiere poner las pérdidas en kcal por unidad de combustible, habrá que dividirla expresión anterior entre el consumo horario del horno.

ABSORCION DE CALOR

I Calor útil (a la carga) (Qu)

Existe una tabla que nos proporciona el calor de diferentes metales a diferentestemperaturas. (Entalpía específica: hm= Cm x tm).

Qu = ¡Error!= (kcal/unidad de combustible)

Donde: hm = Entalpía específica del material.

Ce = Consumo específico del horno.

II Calor perdido por la escoria (Qe)

Es importante en los hornos de fusión, no considerándose en los hornos derecalentamiento.

Qe= ¡Error!.

Siendo:

Ge= kg de escoria/kg de material.

Cm = Calor específico medio de la escoria kcal/kg °C.

te = temperatura de la escoria en °C.

Ce = consumo específico del horno en unidad de comb/kg de material.

III Calor de las reacciones endotérmicas (Qen)

Es típico de los hornos de fusión. Por ejemplo, el calor requerido para ladescomposición de la caliza (Qen).

Qen = ¡Error!

En donde:

Gc= kg de caliza/kg de material.

hc= calor requerido para la descomposición de la caliza en kcal/kg de caliza.

Ce= consumo específico del horno en unidad de comb/kg material.

IV Calor perdido en los humos (Qh)

Es el calor perdido por los humos antes del recuperador. Se calcula realizandomediciones a la salida del horno (siempre que no existan infiltraciones de aire): O2,CO2, CO, opacidad y temperatura.

Con el O2 y/o CO2 calculamos el exceso de aire y el caudal de humos expresado enkg de humos por unidad de combustible: x

Con la temperatura de humos obtendríamos la entalpía específica del caudal dehumos anterior, expresada en kcal/kg de humos Y

Qh = x (¡Error!) . Y (¡Error!) = Qh (¡Error!)

. Para calcular x e Y, los obtendremos utilizando el tomo II del M.E.E.T. en la Industria,tablas A-18 y A-19, páginas 171, 172, 173 y 174.

Pero es muy frecuente el tener entradas parásitas de aire en el horno, sea por lapuerta de carga del horno, sea porque existe aire de dilución para protección delrecuperador, etc.

Despreciando las pérdidas por transmisión, ya que el recuperador suele estar al ladodel horno, el producto (kg humos/unidad de comb). x (kcal/kg humos) permaneceráconstante:

Qh1 = x1 . Y1Qh2 = X2 . Y2Qh1 = Qh2

Por lo tanto, midamos donde midamos entre los puntos 1 y 2, el producto x . Y serásiempre constante.

1

AIRE DE

DILUCION

2

3

HORNO

RECUPERADOR

Pero nos interesa conocer el exceso de aire "real" que existe en la combustión en el horno,por ver si se puede mejorar, y ver con exactitud la temperatura de humos a la salida del horno,por ver si la infiltración es parásita o se trata de un aire de dilución introducido a propósitopara proteger el recuperador.

Si el recuperador aguantara más temperatura habría que eliminar esa entrada de aireparásita puesto que se podría mejorar su eficiencia aumentando la temperatura del aire decombustión.

Para calcular la temperatura y el exceso de aire justo a la salida del horno, se procederáde la forma siguiente:

Se mide en el punto 2 y en el punto 3 los siguientes parámetros:

. CO2

. O2

. C O

. Opacidad

. temp. humos

Para ello se utilizarán dos equipos de medida, calibrados y contrastados, y se realizaránlas dos mediciones al mismo tiempo, comprobando que no existen infiltraciones de aire en elrecuperador. Si es así, los valores de CO2 , O2 y CO tienen que coincidir en los puntos 2 y 3.

Mediante las tablas A-18 y A-19 calculamos los valores de Qh2 y Qh3.

Realizando un balance en el recuperador, en régimen permanente:

Qh2 - Qh3 � Q aire de combustión

Como sabemos la temperatura del aire de combustión y el Cpa a esa temperatura (tablaD.1, página 206 ó tabla 1.1 de ficha técnica Nº1 de Hornos Industriales):

Q aire combustión = Ga x Cpa x �t (kg de aire/unidad de comb).

Entrando en las tablas A-8, A-9, A-10, A-11 y A-12 obtenemos el exceso de aire quecorresponde y que es el que tiene el horno en ese momento dado (sólo el de combustión)

. Para obtener la temperatura a la salida del horno (sin aire de dilución)

Qh1 = Qh2

El valor de Qh2 lo hemos obtenido por medición directa. Como hemos calculado el excesode aire real conocemos los kg de humos/unidad de combustible (x), tablas A-18 y A-19, porlo que:

Qh2 = X1 . Y1

Con Y1 entramos en las mismas tablas, en la columna de la entalpía de los humos (kcal/kgde humos) y obtendremos la temperatura de dichos humos.

Este mismo procedimiento se podría utilizar si se conocen los parámetros de combustiónen el punto 1, pero desconociéndose la temperatura del aire de combustión después delrecuperador.

Si no conociésemos ni los parámetros de combustión del punto 1, ni la temperatura delaire de combustión, habría que hacerlo por tanteo.

V Calor por inquemados gaseosos (Qig)

Qig = ¡Error!. (¡Error!+ ¡Error!) = A (% de pérdidas sobre el P.C.I.)

En donde:

O2 = % de oxígeno en los humos

CO = ppm de CO en los humos

CH = ppm CH en los humos

Utilizaremos CH = CO, puesto que los equipos de medida que disponemos leen el"equivalente" de CO para CO = CH.

Qig = ¡Error!. PCI del combustible (kcal/unidad de combustible).

VI Calor por inquemados sólidos (Qic)

Para combustibles sólidos y líquidos utilizaremos la misma escala (Bacharach) quepara calderas.

La tabla nos dará unas pérdidas B en % del P.C.I. del combustible:

Qic = ¡Error!. PCI del combustible (kcal/unidad combustible).

VII Pérdidas por conducción a través de las paredes (Qp)

Medimos las temperaturas superficiales a lo largo de todo el horno, distinguiendoparedes verticales y paredes horizontales hacia arriba y hacia abajo, y las superficies(m2) de cada zona.

Si entramos con dichas temperaturas en el gráfico 1 de la ficha técnica Nº1 deHornos Industriales, obtenemos las pérdidas de cada zona en W/m2, y si lasmultiplicamos por 0,86 nos da las pérdidas en kcal/hm2.

Si a las pérdidas de cada zona las multiplicamos por su superficie y las sumamos,obtendríamos las pérdidas por las paredes del horno (P)en kcal/h. Entonces:

Qp = ¡Error!= (kcal/unidad de comb)

En donde:

P = Pérdidas por las paredes del horno en kcal/h.

h = Funcionamiento del horno en horas/año.

C = Consumo de combustible del horno en unidad de comb/año.

VIII Pérdidas por radiación por puertas y aberturas (Qr)

Se mide la superficie de cada abertura, la geometría y el espesor de la pared,comprobando (o midiendo) la temperatura interior del horno en cada abertura.

Por otra parte, si las puertas se abren y cierran se mide la cadencia abertura/cierre,calculando las horas/año que permanecen abiertas.

En los gráficos 2 y 3 de la ficha Nº1 de Hornos Industriales obtenemos las pérdidaspor aberturas en kw/m2 (en el gráfico 2) y el factor de corrección Q (en el gráfico 3). Simultiplicamos por 860 obtenemos las pérdidas en kcal/hm2.

Como tenemos la superficie de las aberturas calculamos las pérdidas en kcal/h y,como a su vez hemos calculado el tiempo que están abiertas al año, podemos obtenerestas pérdidas P en kcal/año.

Como dicho horno tiene un consumo anual C (unidad comb/año), entonces:

Qr = ¡Error!

IX Calor a contenedores (carros) (Qct)

Qct = mct . Cct . �t

En donde:

mct = masa del contenedor (carro) en kg.

Cct = Calor específico del contenedor kcal/kg °C.

�t = Incremento de temperatura del contenedor (la misma de la carga)

Como la temperatura de la carga y del contenedor es la misma:

¡Error!= ¡Error!

Qct = Qu ¡Error!

X Pérdidas de calor por agua de refrigeración (Qag)

Qag = ¡Error!

En donde:

Mag = Caudal de agua en kg/h.

�t = Salto de temperatura del agua de refrigeración en °C.

C' = Consumo horario en unidad de comb/h.

O bien utilizando la fórmula

Qag = ¡Error!

En donde:

Mag = Caudal de agua kg/h.

�t = Salto de temperatura del agua de refrigeración en °C.

H = Funcionamiento del horno en h/año.

C= Consumo anual en unidad comb./año.

XI Pérdidas de calor acumulado en el revestimiento (Qre)

Estas pérdidas son importantes en los hornos intermitentes:

Qre = ¡Error!

Siendo:

Mr= Masa de refractario kg.

Cr= Calor específico medio del refractario kcal/kg°C.

tr= Temperatura media del revestimiento en °C.

N= Número de ciclos de calentamiento al año en ciclos/año.

C= Consumo anual de combustible en unidad comb./año.

Esta fórmula debe de aplicarse a cada una de las capas diferentes que componen elrevestimiento.

XII Otras pérdidas de calor (Qin)

Se suele tomar el 10% de la suma de:

Qig + Qic + Qp + Qr + Qct + Qag + Qre

BALANCE ENERGETICO

Debe verificarse que:

Calor aportado = Calor absorbido

Siendo:

. Calor aportado = Qco + Qa + Qc + Qex

. Calor absorbido= Qu + Qe + Qen + Qh + Qig + Qic + Qp + Qr + Qct + + Qag + Qre + Qin

RENDIMIENTO DE COMBUSTION (hco)

hco = 1 _ ¡Error!

RENDIMIENTO TOTAL DEL HORNO (ht)

ht = ¡Error!

2.4 ALGUNAS MEDIDAS TIPICAS DE AHORRO DE ENERGIA EN LOS HORNOS DELLAMA PARA RECALENTAMIENTO

A continuación se indican algunas de las medidas típicas de energía que se aplican alos hornos de llama para recalentamiento.

AJUSTE DE COMBUSTION

Para ver el ahorro por ajuste de combustión habrá que calcular el rendimiento de lacombustión antes (ηci) y después del ajuste (ηcf).

El ahorro será: A = ¡Error!

Si el horno consume C (unidad de comb/año), el ahorro anual de combustible será = A.C

Las mejoras y/o inversiones a considerar pueden ser:

. Ajuste de los parámetros de la combustión (de forma manual).

. Sustitución de quemadores (quemadores de llama plana).

. Instalación de microprocesador de combustión, actuando sobre:

- O2- O2 + CO- O2 + CO + Opacidad- Regulación del tiro

INSTALACION DE RECUPERADORES DE CALOR

El ahorro se calculará, igual que antes, a través de los rendimientos de combustión:

. Rendimiento con recuperador:

ηcf = 1- ¡Error!

Donde:

Qh= pérdidas por humos antes del recuperador.

Qa= calor del aire de combustión a la entrada de los quemadores.

. Rendimiento sin recuperador:

ηci = 1- ¡Error!

Se pueden instalar diferentes tipos de recuperadores: de radiación, de convección omixtos (radiación + convección).

. En los hornos pequeños, recuperador de radiaciónt humos: 1,100°C; t aire = 450°C

. En los hornos medianos, recuperadores de convecciónt humos: 800 - 700°C ; t aire = 450°C

. En los hornos grandes, recuperadores mixtost humos: 700 -750°C ; t aire = 600°C

AISLAMIENTOS

Mejorando el aislamiento de los hornos se puede llegar hasta unas temperaturassuperficiales de 90°C (paredes) y 110°C (bóveda), para hornos de forja y de recalentar.

Para hornos de tratamiento térmico, 60 - 70°C en paredes y 80 - 90°C en bóveda.

Para hornos de revenido u otros con temperaturas de proceso < 700°C, la temperaturade las paredes se podría bajar hasta 50°C y la bóveda hasta 70°C.

El ahorro se calcula mediante el gráfico 1 de la ficha técnica Nº1 de Hornos Industrialescomparando las pérdidas (kcal/h) entre la temperatura actual y a la que se podría llegar.

Su diferencia: �Qp (kcal/h)

El ahorro sería: A = ¡Error!

En donde:

�Qp = Diferencia de pérdida por paredes en kcal/h.

H = Funcionamiento del horno en horas/año.

PCI = Poder Calorífico del Combustible en kcal/unidad comb.

η = Rendimiento del horno.

INSTALAR TAPAS O PUERTAS EN ABERTURAS

El ahorro se calcularía mediante la ficha técnica Nº1 (gráficos 2 y 3) de HornosIndustriales . Con esta ficha, en función de la superficie de aberturas, obtendríamos laspérdidas (kcal/h).

Si se tapan todas las aberturas, el ahorro sería la totalidad de las pérdidas Qr.

Ahorro: A = ¡Error!

Siendo:

Qr = Pérdidas por aberturas en kcal/h.

H = Funcionamiento del horno en horas/año.



CONTROL DE TEMPERATURA INTERIOR DEL HORNO

El ahorro se cifra en que, sin este control de temperatura, la carga se puede calentar a unatemperatura (T) superior a la necesaria (t).

El ahorro sería la diferencia de entalpías de la carga a las dos temperaturas T y t, y sepuede expresar como:

Ahorro: A = ¡Error!

Siendo:

�H = Diferencia de entalpías de la carga a las temperaturas T y t en kcal/kg carga.

P = Producción del horno en kg/año.



OTRAS MEDIDAS DE AHORRO DE ENERGIA

. Alargamiento de hornos.

. Control de la presión interior del horno.

. Aligeramiento del carro.

. Aislamiento de elementos refrigerados por agua en hornos de recalentar.

. Calderas de recuperación.

. Calderas de recuperación y turbina de vapor a contrapresión.

3. HORNOS ELECTRICOS DE ARCO

3.1 INTRODUCCION

Se utilizan, principalmente, para la fabricación de acero a partir de chatarra y/oprerreducido.

En un horno eléctrico de arco (H.E.A.) se pueden distinguir 3 partes fundamentales:

. Parte mecánica

Compuesta de:

- Cuba.- Anillos de bóveda.- Plataforma.- Mecanismo de basculación.- Brazos portaelectrodos y columnas.- Mecanismo de accionamiento de electrodos.- Superestructura.- Vigas de suspensión de bóveda.- Mecanismo de elevación y giro de bóveda.

. Parte eléctrica

Compuesta de:

- Seccionador de entrada.- Interruptor general.- Transformador de potencia, (reductor de tensión).- Paneles de mando y control.- Embarrado secundario.- Batería de condensadores.

. Elementos complementarios

- Circuito hidráulico.- Equipo de regulación.

3.2 BALANCE ENERGETICO EN HORNOS ELECTRICOS DE ARCO

El balance energético de un horno eléctrico de arco (HEA) representa la elaboración deuna colada.

Las entradas y salidas de energía se refieren a una tonelada de acero líquido,calculándose sus valores en kcal/t. En casos excepcionales, como puede ser eldesconocimiento del peso exacto de acero líquido, se podrán utilizar otras unidades:tonelada de lingote, tonelada de palanquilla de colada continua, etc.

El proceso de elaboración del acero en el HEA influye decisivamente sobre el balanceenergético. Por otra parte, este proceso de elaboración puede variar considerablementede unas empresas a otras, entre diferentes hornos de una misma empresa e incluso entrediferentes coladas de un mismo HEA. En consecuencia, cada colada de un horno eléctricotiene su propio balance energético.

Todo esto da lugar a que el balance de energía del HEA deba calcularse de forma querepresente al conjunto de su producción. En este sentido, deben emplearse los valoresmedios más representativos de la misma.

El método a seguir para calcular el balance energético de un HEA dependerá de losdatos disponibles sobre su instalación y su proceso productivo. Uno de los posiblesmétodos de cálculo a aplicar se indica a continuación.

CALCULO DEL BALANCE DE ENERGIA POR EL METODO DIRECTO

El cálculo del balance energético por el método directo se basa en la cuantificación de lasentradas o aportaciones de energía, para lo cual es necesario analizar en detalle el procesode elaboración del acero en el HEA.

Para que este balance de energía sea representativo del conjunto de la producción seránecesario considerar, asimismo, la elaboración de una calidad de acero que searepresentativa de la gama de aceros fabricados.

Las datos necesarios (cuestionario) para el cálculo del balance energético por el métododirecto son los siguientes:

a) Consumos específicos:

- Energía eléctrica = A (kWh/t acero líquido)- Electrodos = E (kg/t acero líquido)- Oxígeno = O2 (Nm3/t acero líquido)

b) Quemadores:

- Consumo específico de combustible = B (Nm3/t acero líquido, kg/t acero líquido)- Poder calorífico inferior del combustible - PCI (kcal/Nm3, kcal/kg)- Calor específico del combustible = Cc (kcal/Nm3°C, kcal/kg°C)- Temperatura precalentamiento del combustible = Tc (°C).

c) Precalentamiento de la carga:

- Cantidad de carga precalentada = M (kg)- Temperatura precalentamiento de la carga = Tp (°C)

d) Composición media de gases de salida del HEA:

- CO en la atmósfera del horno = CO (% en volumen)- CO2 en la atmósfera del horno = CO2 (% en volumen)

e) Composición media de la escoria:

- SiO2 en la escoria = SiO2 (% en peso)

- MnO en la escoria = M n O (% en peso)- Cr2O3 en la escoria = Cr2O3 (% en peso)

- P2O5 en la escoria = P2O5 (% en peso)

- FeO en la escoria = FeO (% en peso)- Fe2O3 en la escoria = Fe2O3 (% en peso)

f) Cantidades medias oxidadas de materias primas:

- Cantidad oxidada de carbono = C (kg)

- Cantidad oxidada de silicio = Si (kg)

- Cantidad oxidada de manganeso = Mn (kg)

- Cantidad oxidada de cromo = Cr (kg)

- Cantidad oxidada de fósforo = P (kg)

g) Refrigeración por agua (cada circuito);

- Caudal medio de agua de refrigeración = Ca (m3/h)

- Temperatura entrada del agua = Te (°C)

- Temperatura salida del agua = Ts (°C)

h) Tiempo "tap-to-tap" o tiempo medio entre colada y colada = t (h)

i) Cantidad media de acero obtenido en una colada = W (t. acero líquido)

j) Cantidad media de escoria obtenida en una colada = D (kg)

k) Temperatura media de colada del acero líquido = T (°C)

l) Temperatura ambiente = Ta (°C)

Una vez conocidos estos valores, el cálculo del balance energético se hará según seindica a continuación.

ENTRADAS DE ENERGIA

1. Energía eléctrica

La aportación energética (kcal/t) por el consumo de energía eléctrica será:

A (kWh/t) . 860 (kcal/kWh) = (kcal/t)

2. Quemadores

La combustión de un combustible, por ejemplo por el uso de quemadores, dará unaaportación energética de:

B (Nm3/t, kg/t) . PCI (kcal/Nm3, kcal/kg) = (kcal/t)

Cuando el combustible es precalentado, como puede ser el caso del fuel-oil, hay unaaportación energética adicional por el calor sensible del combustible precalentado, quese calculará según:

B (kg/t) . Cc (kcal/kg°C) . [Tc - Ta] (°C) = (kcal/t)

3. Oxidación de los electrodos

El calor generado por la oxidación de los electrodos es el correspondiente a laoxidación del carbono, y su valor dependerá de los porcentajes de CO y CO2 en laatmósfera del horno.

Conocidos estos valores, la aportación energética será:

E (kg/t) . ( (7,830 . ¡Error!) + (2,200 . ¡Error!) ) = (kcal/t)

Donde:

7,830 = kcal/kg C generadas en la oxidación de C a CO2.

2,200 = kcal/kg C generadas en la oxidación de C a CO.

Los porcentajes (% en volumen) de CO y CO2 en la atmósfera del horno debencorresponder al valor medio de toda la colada. Si estos valores no son conocidos, sepodrá considerar que el consumo de electrodos se reparte igualmente para la oxidación aCO y CO2 por lo que el cálculo se hará de acuerdo a:

(0.5 . E . 7,830) + (0.5.E . 2,200) = (kcal/t)

4. Oxidación de la carga metálica

La aportación energética por la oxidación de la carga metálica se calculará enfunción de las cantidades oxidadas de silicio (Si), manganeso (Mn), cromo (Cr), fósforo(P), hierro (Fe) y carbono (C).

La cantidad a considerar para cada uno de estos elementos será la diferencia entrela cantidad aportada como carga al horno y la cantidad presente en el acero líquido.

A la hora de realizar este cálculo hay que analizar el proceso productivo del HEA y,sobre todo, las posibles adiciones de materias primas durante la colada que van amodificar la composición química del acero líquido.

. El calor generado por la oxidación del Si, Mn, Cr y P se calculará de acuerdo a:

- Silicio ¡Error!. 7,460 (kcal/kg Si) = (kcal/t)

- Manganeso ¡Error!. 1,680 (kcal/kg Mn) = (kcal/t)

- Cromo ¡Error!. 2,620 (kcal/kg Cr) = (kcal/t)

- Fósforo ¡Error!. 5,180 (kcal/kg P) = (kcal/t)

Donde:

7,460 = kcal/kg Si generadas en la oxidación de Si a SiO2.

1,680 = kcal/kg Mn generadas en la oxidación de Mn a MnO2.

2,620 = kcal/kg Cr generadas en la oxidación de Cr a Cr2O3.

5,180 = kcal/kg P generadas en la oxidación de P a P2O5.

Si no se pueden conocer directamente las cantidades oxidadas de cada uno deestos elementos, se pueden calcular en función de la cantidad total de escoria y de sucomposición química (% en peso de los diferentes óxidos). Así, por ejemplo, lacantidad oxidada de Si podrá calcularse según:

kg Si oxidados = ¡Error!. ¡Error!

. En el caso del hierro, su oxidación da lugar a FeO y Fe2O3. El calor generado es:

¡Error!. (¡Error!. ¡Error!. 1,150 + ¡Error!. ¡Error!. 1,755 ) = (kcal/t)

Donde:

1,150 = kcal/kg Fe generadas en la oxidación de Fe a FeO.

1,755 = kcal/kg Fe generadas en la oxidación de Fe a Fe2O3.

. La oxidación del carbono se trata de forma similar a la indicada para la oxidación delos electrodos. La aportación energética será:

¡Error!. (8,080 . ¡Error!+ 2,450 . ¡Error!)= (kcal/t)

Donde:

8,080 = kcal/kg C generadas en la oxidación de C a CO2.

2,450 = kcal/kg C generadas en la oxidación de C a CO.

Como ya se ha indicado para el caso de la oxidación de los electrodos, si lasporcentajes de CO y CO2 en la atmósfera del horno no son conocidos, la aportaciónenergética por la oxidación del C se podrá calcular de acuerdo a:

(0.5 . ¡Error!. 8,080) + (0.5 . ¡Error!. 2,450) = kcal/t)

5. Oxígeno

La inyección de oxígeno al horno eléctrico tiene, generalmente, dos objetivosfundamentales: oxidación de la carga y ayuda a la fusión de la chatarra.

El oxígeno utilizado para la oxidación de la carga ya se ha considerado, desde elpunto de vista energético, en el punto anterior.

El consumo de oxígeno empleado para ayudar a la fusión, por ejemplo cortandochatarra, y fomentar la escoria espumosa se podrá considerar con una equivalenciaenergética de 4.5 kWh/Nm3 O2.

Suponiendo que todo el consumo de oxígeno indicado en los datos iniciales(cuestionario) se emplea como ayuda a la fusión, su aportación energética será:

O2 (Nm3/t) . 4.5 (kWh /Nm3) . 860 (kcal /kWh) = (kcal/t)

6. Formación de escoria

La aportación energética por la formación de la escoria se calcula en función de sucontenido (% en peso) en SiO2 y P2 O5, y considerando el calor generado en lasreacciones de formación de SiO4 Ca2 y P2 O5 Ca3,de acuerdo a:

¡Error!. ( (500 . ¡Error!) + (1,210 . ¡Error!) ) = (kcal/t)

Donde:

500 = kcal/kg SiO2 generadas en la reacción de formación SiO4 Ca2.

1,210 = kcal/kg P2 O5 generadas la reacción de formación de P2 O5Ca3.

Si el análisis de escoria es desconocido, una aproximación al cálculo de la aportaciónenergética por la formación de escoria es:

¡Error!. 200 = (kcal/t)

donde 200 es un valor medio de kcal/kg escoria generadas en su formación.

7. Calor sensible de la carga

La carga metálica al horno eléctrico puede aportar energía, como es el caso delprecalentamiento de la chatarra. La aportación energética por este precalentamientoserá:

¡Error!. 0.12 (kcal/kg °C) . [Tp -Ta](°C) = (kcal/t)

donde 0.12 kcal/kg°C es el calor específico del acero.

La aportación energética total en el balance que se está desarrollando será la sumade todas las entradas de energía indicadas anteriormente.

SALIDAS DE ENERGIA

1. Calor sensible del acero líquido

Se calculará de acuerdo a la siguiente fórmula:

[332 + 0.19 (T - 1,600) ] . 1,000 = (kcal/t)

Donde:

332 = Entalpía (kcal/kg) del acero líquido a 1,600°C de temperatura.

0.19 = Calor específico (kcal/kg°C) del acero líquido a temperaturas del orden de1,600°C.

2. Calor sensible de la escoria

Se calculará según:

¡Error!. 390 (kcal/kg) = (kcal/t)

donde 390 kcal/kg es un valor medio de la entalpía de la escoria.

3. Agua de refrigeración

Para calcular el calor perdido en el agua de refrigeración hay que considerar todoslos circuitos de refrigeración existentes en el horno: paneles de cuba, bóveda, etc. Nose considerarán los circuitos de refrigeración del transformador y embarradosecundario.

Para cada uno de los circuitos considerados, la pérdida de energía se calculará deacuerdo a:

Ca (m3/h) . 1 (kcal/m3°C) . t (h) . [Ts - Te] (°C) . ¡Error!= (kcal/t)

La energía total perdida en el agua de refrigeración se obtendrá mediante la sumade calor perdido en todos los circuitos.

4. Otras pérdidas de energía

Existen otras pérdidas de energía, algunas de ellas de gran importancia, en el hornoeléctrico de arco: pérdidas eléctricas, pérdidas por radiación y convección en el horno,pérdidas en los gases y humos extraídos por 4º agujero, etc.

Teóricamente, todas estas pérdidas pueden ser cuantificadas. Sin embargo, lasmediciones y cálculos necesarios para su determinación son extraordinariamentecomplicados. Además, estas pérdidas varían de forma importante a lo largo de unacolada, por lo que la exactitud del cálculo final es bastante dudosa.

Por todo ello, este conjunto de pérdidas se calcula como diferencia entre el total deenergía aportada y la suma de las energías perdidas anteriormente mencionadas.

3.3 ALGUNAS MEDIDAS TIPICAS DE AHORRO DE ENERGIA EN LOS HORNOSELECTRICOS DE ARCO

A continuación se indican algunas de las medidas típicas de ahorro de energía quese aplican a los hornos eléctricos de arco. El análisis se efectúa para H.E.A. concretosde la Comunidad Autónoma del País Vasco, contrastando el ahorro que se consigue yla inversión necesaria.

TRANSFORMADOR DE MAYOR POTENCIA

. Horno = 70 t. de capacidad (67 t líquidas).

. Transformador actual = 24 MVA.

. Producción = 150,000 t/año.

. Capacidad del trafo nuevo = 50 MVA.

. Inversión = 110 Mpts.

. Costo kWh = 7.5 pts.

. Costo electrodos = 260 pts/kg.

Aumentar la potencia del transformador con una nueva unidad traería comoconsecuencia poder aumentar las tensiones en el secundario, trabajar con un mayorfactor de potencia, y por tanto, con una mayor potencia activa en el horno, permitiendotanto la disminución del tiempo entre coladas como del consumo de electrodos.

Potencia = 24 MVA. Trafo actual

cos ϕ = 0.75

Potencia = 50 MVA. Trafo nuevo

cos ϕ = 0.83

El H.E.A. trabajando en las condiciones actuales obtiene una potencia activa de 24MVA X 0.75 = 18 MW, mientras que con el nuevo trafo se obtendría una potenciaactiva de 50 MVA x 0.83 = 41.5 MW.

Por cada 1 MW de aumento de potencia, se obtiene un ahorro de 2.2 kWh/t. acerolíquido y una reducción en el consumo de electrodos. Este ahorro en los electrodos sepuede evaluar en 0.65 kg/t. de acero líquido (0.0277 kg de electrodos/t. de acerolíquido por cada 1 MW de aumento de potencia).

Y, además, al disponer el nuevo trafo de mayores tensiones secundarias, se podríaaumentar la relación V/I hasta 13.23, lo que supone un ahorro adicional de electrodosde 1.83 kg/t. de acero líquido (0.07777 kg de electrodos/t. de acero por cada 1 MW deaumento de potencia).

Los ahorros serían:

- Aumento de potencia activa: 23.5 MW.

- Ahorro de energía eléctrica anual:23.5 x 2.2 x 150,000 x 7.5 = 58,162,000 pts.

- Ahorro anual en el consumo de electrodos:2.48 x 150.000 x 260 = 96,720,000 pts.

- Ahorro total: 154,882,500 pts/año.

- Inversión: 110,000,000 pts.

- P.R.: Inferior a 1 año.

MODIFICACION DE LAS TENSIONES SECUNDARIAS DEL TRANSFORMADOR

. Horno = 70 t. de capacidad (67 líquidas).



. Costo energía eléctrica = 7.5 pts/kWh.

. Costo electrodos = 260 pts/kg.

La elevación de las tensiones secundarias del trafo produce una mayor potenciaactiva en el H.E.A. y un menor consumo de electrodos.

Para el H.E.A. de 70 t. considerado, se incrementa en un 20% la tensión secundaria,pasando de 375 V. a una tensión máxima de 450 V.

El factor de potencia pasará de 0.75 a 0.83, luego la potencia activa pasará de 18MW a 19.92 MW, ya que:

24 MVA x 0.75 = 18 MW

24 MVA x 0.83 = 19.92 MW

En cuanto al consumo de electrodos, la intensidad secundaria con la que se estabafuncionando antes de la modificación es:

24,000/(�3x375) = 37 kA

Por tanto, la relación V/I antes de la modificación es ¡Error!= ¡Error!= 10.1

Después de la modificación, la intensidad secundaria pasará a:

24,000/(�3x450) = 31 kA

que da una relación ¡Error!= ¡Error!= 14.6

El consumo de electrodos se reducirá desde 4.6 kg/t. hasta 3.2 kg/t.

Así pues, los resultados económicos serán:

- Ahorro anual de energía eléctrica (2.2 kWh/t. por cada 1 MW de aumento depotencia activa):

(19.92 - 18) x 2.2 x150,000 x 7.5 = 4,752,000 pts.

- Ahorro anual en el consumo de electrodos:

(4.6 - 3.2) x 150.000 x 260 = 54.600.000 pts.

- Ahorro total (sin contar el aumento de productividad al disminuir el tap-to-tap) =59,352,000 pts/año.


- P.R.: Inferior a 1 año.

CALENTAMIENTO DE CUCHARAS

. Horno = 25 t.



. Costo fuel-oil = 17 pts/kg.


Las ventajas que se pueden obtener por el calentamiento de las cucharas, antes de

la colada del horno, son:

. Mayor duración del refractario de la cuchara al evitar humedades, y cambios bruscos

y continuos de temperatura.

. Mayor duración del refractario del horno, al poder colar al acero líquido a menos

temperatura.

. Menor consumo de energía eléctrica en el horno, al disminuir el sobrecalentamiento

final del acero anterior a la colada.

. Aumento de la productividad, al disminuir el tiempo de colada a colada.

Para que el calentamiento de la cuchara sea eficaz, se debe conseguir un gradiente

continuo de temperatura en el revestimiento refractario de la misma.

Para dicho calentamiento vamos a considerar que se utilizan 2 kg de fuel/t de acero

líquido, y la temperatura de colada del horno se reduce en 30°C.

En el rango de temperaturas en que se mueve el acero líquido, momentos antes de la

colada, el aumentar en 10°C su temperatura supone un incremento en el consumo de

energía eléctrica de unos 5 kWh/t de acero líquido, teniendo en cuenta el rendimiento

térmico del horno. La reducción de 30°C en la temperatura de colada supondrá, por lo

tanto, un ahorro de 15 kWh/t. de acero líquido.

El ahorro que se obtiene por el calentamiento de cucharas será:

- Ahorro de energía eléctrica:

15 kWh/t x 35,000 t/año x 7.5 pts/kWh = 3,937,500 pts/año.

- Costo de fuel-oil:

2 kg/t x 35,000 t/año x 17 pts/kg = 1,190,000 pts/año.

- Ahorro total =2,747,500 pts/año.


- P.R. 3.6 años.

METALURGIA EN CUCHARA - HORNO CUCHARA

. Horno = 100t. (105 líquidas).

. Producción anual = 350,000 t.


. Costo de los electrodos = 260 pts/kg.


El horno cuchara presenta las ventajas siguientes:

. Evitar sobrecalentamientos de acero en el H.E.A. antes de colar a la cuchara. Con el

horno cuchara se puede reducir la temperatura de vuelco del H.E.A. en 50 ÷ 60°C, lo

que supone un ahorro de energía eléctrica de 25 a 30 kWh/t.

. Reducción del tiempo tap-to-tap que puede estimarse en 10 minutos (2 kWh/t. de

ahorro de energía eléctrica por cada 1 minuto que se acorta la colada), lo que

supone un ahorro adicional de energía eléctrica de 20 kWh/t.

. Mayor rendimiento de las adiciones de aleación, lo que supone un ahorro de 100

pts/t. aproximadamente.

. Actúa de "colchón" entre las producciones del H.E.A. y de la colada continua.

Teniendo en cuenta que el consumo medio de energía eléctrica del horno-cuchara es

de unos 30 kWh/t y el consumo de electrodos de unos 0.3 kg/t, los ahorros a obtener

por su adopción son:

- Ahorro total de energía eléctrica:

30 + 20 - 30 = 20 kWh/t.20 kWh/t x 350,000 t/año x 7.5 pts/kWh = 52,500,000 pts/año.

- Ahorro en electrodos:

(0.011 x 50) - 0.3 = 0.25 kg/t.0.25 kg/t x 350,000 t/año x 260 pts/kg = 22,750,000 pts/año.

- Ahorro en aleaciones:

100 pts/t x 350,000 t/año = 35,000,000 pts/año.

- Ahorro total = 110,250,000 pts/año.


- P.R. = 1.5 años.

PRECALENTAMIENTO DE CHATARRA

. Horno = 100 t.

. Producción anual = 350,000 t/año.



. Costo de los electrodos = 260 pts/kg.

El empleo del precalentamiento de chatarra, mediante los humos procedentes del

horno, tiene como consecuencia una disminución en el consumo de energía eléctrica,

así como un acortamiento del tiempo entre coladas y un menor consumo de electrodos.

- Ahorro de energía eléctrica: 25 kWh/t.

- Ahorro en electrodos: 0.011 kg/kWh x 25 kWh/t = 0.275 kg/t

Por lo tanto, para el H.E.A. considerado, obtendremos los ahorros siguientes:

- Energía eléctrica:

25 kWh/t x 350,000 t/año x 7.5 pts/kWh = 65,625,000 pts/año

- Electrodos:

0.275 kg/t x 350,000 t/año x 260 pts/kg = 25,025,000 pts/año

- Ahorro total = 90,650,000 pts


- P.R.= 1.8 años.

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1. HORNOS INDUSTRIALES 2. HORNOS DE …biblioteca.uns.edu.pe/saladocentes/archivoz/curzoz/hornosind.pdf · Horno eléctrico de inducción, utilizado principalmente para la fusión