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DISEÑO Y MONTAJE DE UNA FABRICA DE RESORTES
JAIR ARANGO MEJIAGUILLERMO CABAL VE,LE,Z,JORGE ENRIQUE VARGAS SARRIAJAIRO ARIVIANDO VARGAS RODRI:GUE,Z
Trabajo de Grado presentado comorequisito parcial para optar altítulo de Ingeniero Mecánico
HERNAN LONDOÑO B.Director:
l9f "ÉiYdho"o
I rilllltüut ültututu
tutu ilr
Ing.
CORPORACION UNIVERSITARIA AUTONOMA DE OCCIDENTEDIVISION DE INGENIERIAS
PROGRAMA DE INGENIERIA MECANICACaIi, 1. 985
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I
34
Aprobado por el Comité de Trabajo de
Grado en cumplimiento de tos requisitos
exigidos por la Corporación Universita-
ria Autónoma de Occidente para otorgar
el título de Ingeniero Mecánico.
Presidente del Jurado
Jurado
Jurado
ii
CaIi, Mayo de 1.985
I
(r'¡ ' '
I
TABLA DE CONTENIDO
pá9.
RESUMEN..............o............................ ixiii
INTRODUCCION...................................... 1
1.
1.1
L.2
1.3
1.3.1
t.3.2
1.3.3
1.3.4
1.3.5
1.3.6
1.3.7
1.3.8
1.3.9
DISTRIBUCION DE PLANTA................. . Z
INTRODUCCION.............................. z
RESORTE DE BALLESTAS..............O""' 2
PROCESO DE FABRICACION..o............... 7
Almacenamiento. .. ... .. . .. .. . .. .. . .. . .. . .. .. . 7
COrtg... a . .. . . . .. . . . . .. . . . ... .. ... .. . a a a.. .. 7
Perforación................................ . 7
Roleo.................a..................... 8
Temple. . . . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . . . . . . .. . .. . . I
Revenido.................................... I
Control de Calidá.d...........o.............. I
Pintura. . . ... .. . .. ... ... .. .. . .. . ..... .. . .. .. 10
Despacho................................... 10
1U
I.4 DISTRIBUCION GENERAL DE I,A FABRICA....
1. 5 CONDICIONES DE I,A DISTRIBUCION..........
1 . 5. 1 Zonas Generales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
t.5.2 Locarización de Maquinariá....................
1.5.3 Tipo de Trabajo..............................
1.6 RESTRTCCIONES DE LA DISTRIBUCION........
1.6.1 Lote. .. .. . .. . .. .. . ... .. .. . .. . .. .. . .. . .. ... . . .
L.6.2 Area. . a . . . .. .. . .. . .. ... . a . .. .. . .. . o. ...... ...
1.6.3 Algdaños............................oo.......
1.6.4 Acceso. ........... ...........................
1.6.5 MaquinariÉI...................................
1. 6. 5. 1 CízaILa.. . . . . .. . .. . . . .. . . . . .. . . . .. . . o . . . . . . ..
1.6.5.2 Horno de Temple.......................o....
1.6.6 Estructura de cubierta.......................
L.7 . DISTRIBUCION DE AREA DE I,A PLANTA. . ..
1.9 DIAGRAMA DE FLUJO.. .. . .. .. . .. . .. ... .. . .
1.9 DETALLES DE DISTRrBUCION........o......
1.9.1 Maquinaria..............................o...
1.9.2 Areas de Maquinaria. ... ... .. ... .. . .. ... ... .
1.9.3 Areas de Trabajo...........................
1.9.4 Servicios Sanitarios-Bebederos de Agua-Ves-tieres. o . . . .. o . . o . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
pág.
11
t2
L2
L2
13
13
13
13
L4
t4
L4
L4
L4
15
15
16
L7
L7
18
18
19
rv
1. 9. 5 Almacén. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.9.6 Almacén General.. ... .. ... . t . .. .. . .. . o.. .. ..
1.9. 7 DespachoS. .. .. . .. . .. ... .. . .. .. . . .. ... . .... .
1.9.8 Taller......................................
1.10 Estudio del Sistema Eléctrico................
1.10.1 Tablero de Automáticos......................
1. 10.2 Diagrama del Tablero Automático............
1.10.3 Cálculo de la Carga Efectiva....... .........
1. 10.4 Cálculo de Acometida.......................
1.10.5 Diagrama Unifilaf...................o......
1.10.6 Cálculo de Transformador..................
pág.
19
19
20
20
22
22
25
25
27
27
28
29
29
30
30
31
31
31
31
32
2.
2.L
2.2
2.3
2.4
2.4.L
2.4.2
2.4.3
2.5
SELECCION Y DISITRIBUCTON DE MAQUINA-RIA a . . . . . . . . a a . . . . . a . . . . a . a o . . r o . . . a a a a . . . .
sEccIoN DE CORTE......... r...........r.tSECCION DE PERFORACION.. .. .. . ... .. ... .
SECCION DE ROLEO........................
SECCION DE TEMPLE..........oo..........
Horno. a a a a a a . . . a a . a . a a a a a . a a . . . a . a a a a. a a o a .
Tratamiento Térmico...............o.......
Prensa Neumática..................o.......
sEccIoN REVENIDO. ... .. . .. .. . ... .. .. . .. .
v
2.5.t
2.5.2
2.6
2.6.L
2.7
2.8
2.9
3.
3.1
3.1.1
3. 1.2
3r 1,3
3. 1.3.1
3. 1. 3.2
3.2
3.2.L
3.2.2
3.2.3
3.2.4
3.2.5
pág.
Horno................ .................... 32
Tratamiento Térmico......... o................. 33
SECCION DE CONTROL DE CALIDAD. .. ... . . .. 33
Prenga Hidráulica. ... .. . .. .. . .. . .. .. . ... .. .... 33
sEccIoN DE PINTURA........................ 33
sEccIoN CoMBUSTIBLE.. . .. ... .. . .. ... ... .. . 34
sECcIoN TALLER.................o.o........ 35
TRATAMIENTOS TERMICOS.. . . .... ........ .. . 36
INTRODUCCION............................... 36
Acero........................................ 36
Influencia de los Elementos de Aleación. . ... .. . 36
Clasificación AISI/SAE para los Aceros.. .. . ... 4L
Aceros de Construcción de Maquinaria......... 4L
Aceros para Herramigntas. ...... ............. 44
PRINCIPIOS TEORICOS DE LOS TRATAMIEN-TOS TERMICOS............................!. 47
Introducción..............r..........o........ 47
Transformación de la Austenita. . .. . .... . .. . .. 48
Curvas de Tra¡rsformación Isotérmica. .. . ... .. 51
Templabilidad. .. .. .. . ... .. ... .. . .. ... .. . .. ... 53
Determinación de la Templabilidad. . .. .. . .. . . 56
vt
3.3
3.3.1
3.3.2
4.
4.L
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
5.
5.1
5.2
5.2.L
5.2.2
5.3
5.4
5.4.L
TRATAMTENTOS TERMICOS-GENERALIDADES. .
Temple. . . .. . ... .. ... a. . .. ... .. . .. .. .... .. . .. .
Revgnido. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o . .
DATOS TECNICOS- ACEROS SAE 5160
INTRODUCCION. ..............................
ENSAYOS REALIZADOS. .. . .. . .. ... ... .. ... . . o
TEMPERATURA OPTI1VIA DE TEMPLE. O' O''''TAMAÑO DE GRANO.........................
ENSAYOS MECANICOS: Diagrama de Revenidos
RECOMENDACIONES PRACTICAS PARA LOSTRATAMIENTOS TERMICOS.. ... .. . . . ... ... ..
4PLIC4CIONES..............................
HORNOS. . .. . .. . .. .. . .. . .. .. . . . . . . . . . . . . .. . ..
uTrLrzAcIoN DE LOS HORNOS.. .. ... ... .. ...DESCRIPCION GENERAL Y CLASIFICACION. .
EI Horno (DENTRO-FUERAtt......... o.......El Horno ttcoNTtr\IJott......................
ELEMENTOS EN LA CONSTRUCCION DE LOSHORNOS. . . . . .. . .. . . . .. . . . .. . . . . .. .. . . . . .. ..
RESISTENCIA Y DIJRACION DE LOS HORNOS.
Propiedades de los Materiales en los Hornos..
61
64
72
pag.
79
79
80
80
82
83
87
8?
89
89
89
90
90
90
91
91
vrl
5.4.2
5.4.3
5.4.4
5.4.5
5.5
5.5.1
5.5.2
5.5.3
5.6
5.7
5. 7.1
5.7 .2
5.7.3
5.7.4
5. ?.5
5.8
5.8. 1
5.8.1.1
Cimentaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Paredes LateralgS..o............r............
Puertas.. . ... .. .. . .. . a. .. . .. ... .. . a.. a a a a. a..
Amarre de los Hornos..................o.....
FUEL-OIL INDUSTRIAS ESSO...............,.
Ventajas del FueI-OiI sobre otros Combistibles.
Datos Técnicos del Fuel-Oil..................
Clasificación de los Fuel-Oil.................
ECONOMIA DE LOS COMBUSTIBLES EN LOSHORNOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
MOVIMIENTO DE GASES EN LOS HORNOS...
Presión en los Hornos; Tamaño y Situaciónde los Orificios de Salida de Gases. . o .. .... .
Canales de Humos y Chimeneas..........to.
Flujo de los Gases en los Hornos con Rege-neradoreS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Circulación de los Gases del Horno y Mediospara PrOducirla. .. .. . .. . .. .. . .. . .. ... . .. .. ..
Circulación de Gases en Hornos de diversosTipos. . .. . . a. .. .. . .. . .. . a . .. ... . a ... . .. ....
DISEÑO. . . .. . .. .. . .. . .. .. ... . .. .. ... . .. ... .
Consideraciones sobre Combustible.... ... . o. o
Combistiblg-Fuel OiI........................
pág.
93
94
94
95
95
96
96
97
98
100
100
101
1Qs
LO4
131
t34
134
vltl
pág.
5.8.1.1.1 Punto de Inflamación ..................... 186
5.8.1.1.2 Contenido de Agua........................, 186
5.8.1.1.3 Ceni2as..............................o.... 137
5.8.1.1.4 Azufte... . .. . .. .. . ... .. . . ... . . .... .. . ..... 13?
5.8.1.1.5 Punto de Fluidé?.......................... 13?
5.8.1.1.6 Contenido Catórico..................o..... 188
5.8.2 Combustión en General.................... 139
5.8.2.1 Condiciones óptimas de Combustión......o. 140
5.8.2.2 Tipos de Combustión...................... L4L
5.8.2.3 4ire..................................... L4l
5.8.2.4 Calor.. .. .... .. .. . .. . .. ..... . .... . ... .. .. L42
5.8.2.5 lgnición.................................. t44
5.8.2.6 Temperatura de la Llama.o.............o. t44
5.8.2.7. Regulacién de la Combustión.............. L46
5.8.2.8 Quemadores .. ... ...,.... ..... ,.......... L45
5.8.2.9 Relación de Reducción..................... t4O
5.8.2.10 Estabilidad................................ t47
5.8.2.11 Formas de Ia Llama....................... I47
5.8.3 Diseño Térmico y Mecánico................ 149
5.8.4 Horno de Temple.......o.................. 153
5.8.4.1 Características Generales... ¡....,......... 153
.IJt
5.8.4.2
5.8.4.3
5.9.4.3.1
5.8.4,3.2
5.8.4.3.3
5.8.5
5.9.6
5.9.7
5.9. ?.1
5.8.7.2
5.8.7.3
5.9.7.4
5.8.7.5
5.9. 7.6
5.9.7.7
5.8. 7.8
5.8.8
5.8.9
Dimensionamiento.......... o. o......r.....
Pérdidas de Calor........................
Introducción.. .. .. . o. . .. r... r. .. .. ... o. r ..
Flujo de Calor. . .. ..... . .. ... ... .. o.. o....
Conducción.. . .. .. . .. . .. .. .... .. .. .... ....
Anátisis.. . .. .. . .. . .. .. . .. . .. ...... ..... ..
Material€S.. o .. . .. ...... ..... . o... ...... r.
Cálculo de Pérdidas de Calór.............
Pérdidas de Calor a través de las ParedesLaterales de Ia Cámara de Calentamiento.
Pérdidas de Calor a través de las Paredesde Cámara de Combustión. . o . .. . .. . .. o. . .
Pérdidas de Calor a través del Piso.. ... .
Pérdidas de Calor a través del Techo. .. .
Pérdidas de Calor a través de los Fren-tes de la Cámara de Calentamiento... . ..
Pérdidas d e Calor en los Frentes de laCámara de Combustión..................
Pérdidas de Calor del Horno Cedidas alMedio Ambiente cuando se abren las Puer-tas de1 Horno...........................
Pérdidas Totales de Calor.............o.
Calor Requerido para llevar la Carga a laTemperatura de Trabajo..o..............
Calor Total utilizado para el Horno. .. ...
pag.
156
158
158
159
160
161
163
163
163
170
L77
165
166
168
178
178
179
181
pá9.
5.8.10 Rendimiento Térmico de1 Horno..........r t82
5.8.11 Horno de Revgrido...............o.r.o... 183
5.8.11.1 Características Generales. . . ... ... ..... .. . 183
5.8.11.2 Dimensionamiento Principal............ r.. 184
5.8.11.3 Pérdidas de Calor........................ 185
5.8.11.3.1Pérdidas de Calor a través de las ParedesLaterlaeS..............................o. 185
5.8.1L.3.2 Pérüdas de Calor a través de la Pared Posterior. .. .. . .. . .. .... .. .. ... .. . .. .. . ... .. - 186
5.8.11.3.3 Pérdidas de Calor a través de las ParedesLaterales de Ia Cámara de Combustión. .. . 1S7
5.8.11.3.4 Pérdidas de Calor a través de la ParedPosterior de la Cámara de Combustión. ... 188
5.8.11.3.5 Pérdidas de Calor a través del Techo deIa Cáuaara de Calentamiento.............. 189
5.8.11.3.6 Pérdidas de Calor a través de la Puerta.. 190
5.8.1I.3.7 Pérdidas de Calor a través del Techo deIa Cámara de Combustión............... 193
5.8.11.3.8 Pérdidas de Calor Cedidas al Medio Am-bientea . . . . . . . . .. . .. .. . .. .. . . . . . . . . . .. . 193
5.8.11.3 Calor Requerido para llevar la carga a laTemperatura de Revenido............... 193
5.8.11.5 Calor total utilizado por Hora......o..o 195
5.8.11.6 Calor Suministrado..................... 195
5.8.11.7 Rendimiento Térmico........o.......... 196
5.8.11.8 Masa total de los Gases de Combustión. 196
6.
6.1
6.2
6.3
6.4
6.4.1
6.4.2
6.4.3
6.4.4
6.4.5
6.4. 6
6.4.7
6.4.8
6.5
6.6
6.7
6.8
6.9
6. 10
7
7.t
7.2
PRENSA HIDRAULICA. . .. .. . .. . . ... . .. ...
ENS4Yo.................................
ENSAMBLE DE BUJES..O " ¡ " ".." " "'CoRRECCIONES................o.... r...
CARACTERISTrcAS PARA DIS¡EÑO. O' O' t'
Capacidad.. ... .. . .. ... ... .. ..... . .. .....
Carrera.................................
Velocidad dgt Actuador. .................
Espacio entre Columnas. o. o..............
La Mesa.....a.........r....r...........
Sistema Hidráulico......................
Presión Máxima de Trabajo. ... ... .. ....
Estructuf3.............................
CALCULOS- SISTEMA HIDRAULICO. . .. .
vaLvuLA DIRECCIONAL...... o. . o.....
VaLVULA DE 4LMO.. .. .. . .. .. ... . .. .
VALVULA DE CONTROL DE FLUJO....
EL ACTUADOR GATO. . . o. .. .. . . o. ..
EL TANQIJE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
coNcLUsIoNEs......... ..............MaQUtr{ARIA.. ..... .. . .. ..... o .. .....
MoNTAJE DE PL4NT4...............
pág.
198
198
200
200
20t
20L
202
202
202
202
202
203
203
203
209
209
209
2LO
2LL
2L4
2t4
2L4x11
pág.
7.3
7.4
PRODUCTO. ......o. o.............. o.....
APORTE A LA INDUSTRIA...... o. o......
2L5
2L5
2t6BIBLIOGR4FI4.o...................................
PLANOS
xiii
FIGURA
FIGURA
FIGURA
FIGURA
FIGURA
FIGURA
FIGURA
FIGURA
FIGURA
FIGURA
F.IGURA
F,IGURA
1.
2.
3.
4.
5.
6.
LISTA DE FIGURAS
pág.
Hojas Maestras o Principales.... ........ 3
Hojas Escalonadas........................ 4
Ilustración de un Resorte Completo. . .. . . . . 6
Diagrara Unifilar..........o.............. Zg
Diagrama TTT para un Acero Eutectoide.. 52
Relaciones entre Duteza" Carbono y Can-tidad de Martensita...................... bb
Distribución de Duteza en un Acero. . .. .. .97
Probeta y Montaje para el Ensayo Jominy 60
Curvas Jominy para un Acero de baja Alea-ción con 0.40 de Carbono. .. .. . .. . ..... ... 62
Esquema de algunos Tratamientos Técni-cos indicando Las Zonas de Transformación. 77
Temperatura óptima de Temple. .... ... 81
Variación del Tamaño de Grano con lasTemperaturas de Temple. Tiempo deAustenización = 1 Hora................. gz
7.
8.
9.
10.
11.
t2.
xLv.
pág.
FIGURA 13. Variación de ta Dureza con respecto a laTemperatura de Revenido. ............... 84
FIGURA 14. Variación de las Propiedades Mecánicasen función de la Temperatura de Reveni-do...................t"""ttt""""' 84
FIGURA 15. Variación de la Tenacidad para una Tem-peratura de Revenido dada en función delTiempo de Sostenimiento................ 85
FIGURA 16. Variacón de las Propiedades Mecánicaspara una Temperatura de Revenido enfunción del Tiempo de Sostenimiento.... 85
FIGURA 1?. Banda de Templabilidad. Tamaño delGrano ASTM 7-8...................... 86
FIGURA 18. Banda de Templabilidad para dÍstintosRevenidoS.. ............. . ............. 86
FIGURA 19. Flujo de una Corriente Subdividida deGasgs. .. . . . .. . .. .. . .. . .. .. ' . ' . ' ' ' ' ' " ' 103
FIGURA 20. Circulación perjudicial producida por elefecto de Chimenea en un Horno Calien-te. . . . .. . .. . .. .. . .. ... . . . .. . . . .. . . . . .. 109
FIGURA 21. Efectos ascendentes de los Gases Calien-tes...... ................ ............. 111
FIGURA 22. Circulación mantenida por un pequeñoChorro............................... Ltz
FIGURA 23. Dimensionado incorrectos de los Canalesde Humo.............................. 115
FIGURA 24. Dirnensionado correcto en Canal de Humos 115
FIGURA 25. Corrientes de Convección inducidas porlas Resistencias Calientes............... 118
xv
pág.
FIGURA 26. Disposición incorrecta de la carga en unHOfnO de R,eCOg€f .......... . ..... ....... 118
FIGURA 27. Circulación producida por Quemadores Es-C aIOnadOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . LzO
FIGURA 28. Dispositivos para reducir Ia Infiltraciónde Aire en Hornos de cierta Altura.. .. . . LZL
FIGURA 29. Disposición del Puenten Bóveda y Orificiosde Gases para mejorar Ia uniformidad deCalentamiento.......................... L24
FIGURA 30. Circulación en un Horno continuo influen-ciado por Ia forma y disposición de laBóveda................................. t24
FIGURA 31. Efectos d e Chorros en ls Circulación. . . . L25
FIGURA 32. Método de Colocación de la Carga en elHorno. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . I27
FIGURA 33. Horno de Recalentar con Caldeo Unilate-ral................. ......... L27
FIGURA 34. Horno con Ventilación para Producir Cir-culación..........................r..... I28
FIGURA 35. Horno Proyectado para la Circulación deProyectos de Combustión....... ........ tlz
FIGURA 36. Flujo de Gases en un Horno con Carretóny Calefacción por Ia Parte Superior. . .. . 133
FIGURA 3?. Detalle de Solera - Horno de Temple. .. lb?
FIGURA 38. Diagrama de las Paredes Laterales - Cá,-mara de Combustión................... 165
FIGURA 39. Diagrama del Piso. . . . . .. .. . ... .. . .. ... 16?
FIGURA 40. Diagrama de Techo.................... 169
xvl
pág.
FIGURA 41" Distribución de Areas en los Frentes deIa Cámara de Calentamiento............. 1?0
FIGURA 42. Diagrama Frontal de Ia Cámara de Ca-lentamiento............o.....'r......... 171
FIGURA 43. Diagrama de Pared Frontal y Puerta..... 1?3
FIGURA 44. Diagrama sobre Area C (Puerta)........ . L75
FIGURA 45. Diagrama Frontal de Ia Cámara de Com-bustión. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . L77
FIGURA 46. Horno de Revenido- Dimensionamiento Prin-cipal. . . o .. . . . . .. .. . .. . .. .... . . .. . . . .. . . . 184
FIGURA 47. Diagrama paredes laterales de la Cámarade Calgntamiento.....o.................. 185
FIGURA 48. Diagrama Pared Posterior............... 18?
FIGURA 49. Diagrama de Paredes Laterales de la Cá-mara dg Combustión..................... 188
FIGURA 50. Diagrama de Techo de Ia Cámara de Ca-Ientamiento.............................. 189
FIGURA 51. Diagrama dg Puerto..................... 191
FIGURA 52. Diagrama de Techo de la Cámara de Com-bustión. . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . t92
FIGURA 53. Posición de Resorte para Ensayo de Flexión 199
FIGURA 54. Tanque - Conexiones del Sistema Hidráuli-CO...... . .......... ..................... . 212
xvii
LISTA DE TABLAS
pág.
TABLA 1. Area de Maquinaria- Area de Trabajo-Area Total. ........... o r...... .. o... 2t
TABLA 2. Tablero de Automáticos- Tablero de 24circuítos - 2 fases - 3 hilos.....o..... 23
TABLA 3. Diagrama del Tablero Automático.. . .. .. 24
TABLA 4. Cálculo de Carga efectiva. . ... .. .. . ... . 26
TABLA 5. Efectos específicos de los Elementos es-peciales en el Acero. ................. 46
TABLA 6. Inspecciones Típicas del Fuel-Oil Indus-trias ESSO 97
TABLA 7. Clasificación de la Fuel-Oi1. . . .. . . . .. . 98
xvlll
AGRADECIMIENTO
Los autores expresan su agradecimiento:
A HERNAN LONDOÑO BARONA, Ingeniero Mecánico, Ms.n
Coordinador del presente trabajo de Proyecto de Grado.
A todas aquellas personas que de una u otra manera colabora-
ron en la elaboración de este trabajo
xlx
DEDICATORIA
A nuestros Padres
Jaír Ara¡rgo MGuillermo Cabal V.Jorge Enrique Vargas S.Jairo Armando Vargas R.
RESUMEN
Para el montaje de una nueva planta especializada en la
ción de 'rResortes de Ballesta[ es necesario hacer el
tomando como base el proceso de fabricación; se debe
sente igualmente Ia calidad del producto a elaborar y
tricciones de la inversión.
fabrica-
estudio
tener pre-
Ias res-
siguiendo la secuencia del proceso se toma cada uno de los pun-
tos de operación para analizar las necesidades de maquinaria y
áreas de trabajo.
con la evaluación de maquinaria a utilízar y las áreas de tra-bajo correspondientes se }es anexa las áreas de oficinas, alma-
cenes, taller, pasillos y servicios generales hasta obtener una
idea clara del área de Ia planta que se necesita, buscando siem-
pre la mejor línea de flujo para el producto en proceso.
to<l i
En este estudio lo ideal es dividir la planta en secciones que
encierren cada una varias operaciones en el proceso de fabri-
cación del resorte. De esta manera dividimos la planta general
en secciones que facilitan su estudio y control del funcionamien-
to.
En nuestro diseño escogido de planta se hizo el estudio corres-
pondiente a instalaciones eléctricas generales, incluyendo redes
interiores, motores, iluminaciór¡ cálculos de acometida y trans-
fgrmador de acuerdo a Ia carga demandada.
EI proceso de fabricación encierra el estudio de tratamientos
térmicos que incluyen el temple y revenido; tratamientos que
son la base de la calidad en la fabricación de resortes de ba-
Ilesta.
Las necesidades de maquinaria se solucÍonaron con la compra de
una parte y eI diseno y fabricación de otras de acuerdo a estu-
dio elaborado tomando como pautas: costo, tiempo de entrega,
consecución en el mercado, forma de pago y servicio de man-
tenimiento.
xxit
INTRODUCCION
El presente trabajo tiene como finalidad contribuir de una manera
directa eI fortalecimiento de nuestra industria por medio del
aporte de una nueva planta para la fabricación de elementos de
gran demanda por su utilidad dentro del mercado de la indus-
tria autornotrí2, como son los "RESORTES DE BALLESTA".
Para cumplir con nuestro objetivo se tuvo como base en dise-
ñar e instalar un sistema de producción que satisfaga las capa-
cidades y la calidad de la manera más económica de acuerdo
a las restricciones de la inversión.
1. DISTRIBUCION DE PLANTA
1. 1 INTRODUCCION
La distribución ha sido planeada en base a los recursos reales
de maquinaria, con una ordenación según su utilización en el
proceso. Para ello se hizo el análisis de las secciones que in-
tervienen en el tratamiento del producto y partes complementa-
rias.
1. 2 RESORTE DE BALLESTAS
Los resortes o muelles de ballesta se componerL generalmente,
de láminas de diferentes longitudes con el fin de aproximarse
Io más posible, a un sólido de iguat resistencia.
se llama escalón de una hoja de longitud de su parte libre, es
decir, de su parte no sostenida o apoyada en Ia hoja siguiente
más pequeña.
La hoja maestra o principal
ticular de cada automotor (
va conformada
Figura 1)
según el diseño par-
FIGURA 1. Hojas Maestras o Principales
El número de hojas que compone un resorte es variable para
cada vehículo, puede contar de dos hojas hasta L4 o 15 hojas.
En la práctica Ia hoja más larga u hoja principal conserva su
ancho hasta los extremos. La sección en un punto cualquiera
debe ser suficiente para resistir el esfuerzo cortante. En el
caso de cargas fuertes, si la sección de la hoja maestra no
es suficiente, se Ia refuerza con una o varias hojas más, que
la sostienen hasta debajo de los puntos de apoyo.
/\/\t\
:/ \r{\¡
Si la hoja maestra termina en ojos, estos quedarán conforma-
dos exclusivamente por ella.
Generalmente las hojas escalonadas terminan en simple sección
recta ( Figura 2-Al, €tr forma parabótica (Figura 2-Bl, o con
mayor frecuencia, trapezoidal (Figura Z-Cl, esto con el fin de
aproximarse lo más posible al sólido de igual resistencia, a
veces se las rebaja progresivamente hacia las extremidades, en
todo 1o ancho de la parte escalonada (Figura 2-Dl,
2-a
2-C
Hojas Escalonadas.
2-B
2-D
4
FIGURA 2,
Los muelles de ballestas se construyen, por lo general, con
una flecha inicial mayor que la obtenida bajo ta carga normal
para evitar que se trabajen a contra-flecha en su posición ha-
bitual. Antes de su montaje, cada una de las hojas tiene ya su
radio de curvatura, decreciente desde Ia hoja maestra a Ia más
pequeña no obstante, esta diferencÍa de curvatura no se tiene
en cuenta para los muelles formados con hojas de igual espe-
sor.
Para la fabricación de las hojas de resorte, en Colombia se
utilizan las normas americanas, tanto en lo referente a las
medidas y diseño específicos como también en las referencias
o forma de denominar cada resorte. Estas medidas y referen-
cias han sido catalogadas y estandarizadas por cada fabrican-
te o marca de vehículos el cual suministra las medidas y ca-
racterísticas de cada resorte de acuerdo al vehículo.
Las referencias de los carros Ford empieza por 48, los Dodge
empiezan por 34. Los camperos por 48, Ios Fiat por 42, los
chevrolet por 22, etc. y cada referencia tiene sus medidas
particulares variando tanto en longitud, grueso y ancho.
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1. 3 PROCESO DE FABRICACION
1. 3. 1 Almacenamiento
La materia prima es recibida en forma de platinas cuyos ca-
libres varían de acuerdo aI pedido del material a utilizar. Es-
tas platinas vienen en una longitud de seis a siete metros.
I .3.2 Corte
-En base al pedido de hojas de resorte se traen las platÍnas aI
banco de corte, en la cantidad a utilizar.
se euadra el tope de la cizarla en longitud de la hoja según re-ferencia de pedido. El corte se efectúa en frío utilizando una
troqueladora ó cízarra de capacidad = 100 toneladas.
EI material cortado se armacena en eI área correspondientes
para continuar su proceso
1. & 3 Perforación
Las hojas de resorte deben llevar una perforación que varía
entre 0 llta" y g/16"; esta perforación es utilizada por eI7
el pasador central que
tuar la perforación se
= Sl4" .
une las hojas en
utiliza un taladro
sóIido. Para efec-
árbol de capacidad
un
de
1. 3.4 Roleo
Las platinas que por su configuración llevan ojo; se calientan
en el hornillo hasta aLcanzar la temperatura de forja (1.200"C).
Cuando las platinas se encuentras a la temperatura de forja se
introducen en la dobladora para fabricar eI ojo; eI tamaño va-
ría de acuerdo a Ia referencia del resorte que se encuentre en
proceso según pedido.
1. 3. 5 Temple
Cuando las platinas se encuentran con su perforación y ojos
necesarios según referencia se les efectúa eI tratamiento tér-
mico de1 temple; para cumplir este proceso es necesario 11e-
var las platinas hasta Ia temperatura de temple (850"C), utili-
zando el horno de temple.
EI enfriamiento se hace en Ia prensa neumática, donde se le
I
da a la platina la curvatura correspondiente antes de iniciar
su enfriamiento en aceite. (Ver capítulos 3 y 5 sobre Trata-
mientos Térmicos, Temple y Horno de Temple).
1.3.6 Revenido
Una vez las platinas han cumplido el proceso de temple para
mejorar sus condiciones de resistencia y tenacidad se les efec-
túa el tratamiento térmico del Revenido; para ello es necesa-
rio llevar las platinas hasta la temperatura de Revenido (530"C);
utilizando el horno de Revenido. (Ver capítulo 3 y 5 sobre Tra-
tamientos Térmicos , Revenido y Horno de Revenido).
1.3.? Control de Calidad
Para este tipo de proceso solamente se encuentra establecido
un ensayo a flexión como norma de control de calidad.
El ensayo a flexión se efectúa en una prensa hidráulica con
capacidad de 20 toneladas.
EI procedimiento es colocar Ia hoja
arriba, luego se aplica Ia carga de
con la curvatura hacia
la prensa hasta que la
Uni,¡u'siC,.rj .',utonomc dg 0ccidmlr
'r¡it-fi l'¡' "lva
hoja
quede completamente horizontal. Este procedimiento se cum-
ple para cada uno de las hojas que estén en proceso. ( Ver
capítulo 6, correspondiente a Prensa Hidráulica).
1. 3.8 Pintura
Las hojas se colocan para ser pintadas por lotes haciendo va-
rios tendidos de acuerdo a la cantidad que se encuentren en
proceso.
Utilizando el método de aplicación de pintura por soplete ini-
cialmente se les da un baño con pintura anticorrosiva negra
que en el comercio se consigue especial para este tipo de ma-
teriab luego se le pinta a cada hoja su referencia utilizando
para ello pintura color amarillo.
1. 3. I Despacho
Las hojas son amarradas de acuerdo a su referencia y canti-
dad por pedido; se almacenan para su despacho por orden de
producción ya que Ia fabricación se efectúa por pedido para ca-
da cliente.
10
En eI Anexo Plano 003)-
se observa el diagrama de
donde se indican los puntos
miento e inspección.
Distribución General de Planta
flujo para el proceso de fabricación,
de operación, transporte, almacena-
1.4 DISTRIBUCION GENERAL DE I,A FABRICA
Para Ia distribución general de la fábrica se e:(pusieron varias
soluciones que fueron sometidas a un análisis crítico de acuer-
do a nuestra e:<periencia. Es imposible que todo el proceso de
elaboración, discusión y cambios aparezcan en el trabajo. Es-
te es golamente un resumen de las ideas básicas y las razones
que se discutieron para llegar a la distribución final.
Aunque el trabajo se dividió en secciones se efectuó con un mé-
todo de Itrealimentacióntt es decir, después de cada paso, se
analizaron las áreas de trabajo, de ta1 manera que cada opera-
ción o proceso esté en el mismo orden en que se efectúan ras
transformaciones del material, evitando en 1o posible, que exis-
ta¡r retrocesos.
Para Ia distribución general de Ia planta se tuyieron en cuenta
las áreas generales.11
Las áreas generales a distribuir fueron las siguientes:
- Planta
- Oficinas
- A1macén de Materia Prima
- Almacén de Piezas pequeñas
- Servicios Higiénicos
- Desvestideros
- Acceso
EI proyecto definitivo de la distribución de planta se presenta
en en Anexo (Ptano 01).
1.5 CONDICIONES DE LA DISTRIBUCION
1. 5.1 Zonas Generales
El lote fue rentado bajo promesa de compra. El primer traba-
jo a realízar fue por tanto, la localizacíón de zonas generales
para oficinas, planta, desvestideros, etc.
L.5.2 Localización de Maquinaria
Se estudió sobre un plano Ia localizacíín definítiva de la maqui-
t2
naria, que cumpliera los objetivos: zonas de trabajo, fácil
acceso, seguridad y flujo.
1.5.3 Tipo de Trabajo
La planta no trabaja por producción en serie, sino por pedido.
Los pedidos son del mismo ramo donde sólo varía la referen-
cia de acuerdo a marca de vehículo a utilLzar eI producto.
1.6 RESTRICCIONES DE LA DISTRIBUCION
En la distribución de una planta se deben tener en cuenta los
factores que la efectan, y mucho más Ia existencia de los fac-
tores que la restringen y modelan de una manera determinada.
Consideramos las siguientes restriccioness
1.6. 1 Lote:
El lote está situado en zonra urbana, determinada por el Muni-
cipio como una zona industrial.
t.6.2 Area:
EI lote tiene un área de 450 mts.2
13
1.6.3 Aledaños:
Costado 1 Construcción Residencial
Costo 2 Construcción hrdustrial (Bodega)
Costado 3 Construcción Residencial
I.6.4 Acceso:
Situado en la parte central de la fachada que da a Ia única vÍa
de acceso; definido por el cerramiento inicial del lote.
1. 6. 5 Maquinaria
1 . 6. 5. 1 Cizalla
La cizalla tiene una capacidad de 100 toneladas; en el momen-
to que se encuentra en funcionamiento produce por el golpe
vibraciones, que son transmitidas a la base de Ia cizalla y
luego al piso. Su localizacíón debe ser central para así evitar
al máximo que las vibraciones de la cizalla deterioresn los ci-
mientos del lote y las construcciones vecinas.
1.6.5.2 Horno de Temple:
Por su configuración con las prc rtas en las caras frontales se
t4
necesitab.a mayor área de trabajo en este sentido.
1 . 6. 6 Estructura de Cubierta
El lote fue rentado con cubierta entre los ejes 1 y 3; fue ne-
cesario continuarlo hasta el eje 5, para así cubrir una mayor
área de la planta. Por esta restricción la distribución de ma-
quinaria se realiza en el área comprendida entre los ejes A-D
v 1-5.
1. ? DISTRIBUCION DE AREA DE I,A PLANTA
En la distribución correspondiente a Ia planta fue necesario
tomar como base el proceso de fabricación de los resortes,
factor determinante en el flujo del material procesado, como
también la maquinaria utitizada y las áreas de almacenamien-
to temporal del material en proceso.
Para efectuar la distribución de la planta y darle una facilidad
en los anáIisis de los requisitos por operaciones y maquinarias
fue indispensable dividir el área de Ia planta en secciones.
Las secciones a distribuir fueron las siguientes:
15
1. Sección de Corte
2. Sección de Perforación
3. Sección de Roleo
4. Sección de Temple
5. Sección de Revenido
6. Sección de Control de Calidad
7. Sección de Pintura
8. Sección de Combustible.
9. Sección de Taller
La distribución definitiva de las secciones en la planta se pre-
senta en el Anexo ( Plano 002) de Distribución General de
Planta- Secciones.
1.8 DIAGRAMA DE FLUJO
El diagrama de flujo o plan de circulación del producto, es Ia
etapa intermedia entre Ia determinación del flujo y el plan de
distribución general de la planta.
Implica marcar en un plano las secciones, áreas o lugares. de
trabajo e indicar las operaciones, almacenamientos, transpor-
te y circulación del material en proceso.
16
El diagrama final de flujo por secciones se presenta en eI
Anexo Plano 003) de Distribución General de Planta-Dia-
gramas de Proceso.
1.9 DETALLES DE DISTRIBUCION
Para eI diseño de la distribución general de la planta se utili-
z6 un plano a escala que contenía el lote en general, columnas,
acceso y área cubierta.
Se hicieron los estudios correspondientes de las áreas genera-
les, áreas por sección, diagrama de flujo y futuras construc-
ciones.
La distribución general de planta se presenta en el Anexo
(Plano 001) que contiene Distribución de Oficinas, Maquinaria,
Areas de Trabajo, Areas Generales y Pasillos.
1.9. 1 Maquinaria
Se tomaron las medidas de la maquinaria existente y la dise-
ñada para la fabricación de las plantillas bidimensionales.
T7
Para su localizacíín efectiva se tuvieron en cuenta el estudio
de las secciones dentro del proceso del producto y la ubicación
de la maquinaria en cada sección. Con la posición definitiva de
la maquinaria se determinó la distribución de las redes eléc-
tricas, Aire. y Combustible.
L.9.2 Areas de Maquinaria
Se hizo el estudio de cada máquina en base a sus dimensiones;
tanto las existentes como las diseñadas.
EI estudio de Area de Maquinaria se presenta en los Anexos
Planos 008 a 015).
Ver Tabla 1 que contiene el resumen general de las áreas de
maquinaria.
1. 9. 3 Areas de Trabajo
Se hizo en base a la situación del operario frente a la máqui-
na y el producto a manejar conservando las normas de seguri-
dad tanto para el operario como para las personas que circu-
Ien dentro de la planta.
18
Ver Tabla 1 que contiene el regumen de las áreas de trabajo.
L.9.4 Servicios Sa¡ritarios- Bebederos de Agua- Vestieres
El estudio de áreas de trabajo se
(Planos 007 a 015).
La localización
cercano acceso
presenta en los Anexos
estos servicios se hizo en un solo sitio de
personal de planta.
de
al
1.9.5 Almacén de Materias Primas
Este almacén comprende la recepciór y control de salida de
Ia materia prima.
Su situación está al comienzo del flujo de material para ser
procesado. Para su loealizacíón se tuvo en cuenta que permitie-
ra alimentar la sección de ccte en la menor distancia posible.
La localízacíón se puede observar en el Anexo (plano 01).
1.9.6 Almacén General
En esta sección permanece la persona encargada del control de
la materia prima. siendo utilizado también para eI almacenamien-
19
to de elementos como bujes, tornillería, herramienta y demás
elementos pequeños que no deben dejarse en la planta y que su
utilización en casos de mantenimiento o en determinadas etapas
del proceso.
1.9.7 Despachos
Se determinó una zona para eI almacenamiento de los produc-
tos listos para embarque. Su localizacián se hizo Io más cer-
ca posible a la puerta de acceso para facilitar el tránsito de
los vetrículos destinados aI ernbarque. Su localizaciín se puede
observar en el Anexo (Plano 01).
1.9.8 Taller
Para eI
no para
equipos.
Iidad de
observar
mantenimiento es necesario que exista un taller inter-
servicios auxiliares de la planta y para maquinaria y
Su localizacián se hizo dentro de la planta para faci-
acceso a todas las secciones. Su ubicación se puede
en el Anexo ( Plano 01).
20
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1.10 Estudio del Sistema Eléctrico
1.10.1 Tablero de Automáticos
Tablero de 24 cirqr ítos - 2 fases - 3 Hilos
En base a |a distribución de maquinaria en la planta se estu-
diaron los circuítos de iluminación al igual que para las ofici-
nas, tomando como base una iluminación eficiente y la capaci-
dad de los motores correspondientes.
En el Anexo (Plano oo?) se observa la distribución del sis-
tema eléctrico.
El cálculo del tablero de automáticos se puede observar en la
tabla 2.
22
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TABLA 3. Diagrama del Tablero T.A.
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CIZAL LA,
t,500 w.
PRENSA HIlrLl cA.t.60() w.
2x15
2 xSO
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4.t25 W,
HOniltLLO
1.300n
TALADRO
430 W.
oFtctNAst.20() w.
oFtctNAsr.200 w
HORNO DETEMPLE.t.800 w.
PREN SANEUTATICA.900 w.
HORNO DE
REVENIDO.r.800 w,
2 x 15
2 x15
) tonou. DE
Icouausrrsue) eoo w.
2*
1 . 10. 2 Diagrama de I Tabler o Automático
Se asumen los resultados obtenidos en eI cálculo del Tablero
Automático, tales como circuítos, breakers y equipos.
El diagrama del Tablero Automático se puede observar en la
Tabla 3.
1.10.3 Cálculo de Ia Carga Efectiva
En base a la capacidad de carga de la maquinaria instalada y
el alumbrado, se aplican los factores de demanda para hallar
la carga efectiva.
Este cálculo se puede observar en la Tabla 4.
26
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t.LO.4 Cálculo de Acometida
I - WattiosVoltaje x 3
I - 21.680 Wattios
220 YoLtios x 3
I = 56.89 Wattios
Calibres a colocar según Tabla 5, de cálculo de alambres y
cables y tuberías.
2#6y1#8.
Tubería 0 L Ll4"
#0 55 - 65 AmP.
#8 40 - 45 Amp.
1. 10. 5 Diagrama UnÍfilar
En base a nuestro cáIculo de la acometida se puede trazar
el diagrama unifilar utilizando cuchillas de 2 x ?0 amperios
y fusibles de 70 amperios.
27
DE BAJA TENSION.
DIAGRAMA UNIFILAR GENERAL
FIGURA 4. Diagrama Unifilar
1. 10. 6 Cálculo de Transformador
KVT =K.V.A x Factor de Potencias
Factor de Diversidad
K V.T. - 21.680 K.V.A. x 0' 9
1, 0o
K.V.T. = 19.51 K.V.A.
Se utilizará un transformador monofásico de 25 KVA - t Ú -
13.200 - 2201110 V.
De acuerdo aI transformador escogido se tendrá una reserva de:
5. 49 KVA.
28
II
25 KVA . 19.51 KVA
2. SELECCION Y DISTRIBUCION DE MAQUINARIA
2. 1 SECCION DE CORTE
En esta sección, es eI punto donde se inicia realmente eI pro-
ceso. La materia prÍma se recibe del proveedor en forma de
platinas de diferentes calibres y con una longitud de 6 a ? me-
tros. Estas platinas son en acero grado 5160 especial para re-
sortes de ballesta y es entregado en estado reconcido con una
dureza de 34 RHC apta para corte en frío.
De los diferentes calibres eI de mayor dimensionamiento es en
4tt de ancho por 1 12" de espesor, los distribuidores recomien-
dan que para corte en frío se emplee como mínimo una troque+
ladora de 80 toneladas. Se hicieron las averiguaciones en eI
mercado de estas máquinas y se eligió una troqueladora marca
Hilles reconstruída por FABLAMP con una capacidad de 100 to-
neladas. Por estar por encima de la capacidad mínima requeri-
da se decidió por la compra de esta troqueladora. Las platinas
Un;¡lniJd lrrternmc C¿ 0tcidrntc
f;'n-: f;hi'tr'¡
29
se cortan de acuerdo a las diferentes medidas
a las referencias que se vayan a fabricar
correspondientes
2.2 SECCION DE PERFORACION
En esta sección se hace la perforación para Ia guía o tornillo
central. Esta perforación tiene unos diámetros comprendidos
entre 5/ 16tt a 9/ 16tt de acuerdo a las diversas diferencias de
resortes.
Para efectuar esta operación es necesario un taladro de árbol
con una capacidad de 31 4" y con bajas revoluciones. Se cotizó
en varias marcas y en diferentes distribuidores. Se eligió un
taladro marca Perless que cumple con las necesidades.
2.3 SECCION DE ROLEO
En esta parte del proceso es donde se le da la configuración
a las hojas principales que lleven bujes. Para hacerles el ojo
o los ojos es necesario alcarTzat una temperatura de forja, es
decir, 1.200"C en eI extremo que se vaya a forjar.
Para esto se construyó un hornillo con capacidad de 50 platinas
30
por lote y con un quemador de un galón por hora de Fuel-Oil
#t. Cuando el extremo de las platinas haya alcanzado una tem-
peratura apropiada se colocan en la forjadora o dobladora; en
esta dobladora se curvan los extremos de las hojas de acuer-
do aI diámetro exterior que presenten los bujes comprendidos
entre 314" y ! 314" .
2.4 SECCION TEMPLE
En esta sección como su nombre 1o indica realizamos el tra-
tamiento térmico de temple; para esto se divide en dos capítu-
los:
2.4.t Horno
Ver capítulo 5 referente a hornos.
2.4.2 Tratamiento Térmico
Ver capítulo 3
2.4.3 Prensa Neumática
Esta prensa fue adquirida en una de las fábricas de resortes
que funciona en la región.31
Esta prensa tiene una capacidad de tres toneladas con una pre-
sión de trabajo de 100 p.s.i. y está acondicionada para curvar
una platina de acero al rojo de acuerdo a las curvas caracterís-
ticas según la referencia de los resortes de balleta. Una vez do-
blada o prensada la platina se sumerge con todo el sistema en
un tanque que contiene aceite de temple friol 47 de Ia Esso. El
tanque tiene adjunto un sistema de enfriamiento o refrigeración
que mantiene el aceite a una temperatura promedio de 70"C y
en constante circulación Io cual es indispensable para un correc-
to tratamiento térmico.
El actuador de Ia prensa es alimentado por un compresor que
suministra una presión constante de 100 p.s.i.; tiene una pre-
sión máxima de 300 p.s.i. con una potencia de trabajo de 4.8 H.P.
2. 5 SECCION REVENIDO
Esta sección como su nombre lo indica se reelizó' el tratamien-
to térmico de revenido; para esto se divide en dos capítulos:
2.5.t Horno
Ver capítulo 5 referente a hornos
32
2.5.2 Tratamiento Térmico
Ver capítulo 3.
2.6 SECCION DE CONTROL DE CALIDAD
En esta sección se realiza el ensayo de cada una de las hojas
deresorte.
2.6.t Prensa Hidráulica
Ver capítulo 6
2. ? SECCION DE PINTURA
Una vez ensayado eI 100% del material que entrega revenido y
colocado los bujes a las hojas principales se pinta eI material
con anticorrosivo negro a soplete luego se le pinta con amari-
Ito Ia referencia correspondiente.
Para el proceso de pintura se emplea el mismo compresor que
alimenta Ia prensa neumática acondicionado con un reductor de
presión que nos entrega 40 6 50 p.s.i. a Ia pistola.
33
EI
de
material se pinta por lotes luego es amarrado en paquetes
5 a 10 unidades quedando listo para despacho.
2.8 SECCION COMBUSTIBLE
Se tiene un tanque de 300 galones eI cual suministra el Fuel-
Oil a los quemadores de los hornos bombeando a una presión
de 100 libras requeridas para un correcto funcionamiento de
las boquillas.
Como se puede apreciar en las secciones anteriores el consu-
mo está distribuído asÍ
Roleo:
Temple:
Revenido:
Total
Por 1o tanto se compró una
OiI con una capacidad de L4
dia de trabajo de 150 p.s.i.
respectiva válvula de alivio
tribución o redes se empleó
1 galón por hora
7 galones por hora (4 boquillas deL.75 glb'r.
6 Glns. por hora (2 boquillas de L.75eln'
13.0 galones/hora.
bomba de piñones especial para Fuel-
galones/hora y con una presión me-
Ia cual fue acondicionada con su
calibrada a 100 p.s.i..Para la dis-
tubería de cobre de IlZ" debido a34
la facilidad y rapidéz de instalación y a la versatilidad que se
obtiene empleando recores de bronce en los accesorios.
2. 9 SECCION TALLER
Esta secció inicialmente se requirió para el montaje y poste-
riormente para mantenimiento.
La herramienta que se adquirió es la normal para un banco de
trabajo además se adquirió tmrbién una pulidora neumática y un
soldador de 250 amperios.
35
3. TRATAMIENTOS TERMICOS
3. 1 INTRODUCCION
3.1.1 Acero
Solución sóIida intersticial de hierro y carbono conteniendo a
este último elemento en porcentajes entre 0.01 y 21o Y que pue-
de ser aleado con otros elementos a fin de variar sus propie-
dades. Existen algunos aceros con alto cromo que pueden con-
tener porcentajes de carbono superiores aL 21o.
3.t.2 Influencia de los Elementos de A1eación
Manganeso:
-Ensancha eI campo austenítico bajando notablemente los puntos
críticos, tanto más cuanto más elevado es el porcentaje del ele-
mento. Aumenta la penetración del temple; disminuye los efec-
tos de un sobrecalentamiento durante el forjado. Si el porcen-
taje es bastante elevado, se produce el autotemplado. Su trata-36
miento térmico es análogo al de los aceros al carbono y siem-
pre más sencillo que el aplicado a los aceros aI cromo.
Al aumentar la proporción de Mn., disminuyen Ia forjabilidad
y Ia soldabilidad. Aumentan la carga de rotura y el límite de
elasticidad, y también moderadamente eL % de alargamiento.
Con elevada proporción de carbono y L3% de Mn., resisten los
choques y eI desgaste por frotamiento.
Silicio:
Reduce el campo austenÍtico y no modifica los puntos críticos.
EI silicio estabiliza La estructura ferrítica y con elevado por-
centaje dificulta la formación de perlita y favorece Ia forma-
ción de grafÍto.
Aumenta la templabilidad al disminuir la velocidad crítica de
enfriamiento.
Disminuye Ia deformabilidad en caliente y en frío. DismÍnuye
Ia soldabilidad. AI aumentar su porcentaje, aumentan la tenaci-
dad y la dureza; después de tratamientos térmicos, con eL 20%
de Si, aumentan la resistencia a Ia flexión y a la torsión, Ia
dureza superficial y la resistencia aI desgaste. Disminuye la
37
resiliencia y desmejora las características magnéticas y Ia
inoxidabilidad en caliente.
Niquel:
Ensancha el campo austenÍtico bajando los puntos críticos; da
tendencia a la formación de grietas intercristalinas. Afina eI
grano de los aceros aún con enfriamiento lento. Produce una
estructura perlítica, martensítica'- y austenítica según eI To.
Disminuye las temperaturas de temple y recocido con 1o que
se evita eI sobrecalentamiento. Aumenta Ia templabilidad por-
que tiende a estabil izar la estructura austenítica.
No dificulta el forjado en caliente o en frío. Los aceros con
elevada proporción de níquel son algo difíciles de trabajar; dis-
minuye Ia soldabilidad. Aumenta la tenacidad Los aceros con
Ni mayor que 5% están indicados para cementación: tienen bas-
tante dureza superficial aún sin templar. Con poco carbono y
menos níquel son apropiados para bonificar y dan buen alarga-
miento. Con gran contenido de Ni (austeníticos) tienen gran re-
sistencia a Ia corrosión aún por gases calientes.
Cromo:
Disminuye eI campo austenítico. Si eI porcentaje es mayor que
38
L9qo, la estructura es siemPre
poco carbono, la estructura es
convierte en martensítica.
Mejora la templabilidad. Da Poca
39
ferrítica. Con menos cromo
perlítica y por el temPle se
Exige mucho cuidado en los tratamientos térmicos (control de
temperatura, velocidad de calentamiento, manera de efectuar
eI revenido, etc. ). EI forjado se efectúa con calentamiento len-
to; es necesario un normalizado antes del temple. En conjunto,
aumenta la capacidad de temPle.
Son difíciles de soldar y de forjar. Después del temple dan du-
reza elevadísima, aumenta la resistencia y eI límite de elasti-
cidad aún a elevadas temperaturas de funcionamiento. Alta re-
sistencia al desgaste, moderada resiliencia. Elevada resisten-
cia a la corrosión. Apropiados para imanes Permanentes.
Molibdeno:
Disminuye eI campo austenítico. Con poco % (menor que eI 3%l
la estructura es perlítiea, y puede transformarse en martensíti-
car con grano más fino, después del temple. Con Mo mayor que
3Io, la estructura es martensÍtica.
llni¿nido{ r¡rl0nt,rnrl C.l 0ttidgtic
l}{;;r f,,11 ro'."i
forjabilidad y soldabilidad. A1-
ta resistencia al desgaste en caliente o en frío; buena resis-
tencia a la fatiga y discreta resiliencia. Apropiados para ima-
nes permanentes.
Tungsteno ( \üolframio)
Disminuye eI campo austenítico. Con porcentajes superiores al
18% son aceros autotemplantes. El temple resiste el revenido
hasta eI rojo oscuro.
Requiere especial cuidado en eI forjado y en el temple La adi-
ción de tungsteno disminuye Ia soldabilidad. Da notable dureza,
aumento de la resistencia y disminución de alargamiento. Pa-
sando eI 21o disminuye Ia resiliencia.
Vanadio:
Disminuye el campo austenÍtico. Actúa como desor<idante y me-
jora las propiedades mecánicas. Poco sensible aI sobrecalenta-
miento, aumenta la estabilidad de revenido.
De fáciI mecanizado en caliente y en frío, pero muy resisten-
tes a las deformaciones. Se sueldan empleandO escorificantes.
Proporciona un alto límite de elasticidad.40
3.1.3 Clasificación AISI/SAP para los Aceros
AISI : American lron and Steel Institute
SAE : Society or Automotive Engineers
3.1.3.1 Aceros de Construcción de Maquinaria
El primer número indica el elemento o elementos de aleación
del acero. El segundo número hace referencia aI porcentaje del
elemento de aleación. EI tercero y cuarto números indican el
porcentaje de carbono.
- Aceros al Carbono:
1OXX Aceros al carbono puro (más 1% de Mn)
1lXX Aceros de corte libre (resulfurados)
12XX Aceros resulfurados y refosforizados
- Aceros al Manganeso:
13XX Aceros con 1.751o lN.fn.
- Aceros al Níquel:
23XX 3 5% de Níquel
25XX 5.0% de Níquel
4T
- Aceros al Cromo-Níquel:
31xx Aceros de 1.25% Ni, y 0.65 - 0.80 de Cr.
32XX Aceros de 1. ?5% Ni, Y L.OWo de Cr.
33xx Aceros de 3.5% Ni, y 1.50 - 1.5? de Cr.
34XX Aceros resistentes a la corrosión y al calor.
- Aceros al Molibdeno
40XX Aceros con 0.20 - 0.25o/o de Mo.
44X.X Aceros con 0.40 - 0.25 de Mo.
- Aceros aI Cromo-Molibdeno:
41XX Aceros con 0.5 - 0.95 de crn y 0.L2 - 0.30 de Mo.
- Aceros aI Cromo-Níquel-Molibdeno:
43XX Aceros con 1.821o de Ni, 0.5- 0.8% de Cr., y O'251o
de Mo.
43BVXX Aceros de L.8210 de Ni, 0.501o de cr, 0.t2-0.251ode Mo. Y 0.03 de V Min.
4?XX Aceros de 1.05 de Ni, O.45% de Cr, y 0.20-0'35 de
Mo.
81xx Aceros de 0.3% de Ni, o.4% de Cr, 0.12 de Mo.
86XX Aceros de 0 .55% de Ni, 0.50 de Cr, O.2O% de Mo'
8?XX Aceros de 0 .55Ío de Ni, 0.50 de Cr, 0.25 de Mo'
88XX Aceros de 0.55% de Ni, O.íOEI de Cr, 0.351o de Mo.
93XX Aceros de 3.2510 de Ni, L.zO% de Cr, O.Lz% de Mo.
94XX Aceros de 0.451o de Ni, O.40% de Cr, O.tZTo de Mo.
9?XX Aceros de 0.55% de Ni, 0.2O% de Cr, 0.20 de Mo.
98XX Aceros de 1.0{o de Ni, O.8O% de Cr, 0.251o de Mo.
- Aceros al Níquel Molibdeno:
46XX Aceros de 0.85-1 .821o de Ni, 0.20-0.25% de Mo.
48XX Aceros de 3.50% de Ni, 0.25% de Mo.
- Aceros aI Cromo:
50XX Aceros de 0.27 - 0.65% de Cr.
51XX Aceros de 0.80 - t.O51o de Cr.
50XXX Acero de 0.50% de Cr.
51XXX Acero de 1.O2% de Cr, y L.0% de C min.
52XXX Acero de 1.45% de Cr.
- Aceros aI Cromo-Vanadio:
61XX Aceros de 0.60- 0.95olo de Cr, O.LITI de V. min.
43
- Aceros al Tungsteno-Cromo:
72)K)K Aceros de 1.7510 de W, O.75qo de Cr.
- Aceros al Silicio-Manganeso:
92XX Aceros de 1'.40 - 2.010 de Si, 0.65-0.S5To de Mn,
0,01-0.65% de Cr.
- Aceros de Baja Aleación y Alta Resistencia:
9XX Varios grados SAE
- Aceros al Boro:
XXBXX La B denota que son aceros al boro
- Aceros al Plomo:
XXLXX La L denota que son aceros aI plomo
3.1.3.2 Aceros para Herramientas
- Aceros de temple al agua. Símbolo: W
Elementos: Cromo, Vanadio,
44
Q = 0.6 - L.4%
2.Aceros para trabajo de impacto. Símbolo: S
Elementos: Manganeso, Silicio,
Cromo, Tungsteno, Molibdeno,
Q=0.50-0.60%
S.Aceros para trabajo en frío:
A) de temple al aceite. sÍmbolo: 0. Elementos: Manganeso,
Cromo, Tungsteno, C =0.9 - t.21o
B) Media aleación y temple aI aire. Símbolo: A
Elementos: Manganeso, Cromo, Molibdeno, C =1.0 - L.7%
C) Alto cromo, Alto carbón. Símbolo: D
Elementos: Cromo, (Mo, V, Si, Co.), Q = t-O - 2.4
4.Aceros para trabajo en caliente. SÍmbolo: H
H - H: Aceros al cromo
H - H: Aceros al tungsteno
H - H: Aceros al molibdeno
S.Aceros para usos especiales:
A) Aceros de baja aleación. SÍmbolo: L. Elementos: Mr5 Cr'
Ni, V, Mo, C = 0.5 - L.Llo
45
cENTRo r{Acrof{AL o€lr{vtsT rGAcroN E s ct€NT lfl cAs
0Ar0 PRACT|C0 f{o l62a Edicidn
rA B LA s Efectos Especíticos de los Elementos Especia les en el Acero"'
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0t¡r Ort{b añ da au.dru affir¡&tufla I lañ9|&.
taú
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CraCt
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Hada ta ad'l¡r*a li¡a.a.ñda. &ñda b,afúGra a l¡ 3c.
trco
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Lato qú b óalbtñú.Sa
raúdi
iat.ala r{trn¡r h Froaa o.
a{.ata
I tñillarsb¿aaLcgrmtab
¡ añfr ¡ hñg-.EdI aúqa b ra¡atca a hn¡¡aratcra¡ da.
rf-a Cú .. C dng ,rcgare[ rra,arac¡
al aaao¡¡
Co¡raC.
añraoa . !'. Coño ara an F.tÉoñ dda, la a6.ú9*a (oñÉf,da'
C{do a¡¡a aadto!ú5W. la Xñ¡¡4.
D{aiS.ñil, a ra dd ta Cr..óo a¡r¡ (t,.
aualo ñ&tadla a0rara
I ceñ[rbqa a alnt. la a90a an ad.tr tañru lt aa lt l¡r¡
I^lt a la'. aa añdúrara ¡aataa.
ra. ,Íeaa u¡ ,co la,|t¡la|dra
\uñrtrla ñolallan.¡1. la lanPlao..
lrdat
Iatd qea la óa¡ta t m¡or qú la
ort C'
rgt Fqwnc ¡¡ral (oEañÍtú.
na¡ 6cJa¡
I É¡@ la f.eild- añ sla{ g¡9'.¡.{. Fr.tsI AFada la ttñ9t¡!.¡o¡¡ Con adaoalql f.ral¡ca ó C t ¡n
'|oF.c.o aarca 0a gra¡ raar&d_¿
|¡a.EGcIO
. ¡..É '. .c.ot"l'
¡¡ '- lo.¡ñr^ct.ar caraaúr la
bñFralerl
torñr coñ¡!ñtota.Uo a^ aLerüa
l9ñañlt rñlartanañla lt tañgr&t
[úaotlc . C4
dary u.tu ,¡cr. ód cl
n¡¡,rra || &arÓ,oar raiañúo Pro
| ?rclsd{¡ ¡ ¡cañ oal bmgla¡ tlata la lañFralera ca Eorac¡¡añrarña^rc
can lÚuracar aB,|*Drlca^
¡c únrta¡{ I ^ed{n[
la.a¡.abtt an aat{ota f a tla ar{9lra d aarge da rtrbaxaa ó la -.rotrñcÍótCalI to,ñt DartEu¡t n¡[bda¡ d da¡r¡ar¡
beúl¡l
. ¿3'.llnr.9adada.efr a.l \ ct
C{iúo tttl añ rdgaon tcaorcrn ra.
t¡DlL tt ltortl¡dúft ,arc r¡ñ
Iañc eÉ ta olf. Aclur a6o
eralx¡añN
Iet ,.e{ne I Cbrt ta ttlttr(a ¡t t6 raroa ño tañ9ta.üi
t Preporaro0 r.oadÍ a b -arca trdlkao{arnl*6 la¡5{ldü a batar tarrga.,t¡uatal
¡ frañalcrna añ at¡ail,(at 1¡ tNacroDl¡a Cr trra¡ añ Cl
:úú ! alara al ..a.c
t¡rorc) 0l .. . tS..0iarar.nl.ú-Dda dat .. Cl
rai..
C{ide a]a rn uc.3añ la adsit ri.
I'MÚ
ta aoúraca cca Fr.oút o cótÉlf
trñ st. tl
lmr¡melD¡5ú
irñeu0 I2¡
l,lara la ..1,¡1.ña óa ¡¡ tCarOS bato aa CArdn¡a ra ..!atc'a a ta corca¡ú¡ñ t6 aaarca ua l¡r ,Úaña4 ecrala ñaqc'oo¡'ad
3¡.r.oÉ.
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AednI b FñtrS! ¡aF. {ú la Oalf a &tua cw
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Cv.do arll .4 Sr ¡rñ91.. ccdo dñc¡ú4a a¡ g¡úrd
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l*.Oa
t o,-a ao_-¡.--,oafa.Ü ¡g. proFc'cña¡ ala4'url adg,Édrt Fr 9tGrfn.
-'*?n - _..Latado rñ ¡ots.,J.'r¡ anlr,.(a tgara
d- o ñaDra 3or.adaraola Coño lor.ñ¿úor o rar¡9,cara{*a la lañcúilr
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f ñ E@¡al corao.lra(.uña¡ as¡tradlñoearaúarradr ta
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9sr.. .r.Ercc.PcE c!,t¡ oe-ra¡a IC6aÍa
Pr.ctrrsac oa rsr Gtr- co¡ (eÑtñtra.aañ 'EOra Oa Ct
¡l lo9a. la lc.dÍS ú a¡ata¡¡ .¡ baalatoa dlCa añ Ct
al til9'Oa al añruraCrñ{4C l4d'ado OaCr an'16 {arot r€rilr.Uaa !W156a a¡rrdañrañ¡oa Irdorq¡Íca
Én'9'.. ¡Larara l¡ *eó¡tr¡ r¡r¡nao i¡o.oorcroil ograta
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tllan$ ,,trarlu avn¡.ñla la lañ9tor.lúd ñut a{¡orca
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I llala ar lañFrarura oa aooracd.^¡.ñañtooa la a!ar.ñ'r. latru ar gr.^c¿
¿ Íalando {trdlro arn!.ñ¡a ta tahgtaDil.dEI ñl¡,¡t¡ ¡¡ r¡¡¡n,UO r pruO*a g{ OJra¡a aa.
(rnoar'a ñ!t r.ñald.
ct t:N I I.1
46
l.l lattóea'ac ¡o. la .aDraa .etor{a..on3.3 .. .r rcr.roÍ a.t ¡r U.t. ¡ñ..t. .ri ¡,
B) Aceros al tungsteno. SÍmbolo: F. Elementos: \i[ = 1.0 - 3.5%
Q=1.0-L.25%.
C) Aceros para moldes. Símbolo: P
6.Aceros Rápidos:
A) Aceros al tungsteno. Símbolo: T.
B) Aceros aI molibdeno: Símbolo: M
?.Aceros inoxidables:
A) Serie 200: Inoxidables ferrÍticos
B) Serie 300: Inoxidables austeníticos
C) Serie 400: Inoxidables martensíticos
3.2 PRINCIPIOS TEORICOS DE I,OS TRATAMIENTOS TERMICOS
3.2.L Introducción
Las temperaturas críticas señaladas en el diagrama Hierro-
Carbono son para transformaciones ocurridas a velocidades de
calentamiento y enfriamiento muy lentas. Sin embargo, en Ia
práctica, los enfriamientos y calentamientos tienen lugar en
un tiempo breve, considerándose como lentos los que se toman
más de 24 horas de duración. Por eso en Ia práctica los pun-
47
tos de transformación en el calentamiento no son los críticos
del diagrama de equilibrio, sino los puntos Ac (det francés
chaffage) o los puntos Ar (refroidissement). Las diferencias
entre Ac, Ar y A, son tanto mayores cua¡rto mayores son las
velocidades de calentamiento o enfriamiento.
Hasta 1930 el único diagrama utilizado para el estudio de las
transformaciones con el cambio de temperatura, era el diagra-
ma Hierr-Carbono. A partir de entonces los metalurgistas Bain
y Davenport, estudiando la transformación de Ia austenita a
temperatura constante, idearon un diagrama denominado TTT
(Transformation, Time, Temperature), que constituye eI más
valioso auxiliar para el estudio de los tratamientos térmÍcos
del acero.
3.2.2 Transformación de Ia Austenita
En la práctica, Ios aceros se enfrían casi siempre desde la
región austenítica hasta la temperatura ambiente, de tal manera
que la temperatura desciende continuamente. En estos procesos
de enfriamiento continuo, Ia naturaleza de la transformación de
la austenita cambia con la temperatura decreciente.
48
Pero la austenita no solamente se transforma por enfriamiento
continuo, sino que también se transforma cuando se le deja du-
rante tiempo suficiente a una temperatura inferior a la crítica
inferior A 1.
Esta verdadera transformación isotérmica es posible debido a
Ia pequeña cantidad de calor de transformación, que es alrede-
dor de un cuarto del calor latente de fusión. Esto para mayor
simplicidad se puede estudiar con un acero de composición eutee-
toide.
Un acero eutectoide es austenítico por encima de 727" C, si un
horno de sales fundidas se mantiene a una temperatura mayor
que 727"C, podrá ser mantenido con una constitución austenÍtica
a una temperatura casi igual a ,A1, pero un poco superior.
Si la probeta de acero se retira y se introduce en otro horno
de sales que está a una temperatura un poco por debajo de 727"C
la austenita se transformará con el transcurso del tiempo.
La transformación se estudia con varias probetas que se intro-
ducen simultáneamente en segundo horno y se enfrían en agua,
este enfriamiento detiene Ia reacciótt y Ia austenita sin transfor-
¡¡¡¡,¡¡5iilrf It:rrjÍr'!riir't il: (ttcidonr¿
¡11t5'r: i:'i"' rálO
49
mar se convierte en martensita. Metalográficamente es fácil
distinguir la martensita de los otros constituyentes, por lo que
se puede saber la cantidad de austenita que se transforma en
un tiempo dado.
La temperatura a Ia cual se transforma la austenita tiene un
fuerte efecto sobre la separación interlaminar de la perlita.
Cuanto más baja sea Ia temperatura menor será esta separa-
ción; desde la temperatura A1 para abajo la perlita se va ha-
ciendo más fina. Los aceros transformados en Ia zona de 500'C
tienen estructuras que son mezclas de perlita y bainita.
El producto de la transformación bainítica, la bainita, no es
una fase sino una mezcla de ferrita y carburo de hiemo.
La bainita es el componente típico de las transformaciones iso-
térmicas. Se produce en un intervalo de temperaturas que de-
pende del tipo de acero. Este intervalo está comprendido usual-
mente entre250"C y 500"C.
La bainita no se produce por una determinada velocidad de en-
friamiento sino por transformación de la austenita a temperatu-
ra constante durante un tiempo dado. Hay dos tipos: la bainita
50
superior de aspecto arborescente, que
ras próximas a los 500ÓC y la inferior
recida a la martensita y que se forma
se forma a temperatu-
de aspecto acicular pa-
entre 200oC y 450"C.
3.2.3 Curvas de Transformación Isotérmica
Cuando eI experimento de transformación de la austenita se
realiza a distintas temperaturas se obtienen datos para todo el
rango de temperaturas y tiempos normales de tratamiento. Si
se grafica temperatura de transformación contra tiempo (gene-
ralmente en escala logarítmica), se obtiene Ia curva TTT del
acero. Las curvas se ttazan anotando en la horizontal que pa-
sa por cada temperatura los puntos de iniciación y terminación
de la transformación de la austenita. (Ver Figura 5).
A Ia izquierda de Ia curva de iniciación de la arstenita todo el
metal están en estado austenÍtico (aunque esta austenita es ines-
table). Y a la derecha de Ia curva de fin de Ia transformaciónn
Ia totalidad de la austenita se ha transformado en otros consti-
tuyentes, perlita bainita, etc.
Los investigadores posteriores a Bain y Devenport comprobaron
que Ia temperatura a la cual la austenita se empieza a transfor-
5l
600()o
$ soof-É,l¡¡
! +ool¡JF
300
800
700
200
to roo t.ooo
TIEMPO EN SEGUNDOS
FTGURA 5. Diagrama TTT para un Acero Eutectoide
roo
o
lo5o ro4
T E IIPE NAT U A EUT-EC?I DE
AüSTGlllf¡
PENLITA
(PE¡LITA { BAll,llfA
\ \
AUSfEl||fA \ \ EAIN¡TA
i¡An?EflstfA
52
mar en martensita, no depende del tiempo ni de Ia velocidad
de enfriamiento, sino únicamente de la eomposición del acero.
Al ser esta temperatura independiente del tiempo se puede re-
presentar en eI diagrama TTT por una línea horizontal, es la
línea Ms que se ve en Ia Figura 5, el porcentaje de martensi-
ta que se forma aumenta aI descender la temperatura del ace-
ro, hasta llegar a una temperatura Mf, que corresponde al fin
de Ia transformación. Cada acero tiene una temperatura Ms
que es menor cuanto mayor sea el cs¡tenido de carbono y de
aleantes. La temperatura Mf, suele ser, en general de 150"C
a 300oC inferior a Ms.
Los productos de transformación isotérmica dependen de la com-
posición del acero y de las temperaturas de transformación.
3.2.4 Templabilidad
Si se logra que en un temple dado, Ia velocidad de enfriamiento
sea mayor que la crítica de temple, Ia dureza depende principal-
mente del contenidc de carbono del acero. Aquí, contenido de
carbono significa carbono disuelto en Ia austenita, pues el car-
bono que permanece combinado en los carburos después de la
austenización, no toma parte en la reacción martensítica y por
53
tanto no endurece a Ia martensita. Las relaciones entre dure-
za, carbono y cantidad de martensita se muestran en la Figu-
ra 6. Al hablar de la dureza máxima obtenida, be ha supuesto
que Ia sección entera de la pieza se ha transformado al estado
de máxima dureza. Con secciones pequeñas se puede obtener tal
durezai pero con piezas mayores el centro de la masa no se en-
durece 1o mismo que Ia superficie, porque Ia transformación ocu-
rre a más alta temperatura y en un tiempo mayor.
Esto se puede demostrar templando una serie de barras de di-
ferentes diámetros en el mismo medio de enfriamiento y desde
la misma temperatura de austenización. Cada barra se seccio-
na y se mide Ia variación de dureza determinándo1a de super-
ficie a superficie a lo largo de un diámetro. Los resultados
se grafican como en Ia Figura 7. Esto muestra que aún en una
barra de media pulgada de diámetron el centro de Ia pieza es
más blando que Ia periferi* La barra de una pulgada tiene ca-
si la misma dureza superficial, pero la dureza en eI centro es
apreciablemente menor. Las barras de maJ¡or diámetro tienen
una dureza mucho menor en la superficie y en el interior. Esto
conduce a Ia definición de templabilidad. Es la habilidad que
tiene eI acero de endurecerse por formación de martensita en
el temple, viene determinada por la profundidad y distribución
54
Io{qo
qo
roo
IF6z!¡J===¿-É
=
ñf * S ¡q
de la dureza en el interior de la pieza. La templabilidad de-
termina la profundidad del endurecimiento obtenido en el tem-
ple, que usualmente se especifica como Ia distancia debajo de
la superficie donde Ia martensita ha sido reducida a 5O%. La
propiedad característica de un acero que posea gran templabi-
Iidad es que exhibe una gran prof undidad de endurecimiento o
que se endurece completamente en secciones gruesas.
La templabilidad está directamerte relacionada cm los diagra-
mas TTT. Un acero con velocidad crÍtica baja, se endurecerá
más profundamente en el temple que un acero con una veloci-
dad crítica alta. Aunque eI centro de una barra grande se en-
fríe más lentamente que la superficie, la rata puede ser igual
o mayor que la crítica, resultando un endurecimiento completo.
3.2.5 Determinación de Ia Templabilidad
Una de las maneras
la determinación del
de expresar la templabilidad es mediante
ttdiámetro crítico ideal'r.
Según Grossmar¡ es eI diárnetro máximo que puede tener una
barra, para después de templada en un medio de capacidad de
enfriamiento infinito, tenga 5O% de marte-reita en el centro.
56
60
50
o40
JJ¡¡J
=v(,oÉ30
NW0iDo
20
to
60oS{0)C)
É5Éq)
(úN0)S{5oq)dFIrO
ot.o¡{+¡oA
Dj
ÉilLJ.l-LH
b
50
oJJl¡¡
=40tc,oÉ
N30¡¡¡ÉJo
57
I\P41,"] )
\ v /
\ /
v:I
tl
n
DIAMETRO
\-/
\
\
all
t¡
ll
!n
D ¡AMETROlo
Este parámetro es independiente del medio de enfriamiento. Pa-
ra determinarlo hay que conocer primero eI diámetro crítico
en un determinado medio de enfriamiento y la severidad del me-
dio. Diámetro crítico es el diámetro máximo de la bama, que
después de templarla, queda con 50% de martensita en eI centro,
en un medio de capacidad de enfriamiento H.
La severidad de enfriamiento se indica por el equivalente de
transferencia de calor H, dado por:
fH=!k
f : Factor de transferencia de calor en BTU
-
rnosec F
k : Conductividad térmica: BTUinsec oF
Conocidos eI diámetro crítico y la severidad del medio, se pue-
de encontrar el dÉmetro crítico ideaf usando un gráfico de
Grossman.
El diámetro crítico ideal valora perfectamente la templabÍlidad
y permite calcular el diámetro máximo del acero terrplado en
cualquier medio, para obtener en el núcleo un 50 a un 90% de
58
martensita. (Figura 7).
En la templabilidad tiene importancia no sólo la composiciórL
tamaño de pieza y medio de enfriamiento, sino también el ta-
maño de grano de la austenita. A menor tamaño de grano me-
nor templabilidad. Esto se debe aI hecho de que eI área de 1í-
mite de grano aumenta aI disminuir el tamaño de grano, aumen-
tando los núcleos que inician la formación de la perlita.
Talvez el método más práctico y universal de medir Ia templa-
bilidad es eI ensayo de Jomin¡ ya que eI anteriormente des-
crito de Grossman es poco práctico.
La muestra se maquina segrín las medidas adjuntas, se auste-
níza a la temperatura adecuada y se monta en un aparato sim-
ple como el esquematizado en la Figura 8.
agua golpea en eI extremo de Ia barra produciendo un tem-
diferencial. La barra se deja 10 minutos sometida aI cho-
de enfriamiento
EI
ple
rro
Luego se enfría y se mide
do cada LlL6tt y se grafica
la dureza desde eI extremo templa-
durezan vs. distancia, produciéndo-
tlninsir!¡rt 1ultn0m0 d: 0trid,nlc
ít't:.lr F,:lrJ,tt,n
59
FIGURA 8. Probeta y Montaje para el Ensayo Jominy
60
se la curva Jominy del acero ( Figura g).
Mirando Ia curva Jominy se visualiza inmediatamente la tem-
plabilidad del acero. Se puede comparar Ia templabilidad de dos
aceros comparando sus curvas Jominy.
La SAE y el AISI han fijado los límites dentro de los cuales
debe quedar la curva Jominy de un acero dado. Cuando el ace-
ro tiene esta especificación lleva una H deryués de su denomi-
nación SAE, AISI.
3. 3 TRATAMIENTOS TERMICOS- GENERALIDADES
Los eapítulos anteriores. se han referido a algunos fundamentos
teóricos del tratamiento térmico del acero, como bases indis-
pensables para comprender las técnicas normales de tratamien-
tos que veremos en el presente capítulo.
En todo tratamiento térmico hay tres factores fundamerúales que
controlan los resultados:
- La temperatura a Ia cual se debe calentar eI acero
- El tiempo que debe permanecer a esa temperatura
61
604340O.8 o/o Cr O.257o Mo l.8olo Nt
,\-\
\\ \
i\t\l\t\\\
\\
\ 4J 40C.,
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roo4812 1620 ?424
Disloncio de lo punto endurecido del especimen Jominy-diezyseisovos de pulgodo.
FIGURA 9. Curvas Jominy para un Acero de Baja Aleación con0.40 de Carbono.
62
- La velocidad a la cual debe enfriarse desde la temperatura
de permanencia.
Para controlar adecuadamert e estas variables es necesario co-
nocer: Ia composición del acerq los tratamientos térmicos y
mecánicos que han experimentado previamente, el tamaño y for-
ma de la pieza, las propiedades que se desean obtener, esto es
el propósito del tratamiento a efectuarse. La composición del
acero es indispensable para poder seleccionar Ia temperatura de
permanencia, de acuerdo con el diagrama Hierro-Cementita.
Primero que todo hay que controlar eI calentamiento, las pie-
zas de poco espesor y formas sencillas se pueden introducir
aI horno caliente (hasta unos 800'C). En cambio las piezas grue-
sas no; no es recomendable introducir piezas frfas de más de
20 centímetros de diámetro en hornos cuya temperatura sea su-
perior a 350oC, porque el acero frío es poco plástico, no ad-
mite deformación y las tersiones que se crean pueden originar
distorsiones o grietas.
En los tratamientos dorde se requiere austenización, es nece-
sario aLcanzar una temperatura ligeramente más elevada que Ia
crítica superior, para conseguir que toda Ia masa que austení-
tica. El normalizado debe sobrepasar la temperatura en unos
63
60oC, en el recocido unos 50cC y en el temple unos gOoC. pa-
ra lograr que toda la pieza quede austenítica, el acero debe
permanecer a la temperatura seleccionada durante un cierto tiem-
po.
El tiempo de permanencia depende del tamaño (grosor) de Ia
pieza, clase de acero y del medio de calentamiento.Es más lar-
go el tiempo en un horno de muffla que en un baño de sales.
Los tiempos de permanencia se discutirán para cada tipo de
tratamiento.
Como la difusión del carbono es mucho más rápida a alta tem-
peratura, €r general, para reducir el tiempo de calentamiento
podría efectuarse el tratamie nto a temperaturas muy superiores
a la crítica, pero estos calentamientos hacen crecer exagerada-
mente eI grano y aúrL pueden provocar la oxidación si se so-
brepasa demasiado la temperatura de austenizacíón; por eso es
mejor prolongar Ia duración del calentamiento y hacerlo a tem-
peraturas moderadas.
3.3 .1 Temple
El objeto del temple es endurecer y aumentar la resistencia de
64
Ios aceros.
Consiste en calentar hasta una temperatura suficientemente ele-
vada para transformar toda Ia masa del acero en austenita, se-
guido de un enfriamiento adecuadamente rápido para transformar
la austenita en martensita. Sin embargo, en los aceros de herra-
mientas, la austenizaciún no es completa, como se verá más
tarde. Generalmente a las piezas templadas se les hace a con-
tinuación un revenido. Este tratamiento consiste en calentar has-
ta una temperatura inferior a Aclr para eliminar las tensiones
creadas en el temple y mejorar la tenacidad, disminuyendo la
dureza y resistencia hasta eI nivel adecuado.
El temple y revenido de un acero se ha llamado: bonificado.
EI tiempo de calentamiento depende no solo de las dimensiones
de Ia pieza, sino también de la capacidad de calentamiento del
horno.
Una regla práctica aproximada nos dice que: eI tiempo de ca-
lentamiento debe ser aproxinadamente una hora por pulgada de
espesor, desde la temperatura ambiente hasta la temperatura
de austenización.
65
Para los aceros hipoeutectoides la temperatura adecuada es A3 +
50oC, para estar seguros de sobrepasar a Aca, por eso cada
acero tiene su temperatura segín su composición.
Los aceros hipereutectoides se templan todos a la misma tem-
peratura: 41 + 50"C. No se hace a Acm + 50"C según su com-
posición.
En los aceros hipoeutectoides hay que austenizar completamente,
porque si no al enfriarse, quedaría ferrita en Ia estructura. En
los aceros hipereutectoides no hay que austenizar completamen-
t€, porque por encima de A 1, están constituídos por cementita
y austenita: al enfirarse quedan con una estructura compuesta
por cementita y martensita, como la cementita es el constitu-
yente más duro y resistente, el acero queda suficientemente
templado. Si eL acero se calienta por encima de Asm, y se en-
fría" quedará con estructura martensítica, pero no mejora sus
propiedades respecto a la estructura martensíta-cementita. Por
eI contrario, se pierde tiempo y energía, y se aumenta el pe-
ligro de grietas con estos aceros " hipertemplados".
Cuando el acero ha alcanzado Ia temperatura de austenizacián,
el tiempo de permanencia depende del grado de disolución de los
66
carburos, que se desee. Como la cantidad de carburo es di-
ferente para tos distintos tipos de aceros, el tiempo de per-
manencia también depende del grado del acero.
Los aceros estructurales aI carbono y de baja aleación que
contiene carburos fácilmente solubles requieren sólo unos mi-
nutos. Alrededor de 15 minutos.
Para los aceros estructurales de media aleación se recomiÉnda
un tiempo de unos 25 minutos, no importa la dimensión.
Por otro lado los aceros de herramientas de baja aleación, re-
quieren un tiempo definido de permanencia. Se requiere un tiem-
po de 0.5 minutos por cada milímetro de espesor.
Los aceros de alta aleación aI cromo requieren un tiempo de
permanencia más largo que todos los aceros de herramientas.
Se ha sugerido un tiempo de 0. 5 - 0.8 minutos por milímetro
de espesor. El factor 0.5 se usa cuando Ia temperatura de per-
manencia está cerca del tímite superior y eI factor 0.8 cuando
Ia temperatura está cerca del límite inferior.
Los aceros para trabajo en caliente contienen carburos que no
67
se disuelven hasta los 1000C. A estas temperaturas el grano
crece rápidamente, por 1o que debe limitarse el tiempo de per-
manencia. Si eI calentamiento se hace en un baño de sales el
tiempo es de unos 30 minutos.
Los aceros rápidos son los aceros de herramientas de más al-
ta aleación. Sus temperaturas de permanencia están entre 1200
y 1300"C. Para evitar el excesivo crecimiento de grano, 1o co-
rriente es usar tiempos de unos pocos minutos. Según el espe-
sor en mm., eI tiempo está dado en minutos así:
10tD=-5
(mm) i(min)
siD l=3min.
orientación las
alta aleación:
Para calentamientos de hornos pueden servir
siguientes relaciones, no válidas para aceros
¡=lQ*D2
(mm) (min)
de
de
D: espesor; t; Tiempopermanencia.
menores de una pulgada. Para espesores
(hr)
de
Esto para espesores
mayores:
[=1+ DLN
(mm)
68
Hay gráficos y técnicas sofisticadas para calcular tiempos de
permanencia, pero éstas no son de fácil uso.
Una fórmula más aproximada determina que la duración del ca-
lentamiento es directamente proporcional al cuadrado del diá-
metro o espesor, o de Ia dimensión transversal media.
Los métodos de enfriamiento dependen del tipo de acero, la
forma de la píeza y las propiedades que se quieran impartir.
Hay tres métodos principales para endurecer: el temple directo,
el martempering y eI austempering.
El temple directo es el método más antiguo y el más común en
la actualidad.
Para obtener estructura martensítica o de martensita-cementita,
el acero debe enfriarse a una velocidad superior a la crítica de
temple.
Las velocidades críticas de terr ple varían para los aceros al car-
bono, de 200"C a 600'C por segundo, según el contenido de car-
bono.
lln;vlryiifud t,,i¡rrrtiilÍl ü.1 fjr(iC6¡.rc
'.'r.irl ?:¡;,.'1",.
69
Como se había anotado, los elementos de aleación hacen, en
general, disminuir la velocidad crítica de temple, pudiendo al-
gunos aceros aleados templarse aI aire, a velocidades inferio-
res a 50'Cms/Seg.
Los factores determinantes de las propiedades resultantes son:
Composición, tamaño de la píeza, tamaños de grano y medio
de enfriamiento.
En las piezas grandes el espesor tiene grandes consecuencias,
puesto que las velocidades que se obtienen en eI interior de la
píeza son a veces muy inferiores a Ia de la periferia; y a par-
tir de un diámetro dado, el núcleo puede quedar sin templar.
Esto se puede remediar, recordando los conceptos de templa-
bilidad y seleccionando un acero adecuadamente templable y un
medio de enfriamiento correcto.
El tamaño de grano influye en la velocidad crítica de temple, en
Ias mismas condiciones la velocidad crítica de temple es menor
en un acero de grano grueso.
El medio de enfriamiento y Ia temperatura de .éste, determinan
los resultados del temple.
70
Cuando el acero caliente
siguiente:
- Se forma una capa de
Iento el enfriamiento.
se sume rge en el líquido, ocurre lo
vapor que envuelve el metal, haciendo
A1 descender la temperatura desaparece Ia capa y el 1íquido
en contacto con eI metal hierve y se mueve produciendo bur-
bujas.
- cuando el metal está a temperatura de la ebullición del tíqui-
do, el enfriamiento se produce por conducciór¡ pero como
ya eI líquido está caliente es más lenta esta etapa.
En vista de Io anterior se comprende que las propiedades de
los líquidos que influyen en el enfriamiento son: temperatura del
baño, temperatura de ebullición, valor de vaporizacíín" calor
específico, conductividad térmica, viscosidad, masa del baño y
agitación.
Mientras más agitado esté el baño o más se mueva la pieza,
más fuerte será el enfriamiento.
Los medios de temple más importantes son el agua, eI aceite
7L
y los baños de sales. El agua enfría más enérgicamente que
el aceite y se emplea sobre todo para templar aceros al carbo-
no.
Actualmente los medios de temple más importantes son: Agoa,
soluciones acuosas o salmueras (NaCl, Nitratos, NaOH, NaCN,
soluciones ácidas, etc.); aceites para templar; baños fundidos
de sales o plomo fundido; gases como eI aire o atmósferas pro-
tectoras (Véase la tabla sobre medios templantes).
El medio de enfriamiento más adecuado es el que proporciona
superior y cercana a la de temple. Si la velocidad es demasia-
do alta en comparación con la crítica, se producen grietas y
tensiones debido al desigual enfriamiento de la superficie y el
interior. Si el enfriamiento es relativamente lento, toda Ia pie-
za transforma su estructura con mayor uniformidad. La mane-
ra como Ia pieza se introduce aI baño, también es fundamental
para evitar defectos. Esto se considerará en un capítulo poste-
rior.
3.3.2 Revenido
Con Ia denominación de bonificado se ha designado el tratamien-
72
to completo del acero, que incluye temple y revenido.
EI revenido es un tratamiento complementario del temple que
generalmente se hace inmediatamente después de aquéI. El ob-
jeto de1 revenido es modificar, no eliminar, las propiedades
obtenidas en el temple.
El acero templado es demasiado frágil, por Io que eI revenido
se usa para mejorar la tenacidad y ductilidad de los aceros
templados, implicando una disminución de dureza resistencia
mecánica y límite de cedencia. Además, en el revenido se re-
ducen o eliminan las tensiones producidas por el temple.
No debe olvidarse que a veces en aceros aleados, el revenido
puede aumentar dureza en lugar de disminuirla.
EI revenido se realiza calentando el acero templado hasta una
temperatura que se escoge de acuerdo con el tipo de acero y
la dureza y ductilidad deseadas, y enfriando Iuego aI aire ge-
neralmente.
Para entender mejor el mecanismo del proceso de revenido,
veamos las etapas que siguen los microconstituyentes de los
?3
aceros templados para convertirse en constituyentes más blan-
dos.
1 + 80 - 200'C se precipita una fase rica en carbono, llamada
carburo épsilon ( Fe2.C4, de estructura tetragonal). De esta
manera eI contenido de carbono de la martensita disminuye en un
O.3% y su estructura cambia de tetragonal a crlbica.
2 - 2OO - 300"C en este intervalo Ia austenita retenida se trans-
forma en bainita. Esta bainita se transformará luego en ferrita
y cementita.
3 - 160 - 400oC. El carburo épsilon se convierte en cementita.
Esta cementita comienza a crecer en forma de glóbulos hasta
700'c.
En los aceros aleados hay una cuarta etapa que sucede por en-
cima de 500"C, durante Ia cual ocurre una precipitación de car-
buros complejos finamente divididos.
En los aceros de trabajo en
rango de descomposición de
cia temperaturas más altas.
caliente, alto cromo y rápidos, el
Ia austenita retenida se desplaza ha-
Esta descomposición puede dar bai-
74
nita o martensita según la temperatura de revenido.
Normalmente, eI revenido debe efectuarse después del temple,
tan pronto como el acero se haya enfriado hasta unos 50oC.
Porque si se deja enfriar de1 todo, eI acero se puede agrietar
antes del revenido.
En el revenido Ia temperatura y eI tiempo son inseparables, a
mayor temperatura, mucho menor tiempo de permanencia.
La correlación de Hollomon y Jaffe permite calcular los tiem-
pos a distintas temperaturas:
P= T(20+ logt) T=(
t = hrs.
Se obtiene el mismo resultado reviniendo 30 minutos a 425"C,
que con un revenido de 6 segundos a 525"C, ya que:
P = 698 ( ZO + log 0.5) = 13750
p = 798 ( 20 + rog 6/3600) =*3?50
Doble Revenido: A los aceros rápidos e indeformables de alto
75
cromo, se le dan dos revenidos sucesivos, porque contienen
mucha austenita residual después del temple.
En eI primer revenido se transforma la martensita en marten-
sita revenida y la austenita retenida se transforma en bainita
inferior.
En el segundo revenido, la martensita transformada no sufre
variación, pero la bainita inferÍor se transforma en martensita
revenida, quedando una estructura uniforme.
Se comprende la importancia de ésto, ya que eI revenido es el
verdadero tratamiento acondicionador del acero, con él se dan
Ias propiedades deseadas. .EI temple es sólo un tratamiento pre-
paratorio para eI revenido.
Cuanto mayor sea Ia dureza del acero, mayor será eI rango de
propiedades que pueden lograrse en el revenido: disminuyendo Ia
dureza hasta un valor suficiente y aumentando en cambio Ia te-
nacidad.
Además, con el revenido se destruyen tensiones internas, se es-
tabiliza el material y se consigue una estructura uniforme.
76
TEMPLE PARA ACEROS
HIPOEUTECTOIDE S
TEftIPLE PARA ACEROS
HIPEREUTECTOIDES.
RECOCIDO DE AUSTEÍ{IZACION
COMPLETA.
F TGURA l0.Esquema deLas Zonas de
RECOC¡DO D€ AUSTET{IZACION
I NCO MPLETA.
TEMPLE Y REVENIDO
RECOCIDO DE RECOCIDO
ABLANDAMIE¡ITO. GLOEULAR.
algunos TratamientosTransformación.
77
Técnicos indicando
A pesar de todo 1o anotado sobre eI revenido, a veces durante
este tratamiento aparece una reducción de tenacidad, llamada
fragilidad de revenido. Esto es sobre todo peligroso en los ace-
ros de alto cromo (más de 13%) cuando se revienen a tempera-
turas comprendidas entre 400-50OoC. La susceptibilidad a la
fragilidad de revenido se reduce aleando eI acero con Mo en
porcentajes de 0.15 a 0.5%.
78
4. DATOS TECNICOS . ACERO SAE 5160
Una de las necesidades para una posible aplicación de cualquier
tipo de acero, es eI conocimiento de los diversos datos tecno-
lógicos que permitan al fabricante y al usuario obtener las pro-
piedades deseables, con el fin de garantizar Ia puesta en ser-
vicio de tal acero.
Como en este caso solamente se trabajará con el acero SAE
5160, con eI siguiente estudio se muestran las características
mínimas obtenibles con un tratamiento previamente establecido
y la determinación de temperaturas y tiempos críticos para tem-
ple y recocido.
4.1 INTRODUCCION
Se describen los ensayos realizados para Ia caracterización tec-
nológica del acero SAE 5160, los datos obtenidos se ordenas en
gráficas y tablas indicando Ia utilidad e importancia de los mis-
i!qi¡¡r¡q,1trr4 1:rlnilflmg Cr fltfidOr¡tf
{r,,i;-¡ i,¡,.r¡rrn
79
mos respecto a los tratamientos térmicos realizados, la eva -
luación de las propiedades mecánicas y las posibilidades del
acero en cuanto a su utilización industrial.
4.2 ENSAYOS REALIZADOS
Composición química:
Un análisis químico promedio de las diferentes coladas utiliza-
das proporcionó los siguientes resultados:
ToC
.58
%Mn
.80
%P
.022
%s
0.030
%si
.30
%Ni
.20
%cr
.80
%Cu
.23
De acuerdo con la norma SAE J 404i, corresponde
SAE 5160 cuyas tolerancias de composición son:
aun acero
%s¡ %cr Tocu
.15/30 .70190 .30máx.
%c %Mn %P %s
.56164 . ?5/1.00 .035máx .o4omáx
4.3 TEMPERATIJRA OPTIMA DE TEMPLE
El medio idóneo para los aceros de contenido medio de Carbono
y aleado con Cromo, es el aceite, debido a la alta templabilidad
que presenta este acero, minimizándose de esta manera los ries-
80
gos de agrietamiento.
FIGURA 11. Temperatura Optima de Temple
De la tr'igura 11 se deduce
tiene la máxima dureza es
ratura óptima de temple.
EI rango recomendado puede
Dureza máxima esperada: 62
que la temperatura a la cual se ob-
850oC, que corresponde a la tempe-
variar de 840-880"C.
HRc.
81
4.4 TAMAÑO ON GRANO
Es interesante conocer el tamaño de grano austenítico que co-
rresponde a la temperatura óptima de temple, así como su va-
riación en un cierto intervalo de temperatura.
La importancia radica no sóIo en la influencia del tamaño de
grano austenítico sobre Ia dureza de la Martensita obtenida, si-
no también en la modificación de las propiedades mecánicas.
800 900 rooo tjoo t.200 0c
=t:o.
ozÉ(,l¡looz>,
É
I
Variación del Tamaño deturas de Temple. TiemPo
Grano con las Tempera-de Austenización= 1 Hora.
,/
,/
,/
r'
./
-'/
FIGURA L2.
82
En la Figura 12 , se ha representado eI tamaño de grano ASTM
en función de ]a temperatura de temple, observándose que a
partir de 880oC el crecimiento del grano es más rápido, siendo
esta por 1o tanto Ia temperatura máxima utilizable.
Una comparación de las Figuras tt y L2, muestra una relación
entre ambas señalándose a 880'C junto con eI inicio del rápido
crecimiento del grano y una disminución importante de la dure-
za.
Atendiendo el tamaño del grano, este acero se permite clasifi-
carlo como un acero de grano fino ya que a la temperatura óp-
tima de temple se tiene un tamaño de grano de 8 a 8-1'12.
Un ensayo posterior efectuado a 880'C, variando el tiempo de
sostenimiento de t hora a 4 horas, no mostró ninguna variación
en el tamaño de grano como en la dureza.
4. 5 ENSAYOS MECANICOS: Diagrama de Revenidos
Variaciones de la dureza, tenacidad y propiedades mecánicas
respecto a la temperatura de revenido y tiempo de sostenimien-
to.83
FTGURA
HRS
60
50
40
30
20
13. Variaciónratura de
too aoo 300 400 500 600
de la Dureza con respectoRevenido
oc
aIa Tempe-
Tl-Tm
Rg/nm?
t40
¡30
t20
til o
loo
80
80
xg-n/cmzJ2
lo
9
8
7
6
uoo 300 400 500 600 0c
FIGURA L4. Variación de las Propiedades Mecánicas en funciónde Ia Temperatura de Revenido
TEMPLE 85O OC
EN ACEITE
200 300 400 500 600
84
t<g-m /cm2
FIGURA 15. Variación dede Revenidonimiento
6 HRS
la Tenacidad para una Temperaturadada en función del Tiempo de Soste-
Rg/.mmz
t20
REVENIDO A 650 OC
HRC
HRC
40
30
20
ro
45 67 8 HRS
FIGURA 16. Variación de las Propiedades Mecánicas para unaTemperatura de Revenido dada en función del tiempode Sostenimiento.
85
TEMPLABILIDAD: Curva de Templabilidad Yominy
Distoncio del ertremo templodo en ln.m.
70
60
00
¡0o
EO
20
lo
70
60
5()
{o
30
20
1()
(,
o
't(,0uoNo2o
FIGURA 1?. Banda de Templabitidad. Tamaño del Grano ASTM 7-8
Distoncio del extremo lemplcdo en m.m.
ro 20 to ao toI I
n- II ---t-L]-Hf t*9: (.i
+ _1_lrr#sP (
--*4-t--#Fl'50O
to
Distoncio del extremo lemPlodo en ¡/6'tr
FIGURA 18. Banda de Templabilidad para distintos Revenidos
uo=vt,oÉoNo2o
fo t2 t¿t E t6 aO 2,2426 28 Ú ta l4gú 3a {o
dcl ertreno templodo en l./16"
86
4.6 RECOMENDACIONES PRACTICAS PARA LOS TRATAMIEN.TOS TERMICOS
En los tratamientos de recocido, temple y revenido, el calentamien-
to debe efectuarse lentamente. Se debe poner cuidado en evitar una
descarburación superficial, debió a que disminuye notablemen-
te la registencia a la fatiga.
La temperatura de forja debe oscilar entre 850"C - 1.100"C y
eI enfriamiento debe efectuarse en cenizas.
En el caso de conformación en caliente de los muelles, la tem-
peratura a utilizar debe estar entre 850- 920oC.
En el temple eI enfriamiento debe realizarse en aceite de tem-
ple fluído y exento de agua. La temperatura del aceite debe es-
tar comprendida entre 50 y 70cC.
4.7 APLICACIONES
Ballestas y muelles helicoidales para las industrias de automó-
viles y ferrocarriles.
Piezas de responsabilidad que requieran una calidad especial-
87
mente buena, como árboles de transmisiór¡ engranajes en es-
pecial grandes engranajes trabajando sin choque, rotores de
turbinas, bielas, placas de presión para prensas de extrusión,
cinceles, tajaderas, cizallas.
En general para la fabricación de piezas muy solicitadas que
requieran una dureza y tenacidad elevadas.
88
5 HORNOS
5.1 UTILIZACION DE LOS HORNOS
El término hornos industriales, abarca sólo aquellos en los que
se imparte el calor a la carga para elevar la temperatura de
esta, sin que se pretenda tenga lugar ninguna reacción química
o cambio de estado, tal como fusión o vaporizacíín. Tales hor-
nos pueden también denominarse ttHornos de Calentamiento de
Metales". En el trabajo de los metales, la temperatura desem-
peña un papel de gran importancia.
.El calentamiento de los metales, cualquiera que sea su objeto
se realiza en hornos, que se denominan comúnmente horno de
calentamiento, hornos de recocido y hornos de tratamiento tér-
mico.
5.2 DESCRIPCION GENERAL Y CLASIFICACION
La temperatura deseada en eI horno
89!lrrillai;l¡'t',)t!0nírÍnC ls $icidfnh
:i.,i.o lrl,¡,, r¡,.4
se produce por la generación
de calor. Se emplean dos *étodos:
- Combüstión de combustible
- Conversión de energía eléctrica en calor.
El tipo de horno de combustión se emplea mucho más que el
horno eléctrico. Otra clasificación se basa en Ia manipulación
del material en su paso a través del horno. Existen dos tipos
principales:
5.2.L EI HOrNO ''DENTRO-FUERA''
O tipo de horno de carga por lotes o intermitente, o periódico;
Ia temperatura es constante, prácticamente en todo su interior.
Se coloca Ia pieza en una posición determinada y permanece en
ella hasta que su calienta.
5.2.2 El Horno "CONTINUO"
EI material cargado se desplaza mientras se está calentando.
5.3 ELEMENTOS EN LA CONSTRUCCION DE LOS HORNOS
En Ia mayoría de los hornos, las piezas o cargas que han de
90
calentarse se apoyan sobre la solera. Para proteger las cimenta-
ciones e impedir que la solera se ablande, se dispone de espacios
abiertos debajo de aquella para la ventilación por circulación de
aire. EI combustible y el aire entran en eI horno a través de orifi-
cios o quemadores. Los productos de la combustión abandonan el
horno a través de conductos de ventilación y galerías, pasando a
través de canales de humos y chimeneas. La cámara de calefacción
está rodeada por las paredes laterales que soportan la bóveda, la
cual tiene, por 1o general, Ia forma de arco apoyado con su salmer
sobre las paredes Iaterales o sobre una estructura exterior de ar-
co. El apoyo del salmer se denomina malctón. Los salmeres forman
la imposta o arranque del arco y el punto más elevado de éste se deno-
mina coronación o clave; Ia distancia entre la coronación y la cuerda
que une los salmeres, o impostas, se denominan flecha de arco.
El material empleado más corrientemente en la construcción de hor-
nos es eI ladrillo refractario, que se fabrica con arcilla refractaria.
5.4 RESXSTENCIA Y DURACION DE LOS HORNOS
5.4.L Propiedades de los Materiales en los Hornos
Los hornos se construyen con metales, materiales no metálicos
resistentes aI calor llamados refractarios y hormigón (para las
91
cimentaciones). Los factores externos que afectan la dura-
ción de los hornos son:
- Temperaturas elevadas.
- Variaciones de temperatura
- La acción químiea de los óxidos, compuestos a base de azu-
fre y otras escorias.
- Oxígeno y otros gases o vapores a altas temperaturas.
- Las explosiones.
- EI desgaste mecánico por desplazamÍento de piezas macizas.
- El vapor de agua.
- La carga excesiva de las bóvedas y paredes laterales,
- Asentamiento de las cimentaciones.
Estas causas individuales se traducen en una diversidad de efec-
tos sobre las soleras, paredes laterales, bóvedas, puertas, re-
sistencias, generadores y recuperadores.
Evidentemente, Ios ingenieros de hornos deben setreccionar aque-
llos rm teriales que poseen Ia resistencia y Ia durabilidad reque-
ridas y un bajo costo.
Los metales se emplean en los hornos para emparrillados, ba-
92
rras de soleras, vigas móviles; rodillosn bandasn cadenasn cu-
biertas, frente de hornos, cuadros y umbrales de las puertas.
Los más baratos son eI hierro fundido y el acero al carbono
y, por Io tanto; deben emplearse siempre que sea posible. No
dan resultado si se les expone a altas temperaturas; en primer
lugar porque disminuye su resistencia mecánica y también por-
que se oxidan y se queman.
En eI interior del horno, es decir para las barras de Ia sole-
ra de hornos de recocer o de tratamiento térmico es preferi-
ble el hierro fundido al acero, pues se oxida más lentamente.
Si se emplea hierro fundido para hacer las barras o la placa
de la solera, es preferible dividir Ia solera en partes cortas,
de modo que estén todas enclavadas en eI refractario, dejando
espacio para la dilatación; se puede asumir que, puesto que el
hierro fundido y los ladrillos refractarios tienen aproximada-
mente el mismo coeficiente de dilatación.
5.4.2 Cimentaciones
La finalidad de
uniformemente
las cimentaciones del horno es la de repartir
sobre el suelo el peso no uniforme del horno.
93
El peso total del horno, más cargan más cimentación dividi-
do por la carga específica que puede soportar el suelo, nos
de la superficie de la cimentación. El momento de flexión de-
rivado del empuje hacia arriba del suelo, y la carga más o
menos concerúrada del horno hacia abajo, determinan el espe-
sor de la cimentac ión.
5.4. 3 Paredes Laterales
Generalmente las paredes laterales de los hornos de calenta-
miento y de recocido originan menos problemas que las bóvedas
y las soleras. No obstante, no se puede olvidar que estas pa-
redes también pueden agrietarse, ceder, quemarse o derrum-
barse, de donde se deduce Ia utilidad de realizar un estudio de
las averías más frecuentes.
5.4.4 Puertas
Las puertas de los hornos deben ser ligeras, sóIidas y resis-
tentes aI calor. EI problema en esta clasificación consiste en
obtener el mayor número posible de características deseables,
especialmente resistencia mecánica y duración. Existen dos ti-
pos de puertas de tipo levadizo y de tipo bisagra. Las de tipo
94
bisagra tienen dos defectos. Uno de e1los consiste en la impo-
sibilidad de calentar, con egtas puertas, piezas que estén en
parte fuera del horno. EI segundo defecto es que estas puertas
se cierran con golpe, debido a lo cual los refractarios se aflo-
jan y se caen. En los hornos pequeños, como en los de terr ple
de herramientas, estos defectos no son suficientemente impor-
tantes como para prohibir el empleo de puertas de bisagra, y
se utilizan puertas de este tipo fijadas al cuerpo de la puerta
por uno o varios pernos. Si Ia temperatura no es superior a
Ios 870oC, la construcción y el mantenimiento de las puertas
son bastante sencillos.
5.4.5 Amarre de los Hornos
Si un horno debe durar un tiempo suficiente ha de reforzarse
con piezas de hierro o de acero. El amarre de un horno está
sometido a dos clases de fuerzas: a) Fuerzas que se deben a
la presión de los arcos normales X, b) Los que provienen de
los fenómenos de dilatación de las paredes rectas y de las bó-
vedas planas suspendidas.
5.5 FUEL-OIL INDUSTRIAS ESSO
Es un producto residual de las destilaciones primarias y proce-
95
sos de ttCrakingrt catalítico y térmico del petróleo. Se usa
principalmente como combustible en calderas y hornos. Los ti-
pos de combustibles que distribuyen la Esso Colombiana S.A.
son equivalentes a un bunker C No.6, de acuerdo a Ia clasifi-
cación ASTM-D-396= 48T.
5.5.1 Ventajas del Fuel-Oil sobre otrqs Combustibles
- Requiere menor espacio para almacenamiento.
- Se obtiene un rendimiento térmico muy alto en las unidades
de combustión.
- Deja una cantidad mínima de cenizas y residuos en la cáma-
ra de combustión.
- Inicia la combustión en forma relativamente fácil y rápida.
- Para la operación de equipos de combustión de FueI-Oil se
requiere un mínimo de personal.
- Los gases del Fuel-Oil no contaminan Ia atmósfera con hollín,
cisco y cenizas.
- Los costos de mantenimiento de los equipos de combustión
son bajos.
5.5.2 Datos Técnicos del FueI-Oil
La Esso Colombiana S.A. suministra los siguientes valores para
96
las propiedades de los Fuel-Oil comerciales.
TABLA 6. Inspecciones Típicas de FueI-OiI Industrias Esso
B/Bermeja.Cartagena yIa Dorada
Gravedad API 60/60
Gravedad Específica
Peso
Peso
Punto de Llama
Viscosidad
Azuf,re %
Agaa %
Sedimentos de Filtraciónen Caliente
Poder Calórico
Cenizas %
Explosividad %
10.4
0.9972
s. 305 lbs/gal.
3.770 kgs/gal.
245'F
L92
L.45
0.80
0.05
18.348 btu/lbm
0.063
15 LEL
11.8
0.9874
8.224 lbs/9a1.
3. 733 tr,gs/gaf .
208"F
t72.2
L.52
NIL
0. 071
18.460 btu/lbm.
0.07
20.6 LEL
La viscosidad se mide en SSF a L22o.F
5. 5.3 Clasificación de los Fuel-Oil
denomina FueI-OiI todo producto derivado
punto de chispa superior a 100"F.
97
Se
un
del petrbleo con
El Fuel-OiI se obtiene de residuo de operación de refinación,
destilados intermedios entre kerosene y aceites lubricantes,
petróIeos crudos y mezclas de los anteriores. La composici ón
química de los Fuel-Oil #1 es de aproximadamente:
C
H
o
80-e0%
LO-LíTo
0-3 lo
N
S
O-31o
0-4%
TABLA ?. Clasificación de los Fuel-OilPunto de Chis- Sedimentos Viscosidad
Grado en Peso pa mínimo "F y Agua Máxima
0.5#t
1.0
100
100
130
130
150
Trazas
0.1
0.5
1.0
2.O
2,2 SSU a100'F'
40 SSU a100 'F'
125 SSU a100 'F
40 SSU at22 "F
300 SSU a122 "F
#+
#5
#6
#2
5.6 ECONOMIA DE LOS COMBUSTIBLES EN LOS HORNOS
Los términos ttEconomía y Rendimiento" cuando se utilizan en
su verdadero sentido, al aplicarse a los hornos industriales, se
refiere al costo de calentamiento por unidad de peso de produc-
to terminado o listo para la venta.
El "Costo de Calentamientott incluye no solamente el costo del
combustible, sino también el costo de la calefacción y eI costo
de explotación del horno, la amortlzaciín de generación de una
atmósfera protectora y el costo de las piezas quemdadas, estro-
peadas o rechazadas por cualquier motivo. Además incluye el
costo de mecanización de aquellas piezas que la inspección en-
cuentra defectuosas a causa de calentamiento inapropiado. Fi-
nalmente, incluye el costo de la manipulación de material den-
tro y fuera del horno.
AI estudiar Ia economía de combustibles en los hornos industria-
les, es sorprendente ver su bajo rendimiento térmico. Mientras
que los rendimientos de las calderas son de I orden del 60 aI
gOTo e incluso superiores, los rendimientos de los hornos son
algunas veces tan bajos como un 5% en los hornos de combustiórg
y no mucho más en los eléctricos si se incluye el rendimiento
térmico de la energía eléctrica en esta comparación.
En condiciones favorables, con su
99UnivrniCrd aufonrms d¡ frccidrntr
Deprc Brblrotata
excelente y costoso proyectq
y con un buen funcionamiento, pueden obtenerse rendimientos
en los hornos de hasta un 60{0, e incluso un poco mayores, pe-
ro estos valores tan elevados son excepciones de la regla gene-
raI.
Entendemos aquí por ttrendimientott el rendimiento del combusti-
ble, que es la relación entre eI calor, aportado a la carga y
el calor poteneial del combustible, medida en pruebas a 1o lar-
go de la durac ión.
5.7 MOVIMIENTO DE GASES EN I,OS HORNOS
5. ?. 1 Presión en los Hornos; Tamaño y Situación de los Orifi-cios de Salida de Gases
En relación con las condiciones de presión en los hornos deben
observarse dos reglas importantes:
- En eI calentamiento de metales, la presión en la cámara de
calentamiento debe ser la atmosférica o algo superior a ésta,
con cualquier tasa de calentamiento.
- Cuanto más baja es la temperatura de calentamiento del ma-
terial mayor es la necesidad de una circulación completa de
100
Ios gases en la cámara de calentamiento, especialmente si
se trata de materia apilado o enrollado que ha de calentarse
rápidamente y con gran uniformidad.
La justificación de estas dos reglas, su explicación y su aplica-
ción constituyen una parte importante del presente capítulo.
La raz6n por Ia que debe existir presión atmosférica en Ia cá-
mara de calentamiento para conseguir un funcionamiento correc-
to, es obvia. Si fuera mayor que la atmosférica, saldrían lla-
mas o gases calientes por las aberturas ¡ si fuese más peque-
ño, entraría aire a través de las puertas y el material sería
oxidado, formándose cascarilla. Sin embargo, debe indicarse que
el aire en la cámara de calentamiento no es perjudicial si se ca-
Iientan productos cerámicos.
5.7.2 Canales de Humos y Chimeneas
Los hornos galentados por gas o por aceite no neceaitan chime-
neas, sino solamente canales de humos cortos, en los que se
refiere a su funcionamiento. Los productos de combustión se
descargan por los canales de humos cortos en la neve de traba-
jo. Si no se desea su presencia, se puede disponer una campana
101
o recogedor con una salida a
son necesarias en los hornos
sea el combustible y también
dor.
través del tejado. Las chimeneas
con regenerador cualquiera que
en muchog hornos con recupera-
Los hornos con calefacción por carbón, cualquiera que sea.su
tipo (incluso los hornog calentados con gas pobre sin refinar),
descargan productos de combustión perjudiciaLes, humosos y
sulfurosos, los cuales se descargan generalmente por chime-
neas. Debe existir una ligera presión en eI horno y que en el
trabajo de los hornos de calentamiento la chimenea no tiene
otra función que la de evacuar los productos de combustión. So-
lamente se necesita una fracción muy pequeña de su capacidad
productora de tiro. En consecuencia, la chimenea puede ser de
cualquier altura, mientras sea Io suficientemente alta para ¿itra-
vesar eI tejado y elevarse por encima de los edificios de los
alrededores para evitar los tiros tthacia atrástt o remolinos en
su interior. La necesidad de sacar los productos de combustión
por encima de los edificios circundantes hace que las chime-
neas sean excesivamente largas en Ia mayoría de los casos; en
consecuencia, se provee un tiro excesivo, empleándoge un re-
gistro para contrarrestar este efecto. En la mayoría de los hor-
nos las chimeneas no solamente son excesivamente largas, sino
L02
que son excesivamente amplias.
5.7.3 Flujo de los Gases en los Hornos cm Regeneradores
Es conveniente examinar el movimiento de las corrientes divi-
didas de un gas, que absorben o ceden calor. La regla es que
un gas que se está calentando debe ascender, mientras que un
gas que se está enfriando debe descender, si se ha de conse-
guir una uniformidad de flujo y de cambio de temperatura de
las diferentes corrientes. Para la comprensión de esta regla
véase la Figura 19.
FIGURA 19. Flujo de una Corriente Subdividida de Gases
Supongamos que los ladrillos están calientes, y que los gaees
que se elevan en eI calentador absorben algo de éste calor.Su-
pongamos que una corriente, por ejemplo la (1), fluye más rá-
pidamente que el resto; por consiguiente, absorberá más calor
103
enfriará más este conducto, y er gas que pasa a continuación,
aI encontrar las paredes más frías absorberá menos calor,
produciéndose así una compensación. si otra corriente, por
ejemplo La (2), absorbe calor más lentamente que el resto, se
volverá más pesada que las otras fluirá menos gas a t ravés
de (2) y no se er¡friará este conducto tan rápidamente como 1os
restantes, Io que significa que antes de que sus paredes tengan
la misma temperatura que las otras transcurrirá bastante tiem-
po, y eI flujo se igualará. si por otro lado los gases que ab-
sorben calor son descendentes, habrá una corriente más calien-
te que eI resto, debido a que absorbe más calor, y fluirá hacia
abajo muy lentamente, manteniendo el conducto por el que fluye
más caliente que eI resto. una corriente que n o absorbe sufi-
ciente calor, porque pasa a través de un conducto más frío, pe-
sará más que el resto, fluirá más de prisa, enfriando todavía
más el conducto, etc.; de esta manera la temperatura de los
diversos conductos será muy desigual.
5.7.4 circulación de los Gases del Horno y Medios para pro-ducirla
Existe cierta diferencia entre et flujo de gases y la circulación
de gases. Los productos de combustión pueden fluir directamen-
104
se haga varias veces sucesivamente. La conclusión que debe
sacarse de esta razonarraiento no es que la circulación sea ina-
propiada a elevadas temperaturas del horno, sino que es posi-
tivamente necesaria a bajas temperaturas si se ha de obtener
un calentamiento rápido y uniforme.
Existe una gran variedad de formas de hornos, formas de co-
locación de la carga dentro de ellos y formas de dispositivos
de liberación del calor. Por esta raz6n, es imposible en este
volumen determinar la circulación de gases en cada tipo de
horno de calentamiento o de recocido y para cada disposición
concebible de Ia carga.
Existen cinco causas de la circulación de los gases en los hor-
nos:
Cambio de volumen a causa de un cambio de temperatura;
Diferencia en el peso específÍco de gases calientes y fríos.
Energía cinética de los gases circulantes, debida a la pre-
sión dd. combustibte y aire de entrada;
Presión en el horno, €r relación con el tiro de los canales
de humo;
Efecto del viento que actúa en el exterior del horno;
105
te desde el quemador (o puertae de entrada) al respiro, o pue-
den ger obligados a pasar por la misma zona dos o más veces
Bucesivamente, siendo en egte último caso cuando verdadera-
mente circulan. En este apartado el término de circulación se
empleará de una forma libre, aplicándolo tanto a un flujo único
como a un flujo de circulación. La transmisión del calor la va-
riación de la relación (calor transmitido por radicación a calor
transmitido por convección) con Ia temperatura. según esta re-
lación, se obtiene un calentamiento rápido y uniforme a eleva-
das temperaturag (982 a 1260"C), si cada metro cuadrado de
superficie de la carga puede ver (en sentido figurado) gruesos
chorros de gas y las paredes calientes, aungue no estén en con-
tactoon los mismos. Por las razones que se explicar¡ la oxi-
dación de la carga es mínima si no exiete contacto real. La
mayoría de las formas del material que ha de calentarse a ele-
vada temparatura, se preetan a ger calentadas principalmente
por radiación.
A bajas temperaturas (538 a 704 "Cl, la radiación se amorti-
gua de tal manera que la convección ge convierte en un factor
importante en la transmigión del calor. En la transmisión del
calor por convección los gases calienteg deben hacer contacto
real con la carga y pasar a través de ella siendo preferible que
106
Los medios para dar ürección a la circulación son los siguien-
tes:
- Emplazamiento de los dispositivos de calefacción y combus-
tión.
- Dirección de los chomros de gas caliente o llama;
- Emplazamiento de los respiros de salida;
- Empbzamiento e inclinación de las paredes, bóveda y tabi-
ques;
- Disposición en el horno de la carga a calentar;
- Ventiladores.
- Cambio de Volumen a causa del Cambio de Temperaturas.
El volumen de un peso dado de un gas es proporcional a la
temperatura absoluta, si la presión permanece congtante;así
ocurue en la práctica de los hornos. Este factor en si mis-
mo afecta poco a la circulación de los gases en el horno,
pero aumenta e intensifica sin duda alguna la acción de la
causa c. El flujo hacia el exterior de gases calientesr gue
107
se produce cuando se calienta un horno eléctrico, se debe
cas i enteramente aI incremento habido en eI volumen al au-
mentar la temperatura. EI incremento de volumen durante la
combustión ayuda en gran manera al llenado de los espacios
de combustión y canales de humos con calor y llama y a
producir un flujo unüorme de gases a través de la cámara
de calefacción, aunque la mezcla de aire y combustible pue-
den entrar en el horno en chorros indepenüentes.
- Diferencia en el peso específico de gases calientes y fríos
Esta diferencia produce el bien conocido efecto de chimenea.
Es muy beneficioso si se usa de forma apropiada, pero es
perjudicial si se permite que actúe de determinada forma.
Es beneficiosa porque introduce el aire en el horno a tra-
vés de los regeneradores o recuperadores dispuestos en ba-
jo .Lleva los productos de combustión a Ia cámara de calefac-
ción desde los hogares de carbón dispuesto en bajo. Prácti-
camente constituye eI único agente que produce Ia circulación
en el interior de las muflas y hornos calentados eléctrica-
mente. Obliga al calor y a Ia llama a buscar la bóveda del
horno y pasar sobre Ia carga a calentar, Ia cual se halla en
una atmósfera más frías. Si se ha de alcanzat un calenta-
108
miento rápido y uniforme a temperaturas comprendidas entre
537 y 760oC, esta tendencia debe contramestarse por otros
medios que se describen más adelante. La diferencia en el
peso específico de los gases calientes y fríos tiende a pro-
ducir una circulacÍón perjudicial (como aparece en la Figura
2A), permitiendo Ia entrada de aire fíío por la parte inferior
de la puerta o a través de grietas en Ia estructura de ladri-
llo. Es conveniente evitar este estado que conduce a la adop-
ción de la norma de producir un poco más que Ia presión
atmosférica en el horno, a nivel de la solera. Además, este
procedimiento no supera la tendencia a Ia circulación debida
a la diferencia de pesos específicos. Detiene la entrada de
aire frío, pero produce una mayor pérdida de calor a tra-
vés de las aberturas que rodean la parte superior de la pue-
ta.
Circulación Perjudicial producida por eI efectode Chimenea en un Horno Caliente.
liniasidtl'luloncmn do üttidstllc
D*Pto $¡hliofxo
------- ----/
FIGURA 20.
109
Cuando es esencialmente importante parar la entrada de aire
atmosférico, puede colocarse toberas debajo de la parte infe-
rior de Ia puerta, para dirigir chorros de aire a alta veloci-
dad lejos del horno. En consecuencia, Ia circulación que apa-
rece en la Figura 20 puede ser parada e incluso invertida; sin
embargo, esto último puede evitarse regulando la pres ión de
aire en las toberas.
En un extremo de descarga de un horno continuo, como conse-
cuencia del efecto de chimenea;- debido a la inclinación de la
solera y de la mala disposición de las secciones de la puerta
de descarga, la entrada de aire frio constituye un serio incon-
veniente. No sólo reduce la economía" sino que también incre-
menta las diferencias de temperatura en los semiproductos, re-
duce la cantidad de material calentado, y produce una excesi-
va cantidad de cascarilla.
Si una corriente de gas caliente de peso específico q1 entra
horizontalmente con velocidad c en un medio más frío de den-
sidad q, su fuerza ascensional hace que se eleve. La fuerza
hacia arriba que actúa sobre un volumen V, es igual a V (e-
qt); Ia masa de este volumen es Vq1 lg y Ia aceleración : ha-
cia arriba expresada por
110
Fuerza es igual (q - qt )gq1
= -.S!-q -1=amasa
La forma de Ia corriente de gas es una parábola curvada ha-
cia arriba cuyos puntos pueden encontrarse por eI siguiente
simple razonamiento. AI cabo de un cierto tiempo (segundos)
la componente horizontal del desplazamiento es ct mientras que
ra componente vertical es LlZ a tZ ( v. Fig. 2lr.
FIGURA 21. Efecto Ascendente de los Gases Calientes.
Sin embargo, Ios cáLculos de esta clase deben hacerse con
gran cuidado. En primer lugar Ia diferencia de peso especí-
fico entre la corriente que entra y el medio que la rodea ra-
ramente se conoce con seguridad; y en segundo lugar el arras-
tre' viscoso produce el atrapamiento y difusión en una magni-
tud tal que las diferencias de peso específico son anuladas al
producirse un fuplazamiento de cierta magnitud.
- EnergíaCinética de los Gases circulantes debido a la presión
111
del combustible y aire de entrada.
El hecho de que eI aire y el gas o el aceite o el carbón
pulverizado entren en eI horno con una velocidad considera-
ble (que es necesaria para producir la mezcla y la presión
a nivel de Ia solera), proporciona uno de los medios más
valiosos para efectuar una rápida circulación. Una coruiente
de gas muy pequeña puede mantener la circulación perpetua
en una cámara circular con un agujero central (como aparece
en Ia Figura 22). Un caso simple como éste está sujeto a un
tratamiento matemático, pero se consigue muy poco con ello,
porque eI horno .ttRotaflamett es solamente un caso especial
entre los muchos existentes, y porque en todos los casos de
calentamiento a bajas temperaturas la circulación a través y
entre las piezas de la carga es eI logro máximo.
FIGURA 22. Circulación Mantenida por un pequeño Chorro
T(- r--iI \.a. --
\-p;))-i-j
LLz
En estos hornos en los que Ia circulación es necesaria en
alto grado, es decir, en los hornos con temperatura com-
prendida entre 53? y 760oC, está fuera de lugar eI dejar que
la llama o los productos de combustión extremadamente ca-
lientes toquen la carga; deben ser diluídos y mezclados con
productos de combustión que han estado en el horno durante
algún tiempo. Esto se hace frecuentemente por inducción o
amastre. Han fracasado muchas tentativas para asegurar la
circulación por este método, porque los proyectiles no mate-
rializaron la longitud que se necesita para la inducción. Las
Ieyes de la inducciór¡ en la práctica, se complican por el
hecho de que la inducción y Ia combustión se realizan simul -
táneamente y la densidad del chorro es diferentes de la del
medio ambiente.
La presión en el Horno en relación con eI tiro de los Ca-nales de Humo
La acción de la diferencia de presiones es tan evidente que
necesita poca atención. Los fluídos se desplazan siempre
de las regiones de alta presión a las de baja, a no ser que
la diferencia de presión se produzca por el peso de una co-
lumna superpuesta de fluído. Para una densidad dada del
113
fluído, se produce un flujo más rápido, cuanto mayor sea
la düerencia de presión. Esta úttima proposición es tan sim-
ple que puede esperarse que todos los ingenieros de hornos
la tengan en cuenta, aunque se produzcan errores por no
considerarla.
La Figura 23 (que muestra la solución equivocada) y Ia
Figura 24 (en la que aparece Ia correcta) aclaran la cues-
tión. En la Figura 25 se extraerá mayor cantidad de gases
quemados a través del orüicio (2) que a través del (1) por-
que la caída de presión a través del orificio (1) más la del
canal de humos hasta eI punto del orificio (2), debe ser Ia
misma que la caída de presión a través del orificlo (2) so-
Iamente, y que sóIo puede alcanzarse esta igualdad de la
caída de presiones cuando pasan más gases quemados por el
orificio (2) que los que fluyen a través del orificio (1). si,
por otra parte, eI canal de humos se construye bastante gran-
de (Figura Z4l en comparación con los orificios (B) y (4), la
caída de presión y el flujo a través de ambos serán prácti-
camente igudes.
Efecto del Viento
La mayoría de los hornos industriales
tL4no solamente se colo_
9eü-__-_-rl__
T'IGURA 23 Dimensionados lncorrectos de los Canales deHumos
Correcto en
115
FIGURA 24 Dimensionado Canal de Humos
can en naves cerradas, sino que además están forrados con
una carcasa de acero. Por ambas razones, el viento influye
poco en estos hornos en la circulación y en la presión. En
algunas ocasiones, si existe una combinación de un viento muy
fuerte las ventanas, ventiladores y puertas, se aprecia un
cierto efecto en el funcionamiento de los quemadores de aspi-
ración. Et problema es diferente con los hornos colocados en
eI exterior, por ejemplo, los hornos de cok con recuperación
de subproductos.
Colocación de los Dispositivos de Calentamiento y Combustión
Cuando el carbón está colocado sobre una parrilla, Ia elec-
ción de Ia colocación está algo limitada y se necesitan de
flectores, etc., como se describe en el apartado 5 l, para
dirigir el valor y la circulación por lastrayectorias deseadas.
Existe un mayor grado de libertad en el empleo de carbón
pulverizado, aceite o gas. Los hornos pueden tener calefac-
ción por un extremo o calefacción lateral. Los quemadores
pueden disponerse encima de la carga o debajo de la solera.
Puede variarse el número de quemadores. Las resistencias
y los tubos radiantes pueden colocarseencima o debajo de la
carga. La multiplicidad de las disposiciones es tan elevada
116
que no permite un examen exhaustivo
En algunos hornos que se calientan por resistencia o tubos
radiantes, s€ obtiene Ia circulación por medios mecánicos.
Si no existen tales medios se produce en estos hornos una
débil circulación, como la que se indica por flechas en Ia Fi-
guta 25 r gu€ representan esquemáticamente un horno calen-
tado por electricidad.
- Dirección de los Chorros de Gases caliente o de Ia Llama
En pocos casos se obtendrá un funcionamiento satisfactorio
al dirigir las llamas hacia y entre las piezas que se han de
calentar. Existe el peligro de que las lenguas de las llamas
calienten excesivamente algunas piezas y que se produzca
una excesiva formación de cascarilla, porque Ia llama es un
signo de combustión incompleta. Generalmente, la mejor so-
lución es dirigir los gases calientes a 1o largo de una pared
refractaria y desviarlos de tal manera que vuelvan hacia atrás,
hacia la pila, de material o alrededor de éste (como aparece
en la Figura 35 ), o también inducir una corriente por arras-
tre viscoso, que es el método indicado en el apartado C. ).
Lo que ocurre cuando se envían las llamas directamente hacia
LL7
Á
FIGURA 25. Corrientes de Convección Inducidassistencias Calientes.
por las re-
Disposición IncorrectaRecocer
FIGURA 26
118
de la Carga en un Horno de
Ia carga, s€ explica por medio de la Figura 26 r gue muestra
una vista en perspectiva de Ia solera y de los orificios de un
horno de recocer con regenerador, con dos carretones de pie-
zas fundidas en Ia solera. Se ha dibujado la solera tal como
se vería al quitar la pared frontal. A1 utitizar el horno, se
cubre completamente la solera con carretones. El aire y el
gas salen de los orificios y se dirigen directamente a la pi-
la de piezas fundidas. Si un carretón de piezas fundidae frías,
está situado cerca de los orificios, puede observarse cómo
pasa la llama a través de las piezas fundidas e incluso más
allá del carretón. Mientras las piezas permanecen bastante
frÍas, no puede producirse ningún efecto perjudicial, ya sea
por excesivo calentamiento localizado o por formación de cas-
carilla. AI calentarse las piezas aI rojo, son inevitables Ia
formación de cascarilla y eI calentamiento no uniforme, a no
ser que las piezas se desplacen a cierta distancia de gas y
aire produce una inducción suficiente de la atmósfera del hor-
no para hacer descender la temperatura de llama; además, la
combustión se ha realizado de una manera tan completa que es
baja la formación de cascarilla y finalmente los gases quema-
dos dan una considerable cantidad de calor por la radiación a
las paredes y a la bóveda antes de hacer conb.cto con la car-
94. En algunos talleres, las piezas fundidas se dejan cerca
llniurnidr-xf tutanur,in -Ji -'0rciftnt
0¡n:n N'l¡,,:r',n
119
Ios orüicios hasta que se sacarL aceptándose la formación
cascarilla como un ttmal necesariott.
Los chorros escalonados, que queman en dirección opuestas,
como se indica en la I'ígura 27 , producen una vigorosa cir-
culación. Este gráfico puede tomarse tanto como una vista en
planta como en alzado. En este último caso, eI material a
calentar debe cdocarse en forma apropiada, de tal manera gue
no obstaculice la circulación.
Una circulación de este tipo es muy eficaz ett los hornos de
baja temperatura en los que existe poco peligro de formación
de cascarilla. La llama es atemperada por un exceso de ai-
re que se inyecta con elevada velocidad.
FIGURA 27. Circulación producida por Quemadores Escalona-dos.
de
de
e)
L20
Los chorros pueden emplearse también para impedir la cir-
culación. Si pasan a través de un chorro continuo piezas
Iargas y suspendidas, tales como tuberÍas, como aparece en
la Figura 28 , la fuerza ascensional produce una circulación
como la indicada por las flechas.
FIGURA 28. Dispositivos para Reducir la Infiltración de Aireen Hornos de cierta Alhrra.
La parte superior se calienta excesivamente y la parte infe-
rior está demasiado fría. si se colocan los quemadores como
aparece en Ia vista en planta, las acciones de sus chorros
contrarrestan la circulación perjudicial que se produce por
fuerza ascensional. cua¡rdo el horno está frío, los quemadores
L2l
arrojan la lI ama del horno en el recinto.
- Emplazamiento de los Orificios de Salida
Los canales de humos deben ir a los orificios de salida; si
estos orificios están dispuestos correctamente y tienen las di-
mensiones relativas apropiadas, pueden llevarse los gases a
cualquier punto de la bóveda, paredes laterales o solera. De-
be aplicarse cierto criterio en la colocación de los orificios,
para evitar eI puenteado de los gases de los quemadores u
orüicios de entrada a los orificios de salida.
En algunos tipos de hornos de recocido ha demostrado ser muy
ventajoso el distribuir uniformemente muchos orüicios peque-
ños en Ia solera porque esta disposición lleva los productos de
combustión calientes a cada parte del horno.
- Emplazamiento e Inclinación de paredes, Bóvedas y Tabiques
Se incrementa o se amortigua la circulación por una apropia-
da o inapropiada colocación de las paredes. Los gases de hor-
nos tienen una masa, inercia y fricción. En muchos aspectos,
t22
su flujo es similar al del agua y está afectado por las pare-
des de una manera correlativa. En los hornos con calefacción
por un extremg, resulta engorroso calentar la carga que está
Cerca de las puertaS, a no Ser que se prOduzca en eI hOrnO
una presión tan elevada que expulse los gases por las puertas
o también que se dirija la llama hacia la puerta, o que se ha-
ga pasar por las puertas una mayor cantidad de gases . Esta
última solución es siempre la mejor, PerQ desgraciadamente,
no se encuentra en Ia práctica con tanta frecuencia como de-
biera ser. En Ia Figura 29 que representa un horno con ca-
lefacción por carbón aparecen tres métodos por los que se gon-
sigue un mayor flujo de gases por eI lado de las puertas. El
primero consiste en rebaiar la bóveda en el extremo trasero
quedando mucho más baja que en el lado de la puerta; en el
segundo consiste en que el altar es más bajo en el lado de la
puerta que en el extremo trasero; y eI tercero que el canal de
humos está desnivelado de tal manera que está más cerca del
lado de Ia puerta. Esta última característica es una aplicación
del principio formulado.
Otros ejemplos de los efectos de las paredes y tabiques en la
circulación aparece en Ia Figura 30, que representa un horno
continuo, para el calentamiento de semiproductos, con llama
t23
partida. La bóveda con forma ondulada mezcla los gases y los
desvía hacia abajo sobre los semiproductos, y Ia estrangula-
ción producida por la depresión en el punto (1) obliga a una
parte de los gases calientes a circular debajo del acero.
FIGURA 29. Disposicióngases paramiento.
mejorar Ia
Circulación en un Horno continuo in fluenciadola forma y disposición de la Bóveda.
Bóveda y Orüicios deuniformidad de Calenta-
FIGURA 30.
L24
por
Los gases humosos calientes se admitían con una velocidad
de flujo muy baja debajo de la bóveda de un horno de tamaño
natural en la Figura 31a..5" formaban remolinos y debajo de
la bóveda salían por el respiro como aparece en Ia parte a)
del gráfico. Pero, aI poner en marcha el quemador de acei-
te B, se producía una succión de los gases humosos calien-
tes hacia Ia trayectoria d e la llama de aceite (como se indi-
ca en Ia Figura 31b. ) y ya no seguían jun to a Ia bóveda. El
mismo efecto se producía aI realizar Ia admisión de vapor
atomizada, no ocurriendo Io mismo con aceite.
FIGURA 31. Efectos de Chorros ein Ia Circulación
L25
- Disposición en el Horno del Material a calentar.
Mientras que Ias normas A) a I) se refieren al constructor del
horno, éste debe ser observado por el usuario. El incumpli-
miento de la regla que dice que Ia carga debe colocarse de
manera que permita la circulación, es muy corriente. En los
hornos que se construyen con sección transversal circular, con
el fin expreso de asegurar la mejor circulación posible, se
colocan los lingotes frecuentemente sobre eI suelo (como apa-
rece en Ia Figura 32, izquierda), mientras que debieran colo-
carse sobre ladrillos o bloques en cada extremo (como en par-
te derecha del mismo gráfico). En otros hornos, las piezas
moldeadas se apilan indistintamente y obstruyen los orificios
de salida de la solera o de las paredes laterales. Las barras
o los semiproductos se colocan tan juntos que los gases no
pueden pasar entre ellos, cometiéndose también otros muchos
errores. Observando unas mínimas precauciones ordinarias
en la colocación de la carga, el manipulados del horno pue-
de mejorar la unüormidad de calentamiento, reducir el tiem-
po que éste necesita y economizar ombrstible.
En Ia Figura 33 se ilustra un horno en el que se ven cla-
ramente expuestos los efectos de todos los factores examina-
t26
FIGURA 32. Método de Colocación de la carga en el Horno
FIGURA Eg. Horno de Recalentar con Caldeo Unilateral
t27
ELEVAD OR
TA PA
ESISTET{CIA A
BASE DE GRO¡IO.
MOfOR
FIGIJRA 34. Horno con Ventilación para producir la Circulación
CONI'UNTO DE LA
RECUBRIMIENTOINTERIOR
L28
dos en eI párrafo precedente; se trata de un horno de reca-
lentar con caldeo unilateral. El hornero coloca los tingot es
bastante separados entre sí para permitir la circulación de
los gases calientes radiantes entre ellos. Con la calefacción
a plena potencia, los gases siguen la trayectoria (1)- (Z)-(4).
Si el quemador está proyectado correctamente, la combustión
está casi terminada cuando los gases se han desplazado en
una longitud igual a la de la fosa. La inversión de Ia direc-
ción del flujo en Ia pared produce la mezcla y completa la
combustión. EI lingote número 5 está bien calentado. El lin-
gote número 6 está relativamente frío, especialmente en Ia
parte inferior. Se pone a temperatura este lingote, si se baja
el quemador, porque en este caso los gases toma¡r la trayec-
toria (1)- (3)- (4). La uniformidad de temparatura en toda Ia
fosa se obtiene o por la alternación de la calefacción alta y
baja o por una calefacción alta durante el pe.ído de calenta-
miento y baja durante eI períddo de termodifusión. Un tercer
método de calentamiento consiste en calentar Ia fosa a plena
potencia hasta que el lingote más caliente tenga una tempera-
tura ligeramente excesiva. Entonces se corta el combustible,
mientras se mantiene el flujo del aire. Utilizando combusti-
bles ricos como aceite o gas natural, este método de circu-
lación produce una buena uniformidad de temperatura. Debe-
Uni*nídcd i1u!0n0m0 d-. Cctidcnto
|jro?o f,¡[¡r¡r'r¡::¡
t29
mos mencionar que el calentamiento rápido estropea los
lingotes de ciertos aceros especiales, a no ser que los lin-
gotes hayan sido precalentados lentamente en una cámara de
calefacción independiente.
- Circulación por Medios Mecánicos (Ventiladores)
Los hornos con temperaturas menores de ?60oC Ia circula-
ción por medios mecánicos constituye casi una necesidad
imperiosa y por las que han de disponerse deflectores para
guiar la circulación a través de la carga. Los hornos que
incorporan el principio de circulación mecánica se ilustran
en las Figuras 25 y 36 . Los medios mecánicos pueden pro-
ducir la circulación de productos de combustión o de atmósfer
ras protectoras que se calientan por resistencÍas eléctricas
o por tubos radiantes. Si la carga se compone de una caja
de cierta altura de piezas pequeñas, los ventiladores produ-
cen solamente una circulación muy limitada. Por esta raz6n,
se evitan en los hornos industriales las cargas de cierta al-
tura formadas por piezas pequeñas.
se invierte periódicamente la dirección del flujo de gas
aire se incrementa la uniformidad de temperatura para
Si
de
130
tiempo de calentamiento determinado, y se corta eI tiempo
de calentamiento para una uniformidad dada. El horno que
aparece en la Figura 34 incorpora la inversión de flujo. El
ventilador está proyectado de tal manera que tiene el mismo
rendimiento en ambas direcciones.
5.7.5 Circulación de Gases en Hornos de diversos Tipos
El ftujo de gases constituye una necesidad en todos los hornos
que se calientan por la combustión de un combustible. En los
hornos de elevada temperatura, Ia transmisión del caror por
convección es muy pequeña, pero los productos de combustión
deben fluir y ser reemplazados por gases carientes nuevos.
En relación con la Figura 36 se indicó que los gases deberían
deslizarse sobre la carga cuando Ia combustión se ha comple-
tado casi totalmente, para eliminar la capa fría sobre Ia car-
94.
Un horno que ineorpora este principio aparece en la Figura
y, aunque es algo semejante al de la Figura Bb actúa de forma
diferente . se proyectó el horno para trabajar a temperaturas
inferiores a 8?1"c. La corriente de los gases quemados pasa
a través del canal de humos de salida, produciendo una induc-
131
ción sobre una parte de los gases del canal de humos y los
devuelve al horno donde circulan alrededor de Ia carga, supo-
niendo que esta última está suficientemente elevada sobre la
solera, o también que Ia carga está dispuesta de tal mamera
que permite la circulación. Si no se coloca la pared (3), el
flujo no será tan regular como cuando aquella e*iste, porque
Ia corriente arrastrará gases, casi exclusivamente de Ia parte
superior, y además. no habrá ninguna garantía de que Ia capa
inferior de gas será expulsada a través de Ia s alida. En el
tipo a que nos referimos, aunque existe una abertura en (1)
cerca de b abertura de Ia chimenea., ningún gas entra en eI
canal de humos desde eI interior del horno porque eI flujo se
realiza en la dirección contraria. El funcionamiento correcto
se fundamenta en el dimensionado adecuado de las aberturas
(1) y (4), de la sección transversal del canal de humos y de la
longitud del recorrido entre los quemadores Ql y la abertura
( 1).
FIGURA 35. Hornoductos
Proyectado parade Combustión.
L32
la Circulación de Pro-
FIGURA 3q. Flujo de Gases en un Horno con Carretón y Ca-lefacción por la parte SuPerior.
Los gases circulan de la forma que se ha descrito, mientras
el quemador está completamente abierto. Si el quemador se
cierra se llega a una situación en que los gases quemados es-
capan a través del orificio en lugar de entrar en el horno. En
los hornos de recocido la temperatura es generalmente dema-
siado elevada para el empleo de ventiladores. Con referencia
a la Figura 36 , s€ apreciará que la circulación principal se
debe casi totalmente a la diferencia de presiótt y a Ia coloca-
ción de los orüicios de salida, al mis mo tiempo que se pro-
duce una ligera circulación securdaria debido a que las pare-
des están más calientes que el material que se ha de calentar.
EI efecto de esta circulación secundaria es que una proporción
algo mucho mayor que la que cabría esperar de productos de
combustión sigue Ia trayectoria marcada por las flechas (3), y
que el ftujo a 1o largo de las flechas (2) es ligeramente me-
133
n or que el esperado. Entre los usuarios de este tipo de horno,
es bien sabido que existe una gran dificultad para obtener una
temperatura uniforme cuando se trabaja a 760oC, y que es prác-
ticamente imposible hacerlo cuando funciona a 648oC. El ma-
terial a calentar está siempre frío cerca y encima del centro
de la solera, es decir, €r eI punto (1).
La mayoría de los hornos para eI recooido y tratamiento tér-
mico a temperaturas superiores a 760oC tienen la calefacción
por Ia parte inf erior, obteniéndose una circulación como la
que explicó en la figura 31, donde eI efecto de inyección de
Ios quemadores modernos produce una circulación de los ga-
ses desde la cámara de calentamiento a través de la cámara
de combustión por debajo de la carga.
5. 8 DISEÑO
5.8. 1 Consideraciones sobre Combustible
5. 8. 1. 1 Combustible- Fuel Oil
denomina FueI-Oil todo producto derivado del petróleo con
punto de chispa superior a 100'F. Es un producto residual
Se
L34
de
co
Ias destilaciones primarias y procesos de craking catalíti-
y térmico del petróleo.
Los Fuel-oil se clasifican y normalizan. En principio se re-
conocieron seis grados, más tarde se desechó el número cua-
tro y tres ( Tabla #,7 Trinks). Durante varios años el peso
específico ha jugado un papel (hasta cierto punto todavía to jue-
ga), en Ia denominación de los Fuel-oil porque ra viscosidad
del combustible (que determina la naturaleza de los aparatos de
calentamiento necesarios para ser bombeado y atomizado), va-
ría con el peso específico, siendo los petróleos ligeros más
fluídos a la temperatura ordinaria que los pesados. No obstan-
te no existe una relación directa entre la viscosidad y el peso
especÍfico¡ los petróleos de la misma densidad, pero de origen
diferente, tiene con frecuencia diferentes viscosidades. Siempre
esta última propiedad tiene gran importancia para la combustión
del petróleo no puede medirse pues exige aparatos de medición
muy delicados y generalmente mucho tiempo para su determina-
ción. Por otra parte, los grados A.P.I. ó Brumé (que expre-
san el peso específico) pueden medirse rápidamente con un den
símetro. Este hecho junto con la general pero indeterminada
relación entre viscosidad y peso específico ha dado lugar a la
costumbre de describir un petróleo por su densidad en vez de
135
por su viscosidad. D ada la enorme cantidad de variables que
intervienen para el conocimiento de cada subgrupo de combusti-
bles, se impone Ia racionalización de acuerdo a sus propieda-
des que a continuación se exponeri:
5. 8. 1. 1. 1 Punto de Inflamación
Es aquella temperatura en la cual el líquido empieza a despren-
der vapores inflamables; se debe diferenciar del punto de lgni-
ción que es la temperatura en que la llama formada por la com-
bustión de los vapores sobre el líquido, cuando se acerca la
llama es duradera y persistente mientras que en el punto de in-
flamación es efímera y pasajera.
EI conocimiento de estos puntos es muy importante para Ia se-
guridad de depósito y transporte; además influye notablemente
en los costos de almacenamiento y de seguros.
5. 8. 1 . 1. 2 Contenido de Agua
Es importante conocerla en relación con los problemas de co-
rrosión en los recipientes de los quemadores, de disminución
de la temperatura adiabática de combustión de Ia disminución
136
de la densidad de la llama, etc. Además puede suceder que
se pague como combustible
5.8.1.1.3 Cenizas
Son polvos de granulometría microscópica, de base tipo sfli-
ca (sales complejas de sodio y aluminio), órxidos metálicos
cristalizados, etc. Son de muy difícil eliminación mecánica.
Su naturaLeza abrasiva hace que en relación con muchos ce-
ros, se exige que el prcentaje máximo de cenizas no pase del
o, oo5%.
5. 8. 1 .t.4 Azuf.re
El contenido de azufre varía mucho; cuando es alto su presen-
cia es importante por los problemas de corrosión.
5. 8. 1. 1. 5 Punto de Fluidéz
Es una indicación de la temperatura más baja a Ia cual el com-
bustible puede ser bombeado.
13?
5. 8. 1. 1. 6 Contenido Calórico
Para determinar con máxÍma exactitud el contenido calórico o
el calor de combustión calórica ó eI calor de combustión de
Ios combustibles derivados del petróleo se quema eI combusti-
ble en una bomba c.alorim&rba. Pero también se puede calcular
con bastante precisión con fórmulas matemáticas, siempre que
se conozcan ciertas características físicas o químicas del co¡n-
bustible.
Los calores mencionados son calores totales de combustión ó
valores calóricos brutos, que malogran el calor latente de eva-
poración del agua que se produce cuando se quema el hidrógeno
del combustible. Pero cuando el combustible es quemado en la
práctica el vapor de agua que no se condensa escapa a Ia at-
mósfera con los gases de combustión, elevando el calor laten-
te de evaporación. Por esta causa se asigna al combustible los
valores calóricos: el "Bruto" ó Alto y el "Neto" ó ba¡o. La di-
ferencia entre estos dos valores depende de1 contenido de Hidró -
geno en el combustible. Los hidrocarburos que contiene propor-
ciones elevadas de hidrógeno tienen altos valores calóricos por
unidad de peso; pero estos mismos hidrocarburos tienen un pe-
so específ ico bajo y por lo tanto proveen menos unidades caló-
138
ricas por unidad de volumen peso menos. En cambio aunque
los combustibles que tienen menos hidrógeno pueden tener me-
nos unidades calefactoras por unidad de peso, estos proveen
una mayor cantidad de calor unidad de volumen debido a su
mayor peso específico.
5.8.2 Combustión en General
AI quemarse los combustibles derivados del petróIeo se combi-
nan con oxígeno, generando huz y con bastante rapidéz calor.
Siempre la combustión consiste en una aplicada sucesión de
reacciones químicas, basta en la práctica con conocer el ca-
rácter del combustible y los productos finales de Ia combustión
para determinar si ésta es completa y eficiente. Los combusti-
bles más comunes consisten básicamente en carbono e hidróge-
no con algunas pequeñas cantidades de azufre y trozos de otros
elementos que también se encuentran presentes.
Para fines prácticos Ia combustión involucra la oxidación de
tres elementos carbono, hidrógeno y azufre; primordialmente
tres reacciones químicas tienen lugar:
Unia6i46't 1¡¡l0,lrl¡;ifl t!t CtcidoO:.r
l'.t¡:¡ l:ft'"rta:.,r
139
C + 0Z COZ (Dióxido de Carbono) * Calor
12 lbs + 32 lbs. 44 lbs. = 1 lb + 2,67 lbs = 3,67 lbs.
2H2 + Q, 2Hz + Calor (Vapor de Agua) * Calor
4 lbs + 32 lbs. 36 lbs 1 Ib + I Ib = Ibs.
S + 0Z S02 (Dióxido de Azufre) + Calor
32 lbs + 32 lbs. 64 lbs 1 fb * lb = 2 lbs.
5.8.2.L Condiciones óptimas de Combustión
Para lograr en la práctica una buena y completa combustión
se necesitan las siguientes condiciones:
- Mezcla íntima entre el aire y eI combustible.
- Tener una temperatura lo suficientemente alta en el fogón
para lograr que eI combustible entre en ignición.
- Proveer una velocidad de desplazamiento de la mezcla aire-
combustible y un volumen de fogón tal que eI tiempo que per-
manezca Ia mezcla dentro del fogón sea suficiente para com-
pletar Ia combustión.
- Suministro de la cantidad adecuada de aire.
En Ia práctica es necesario suministrar más aire del calcu-
lado teóricamente.
L40
5.8.2.2 Tipos de Combustión
La combustión obtenida por la reacción de proporciones exac-
tas de combustible y oxígeno para obtener una completa conver-
sión a dióxido de carbono, vapor de agua y dióxido de azufre,
es denominada una combustión perfecta ó combustión estequio-
métrica. Si hay presente una mayor cantidad de oxígeno que Ia
requerida para una combustión perfecta, el oxígeno en exceso
de Ia cantidad necesaria, no se usará. Si hay menor cantidad
de oxígeno que Ia requerida para una combustión perfecta Ia
reacción es denominada como sub-estequimétrica, también pue-
den formarse otros productos además del dióxido de carbono, i
agua y óxido de azufre.
Estos otros productos pueden ser
de hidrógeno (h2), comPuestos de
ro de hidrógeno (H2S) y carbono.
minantes comunes y escaPan a la
bustión.
5.8,2. 3 Aire
monóxido de carbo¡e (C0)¡ gas
hidrocarb uros (Cx Hy), sulfu-
Estos componentes son conta-
atmóBfera en los gases de com-
combustión normalmente
T4L
El oxÍgeno para la proviene del aire,
donde se encuentra en una proporción de un 2t% del volumen
total. La mayor parte deL 791o frecuentemente es Nitrógeno. El
Nitrógeno es de menor importancia en la producción de calor
puesto que sólo un porcentaje muy pequeño forma parte de las
reacciones químicas de la combustión.
Sin embargo tiene un efecto significativo en la eficiencia ya que
la parte de calor liberado por la reacción de Ia combustión tie-
ne que ser utilizado para calentar el nitrógeno a la misma tmr -
peratura de llama más baja que si se usara oxígeno puro.
Se denomina aire teórico a la cantidad de aire necesario para
una combustión perfecta. Cualquier cantidad de aire que exceda
al aire teórico se le conoce como exceso de aire. La cantidad
de aire disponible en una combustión incompleta se Ie expresa
como un porcentaje del aire teórico. EI aire mezclado con el
combustible en el quemador, se denomina aire primario. EI
aire de Ia atmósfera que se desprende en la llama se Ie cono-
ce como aire secundario.
5.8.2.4 Calor
La cantidad de calor obtenido al quemar el combustible depende
I42
de la composición del mismo.
Se libera una mayor cantidad
agua se condensa que cuando
calor aprovechable cuando
escapa como vapor.
elde
se
Esto se debe a que el vapor contiene una cantidad de calor igual
al calor de vaporación, que es eI calor necesario para transfor-
mar eI agua de su estado líquido a gaseoso.
Cuando el agua se escapa como vapor el calor de vaporizacíón
se pierde y el calor neto disponible se Ie llama calor calorífi-
co inferior. Cuando se Ie permite al agua volver a su forma
Iíquida antes de que salga por Ia chimenea, el calor de vapo-
rización es liberada. Puede entonces ser recuperado y utiliza-
do. Cuando se agrega este valor térmico, el calor disponible
de la combustión de un combustible se denomina valor calorífico
Bruto ó valor calorífico superior del combustible. A los com-
bustibles normalmente se les especifica y se venden por su va-
lor calorífico bruto, pero en la mayoría de las aplicaciones co-
merciales se toma en cuenta solamente el calor calorífico neto
debido a que los gases de combustión se ventilan a una tempe-
superior a Ia cual ocurre la condensación. Frecuentemente se
corta la condensación debido a los problernas de corrosión ir¡he-
rentes. t43
5 .8 .2. 5 Ignic ión
Usualmente Ia ignición se efectúa agregando calor de una fuen-
te externa a Ia mezcla hasta que el calor de las reacciones de
la combustión sea mayor que Ia pérdida de calor al ambiente.
La menor temperatura a que esto es posibte se denomina la
temperatura de ignición de la mezcla combustible-aire.
5.8.2.6 Temperatura de Ia Llama
La temperatura de la llama es la temperatura más alta produ-
cida en Ia combustión. Teóricamente, Ia más alta temperatura
de Ia llama ocurre cuando el aire y eI combustible son mezcla-
dos en proporciones estequiométricas exactas. cualquier exceso
de aire ó combustible únicamente servirá para absorber calor
de la reacción de combustión. La temperatura de la llama es
máxima cuando Ia pérdida de calor al ambiente es mínima. Las
temperaturas reales de la llama son siempre menores que las
temperaturas teóricas de la llama. Los combustibles más co-
munes producirán temperaturas de llama en rango de 1.B5O"C
a 2.100oC.
L44
5.8.2.? Regulación de la Combustión
La combustión puede ser controlada dosificando la cantidad de
aire o combustibles disponibles para ser quemados. El control
de aire se efectúa de dos maneras:
- Regularldo la proporción en que el aire es alimentado.
- Regulando la mezcla aire/combustible, la cual es influencia-
da por el diseno del emparrillado del hogar ó eI quemador
y por eI abastecimiento del aire primario y secundario.
EI control del combustible puede ser efectuado de las siguien-
tes maneras:
- Regulando Ia cantidad de combustible alimentado.
- Regulando eI tamaño de las partículas de combustibles obte-
nÍdas en la atomización de los combustibles líquidos.
5.8.2.8 Quemadores
El quemador es el componente principal del equipo para la que-
ma del combustible. sus funciones incluyen la mezcla del com-
bustible-aire, atomización y vaporización del combustible, la
L45
continua ignición de la mezcla.
Las características
incluyen la relación
diseño de la llama.
disenos significativos de un quemador
reducción ( Turndown), estabilidad y
de
de
5.8.2.9 Relación de Reducción
La relación de reducción del quemador es la relación entre Ia
máxima y la mínima mezcla de combustible y aire a la que el
quemador operará satisfactoriamente. Especifica el rango de
mezcla de combustible alimentado dentro del cual deberá ope-
rar eI quemador. La relación máxima de alimentación está Ii-
mitada por eI mecanis mo que apaga Ia llama y por el tamaño
físico del equipo. El apagón de la llama es eI fenómeno que
resulta cuando la velocidad de Ia mezcla exceda la velocidad
de la llama. El régimen mínimo de alimentación está limitado
por el contra-fogonaao y el régimen mínimo de1 flujo al que el
equipo que regula Ia relación de mezcla puede funcionar. El
contra-fogonazo ocurre cuando la velocidad de Ia llama exce-
de la velocidad de Ia mezcla.
una alta relación de reducción es deseable cuando una alta ali-
146
mentación es necesaria durante el calentamiento inicial, pero
no puede ser usada durante el ciclo total de calentamiento.
5.8.2.10 Estabilidad
Un quemador se considera estable si mantiene Ia ignición en
operación normal en relación a presión y rlrrezcla de combusti-
ble y aire, cuando Ia unidad está fría. Un quemador no se con-
sidera estable simplemente por estar equipado con un piloto.
Muchos quemadores no funcionan satisfactoriamente bajo tales
condiciones adversas como ambiente frío a menos que la rnez-
cla sea rica y la llama queme al aire libre.
5.8.2.11 tr'ormas de la Llama
Para un quemador dado, cambios en la presión de Ia mezcla
ó cantidad de aire primario, afectarán la forma de la llama.
En la mayoría de los quemadores, un aumento de la presión
de la mezcla extenderá la llama mientras que un aumento de
la cantidad de aire primario acortará la llama ( considerando
que Ia cantidad alimentada se entrega iguat). El diseño del que-
mador afecta la forma de la llama a un grado mayor. La ne z-
cla resultante de Ia alta turbulencia y la velocidad del gas pro-
L47
ducirá una llama corta y copada. Una mezcla pobre y de ba-
jas velocidades producirá llamas alargadas y tenues. una alta
presión de aire atomizado tiende a impulsar el combustible
más lejos de la boquilla del quemador antes de que pueda ser
calentado a su temperatura de igniciór¡ alargando hacia la lla-
ma.
5.8.3 Diseño Térmico y Mecánico
Teniendo en cuenta las
Se asume la siguiente
OiI #1, proporcionado
especificaciones dadas para el diseno:
composición para eI Kerosene o el Fuel-
por la Esso Colombiana S.A.
C=
|'{ =
86%
t3.7%
$=
0-
o.o7%
o.05%
N = 0.10%
H2O =0.O$to
además se asume a combustión completa con un exceso de aire
det 10% según recomendaciones de Ia Esso.
A- AIRE
AT=
TEORICO DE COMBUSTION
11.5.C + 34.5 H + 4.3 S - 4r3 O
(11.5 x 0.86) + (34, 5 x 0, 137) + (4.3 x 0,OOO?)- (4,3 x 0,0005)
L48
AT = 14,61 lbm. aire/lbm. combustión
B- AIRE REAL DE COMBUSTION:
B = Exceso de aire = L0%
A.REAL = AT(r+E)=14,61 (1+9.1¡
A. REAL = 161 07 lbm aire/Ibm combustible
C- MASA DE CO2 EN LOS GASES DE COMBUSTION:
COZ = 3,67 C Y
Q = Porcentaje de carbono en el combustible = 0.86
Y = Relación de combustión.
Combustión Completa Y = 1
COZ=3167x0.86x1
3, 15 lbm COZlLbm combustible
D- MASA DE 02 EN LOS GASES DE COMBUSTION
02 = 0123 x A x E
OZ = 0,23 x L4,61 x 0,1
= 0,33 lbm 02/t¡m combustible
E. MASA DE N2 EN LOS GASES DE COMBUSTION
NZQ=9H+Wl +WZ
H = Hidrógeno combustible = L3r7% = 0, 13?
Unirr6o¡Ot .!uilnrnc d: l}uiúr,rrl
fioprp l, i i, i *.., ¡
149
W1 = Agua contenido en el combustible = 0,08% = 0.0008
W2 = Humedad del aire; le asume aire seco = 0
HZ Q = (9 x 0.137) + (0,0008) + (0)
= L.23 lbm H O/t¡m combustible
c- MASA DE S02
S0Z = 25 S = Azufre en el combustible = 0r07lo
= 0.0014 lbm S02/f¡m combustible
H. CALCULO DE LA MASA DE I.,OS GASES DE COMBUSTION
m gases = COZ + 0Z + NZ + H20 + S02
= 3, 15 + 0,33 + L2,37 + t.23 + q,0014
17.08 lbm gases/lbm combustible
I- CALCULO DEL PODER CAT,ORICO SUPERIOR DEL COMBUS-
TIBLE
Pcs= 41.620 +(134xAPI)
Pcs = 4L.620 + (134 x 421 = 4'1.248 KI/Kgs.
1 BTU/Ibm = 2,33 Ki/l(g
= Pcs = 2O,278 BTU/f¡m
De acuerdo aI análisis del combustible
pcs = gB.gB0 C + L4Z.77O ( H- 0) + 9420 x S
I= (33.830 x 0.86) + Í42.77O x 0, 137 - 0,0005 ) +
( g .4zo x g;000?) 8
150
Pcs 48. 651 KI/Kgs.
20.990 BTU/Ibm.
CONOCIENDO LA DENSIDAD DEL
= 0,825 Kgs/dm3
= 23.980 + 18.996
COMBUSTIBLE
= 23.990 + 18.9960,825
Pcs = 46.980 KI =20.164 BTU/tUmKgs.
Asumimos un pcs = 20.000 BTU/lbm que es cercano aI valor
proporcionado por las tablas de Ia ESSO que es = 19.880 BTU/tUm
J- PODER CALORICO INFERIOR DEL COMBUSTIBLE
Pci = 39.270 + 109 (API) = 392?0 + (109 x 421
Pci = 43.848 KI/Kgs. = 18.819 BTU/lbm.0
pci = 33.830 C + 1Lg.74O ( rr- 6',) + 9.420 x S
= (33.830 x 0.86) + 19740 ( 0.13? - 0.0005( 9.420 x 0.000?¡ 8
Pci = 45.497 KI/Kg = 19.526 BTU/Ibm.
Pci = 24.950 + 15. 4OI = 24.950 + 15.40?0.825
Pci = 43.625 KI/Kg = t8.723 BTU/lbm.
es
151
Asumimos un Pci - 18.700 que cercano aI valor proporcio-
nado por las tablas de Ia ESSO = 18.560 BTU/lbm.
K CONSIDERACIONES SOBRE EL QUPMADOR
Según especificaciones, se tienen cuatro quemadores de
1.75 gallhora cada uno, por lo tanto se tiene un consumo
de ? gal/hora.
Peso del combustible por galor = 7.5 lbm. (Tablas FASA)
mi combustible = 7.0 gls x ?.5 lbs = 52.5 lbs/hr.hr. hr.
mi combustible por hora = 52.5 lbm/hr.
L CALOR SUMINISTRADO POR LOS QUEMADORES
q = mi combustible x P.C.I.
q = 52.5 lbs/hr. x 18.?00 BTU/lbs.
q = 981.750 BTU/hora.
Posteriormente se verificará si Ia capacidad de suminis-
tro de calor es suficiente.
M IVIASA TOTAL DE SUS GASES DE COMBUSTION
Mi gases = t7.08 lbm gases/lbm comb.
t52
mi gases = mi gases x mi combustible
= 13.08 lbs gases x 52.5 lbmlbs comb. hr
mi gases = 896.7 lbm gaseshora.
El resultado anterior se puede comprobar utilizando la
ecuación de conversión de masa.
mi gases = mi comb * mi aire comb.
mi aire comb = €s la masa de aire de combustión
= aire real x mi comb.
= 16,0? Ibm aire x 52,5 lbmlbm comb.
= 843.7 lbs gaseshora
mi gases T = 5215 + 843,7
mi gases = 8961 2 lbm gaseshr.
hr.
5.8.4 Horno de Temple
5. 8. 4. 1 Características Generales
El horno será del tipo denominado "Dentro-Fuera" llamado
también horno discontinuo porque se considera que la tempera-
tura interior es prácticamente constante y la situación de la -
153
carga tiene una posición determinada y permanece en ella du-
rante todo el proceso de calentamiento, posteriormente es sa-
cado; generalmente utilizando Ia misma puerta tanto para eI
cargue como el descargue del horno.
EI tempte se hará solamente a platinas de acero SAE 5160 es-
peciat para resorte de ballesta, trabajando a 850"C que es la
temperatura con Ia cual se obtiene en este acero una dureza
de aproximadamente 63 Rhc requeridas para el proceso.
La cámara de combustión estará situada en Ia parte inferior,
sirviendo Ia solera en este caso d e bóveda Ia cual nos garanti-
za vn calentamiento uniforme de la carga dispuesta sobre Ia
solera.
El calor será suministrado por cuatro quemadores dispuestos
de tal forma que se cree una recirculación efectiva de los ga-
ses de combustión.
Las paredes laterales serán dobles, una pared interior en Ia-
drillo refractario en contacto con los gases de combustión y
una pared exterior en ladrillo aislante. Estas paredes tendrán
L54
una cubierta o refuerzo exterior en lámina de acero sujetos
a una estructura metálica.
El techo o bóveda de la cámara de ca.entamiento será en ar-
co de ladrillo refractario y como aislante térmico se usará
exteriormente una cubierta en lana mineral.
Las puertas serán accionadas mecánicamente soliviadas por
contrapesos, constarán de dos paredes, una interior en concre-
to refractario, la exterior en ladrillo aislante todo en mampos-
tería metálica.
EI piso del horno estará por encima del nivel del suelo de tal
manera que la altura de la puerta, es decir, de la superficie
de la solera sobre Ia cual se colocará el material quede a
una altura apropiada para un fácil manipuleo del cargue y des-
cargue del horno. El piso y todo eI horno estará soportado
por una estructura metáIica, constará de un tendido externo
en ladrillo aislante, otro en ladrillos aislante sobre el anterior
y finalmente una capa en concreto refractario la cual estará
expuesta directamente a los gases de la cámara de combustión.
Considerando eI tipo de horno que nos ocupa en este caso, hor-
155
no dentro-fuera y Ia ubicación de la cámara de combustión y
eI tipo de combustión que se tendrá, se observa que no es ne-
cesario disponer de una chimenea propiamente dicha, es de
mejor práctica el dotar eI horno de unos canales de humo que
alivien la presión interior del horno, estos gases se pueden
recoger en una cámara y aprovechar el calor que transportan
para hacer un precatentamiento del aire que se suministre a
los quemadores, dicho sistema de precalentamiento puede ir
por debajo del horno para aprovechar también el calor que se
transmite a través del piso, posteriormente estos gases se re-
cogen en un dueto que los evacúe por encima del nivel del te-
cho.
5. 8. 4.2 Dimensionamiento
Teniendo en cuenta la
cado se determinó 1o
disponibilidad de materiales en el mer-
siguiente:
EI parámetro determinante de
las dimensiones de Ia solera,
mente es fija y hace las veces
bustión.
la capacidad del
Ia cual como se
de bóveda de la
horno lo dan
dijo anterior-
cámara de com-
156
Observando el catáIogo de la fábrica de refractarios ERECOS
S.A. y considerarylo Ia idea básica de Ia solera, se ve que
ERECOS ofrece un tipo de plancha refractaria con las siguien-
tes medidas: ancho 9 pulgadas; Iargo: 24 pulgadas y un espe-
sor de 3 pulgadas para entrega inmediata.
Teniendo en cuenta los cuatro quemadores se hizo la siguien-
te dist ribución.
y,*Qk"7r.¿o
37. Detalle de Solera - Horno
157
FIGIJRA de Temple.
5.8.4.3 Pérdidas de Calor
5. 8. 4. 3. 1 Introducción
En Ia transferencia del calor, como en otras ramas de la in-
geniería, la solución adecuada de un problema requiere hipó-
tesis e idealizaciones.
Es casi imposible descubrir los fenómenos fÍsicos en forma
exacta, y para expresar un problema en forma de una ecuación
que pueda resolverse, es necesario hacer algunas aproximacio-
nes o consideraciones que simplifiquen y hagan posible la solu-
ción de un problema. En eI cálculo de flujo de calor o pérdi-
das a través de una pared por ejemplo, generalmente se supo-
ne que los valores de la conductividad térmica de los materia-
les sea constante. Esta hipótesis simplifica el ar¡álisis, pero,
sabemos que estos valores cambian con la temperatura, pero,
si se seleccionan valores promedio convenientes, los cálculos
pueden ser considerablemente simplificados sin introducir un
error apreciable en eI resultado final.
Cuando se considera necesario
aproximación en la solución de
formular una hipótesis o una
un problema, eI ingeniero debe
158
confiar en su habilidad y en su experiencia. No existen guías
simples para problemas nuevos y desconocidos y una hipótesis
válida para una problema puede dar resultados equivocados en
otro. Sin embargo, la experiencia ha demostrado que eI pri-
mero y principal requisito para formular hipótesis o aproxi-
maciones correctas en ingeniería, €s un completo y amplio co-
nocimiento del proceso involucrado en eI problema a solucio-
nar.
En este caso se tiene La certeza de contar con este requisito
a favor. Se tiene la experiencia de cuatro años de labores en
eI mantenimiento, reparació. y construcción de hornos análo-
gos a los que nos ocupamos en este trabajo, Io cual repre-
senta una valiosa ayrda en los siguientes análisis:
5.8.4.3.2 Flujo de Calor
La transferencia d e calor puede definirse como la transmisión
de energía de una región a otra, resultado de Ia diferencia de
temperatura existente entre ellas.
Generalmente se reconocen tres modos distintos de transfe-
Univc¡sidod lr?oninc d¡ 0ttidmtr
0,9:¡ f 'f r,ir¡r;n
159
rencia de calor: conducción, radiación y convección. Es par-
ticularmente importante en ingeniería conocer la intervención
de los diferentes modos de transferencia de calor, en virtud
de que en la práctica, cuando uno de los sistemas de transfe-
rencia domina cuantitativamente, s€ obtienen soluciones útiles
aproximadas, despreciando los restantes, es decir, que sola-
mente se considera al que domina el proceso.
5.8.4.3.3 Conducción
La conducción es un proceso mediante eI cual fluye el calor
desde una región de temperatura alta a una región de tempe-
ratura baja, dentro de un medio o entre medios diferentes en
contacto físico directo, eI efecto observable tiene gran impor-
tancia como mecanismo de transferencÍa de energía entre una
superficie sólida y un líquido o un gas. La transferencia de
calor por convecciór¡ desde una superficie cuya temperatura
es superior a la del ftuído que la rodea, se realiza en varias
etapas. Primero, el calor fluirá por conducción desde la su-
perficie hacia las partículas adyacentes de fluído. Entonces
Ias partículas del fluído se moverán hacia una región del fluí-
do con temperatura más baja donde se mezclarán y transferÍ-
160
rán una parte de su energía a otras partículas del fluído. EI
flujo, en este caso, es de ftuído y de nergía. Realmente Ia
energía es almacenada en las partículas del fluído y transpor-
tado como resultado del movimiento de masa. Para su opera-
ción este mecanismo no depende únicamente de la diferencia
de temperatura y, por lo tanto, no está estrictamente de acuer-
do con la definición de transferencia de calor, 1o cierto es que
el efecto neto es un transporte de energía, y, puesto que éste
ocurre en Ia dirección de un gradiente de temperatura, está
clasificado como un modo de transferencia de calor.
5.8.5 Análisis
Teniendo en cuenta las características generales dadas para el
proceso que Be estudia se puede partir considerando sóIo dos
mecanismos de transferencia d e calor, conducciór y conveccióq
observando el esquema que se plantea: Se tiene una zona de
temperatura alta idealmente constante 850"C (cámara de calen-
tarriento), una zona de temperatura baja: 28oC (temperatura
ambiente) separadas por un medio sóIido, que viene a ser la
pared del horno. Por Io tanto se presenta un flujo de energía
a través de la pared: "Conducció.", y de Ia pared al aire del
medio ambiente: ttConveccióntt.
161
1.
2.
No se considera el mecanismo de radiación en virtud de Ia baja
relación de temperaturas Io cual no representa valores signifi-
cativos que alteren eI resultado final. La relación básica para
Ia transferencia de calor por conducción fue propuesta en t.822
por el científico frances J.B.J. FOIJRIER. Estableció que la
rapidéz del flujo de calor por conducción ( (gkt en un materia|,
es igual al producto de las tres siguientes cantidades:
Conductividad térmica del material, k.
EI área de la sección a través de Ia cual fluye el calor por
conducción.
El gradiente de temperatura en la sección.
K: La conductividad térmica es una propiedad del material e
indica la cantidad de calor que fluirá a través de un área
unitaria si eI gradiente de temperatura es la unidad.
Para Ia transferencia de calor por convecc ión eI científico
británico Isaac Newtor¡ en 1701 propuso la siguiente rela-
ción:
gc=hc
hc = Unidad de conductancia térmica promedio para Ia con-
vecciór¡ llamado también coeficiente de transferencia
3.
L62
de calor por unidad de superficie.
5.8.6 Materiales
Los siguientes son lc materi ales que se utilizarán en las di:
ferentes secciones del horno:
Concreto refractario Ko = Or94 BTU Erecos S.A.h.p.f
Ladrillos refractario Kl = 0, 85 BTUh. p. f. rr rf
Ladrillos aislante K2 = 0, 18 rr rl
Acero KB = 26 " SIDELPA S.A.
Lana Mineral KL = 0, 03 tt ATERMICOS S.A.
5.8;? CáIculo de Pérdidas de Cal0r
5.8.7.1 Pérdidas de Calor a través de las Paredes Lateralesde Ia Cámara de Calentamiento
Temperatura interior = 850oC = 1562"F
Temperatura exterior = 28"C = 82"tr'
Largo = 105 pulgadas = 8,75 pies Area 8, ?5 pie x I,25
Altura = 15 pulgadas = 1, 25 pies = 10, 9 pies
163
La temperatura en la superficie interior de la pared que da
a los gases se asume igual a la temperatura de trabajo del hor-
hO.
El coeficiente de transferencia de calor por unidad de área se
tomó de Ia tabla 1-2 Transferencia de calor.
R4=1 R4 =0,2 h.p2f.h4 5 BTU BTU
p.h.f.
u_ 1 _ 1-( -wBTU BTU
A = 8,?5 P x 1,25 p = 1S = 10,g p2
g =+ x 1,9p2x(1bG2-82)"F =2, 72 h. p.f,.
BTU
g = b. gB0 BTU Flujo de calor a través de una pared lateralh
g=5.930 x2 = l gf = 11860 BTUhr.
Pérdidas de calor a través de las paredes laterales de la cáma-
ra de calentamiento = 11.860 BTU/hr.
164
5. 8. 7.2 Pérdidas dede '.Cámara
Calor a travésde Combustión
de las Paredes Laterales
La temperatura de la llama para el Fuel-Oil #1 se encu entra
entre 1.850oC y 2.100 'C (ESSO).
Para hacer posible un cálculo práctico se tomaron diferentes
medidas de temperatura en la pared interior de Ia cámara de
combustión de un horno similar y se estableció una tempera-
tura promedio de 1.250'C en Ia superficie de la pared cuando
el quemador funcionaba con una boquilla de 1, 75 galoneshr.
Ti = 1.250'C = 2.282oF.
Te=28"C =82"F
Largo= 105 inc. = 8, 75 Pies
Altura = 10 inc = 0, 83 pies
Area = 8, ?5 x 0r 83 = 7126 piesz
f1=2.282oF he4=6
=#..iTe: 82 oF
LADRILLOREFNACTARIO
Rr
FIGURA 38. Diagrama deCombustión.
Ias Paredes Laterales- Cámara
165
LADRILLO ACEROAISLANTE
R¿
de
g =UA(Ti-Te)
g = 1 , x7,26p2*(ZZgZoF -gz"F)2,72 h. É. f.
BTU
g = 5872 BTUhr
g2=5872x2 = gZ=Lt744 BTU ,hr
Pérdidas de calor a través de las paredes laterales de la cá-
mara de combustión = 1L.744 BTU/hr.
5.8. 7.3 Pérdidas de Calor a través del Piso
Ti = 2282"F
Te = 82oF
Largo= Spies-96'r
Ancho = | pies - 48"
Area = 32 pies2
166
Ti=2.28?oF
r,a=s ntr$i
Te = 82oF
FIGURA 39. Diagrama dd. Piso.
L67
Ro = 1o = j 166 p_ Ro = 0.1?6 !id+L-
BTU-q- 0.94 BTUh.p.f.
u=2,72 h¿ll
BTU+ o. 176 n.pZ.t.
BTU
- u= 1
2,9 h.-ü_BTU
e = --L- = 32 p2 x Q282 - 82"F)
2,e¡É#
gr, = 24.275 BTU ; pérdidas de calor a través det piso.hr
5.8. ?.4 Pérdidas de Calor a través del Techo
Techo en arco de ladrillo refractario.
Para arcos con una luz de 48tt se tiene Ia siguiente combinación:
I Ladrillos standard
13 arcos #1
Ancho:
13xztl9t'=27,6inc.
9 x 2 Ll}" =ffi = 4,L? pies
Largo: 8, 75 pies
Area: 8, ?5 pies x 4,L7 pies = 36,5 piesz
168
Lr = 4. 1/2" =0.375
Lz= ?" ! o. 15
Pies
PiesTi ; 1.562 oF
Te:82oF
Ti Rr Ru R4 Te
FIGURA 40. Diagrama de Techo
B.T. U.ne= cffi
RL= lc =
Kc
BTU
1
-.----6rl7 h.po. f.
BTU
tlni'¿tnirf0{l i!Ufiríltr'rr it; l'!:odo¡h
lltlp:t i:1* " .¡.;¡
R¡ = 5,53 h.p2.f.BTU
Rl = 0,44L h.p2.f. R4 = 0,2ln.pL.f..BTU
0.1660, 03
U=0,44L + 0,2 + 5,53
-U
169
o=o x 36,5 p2 x ( t562 - 82toF
6, 1? h.p2.f.BTU
E4 = 8. ?bb BTU/hr.
5.8.?"5 Pérdidas de Calorde Calentamiento
a través de los Frentes de Ia Cámara
Cálculo de un solo frente eI cual
zonas según Ia figura siguiente:
ha sido distribuído en varias
AREA "8,,
J!_E4-c"-
FIGURA 41. Distribución de Areas en los Frentes de la Cámarade Calentamiento.
Í
25"
15"
Í
AREAT'Att
Area A = b x h .,- ( b x h) = jl-:<!.!" + (5" x lbtt)=81, 25 inc2=6,77 p2
170
AreaB =bxh
Area C = $ rectángulo + A segmento circular =
bxh+tlz Rl -c(R-H) =
25" x 20" + Llz (48" x 3oi) - 25" (48"
5OO + 1?0 = 6?0 irr"2 * 1 PF2L44 ínc}
a (b x h) = 5tf x 2.5 +(5tt x 1?.5ft) 93, ?5 incz=2 7,BL p2
-4t'l=
4,65 ptes2
Area C = 4,65 pi"sz
Ti=1562 oFr,"=sffi
g20F
Ltz 4J/2" = 0.375 Pie¡
LeF l" = O.O83 Pies
Ls= 3/16":O.Ol5 Pies
r¡ Rr Ru Rc R+ ?o
Diagrama Frontal de la Cámara de CalentamientoFIGURA 42
L7L
RrI=
1tK1
_ 0,3?5 p- 0.85 BTURl -0, 44t fr. p?t.
BTU
RL = 2,765 tt. p2. t.BTU
Rg = o, ooob h.p2.f.BTU
,h.p.f.
RL
RB= 1g
K3
R4=
0, 0830, 03
0, 01526
=lLKI
1
n4R4 = or2 h.p?f.
BTU
U
u=
9e=
Area
R1+RL+RB +R¿
3, 4 h. p2f.BTU
2.947 BTU/hr.
B = ?, 81 pie2
o,44L + 2,76 + 0,0005 + 0,2
x 6,77 piez x (1562 - 82)oF.
I72
Ti:1.562oF
BTUn4=3T;Fl
Te= 82 oF
9co<JF¡OÚEot¡<¡tJC
oGl¡¡(,
oG¡¡¡t,
K¿ lx¡IJ
^ e lÉ3 i lE= < ltc J l<a o lzJ < l,
KooE
pÉi2Itl 6Eu!¡ 1¡ltrc
Kr
l¡¡
=
oÉl¡t,
I u.'úd----lPARED
lflFUERTA
FIGURA 43. Diagrama de Pared Frontal y Puerta'
1?3
BTU
= 21 766 h.p?.f .BTU
Ro = 10 = 0,083 p - Ro = 0r 088 h.p2f.E- o,94 BTU
R'4= I = Jh45 = Rt 4 = Or2 h.pZ.fBTU
UR + RL + Rg + R¿ * Ro + RZ t RtL + RrB* Rt4
Rl -0, 3?5 p = Rl = 0,44L h.pZ.f .K1 0,85 BTU
h. p. f.
RL= 11 - 0,083 p = Rr0,03 BTU u
h.p.f
R = 19 0,015 + 0,083 R3 0,0037 h.p2f.K3 26 BTU
El=l 1'n4 - r
= -:- = = 0,2 ú-h45 R4BTU
R2= t2 = 0,2 p = R2 = 1, llt tr.p2.tK2 0, 18 BTU
= lL = 0,026 = RtL = 0r 866 h.p2.fKL 0,03 BTU
Rtg = 18 - 0,015 = Rt3 = 0, OOO5 h.p2.fT326
t74
U
U
, 0037+0, 2+0, 088+1. 111+0, 866+0, 0005+ 0, 2
5,67 tt. p2. tBTU
x ?, 81 pZ x (1562 - 82)"Fg=
Lr = l" =O.Og3 Pie¡
uz=Z.VdLO.Zo pio¡
Ls. 5/t6'l O.O | 6 pie¡
L+=3/16'':O.O15 Pies
5,67 h.p2.f.
gB
BTU
= l.g3g RTUhr.
AreaC =4,65pie2
Ti=1.562 oF
Te=82oF
Ro Ra Ru R¡ Re
FIGURA 44. Diagrama sobre Area C (Puerta)
1?5
IJ=Ro+RZ+R2+Rg+R4
u=0,088 + 1.111 + 0,866 + 0,005 + 0,2
u_12126 h,pz.f .
BTU
g = U x A x (Ti - Te) =t x 4.G5 x (1562 - 8212,26
9..,= 3.045 BTU.-\,
-
hr
Transferencia de calor en un frente:
gp = 2 x gA * 2 gB + C
&r = I Q.g4tl + 2 ( 2.038) + 3.045 =
EF = 13.015 BTU/hr.
9b = 2 x gF = 2 x 13016 BTU/hr'
g -- 26.030 BTU ihr
Pérdidas de calor en los frentes de la cámara de combustión,
incluyendo las puertas.
L76
5.8.7.6 Pérdidas de Calor en losCombustión
Frentes de la Cámara de
Largo: 46 Ínc = 3,8 pies
Altura: 10 inc = 0, 83 pies
Areg : 3, 8 pies x 0,83 pies
Area : 3, 15 pies2
4,t/?" 4.t/¿' 3A6' il- | .. h. p2. of. 2:IZ BTU
Ti=2.282 oFBTUñ4=cffi
Te= 82 oF
Rr Re Rs R+ ?-Tio t"
FIGURA 45. Diagrama Frontal de la Cámara de Combustión
g- 1 *3, 15ple2x(2.282oI. -82'tr'--wBTU
r77
g = 2.548 BTU/hr x 2
g = 5.096 BTU/hr.
5.8.7.7 Pérdidas de Calor del Horno Cedidas aI Medio Ambien-te cuando se abren las Puertas de1 Horno
En Ia práctica se estimas estas pérdidas en un 8% deL calor
suministrado (W. Trinks) hornos industriales.
Qs = 981.750 BTU/hr.
&z =8%
Qs = ?8.540 BTU/hr.
Se considerarán despreciables los valores de transferencia de
calor a través de las esquinas, las puntas, sello de las puer-
tas, ttchimeneatt por ser cantidades no representativas cuyos
valores no alteran significativamente el valor final de las pér-
didas de calor.
5.8. 7.8 Pérdidas Totales de Calor
Qr = 91 + Ez+ 98 + 9++ 9s + Ea* gt
QT = 91, = 11.860 BTU/hr.
1?8
g2 = 11.744 BTUlhr.
83 = 24'275 BTUllr¡r'
E4 = $' 755 BTU/hr'
8g = 26.030 BTU/hr.
9O = 5.096 BTU/hr.
A? = 78.540 BTU/hr.
QT = 166.300 BTU/hr.
5.8.8 Calor Requerido para llevar Ia Carga a la Temperaturade Trabajo
EI calor que ha de impartirse a la carga es igual al producto
del peso de la carga por la elevación de temperatura y por el
peso específico medio de Ia carga.
Q=P*Cp(TZ-Tf)
El promedio de carga por lote Fjara este horno es de 250 Kgs.
T1 = 65, 1 Kcal ; coeficiente de transferencia de calorM2h. oc
por área para eI acero Tabla 2 - W. Trinks, hornos industria-
Ies.
TR t Temperatura del refractario: 1.250 'C
Tt : Temperatura inicial de la carga: 28"C.
ljnir:nidad rutrncmo dt-ftdent,l1+g:o Irhl,¡rr,¡L79
a = 250 Kg x o,3oz Kcal x (850 - 28oCKgt
Q = 62.061 Kcal 1 Kcal = 3, 968 BTU/
Tz i T"-p"ratura final de Ia carga: 850 óC.
A : Area expuesta de Ia carga: 2r7 rnts.z
Cp t Calor específico medio de la carga: 0' 302 KcalKg oc
S : Altura de la cámara: 0,6 metros
R : Relación entre Ia superficie de la carga y la superficie
de las paredes = 0r 5
t : Tiempo de calentamiento
Q= PxCo(Tz -Tr)
a = 246.258 BTU: Calor absorbido por Ia carga para llegar
de 28oC a 850oC.
t =P*Cp Ln TR-T1
KxA Tn-TZ
t - 250 Kg x O, 302 Kcal/Kg'c ^ Ln (1250 - 28"c
gs.r x"*I/Nfztr'c x 2x7 M2 (1250 - 850) "c
t = 0,4295 hr Ln 31055 = 0,4295 hr x 1.1167
t = 0,4796 horas
t = 28 minutos
tiempo mínimo requerido para llevar Ia temperatura de Ia
carga a 850oC = 28 minutos.
180
Para un t = 28 minutos se tiene un calor absorbido por la carga
de 246.258 BTU
Luego para una hora se tendrá que la carga recibe un calor de:
t = 28 minutos Qs = 246.258 BTU.
t = 60 minutos Qs = x
*= = 527.258 BTU28 minutos
Calor cedido a la carga en una hora = 527.258 BTU/hora.
5.8.9 Calor Total utilizado para el Horno
es: 166.300 _ET.g Calor cedido al medio ambientehr
527.695 BTU Calor cedido a la carga.hr.
Q total:=693.995 BTU Calor total utilizadoTt-'
Teniendo en cuenta que eI calor suministrado es:
Qs = 981.750 eTU/hr.
Se tiene en exceso de calor:
QE = 981.?50 BTU/hr. - 693.995 BTU/hr.
QE = 287.755 BTU/hr.
181
Este exceso de calor permite mantener Ia temperatura de1 hor-
no sin necesidad de que Ios quemadores le estén suministrando
calor, mediante el pirómetro que mantiene el rango de tempe-
ratura.
Este pirómetro se ajusta a la temperatura de trabajo de 850"C
y funciona en un rango de * Lz"C ( on-off).
5.8.10 Rendimiento Térmico del Horno
En base a Ia relación entre el calor suministrado Qs y el calor
total utilizado Q.¡'; se puede establecer el rendimiento térmico
del horno.
Q. = 981.750 BTU/hora LOO%-D
QT = 693.995 BTU/hora x
x 693.995 BTU/hora x 100% = 7O-7o/^ffirv'r'e
Rendimiento =(es = LOO%I - (et = 7O.7%l = 29.8%
= rendimiento térmico del horno = 29.31o
L82
5.8.11 Horno de Revenido
5. 8. 11. 1 Características Generales
Trabajo a realízar: R,evenido a hojas de resorte de ballesta
acero SAE 5160.
Temperatura de Trabajo: 500C = 932"F
La Solera: El piso en este caso servirá de solera.
Cámara de Combustión: Consta realmente de dos cámaras de
combustión ubicadas paralelamente a los costados del horno.
Suministro de Calor: Cada cámara de combustión albergará un
quemador, colocado de tal forma que garanticen una recircula-
ción apropiada de los gases.
Las Paredes: Constituídas por doble pared; una de ladrillo ais-
lante y otra en ladrillo refractario.
EI Techo: Su construcción en lámina de acero con una cubier-
ta de aislante en lana mineral.
La Puerta: EI horno tendrá una sola puerta constituída por dos
naves. Su construcción es metálica con lana mineral en su in-
terior que hace las veces de aislante.
183
5. 8. 11. 2 Dimensionamiento PrincipaL
Cemento refractario Ko = 0, 94 BTU
Ladrillo Refractario
Ladrillos aislante
Acero
Lana Mineral
h. p2. f
= 0185 rr
= 0, 18 rl
=26fr
= 0103 rr
K1
Kz
*e
Kq
FIGURA 46. Horno de Revenido- Dimensionamiento Principal
184
5.8.11.3 Pérdidas de Calor
5. 8. 1 1 . 3. 1 Pérdidas de Calor a través de las Paredes Laterales
Largo:
Alto :
Area :
g=
Tl= 932oF
?0 inc = 5,83 ft.
36 t l2 inc=3, 04 ft.
5,83 x 3,04 = L7,7L
u.A (Te - Ti)
fP
Tz=
T1 =
932 "F
82 "F
Ti= 82oF
rra'sffifLf = Le =4.1ft" = 0.375pies.
REFiACTANIO AISLAfITT.
Ti Rr Rz R+
FIGURA 47. Diagrama de las Paredes Laterales de la Cámarade Calentamieaaüo
Te
185
R^ 1 = 0.375 ft-
-
K2 0, 1g Btuh. ft. cF
R2 = zrOB h.r,2f .
Élr.,1 _ 0, 3?5 ft,. =Kl 0,75 Btu
h. ft. oF
Rl = O, 44! h. p2. f.Btu.
Btu.
= R4 = o,Z h.p2f.Btu
=1 z¡7MBtu.
R4= 1 = 1
h SBtut. p2t.
u=1wU
(0,44t +@Btu
g = x L7,7L p2 x (932 - 82)"F =21 72 h.pz.f
Btug = 5.537 Btu
hr.
91 =29=2x 5.53? = g1=11.0?4 Btuhr.
5.8.1L.3.2 Pérdidas de calor a través de la pared posterior
Largo = 55 inc = 41 58 p.
Alto ? 49 inc = 4 08 p.
Area = 18. G8 pz
186
li =932 oF
Rl Re Rcfio \AA/u \AA/u \AA/v o r"
FIGURA 8. Di agrama de Pared Posterior
h" =E B'Ti u'_ h.9: ot
Te=82oF
R2 = 2, O8 h. p2oF = Or 2 h. p2"F
través de las Paredes Late-de Combustión.
Rt=
u=
0,44L h.g2 "F_Btu
1WBtu
R4
g=
g=
x 19,69 x (e32 - 82)2,72
5.837 Btuhr.
5.8.11.3.3
Largo:
Pérdidas de Calor arales de la Cámara
52 inc = 4,33 ft.
L A DRILLO L ADRILLO
REFR A CÍAR IO. AI3 L AfI T E.
187
Alto :
Area:
10 inc = 0, 83
3,59 p2
f i=?28l2oF
r'o'sffi =o.++rffi=2.g g h' P'2 of
B.T. U
=o.2ff- ¡ h.pz.of
2.72 LT.U
R¡
Rz
Rr
u
TeeE2 oF
Ti Rt Ra Rc Te
FIGURA 49. Diagrama de Paredes Laterales de Ia Cámara deCombustión.
g=
g=
g=
2,72
2.903
x(Ti-
h. p2. F
Btu/hr
xA
1
Te)
x 3,59 p2 * (2282 - 8D =
93 = 2 x g = gg = 5.806 Btu/hr.
5.8.11.3.4 Pérdidas de Calor a través de la Pared Posteriorde Ia Cámara de Combustión
Largo: t2 inc=1pié
188
Alto : 10 inc =
Area: 0,83 p2
g= 1 -- x2,72 h.p¿"F
Btu
g = 6?1 Btu/hr.
94=2xg = E4
0, 83 pié
0,83 p2 x 12282 - 82) 'F
= 1.342 Btu
5.8. 11.3.5 Pérdidas de Calorde Calentamiento
a través del Techo de la Cámara
Largo:
Ancho:
Area :
61 = 5r08
55 = 4,58
23,26 f.tz
t14"
ft.
ft.
Ti=932 oF
. - BT.U.n4=cffi{ x"=oosfffi
Ks= z6+Fh
Ls zO.O 2 Pies
Lr =O.33 Pie¡
,Te=82oF
ACENO LAÍIAIIIIERAL
T¡ RC Ru R¡ Te
FIGURA 50. Diagrama de Techo de Ia Cámara de Calentamiento
Uninridtrl rl1:tlnomc rt: Crcñrrf..^t.n $rlrr:.to,a
189
RS _ 18 _ 0, 02 p = 0,000? h.p2oF
K3 26 Bt u Btuh. p. F.
R1 : lL 0, 333 p 11, t h.p2oFK¡ 0,03 Btu Btu
h. p. oF
R4 = 1 = 1 = 0,2 L-pz"F-h4 5 Btu Btu
h. p. oF
u=1=1= n-¡ri;aq- =
Btu
U111,3.ñ4E-
Btu
g= 1 x 23,26 x(392-S1) = gS=t.749 Btu/hr.11,3
5.8.11.3.6 Pérdidas de Calor a través de Ia Puerta
AIto : 49 inc = 4,08 pié
Ancho: 55 inc = 41 58 pié
Area : 18,68 p2
190
h4=
Te = 82oF
B.T. U .6-" t.p? of
Ti=932oF
Lr = O.O2 Pies
Lz = O.25 Pies
Lu = O,Ol5 Pies
PuertaFIGURA 51. Diagrama de
191
u=
U=
g=
9o=
R3 + ry,+ R4 0,0013 + 8, 33 + 0r 2
1
¿bs-f@Btu
1 - 18,68x(932-82)A
8, 531
1,861 Btu/hr.
5.8.11.3.7 Pérdidas de Calor a través del Techo de Ia Cá-mara de Combustión
Ancho :
Largo :
Area :
t2r75 = 11 06
52 = 4133
4,5g p2
4.v¿'
LADNI L L O
p.
p.
3t' h4'ys*fr
fi=2282 oF rr=o.esTThK ¡0.o3ffi
Te:82 oF
Tl Rr Rr- Te
FIGURA 52. Diagrama de Techo de Ia Cámara de Combus-tión.
REFNAGfARIO TI]IEFAL
L92
Rt 0,3?5 p' Rl O, 44L tt. p2f0,85 Btu Btu
h.p.F
Rr. = 0,25 p = RL = 81 33 t" p2'FBtu0, 03 Btu
h.p.F
u- 1,
= Ii = 1 = 0r2 h.p'oFq+ RL+ R4
u_ 1
Btu.
= U =
-1sJAE.
Btu0,441+8,33+0,2
g= x 4,59 x (2282'82) =
8, 971
g=L,t25 Btu g7=2xg= 97=2.25o Btuhr hr.
5.8.11.3.8 Pérdidas de Calor Cedidas aI Medio Ambiente
Qp = LL.O74 + 5.837 + 5.806 + L.342 + L.749 + 1.861 | 2.25O =
Qp = 29.919 Btuhr.
5.8.11.4 Calor Requerido para llevar Ia Carga a la Tempera-tura de Revenido
Q=PxCpx(Tr - T1 ) p=PesodelacargaenKgs.
193
Peso promedio de Ia carga
2.000 Kgs.
a = 2.000 Kg x 0,302
(soo - 28)oc
Cp = 0, 302 K ca1Kg "c
Tiempo revenido = 500oC
Tiempo inicial de la car-ga = 28oC
KcaI xrs 'c m
'2T=
a
a
= 285,088 KcaI
1 Kcal = 3,968 Btu =
= 1, 131.229 Btu Calcr absorbido por la carga para lle-gar de 28"C a 500oC.
Tiempo mínimo para llevar la temperatura de la carga da la
temperatura de revenido
T= PxCpKxA
Tr-TTr-T2
2. 000 Kg x 0, 302 Kcal/ Kg"C Ln65, 1 Kcal x 2,78 m2
Tr = 1.250"CArea: 1. 50 mts. x 1.40 mts.
2.L mts2.
(1.250
T
T
T
mzh. c.
= 4.4L8 Ln 1.629(h) = 8.418 x 0,4879
= 2.t5 (h) =
= 2h- 9r Tiempo requerido para llevar la carga a Ia
temperatura de revenido.
L94
En 2.16 h 1.131 Btu
thx=
Qc = 526.153 Btu/hr Calor cedido a la carga.
5.8.11.5 Calor Total utilizado por Hora
Qt = Qc + qo = 526. 153 + 29.919 Btuhr.
Qt = 556.072 Btuhr.
5.8.11. 6 Calor Suministrado
Se tienen dos generadores de 2.5 galones*.........E
Consumo = $ galones/hr.
Peso del combustible = 7.5 fUs/gl.
M Combustible = 5 gls/hr x 7.5 lbs/gl =
M Combustible = 3?.5 lbs/hr.
Calor suministrado g"
gs = M. Comb. x P. C.I.
gZ = 37.5 lbs/hr x 18.700 Btu/tUs. P.C.I.= Poder calóricoinferior del Fuel-
gs = ?01.250 Btu/hr. Oil #1 18.?00 Btu/lbs.
Qt = 556.072 Btu/hr.
195
QE = L45.L78 Btu/hr Calor disponible
5.8.11. ? Rendimiento Térmico
gs = 7Ot.25O Btu/hr.
QE = L45.178 Btu/hr.
Rendimiento térmico
70t.250 Btu/hr LOO%
145. 1?8 Btu/hr X
X - 145.178 Btu/hr x 100 = 2l%70L.250 Btu/hr.
% Rendimiento térmico = 2L%
5.8.11.8 Masa Total de los Gases de Combustión
Mr = 17,08 lbm gases- Ibm Comb.
MT = Mgases x Mcombustible
= 17,08 lbm gases * 37,5 lbs =lbm Comb. hr
n¡r- -640 lbrn Easeshr.
Se verifica con la ecuación de conversión de gases:
196
MT = gases = M comb + M aire comb.
M aire comb = aire real x M comb
16,07 lbm aire 3?.5 lbs.lbm comb hr.
= 602rG lbs gasesMT é"s.s = 3?,5 + 602,6 = hr.
M.r = 639.5 lbm gases- nr'
197
6. PRENSA HIDRAULICA
En el proceso de fabricación de un resorte de ballesta la pren-
sa hidráulica desempeña un papel importante porque va a estar
relacionada con Ia calidad y terminación del producto.
Los trabajos a,realizar en Ia prensa son los siguientes:
1. Verificar Ia tenacidad del acero mediante un ensayo de flexión.
2. Ensamble de los Bujes.
3. Correcciones.
6. 1 ENSA YO
El ensayo a flexión se le aplica a cada hoja de resorte des-
pués del tratamÍento térmico del revenÍdo que es el que deter-
mina la tenacidad del acero.
Para esta prueba se coloca la hoja de acero en la posición como
198
se indica en la Figura 53. AI apticar la carga P la hoja de
acero se flecta hasta que quede completamente horizontal y
F=0. Si el revenido fue deficiente tanto en temperatura como
en tiempo el acero quedará con una dureza alta, es decir, por
encima de los 34 RH C recomendados para una adecuada tena-
cidad, en este caso la hoja de resorte fallará por ruptura, la
falla se presenta con mayor frecuencia en el punto de concentra-
ción de esfuerzos que se genera debido a la perforación central.
P
FIGURA 53 Posición del R,esorte para Ensayo de Flexión.
caso contrar-b cuando el revenido sobrepasa los parámetros
temperatura y tiempo la dureza queda muy baja por Io tanto
aplicar Ia carga la hoja cederá sin problemas. Pero una vez
Uniucnidrd lulonnmo d; Otcidmtr
0.lotn [:[¡ii¡r¡r!
En
de
al
199
retirada la carga de la hoja no recupera su curva original, es
decir, se presenta una deformación permanente debido a la po-
ca tenacidad y baja dureza.
De tal suerte que una hoja de resorte con un apropiado trata-
miento térmico debe pasar este ensayo sin que se presente una
variación en la flecha F.
6.2 ENSAMBLE DE BUJES
Los bujes se colocan en las hojas principales. Estos bujes son
tanto de bronce como de metal-caucho y se ensamblan a pre-
sión, con los de bronce ocurre que al colocarlos a veces se
deforman, especialmente en lo relacionado aI diámetro interior
eI cual debe mantenerse para que eI usuario al ir a montar el
resorte no tenga problemas con el pasador. Cuando se deforma
este diámetro entonces hay que rimarlo o rectificarlo, para 1o
cual, empleamos una rima o brocha de anillos cónica que con
cort es mínimos sucesivos penetra rectificando finalmente el
didmetro interior.
6.3 CORRECCIONES
Otro de los trabajos a realizar en esta prensa es Ia de corre-
200
gir los defectos que de fábrica traen las platinas principalmente
a todo lo largo, es decir que se reciben platinas torcidad las
cuales deben ser enderezadas en frío para 1o cual se requiere
que la prensa trabaje con su máxima potencia para que la carga
sea superior a 20 toneladas, ya que con menos fuerza se ha en-
sayado sin resultados satisfactorios.
6.4 CARACTERISTICAS PARA DISEÑO
Los trabajos antes mencionados determinan los requisitos o ca-
racterísticas fundamentales que se deben de tener en cuenta pa-
ra eI diseño; las cuales son básicamente:
6.4.L Capacidad
se debe tener mínimo 20 toneladas de carga para lograr un buen
resultado en el trabajo de enderezamiento de las platinas defec-
tuosas.
6.4.2 Carrera
Teniendo en cuenta las diferentes curvas que presentan los re-
20L
sortes es necesario tener un gato o actuador con una caffera
mínima de 20rlrl
6. 4. 3 Velocidad del Actuador
1/2 pulgada por segundo. Esta velocidad fue determinada para
un óptimo rendimiento y comodidad del operario.
6.4.4 Espacio entre Columnas
Aproximadamente 39rr de luz para una correcta operación y
fácil manipulación del material.
6.4.5 La Mesa
De una sola posición a una altura aproximada de 45tt.
6. 4. 6 Sistema Hidráulico
como eI trabajo a realizar es continuo se requiere un slstema
hÍdráulico eléctrico operado con un mando mecánÍco de palanca
para una operación más versátil del gato o actuador.
202
6.4.7 Presión Máxima de Trabajo
2.000 p.s.i.
6.4.8 Estructura
Para el dimensionamiento de Ia estructura y perfiles utiliza-
dos se tomó como base los catálogos suministrados por los fa-
b ricantes de este tipo de equipos para una capacidad mínima de
20 toneladas. (Ver Plano 007 eorrespondiente a Vistas Genera-
les de Prensa Hidráulica).
6.5 CALCULOS- SISTEMA HIDRAULICO
Datos: Capacidad mínima: 20 toneladas = 40.000 lbs.
Carrera múrima: 20 pulgadas
Espacio entre colum-nas: 39 pulgadas
Altura de la Mesa: 45 pulgadas
Velocidad del vástago: 1/2 pulgada por segundo
Presión Máxima: 2.000 p. s. i.
Tenemos: P - F P=lb/inc2(p.s.i)F = lbs.A = Pulgadas2
A
203
a= F-r - 40.000 lbs2. 000 p. s. i
d cP = 2o ínc? = O. ?854 d2 = 2O ínc2
d= 20 ínc? d = 5, 04 inc.0.7954
Tomamos como base una área del pistón con un diámetro de 5tr
= Area pistón = 19,65 inc2.
SiQ=VxA = Caudal = galonesMto
= Velocidad = incseg.
= inc2
a = 0.5 inc x 19.64 ínc?seg.
Q = 9.82 inc3seg.
Si un galón = 231 inc3
eQ = 9.82 inc" * [email protected] galón o =2sQ-
__ mto ZS1 incu
Q = 2.55 galonesmto.
Para estar de acuerdo con la disponibilidad del mercado, asu-
a
v
A = Area
204
mimos un caudal superior = 3 galones/mto. El exceso de caudal
que se pueda presentar se controlará con una válvula de control
de flujo.
Potencia: 1 galón x p. s. i.mto.
Potencia = -g!g. x 231 inc3 * Ibs, x l pie =mto. galones inc2 tZ pulg.
Potencia = 23t lbs pié. para expresar esto en caballos deLZ mtos.
fuerza dividimos por 33.000 pies-lbsmto.
Potencia= 23t = 0,000583 HP33.000
Este valor es eI equivalente de la potencia mecánica der fluído
con un caudal de l galón/mto. y una presión de 1p.s.i.
Si tenemos en cuenta que la eficiencia es det 80%
Potencia - 0,000583 HP - 0, 000? HP0r8
Se tiene: Potencia para HP = g.p.n[. x p.s.i. x 0.000?
HPM"* = 3.0 galones * 2.000 1bs, x 0r 0002 =mto incz
Potencia = 4,2 HP potencia requerida para impulsa Ia bomba.
205
Trasladando a la tabla 5 se obtiene: Para un diámetro interior
de cilindro = 5 inc y una pred.ón máxima de 2.000 p.s.i. y
considerando un tipo de trabajo intermedio se debe tener un
vástago con un diámetro de 2 Llz ínc. para una carga máxima
de 40.000 lbs.
Si el vástago tiene un 0 = I tl2 La velocidad de retorno será:
V - a - 3,0 gls/mto. A1= Cilindroarea efectiva A1 - Az
Ar= Vástago
V _ 3,0 gls/mto. _ V = O,2O gls =o,7854Q5-6.251 mt-inc2
V = 0,20 49- x mto x 231 inc3 =mto-Íncz 60 seg. gls
V =0,77 pulg/seg = [=3l4pulg/seg.
Diámetro Tuberías.
Asumiendo una tubería de 3/8" se verifica la velocidad de tra-
bajo del fluído.
Q=VxA = $= Q = Sgls/mto.A í 1.sl8l2¡nc2
4
206
y = 2?.16 gls/mto x inc2
V = 27.16 gls o xmto x inc'
$= 9,77 91s
mto inc2
piesBseg
Y = 9,77 gls . =mto. ínc¿
Lgt incS
V = 81 71 piesseg.
La velocidad de trabajo obtenida se encuentra dentro del rango
de porcentajes de velocidad recomendados por la Vickers para
Ia línea de tubería de trabajo ? 20 pies/seg. por 1o
tanto la tubería de 3/8tt que se empleará está correctamente
seleccionada.
Para la línea de entrada a la bomba se asume r¡na tubería de
ú Llz" .
V-
1 mto60 seg.
1 mtoA
60 seg.
231 inc3gls.
gIs
x 1pié =12 inc.
lpie =
12 incx
$ = 3113
Lo cual e stá dentro de los rangos establecidos por la
3 gls/mto.0,7854x (5/8)
207
Vickers de
4 pie/seg.
Como se ha podido verificar se necesita una bomba con una
capacidad de 3 gls/mto. Normalmente el caudal de las bombas
está dado para N = 1.200 rpm.
Si se tiene que N = 1.750 r.p.m. entonces para obtener un
caudal de 3 galones =
QR"qo""ido = QNominal x 1=-ZSO r. p. *.- =1.200 r. p. m.
2 gls/mto = QN x 1.?50 =
1.200
QN= 3 sls/mto x 1.200 = QN = 2 glslmto =1. 750
Con base en 1o anterior y teniendo en cuenta costos y tiempo
de entrega se compró una bomba de paletas con las siguientes
características:
Caudal nominal
I¿. P. M. nominal
Referencia
Z gtslmto.
1.200 r. p. m.
V?LO - 2 - lC - t2 - 5214 (Vickers)
208
6. 6 VALVULA DIRECCIONAL
Las caracterÍsticas del tipo de labores que se van a realizar
constantemente en esta prensa exigen para un correcto y más
eficiente rendimiento un sistema de control con mandos mecá-
nicos, específicamente de palanca, tres posiciones y cuatro
vías; en virtud de Io cual se compró en la vickers una válvula di-
reccional CMll- N02- K25- DL-?L.
6.? VALVULA DE ALIVIO
como en todo sistema hidráulico es necesaria la várvula de
alivio. Esta es una válvula normalmente cerrada conectada en-
tre Ia línea de presión (salida de la bomba) y el depósito. su
propósito es limitar la presión en el sistema a un preajuste
máximo, aI desviar parte o toda Ia salida de la bomba al tan-
que cuando se llega aI ajuste de presión.
Para este caso se compró una válvula que regula hasta un máxi-
mo de 2.500 p.s.i. de la Vickers CT-00-F-50.
6.8 VALVULA DE CONTROL DE FLUJO
como ya se vió anteriormente, la velocidad de un actuador de-
209
pende de
Entonces
cidad del
menor.
cuanto aceite se Ie bombee por unidad de tiempo.
la váIvula de control se usará para regular Ia velo-
actuador en los casos que se requiera una velocidad
Se compró una válvula de control de ftujo hasta de tres galones
marca Vickers FN-03-21.
6.9 EL ACTUADOR- GATO
Como se observó anteriormente para obtener una fuerza o car-
ga de 40.000 lbs. necesitamos un cilindro con un diámetro in-
terior igual a 5 inc y una longitud aproximada a 24 inc para
que de una carrera de 20 inc operando a una presión de 20.000
p.s.i. Teniendo en cuenta estas características Ia Vickers co-
tÍzó su construcción con un tiempo de entrega de 4b dias.
En vista del alto costo y de la cantidad de días para entrega
se decidió por comprar un gasto hidráulico que se aproximara
a las características requeridas. se adquirió un gato caterpi-
Ilar de un cargador, en perfecto estadq cuyas características
se acomodaban a las necesidades. Las dimensiiones de este ac-
2LO
tuador son:
Largo :
Diámetro interior:
Carrera:
36
5
26"
lnc.
lnc.
6.10 EL TANQUE
El tanque en un sistema hidráulico es el espacio apropiado para
guardar eI fluído requerido en eI sistema más una reserva, ade-
más de servir para mantener una temperatura apropiada disi-
pando cualquier calor que se genera en el sistema, también u-
sando coladores o filtros se mantiene limpio el fluído.
Normalmente para sistemas hidráulicos se recomienda un tama-
no del tanque aproximadamente tres veces el volumen de bombeo
como mínimo. Si se construye un tanque de mayor dimensión
se pueden tener ventajas.
En este caso se construyó un tanque de 14tt x 12tt x l8rt inc.
que permite almacenar unos 13 galones 1o cual es más que su-
ficiente ya que si se ciñe a la marca se tiene que este caudal
es de 3 gls/mto x tres veees = nueve galones.
2Ll
El tanque que acondicionado con una placa que lo dÍvide en dos
secciones con una altura de 213 la lúrea del nivel del aceite.
Esta placa separa la lúrea de entrada a la bomba de ra línea
de retorno, para que así no sea el mismo aceite el que recir-
cula continuamente, también evita la turbulencia en eI mismo,
permite a los materiales extraños asentarse en el fondo, per-
mite además al aceite liberarse del aire y aumenta la facilidad
de disipar el calor a través de las paredes del tanque. En ra
línea de entrada a la bomba se coloca un filtro que mantiene
limpio el fluído que toque la bomba.
Las conexiones se pueden observar en la Figura 54.
DE RETORNO ALtVtO O Vznccla
INDlGADON
DE REGRESOHACIA LA PARED.
A EOñ|BA O3lf
FIGURA 54. Tanque - conexiones del sistema Hidráulico.
=.--"--::+
li =-/--trllt,_
2t2
La bomba como se puede observar fue colocada bajo el tanque,
lo cual permite arrancar la bomba sin necesidad de cebarla,
además de esta forma se evita eI riesgo de cavitación.
2L3
7 . CONC LUSIONES
7. 1 MAQUINARIA
De acuerdo al estudio efectuado sobre selección y facilidad
para consecusión de maquinaria en eI mercado, se disefió y
construyó la maquinaria que cumpliera con la operación desea-
da por el proceso de fabricaciór¡ con los porcentajes máximos
de eficiencia y calidad del equipo.
En este proyecto se marcan las pautas de diseño para hornos
industriales que cumplan como fin primordial su uso para tra-
tamientos térmicos.
?.2 MONTAJE DE PLANTA
Se instaló la planta para fabricación de resortes en base a los
estudios de distribución de plantan selección de maquinaria y
área de trabajo.
2L4
Esta planta cumple con los objetivos trazados haciendo que
la fabricación del resorte sea de una manera versátil y fun-
cional para obtener el mayor rendimiento en la producción.
?.3 PRODUCTO
EI resorte elaborado cumple con las normas de calidad exigi-
da para esta clase de repuestos Esta calidad está garantíza-
da por los tratamientos térmicos de temple y revenido efectua-
dos durante el proceso de fabricación y su control en el ensa-
yo de flexión.
7.4 APORTE A LA INDUSTRIA
Con la puesta en marcha de esta planta se contribuye en el de-
sarrollo de nuestra industria, entregando al mercado un produc-
to como los resortes de ballesta que son de vital importancia
por su gran demanda dentro del rango de repuestos en la indus-
tria automotriz
2L5
BIBLIOGRAFIA
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2L6
