TEMA 6: HORNOS INDU$ TRIALES

DEFINICION: Los Hornos Industriales son equipos utilizados para el calentamiento de piezas o elementos, por encima de la temperatura ambiente. Su objetivo es variable, pudiendo fundir la pieza, ablandarla, realizarle un tratamiento térmico o un recubrimiento con otros elementos.

CLASIFICACION: Los hornos pueden clasificarse según:

• FORMA DE FUNCIONAMIENTO:

Continuo:

Elevados números de serie sin alterar las condiciones operativas Son costosas las puestas a punto Altos costos de mantenimiento El sistema de carga y descarga suele ser más costoso que en los intermitentes

Discontinuo:

Ciclos térmicos de régimen variable Es más fácil modular su potencia modificando el ritmo de producción

• TIPO DE CALEFACCION: Por combustión o eléctricos. Calentamiento directo o indirecto.

• DISPOSICION DE LA CALEFACCION: Superiores, inferiores, laterales, por un extremo.

• TIPO DE RECINTO: De solera (múltiple, giratoria), de túnel, de crisol, de mufla, de cuba o cubilote, solera móvil.

• FORMA DE RECUPERACIÓN DEL CALOR DE GASES: hornos con recirculación (para bajas temperaturas), hornos con recuperación (con IQ), hornos con regeneración.

• SEGÚN EL CARÁCTER DEL PROCESO: Tratamiento térmico, calentamiento, fusión, mantención de la temperatura, secado, etc.

• FORMA DE MOVIEMINTO DE LA SOLERA/ CARGA: lineales, rotativos, galopante, empujadora, carro

La selección de un horno va a estar determinada por los siguientes factores:

a) REQUERIMIENTOS DEL PRODUCTO Tipo de carga (pequeña-pesada) Material Ciclo térmico requerido Número de unidades por día

b) ADECUACIÓN AL MEDIO Impacto al medio ambiente Destino de efluentes Disponibilidad de personal especializado Disponibilidad de combustible, vapor, agua, materia prima, medios de

comunicaciónc) COSTO OPERATIVO

Costo de la energía Costo de la mano de obra directa e indirecta Amortización de las instalaciones Costo de mantenimiento

MATERIALES REFRACTARIOS Y AISLANTES

Si bien su único objetivo aparente es aislar el interior de los hornos, calderas, conductos, etc. también tienen el propósito de reducir las pérdidas de calor, como así también, conseguir unas condiciones ambientales en el exterior suficientemente aceptables. Se debe prever también que la capa interior del aislamiento térmico deba ser capaz de:

Soportar el ambiente interior (humos, aire en circulación, gases reductores, etc.), es decir contar con resistencia a la abrasión.

Contener sin reacción química (resistencia química), en términos generales, metales o no metales fundidos.

Clasificación en función de la temperatura:

1) PRODUCTOS CALORÍFUGOS, hasta 100-150 °C. Se presentan en forma de polvos, gránulos, fibras, catones, placas y piezas moldeadas. Colocación in situ.

Amianto Lana natural Algodón

2) PRODUCTOS AISLANTES, hasta 800-1000 °C. Sílice fósil: Se presenta de distintas formas (polvos o ladrillos) y de aquí su límite a

las temperaturas. Lanas minerales: Pueden ser por fusión de vidrio, de rocas o de escoria. Vermiculita: Se presenta en forma de borras y amalgamas. Arcilla expandida: Por efecto del calor algunas arcillas se expanden y vitrifican y se

hinchan formando ampollas o burbujas que retienen gases. Molida en granos para mantas, como relleno para hormigones con el ligante.

Perlita: Es una roca que por temperatura se hincha y forma un polvo granuloso vítreo. Como mantas, material de relleno en hormigones, con ligantes en bloques moldeados.

Silicato Cálcico: Se le aglomera formando bloques moldeados.3) PRODUCTOS REFRACTARIOS, hasta 1500 °C. Como características generales estos deben tener: baja conductividad térmica; alta resistencia piroscópica (> 1000ºC); baja densidad (porosidad > 45%); alta resistencia mecánica en frio y en caliente; baja variación dimensional en frio y en caliente; alta resistencia al choque térmico; resistencia a la acción directa de llamas; resistencia a la corrosión.A su vez, los refractarios se pueden clasificar según: ácidos; básicos; neutros y anfóteros.

Productos refractarios aluminosos: resistencia a la compresión, choque térmico y resistencia química.

Producto siliciosos y sílice: resistencia mecánica a altas temperaturas, baja resistencia a los choques térmicos, por encima de los 600 °C el coeficiente de dilatación es prácticamente nulo por lo que soporta bruscas variaciones de temperatura.

Productos básicos a base de magnesia, cromita y dolomita: buena resistencia mecánica.

Productos refractarios especiales: carburo de silicio (se utiliza en hornos de mufla y crisoles de alta temperatura), grafito y carbono (resistencia al fuego), circonio (extremadamente refractario).

Productos refractarios no porosos: los porosos son las vías de penetración de los medios agresivos, ofreciendo una mayor superficie de acción, reduciendo la resistencia a la corrosión química. Estos pueden ser refractarios fundidos, o filtrados y aglomerados.

Productos refractarios a granel: son materiales pulverulentos o pastosos: morteros, cementos de juntas, masas refractarias plásticas, hormigones refractarios, etc.

4) PRODUCTOS AISLANTES- REFRACTARIOS, igual o superior a 1500 ºC.Deben ser por una parte refractarios (alta resistencia piroscópica) y aislantes (baja conductividad térmica). Se consideran en este grupo todos aquellos materiales aislantes cuya temperatura de empleo no es inferior a 1000 ºC.

Aislantes refractarios de forma: Para la fabricación de ladrillos refractarios aislantes se utilizan arcillas y materiales de alta alúmina, y para conseguir la porosidad se le adiciona viruta de madera, polvo de corcho, cáscara de arroz, carbón, etc. que se queman en la cocción o bien se provoca la formación de burbujas.

Hormigones refractarios aislantes: Estos son aglomeraciones de cemento aluminoso junto a otros materiales muy diversos, formando hormigones variados, según las necesidades.

5) FIBRAS CERÁMICAS, hasta 1500 ºC.Soportan temperaturas de 1500 °C y la acción de la llama; sus principales propiedades son: elevado rendimiento térmico, facilidad de instalación, resistencia al choque térmico, puesta en funcionamiento inmediata.

HORNOS DE LLAMA► FUSIÓN Y MANTENIMIENTO

1- HORNOS DE CRISOL: En este horno el metal se funde en un crisol metálico o cerámico, calentado por llamas de combustión, producidas en un quemador de combustible líquido o gaseoso, situado en la parte inferior, y que sale después de lamer exteriormente al crisol, por la parte superior del horno al nivel de la boca de carga.Hay crisoles de dos tipos:- Crisol metálico: Puede ser de fundición de hierro especial y en algunos casos de aceros

especiales.- Crisol cerámico: Pueden ser de grafito o carburo de silicio.Hay tres tipos de hornos de crisol: Crisol móvil: En este, el crisol se coloca en un horno que usa aceite, gas o carbón

pulverizado para fundir la carga, este se coloca dentro del horno y una vez fundida la carga el crisol se levanta y se saca del horno y se usa como cuchara colada.

Crisol estacionario: Posee un quemador integrado y el crisol no se mueve, una vez hundida la carga esta se saca con cucharas fuera del recipiente.

Crisol basculante: También posee generalmente el quemador integrado y el dispositivo entero se inclina o bascula para vaciar la carga

Aplicación: Lo principal es la fusión de metales no férricos pesados (bronce, latón, etc.), ligeros (aleaciones de Al). También se utilizan para aleaciones de bajo punto de fusión (a base de Zn, estaño, etc.)

2- HORNO DE REBERVERO: De forma rectangular, cubierto por una bóveda de ladrillos refractarios, que refracta o reverbera el calor producido en un sitio independiente del lugar donde se produce la combustión.El combustible no está en contacto con la carga, sino que la calienta por medio de una llama insuflada desde otra cámara, siendo por lo tanto el calentamiento indirecto.Durante el proceso, se remueve desde una ventana el mineral fundido, para que el calor actúe lo más uniformemente posible sobre la masa. Constan esencialmente de un hogar, un recinto con solera inclinado, el cual permite el escurrimiento del metal fundido hacia un canal que lo dirige al exterior.En la actualidad se emplean más los combustibles líquidos, gaseosos y carbón pulverizado, los cuales se inyectan en el horno mezclados con aire precalentado, por medio de un quemador situado en un extremo.Estos hornos son de poca altura y gran longitud.En uno de los extremos se encuentra el hogar donde se quema el combustible y en el extremo opuesto la chimenea, las llamas producto de la combustión atraviesan el horno y son dirigidas por la bóveda en forma adecuada hacia la solera del horno, donde se sitúa la carga. Esta se calienta no solo por su contacto con la llama y gases calientes, sino por el calor de radiación de la bóveda del horno.Estos hornos se utilizan para fundición de metales férreos y no férreos, como cobre, latón, bronce y aluminio.

► HORNOS DE RECALENTAMIENTO (Laminación, extrusión, forja, estampado y conformado).

1- HORNOS DE FOSA (PIT): Es una cámara rectangular donde se colocan las piezas a calentar verticalmente, en la parte superior una tapa esta provista de un mecanismo para su elevación y desplazamiento para despejar la boca y así realizar la carga y descarga. En una de las paredes laterales pequeñas van dispuestos uno o dos quemadores normalmente provistos para dos combustibles (gases de alto horno) y otro exterior (fuel oíl), con los gases de combustión se suele precalentar el aire de combustión.Componentes claves para el ahorro energético: Tapa: Aislamiento y mecanismo. Junta entre tapa y fosa Recuperador de calor Equipo de combustión, de regulación de temperatura y presión. Aislamiento de paredes y suelos. Coordinación entre celdas. Reducción de tiempos muertos

2- HORNOS DE EMPUJADORES: Son los más comunes para recalentamiento continuo. Pueden ser de uno o dos hileras de carga, estando provistos su empuje separadamente o sincrónicamente por medio mecánico o hidráulico.Para pequeños espesores los hornos son normalmente de calentamiento superior, mientras que para espesores gruesos es más normal el calentamiento inferior y superior, en este último se instala quemadores duales.En los hornos de calentamiento superior, las cavidades son de acero dulce en la parte más fría y de material refractario en la zona de calentamiento principal.En los hornos de calentamiento inferior y superior los carriles de la zona de calentamiento están refrigerados por agua.La carga es frontal, la descarga es lateral, la bóveda del horno es en arco para los hornos de pequeña producción y plana colgada para los de gran producción.Funcionamiento: Su régimen es continuo, la extracción de las piezas supone la introducción de otras nuevas, para el vaciado se incorporan piezas espaciales.

3- HORNO DE VIGA GALOPANTE: Se dispone en la suela una o varias vigas accionadas por un mecanismo de elevación (avance, descenso y retroceso).Esto permite el avance de piezas pegadas o no, vaciar el horno y variar el tiempo de permanencia en él.Es fundamental una buena junta entre la parte fijada en la suela y la viga galopante, normalmente refrigerada por agua y con dispositivos de recogido de cascarilla. El accionamiento de las vigas es normalmente hidráulico.El funcionamiento es como en los hornos de empuje, esencialmente continuo, pero con la gran ventaja de poder vaciar el horno al final de la jornada.

4- HORNO DE CARRO CONTINUO: Consiste esencialmente en un túnel de paredes laterales y bóveda, cuya solera está formada por una serie de carros unidos entre sí que ruedan sobre carriles dispuestos en la obra civil a temperatura poco superior a la del ambiente. El avance de los carros se realiza normalmente de forma semi-continua, mediante mecanismos de empuje adecuado. En los hornos grandes el carro entra y sale por la misma puerta, pero en los más chicos existen puntos de entrada y salida, estos últimos pueden trabajar en forma continua porque los carros se van empujando.Las piezas a calentar se cargan y descargan frontalmente. El carro cierra herméticamente el fondo del horno, la tapa del horno se la suele hacer inclinada para aprovechar la componente del peso y así lograr un cierre uniforme.El calentamiento puede ser directo o indirecto, este último tiene un forzador (ventilador)

Indirecto

Directo

5- HORNO DE SOLERA GIRATORIA: Son continuos, de forma exterior prácticamente cilíndrica, soportadas en fuertes estructuras metálicas. La cámara de trabajo forma un túnel circular al que acceden los POC, los quemadores están dispuestos tangencialmente a la pared lateral de la cámara, la cual está constituida por ladrillos refractarios y aislantes.La puerta o puertas de carga y descarga son el tipo de guillotina. El accionamiento se hace por medio de cilindros neumáticos con mecanismos de cadena y roldana.La solera forma un anillo circular que puede girar alrededor de su eje geométrico; está formada por un armazón de chapas y perfiles que lleva dispuesto los encajes necesarios para la colocación de material refractarios.Se disponen de juntas para asegurar el cierre del horno para que sea hermético.El movimiento de la solera se consigue mediante un grupo motor- reductor situado tangencialmente a ella en su parte inferior.

► HORNOS PARA CALENTAMIENTO

1- HORNOS ROTATIVOS2- HORNO DE CARRO O VAGON: Se fabrican de cualquier tamaño para tratamientos

térmicos (recocer o normalizar).3- HORNO DE FOSA4- HORNO DE CAMPANA: Se construyen de tipo de caja rectangular o cilíndrica, por su

forma se colocan sobre el material tratar. Los quemadores son colocados en las paredes de la campana, el material suele cubrirse con una cubierta, para mantenerlo en una atmosfera controlada.

La campana consta de soportes en la parte superior que le permiten su elevación, también consta con guías para su posicionamiento.

PERDIDAS

1- Perdidas de calor en paredes (13%).2- Perdidas por calor almacenado en el revestimiento (12%).3- Perdidas de calor por aberturas (radiación, salida de humos, por juntas)4- Perdidas de calor por el agua de refrigeración.5- Perdidas de calor por inquemados y por infiltración.6- Chimenea

Mejoras posibles: Mejorar los puntos anteriores (inquemados, infiltración, aislantes) Recuperar el calor que escapa por humos (precalentar comburente o precalentar

combustible) Controlar el exceso de aire

HORNOS ELECTRICOSVENTAJAS:a) Eficiencia: El coeficiente de conversión de electricidad en calor es prácticamente 100%, lo que no ocurre con el uso de combustibles comunes, donde parte de la energía es consumida en el calentamiento del aire y de los gases calientes que son expulsados a la atmósfera. b) Limpieza: No hay contaminación por los productos de combustión. No hay chimeneas, gases, suciedad, polvos o cenizas en hornos a resistencia o inducción. c) Facilidad de Control de temperatura: el control de la calidad de calor suministrado al sistema es mucho más simple y más preciso que en cualquier otra forma de calentamiento. d) Facilidad de obtención de altas temperaturas imposibles de conseguir económicamente en otros hornos.e) La atmósfera resultante de la fusión puede ser controlada muy fácilmente, incluso se puede hacer el vacío para evitar las oxidaciones.f) Los revestimientos no sufren tanto, ya que no hay abrasión como consecuencia de las llamas.g) Se pueden instalar en un espacio pequeño.

DESVENTAJAS:a) Alta inversión inicialb) Necesita mano de obra calificada.

► HORNOS DE ARCO

1- HORNO DE ARCO DE CORRIENTE ALTERNA: Dispone de tres electrodos encima de la carga que está puesta a tierra, y el arco salta entre electrodos a través de la carga. Cada electrodo hace alternativamente de cátodo y ánodo. La energía eléctrica procede de la red de corriente alterna en alta tensión y llega a los electros a través de un circuito eléctrico que consta básicamente de:

Un transformador principal que reduce la tensión a lo requerido por el horno (1000 V) A partir del secundario del transformador, un circuito eléctrico que se termina en los

electrodos. Compuestos por barras y cables, refrigerados por agua.

Partes mecánicas: Comprenden básicamente Horno: - Cuba: Contienen el baño de metal fundido. Puede tener un pico de colada o un orificio en el fondo con el mismo fin. Por debajo lleva un mecanismo de basculación para efectuar la colada.La parte inferior esta revestida de un material refractario (cal, magnesia, CaO, MgO). En los laterales puede también estar revestido de refractarios o bien tener paneles de tubos refrigerados.

- Bóveda: Debe llevar unos puntos de enganche para unos tirantes que permiten su retirada para la carga de la cuba. También se encuentra revestida y tiene agujeros para el paso de electrodos y salidas de humos.

- Plataforma y superestructura: Permiten y sostienen la columna y el brazo porta electrodo.- Columna y brazo porta electrodo.- Mecanismos de accionamiento.- Materiales refractarios.

Elementos adicionales:- Lanza de aporte de oxígeno y oxi-gas.- Aspiración y depuración de humos.- Precalentadores de chatarra.- Cestas de carga y cucharas de colado.

o Electrodos: Son de grafito, con diámetro de 500-800 [mm] y longitud estándar de 2400 [mm]. El consumo de electrodos, factor que es importante en el costo de operación se debe a:1- Oxidación de la superficie.2- Desgaste por el arco en la punta.3- Rotura por fuerzas electromagnéticas.4- Fallas y grietas en los extremos roscados.

o Lanza de oxigeno: Se utilizan desde el comienzo de la fusión para producir la escoria espumosa y generar energía con objeto de quemar el carbón previo adicionado al horno y oxidar la chatarra de acero.

o Quemadores: Los más frecuentes utilizan gas natural y su objeto es provocar la fusión de la chatarra que queda retrasada en las zonas frías. Estos se disponen normalmente en las paredes laterales y como lanzas de oxigeno se pueden utilizar los propios quemadores pero es más frecuente disponerlos a través de la puerta.

o Escoria espumosa: La formación de escoria espumosa que cubre los arco entre electrodos y baño, evita gran parte de la radiación térmica, protegiendo las paredes, bóveda y también concentrando al transmisión de esta energía al metal fundido. Esto permite utilizar arcos más largos a tensiones más altas e intensidades más reducidas, lo que mejora el factor de potencia y reduce las perdidas eléctricas.

2- HORNO DE ARCO DE CORRIENTE CONTINUA: Dispone de un electrodo que hace de cátodo y la suela del horno que hace de ánodo, debe ser conductor. La resolución técnica del ánodo en la solera se realiza mediante tres métodos posibles.1- Redondos de acero refrigerados por agua en su parte inferior.2- Varillas metálicas dentro de la masa refractaria de la solera.3- Materiales refractarios conductores de Magnesio-Carbono.

Partes eléctricas:- Interruptor general de entrada.- Trasformador principal.- Rectificador de corriente.- Bobina de inducción de C.C.

Partes mecánicas:- Cuba, con solera conductora.- Bóveda.- Plataforma.- Súper-estructura.- Columna y un solo brazo porta electrodos.- Lanza de oxígeno.

- Quemadores, oxi-gas.

VENTAJAS CON RESPECTO AL HORNO DE CORRIENTE ALTERNA:1- Reducción del consumo de electrodos de hasta el 50%.2- Menor consumo de energía eléctrica y refractario.3- Menor nivel de ruido en el funcionamiento normal, exceptuando los primeros minutos

con chatarra sólida.4- Menor impacto sobre la línea de suministro.

Energía aportada:1- Energía eléctrica a través de los electrodos.2- Combustión en los quemadores.3- Reacciones de oxidación o combustión de componentes del acero líquido y de la

chatarra.4- Reacciones químicas exotérmicas en la formación de la escoria por los recarburantes

introducidos en la carga.5- Energía generada por la reacción química de la superficie del electrodo.

Energía consumida:1- Fusión y sobrecalentamiento del acero.2- Fusión y sobrecalentamiento de la escoria.

Energía perdida:1- Perdidas térmicas por agua de refrigeración de paredes, bóvedas, puertas, etc.2- Perdidas térmicas por los refractarios de solera y paredes hasta las paredes

refrigeradas por agua, por el refractario central de la bóveda, y por las aperturas de bóveda para la introducción de carga.

3- Perdidas eléctricas en todos los componentes del equipo eléctrico.4- Perdidas de calor o entalpia de los humos que salen del horno, aunque pueden

recuperarse una parte usándolos para precalentar la chatarra.

► HORNOS DE INDUCCIÓN

CON NÚCLEO MAGNÉTICO: Su funcionamiento es idéntico al de un transformador, el paso por el primario de una corriente alterna de frecuencia normal (50 Hz) produce un campo magnético alternativo que se canaliza por un núcleo de chapa y da lugar a una corriente inducida en la espira única de metal fundido. Esta corriente se transforma en calor por efecto Joule. SIN NÚCLEO MAGNÉTICO: Funcionan disponiendo un arrollamiento o devanado primario envolviendo en las proximidades de la carga metálica. La corriente alterna que circula por el primario crea un campo magnético alternativo.Como el conductor, el cual es la carga metálica, se encuentra sometido a dicho campo, se induce en ella una corriente eléctrica, denominada corriente parasita o de Foucault, que se transforma en calor por efecto Joule.Pueden funcionar a frecuencia normal (50 Hz), media (150-10000 Hz) y alta (> 10000 Hz).

CLASIFICACIÓN POR EL CAMPO DE APLICACIÓN.

1- Fusión y mantenimiento a temperatura de colada de metales: Horno de canal, horno de crisol.

2- Calentamiento para deformación plástica: Calentadores de media y baja frecuencia, tipo sin núcleo magnético.

3- Tratamientos térmicos.

HORNO DE CANAL: Son del tipo con núcleo magnético, constituyendo el metal en el canal la espira secundaria.

- Rendimiento bueno, no tiene fuertes pérdidas.- Temperatura de operación hasta 1600ºC.- Son de marcha continua, no se puede dejar enfriar dentro del canal, ya que existe

peligro de rotura por contracciones.

HORNOS DE CRISOL: Son del tipo sin núcleo magnético. Consta simplemente de una bobina inductora de forma cilíndrica que se reviste interiormente de un material refractario, dejando un espacio o crisol donde se funde la carga. El conjunto va dispuesto dentro de una estructura metálica de gran rigidez.

► HORNOS DE RESISTENCIA

El calentamiento de la pieza por resistencias eléctricas puede ser:

Directo: Cuando la corriente eléctrica pasa por la pieza. El calentamiento por resistencia directa es adecuado para piezas metálicas de gran longitud y sección pequeña y uniforme, tales como barras, palanquillas, varillas, alambres, pletinas, etc.

La conexión puede ser continua o intermitente a una corriente de baja tensión tomado del secundario de un transformador.

Indirecto: Cuando las piezas se calientan por radiación y/o convección procedente de las resistencias dispuestas cercanas a ellas.

En la industria es mucho más frecuente en calentamiento indirecto, usando resistencias que pueden ser:

a- Barras, varillas, alambres o pletinas, dispuestos en las paredes de la cámara de calentamiento del horno.

b- Paquetes de resistencias de los mismos materiales que transmiten calor por convección al aire o gases, y estos, también por convección a las piezas.

c- Los mismos materiales, dispuestos en el interior de tubos radiantes, cuando la atmosfera interior del horno sea perjudicial para las resistencias.

d- Resistencias blindadas, dispuestas en el interior de fundas de pequeño diámetro rellenas de material cerámico.

Clasificación de las resistencias por sus materiales:

Metálicas:

- Aleaciones de base Ni-Cr- Aleaciones de Fe-Cr-Al- Especiales de Mo, W (Tungsteno)

No metálicas:

- Carburo de silicio en diversas formas.- Grafito en barras.- Cromito de lantano en tubos.