informe final de horno reberbero

Universidad Nacional

“José Faustino Sánchez Carrión”

“Facultad de Ingeniería Química y

Metalurgia” Escuela Académico Profesional de Ingeniería

Metalúrgica

MONOGRAFIA

“HORNO REVERBERO”

PRESENTADO POR:

HUAMAN TORRES ROMULO

PACHAS MISHTI CRISTIAN

LEYVA SOLIS JEFERSON

ASESOR:

ING. LUIS ERNESTO LUNA QUITO

Huacho, mayo 2015

PERÚ

Universidad Nacional José Faustino Sánchez CarriónHORNO DE INDUCCION PARA ACERO

Este trabajo va dedicado a Dios por darme las fuerzas y las actitudes buenas para logar mis metas, también a mis padres, que día a día nos dan su apoyo incondicionalmente. A nuestros amigos e Ingenieros que nos brindan su apoyo y enseñanza para un mañana mejor

Universidad Nacional José Faustino Sánchez CarriónHORNO REVERBERO

RESUMEN

El horno de reverbero es un tipo de horno generalmente rectangular, cubierto por una

bóveda de ladrillo refractario, que refleja (o reverbera) el calor producido en un sitio

independiente del hogar donde se hace la lumbre. Tiene siempre chimenea. El combustible no

está en contacto directo con el contenido, sino que lo calienta por medio de una llama insuflada

sobre él desde otra cámara siendo por tanto el calentamiento indirecto. Es utilizado para realizar

la fusión del concentrado de cobre y separar la escoria, así como para la fundición de mineral y

el refinado o la fusión de metales Tales hornos se usan en la producción de cobre, estaño y

níquel, en la producción de ciertos hormigones y cementos y en el reciclado del aluminio. Los

hornos de reverbero se utilizan para la fundición tanto de metales férreos como de metales no

férreos, como cobre latón, bronce y aluminio. Durante el proceso, se remueve desde una

ventana el mineral fundido para que el calor actúe lo más uniformemente posible sobre toda la

masa. Constan esencialmente de un hogar, un laboratorio con solera inclinada que permite que

“escurra” el metal fundido hacia una canal por la que sale al exterior donde se vierte en los

moldes. Sobre esta solera se dispone el material a tratar, extendido y con poca altura. y bóveda y

de una chimenea.

Las bajas temperaturas de fusión del aluminio y su facilidad para oxidarse hacen que el

cambio a fusión con oxígeno en los Hornos de Reverbero requiera diseños de quemadores

específicos para evitar sobrecalentamientos. Este problema no ocurre en los hornos rotativos

debido por una parte al giro del horno, que hace que la temperatura en su interior se

homogeneice con facilidad y por otra a la utilización de sales de protección que evitan

sobrecalentamientos del material.

La primera de las tecnologías consiste en la utilización de un quemador de baja temperatura de

llama que evita sobrecalentamientos, bien de la bóveda bien del aluminio, y amplio desarrollo

de la misma, con lo que se asegura una gran homogeneidad tanto en la transmisión del calor

como en la temperatura. La tecnología de quemador JL está basada en la combustión por etapas,

que como ventaja adicional reduce enormemente las emisiones de NOx.

4


ContenidoINTRODUCCION.......................................................................................................................5

I. HORNO REVERBERO.....................................................................................................6

II. FUNDICIÓN DE MATA DE HORNOS REVERBEROS...........................................7

2.1. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO.............................................................................8

2.1.1. materias primas y productos............................................................................10

2.2. DETALLES DE CONSTRUCCIÓN.......................................................................11

2.3. COMBUSTIÓN, TEMPERATURAS Y BALANCE DE CALOR........................13

2.3.1. balances de calor en los hornos de reverbero.................................................14

2.3.2. CALOR NECESARIO PARA CARGAS HUMEDAS SECAS Y CALCINADAS..................................................................................................................16

2.4. PRODUCCION........................................................................................................17

2.4.1. VELOCIDAD DE TRASFERENCIA DE CALOR A LA CARGA...................17

2.4.2. CALOR NECESARIO POR TONELADA DE CARGA...................................18

2.4.3. EFECTOS TOTALES SOBRE LA VELOCIDAD DE FUNDICION................18

2.5. METODOS DE CARGA..........................................................................................19

2.6. ESCORIAS DE REVERBERO...............................................................................21

2.7. FORMACION DE MAGNETITA Y CONTROL DEL HOGAR.........................23

2.8. AVANCES RECIENTES EN LA FUNDICION EN HORNO DE REVERBERO25

2.8.1. ENRIQUESIMIENTO CON OXIGENO DEL AIRE DE COMBUSTION........25

2.8.2. MEJORAMIENTO EN LA CAPACIDAD DE SO2...........................................26

2.9. RESUMEN DEL CAPITULO....................................................................................27

3. PROCESO DE DISEÑO....................................................................................................28

4. CONCLUSIONES.............................................................................................................30

BIBLIOGRAFIA........................................................................................................................31

ANEXO.....................................................................................................................................32

...................................................................................................................................................32

5


INTRODUCCIONLa fundición de Aluminio reciclado es un proceso lo bastante bondadoso con la naturaleza a

pesar de necesitar mucha energía para llevarlo a cabo, al ser un elemento que se puede

reciclar cuantas veces se requiera y no perder sus propiedades, se evita que se siga

explotando en las minas de donde se obtiene.

El presente trabajo tiene como objeto diseñar y construir un horno de combustión industrial

para fundir aluminio el mismo que está destinado al uso didáctico en la Escuela de

Ingeniería Química, que a más del proceso de fundición se pueden realizar otros estudios

referentes a la transferencia de calor y a la combustión, de esta manera incentivaremos a

que los estudiantes tengan una mayor motivación en este tipo de tecnologías logrando

satisfacer las investigaciones que a este tema se refieren, La combustión ha representado,

desde los tiempos más remotos la fuente principal de energía para la humanidad la misma

que como proceso físico químico es una manifestación visible y es considerada como la

estructura de la técnica moderna.

La investigación se realizó en las instalaciones de la Escuela Superior Politécnica de

Chimborazo, y se inicia con la idea de generar combustión, y en este caso fundir aluminio

reciclado, la misma que nos llevó a la recopilación de bibliografía, luego a plantear la idea

como un tema de investigación, inmediatamente realizar la simulación para determinar

experimentalmente las condiciones de proceso además de identificar las variables, para

posteriormente determinar el tipo de horno necesario,

OBJETIVOS

Conocer los parámetros que rigen para la creación de un horno reverbero, así como

también vamos a entender cómo funciona un horno reverbero teniendo en cuenta que son

ampliamente empleado para la fundición de cobre y aluminio sin dejar de lado la conversión

del hierro.

Haces saber por parte de este trabajo monográfico los mejores puntos de vista para una

buena elección de materiales para el diseño de un horno y viendo las mejoras que se Viena

dando con el avance de la tecnología y así poder trabajar con una eficiencia benefactora.

También nuestro objetivo es ver los mejores rendimientos en cuanto a combustibles se trata

asiendo las mejores elecciones, tomando como un punto de base los beneficios que pude traer al

horno en cuanto poder calorífico se trata, también viento que no genere un exceso de

contaminantes así el ambiente

6


……….

I. HORNO REVERBERO

Concepto:

El horno de reverbero es un tipo de horno generalmente rectangular, cubierto por una bóveda de

ladrillo refractario, que refleja (o reverbera) el calor producido en un sitio independiente del

hogar donde se hace la lumbre. Tiene siempre chimenea. El combustible no está en contacto

directo con el contenido, sino que lo calienta por medio de una llama insuflada sobre él desde

otra cámara siendo por tanto el calentamiento indirecto.

Es utilizado para realizar la fusión del concentrado de cobre y separar la escoria, así como para

la fundición de mineral y el refinado o la fusión de metales Tales hornos se usan en la

producción de cobre, estaño y níquel, en la producción de ciertos hormigones y cementos y en

el reciclado del aluminio.

Los hornos de reverbero se utilizan para la fundición tanto de metales férreos como de metales

no férreos, como cobre latón, bronce y aluminio.

Durante el proceso, se remueve desde una ventana el mineral fundido para que el calor actúe lo

más uniformemente posible sobre toda la masa. Constan esencialmente de un hogar, un

laboratorio con solera inclinada que permite que “escurra” el metal fundido hacia una canal por

la que sale al exterior donde se vierte en los moldes. Sobre esta solera se dispone el material a

tratar, extendido y con poca altura. y bóveda y de una chimenea.

El tipo más sencillo quema hulla en una parrilla y la llama, con los productos de la combustión

se refleja (reverbera) en la bóveda o techo del horno, atraviesan el espacio que hay sobre la

solera (donde se sitúa la carga metálica) y son evacuados por la chimenea, colocada en el

extremo opuesto a la parrilla. En la actualidad se emplean más los combustibles gaseosos,

Líquidos y el carbón pulverizado, los cuales se insuflan en el horno, mezclados con aire

precalentado, por medio de un quemador situado en un extremo.

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II. FUNDICIÓN DE MATA DE HORNOS REVERBEROS

El horno reverbero es la unidad más ampliamente usada para la fundición o fusión de

matas. Es un horno de hogar calentado por combustible en el cual los concentrados o los

productos calcinados del tostador se funden para producir capas separadas de mata y escoria

liquidas. Las dimensiones de las hornos de reverbero varían considerablemente, pero los hornos

modernos más comunes (figura 1.4 y 6.1) son de 33m de largo (interior), 10m de ancho y 4m de

alto (del hogar a la bóveda). Los hornos de estas dimensiones tienen una producción del orden

de 500 a 800 toneladas de mata (de 35 a 45 % de Cu) y 300 a 900 toneladas de escoria por día

(tablas 6.1). Una fundidora normalmente tiene entre uno y 3 de estos hornos. El horno de

reverbero también se usa (de manera simultánea con la fundición), para recuperar el cobre de la

escoria fundida y reciclada proveniente del convertidor.

El uso extenso de los hornos reverberos se debe a su grado alto de versatilidad. El calor

para la fundición lo suministra al quemar el combustible que se quema dentro del horno y el

paso de los gases de combustión calientes sobre la carga. Todos los tipos de material, en trozos

o en finos, húmedo o seco, se pueden fundir fácilmente.

En comparación con otros procesos, la fundición en reverbero usa grandes cantidades de

hidrocarburos combustibles debido a que usa poco la energía potencialmente disponible de la

oxidación de la carga de sulfuros. Los tanto, en situaciones donde la versatilidad no es de mayor

importancia, existe actualmente preferencia por los procesos que usan la oxidación de los

sulfuros para obtener una mayor parte de la energía que necesitan. Esta es una de las razones

que explican por qué mucha de la nueva capacidad de fundición recientemente instalada sea de

tipo instantáneo (capitulo 8). En el mundo (1979) hay como 100 hornos de reverbero en uso.

8


Figura 6.1 vista lateral y del extremo de sangrado de la mata de un horno de reverbero

(Anderson 1961) obsérvese la diferencia en la escala

II.1. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO

La fundición de horno reverbero es un proceso continuo. El horno se calienta

continuamente a partir de la carga sólida. Los sólidos se encargan de intermitente a lo largo de

las paredes laterales donde forman “bancos” que sirven como depósito para una fundición

continua. La mata y ola escoria se sangran intermitentemente desde lugares separados a medida

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que se forma aumentan dentro del horno. Este solo se vacía en forma parcial durante el sangrado

y normalmente, contiene alrededor de 0.6 a 0.8 m de profundidad de mata y 0.5 m de escoria.

Los dos principales procesos son:

a) La fundición, en la cual la carga solida se funde para formar mata y escoria

b) El asentamiento, durante el cual la matase separa de la escoria y se sedimenta

La fundición requiere la mayor parte de la entrada de calor y de aquí que la mayoría de la carga

se coloca a lo largo de las paredes laterales en la primera mitad del horno (a partir del extremo

del quemador). El área de asentamiento ocupa la mi8tad restante del horno; los sólidos se

encargan ligeramente en esta zona para proteger principalmente las paredes laterales. El

sangrado de la escoria se lleva a cabo tan lejos como sea posible de la zona de fundición con el

fin de que aumente el tiempo disponible para el asentamiento de la mata recién fundida.

La mata se sangra por una de las laterales del horno. El lugar no es determinante porque

la capa de mata se extiende sobre la longitud total del horno pero el agujero de colada

normalmente se sitúa en la zona de asentamiento. La mata se sangra en ollas individuales

(6metros cúbicos, 25t de mata) según lo requieran los convertidores.

FIG esquema del flujo de aire precalentado

La escoria de sangre en el extremo opuesto el quemador del horno (o en una pared lateral

adyacente de dicho extremo) normalmente se sangra a través de un agujero de colada

sumergido para evitar que salgan accidentalmente concentrados sin fundir que estén flotando.

La escoria se desecha por granulación con agua o se transporta en estado fundido para verterse a

corta distancia de la fundidora.

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El calor para fundir y mantener la temperatura de los líquidos (1150 a 1250°c) lo

proporciona la combustión de petróleo, gas natural o carbón pulverizados en los quemadores

situados en un extremo del horno. La flama y los gases calientes provenientes de la combustión

se inyectan en toda la longitud del horno de manera que transfieran tanto calor como sea posible

a la carga sólida y al tubo de mata y escoria. Los gases dejan al horno a una temperatura

alrededor de 1250 a 1300°C y pasan por un sistema de calderas de calor residual para recuperar

la energía.

Como se mencionó antes. La mayor parte de los hornos de reverberos tratan de escoria

recicladas proveniente del convertidor para recuperar su cobre (de 2 a 10% de Cu) la escoria

fundida del convertidor se viene de las ollas al horno por un canal de acero (figr.1.4). la escoria

se agrega por un extremo del quemador con el fin de proporcionar un tiempo máximo y se

asiente a medida que circula a lo largo del horno hacia el agujero de colada.

II.1.1. materias primas y productos

Las materias primas principales a la fundición en los reverberos son los concentrados o

calcinados y fundente de sílice. Los otros materiales como el cobre comentado

Hidrometalúrgicos (capitulo 14) y los polvos procedentes de la combustión también se cargan.

Lam escoria fundida del convertidor también se puede considerar como materia prima. Las

composiciones representativas de esas sustancias se presentan en la tabla 6.2.

Los productos principales son la mata liquida (de 35 a 45% de Cu 1150°C) la cual se envía

a la conversión y la escoria liquida (de 0.3 a 0.8% de Cu, 1200°C) que se desecha. En la tabla

6.3 aparecen las composiciones detalladas de la mata y escoria para hornos cargados con

concentrado y calcinados.

Un tercer producto es el gas efluente (1250°C) del proceso. Este gas se origina

principalmente de la combustión del gas de hidrocarburos con aire, pero también contiene SO 2

(de 0.5 a 2% en volumen) proveniente de la oxidación parte de la carga de azufre. Los gases se

cargan de polvos, principalmente con partículas finas de concentrado o calcinado (hasta

alrededor de 1% de la cantidad total de carga). Los polvos finos se colectan en ciclones y

precipitaderos electrostáticos desde los cuales se reciclan al horno de reverbero para volverlos a

fundir.

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El gas del horno de reverbero representa un problema serio de contaminación porque

SO2 está demasiado diluido para su recuperación eficiente como el ácido sulfúrico. Esta es una

segunda razón (siendo la otra la economía del combustible) del porque la mayor parte de la

capacidad de fundición recién instalada ha sido en la forma hornos de fundición instantánea. La

fundición instantánea produce gases concentrados altas de SO2 (>10%) desde los cuales el SO2

puede ser eficientemente eliminado. En el capítulo 18 se presenta una exposición completa del

problema del SO2

II.2. DETALLES DE CONSTRUCCIÓN

El horno de reverbero es esencialmente una cámara de refractarios apoyada sobre una

cimentación de concreto y mantenida unida mediante una superestructura de acero (fig. 6.1) la

bóveda de ladrillos refractarios se suspende de una estructura de acero situada arriba del horno.

Los refractarios son de magnesita de cromo (MgO) o de magnesita de cromo (Cr2O3.MgO) que

resisten la erosión y el deterioro a la temperatura de fundición.

Los refractarios de las paredes laterales se protegen en gran medida por los “bancos” de

carga situada a cada lado del horno. En muchos casos la bóveda y la parte superior de las

paredes laterales se suspenden en secciones por arriba del horno. La ventaja principal de esta

disposición es que a medida que se desgastan las secciones se remplazan rápida y fácilmente sin

parar el horno.

La cimentación es de concreto o de lecho de roca sobre la cual se tornan capas de arcillas,

arena y magnesia o escoria sólida. La mata fundida descansa sobre esta capa de magnesita. Las

cimentaciones de este tipo dura entre 20 a 40 años, aunque se pueden presentar grietas y fugas

de mata dentro de la cimentación muchos años antes.

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Existen 2 características de principales distintos en relación a la vida útil de los hornos

de reverbero. El primero es que los hornos deben estar en operación casi indefinidamente (más

de 20 años) con toda las reparaciones llevadas a cabo mientras el horno esta de servicio. Un

ejemplo de este principio es la fundidora Gaspe que opera sola mente con un horno de

reverbero. Este horno siempre se repara en servicio para evitar detener la producción antera de

la fundidora. Este horno tiene la bóveda y paredes laterales superiores fig. 6.2 de tipo

suspendido y los refractarios se remplazan según los planes de mantenimiento. El segundo

principio de operación es que los hornos se deben para para repararlos con base en un programa,

cada 2 o 3 años. Este procedimiento requiere la capacidad de un horno extra para mantener la

producción de un horno esta fuera de la línea.

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Figura 6.2 detalles de los sistemas de bóveda y suspendida y de la parte superior de la pared

lateral refractario

II.3. COMBUSTIÓN, TEMPERATURAS Y BALANCE DE

CALOR

Como se encuentra en la tabla 6.1 se necesitan de 13 a 18x103 kcal/toneladas de carga

de calcinado caliente. Esta energía se proporciona por la combustión de gas natural.

Combustóleo (aceite combustible para calderas, tipo bunker °C) o carbón pulverizado

(d=100um) de dos a cuatro quemadores en el extremo del calentamiento del horno. Los

quemadores tienen normalmente tienen aire de baja presión y sistema de entrega de

combustible. Para conservar la energía, a menudo se precalienta el aire de combustión (de 200 a

500°C).por medio de intercambiadores de calor en la toma del gas de reverbero situados detrás

de las calderas de calor residual.

El diámetro de los quemadores son grande de 0.3 a 0.3 m y están fijos en la pared del

horno. En la tabla 6.4 se muestran algunos detalles representativos de los sistemas de

combustión de los hornos reverberos.

En otro tiempo, el carbón pulverizado fue el combustible de horno de reverbero más

común, pero sea remplazado en un grado considerable por el combustóleo y gas natural, los

cuales son más fáciles de trasportar, almacenar y quemar, sin embargo, los precios del petróleo

y gas natural se han elevado drásticamente y el carbón pulverizado puede llegar a ser, una vez

más, el combustible más económico para la fundición en reverbero.

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Con todo los tipos de combustible, el sistema de quemadores se diseñó para demorar parte del

combustión hasta que el combustible este completamente en el horno.

Este procedimiento origina una gran zona de temperatura alta en la cual tiene lugar la

mayor parte de la fundición. Un perfil de las temperaturas del gas en un horno reverbero (fig.

6.3, saddington y colaboradores 1967) indica que la temperatura alcanza a los 7 u 8 m del

extremo del quemador. Luego los gases se enfrían a medida que transfieren su calor a la

superficie de la carga y escoria. Finalmente, la temperatura del gas se iguala cerca del extremo

de sangrado de escoria del horno donde la fundición principal es el horno donde la función

principal es el asentamiento de la mata desde la escoria.

Los gases dejan el horno de 50a 100°C más caliente que la escoria, lo cual indica que la

transferencia de calor es muy eficiente. Sin embargo los gases están entre 1250 a 1300°C

cuando, lo dejan y de este modo arrastran una cantidad considerable de calor de horno. Esto es

un efecto inherente de la naturaleza concurrente del calentamiento del horno de reverbero. Los

gases se dirigen hacia las calderas de calor residual para recuperar parte de su calor sensible

como vapor (para generación de electricidad y calor)

15


Figura:6.3 perfiles de temperatura del gas de un horno de reverbero

Y de un 10 a 15% más se puede recuperar por intercambio de calor con el aire de combustión

que entra al horno de reverbero.

II.3.1. balances de calor en los hornos de reverbero

En la tabla 6.5 se muestran los balances de calor de tres tipos de operación de

reverberos y en los capítulos posteriores se presentan balances similares para la fundición en

horno eléctrico, de fundición instantánea de una sola etapa.

Los balances desglosan las contribuciones de entalpia en tres categorías

A. Entrada y producción de calor cual incluye el calor sensible de la carga (superior

de 25°C, la escoria del convertidor y el aire usado en la oxidación del sulfuro.

Esta categoría también incluye el calor que se produce por las reacciones de

oxidación del azufre, es decir ΔHr (25°C).

B. Salida de calor, la cual incluye los colores sensibles (superior de 25°C) de la

escoria, mata y gases que se producen por la oxidación de la carga de sulfuros.

También se incluyen el calor usado para vaporizar el agua de la carga húmeda y

las pérdidas de calor usado para vaporizar el agua de la carga húmeda y las

pérdidas de calor por convección y radiación.

C. El exceso en la salida de calor

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a) Es la cantidad de calor que se debe proporcionar para la fundición por la

combustión del combustible.

b) Sobre la entrada y producción de calor

La tercera partida de los balances de calor es:

c) la eficiencia con la cual se dirige la energía del combustible de

hidrocarburos al proceso de fundición.

Esta eficiencia se definen como:

El valor calorífico total es el calor que se produce por una unidad de peso de

combustible (25°C) con aire (25°C); el calor sensible es el contenido del calor del aire o

gas como referencia a un contenido de calor de cero 25°C. en todos los casos, el

contenido de calor de la porción de agua de los gases se basa en un contenido de calor

sensible de cero para H2O liquida a 25°C.

Y representa el calor de combustión (25 °C) menos el calor extraído del horno en los gases de

combustión.

Se puede observar que el calor sensible del aire usado en la quema de combustible también se

incluyó en la ecuación (6.1). el aire precalentado proporciona energía al sistema de combustión

y aumenta de hecho la eficiencia térmica del combustible. El precalentamiento puede provenir

de un sistema de precalentamiento a base de combustible o por intercambio de calor de los

gases efluentes del horno. El primero usa más combustible en el precalentado, pero el último

recupera el calor sin gasto adicional de energía, es por eso que se incrementa apreciablemente la

eficiencia térmica total del proceso de combustión.

En el caso particular del gas natural (9500 kcal/mᵌN), en la tabla 6.6 se pueden ver las

eficiencias térmicas a varias temperaturas de precalentamiento de aire.Estos valores varían

ligeramente con el tipo de combustible y sus productos de combustión.

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II.3.2. CALOR NECESARIO PARA CARGAS HUMEDAS SECAS Y

CALCINADAS

La tabla 6.5 señala que los concentrados secos requieren casi un tercio menos de energía

que los concentrados húmedos fríos. De este modo se requiere considerablemente menos

combustibles para su fundición. Sin embargo, se usa, por lo general, combustible en el proceso

de desecación de manera que el ahorro total de energía no es grande.

La fundición de calcinados calientes del tostador requiere aún menos energía y si la etapa de

tostación se efectúa autógenamente, el resultado neto es un ahorro considerable de combustible.

Como se mencionó, esta es una razón para el retorno de la tostación en los circuitos de

extracción piro metalúrgica.

2.4. PRODUCCION

Las velocidades de fundición en los hornos de reverbero son del orden de 2 a 4 toneladas de

carga por metro cuadrado de hogar por día. Las velocidades mas bajas son para los

concentrados húmedos y las más altas para los calcinados calientes. La fundición en horno de

reverbero es principalmente una operación de fundición y por lo tanto la velocidad de fundición

es: a) directamente proporcional a la velocidad de transferencia de calor a la carga y b)

inversamente proporcional a la cantidad de calor necesaria por unidad de carga. Esto se puede

expresar aritméticamente por la ecuación:

18


Velocidad de fundición (t/h) =qc

(6.2)

Donde q = velocidad de transferencia de calor a la carga (kcal/h)

C = calor necesario por tonelada de carga (kcal/tonelada

La ecuación 6.2 es una ligera simplificación por que se pierde algo de calor de la mata y

escoria a través de las paredes del horno y debido a que existe algo de calor que se produce por

la oxidación de la carga de sulfuro

2.4.1. VELOCIDAD DE TRASFERENCIA DE CALOR A LA CARGA

Los factores principales que afectan a q, la velocidad de transferencia de calor a la carga, son el

área de los bancos de carga y las velocidades de encendido en los quemadores:

a) Área del banco de carga. La mayor parte de la fundición se presenta sobre la superficie

de los bancos de carga y para obtener velocidades máximas de transferencia de calor y

fundición, se debe mantener un área lo mas grandes que sea posible, especialmente

cerca de los quemadores.

b) Velocidad de encendido. La velocidad de fundición se controla por la velocidad a la

cual se quema el combustible en el horno. Las velocidades altas de combustión

conducen a grandes gradientes de temperatura gas/solido en muchos de los hornos de

hogar y esto, a su vez, conduce a velocidades mayores de trasferencia de calor y

fundición. La velocidad de encendido y por tanto, la velocidad de fundición se pueden

aumentar hasta que la bóveda y las paredes laterales llegan a calentarse demasiado, con

lo cual el desgaste de refractarios se torna excesivo.

Los problemas que se originan por una velocidad de encendido excesiva se pueden

reducir en cierto grado al elevar al elevar la bóveda del horno como se ha hecho en

varias fundidoras. Esto tiene el efecto de alejar la bóveda de la parte más caliente de la

flama, lo cual reduce el desgaste de refractario. Esto también aumenta el tiempo de

residencia de los gases de combustión dentro del horno (debido al volumen más grande

del horno) lo cual permite una transferencia de calor más eficiente de los gases a la

carga.

19


La velocidad de transferencia de calor a la carga también se aumenta al elevar la

temperatura de la flama del quemador. Esto se logra al precalentar el combustible, el

aire con oxígeno. La infiltración accidental de aire frio al interior del horno tiene el

efecto opuesto y esto se debe evitar operando el horno tan herméticamente como sea

posible.

2.4.2. CALOR NECESARIO POR TONELADA DE CARGA

El calor necesario para la fundición por tonelada de carga, C, depende

principalmente (tabla 6.5) del contenido de humedad de los materiales de la carga por

lo tanto, como se muestra en la ecuación (6.2), el contenido de humedad se debe de

reducir para alcanzar una velocidad de fundición máxima. La carga caliente de

calcinados del tostador tiene un efecto banefico similar. Mulholland y Nelson (1970)

informan por ejemplo, que la velocidad de fundición de un horno de reverbero hayden

aumento 50 % al cargar calcinado caliente (500 °C) en lugar de concentrados verdes.

Esto concuerda con los datos de demanda de calor de la tabla 6.5.

2.4.3. EFECTOS TOTALES SOBRE LA VELOCIDAD DE FUNDICION

Además de los efectos mencionados anteriormente sobre las velocidades de

fundición, también existen otros factores menos tangibles, particularmente la

refractabilidad en las menas. Se observa, por ejemplo, que los concentrados silíceos se

cubren con una capa vidriosa de escoria viscosa, esta etapa impide que los sulfuros

capten calor y esto reduce la velocidad de fundición.

Los factores más importantes para aumentar las velocidades de fundición son, no

obstante, una velocidad de encendido rápida, la creación de condiciones buenas de

transferencia de calor particularmente por procedimientos buenos de carga y reducción

de la humedad de la carga.

Velocidad de producción de cobre

La velocidad a la cual se produce el cobre (como mata) en el horno de reverbero puede

limitar la productividad total de la fundidora. Esta velocidad es expresada como:

20


Velocidad de = velocidad de fundición x % de Cu en

Producción de cobre la carga

Las velocidades de producción de cobre aumentan al incrementar la velocidad de

fundición, como se descubrió antes, y al incrementar el % de Cu en la carga. Lo último

se logra al fundir los concentrados de un grado tan alto como sea posible y al usar la

cantidad mínima de fundentes.

2.5. METODOS DE CARGA

Para cargar los hornos de reverbero, se dejan caer casi siempre los concentrados

finos (o calcinados), fundentes y materiales que regresan de otros procesos a través de

la bóveda cerca de las paredes laterales. Este procedimiento forma paulatinamente los

bancos de carga adyacentes a las paredes laterales proporcionando de esta manera un

depósito para la fundición continua. Este método siempre se ha usado para

concentrados verdes (húmedos).

Otro método posible, que se ha usado para cargar calcinados calientes, es “inundar” la

superficie de escoria con calcinado cargando centralmente a través de la bóveda. Esta

práctica es buena desde el punto de vista de la transferencia de calor porque una gran

área de material relativamente frio está presente debajo de la flama de combustión

caliente. El problema más grande con el método de “inundación” es la dificultad de

mantener una velocidad de fundición uniforme, porque la superficie de la escoria tiende

a distribuirse entre periodos cuando se sobrecarga y periodos cuando está libre de carga.

Por consiguiente, el cargado lateral, con sus depósitos inherentes de carga en las

paredes laterales, es el método que se usa con mayor frecuencia.

El patrón de carga de un horno de reverbero de alimentación lateral cargado de

concentrado se muestra en la figura 6.4 (Anderson, 1970

21


Figura 6.4 detalles del acomodo de la carga a lo largo de las paredes laterales de un

horno de reverbero (Anderson, 1970).

En esta figura se indica que aproximadamente el 80% de la carga se coloca en la

mitad del horno próxima al extremo del quemador, es decir, en la zona de fundición. La

temperatura de flama (figura 6.3), la velocidad de transferencia de calor y de este modo

la velocidad de fundición son máximas en esta región.

22


Parte de la carga se efectuó en el extremo de sangrado de la escoria del horno para

proteger las paredes laterales del ataque, pero este procedimiento causa que gran parte

de material sin fundir se integre en la escoria. La protección de la pared lateral cercana

al extremo de sangrado de escoria es más efectiva al cargar fundentes en lugar de

concentrados en esa zona.

Respecto a la forma del material cargado, se han llevado a cabo experimentos

industriales usando esferas de material aglomerado de carga premezclada (verney,

1969). El uso de estas esferas que ayudan al proceso de la fundición da por resultado

perdidas bajas de cobre en la escoria y polvos. Sin embargo, los resultados no parecen

haber compensado los costos de aglomeración y el de esfera de material aglomerado no

se ha adoptado en las operaciones industriales de reverbero.

2.6. ESCORIAS DE REVERBERO

Las relaciones de fases para las escorias de reverbero se pueden aproximar en el

diagrama de fases (CaO-FeO-SiO2 ¿(verney, 1969), figura 6.4 el uso de este diagrama

se facilita al considerar todo el hierro en la escoria como “FeO” y al combinar Al2 O3,

CaO y MgO como “CaO” total. Estos ultimos datos se muestran separadamente en la

tabla 6.3.

Un examen de las escorias industriales de reverbero sobre esta base indica que todas

estas se sitúan en el valle de baja temperatura del sistema CaO-FeO-SiO2. Estas

escorias también tienden a la saturación con SiO2, es decir, contienen 35% o más de Si

O2. Existe un caso excepcional, la escoria de reverbero de el teniente (tabla 6.3) en la

cual el contenido de SiO2 solamente es de 27%, pero la concentración de Al2O3 en esta

escoria es alta (11,9%) y la Al2O3, actua un tanto como un sustituto para la SiO2. En

general, los contenidos de SiO2 son de 35 a 42% los cuales están de acuerdo con el

requerimiento teorico de saturación-proxima para separaciones buenas de mata/escoria.

Además, para tener una buena separación de cobre en equilibrio entre las fases mata y

escoria, esta debe ser razonablemente fluida para permitir el asentamiento de la mata o

concentrado arrastrados a través de la capa de escoria. Para esto la escoria debe tener

una viscosidad lo más baja posible.

Las viscosidades de las escorias de reverbero se grafican en la figura 6.6 en función

del módulo de composición K, donde:

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Figura 6.5 diagrama de equilibrio de fases CaO-FeO- SiO2 en el que se muestra la

extensión de la región completamente liquido a 1 150, 1 200 y 1 250 °C las

composiciones de las escorias industriales de la tabla 6.3 se grafican sobre el diagrama

según sus contenidos de FeO y SiO2 (se considera que el resto de oxidos es CaO).

K r=% en pesoCaO+% en peso FeO+%en peso Fe3O4 ( liquido )+%en peso MgO

% en peso Al2O3+%en peso SI O2

Las concentraciones grandes de SiO2 y Al2O3, constructoras de la estructura de la

escoria, reducen este modulo y elevan la viscosidad de la escoria (fig 6.6). Los destructores de

la estructura (particularmente CaO, FeO y MgO) tienen un efecto compuesto. Datos adicionales

proporcionados por higgins y jones (1963) muestran que el Cr2 O3 aumenta la viscosidad de las

escorias de reverbero y la reduce el MnO.

La figura 6.6 tambien muestra que la viscosidad de la escoria aumenta al reducir la temperatura

debido a que los iones se vuelven menos móviles. La presencia de sólidos en la escoria,

particularmente magnetita sólida, también aumenta la viscosidad del sistema, por lo cual se debe

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evitar lo más que sea posible. Los sólidos tienden a disolverse en un mayor grado a mayores

temperaturas, de manera que en todos los aspectos una temperatura alta en todas las partes del

horno es la mejor garantía de un escoria fluida.

Figura 6.6 viscosidades de las escorias industriales y simétricas de reverbero en función del

módulo de composición K r ecuación 6.3 (Szekely y themelis, 1971).

2.7. FORMACION DE MAGNETITA Y CONTROL DEL

HOGAR

En la sección 4.5 se explicó que la magnetita solida se forma durante las operaciones de

tostación, fundición y conversión. En dicha sección también se mostró que la magnetita

combinada con Cr2 O3 (proveniente de los refractarios de cromo-magnesita) aumenta la

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viscosidad de las escorias de fundición, se acumula en el hogar y obstruye el asentamiento de la

mata y escoria.

En un congreso sobre control de hogar (beals, 1965) se señaló que las variables más

importantes para evitar la formación de magnetita en el horno de reverbero son:

a) Una temperatura alta de operación:

b) Un grado alto de fundente de SiO2 para que la relación: % en peso SiO2/ % en peso

FeO siempre sea mayor que 0.8.

Además, se reduce la acumulación de magnetita sobre el hogar del horno y entre las capas

de mata y escoria si:

a) la operación a una velocidad de producción alta, la cual hace expulsar efectivamente la

magnetita solida a través del horno.

b) Se evitan los puntos “muertos” dentro del horno donde no existe flujo de mata y

escoria;

c) Se evita la caída de ladrillos de cromo-magnetita en la escoria durante la reparación de

la bóveda.

También es importante reducir las adiciones de magnetita en la forma de calcinados del

tostador sobre oxidados y escorias del convertidor.

Las incrustaciones de magnetita en el hogar, una vez formadas, se pueden eliminar

durante la fundición si se inyecta aire u oxigeno contra estas o si se carga ferrosilicio o

hierro colado en la región de la incrustación. Estos métodos se emplean como rutinas en

algunas fundidoras. Una capa de magnetita-cromita entre la mata y escoria se puede reducir

al inyectar gas natural o agregar troncos de madera. Todos estos métodos consumen tiempo

y es preferible evitar la formación de magnetita por los métodos operativos descritos

anteriormente.

Aunque la formación de incrustaciones es el problema más común del hogar, algunos

hornos de reverbero también experimentan erosión del hogar especialmente en la región

donde se vierte la escoria del convertidor al horno y próxima al agujero de colada de la

mata. El mejoramiento de esta condición exige lo contrario de los procedimientos de

eliminación de magnetita anteriores. Los hogares erosionados pueden cubrirse

temporalmente con magnetita solida mientras que las condiciones de operación se

modifican para ocasionar la precipitación de la magnetita en el hogar.

26


2.8. AVANCES RECIENTES EN LA FUNDICION EN HORNO

DE REVERBERO

Los recientes avances más importantes en la fundición en reverbero han sido:

a) La reintroducción de la tostación antes de la fundición

b) El uso de aire precalentado para la combustión

c) El enriquecimiento en la colección de SO2.

La carga de calcinados calientes del tostador y el uso de aire de combustión precalentado nos

sirve para reducir la energía necesaria para la fundición y aumentar la velocidad de la misma.

2.8.1. ENRIQUESIMIENTO CON OXIGENO DEL AIRE DE

COMBUSTION

El enriquecimiento del aire de combustión con oxígeno tiene el efecto principal de reducir el

flujo de nitrógeno a través del horno por unidad de combustión quemado. Esto da por resultado:

a) Una temperatura mayor de flama y, por lo tanto, una velocidad mayor de transferencia

de calor a la carga.

b) Un tiempo de residencia mayor de los gases de combustión dentro del horno (debido a

su volumen más bajo por unidad de combustible) y, por lo tanto, una transferencia más

completa de su calor a la carga.

c) Una transporte menor de calor sensibles en gases en efluentes.

La velocidad mayor de transferencia de calor y de utilización más eficiente de la energía de

combustión conduce a la velocidad mayor de fundición y a un consumo menor de combustión

como se mostró con la prueba industrial en un horno de reverbero INCO. Tabla 6.7 (Saddington

y coladores, 1967)

Los datos de la tabla 6.7 a muestran, por ejemplo que el enriquecimiento del aire con

oxígeno hasta el nivel de 26% de O2 dado por resultado un incremento de 35% en la velocidad

de producción. Similarmente, un enriquecimiento hasta 27 % de O2 reduce el consumo de

combustible por casi 20 % a una velocidad de producción a aproximadamente constate (tabla

6.7 b). de la tabla b, se puede deducir que una tonelada de oxigeno añadido es equivalente a un

ahorro de casi ¼ a ½ tonelada de carbón. Se a obtenido resultados similares con hornos

reverberos rusos (Kupriakov y Artemiev , 1974). Actualmente se usa el enriquecimiento con

oxígeno hasta un nivel de 30 % de O2 en el aire de combustión en forma regular en cinco o seis

operaciones de horno de reverbero (Niimuro y colaboradores,1973 ; Kupriakov y Artemiev ,

1974 INCO).

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Un enriquecimiento por arriba del nivel de 30% de O2 conduce a temperatura

excesivamente alta y a un excesivo de desgaste del refractario en el extremo del quemador del

horno. Este problema se ha superado en varias fundidores (Schwarze, 1977) al suministrar gran

parte del combustible y oxígeno a través de quemadores combustible – oxígeno en la bóveda del

horno, regularmente espaciados a lo largo del horno. Este procedimiento tiene la ventaja

adicional de que la llama se puede guiar directamente a los bancos de carga.

2.8.2. MEJORAMIENTO EN LA CAPACIDAD DE SO2

La concentración de SO2 en los gases que salen del horno del horno reverbero

normalmente esta entre 0.5 a 1.5 %. Esta demasiada diluida para la eliminación de SO 2 y los

gases de las fundidoras de reverbero a menudo se expulsa a la atmosfera. Otra posibilidad es

que los gases de los tostadores, de los convertidores o ambos para lograr una fabricación de

ácido sulfúrico. Sin embargo, la inclusión de gases diluidos de reverbero aumenta en gran

medida el tamaño de la planta de ácido que se debe usar y, por lo tanto es ventajoso a) reducir la

cantidad de gas producido por el horno de reverbero y b) aumenta la concentración de SO2.

Apenas ha sido posible elevar la concentración de SO2 de los gases de reverbero hasta

aproximadamente 2 % (Niimuro ,1973). Estos se ha llevado a cabo por:

El enriquecimiento con oxígeno reduce la cantidad de nitrógeno en los gases y reduce la

cantidad de combustible que debe quemarse por unidad de carga del horno. Ambos factores

reducen el volumen de los gases del horno de reverbero y a una velocidad constante de

eliminación de azufre de la carga, estos factores aumentan la concentración de SO2 .

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2.9. RESUMEN DEL CAPITULO

Se ha mostrado que el horno de reverbero es el método más ampliamente usado para producir

lata de cobre. Sus ventajas principales son su sencillez y versatilidad. Sin embargo, la fundición

en reverberos usa poco la energía calorífica que esta potencialmente disponible de la oxidación

de la carga de sulfuros, y en comparación con las otras técnicas de fundición requiere grandes

cantidades de combustión de hidrocarburo.

La velocidad de producción en hornos reverberos va de 2 a 4 toneladas de carga por m2 de área

de hogar por día. El enriquecimiento con oxígeno y precalentamiento del aire de combustión y

la carga de materiales secos (y, si es posible, calientes) al horno favorecen las velocidades altas

de fundición. La fundición rápida y continua también se fomentó con la presencia de “bancos”

grandes de carga a lo largo de las paredes laterales del horno.

El problema más grande que enfrenta la fundición de horno reverbero es la producción de

volúmenes grandes de gases con concentraciones bajas de SO2 de estos gases es difícil y costoso

y, de este modo

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3. PROCESO DE DISEÑO

Metería prima para el horno diseñado

Calcinados con 23%cobre

Flujo de carga solida

380 tm/dia

Energía necesaria

11*105k cal/ tm carga

Tamaño de horno

Altura: 4 m

Ancho: 9m

Largo: 32 m área de bóveda: 290 m2

Ladrillos refractarios

Magnesita-cromita por ser altamente termo resistente

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Quemadores

Diámetro de quemadores: 0.4m =40cm

El horno lo diseñamos con 3 quemadores con una separación de 3 metros cada uno.

Combustible a usar:

Petróleo búnker

Composición del petróleo bunker: 85% C; 10%H; 3% S; 2% O

Poder calorífico = 40562.34 kJ/kg

Densidad: 3.664kg/galón

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4. CONCLUSIONES

Trabajando con los productos calcinados eliminamos u obviamos los procesos anteriores como

el secado tostado de los minerales por ende la eficiencia de producción del horno es más

elevado.

También los avances de la tecnología han aplicado un control más eficiente de los gases

contaminantes

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BIBLIOGRAFIA

METALURGIA DEL COBRE(1998) EDITORIAL LIMUSA mexico DF

Corporación EMISON- horno reverbero

KUDRIN(1979) METALURGIA GENERAL. Editorial Mir

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ANEXO

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Tabla 6.1 detalles de producción de los hornos de reverberos industriales. Las cargas y análisis

de base seca.

Véase tabla 4.1 y 6.3 para composiciones de concentrado, mata y escoria. (Los datos de la

fundición)

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Documents

informe final de horno reberbero