HORNOS DE INDUCCION

Ing. DANIERU 2015

UNSA

8.1. PRINCIPIO DE CALENTAMIENTO Y FUSION DE LAS ALEACIONES EN HORNOS ELECTRICOS DE INDUCCION

8.1.1. ENERGIA TERMICA NECESARIA PARA EL CALENTAMIENTO DE UN CUERPO:

Et = G.c (t2 – t1)

Et = Energía térmicaG = Peso de un cuerpo c = representa el calor específico.

HORNO DE INDUCCIÓN

Los procesos por los cuales se obtiene el calentamiento eléctrico, son aquellos que toman la energía térmica necesaria Et de la red del sistema eléctrico.

Energía eléctrica: Ee = U. I. t

La energía eléctrica se transforma en energía térmica entonces, cuando la corriente I pasa por un cuerpo con resistencia R. La ley de Joule expresa esta interdependencia por la relación:

se debe diferenciar entre, calentamiento directo y calentamiento indirecto. Ver figura 8.1

Figura 8.1: Posibilidades de calentamiento eléctrico de un cuerpo metálico. a) Por conexión directa entre el cuerpo que va a ser calentado y el sistema de la red eléctrica, b) y c) Por inducción de la corriente eléctrica en el cuerpo que debe calentarse con ayuda de un campo electromagnético, d) con arco eléctrico.

HORNO DE INDUCCIÓN

Et = Ee = I2.R. T

8.2. PRINCIPIO DE CALENTAMIENTO DEL HORNO DE INDUCCIÓN

En los hornos de inducción, el calor se produce en todo el metal expuesto a calentamiento y fusión, la corriente eléctrica pasa por este.

El metal fundido forma el secundario de un transformador

el circuito primario recibe la energía eléctrica de la red eléctrica (inductor)

por inducción electromagnética la transmite al circuito secundario

no hay contacto-eléctrico directo con la red.

el material caliente --a temperatura máxima - horno

El calentamiento por inducción-penetración energía electromag en un conductor masivo (pieza, baño metálico)

situado en un campo magnético variable a través de una bobina (inductor);

transferencia de la energía eléctrica- principio de transformador

resto de las instalaciones constituyen elementos aislantes de calor

El circuito eléctrico secundario cerrado, se desarrolla el calor, y es al mismo tiempo el material de calentamiento.

HORNO DE INDUCCIÓN

8.3. VENTAJAS DEL HORNO DE INDUCCIÓN DESDE EL PUNTO DE VISTA METALURGICO.

HORNO DE INDUCCIÓN

Perdidas por combustión pequeña (0, 5 a 3.0 % con relación a las que se dan, en el horno de cubilote que llega de 8 a 10 %).

Posibilidad de utilizar carga metálica en pequeños trozos (virutas, etc.)

Las fundiciones elaboradas en hornos de inducción tienen características físico mecánicas mayores en un 10 a 20 % mas de las que se obtiene en los hornos de cubilote, con la misma carga metálica.

Se pueden obtener fundiciones con bajo contenido de azufre

Se disminuye el contenido de inclusiones no metálicos.

Es posible el sobrecalentamiento avanzado y controlado de la fusión.

Disminuye el grado de contaminación atmosférica alrededor de la fundición, así como del medio ambiente

8.4 TIPOS DE HORNOS DE INDUCCIÓN

a) Hornos de inducción de canal (con núcleo):

b) Hornos de inducción de crisol (sin núcleo):

a) HORNOS DE INDUCCIÓN DE CANAL (CON NÚCLEO):

El principio de funcionamiento es idéntico al de un transformador: esta formado por un núcleo de acero (placas) que viene a constituir el circuito primario, el que es alimentado con energía eléctrica de la red y una envoltura secundaria, en forma de un canal cerrado en el cual se encuentra el metal fundido ver figura 8.2a.

Estos hornos se pueden caracterizar desde diferentes puntos de vista

a) Por la frecuencia

Hornos de baja frecuencia 50 ó 60 Hz

Hornos de frecuencia media 500 Hz a 10,000 Hz

Hornos de alta frecuencia < a 10,000 Hz,

b) Según la naturaleza del material refractario:

150 Hz ó 180 Hz (de la red). se utilizan más en las fundiciones, tienen una capacidad de 2 a 13 toneladas.

capacidad es pequeña hasta 1,5 tn por la que en las fundiciones no son muy utilizados.

su capacidad, son muy pequeños por lo que se les emplea en laboratorio.

Material refractario ácido (SiO2, ZrO2), más utilizado FFe

Material refractario neutro (Al2O3, Cr2 O3).

Material refractario básico (CaO, MgO)

LAS PRINCIPALES VENTAJAS QUE PRESENTAN LOS HORNOS QUE FUNCIONAN CON 50–60HZ SON:

• Gran poder de penetración de la corriente inducida, lo que limita el peligro de sobrecalentamiento de la fundición al contacto con la pared del horno.

• Buena agitación electromagnética del metal, lo que favorece la homogeneización del metal liquido (térmica y química) así cómo de los procesos metalúrgicos (carburación, aleación, desulfuración, etc.)

elementos constructivos principales del horno son:

1. La carcasa Metálica

2. El inductor

3. el ecrán magnético

4. Material refractario

5. Tapa6. Cilindro basculante 7. Cables eléctricos

Figura 8.4: Sección del inductor de cobre (circulación de agua) empleados en hornos de inducción de crisol, b.1 y b.2 para frecuencia media; b.3 y b.4 para baja frecuencia

Figura:

8.5. DESCRIPCION DEL HORNO DE INDUCCION:

Figura 8.10: Efectos electrodinámicos en el baño liquido:

a – Distribución de la presión, b) Agitación del baño

8.8. ELABORACION DE FUNDICIONES Y ACEROS EN HEI DE CRISOL.

8.8.1. FENOMENOS Y REACCIONES EN LA ELABORACION DE FUNDICIONES.

se pueden elaborar diferentes calidades de fundiciones: gris con grafito laminar, nodular, vermicular, maleable, austenitica, etc.

La calidad de la fundición se obtiene por

la utilización de una adecuada composición de la carga metálica,

así como por la conducción correcta de las operaciones metalúrgicas en el proceso de elaboración.

Para lo cual es necesario conocer el funcionamiento del horno eléctrico por inducción.

8.8.1.4: AGITACION ELECTROMAGNETICA DEL BAÑO METALICO

La agitación electromagnética del metal en el crisol provoca:

Homogenización del baño liquido Temp. homogénea del baño

liquido Separación de las inclusiones en la

escoria Intensificación de las reacciones

físico químicas del liquido (desoxidación, oxidación, desulfuración)

Funcionamiento HEI con crisol se caracteriza por la agitación intensa del baño metálico

El metal se eleva en el centro del crisol una altura, grado de agitación se calcula -relación hu

%100******9,7

VfdP

h iu

Pi=Potencia inducida f=frecuencia =resistividad

Facilidad de disolución y difusión de los elementos de aleación

Desgasificación de la aleación. Obtención de aleaciones puras y

enriquecimiento de la calidad de las piezas coladas, como consecuencia de la separación de las inclusiones y homogeneización del baño

= Peso especificoD= diámetro del metalV= volumen baño metálico

8.9 OPERACIONES METALURGICAS - ELABORACION DE FUNDICIONES H.I.

Se ejecutan las siguientes operaciones metalúrgicas en la elaboración de fundiciones:

a) Fusión de la carga metálica

b) Sobrecalentamiento de la aleación en estado liquido

c) Desoxidación

d) Enfriamiento del baño liquido

e) Permanencia a temperatura constante de la aleación liquida

f) Aleación carburación

g) Disolución de los componentes en exceso

h) Eliminación de los componentes no deseados

i) Modificación

a) LA FUSION: La energía necesaria en el proceso de fusión que se consume: calentamiento, la fusión y sobrecalentamiento - figura 8.16. :

Si la carga metálica - fría, la potencia absorbida es muy inferior a la capacidad del horno, como consecuencia, el grado de llenado del crisol es pequeño

Figura 8.16: Variación de la entalpía especifica hc para el calentamiento y fusión, en función de la temperatura

Las desventajas - carga fría :

Se prolonga el tiempo de fusión y sobrecalentamiento

Necesidad del empleo de materiales de carga de dimensiones grandes. (0.7% del diámetro de crisol)

La fusión – Puede realizarse partiendo de una carga metálica fría o una carga metálica sólida que se agrega en el baño de metal liquido:

Antes de cargar, el crisol del horno se precalienta a una temperatura aproximada de 900°C, para evitar el riesgo de destrucción de este, por la penetración del liquido en las fisuras aparecidas en el enfriamiento anterior. El buen aprovechamiento de la energía eléctrica en la fusión, es introduciendo la carga, dentro del metal liquido.

Figura 8.17 muestran, que en el caso de asegurar un volumen de metal en la que la altura representa mas del 60% de la altura del crisol, la potencia absorbida, es aproximadamente igual a la potencia nominal del horno

Figura 8.17: Variación de la potencia absorbida en un horno de inducción, de crisol, en función de la altura del metal, en el crisol.

b) SOBRECALETAMIENTO DE LA FUSIÓN:

La fabricación de una aleación de calidad superior se puede asegurar solamente por la ejecución obligatoria de la operación de sobrecalentamiento.

Teniendo en cuenta la temperatura del baño metálico, así como la temperatura de sobrecalentamiento deseada, se puede regular con gran precisión la energía necesaria para el sobrecalentamiento

INFLUENCIA DEL SOBRECALENTAMIENTO DE LA ALEACION EN ESTADO LÍQUIDO: esta operación persigue:

La desactivación de los gérmenes heterogéneos con influencia no controlada.

Crear una estructura en el líquido capaz de asegurar en la cristalización primaria un número grande de células eutécticas, con grafito del tipo A, uniformemente distribuidas en la masa metálica de base.

El sobrecalentamiento de la aleación liquida representa el crecimiento de la temperatura sobre la temperatura de equilibrio que se presenta en las isotermas de la figura 8.9.

c. PERMANENCIA DEL METAL LIQUIDA A TEMPERATURA CONSTANTE:

Para que la reacción entre el metal y el crisol del horno,

En estos casos la aleación se mantiene a una temperatura constante la que esta en función,

Del diagrama de la figura 8.12 resulta el efecto de la influencia de la temperatura sobre la modificación de la composición química de la carga como consecuencia de las reacciones químicas que se desarrollan entre la fase líquida – sólida – gaseosa.

del tipo de pieza que se va a colar, así como de las especificaciones del fabricante.

la colada se realiza en un tiempo muy prolongada

a veces no es posible realizar la colada después de haber sido elaborada la aleación,.

así como reacción entre el metal y la atmósfera

sean lo mas reducido,

se impone que la temperatura debe mantenerse lo mas baja, es decir, menor a la temperatura de equilibrio presentada por las isotermas de la figura 8.11

d) ALEACION DE LA FUNDICION:

En este tipo de hornos se puede ejecutar operaciones de aleación.

La introducción de los elementos de aleación en el baño líquido,,

En las figuras 8.24, 8.25, 8.26, y 8.27 se presenta el grado de asimilación del manganeso, silicio y cromo, a excepción del manganeso, que pierde pequeñas cantidades insignificantes en la escoria, los otros elementos se asimilan en una proporción muy cercana al 100%, en hornos eléctricos de inducción, con material refractario básico, la asimilación del manganeso es de 100%. Ver figura 8.27

la desoxidación y desgasificación (después de las operaciones de sobrecalentamiento y carburación) aseguran la asimilación de estos elementos

e) CARBURACION DE LA FUNDICIÓN:

En la elaboración de la aleación,.

aumentar, el contenido del carbono en la aleación (carburación).

La adición de C en metal liquido, se realiza por la disolución de este, en el metal liquido,

manteniendo la temperatura constante, se desarrolla conforme a la siguiente relación exponencial.

Tt

eCC 1max

C = Porcentaje de carbón disuelto en el metal líquido en la carburación.Cmax. = Porcentaje de carbón máximo a la temperatura de elaboración t = Tiempo.T = Temperatura

f) PROCESO DE DESULFURACION:

Se realiza por la adición de carburo de calcio,

Es favorecida por la agitación del baño,:

El proceso de desulfuración se realiza entre 8–10 minutos.

La reacción es exotérmica y se desarrolla a temperatura baja ,según la reacción

CaC2 + FeS CaS +Fe + C

La granulometría del carburo de calcio debe ser de 1 – 3 mm

y la temperatura del baño liquido menor a 1600°C.

El grado de desulfuración esta:

En función de la cantidad de carburo que se adiciona,

de su granulometría y

tiempo de duración de la reacción.

Paralelamente con la reacción de desulfuración tiene lugar el proceso de desoxidación, que evidencia el consumo de carburo de calcio, según la reacción:

CaC2 +Fe0 CaO +Fe +2C

. El proceso de desulfuración se desarrolla en toda la masa del metal que se encuentra en el crisol.

g) ELIMINACIÓN DEL SILICIO Y MANGANESO:

Debido a la afinidad elevada del silicio y manganeso por el oxígeno, se puede realizar la disminución del contenido de estos, sin reducir el contenido de carbón.

Para que la eliminación del silicio sea posible sin reducir el contenido de carbón, la temperatura debe ser mas baja que la temperatura de equilibrio que se presenta en la figura 8.11.

Se insufla oxígeno en el baño líquido. para oxidar el silicio En la figura 8.34 y 8.35 se presenta la variación del contenido de Si, Mn, C así como la temperatura en función del tiempo y la insuflación del oxígeno en el baño liquido,

Paralelamente con la oxidación del silicio se recurra al enfriamiento del baño metálico por la adición de hierro fundido o acero frío

La oxidación del silicio transcurre simultáneamente con la oxidación del manganeso, si la temperatura de la fundición liquida es baja, la disminución del contenido de carbón es insignificante

8.9 ELABORACIÓN DE ACERO EN HEI DE CRISOL8.9.1 CONSIDERACIONES A TOMAR PARA LA ELECCION DEL HEI PARA

LA ELABORACION DEL ACERO MOLDEADO

Calidad del acero se expresa

Los aceros de calidad se producen en los hornos de inducción,. es superior en relación al HAE por lo siguiente :

por la C:Q

homogeneidad física y química

Menor cantidad de inclusiones no metálicas y gases

elementos dañinos.

Movimiento del baño metálico- asegura la homogenización de la CQ.- y la temperatura - al mismo tiempo se intensifican las reacciones en el proceso de elaboración.

El calentamiento del baño metálico no debe estar encima de los valores que corresponda a la temperatura de vaporización de algunos de los elemento de aleación

Asegurar la ejecución de unas operaciones bajo una atmósfera que corresponda a las necesidades tecnológicas.

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Siderurgia y Acería

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Refleja por la

Es inferior por:

La fusión de la carga fría se realiza mas ventajosamente por radiación del arco que por inducción

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No se ha podido obtener hasta el ahora un material refractario básico que en condiciones especificas, el calentamiento por inducción, tenga una resistencia adecuada, a falta de esta no se puede realizar la desulfuración y desfosforación del baño metálico por lo que no se puede producir todas las marcas de acero; que pueden ser incluidos en el programa de una factoría; La utilización de un refractario no adecuado impurifica el acero.

En el caso, que la escoria no es aislada del medio que la rodea, la actividad de esta es muy reducida, lo que impide el desarrollo de las reacciones que tienen lugar por difusión entre esta y el baño metálico.

La elección del tipo de horno, para la elaboración del acero, se va a preferir un horno eléctrico por inducción solamente cuando en la factoría exista o puedan ser creadas las condiciones que ponen en evidencia las ventajas respectivas en relación a las desventajas del arco eléctrico.

Estas condiciones dependen del programa De producción de la factoría

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De las características de la carga metálica, (Desulfuración y desfosforación), se da la siguientes situaciones:

a) Que la C.Q.de la carga no se conoce , ya que proviene de diferentes proveedores, en este caso no se elige al HEIC

b) Que la C.Q. de la carga se conoce ya que proviene de un mismo proveedor, lo que permite determinar su composición química, en este caso el horno de inducción se puede elegir, si :

Si el contenido P y S de la caga metálica es inferior al prescrito al del acero a elaborar

GRACIAS

NOS VEMOS EN MARZO 2012

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