Diseño de Un Horno Basculante

Diseño de un Horno Basculante para la Fundición de Aluminio

Un Trabajo Presentado Para el curso de Hornos Metalúrgicos Ing. Metalúrgica VIII Ciclo Universidad Nacional José Faustino Sánchez Carrión

Gallardo Rea, Carlos A. Marzo 2017.

Agradecimiento

Agradezco a mis padres por brindarme su apoyo para con mis estudios, para lograr ser buen profesional y mejorar día a día tanto como persona y como profesional. Al ingeniero a cargo del curso por llevarme al camino de la investigación y del desempeño como profesional.

Índice

Agradecimiento............................................................................................................2 Índice............................................................................................................................ 3 Resumen....................................................................................................................... 5 Introducción................................................................................................................. 6 I.

Objetivos...............................................................................................................7 1.1.

Objetivo General.........................................................................................................7

1.2.

Objetivos específicos...................................................................................................7

II.

Horno Basculante.................................................................................................8 2.1.

Aluminio....................................................................................................................... 8

2.1.1.

Características Físicas.........................................................................................8

2.1.2.

Características Químicas.....................................................................................9

2.1.3.

Aplicaciones y Usos.............................................................................................9

2.2.

Proceso de Fundición de Aluminio a partir del Mineral Reciclado..............................10

2.2.1.

Reciclaje del Aluminio.........................................................................................10

2.2.2.

Fusión del Aluminio............................................................................................10

2.2.3.

Variables que Caracterizan el Proceso de Fundición de Aluminio......................11

2.3.

Horno Basculante......................................................................................................12

2.4.

Refractarios............................................................................................................... 13

2.4.1.

Generalidades de los Materiales Refractarios....................................................13

2.4.2.

Clasificación de los Materiales Refractarios.......................................................13

2.4.3.

Definición y Constitución de los Materiales Refractarios....................................15

III.

Diseño y Cálculo del Horno Basculante........................................................16

3.1.

Selección del Crisol...................................................................................................16

3.2.

Posición del crisol en el horno...................................................................................17

3.3.

Arranque del crisol o prendida del horno...................................................................17

3.4.

Selección del Material Refractario.............................................................................17

3.5.

Calculo del Tamaño de la Cámara de Combustión....................................................17

3.6.

Calculo del Centro de Masa......................................................................................18

3.7.

Cálculo y Diseño del Eje............................................................................................19

3.8.

Cálculo y Selección del Rodamiento.........................................................................20

3.8.1.

Selección del rodamiento...................................................................................20

3.8.2.

Carga estática equivalente.................................................................................20

3.9.

Calculo de la Combustión..........................................................................................21

3.10.

Calculo de Transferencia.......................................................................................21

3.10.1.

Calentamiento y vaciado................................................................................21

3.10.2.

Calentamiento del metal.................................................................................21

3.10.3.

Masa combustible necesaria...........................................................................22

3.10.4.

Transferencia de calor....................................................................................23

3.10.5.

Pérdidas en la pared cilíndrica......................................................................23

IV.

Conclusiones...................................................................................................25

V.

Recomendaciones..............................................................................................25

VI.

Bibliografía......................................................................................................26

Resumen

Se ha realizado un diseño de un horno de crisol basculante con fines didácticos y de investigación, el cual es un equipo para la fusión de aleaciones no ferrosas. En este horno el metal que se fundirá se encuentra en el interior de un crisol fabricado de grafito. Este crisol se posiciona en el interior de la cámara de combustión cilíndrica, que a su vez está formada internamente por un revestimiento refractario y externamente por una carcasa de lámina de acero. La potencia mínima requerida por el horno para fundir una carga de una aleación de aluminio, determinó mediante un análisis termodinámico, dando un valor de 12.50 kW (42.550 BTU/h). Con lo cual se obtuvo un estimado de consumo de gas propano de 1.49 lb/h; es decir, un cilindro de 100 lb de gas puede durar 67 horas de operación. Este horno opera independiente de una conexión eléctrica y es amigable con el medio ambiente; es decir, opera con un quemador atmosférico, el cual fue seleccionado y adquirido. Finalmente, se realizó el curado del material refractario del horno y se comprobó el funcionamiento mediante la fusión de una carga de aluminio en el cual se pudo corroborar la efectividad del diseño ya que el tiempo para obtener la temperaturas con el fin de fundir la carga se aproxima a la obtenida en el cálculo de eficiencia energética del horno.

Introducción

Para el siguiente proyecto, se asignó diseñar un horno basculante de crisol, de producción de 1 tn/h, que al momento de la extracción del material fundido, en este caso de aluminio, el mismo vuelque el contenido a raves de un mecanismo sin que el crisol deba ser extraído del horno. Entendemos por hornos industriales los equipos o dispositivos utilizados en la industria, en los que se calientan las piezas o elementos colocados en su interior por encima de la temperatura ambiente. El objeto de este calentamiento puede ser muy variado, por ejemplo:    

Fundir. Ablandar para una operación de conformación posterior. Tratar térmicamente para impartir determinadas propiedades. Recubrir las piezas con otros elementos.

I.

I.1.



Objetivo General

Diseñar un horno de fundición de aluminio tipo basculante y sus moldes.

I.2.    

Objetivos

Objetivos específicos

Establecer los parámetros de diseño para el horno de fundición de aluminio. Calcular los elementos y mecanismos que conforman el horno de fundición. Realizar el manual de funcionamiento para el horno de fundición de aluminio. Elaborar la guía para la práctica de laboratorio.

II. II.1.

Horno Basculante

Aluminio

El aluminio es un elemento químico, de símbolo Al y número atómico 13. Se trata de un metal no ferromagnético. Es el tercer elemento más común encontrado en la corteza terrestre. Los compuestos de aluminio forman el 8% de la corteza de la tierra y se encuentran presentes en la mayoría de las rocas, de la vegetación y de los animales. En estado natural se encuentra en muchos silicatos como son feldespatos, plagioclasas y micas. Como metal se extrae únicamente del mineral conocido con el nombre de bauxita, por transformación primero en alúmina mediante el proceso Bayer y a continuación en aluminio metálico mediante electrólisis. Este metal posee una combinación de propiedades que lo hacen muy útil en ingeniería mecánica, tales como su baja densidad y su alta resistencia a la corrosión. Es buen conductor de la electricidad y del calor, se mecaniza con facilidad y es relativamente barato.

II.1.1. Características Físicas

Entre las características físicas del aluminio, destacan las siguientes:    

Es un metal ligero, cuya densidad es de 2.700 kg/m3 Tiene un punto de fusión bajo: 660 °C (933 °K). El peso atómico del aluminio es de 26,9815 g/mol. Es de color blanco brillante, con buenas propiedades ópticas y un alto poder de



reflexión de radiaciones luminosas y térmicas. Tiene una elevada conductividad eléctrica comprendida entre 34 y 38 m/Ω mm2 y una



elevada conductividad térmica 80 a 230 W/°K. Resistente a la corrosión, a los productos químicos, a la intemperie y al agua de mar, gracias a la capa de Al2O3 formada.

II.1.2. Características Químicas 

Debido a su elevado estado de oxidación se forma rápidamente al aire una fina capa superficial de óxido de aluminio impermeable y adherente que detiene el proceso de

 

oxidación, lo que le proporciona resistencia a la corrosión y durabilidad. El aluminio tiene características anfóteras. El principal y casi único estado de oxidación del aluminio es +III como es de esperarse por sus tres electrones en la capa de valencia.

II.1.3. Aplicaciones y Usos Ya sea considerando la cantidad o el valor del metal empleado, el uso industrial del aluminio excede al del cualquier otro metal exceptuando el hierro o acero. Es un material importante en multitud de actividades económicas y ha sido considerado un recurso estratégico en situaciones de conflicto. El aluminio puro se utiliza rara vez 100% puro y casi siempre se usa aleado con otros metales para mejorar alguna de sus características. El aluminio puro se emplea principalmente en la fabricación de espejos, tanto para uso doméstico como para telescopios reflectores. Los principales usos industriales de las aleaciones metálicas de aluminio son: 

Transporte como material estructural en aviones, automóviles, trenes de alta velocidad,

    

metros, tanques, superestructuras de buques y bicicletas. Estructuras portantes de aluminio en edificios. Embalaje de alimentos; papel de aluminio, latas, tetrabriks, etc. Carpintería metálica; puertas, ventanas, cierres, armarios, etc. Bienes de uso doméstico; utensilios de cocina, herramientas, etc. Calderería.

II.2.

Proceso de Fundición de Aluminio a partir del Mineral Reciclado

II.2.1. Reciclaje del Aluminio El aluminio es 100% reciclable sin merma de sus cualidades físicas, y su recuperación por medio del reciclaje se ha convertido en una faceta importante de la industria del aluminio. El proceso de reciclaje del aluminio necesita poca energía. El proceso de refundido requiere sólo un 5% de la energía necesaria para producir el metal primario inicial. Al aluminio reciclado se le conoce como aluminio secundario, pero mantiene las mismas propiedades que el aluminio primario. La fundición de aluminio secundario implica su producción a partir de productos usados de dicho metal, los que son procesados para recuperar metales por pre-tratamiento, fundición y refinado. Para proceder al reciclaje del aluminio primero hay que realizar una revisión y selección de la chatarra según su análisis y metal recuperable para poder conseguir la aleación deseada. La chatarra preferiblemente se compactará, generalmente en cubos o briquetas o se fragmentará, lo cual facilita su almacenamiento y transporte. La preparación de la chatarra descartando los elementos metálicos no deseados o los inertes, llevarán a que se consiga la aleación en el horno de manera más rápida y económica. El residuo de aluminio es fácil de manejar porque es ligero, no arde y no se oxida y también es fácil de transportar. El aluminio reciclado es un material cotizado y rentable. El reciclaje de aluminio produce beneficios ya que proporciona ocupación y una fuente de ingresos para mano de obra no cualificada.

II.2.2. Fusión del Aluminio La fusión del aluminio es un proceso que se realiza mediante la adición de energía usando hornos de diferentes características, los cuales pueden ser muchos en cuanto a tipo y diseño, pero de acuerdo al tipo de suministro de energía, los hornos de fusión se clasifican en hornos de combustión, eléctricos y mixtos. En nuestro medio la fusión se la efectúa casi exclusivamente en hornos de combustible, empleando por razones económicas diésel. El aluminio tiene un punto de fusión de 660 °C, relativamente bajo en comparación con el bronce 900 °C o hierro 1508°C, sin embargo se precisa un 80% más de calor latente para fundir aluminio que para fundir bronce. Para obtener éxito en el proceso de fusión es necesario poder medir y/o regular la temperatura del caldo puesto que una vez que toda la carga se ha fundido, la temperatura comenzara a elevarse con suma rapidez si es que seguimos con el mismo suministro de calor ya que el requerimiento calórico será menor y mientras mayor sea el recalentamiento a que somete el caldo mayores serán los problemas y menor la calidad de la aleación.

Un proceso inadecuado produce en el metal un estado de deterioro causado por oxidación y por disolución de hidrogeno. El óxido que se produce sobre la superficie de las piezas de aluminio es alúmina anhídrida cuya fórmula es:

3 2 Al + O2= Al2 O 3+ 380Cal (1 ) 2 En estado líquido la formación de óxidos se debe por lo general a la reacción del vapor de agua con el metal y la ecuación química de este proceso es:

3 H 2 O+2 Al= Al 2 O3 + H +Calor (2) Esta capa de óxido que se forma en la superficie del metal liquido toma el nombre de escoria cuando se torna demasiado gruesa, pero si el metal se encuentra en estado de reposo, esta es la mejor protección que se puede brindar al baño, si por cualquier circunstancia la capa se rompe es inmediatamente sustituida por otra.

II.2.3. Variables que Caracterizan el Proceso de Fundición de Aluminio Las

consideraciones

de

fusión

dadas

a

continuación

permiten

establecer

las

características necesarias para obtener fundiciones de calidad minimizando recursos y tiempo:  

El control de la temperatura de fusión y colado debe ser adecuado. La fusión del metal debe realizarse en el menor tiempo posible.

Por lo tanto de acuerdo con las condiciones iniciales del horno, y según los requerimientos del proceso de fundición de aluminio se caracterizan algunas variables debido a que se debe tomar en cuenta algunos parámetros los que dependen de la forma del horno, los mismos que se describen en el diseño, de la cantidad de materia a fundir, de la temperatura y tiempo necesario para fundir el metal, la eficiencia del horno la misma que se basa en la cantidad de calor útil y la cantidad de pérdida de calor. II.2.3.1.

Peso de la Carga

Se tomó como referente un peso de 20 kg del metal a ser fundido. El volumen o capacidad del trabajo mantiene relación directa con los Kg/hora de producto y el mercado al cual se dirija la industria por lo tanto se determina un volumen inferior y adecuado para realizar prácticas académicas. II.2.3.2.

Temperatura

La fundición del metal debe realizarse a mayor temperatura la misma que debe ser uniforme y para colar a la mejor temperatura posible. Por consiguiente se toman los siguientes datos de temperatura:

 

Temperatura ambiente 20 °C. Temperatura de fusión del Aluminio 660 °C.



Temperatura del metal fundido para que pueda estar en condiciones óptimas de colado



y ser puesto en moldes adecuados, debe tener alrededor de 800 °C. Temperatura de la cámara de combustión 900 °C.

II.2.3.3.

Tiempo

El tiempo del proceso de fusión es de 45 minutos que equivale a 0,75 horas; este es el tiempo necesario para que la cámara de combustión llegue a 900°C y la temperatura de colado sea la óptima. II.2.3.4.

Calor necesario para la Fundición de Aluminio

Es importante que la cantidad de calor que pasa a la carga sea de gran magnitud; para de esta manera economizar en lo que ha combustible se refiere, y se puede conseguirlo analizando las pérdidas de calor que se producen. Por consiguiente el calor necesario será igual a la sumatoria de la cantidad útil de calor más el calor perdido por transferencia de calor.

II.3.

Horno Basculante

Es un horno movible apoyado sobre un sistema de sustentación. Usualmente se les utiliza cuando es necesaria una producción relativamente grande de una aleación determinada. El metal es transferido a los moldes en una cuchara o un crisol precalentado, con la excepción de casos especiales en que es vaciado directamente. El tipo original de horno basculante, con capacidades de 70 kg a 750 kg de latón, bascula en torno a un eje central. Su desventaja es que el punto

de descarga acompaña el movimiento basculante.

Para

superar

este

inconveniente se desarrolló un horno basculante de eje en la piquera, con capacidad de 200 kg a 750 kg de latón, y el modelo moderno es basculado por pistones hidráulicos, otorgando la ventaja de un mayor control en la operación de vaciado[ CITATION Mos12 \l 3082 ] El calentamiento del material contenido en el crisol se hace por vía indirecta, mediante los gases de combustión que fluyen por la parte exterior del crisol, la transmisión del calor al metal se hace fundamentalmente por conducción a través de las paredes del crisol, y los gases de combustión salen del horno a alta temperatura. Los crisoles son en esencia recipientes abiertos por la parte superior, de forma troncocónica, en la actualidad existen de varias tamaños. Este tipo de hornos constituyen el primer paso dado para alcanzar un rendimiento en la fusión de los metales; ya que se empezó a inyectar aire para mejorar su combustión y obtener una mayor eficiencia térmica con respecto al horno de crisol fijo. En contrapropuesta los experimentos de precalentamiento de aire no han sido muy satisfactorios, pues solo se consigue reducir pequeñas cantidades de combustible, lo que resulta de gran ayuda en la disminución de costos.

II.4.

Refractarios

II.4.1. Generalidades de los Materiales Refractarios

En las operaciones de fundición, los materiales refractarios cumplen un papel fundamental dentro del proceso, ya que tienen la función de mantener la temperatura y otorgar estabilidad estructural al horno o convertidor. Una de las dificultades que tiene la construcción del horno tipo basculante es el cálculo del revestimiento refractario. Por esta razón la determinación del espesor de ladrillo, manto cerámico y chapa de acero es relevante para determinar el estado del equipo, que se requiere para planificar los trabajos de mantención pertinentes y optimizar el proceso de fusión. El presente trabajo tiene por finalidad presentar un método confiable que permita estimar el espesor de los revestimientos refractarios en base a la temperatura de la superficie externa de los hornos. La metodología se basa en balances de energía que describen la transferencia de calor ocurrida en el horno que considera los perfiles de temperatura y los espesores de los ladrillos, manto y carcaza[ CITATION CEN97 \l 3082 ] Hoy en día los refractarios son materiales muy importantes en cualquier lugar donde se requieren altas temperaturas, ya sea en equipos tales como calderas, hornos de vidrio, cerámica, Hierro, cobre, acero, etc. Además de proporcionar aislamiento térmico, los refractarios pueden soportar abrasión e impactos, resistir polvos, humos, metales fundidos y escorias, en tal extensión como sean las exigencias.

II.4.2. Clasificación de los Materiales Refractarios II.4.2.1.

Refractarios ácidos

Son resistentes a escorias del tipo ácidas, los básicos son resistentes a las escorias básicas y los neutros son resistentes a ambas. De acuerdo a su composición química, se tienen ladrillos de arcilla refractaria, de alta alúmina, de sílice, y básicos de liga directa, convencional y química[ CITATION Shi01 \l 3082 ] II.4.2.2.

Refractarios básicos

Varios refractarios se basan en el MgO (magnesia o periclasa). El MgO puro tiene un punto de fusión alto, buena refractariedad buena resistencia al ataque por los entornos que a menudo se encuentran en los procesos de fabricación de acero. Típicamente, los refractarios básicos son más costosos que los refractarios ácidos. II.4.2.3.

Refractarios neutros

Normalmente incluyen la cromatina y la magnesita, pueden ser utilizados para separar refractarios ácidos de los básicos, impidiendo que uno ataque al otro.

II.4.2.4.

Refractarios especiales

El carbono, el grafito, es utilizado en muchas aplicaciones refractarias, particularmente cuando no hay oxígeno fácilmente disponible. Estos materiales refractarios incluyen la circonia (ZrO2), el circón (ZrO2.SiO2) y una diversidad de nitruros, carburos y boruros[ CITATION Vas11 \l 3082 ]. Así mismo y cada vez más frecuentemente, ciertos procesos de producción específicos no pueden ser puestos en marcha si no

se

ha

desarrollado previamente el revestimiento

refractario adecuado. De todo ello se deduce el carácter estratégico de este tipo de materiales, más allá del valor en sí del material o de su participación en la estructura de costes de un determinado proceso. Por otra parte, un revestimiento refractario- aislante protege a la estructura portante de las altas temperaturas y hace que las pérdidas de calor a través de las paredes de los hornos sean menores, contribuyendo de ese modo al ahorro energético, debido a un menor consumo de calor. Además, los materiales refractarios ayudan a proteger el medio ambiente asegurando que las temperaturas altas necesarias en muchos procesos no presentan un impacto perjudicial para el medio ambiente. Los principales sectores de aplicación de los materiales refractarios, así como el tipo de instalación en la que se usan pueden verse en la Tabla 5. En ella también

se da la

temperatura del proceso y el tipo o tipos de refractarios utilizados. Se observa que se corresponden con sectores industriales básicos de la economía de un país. Si al sector siderúrgico añadimos el de tos metales no férreos, el del vidrio, el del cemento y la cal y el cerámico tradicional el tanto por ciento de consumo anterior se eleva al 80 %. La industria de los materiales refractarios ha experimentado una extraordinaria evolución en los últimos anos, como consecuencia de las nuevas y cada vez más exigentes especificaciones impuestas por las industrias consumidoras. Esto se ha traducido, no solo en un más estricto control de las materias primas y en

una

mejora de los procesos de

fabricación, sino en el aporte científico de técnicas que, procediendo tanto de la metalografía como de la fisicoquímica de materiales, han permitido el establecimiento de los diagramas de equilibrio de fases de los óxidos potencialmente utilizables como refractarios por su elevado punto de fusión (A12O3, CaO, SiC2, MgO, ZrO2, Cr2O3, etc), lo que ha supuesto un mejor conocimiento de la influencia de las impurezas presentes, a la temperatura y condiciones reales de trabajo de cada tipo de material. Igualmente el avance en los estudios micro estructurales han permitido prever, tanto el comportamiento ante el ataque químico o erosión de las escorias y gases presentes, como una mejor evaluación de las propiedades termomecánicas requeridas a los revestimientos refractarios[ CITATION Yun \l 3082 ]

II.4.3. Definición y Constitución de los Materiales Refractarios Pueden existir diversas maneras de definir lo que se entiende por un material refractario. Así, según la Real Academia de la Lengua se define material refractario como aquel cuerpo que resiste la acción del fuego sin cambiar de estado ni descomponerse. Por tanto, se considera como material refractario a todo aquel compuesto o elemento que es capaz de conservar sus propiedades físicas, químicas y mecánicas a elevada temperatura [ CITATION CAL95 \l 3082 ]. La norma española UNE (150 R836-68) define a los materiales refractarios como a aquellos productos naturales o artificiales cuya Refractariedad (Resistencia piroscópica o cono pirometrico equivalente) es igual o superior a 1500 ºC. Es decir, resisten esas temperaturas sin fundir o reblandecer. La resistencia piroscópica se determina según la norma UNE 61042 o la ISO/R 528 o la DIN EN 993-12. A su vez, son materiales cerámicos no metálicos. La definición anterior solo hace referencia a las temperaturas mínimas que debe de ser capaz de resistir un refractario, sin tener en cuenta otro tipo de solicitaciones o condiciones. Es importante precisar que la resistencia piroscopica es una condición necesaria, pero no es suficiente para que una material sea considerado como refractario, ya que además debe conservar a dichas temperaturas elevadas una resistencia mecánica y/o una resistencia a la corrosión suficientes para el empleo a que se destine. Una definición “ampliada”, que hace mención al hecho de que no es solo la resistencia a la temperatura lo que se exige a un material refractario, es la siguiente, Materiales capaces de resistir temperaturas elevadas conservando al mismo tiempo buenas propiedades operativas frente a las solicitaciones presentes en hornos y reactores industriales. Tenemos pues, que los refractarios son fundamentalmente materiales capaces de resistir altas temperaturas sin fundirse. Pero no solo eso, además deben poseer una resistencia mecánica elevada a dichas temperaturas para poder resistir sin deformarse su propio peso y el de los materiales que están en contacto sobre ellos. Dependiendo de las aplicaciones se les exigirán otras propiedades en mayor o menor grado, por ejemplo, la estabilidad química frente a los metales fundidos, las escorias, el vidrio fundido, los gases y vapores, etc. Y resistencia a los cambios bruscos de temperatura (Choque térmico). En su mayor parte los materiales refractarios están constituidos por silicatos, óxidos, carburos, nitruros, boruros, siliciuros, carbono, grafito, etc.

III.

Diseño y Cálculo del Horno Basculante

Una parte importante en el diseño es la construcción, donde todas las ideas en papel se cumplen y se dan a conocer tanto los éxitos como los errores en el diseño. Una buena manufactura de la pieza traerá como consecuencia: Uniformidad de propiedades mecánicas, reducción de esfuerzos en ciertas zonas y buen acabado superficial[ CITATION ÇEN05 \l 3082 ] Es importante notar que los parámetros calculados sirven de referencia, pues en su maquinado real tienen que ser modificados debido a situaciones externas por ejemplo: No contar con la herramienta adecuada, impurezas en los materiales que hace que sus propiedades no sean uniformes, el tipo de sujeción de la pieza entre otras. El tiempo y costo de construcción depende en gran manera del adecuado plan de proceso para cada pieza, apropiados parámetros de corte y uso correcto de las herramientas y máquinas herramientas.

III.1. Selección del Crisol El tamaño del crisol está determinado por las condiciones de diseño, que son:   

Fundir 20 kg de aluminio. Que el material resista alta temperaturas (1000 ºC). Económico.

En la selección del crisol se tuvo en cuenta que el material soportara altas temperaturas, para llevar el aluminio de un estado sólido a un estado liquido. Se utilizo Hierro fundido, por cumplir con las características más optimas para el proceso. El diámetro de crisol lo asumimos de 25 cm y la altura está determinada por la relación, masa sobre volumen es decir la densidad.

Ƿ= Ƿ= densidad m= masa v= volumen

v =π r 2 h

(4)

m v

(3)

III.2. Posición del crisol en el horno La posición del crisol en el horno es muy importante. La base del crisol puede estar al mismo nivel o ligeramente arriba de la línea del centro del quemador. Esto es posible si colocamos el crisol sobre el bloque pedestal a una altura apropiada, el crisol se debe colocar concéntrico a la pared interior del horno y dejar espacio uniforme de combustión alrededor.

III.3. Arranque del crisol o prendida del horno Para los crisoles ligados con arcilla la temperatura del horno debe subir muy lentamente y particularmente para grandes tamaños del crisol; esto asegura un buen recocido y evita agrietamiento en caso de contener algo de humedad; los crisoles ligados con carbón pueden ponerse en funcionamiento más rápidamente, lo que puede favorecer el revestimiento protector que es apto para temperaturas altas.

III.4. Selección del Material Refractario Esta selección del material refractario, se hace con el fin de contrarrestar las pérdidas de calor máximas que se pueden presentar, si no se cuenta con los refractarios. Basándonos en no permitir este problema, seleccionamos los siguientes materiales:    

Ladrillo refractario Arco 2, Recto, Ref. U-33. Fibra Cerámica HPS, NUTEC-FIBRATEC Mortero, SUPERAEROFRAX Concreto, CONCRAX-1500

Las especificaciones técnicas de estos materiales está dada por el proveedor. (Ver Anexos A, B, C)

III.5.

Calculo del Tamaño de la Cámara de Combustión

Volumen de la cámara de combustión:

vcc = q =800 kw/m3

m combus∗Δh q

(5)

Q=m∗∆ h

(6)

Q = = Potencia calorífica (kj/h) m = Flujo masico de combustible (kg/h) ∆h= Poder calorífico del combustible (kj/kg) 3 El poder calorífico para el ACPM es de 45000 kj/kg, y la ρ=850 kg/m , la masa de combustible necesaria es la relación entre la potencia calorífica solicitada y el poder calorífico del combustible. m = 4.03281993*10E-4 kg/s Y el volumen de la cámara de combustión queda: vcc = 0,0362953 m3

III.6. Calculo del Centro de Masa Es el punto donde puede considerarse que está concentrada toda la masa de un cuerpo para estudiar determinados aspectos de su movimiento. El centro de masa de una esfera de densidad uniforme está situado en el centro de la esfera. El centro de masa de una varilla cilíndrica de densidad uniforme está situado a la mitad de su eje. En algunos objetos, el centro de masa puede estar fuera del objeto. n

∑ mi∗yi

Y = i=1 n

∑ mi 1=1

Y = centro de gravedad y= centro de cada figura m = masa de cada figura

(7)

Ilustración 1. Diseño de un Horno Basculante.

III.7. Cálculo y Diseño del Eje

Un eje es un elemento de máquina generalmente rotatorio y a veces estacionario, que tiene sección normalmente circular de dimensiones menores a la longitud del mismo. Tiene montados sobre sí, elementos que transmiten energía o movimiento, tales como poleas (con correas o cadenas), engranajes, levas, volantes, etc. (Ver Figura 7)

Ilustración 2. Ilustración de un Eje.

La geometría de un eje es tal que el diámetro generalmente será la variable que se use para satisfacer un diseño. El procedimiento general para el diseño de ejes, consiste en los siguientes pasos: 

Definición de las especificaciones de velocidad de giro y potencia de transmisión



necesaria. Selección de la configuración. Elección de los elementos que irán montados sobre el eje para la transmisión de potencia deseada a los distintos elementos

a los que se

deba realizar tal transmisión. Elección del sistema de fijación de cada uno de estos 

elementos al eje. Precisar la posición de los cojinetes/rodamientos de soporte del eje. Propuesta de la forma general para la geometría del eje para el montaje de los



elementos elegidos (cambios de sección oportunos). Determinación de los esfuerzos sobre los distintos elementos que van montados

   

sobre el eje. Cálculo de las reacciones sobre los soportes. Cálculo de las solicitaciones en cualquier sección. Selección del material del eje, y de su acabado. Selección del coeficiente de seguridad adecuado, en función de la manera en que se



aplica la carga (suave, impacto). Suele estar entre 1.5 y 2. Localización y análisis de los puntos críticos en función de la geometría (cambios de

 

sección) y de las solicitaciones calculadas. Dimensionado para su resistencia. Comprobación dinámica de velocidad crítica. Determinación de las dimensiones definitivas que se ajusten a las dimensiones comerciales de los elementos montados sobre el eje.

Algunas recomendaciones que se deben tener en cuenta durante el diseño son: 

Los ejes han de ser tan cortos como sea posible para evitar solicitaciones de flexión elevadas. Con la misma finalidad, los cojinetes y



rodamientos

de

soporte se

dispondrán lo más cerca posible de las cargas más elevadas. Se evitarán en la medida de lo posible las concentraciones de tensiones, para lo cual se utilizarán radios de acuerdo generosos en los cambios de sección.

III.8. Cálculo y Selección del Rodamiento

III.8.1. Selección del rodamiento Cuando un rodamiento bajo varga está parado, efectúa lentos movimientos de oscilación, o funciona a velocidades muy bajas, su capacidad para soportar carga no viene determinada por la fatiga del material, sino por la deformación permanente en los puntos de contacto entre los elementos rodantes y los caminos de rodadura. Esto también es válido para rodamientos giratorios sometidos a elevadas cargas de choque durante una fracción de

revolución.

En

general pueden absorberse cargas

equivalentes a la capacidad de carga estática C0, sin perjuicio alguno sobre las características de funcionamiento del rodamiento.

III.8.2. Carga estática equivalente Las cargas que tienen componente radial y axial deben ser convertidas en una carga estática equivalente. La carga estática equivalente se define como la carga radial que si se aplicase produciría la misma deformación en el rodamiento que las cargas reales. Se obtiene por medio de la ecuación general: P0

= X 0 Fr + Y0 Fa (8)

P0 = Carga estática equivalente, en N Fr = Carga radial real, en N Fa = Carga axial real, en N X 0 = Factor radial Y0 = Factor axial

III.9. Calculo de la Combustión Para la ingeniería el proceso de combustión es fundamental, puesto que con el se logra liberar la energía química de los combustibles, depositarla como energía interna en la masa resultante de los gases de combustión y utilizar estos últimos en procesos de transferencia de calor, los combustibles son compuestos que tienen la particularidad de tener reacciones exotérmicas de oxidación, para lograr un proceso de combustión efectivo, se requiere que en la cámara de combustión se cumplan tres condiciones: 

Que el combustible y el aire estén mezclados adecuadamente, de tal manera que cada partícula de combustible

se

encuentre

rodeada

del aire

suficiente

para

su

reacción; el mecanismo utilizado para lograr lamezcla de los reactivos en la cámara 

de combustión es el de propiciar la mezcla dentro de ellos. Es necesario también que la mezcla aire combustible se encuentre a una temperatura determinada, llamada temperatura de ignición, para que se desencadene el proceso de



combustión. Una vez iniciada la combustión se requiere que cada partícula de combustible permanezca dentro de la cámara de combustión el tiempo suficiente para que pueda reaccionar completamente al que se le llama tiempo de residencia.

III.10. Calculo de Transferencia

III.10.1.

Calentamiento y vaciado

Para desarrollar la operación de fundición, el metal se calienta hasta una temperatura ligeramente mayor a su punto de fusión y después se vacía en la cavidad del molde para que

se solidifique. En esta sección consideramos varios aspectos de estos dos pasos en la fundición.

III.10.2.

Calentamiento del metal

Se usan varias clases de hornos, para calentar el metal a la temperatura necesaria. La energía calorífica requerida es la suma de 1) calor para elevar la temperatura hasta el punto de fusión, 2) calor de fusión para convertir el metal sólido a líquido

y 3) calor para elevar al

metal fundido a la temperatura de vaciado. Esto se puede expresar como:

(13)

Donde: H = Calor requerido para elevar la temperatura del metal a la temperatura de fusión, (J ) 3 ρ = Densidad, (Kg / m ) Cs = Calor específico del material sólido, ( J / Kg°C ) Tm = Temperatura de fusión del metal, (°C ) T0 = Temperatura inicial, generalmente la ambiente, (°C ) (H f ) = Calor de fusión, ( J / Kg ) ( Ct ) = Calor específico en peso del metal líquido, ( J / Kg°C ) (Tp ) = Temperatura de vaciado, (°C ) 3 V = Volumen del metal que se calienta, (m ) Entonces el calor requerido para elevar la temperatura del material es: H = 22866.089kJ En términos de potencia, lo dividimos en el tiempo necesario para llevar el aluminio en estado sólido a estado líquido. t =40minutos Entonces obtendremos que la potencia es de: Q = 9.52753 kw

III.10.3.

Masa combustible necesaria

El poder calorífico promedio para ACPM es de 45000 (kj/kg) y la densidad es de 850 (kg/m3), la masa de combustible necesaria, es entonces la relación calorífica solicitada (18.14768969 kw), y el poder calorífico del Combustible.

Q=m∗∆ h(14 ) Q = Potencia calorífica ( KJ / h) m = Flujo másico de combustible ( Kg / h) ∆h = Poder calorífico del combustible ( KJ / Kg ) De esta forma el flujo masivo del combustible es: m = 4.03281993*10E-4 kg/s

entre la potencia

III.10.4.

Transferencia de calor

Del estudio de la termodinámica sabemos que el calor es energía en tránsito que tiene lugar como resultado de las interacciones entre un sistema y sus alrededores debido a una diferencia de temperatura, de esta forma la transferencia de calor juega un papel importante, en lo que se refiere a las velocidades de transferencia de energía. Existen tres modos de transferencia de calor, llamadas conducción, convección y radiación, cada uno de estos modos puede estudiarse separadamente, si bien la mayoría de las aplicaciones en ingeniería, equipos de transferencia de calor como los intercambiadores de calor, las calderas, los condensadores, los radiadores, los calentadores, los hornos, los refrigeradores y los colectores solares, están diseñados tomando en cuenta el análisis de transferencia de calor. Los problemas de esta ciencia que es encuentran en la práctica se pueden considerar en dos grupos;  

De capacidad nominal. De dimensionamiento.

Los problemas de capacidad nominal tratan de la determinación de la velocidad de la velocidad de transferencia de calor para un sistema existente a una diferencia específica de temperatura. Los problemas de dimensionamiento tratan con la determinación del tamaño de un sistema con el fin de transferir calor a una velocidad determinada para una diferencia específica de temperatura.

III.10.5.

Pérdidas en la pared cilíndrica

La transferencia de calor estacionaria a través de cascos cilíndricos o esféricos de varias capas se puede manejar como en las paredes planas de capas múltiples,

al sumar una

resistencia adicional en serie por cada capa adicional, para el caso del material refractario presente en el horno de fundición se compone de tres capas de longitud L, que se muestra en la Figura 8 se puede expresar como:

Ilustración 3. Capas del Material.

En la práctica, a menudo se encuentran paredes planas que constan de varias capas de materiales diferentes, todavía se puede usar el concepto de resistencia térmica con el fin de determinar la velocidad de transferencia de calor, estable a través de esas paredes compuestas, donde la resistencia térmica de cada pared en contra de la conducción de calor viene dada por, L KA conectadas en serie y aplicando la analogía eléctrica. Es decir al dividir la diferencia de temperatura que existe entre las dos superficies a las temperaturas conocidas entre la resistencia térmica total que presentan ambas.

Ilustración 4.Perdida de Calor en Paredes Planas.

III.10.5.1. Tiempo de calentamiento de las paredes del horno El tiempo de calentamiento de las paredes del horno, se determino por la formula de Fourier. (15)

τ =0.2

ρ=1920

kg 3 m

Cp=0.79

kj kg ° C

l=0.05715 m2 k =0.90

w m °C

Obtenemos: T=18.348min

IV. 

Conclusiones

Uno de los principales inconvenientes, de la evaluación teórica fue la ausencia de equipos, especializados, para tales propósitos, pero que con ayuda de estudios



secundarios, se logró suplir y logar igual resultados veraces. La calidad de las piezas fundidas por el horno, es igual a la de los hornos que imperan en comercio, sumado a que se pueden lograr puntos de fusión más alto con el fin de lograr fundiciones

de materiales ferrosos y no ferrosos, esto se debe

a que el

ambiente en la cámara de combustión, fue diseñado para soportar temperaturas no 

mayores a 1750 °C. La diferencia de diámetros entre la cámara de combustión, y las paredes del crisol, cumplieron con los parámetros de diseño recomendado por los expertos en el área, todo esto con el fin de que la combustión fuera optima y se permitiera un flujo



turbulento, que propicie la uniformidad de temperatura en el horno. Hay que asociar el combustible y el aire en las proporciones adecuadas, 3/4” del caudal total del aire y ¼” del caudal de combustible en el momento de encendido y abrir al máximo para la combustión.

V.

Recomendaciones



Verificar las temperaturas con una cámara termo gráfica. Para tener idea de cómo se



va expandiendo el calor por todo el horno. Hacer un análisis elemental de los gases de combustión, para identificar los porcentajes que estos emanan al medio ambiente, que se produce de la quema del



ACPM. Implementar un mecanismo que remplace el volteo manual del horno, haciendo más



ergonómico y seguro. Programar un apagado adecuado del horno, cada vez que se realice una fundición, para conservar la textura de los ladrillos refractarios.

VI.

Ingenieria

electronica.

(09

de

Bibliografía

agosto

de

2015).

Obtenido

de

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