horno rotatorio.docx

UNIVERSIDAD PRIVADA DEL VALLE FACULTAD DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ELECTROMECANICA ELECTROMECANICA ASIGNATURA DE DISEÑO DE MAQUINAS

DISEÑO DE UN HORNO ROTATORIO ROT ATORIO

ALUMNOS: REINY DUARTE DANIELA REVOLLO

DOCENTE: ING.PERSY TAPIA FECHA: DICIEMBRE DE 2012

1. INTRODUCCION La fabricación del clinker de cemento portland, en los primeros tiempos, se realizaba en hornos verticales cargados y controlados manualmente. Este procedimiento exigía grandes esfuerzos físicos y presentaba el inconveniente de un funcionamiento irregular  produciendo un clinker de composición química y mineralógica variable y, a menudo, de mala calidad. Además la capacidad de producción de dichos hornos era muy baja. Este sistema, tan poco satisfactorio, fue reemplazado por hornos verticales automáticos, en los cuales con un buen crudo y con un combustible conveniente, era posible obtener un funcionamiento regular del horno y, por tanto, un clinker más homogéneo. El inconveniente que seguía presentándose era el de una producción limitada, nunca superior a las 300 toneladas por día.  A finales del siglo XIX apareció en Gran Bretaña el horno rotatorio, rotatorio, y hoy en día el piroprocesamiento del crudo con el fín de obtener el clinker tiene lugar, casi exclusivamente, con este tipo de horno. Frederik Ransome introdujo el horno rotatorio en la industria del cemento. Ransome patentó su invención, primero en Inglaterra, patente inglesa n° 5442 del 2 de mayo de 1885, con el título "Perfeccionamiento en la industria del cemento" y después en EE.UU. (patente U.S. n° 340.357 del 20 de abril de 1886 con el título "Fabricación del cemento", etc.). En la figura se reproduce el dibujo del horno anexo a la patente de Ransome. Ese horno estaba calentado por gas pues entonces no se conocía la calefacción por carbón. Más tarde se utilizó la calefacción por petróleo hasta que, finalmente, predominó la calefacción por carbón. Las dimensiones del primer horno rotatorio para cemento eran 1.80 - 2.0 m de diámetro, para una longitud de unos 20 - 25 m con caudales de 30-50 t/24 h. Como se advierte en la representación de la sección transversal del horno, Ransome aplicó ya ladrillos elevadores del material para conseguir la mejor transmisión del calor  entre los gases y el material. Decenios más tarde tales ladrillos elevadores encontraron aplicación renovada en el horno para cemento. La capacidad de producción de los hornos rotatorios, comparada con la de los hornos verticales, es mayor y aumento considerablemente, especialmente después de la introducción de los sistemas de intercambiadores de calor y de precalcinación, así como del adecuado control y automatización del proceso de piroprocesamiento. Hoy en día existen plantas con una capacidad capacidad de producción de 10000 t. clinker/24 h. Además hay que tener en cuenta que todo esto se ha logrado sin disminuir o incluso aumentando la calidad del clinker.

2. OBJECTIVO Disenar un horno rotatorio de clinker para la fabricacion de cemento con un flujo de 1000 toneladas diarias.

3. JUSTIFICACION

 Aplicar los conocimientos previos adquiridos en la carrera a la asignatura de diseno de maquinas, mas precisamente en el diseno de un horno rotatorio.

4. MARCO TEORICO 4.1. DEFINICION Es un dispositivo en el que, por medio del calor, se transforma una mezcla natural o artificial de cal y arcila en clinker. Los hornos rotatorios constan de un tubo cilindrico dispuesto con una cierta inclinacion sobre la hrizontal, que en su interior lleva un revestimieno de material refractario. El crudo se introduce por el extremo suerior y el combustible se aplica al otro extremo, el inferior, es decir que estos hornos trabajan a contracorriente. El tubo descansa sobre dos o varias pares de rodillos, segun su longitud. Estos estan dispuestos de tal forma que las lineas que pasan por el eje del horno y los ejes de los rodillos forman con la vertical un angulo de 30 grados, su posicion exacanse determina y se regul segun los aros de rodamiento.

4.2. TIPOS DE HORNO ROTATORIO Los tipos hornos rotatorios se dividen en los procedimientos empleados para la producción del clinker, (procesamiento mojado, semi-seco y seco) o por la longitud del horno (hornos largos y hornos cortos)

4.2.1. PROCEDIMIENTO HUMEDO  Abarca todos todos los procedimientos en los cuales la carga del horno penetra en la misma forma de suspensión con un contenido de humedad de 30 a 40%. Un horno de procesamiento mojado necesita una zona adicional (zona de deshidratación) para secar el agua de la carga, por la cual, deberá ser considerablemente mas largo y requiere teóricamente mas combustible para poder obtener la misma producción. Ventajas de un horno de procesamiento mojado:   

Uniformidad de la mezcla Menor perdidas en polvo Mejor calidad de materia prima

4.2.2. PROCESAMIENTO SEMI-SECO También conoció como horno de procesamiento de rejilla, comprende los hornos Polysius y Lepol. Son los hornos mas económicos debido que el consumo de consumo de combustible es reducido. Es un procedimiento en que la carga seca pulverizada primeramente es granulada en nódulos pequenos mediante una adicion de 10 a 15% de agua. Ventaja de los hornos de procesamiento semi-seco:  

Tamaño uniforme de salida del clinker  Consumo de combustible

Inconvenientes:  

Producción de nódulos Control del espesor de la carga sobre la rejilla movible

4.2.3. PROCESAMIENTO SECO En este proceso la carga es inducida en el horno en forma de polvo seco. Un buen numero de diferentes hornos de procesamiento seco so utilizados hoy en dia, la mayoría de estos se encuentran provistos de algunas característica de recuperación de una parte de la cantidad de calor proveniente de los gases que salen del horno, la cual se erderia de otra manera. Estos pueden ser subdivididos en los siguientes grupos:   

Hornos pre calentadores de gases en suspensión Hornos con intercambiadores internos de calor  Hornos con unidades de recuperación del calor ara la generación de energía

4.2.4. HORNOS ROTATORIOS LARGOS

Son hornos que tienen que pueden ser alimentados por vía húmeda o por vía seca, con diámetro de cilindro de hasta siete metros, y longitud comprendida entre 32 a 35 veces el diámetro del cilindro. Su inclinación suelen ser de 3 a 4.5%, con una velocidad de rotación de 1.5 a 2.5 r.p.m., lo que corresponde a una velocidad tangencial de 0.3 a 0.9 m/s. en estos el tiempo de permanencia del material a dentro varia de 3 a 5 horas.

4.2.5. HORNOS ROTATORIOS CORTOS Son hornos que tienen que pueden ser alimentados por vía semi-seca o por vía seca, con diámetro de cilindro de hasta siete metros, y longitud comprendida entre 51 a 17 veces el diámetro del cilindro. Su inclinación suelen ser de 3 a 4.5%, con una velocidad de rotación de hasta 2.5 r.p.m., en estos el tiempo de permanencia del material a dentro varia de 40 a 60 minutos.

4.3. ZONAS DEL HORNO El horno tiene distintas cuatro distintas zonas de acuerdo al estado del crudo. 







Zona de transición es la parte del horno, que se encuentra entre la zona de calcinación y de sintetizacion. Las temperaturas del material se encuentran entre aproximadamente 950 y 1300 oc. esta zona se divide en dos partes: Zona de seguridad tiene longitud de 2 veces el diámetro del horno, sus o ladrillos son de buena calidad por las elevadas temperaturas, en general ladrillos ricos en aluminio. Zona de transición, parte caliente tiene un largo de 2 a 4 veces el o diámetro, sus ladrillos tiene alta resistencia a elevadas temperaturas. Zona de sintetizacion se caracteriza generalmente por una costra más o menos estable, donde su largo depende de la forma de cocción, del combustible y de la forma de la llama. Normalmente su largo en sistemas de horno con precalcinacion se partirá de 6 a 8 veces el diámetro, debido a la alta carga. Por  las altas temperaturas las reacciones entre las fundentes de clinker y ladrillo y los choques de temperatura existentes, en las zonas de sinterizacion se utilizaran cantidades de magnesita con y sin componentes de cromita. Zona de preenfriado se caracteriza por choque de temperatura y la influencia de gases sobre el revestimiento refractario. Se utiliza calidad sin cromita. Zona de salida tiene aproximadamente 1 veces del diámetro del horno. Lo ladrillos son resistentes a la abrasión, con alto contenido de alúmina de 80 a 85%.

4.4. PARTES PRINCIPALES DEL HORNO ROTATORIO 







Alimentador  tiene sistema de intercambio térmico, por el que se recupera el calor residual evacuado con los gases de combustión salientes y precalcinadores que aumentan la eficiencia térmica del horno, disminuyendo el consumo de combustible. Horno es el cuerpo cilíndrico del horno rotatorio. En este caso el horno es cilíndrico simple sin variación de diámetros y la curva térmica e simple. Las temperaturas en este, operado por el método de la via seca, consta de tres zonas: Zona fría, 800 – 1200oC o o Zona intermedia, 1200 – 1400oC o Zona caliente, 1400 – 1600oC Cabezal comprende el recinto y los dispositivos que conforman el sistema de combustión. Enfriador es la parte del horno en el que se enfría el clinker que sale del horno, al mismo tiempo suministra al aire caliente que sirve como aire secundario para el quemador del horno. El clinker es enfriado desde 1300  – 1400 oC hasta 80  – 100oC.

4.5. EL PROCESO DE CLINKERIZACION El primer requerimiento obvio es producir un clinker de buena calidad en la zona de quemado. Un clinker de buena calidad tiene un mínimo de cal libre (0.3  – 0.7%) lo que significa que la cantidad máxima de cal en la carga del horno se ha combinado con sílice, alúmina y hierro durante el proceso de clinkerizacion.

4.6. LOS REFRACTARIOS El tiempo operacional de los hornos rotativos depende principalmente de la calidad de su revestimiento refractario. Para asegurar la operación del horno por un periodo de tiempo largo, es necesario un refractario de buena calidad, sin importar su precio. Paradas de hornos no planificados, son causadas por refractarios de baja calidad, lo que resulta en pérdidas de producción costosas.

Su función es principalmente la de proteger a la chapa del horno de la influencia de la llama y de los sólidos y gases calientes como también la reducir las pérdidas de calor  causadas por radiación y convección. Para elección del refractario se debe tomar en cuenta algunos factores como por  ejemplo la resistencia mecánica, la refractariedad, lz resistencia a los choques térmicos, resistencia a los ataques químicos, espancion térmica o estabilidad de volumen, conductividad térmica, resistencia a la abrasión y la porosidad del material.

5. MEMORIA DE CALCULOS Los datos obtenidos en este proyecto tienen como base al siguiente dato de diseño. Producción = 1000 ton/día

1.

Capacidad de producción será : W=producción actual * incremento Se tiene como dato una producción de : 1000 ton/día Factor de corrección por perdidas = 1,75

W= 100

    41,667  * 1,75 = 72917 Kg

2. Volumen de la carga puede ser calculado a partir de peso especifico, que está dado por la siguiente condición:

  De donde obtenemos el volumen con el peso especifico del clinker 



3150



VW

     ⁄⁄  ⁄  23,148 m

3

3. Área de llenado esta dado por   AW = VW/ L

AW = 23,248m 3/ 45 m = 0,514 m2 4. Dimensiones DIAMETRO INTERNO Con una longitud de 45m (supuesta) la teoría nos dice que la longitud es de 15 a 17 veces el diámetro y esto nos dará como resultado un diámetro entre 3  – 3.4 m. Di= 15 * L

Di= 3m DIAMETRO EXTERNO Ec = Espesor de la chapa = 26mm = 0.026m E ladrillo = Espesor del ladrillo refractario= 180mm = 0,180m De=Di+ EC*2 +E ladrillo * 2 = 3 + 0.026*2 + 0.180 *2 De = 3.412 m

5. Área interna Esta dada por: Di= 3m

  a= 3

a= Di2 2

a=7,068 GRADO DE LLENADO con esta área de llenado sabemos que el grado de llenado es :

S= a * 100

S = 7,28 %

6. Tiempo del material dentro del horno Por teoría sabemos que la velocidad aproximada para nuestro horno es de 2 rpm. L= 45m N= 2 rpm Di= 3m P= 3 % (ANEXOS)

         7. Calculo del centroide del segmento circular del material

Tenemos :  AW= 0,514 m 2 r= 1.5 m sabemos que el area esta dada por:

 Aw= r 2/2 *

    

Despejando obtenemos = 85,05 Este valor nos permite volver a verificar nuestro grado de llenado.

     

S=

S=

S = 1.99 m

               sen2

h=

sen2

h= h=

m

L=

L=

L = 2.17 m

Con estos datos ya podemos obtener el centroide.

   = 1.2776 m    Y=   Yo= o

8. Peso de las chapas Usaremos dos chapas con espesor distinto La chapa 1 estara en una longitud de 37,5 metros ya que en lo restante estará con una chapa de mayor espesor por ser en las partes de los apoyos . 

Chapa 1

VOLUMEN ʆ CHAPA1=7850 kg/m 3 L= 37.5 m De= 3.412 m Di=3.36 m

 (De Di )*L  = (3.412 3.36 )*37.5

VCHAPA1= VCHAPA1

2

2

 –

2

2

 –

VCHAPA1= 10,371 m3

PESO PCHAPA1= ʆ CHAPA1* VCHAPA1 PCHAPA1= 7850 kg/m 3 * 10,371 m 3 PCHAPA1= 81416.25 kg



Chapa 2 VOLUMEN ʆ CHAPA 2=7850 kg/m 3 L= 2.5 m De= 3.464 m Di=3.36 m

 (De Di )*L  = (3.464 3.36 )*2.5

VCHAPA2= VCHAPA2

2

2

 –

2

 –

VCHAPA2= 1.39 m3

PESO P2= ʆ CHAPA2* VCHAPA2 P2= 7850 kg/m 3 * 1.39 m3 P2= 10938.85 Kg

2

El peso lo multiplicamos por 3 ya que esta chapa se encuentra en los tres apoyos. PCHAPA2 = P2 * 3 PCHAPA2=32816,56 Kg

9. Peso corona Para realizar este cálculo consideramos el volumen de la corona como una pieza solida y dividimos en 2 para llegar a un valor aproximado y asi dejamos de lado la luz entre el horno y la corona.

Volúmenes ʆ = 7850 kg/m 3

L= 0.32 m

Volumen 1 P2= 7850 kg/m 3 De= 4.849 m Di=3.412 m

 (De Di )*L  V = (4.849 3.412 )*0.32 V1=

2

2

 –

1

V1= 2.98 m3

2

 –

2

PESO P1= ʆ * V1 P1= 7850 kg/m 3 * 2.98 m3 P1= 11710.32 Kg

Volumen 2 L= 0.32 m De= 4.966 m Di=4.849 m

 (De Di )*L  V = (4.966 4.849 )*0.32 2

V2=

2

 –

2

 –

2

2

V2= 0.29 m3

PESO P2= ʆ 2* V2 P2= 7850 kg/m 3 * 0.29 m3 P2= 2265.61 Kg Peso total : P 1 + P2 PTCORONA = 13975.93 Kg

10. Peso rodadura L= 0.44 m De rodadura= 4.214 m Di rodadura=3.554 m  = 7850 kg/m 3

 (De Di )*L  V= (4.214 3.554 V=

2

2

 –

2

 –

2

)*0.44

V=1.77 m3

PESO P=  * V P= 7850 kg/m 3 * 1.77 m 3 P= 13908.02 Kg PT RODADURA = P*3 PT RODADURA = 41724.06Kg

11. peso ladrillos 

perímetro que ocupara el ladrillo será: PERIMETRO = π * D = π * 3.36 

PERIMETRO = 10.55 

Numero de ladrillos ( E1 )

a=0. 105 m b=0.095m h=0.180m L=0.198 m

      



Area transversal de los ladrillos refractarios De=3.36 m Di=3 m  Atransversal =



(De2  – Di 2   )

 Atransversal = 1,798 m2  

volumen de los ladrillos L=45 V= Atransversal * L V= 1.798 * 45 V=80.921 m3

PESO DEL LADRILLO REFRACTARIO POR ZONAS long lineal

metro area lineal (m2) (m)

vol. (m3)

densidad (Kg/m3)

peso (Kg)

Zona

calidad

salida transicion inferior

kronex 85 almag 85 magpure 93

1 2D

1 6.72

1.798 1.798

1.80 12.08

2900 3000

5214.2 36247.7

3D

10.08

1.798

18.12

3000

54371.5

almag 80

2D

6.72

1.798

12.08

3050

36851.8

kronex 70 refratherm 150 chamota

2D

6.72

1.798

12.08

2750

33227.0

RESTO

12.76

1.798

22.94

1700

39002.2

1

1

1.798

1.80

1700

3056.6

sinterizacion transicion superior  Seguridad Precalentamiento Entrada

207932.8 Wladrillo= 207932.8 Kg

12. TABLA GENERAL DE CARGAS CARGAS

PESO Kg

Viva chapa 1 chapa 2 corona Rodadura Ladrillos TOTAL

72917 81416.25 32816.56 13975.93 41724.06 207932.8 450782.6

13. VELOCIDADES MOTOR DE COMBUSTION INTERNA n1= 300 rpm i1=5 i2=63 i3=7.6667

         

POTENCIA MOTOR DE ARRNQUE SECUNDARIO

         

Yo= 1.2776 m n= 0.124 rpm β= 20

w= 72917 kg = 160754,47 lb W= 450782,6 kg = 993805.53 lb D = 4.214 =13,829 pie Reemplazando:

    N = 9.07 hp

Se elige el de 10 hp.

MOTOR ELECTRICO n1= 1170 rpm i2=63 i3=7.6667

         

POTENCIA MOTOR ELECTRICO - PRINCIPAL

        

 Yo= 1.2776 m n= 2,422 rpm β= 20

w= 72917 kg = 160754,47 lb W= 450782,6 kg = 993805.53 lb D = 4.214 =13,829 pie Reemplazando:

      N = 177.11 hp

Se considera un rendimiento mecánico del 99%

     

Factor de corrección por la altura de Cochabamba en relación al nivel de mar 

5% por cada 1000 metros, con un total de 12,25%.

    

Por fin la potencia total del motor será:

Tipo Tamaño Marca  Armazón Peso Cos Ø potencia

Cerado 1482 x 610 WEG 355S/M 1453 0,80 160 KW

14. CALCULO PINON - CORONA

 =De pinion 

   

A UNA VELOCIDAD DEL HORNO DE 0,124 rpm Corona

Pinon

De2= 5022mm

De1= 702mm

Dp2=4968 mm

Dp1=648mm

N2= 184

N2= 24

PASO DIAMETRAL

    

ESFUERZOS DEL PIÑÓN Y DE LA CORONA DEL MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA ECUACIÓN DE LEWIS

     

Wt = fuerza tangencial = 47135.433 Pd = paso diametral = 0.9407 F = ancho de cara = 12.598 plg J =factor de geometría = 0.367 Kj = factor de tamaño = 1.513 Ka = factor de aplicación = 1.75 Km = factor de distribución = 1.63 Kb = factor de espesor corona = 1 Kv factor de dinámica = 0.952

                         ESFUERZO CORONA σtcorona =

      

CALCULO ESFUERZO HERTZ wt = 47135.433

f = 12.598 plg

ca = 1.75

I = 7.6667

cs = 1.531

Cv = 0.952

cm = 1.63

E1 = 30*10 6 psi

dp1 = 25.51pulg

E2 = 30*10 6 psi

V1 = 0.3 V2 = 0.3

σ

   √      

ESFUERZOS DEL PIÑÓN Y DE LA CORONA DEL MOTOR ELECTRICO ECUACIÓN DE LEWIS

      Wt = fuerza tangencial = 47605.492 Pd = paso diametral = 0.9407 F = ancho de cara = 12.598 plg J =factor de geometría = 0.367 Ks = factor de tamaño = 1.513 Ka = factor de aplicación = 1.75 Km = factor de distribución = 1.63 Kb = factor de espesor corona = 1 Kv factor de dinámica = 0.818

                          

ESFUERZO CORONA

σt corona =

        

CALCULO ESFUERZO HERTZ

wt = 47605.492 ca = 1.75 cs = 1.531 cm = 1.63 dp1 = 25.51pulg f = 12.598 plg I = 7.6667 Cv = 0.818 E1 = 30*10 6 psi E2 = 30*10 6 psi V1 = 0.3

V2 = 0.3

σ

   √      

15. ELECCIÓN DEL MATERIAL Esfuerzos a baja revolución σtp = 43994.14 psi __ 265 HB grado 2 σtc = 36695.11 psi __ 205 HB grado 2 σc = 11088.59 psi __ 365 HB grado 2

Esfuerzos a alta revolución σtp = 51711.612 psi __ 350 HB grado 2 σtc = 43132.185 psi __ 255 HB grado 2 σc = 170943.24 psi __ 400 HB grado 2

DIMENSIONAMIENTO RODILLO  – ANCHO  – DIÁMETRO

  √     En donde: D = diámetro de rueda = 120 cm B = ancho de carril P = reacciones de la rueda = 164135.022 Kg E1 y E2 = modulo de elasticidad = 2.1*10 6

 

  Para un factor de seguridad de 2

    

El material cumple con las especificaciones.

CALCULO DEL EJE DEL RODILLO La presión superficial entre los cojinetes del rodillo

  

En donde: L = longitud de cañón = 50 cm D = diámetro de eje = 35 cm F = fuerza máxima = 164135.022 Kg

    

Con un factor de seguridad de 2

      

El material a estas dimensiones cumple con estas especificaciones

FLEXION LONGITUDINAL EN EL EJE

           

VELOCIDAD DEL RODILLO

MOMENTO TORSOR DEL HORNO DEBIDO A LA FRICCIÓN

                             [][] Por unidad de longitud será:

        MOMENTO TORSOR EN LOS POLINES

                      [][] Por cada polin o apoyo será:

        MOMENTO TORSOR TOTAL

                                []  []         

EL MOMENTO TORSOR DE LOS RODILLOS

MOMENTO FLECTOR DEL EJE

                     Para este valor X 4 = 8.8 (elementos de máquinas de fratschner)

      √     √     

El diámetro del eje será de 35 cm.

MATERIAL PARA EL COJINETE F = 164135.0121 Kg = 1610164.47 N

                                                El cojinete será de bronce SAE CA932, 160-210 HB.

OTROS MATERIALES El acero de la chapa es el SAE-1010 su punto de fluencia será:

   Coeficiente de seguridad es 3

       APOYO # 1 Por cálculos previos tenemos la siguiente desigualdad:

Apoyo # 2

Apoyo # 3

           

Cumpliendo esto el material en la zona de los apoyos y de la corona será SAE1010 PARTE

MATERIAL

ABSERVACIONES

Chapa Chapa de apoyos Rodillo Polines Corona Piñón Eje Cojinete

SAE 1010 SAE 1010 SAE 1045 SAE 1010

ST52 ST32

SAE 1045 Bronce SAE CA923

83% Cu, 7% Sn, 7% Pb, 3% Zn