horno cubilote.docx
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DISEOESTRUCTURALYDIMENSIONAMIENTODELOSDIFERENTES ELEMENTOSDELCUBILOTE
ALBERTO SALVADOR ORIHUELA SANABRIA
TABLADECONTENIDO
Pg.
INTRODUCCIN19
1.PLANTEAMIENTODELPROBLEMA21
2.OBJETIVOS22
2.1.GENERAL22
2.2.ESPECIFICOS23
3.MARCOTEORICO23
3.1.LASFUNDICIONESYEL CUBILOTE23
3.2. MECANISMODELAFUSIONENELCUBILOTE25
4.CARACTERISTICASTECNOLOGICASDELCUBILOTE30
4.1CORAZA31
4.2.TUBERIAVENTILADOR-CAJADEVIENTO32
4.3.CAJADEVIENTO33
4.4.TUBERIACAJADEVIENTO-TOBERAS34
4.5.TOBERAS35
4.6.EQUIPODEMEDIDADELSOPLO36
4.7.PIQUERASDEMETALY ESCORIA38
4.8.PUERTADECARGA38
4.9CHIMENEA39
4.10.VENTILADORYPOTENCIAUTILDELVENTILADOR39
5.METODOLOGIA40
5.1.IDENTIFICACIONDELPROBLEMA41
5.2.REVISIONBIBLIOGRAFICA41
5.3.CALCULODELOSPARAMETROSDE FUNCIONAMIENTODELCUBILOTE CONUNAPRODUCCIONOPTIMADE2 t/h415.3.1.TemperaturadelafundicinLquida43
5.3.2.ProduccinHoraria43
5.3.3.ndicedeCombustin44
17
5.3.4.AirequeCombusteporHora(O2,N2,qc)44
5.3.5.FlujodeAire(Q)45
5.3.6.Potenciatildelventilador46
5.4.CALCULOYDISEOENSolidWorks2007DECADAUNODELOS ELEMENTOSDELCUBILOTECONUNAPRODUCCIONDE2t/h485.4.1.Carcasa49
5.4.2.Soportes49
5.4.3.TuberaVentilador-CajadeViento50
5.4.4.CajadeViento51
5.4.5.Toberas52
5.4.6.TuberaCajadeViento-Toberas54
5.4.7.ElementosdelCrisol57
5.4.8.TuboVenturi58
5.4.9.EstimacindelaalturaefectivaHe59
5.5.SELECCINDELTRANSPORTEMECNICOPARAELPROCESODE CARGUEDELHORNODECUBILOTE615.5.1.SeleccindelCable61
5.5.2.SeleccindelaPolea64
5.5.3.ClculodeltambordeEnrollamiento65
5.5.4.ClculodelaEstructuradelCarrodeCargue72
6.DISEOYCALCULODEL SISTEMADEINYECCINDEOXGENOPOR MEDIODELASTOBERAS766.1.PRINCIPALESCARACTERISTICASDELAFUSINSEGNEL PROCEDIMIENTOSEGUIDO836.2.PORCENTAJEDEOXGENOAADIDO85
6.3.TECNICASDEINTRODUCCINDEOXGENOENELCUBILOTE87
6.3.1.EnriquecimientodelAire porDilucindeOxgenoenlaTubera88
6.3.2.InyeccindeOxgenoporMediodelasToberas89
6.3.3.InyeccindeOxgenoenelCrisol91
7.CONCLUSIONES93
8.RECOMENDACIONES94
9.RESULTADOSESPERADOS95
10.REFERENCIASBIBLIOGRAFICAS96
ANEXOS100
LISTADEFIGURAS
Pg.
Figura1.HornodeCubilote24
Figura2.Influenciadelporcentajedecoqueentrecargasobreelndicede combustinsegnJungbluth.29Figura3.Representacingrficadelacombustinsimplificadadelcoqueenel cubilote30Figura4.Partesdelcubilote31
Figura5.Cajadeviento33
Figura6.Tuboventuri36
Figura7.Dimensionesdelventuri37
Figura8.Diagramareticularestndarde uncubilotedevientofro,enfriadocon agua,segnJungbluth42Figura9.Especificacionesdelossoportesdelcubilote50
Figura10.Especificacionesdelatuberaventilador Cajadeviento50
Figura11.Especificacionesdelacajadeviento52
Figura12.Especificacionesdelastoberas53
Figura13.Dispositivodeinversindelairedelastoberasautlimpiantes54
Figura14.Especificacionesdelatuberiacajadeviento-toberas55
Figura15.Especificacionesdelcrisol57
Figura16.Especificacionesdelventuri58
Figura17.HornoCubiloteDiseadoparalaEmpresaIDEA60
Figura18.Diagramadecuerpolibredelcarrodecargue61
Figura19.Poleasfijas64
Figura20. Tambordeenrollamiento66
Figura21.Estructuradelcarrodecargue74
Figura22.Rendimientodelacombustinenfuncindelatemperaturadelos humosparaviento fro76
Figura23.Rendimientodelacombustinenfuncindelatemperaturadelos humosparaviento fro77Figura24. Temperaturadelosgasesdecombustinsielcalortotalliberadose utilizaparaelcalor,segnelndicede combustin78Figura25.Influenciadelenriquecimientodelaireenlastemperaturasenel
cubilote80
Figura26.Cubilotecondoblehileradetoberas85
Figura27.Flujodeoxgenoqueseagregaenm3/h.enfuncindelairesopladoy delporcentajedesobreoxigenacin86Figura28.Inyeccindeoxgenoporlastoberas88
Figura29.Adiciondeoxgenopordilucin88
Figura30.Inyeccindeoxgenopordebajodelastoberas91
LISTADETABLAS
Pg.
Tabla1. ProduccinHorariaparauncubiloteconDi=600mm43
Tabla2. IndicedeCombustion44
Tabla3. AiredeCombustionporHoraPminy Po45
Tabla4.FlujodeAireSopladoydeCombustion46
Tabla5.SeccionTuberiaventiladorcajadevientoparaunPentre10%y15% 51
Tabla6.Diametrodelastoberasparadiferentesrelacionesentrelasecciondel cubiloteylasseccionesdelastobreas54Tabla7.Numerodetoberasenfunciondeldiametrointernodelcubilote56
Tabla8.Seccionydiametrodelatuberiacajade viento-toberas56
Tabla9.Seleccindelcable63
Tabla10.Poleasparacablesdeacero65
Tabla11.Selecciondelrodamientoteniendoencuentaeldiametrodelejeyla cargadinamica70Tabla12.Caracteristicastecnicasdelmotoreductor72
Tabla13.Comparacindelosefectosdelcoqueydeloxgenoenla fusindel cubilote79Tabla14.Comparacinentreelmtododedilucineinyeccindeoxgeno.91
LISTADEANEXOS
ANEXOA. ESPECIFICACIONESTECNICASPARTICULARESPARAEL HORNODECUBILOTEDISEADOPARALAEMPRESAINDUSTRIALDE
Pg.
ACCESORIOSLTDA101
ANEXOB.SELECCINDELMOTORPARAELVENTILADORPARALA INYECCINDEAIREENELCUBILOTE104ANEXOC. CARTASDECOMPROMISOYCUMPLIMIENTODELOS
OBJETIVOSPLANTEADOSPORPARTEDELAEMPRESAINDUSTRIALDE ACCESORIOS"IDEA"106ANEXOD. PLANOSDECONSTRUCCION108
3.MARCOTEORICO
3.1 LASFUNDICIONESY ELCUBILOTE
Definidascomounaaleacindehierroycarbonoconuncontenidodecarbono quevaraentreel2,0%Cy por finestcnicoshastaun 4,5%C. Aleacionescaracterizadasporsuexcelenteaptitudalmoldeo,sueconomayestnprovistas demicroestructurasvariadasque les permitenserutilizadasenunagamade aplicaciones,hansidotradicionalmenteelaboradasenelhornodecubilote.
Hoyenda,enlosestadosunidosel 60%de las fundicioneselaboradasson fundidasenelcubilote,porcentajequeseelevahastael65%siseconsideran todoslospasesdesarrollados.
Unodeloshornosmsutilizados enelprocesodefundicineselhornode cubilote,yaqueloscostosdeproduccinsonbajosencomparacinconotrotipo dehorno,suoperaciny controlduranteelprocesono presentangrandes dificultades,no requieremayorcantidaddemanodeobraynoocupamucho espacio.
Enel cubiloteseproducenunagranfamiliadefundiciones,desdela tradicional fundicincon grafito laminar, fundicionesblancas,atruchadas,fundiciones maleablesy dctileshastadealtaaleacincomolasNi-Hard,Ni-Resistentesy fundicionesalcromo.Soloelcontenidode carbonoenla fundicinlimitala elaboracinde las fundicionesenaltohorno.Enefecto,cuandoelcontenidode carbonoenlafundicines menorque3.0%Cse requieredehornoselctricospara poderfabricarlas.El horno de cubilote (Figura 1) es un horno de cuba, su diseo es sencillo, consisteenuncilindroverticalcuyointeriorseencuentrarevestido porunmaterial
24
refractario,quepuedetenerunanaturalezaqumicacida,bsicao neutra.Utiliza comocombustibleelcoquey comocomburenteelaire.Delmismotipoqueelalto horno,sediferenciaporelproductofundidoqueelaborayporlacargaqueutiliza. Enelaltohornoseutilizamineraldehierrocomo cargay enelcubilote chatarrade fundicinydeaceros.El producto fundido que se obtiene en el cubilote tiene caractersticas metalrgicas,qumicasy mecnicasmuydiversas,quelespermitenteneramplias aplicaciones.
Figura1.HornodeCubilote
Fuente:ALONSO,BAQUEROARNALDO.Diseo,operacinycontroldel cubilote.Bucaramanga:DivisinEditorialydepublicacionesUIS.2000
Lascaractersticas dediseocubilote datan desde elsigloXVIII, ysudiseo bsico no ha experimentado cambios radicales. Su calificacin como horno moderno comienza en la dcada de los aos cincuenta cuando se puso en
funcionamiento la tcnica de fusin de viento caliente. Posteriormente la disminucindelcostodeloxgenoy ladoblehilerade toberashicierondelcubilote un horno moderno con alta eficiencia trmica. Cumple con todas las especificacionesqueregulanlasemisionesalmedioambiente,aun lasms vigentes.
3.2MECANISMODELAFUSIONENELCUBILOTE
Sumecanismodefusionsebasaenlostrabajosdelosinvestigadoresalemanes Junbluth1,Patterson2 yNeumann3,ellasseencuentranrecopiladasensumatyor parteenlaobradeGuyot.4(1)Elprincipioqueregulaelmecanismodefusinenestehornoeslaocurrenciadedos reacciones al ponerse en contacto el aire soplado con el coque incandescente:
Laprimerareaccineslareaccindecombustindelcarbonodelcoqueque genera la energa necesaria para precalentar, fundir y sobrecalentar la fundicin.ConsiderandounKmoldecarbonoestareaccinseexpresa:C+O2 +3,8N2 CO2+3,8N2 +97.600Kcal[1]Enlacombustindelcoqueenelcubiloteelairecirculaagranvelocidadyaun flujomsomenosconstante.Elfactorquedeterminalacinticadelareaccineslatransferenciademasaquetienelugaratravsdelapelculadeairequeesten
1JUNGBLUTH,H.Lasleyesdelafusin.EnGEISSEREI,(mar,1939);p.113-120.2PATTERSON,WYNEUMANN,F.Reglasdelafusinenelcubilote.EnGeisserei,(feb,1961);p.49-563NEUMANN,F.Ventajasmetalrgicasdelafusinenelcubilotedevientocalienteyenelde vientofro.En:Geisserei.(sep.1964);p.538545.4GUYOT,J.Manuelducubilot.1ed.Paris:EditionsTechiniquesdesIndustriesdelaFonderie,1980.P.85,87
contactoconelcoquey quehacereferenciaespecficamentealoxgeno.La cantidadde masaquesetransfiereporunidadde volumen(oxgeno),es proporcionala lavelocidaddelaireeinversamenteproporcionalalespesordelcoque.Seexpresaporlareaccin:
Endonde:
M:Masadeoxgenotransferida
M=K.vAd
[2]
d:EspesordelcoqueconsideradoesfricovA:VelocidaddelaireK:Coeficientedeproporcionalidad
Comosepuedeapreciarenla expresinanterior,la velocidaddelsoploenlas toberasyeltamaodelcoqueejerceninfluenciadeterminanteenlacombustin delcoque.
Lasegunda reaccin,conocidaconelnombredereaccindegasificacindel coque, se caracteriza por consumir calor al producirse. Esta reaccin,considerandounKmolde carbonoserepresenta:CO+C2CO38.800Kcal[3]La capacidaddelcoqueparaproducirestareaccinseconoceconelnombrede reactividaddelcoque,y hasidounadelaspropiedadesquemscontroversiaha originado. Ladisparidad decriteriofuedilucidada porelinvestigador Seymour Katz5 (1),alexplicarlosmecanismosdelareaccindegasificacinylas caractersticasdelcoquequelainfluencian.SegnKatz,elvalordelareactividaddelcoqueesimportanteabajastemperaturas,peroatemperaturassuperioresa
5 KATZ,S.Definingthecokepropertiesthatdirectlyaffecttheenergyefficiencyofcupolas.49CongresoInternacionaldeFundicin.Chicago:1982
13000Cla velocidadde la reaccinesdependientedeotrosfactorescomoel contenidodecarbono,eldimetrodelcoque,laporosidaddelacamadecoquey elflujodeaire.Si en lugar de un kilomol, se considera un kilogramo de carbono, las dos reaccionesanterioressetransforman:C+O2+3.8N2 CO2+3.8N2 +8.133Kcal [4]CO2+C2CO 3.233Kcal [5]LaocurrenciadelareaccindegasificacinindicaquenotodoelCO2 producido porlacombustindelcarbonosevacomogasenloshumos.Porlotanto,una maneramscompletaderepresentardichasreaccioneses:C+O2+3.8N2 XCO2 +(1X)CO2 + 3,8N2 [6]
Endonde:
(1X)CO2 +(1X)C2(1X)CO [7]
X :EselnmerodekilomolesdeCO2quesevaenloshumos.
(1-X) :KilomolesdeCO2que intervienenenlareaccindegasificacin. Sise sumanestasdosreacciones,queda:(2X)C+O2+3.8N2 XCO2 + 2(1X)CO+ 3,8N2 [8] ndicedeCombustinn.
Lasreacciones anterioresindicanlascantidades deCO2 yCOquevanalos humos. Sin embargo, al fundidor le gustara tener una herramienta que le permitieraconocerdeantemanoloscontenidosdeCO2 yCOquesalenenlos
humos,latemperaturadelafundicinlquidalaproduccin,rendimientotrmico delhorno,entreotras.Deaqunaceelconceptodendicedecombustinqueseexpresapor larelacin:
n=C02CO2+CO
[9]
Estendicequeindicala composicinsimplificadade losgasesdecombustin, depende,paraunacalidadde coquedeterminado,del flujodeairey delporcentajedecarbonoutilizado.SegnelinvestigadoralemnJungbluth,elaireejerceuna influenciamuybajasobreelndicedecombustiny,enunaprimeraaproximacin sepuededespreciar,dentrodeloslmitesdetrabajohabitualdelcubilote.Bajo estaconsideracinyaceptandoquendependeesencialmentedelporcentajede carbonoenlacarga,Jungbluthestableciexperimentalmentelasiguienterelacin
n=0,0386J+0,15[10]p.CC
Endonde:
p:%de coqueentrecarga
C:%decarbonodelcoque
C:%decarburacindelafundicin
La relacin[10]estrepresentadaenlafigura2.
Figura2. Influenciadelporcentajedecoqueentrecargasobreelndicede combustinsegnJungbluth.(1)
Fuente:ALONSO,BAQUEROARNALDO.Diseo,operacinycontroldel cubilote.Bucaramanga:EditorialypublicacionesUIS.2000.p.6-11
Delarelacin[10]setieneque n= X
.Si seexpresanlasrelaciones[6],[7]y
[8],enfuncindel
2Xndicedecombustin nparaunkilomol decarbono, estas
ecuacionessetransformanen:
1+nC +1+n(O
+3,8N
)nCO
+1nC0
+1,9(1+n)N
[11]
2222
2222
21nC02
+1nC(1n)CO[12]2
2Sumando:C+1+n(O2
+3,8N2
)nCO2
+(1n)CO+1,9(1+n)N2
[13]
Estasreaccionesdefinenlafusindelcubiloteenfuncindelndicedecombustin
n. La Figura 3
expresa de manera esquemtica la
ocurrencia de dichas
reacciones. Apartir deellas sepueden determinar diferentes parmetros que influencianlaoperacindelhorno.
Figura3. Representacingrficadelacombustinsimplificadadelcoqueenel
Cubilote(1)
Fuente:ALONSO,BAQUEROARNALDO.Diseo,operacinycontroldel cubilote.Bucaramanga:EditorialypublicacionesUIS.2000.p.6-11
4.CARACTERSTICAS TECNOLGICASDELCUBILOTE
CimentacinySoportesLacimentacinpuedeserdeladrilloodehormignydebequedarunos15cm abajodelniveldelpisodela fundicinparaquesepuedallenarconarenau otro materialaislantede calor,paraprotegerla zapatadeconcreto.Lossoportesdelcubiloteestnhechosamododecolumnadeacero,y debenser rellenadosconconcretoreforzado.Estossoportesestnatornilladosalladode abajo de las gruesas viguetas de la estructura de la base. Los soportes del cubilotevaranenalturadeacuerdoalasnecesidades locales, perolaaltura mnimadeberpermitirla libreaberturadelaspuertasdelfondoy la facilidadde retirarladescargadelcubilote.(2)
35
Figura4.PartesdelCubilote(3)
Fuente:Danis,F.etDecrop,M.Influencedudbitdevent,ducalibreducokeet dutauxdecokeentre chargessurle fonctionnementducubilot.En: FonderieNo.148.(may,1958);p.215
4.1CORAZA
Laenvueltadeacerosueleserdechapadeaproximadamente 3o4mmde espesor,roladaenformadeseccionescilndricasy remachadas,atornilladaso soldadasunasaotras.Enelinteriordelacoraza,y aintervalosregularmente espaciados,estnatornilladosunossegmentosenformaderepisa,parasoportar
elrevestimiento.Enloshornosmsgrandesseempleanchapasdehasta12mm deespesor.
4.2TUBERIAVENTILADOR CAJADEVIENTO
Entrminosgeneralesla tubera quevadelventiladora la cajadevientodebeser recta,conundimetrosuficientepara reducirlas prdidasdepresin.Sudimetro secalculaenfuncindelsoplo,paraunavelocidaddeairedelordende15m/s. Suuninconlacajadevientodebesertangencialyhacerseenlapartesuperior delamisma.Figura5.Laseccindelatuberasedeterminademaneraprcticapor laexpresin6:(4)
St=106Di2p [14] Endonde:St:seccintuberaventilador- cajadeviento,cm2
p:porcentajede coqueentrecarga,paraunpmximode15%. Di:Dimetrointernodelcubilote,endm.
Tambinsepuededeterminarlaseccindelatuberaventilador-cajadeviento calculandoelvalordesudimetrointerno,segnla expresinyserepresenta geomtricamenteenlafigura5:dt=0.45Di [15]
6CENTRETECHNIQUEDESINDUSTRIESDELAFONDERIE.Aide-Mmoiredufondeur.Paris: EditionsTechniquedesIndustriesdelaFonderie,1952.P.3.
Endonde:
dt:Dimetrointernodelatuberaventiladorcajadeviento
Di:Dimetrointernodelcubilote
Figura5.CajadeViento(4)
Fuente:ALONSO,BAQUEROARNALDO.Diseo,operacinycontroldel cubilote.Bucaramanga:DivisinEditorialydepublicacionesUIS.2000. Pg.53-55
4.3. CAJADEVIENTO
Estsituadade60a 150cmsobrelaplacabaseyrodeaatodalaenvuelta,est fuertementesoldadaalaseccindelcuerpoparaeliminarfugasdeaire.Lacaja devientodebetenerunvolumensuficienteparapermitirunadistribucinregular delaireenlastoberas.Sualturaser iguala dosveceseldimetrodelatubera ventilador cajadeviento,y suanchuraigualaldimetrodelamisma.Conestas medidasseobtieneunaseccindelacajasuperioralaseccindelatubera
ventilador- cajadeviento.Engeneral,elvolumenmnimodelacajadeviento deberser igualal volumendeaire queenvael ventiladorpor segundo,paraun porcentajede coqueentre carga correspondienteal15%.Serecomiendautilizar cajasdevientoaltasosuspendidas,yenloposibleequilibradas,paraasmejorar ladistribucindeaireenlas toberas.Elequilibriose alcanzaalcolocarensuparte interna,enlamitaddesualtura,untabiquehorizontalquedividelacajaendos partesiguales.Laseccindepasodebeseralmenosiguala laseccinde llegada delaire.
4.4.TUBERIACAJADEVIENTOTOBERAS
La seccintotaldelatuberacajadeviento-toberasserigualalaseccindela tuberaventilador cajadeviento.Sunmeroestdefinidoporelnmerode toberas.Comoocurreconelclculodela seccinde la tuberaventilador-cajade viento,laseccindecadasegmentodela tuberacaja de viento- toberasse determinaparaunavelocidaddelaireequivalentea15m/s,yseexpresaporlarelacin:
Sto=
106Di2p n0
[16]
Endonde:
Sto:Seccintuberacajadevientotoberas,encm2
no:Nmerodetoberas
4.5. TOBERAS
Seencuentranubicadasinteriormentealrededordelacorazametlica,conducen el aire al interior del cubilote, deben ser lo suficientemente grandes para suministrarlacantidadnecesariadeairealacamadecoque,lasdimensionesde lastoberasdependendel tamaodelhorno,segnlosprofesionalesen estarama, lasuma del rea de las toberas debe estar entre 12,5%-25% del readela seccintransversaldelcubilote.
Las toberas pueden ser redondas, cuadradas orectangulares, tambin deben tenerunainclinacinhaciaelinteriordelhornode7a15.Eltamaoy diseode lastoberasesexageradoconfrecuencia,y realmentesetendrnmsbeneficiossi se corrigeunaprcticadefectuosaque sise cambiaeldiseootamaode las toberas. Una distribucin correcta delmaterial cargado evitar muchas delasdificultadesatribuidasa lastoberas.7
Lastoberasmssencillasconbuenaprcticaproducirnbuenosresultadosy por estaraznla mayoradelosfabricantesabastecentoberasdediseosencillo.8
ToberasautoescoriantesLa tendenciaactualestafavorde lastoberasautoescoriantes.Su instalacinevitaestarabriendoy cerrandolastoberasparasulimpieza durantelamarcha,locualafectaelbuenfuncionamientodelacombustin. Laadecuadaoperacindeestetipodentoberasincluyedoscondiciones:
-Cierreestancodelastoberas-Distanciasuperiora200mmentrelatoberaqueestenfuncionamientoy laqueestaautolimpindose.
7SamCartery RalphCarlsen,AcidCupolaSlagsandSomeRelationshipstoMeltingConditions, AFSTRANSACTIONS,Vol.61,Pg527(1953)8BernardP.Mulcahy,Howtousethecupola,Foundry,enero1952,Pg.152
Laltimacondicinobligaaadoptardistanciasigualesosuperioresa600mm entredostoberasenserviciosimultneo.Estacondicinlimitala instalacindelas toberasautolimpiantesencubilotespequeos.A este respectomerece mencionarselaafortunadainstalacinde toberas autolimpiantesenuncubilotede600mmdedimetrointernorealizadoen la UniversidadIndustrialdeSantander.9
4.6.EQUIPODEMEDIDADELSOPLO TuboVenturi
Esun dispositivoqueoriginaunaprdidadepresincuandoporl pasaunfluido. En esencia, consta de una tubera corta recta, o garganta, entre dos tramos cnicos.Figura6. Eltuboventurinonecesitaparasu instalacinunsegmento rectilneo, pero si es necesario que este posea dos tomas de presin como mnimo,tantoenlatuberadeentradacomoenlaseccindeestrangulamiento, laspresionesmedidasporelventurison delordende100mma 300mmdeagua. Ademslasprdidasdepresinoriginadasporel venturisonentre10y 15%dela presindiferencialmedida.
Figura6.Tuboventuri
Fuente:http://mecanicadefluidos5.blogspot.com/2010/10/medidores-de-velocidad- y-caudal-en.html
9ALONSO,A.Diseoconstruccinypuestaenmarchadeundispositivodeextraccincontinuade metal-escoriaporsifonesseparadosenelcubilote.Informefinal.ProyectoColciencias, cdigo:1102-08-003-92.oct.1995.P.46,48.
36
Esteelementoprimariodemedidaseinsertaenlatuberacomountramodela misma, se instala en todo tipo de tuberas mediante bridas de conexin adecuadas.Elventuritieneunaseccindeentradadedimetroigualaldimetro de conduccindelatubera alacualseconecta.Laseccindeentradaconduce haciaun cono de convergenciaangularfija,terminandoenunagargantadeun dimetromsreducido,se fabricaexactamentesegnlasdimensionesque establece su clculo. La garganta se comunica con un cono de salida o de descargacondivergenciaangularfija,cuyodimetrofinaleshabitualmenteigual aldeentrada.Paraelventuriqueseutilizeneldiseorepresentadoenlafigura7,larelacindelaseccindeestrangulamientoalaseccindelatubera,esigual
a0.25.Esdecir:
39
Endonde:
m:Coeficientedederrame.
m= Se =0.25[17]St
Se:Seccindeestrangulamiento
St:Seccindela tuberadeentrada
Figura7.DimensionesdelVenturi(5)
Fuente:ALONSO,BAQUEROARNALDO.Diseo,operacinycontroldel cubilote.Bucaramanga:EditorialypublicacionesUIS.2000.Pg.68
ParaestascondicioneselflujodeairetericoQt,medidoporelventuriestar determinadoporlaexpresin:Qt= 3dt24H [18]4
4.7.PIQUERASDE METALYESCORIA
Porlapiquerademetalfluyeelmetalfundidohastaelcalderodecolada,porlo cual su revestimiento es de un material refractario, la altura del orificio de sangradodemetalestentre10cma30cmrespecto alaplacabaseydeber tenerla formadeunconotruncado,coneldimetromayorhaciaelexteriordel cubilote, para facilitar la introduccin y remocin de los tapones durante la operacindecolada.
Elcanaldeescoriadebeestarsituadoa igualdistanciade lasdostoberas adyacentes paraevitarqueel vientoqueentraporestasenfre demasiadola escoriae impidaquecuelelibrementeporelagujerodestinadoa ella,debeestar localizadoligeramentearribadelniveldelhierro,esdecirla alturaaproximadaque alcanzaelmetalfundidodentrodelcrisol.
Estos orificios estn localizados generalmente 180 uno de otro, aunque la distanciaentreellospuedesersobrela circunferenciadela coraza,acualquier distanciaconvenienteyprctica.Eldimetrodelosagujerosvaradel1%al2% deldimetrointeriordelcubilote.
4.8. PUERTADECARGA
Enloscubilotescargadosa manoestasaberturasestnrelativamentebajaspara darmayorfacilidadaloperario,peroenloscubilotesgrandesestaalturaesde
unos4maproximadamentedesdelaplacadelfondohastaelumbraldelapuerta decarga.Cuandoserealizalacargamecnicamente,estapuertaestaubicadaaunnivelmsalto,parapermitirunaabsorcinmseficientedecalordelosgases deescapequeascienden.(6)
4.9. CHIMENEA
Cuando la chimenea pasa a travs del techo del edificio, deber dejarse un espacioentrelachimeneaylaestructuradeltecho,porrazonesdeproteccin contraincendios.Estadebesercubiertaporuncapuchn,paraproteccincontra lasinclemenciasdeltiempo.10 Algunoshornosestnprovistosconunsupresorde chispas, pero este no evita que las cenizas se acumulen en los techosadyacentes,nieliminaningunacondicinindeseabledelosgasesdeescape.
4.10. VENTILADORYPOTENCIATILDELVENTILADOR
Elventiladorcentrfugoesunsopladorquegiraavelocidadconstantey trabajaa bajaspresiones.Su objetivoes impulsarunciertoflujode airedentro delcubilote, venciendolasprdidasdepresinqueseoriginanenelcircuito.Elventilador aspiraelairegeneralmentea lapresinatmosfrica,porlotantolapresinde entradaesestapresin.Lapresinde salidaesaquellasuperiora lapresin atmosfricamedidaala salidadelventilador.Lasvariablesquecaracterizanal ventiladorson,porlotanto,el flujodeaireQquelsuministra,y lapresintotalde aireHt,medidaentrelaentradaylasalidadelventilador.Lapotenciaejercidaporelventiladorparavencerlasprdidasdepresinquese
originanenelcubiloteyenelcircuitodeairesellamapotenciatil, Pu.Seexpresa
10SOCIETY,A.F.Elhornodecubiloteysuoperacin.EditorialContinentalS.A.Juliode1961. Pg.314
49por larelacin:
Pu= QmxHmx7J
[19]
Endonde:
Pu:Potenciatil,enC.V.
Qmx:Flujodeairemximo,enm3/s
Htmx:Presintotalmxima,enmm.deagua
5. METODOLOGIA
Lametodologadesarrolladaenestetrabajodegradoconsistien6actividades ilustradasenelsiguientediagrama:
5.1IDENTIFICACIONDELPROBLEMA
ActualmenteelhornodelaempresaIDEAarrojaunaproduccinaproximadade
850Kg/hdehierrogris,en una jornadadefundicindealrededorde8 horas continuas.Enestascondicionesloscostosse elevanporel pagodehorasextrasnecesariasparaalcanzarlaproduccinprogramada.
5.2REVISIONBIBLIOGRAFICA
Estaactividadsellevacabo duranteeldesarrollodelproyectoyconsistienla documentacinbibliogrficadesde librosespecializados,informacindigitaly pginasdeinternet,locualpermitiobtenerlainformaciny losconocimientos necesariosentemasespecficostalescomoeldiseodelcubilote,softwarepara eldiseodelosdistintoselementosqueconstituyenelhorno.
5.3CALCULODELOSPARAMETROSDEFUNCIONAMIENTODEL CUBILOTECONUNAPRODUCCIONPTIMADE2t/h
Losparmetrosqueregulanlafusinenelcubilotesonelporcentajedecoque entrecargayelflujodeaire.Losparmetrosdependientessonlatemperaturade lafundicinliquida,laproduccinhorariay lacomposicinqumica.Todose encuentrarepresentadoenla figura8quememuestraeldiagramareticulardel cubilote.
Figura8.Diagramareticularestndardeun cubilotedevientofro,enfriadocon agua, segnJungbluth(7,8,9)
Fuente:GUYOT,J.Manuelducubilot.Paris.Ed.1a.EditionsTechniquesdes
IndustriesdelaFonderie,1980.p.18,19.
Paraeldiseoestructural ydimensionamiento delosdiferentes elementos del cubilotedelaempresaidea(Girn-Santander),sehanestablecidoinicialmente: Dimetro interno (Di) de 600 mm, doble hilera de refractario, doble hilera de toberas(Toberasautoescoriantesoautolimpiantes)
Elparmetroquedefinelasdimensionesde los diferenteselementosdelhornode cubiloteeseldimetrointerno,esporelloquepararealizarlosclculosy el respectivodiseoesdegranimportanciatenerestebiendefinido.Asumiendo15%de coqueentrecarga(porcentajeseleccionadoporquepermite obtenerlasmejorescondicionestrmicas,metalrgicasy econmicas)y un porcentajedecarbonoenelcoquede87%
5.3.1TemperaturadelaFundicinLiquida
La temperatura de la fundicin liquida la podemos observar en el diagrama reticulardelcubilote(figura8),paraunaproduccinmxima,mnimay optima (70Di2,40Di2 y60Di2 respectivamente), enfuncindeunporcentaje decoque entrecargaentreel10%yel15%.Sabiendoqueel15%de coqueentrecargaequivaleal18.39%decarbonoentre carga,considerandounCdel1%,paraunaproduccinoptimade2160Kg/hse tieneunatemperaturaporencimade1450C.,yparaun10%decoqueentrecargaqueequivaleal12.06%decarbonoentrecarga,considerandounCdel0.5%,setieneunatemperaturadealrededorde1400C.
5.3.2 ProduccinHoraria
La produccin horaria del cubilote para un horno determinado es funcin del caudaldeaire,delporcentajedecoqueentrecargaydelndicedecombustin tabla1ytabla2respectivamente.Seconsideraquelaproduccinhorariavara entreunaproduccinmnimade40Di2yunaproduccinmximade70Di2Kg/h.
Tabla 1. ProduccinhorariaenKg/hparauncubiloteconDi=600mm
RangosDeProduccinHoraria[Kg/h]
Pmn= 40Di21440
P54= 54Di21944
Po = 60Di22160(optima)
Pmx= 70Di22520
Fuente:Losautores
5.3.3 ndicedeCombustin
Porcentajedecoqueentrecarga(p):
pmn.=10% yp mx.=15%n= 0.0386J+ 0.15 [20]p
Tabla 2. ndicedeCombustin
P [%]n
100.65
110.60
120.56
130.52
140.49
150.47
Fuente:LosAutores
5.3.4Airequecombusteporhora(O2,N2,qc)
Carbono quecombusteporhora(Ch)=P(p [21] Airedecombustinporhora
02 quecomauste porora =0.933(1+n)[m3/h] [22] N2quecomauste porora =3.547(1 +n)[m3/h] [23] flireconsumido(qc)=4.48(1 +n)[m3/h][24]Losresultadosdelasanterioresrelacionesestnrepresentadosenlatabla3.
Tabla 3. AiredecombustinporhoraparaPmn.yPo.
P[Kg/h]14402160
P[%]nChO2N2qcChO2N2qc
100,65110,88170,69648,93819,62166,32256,04973,401229,44
110,6123,41184,23700,38884,60185,11276,331050,541326,87
120,56135,94197,86752,20950,06203,90296,771128,241425,02
130,52148,46210,54800,411010,95222,70315,821200,671516,50
140,49161223,82850,891074,71241,49335,711276,281611,99
150,47173,52237,98904,751142,73260,28356,981357,121714,10
Fuente:LosAutores
5.3.5 Flujodeaire(Q)
Elflujodeairesoplado puedemedirse porundispositivo automtico, delque existenvariostiposenelmercado,paranuestrocasose medirelflujo de airecon elventuri(figura6),segnlaliteraturasepuededeterminarel flujode airesoplado promediodelcubilotemediantela expresin[25],losresultadossemuestranenla tabla4:Qs=5.7Di2p [25]Para hallar el flujo de combustin (Qc) se tuvieron en cuenta las siguientescondiciones:Qc=4,48(1+n)P(pA)[m3/] [26]-Produccinmxima:Pmx=2520Kg/h
-Porcentajede coqueentrecarga:p=17%
-Porcentajede carbonoenelcoque:C=87%-Porcentajede carburacin:delafundicin:C=1%
Tabla 4.Flujodeairesopladoyde combustinenm3/s
p[%]nQc[m3/s]Qs[m3/s]
100,650,400,57
110,60,430,63
120,560,460,68
130,520,490,74
140,490,520,80
150,470,560,86
170,430,620,97
Fuente:LosAutores
Paraunaproduccinhorariamximade70Di2y un17%decoqueentrecarga, se obtieneun flujodecombustinQc=0,56m3/sy un flujode airesopladoQs=0,97 m3/s,flujotericomximoquesetuvoencuentaparahallarla potenciatildel ventilador
5.3.6PotenciatildelVentilador
LaPotenciatilseexpresaporlarelacin[19],dondeQmx esde0.97m3/s siendosteelvalordelflujomximoobtenidoparaunaproduccin70Di2 de2520 m3/syunporcentajedecoqueentrecargadel17%(mximoporcentajeestimado) yHmxesde800mmsiendostalapresintotalmedidaenlacajadevientoenmm,deagua,considerandolasprdidasdepresinoriginadasporla tubera ventilador-cajadevientoyeldispositivodemedidadepresin(venturi).
Conociendolosvaloressecalculalapotenciatil.
Pu=
(0,97800)75
Pu=10,35CV=10.21HP=7.61Kw
PotenciadelMotor
La potencia suministrada por el motor es igual a la Potencia til sobre el rendimiento, el rendimiento del ventilador ser del 60% y de esta manera lapotenciadelmotores:
Pmotor=
Pu[27]q
Pmotor=
Pu
0,6Pmotor =
10,3J=17,25CV0,6
Pmotor=17,25CV=17,01HP=12,69Kw
5.4. CALCULOYDISEOENSolidWorks2007DE CADAUNODELOS ELEMENTOSDELCUBILOTECONUNAPRODUCCINDE2t/h
Estaactividadse llevoa caboen2etapasdistribuidasenelclculodelas dimensiones y diseodelosdistintoselementosdelhornode cubilotede600mm dedimetrointernoempleandolaherramientaCADSolidWorks2007.
DiseoenSolidWorks2007
Eldiseoformapartedeldesarrollohumano.Conla aplicacinde nocionesdel diseo,elhombrehapodidoevolucionary satisfacersusnecesidades.El surgimientodelaindustriaimpliclaaparicindeunanuevareadeaplicacin paraeldiseo.
A travsdeldiseosebuscala modificacindeideas,crearobjetosnuevos,conla finalidaddeconvertirlosenobjetostileso atractivos,paraquecubranlas necesidadeshumanas,adaptandolosobjetosenformayfunciones.Porlo general,lasherramientasqueseaplicanaldiseosondetipovisual,yaque losconceptosy lasideasserepresentanconimgenes.Paraeldesarrollodeeste proyectoseutilizla herramientaCAD(DiseoasistidoporComputador) SolidWorks,CADestodosistemainformticodestinadoparaasistiraldiseador ensulabor quepermiteagilizary mejorarlarepresentacindesusdiseos. SolidWorksesun softwareCADmecnicoen3Dqueofrecealosingenieros, diseadoresy otrosprofesionalescreativoslasherramientasqueprecisanpara diseardemaneramsrpidaeinteligente,conelpropsitodeobtenermejores productos.(10)Todaslasherramientasdeesteprogramaayudanalusuarioa crearmejoresdiseosyaqueelprogramaesdealtorendimiento.
Muchosdelosparmetrosdediseodelcubilotesonresultadodelaexperiencia quese haobtenidoduranteaosdeoperacindeestehorno,sinembargoen las ltimasdcadassehanllevadoacabounaseriedeinvestigacionesquepermiten unacercamientoa larealidaddefuncionamientoadecuadodelhorno.
5.4.1. Carcasa
Seestableciundimetrode1040mm,elcualsedeterminconsiderando:
Espesordelrefractario(er):
er=200mm
Sedejunaluzde 20 mmentrelminayrefractarioconsiderandoladilatacin trmica por los cambios de temperatura, entonces el Dimetro externo (De) result:
Doblehileraderefractario
De=600+440=1040mm
5.4.2. Soportes
Loscuatro soportesdelcubilote(figura9)hechosamododecolumnasde acero, debenserrellenadosconconcretoreforzadoysecolocanaunaprofundidadde1500mmbajoelniveldelsuelo,quedandoporencimadeunalongitudde1000 mm. (Figura9)
Figura9. Especificacionesdelossoportes.
Fuente:Losautores
5.4.3. TuberaVentilador CajadeViento
Siguiendolaecuacin[15]paraelcubiloteconDi=600mmconunaproduccin optima de 2 t/h el Dimetro interno de la tubera ventilador- caja de viento calculadorepresentadoenlafigura10fuede270mm.(0.27m)
Figura10.Especificacionesdelatuberaventiladorcajadeviento
Fuente:Losautores
59
SeccindelaTuberaVentiladorCajadeViento
Utilizandolaecuacin[14]paraelcubiloteconDi=600mmy 15%decoqueentre cargalaseccindelatuberaventilador-cajadevientomostradaenlatabla5es de572.4cm2
Tabla 5. Seccintuberaventilador-cajadeviento,paraunp entre10%y15%
p[%]St[cm2]
10381.6
11419.76
12457.92
13496.08
14534.24
15572.4
Fuente:Losautores
5.4.4.Caja deViento
DimensionesdelaCajadeViento.
Laalturadelacajadevientoesdosveceseldimetrointernodelatubera ventilador-cajadeviento y suanchoesigualdimetroalinternodelatubera ventilador-cajadeviento,estsdimensionesseobservanenlafigura11.
flltura=2dt flltura=540 mm
flnco=dtflnco=270mm
Figura11.EspecificacionesDeLaCajaDeViento
Fuente:LosAutores
5.4.5.Toberas
Nmerodetoberas(no) =3
Inclinacin8con lahorizontal
Velocidaddelsoploenlastoberas=25m/s(11)
Dimetrodelastoberas
Parahallaresteclculosetieneencuentalarelacinquehayentrelaseccindel cubiloteylaseccindelastoberas(figura12),estarelacinenlosaosdeladcada de los 70 se estimaba entre 1/4 y 1/12. Posteriormente la AFS11
11AFS:AmericanFoundrySociety
recomendaba una relacin de 1/20. Estas relaciones se establecan por dos consideraciones:
A Aumentarlavelocidaddelaireenlastoberas.
A Mejorarladistribucindelflujo
Figura12.Especificacionesdelastoberas
Fuente:LosAutores
Estasrelacionesseconsiderabanencubilotescondimetroigualosuperiora
600mm.Paracubilotespequeos,conundimetromenora500mm,nosetiene informacin.Parael casodelcubilotede laempresaIDEA conundimetrointerno de600 mmtomamosuna relacin1/15.Dondeeldimetrodelastoberasse muestraenlatabla6yparaelcasodelaempresaIDEAtomamosundimetrode89,54mm~90,00mm
(u2
43dto1)Sto3( dto )2===
[28]
1J)Scu
u i2
Di2
4DLasdimensionesdeldispositivodeinversindelairedelastoberasautolimpiantes
seestnplasmadasenlafigura13.
Tabla 6. Dimetrodelastoberasparadiferentesrelacionesentrela seccindelcubiloteylaseccindelastoberas
RelacinDto[cm]
1/12100,0
1/1492,58
1/1589,54
1/1686,60
1/1881,65
1/2077,46
Fuente:LosAutores
Figura13. DispositivodeInversindelairedelastoberasautolimpiantes.
Fuente:LosAutores
5.4.6.TuberaCajadeViento Toberas
SeccinTuberaCajadeVientoToberasporlaexpresin[16]:
Sto=
106Di2p n0
Teniendo en cuenta la anterior expresin encontramos las dimensiones de la tuberamostradaenlafigura14.
Endonde:
Sto:Seccintuberacajadevientotoberas,encm2
no:Nmerodetoberas=3
Estenmerodetoberasseestablecienfuncindeldimetrointernodelcubilote, tabla7.12
Figura14.EspecificacionesdelaTuberaCajadeVientoToberas
Fuente:LosAutores
12ALONSO,BAQUEROARNALDO.Diseo,operacinycontroldelcubilote. Bucaramanga:DivisinEditorialydepublicacionesUIS.2000.Tabla3.2.pg.59
Tabla 7. Nmerodetoberasenfuncindeldimetrointernodelcubilote
Di[mm]No.deToberas
5002
6003
7003
8003
9003
10004
11004
12004
13004
14005
15005
16005
Fuente:ALONSO,BAQUEROARNALDO.Diseo,operacinycontroldel cubilote.Bucaramanga:DivisinEditorialydepublicacionesUIS.2000. Tabla3.2.pg.59
Tabla 8. Seccinydimetrodelatuberacajadeviento-toberas
p[%]Sto[cm2]do[mm]
10127.2127.3
11139.92133.5
12152.64139.4
13165.36145.1
14178.08150.6
15190.8156
do:Dimetrodelatuberacajadeviento-toberas
Fuente:Losautores
5.4.7. ElementosdelCrisol
Lazonadelcrisol(figura15)estcomprendida desdelasolera,elorificiode escoriayelplanoinferiordelastoberas.Haytresalturasdefinidas:ladelasolera, laalturadesdelasolerahastalaparteinferiordelorificodeescoriay,desdela partesuperiordelorificiodeescoriahastaelplanoinferiordelastoberas.Lasalturassedistribuirndela siguientemanera: