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Expositores: Paul Zolon Salas Calderón Fernando Dill`Erva Hernández Rosario Romero Conde

Horno eléctricos FAME

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Page 1: Horno eléctricos FAME

Expositores:

Paul Zolon Salas CalderónFernando Dill`Erva Hernández

Rosario Romero CondeGianni Rivera Bustamante

Page 2: Horno eléctricos FAME

INTRODUCCIONEl primitivo desarrollo del acero eléctrico y la aplicación de los hornos eléctricos a la metalurgia del acero, fue principalmente estimulada por el deseo de obtener un producto que compitiera con el acero al crisol, bastante caro. El horno eléctrico obtuvo gran éxito. La idea de la construcción de hornos eléctricos comenzó a tomar forma a mitad del siglo XVIII. Su utilización efectiva a escala industrial se inició solamente después de 1900 (Siglo XX), es también utilizado para la fabricación de importantes cantidades de acero de calidad corriente.

Objetivo:Conocer el funcionamiento de los Hornos eléctricos en la

Industria Siderúrgica.

Fundamentar la fabricación de aceros en hornos eléctricos de diferentes tipos

Dar a conocer algunos ejemplos de diseño elaborado para algunos tipos de hornos eléctricos.

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CLASIFICACION DE LOS HORNOS ELECTRICOS

Los varios tipos de hornos eléctricos usados actualmente en las industrias metalúrgicas pueden clasificarse como sigue:

1) Hornos de arco eléctrico

2) Hornos de inducción

3) Hornos de resistencia

Para la fabricación de aceros, el horno de arco es el tipo más utilizado; le siguen los hornos de inducción. Los hornos de resistencia no se utilizan debido a las altas temperaturas involucradas pero si para el calentamiento de otros metales.

HORNOS ELÉCTRICOS:

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HORNO ELÉCTRICO DE ARCO: Es el reactor principal que se usa para la fabricación de los aceros especiales. Utiliza el calor generado por un arco eléctrico para fundir la carga que se encuentra depositado en el crisol.

Tiene ventajas respectos a otros hornos como son:

Instalación mas sencilla y menos costosa que la que cualquier horno utilizados para fabricar aceros.

Se obtienen temperaturas mas elevadas, del orden de los 3500ºC

No se producen gases de combustión, polvos ni humos ni son necesarios chimeneas, recuperadores, etc.

El aprovisionamiento de materia prima es mas fácil y libre.

Es menor también la absorción de gases por la masa liquida.

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Hay dos tipos de hornos eléctricos de arco son:

Horno eléctrico de arco indirecto.Horno eléctrico de arco directo.a) Horno eléctrico de Arco Indirecto (electrodo x electrodo):

En estos hornos el calentamiento directo es por radiación. Los hornos pueden ser del tipo Basculante rotativo o Basculante oscilante, siendo el más común el oscilante. Debido al esfuerzo de flexión y choques mecánicos a que están sujetos los electrodos, estos hornos tienen una capacidad limitada a un máximo de 2000 Kg. carga sólida a 4000 Kg. carga líquida.

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b) Horno eléctrico de Arco Directo (electrodo x baño x electrodo): Son los hornos de arco más usados en la industria del acero y fundición. Existen dos tipos:

Horno eléctrico de arco directo trifásico

Horno eléctrico de arco directo monofásico

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I.- Hornos Básicos: Son los más importantes y los más usados en la fabricación de aceros de calidad. La solera es de magnesita y dolomita.

II.- Hornos Ácidos: Se utilizan en la producción de fundiciones y aceros comunes. La solera es de sílice.

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PARTES DEL HORNO DE ARCO ELECTRICO:El horno eléctrico esta constituido de las siguientes partes principales:a) LA CUBAb) BOVEDA, PAREDES Y SOLERAc) ELECTRODOSd) MECANISMO DE BASCULACIONCUBA: Es la parte del horno que contiene la puerta de carga y la colada. Esta hecha de planchas de acero dulce de 4mm de espesor.

BOVEDA, PAREDES Y SOLERA: La bóveda es la tapa del horno, construido con anillos metálicos refrigerados y revestidos con material refractario de alúmina. Las paredes del horno, son las que están en contacto con la masa liquida hasta una determinada altura. Están revestidos de ladrillos de magnesita y cromo-magnesita según sea la parte que va estar en contacto con la escoria y la masa fundida. Solera, es la parte que contiene al metal fundido, esta revestido de ladrillos refractarios de magnesita o dolomita de 300 a 400mm.

ELECTRODOS: Son de grafito existen varios diámetros y longitudes por ejemplo. 100mm de diámetro y 2m de longitud, se sujetan con mordazas de cobre, refrigeradas por agua, a las barras longitudinales.

MECANISMO DE BASCULACIÓN: Para efectos de vaciar el acero fundido a la cuchara de colada, se tienen sistemas de basculación o giro hidráulico.

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CAPACIDAD DEL HORNO:Existen hornos de diferente capacidad, los mismos que se seleccionan conforme los requerimientos de acero, así por ejemplo:

Si la necesidad de acero liquido por año se determina en 4000 t/año.Días de operación año: 282Considerando 1 turno de operación, el tiempo de operación será:

282 x 8 = 2256 horas.

Establecimiento un coeficiente de utilización del horno del 80%, siendo el resto para mantenimiento, inspección y revestimiento, se tiene:

Tiempo útil = 2256 x 0,80 = 1805 hora/año.

Un ciclo de funcionamiento del horno puede tener los siguientes tiempos:Preparación y reglaje de electrodos: 15 minutos.Carga: 30 minutos.Fusión: 75 minutos.Colada: 15 minutos.El numero de coladas por años seria: 1850 horas/horas Si se necesita 4000t/año de acero liquido.La capacidad del horno seria:

Total : 135 minutos

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DIÁMETRO DE ELECTRODOS Y CUBA

De acuerdo a la capacidad de los hornos se obtiene el diámetro de la cuba y de los electrodos que han de usarse. Mediante curvas experimentales como la que se muestra en la Figura A, se determina lo señalado, por ejemplo para 1 horno de 5t.

Diámetro de los electrodos en mm = 120Numero de electrodos = 3Diámetro de la cuba en m = 3

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POTENCIA ELECTRICA De la misma manera la potencia eléctrica resulta de acuerdo al diámetro de los electrodos es evidente que a mayor diámetro se debe aplicar una mayor potencia conforme la Fig. B que muestra la variación de la potencia de los transformadores en KVA en relación a la capacidad de los hornos y duración de la colada. Ejemplo para un horno de 5TM y un tiempo de 2,5 horas/colada, se obtiene una potencia de:

8000 kVA = 8 MVA

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DIMENSIONES DEL HORNO ELÉCTRICO DE ARCO

Generalmente la solera del horno tiene la forma de un cono truncado, con el fondo en forma de segmento esférico: el cono tiene un ángulo de 45º lo que facilita la operación de función de colada. El diámetro del baño es igual a 5 veces la altura del mismo:

Siendo la altura del segmento esférico 1/5 de la altura total:

El volumen total del baño es igual a la suma del volumen del cono truncado y del segmento esférico en función del diámetro seria:

Entre la superficie del baño y el límite inferior de la puerta del horno existe una diferencia de 10 a 20 cm.

La altura de la cuba o cámara de la reacción se calcula según la siguiente ecuación:

La flecha de la bóveda (techo) del horno es igual al 15% de Dr , donde:

Entonces:

El espesor del refractario en el techo es de 230 mm para hornos de 20 a 40 Ton y 380 - 480 mm para hornos de 40 Ton y más.

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MATERIAS PRIMAS USADAS EN LOS HORNOS ELÉCTRICOS DE ARCO:

Chatarra de hierro fundido.Chatarra de acero dulce.Fe – Mn de alto carbono.Como elementos de adicción en el horno: mineral

de fe, arrabio, clinker, grafito en trozos, carburo de calcio , aluminio, sílice, coque, etc.

Ferroaleaciones al final del proceso: Fe-Si, Fe-Mn, Fe-Mo, Fe-Cr, etc.

Como aditivos en la cuchara (desoxidantes): aluminio, carburo de calcio, Fe-Si, etc. que sirven para mejorar la calidad del material.

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Tanto en SiderPerú como en Aceros Arequipa se tienen instalados hornos eléctricos como parte de los equipos utilizados para la fabricación de aceros las características de los mismos lo anotamos como sigue:

SIDERPERUNRO DE HORNOS ELÉCTRICOS: 4

 

CAPACIDAD TOTAL: 260 mil t/año.

CONSUMO DE ENERGIA: 700 Kwh/t acero.

CONSUMO DE ELECTRODOS: 6 kg/t acero.

CRISOL: 4570 mm.

REVESTIMIENTO REFRACTARIO:Paredes y solera: Básico.

Bóveda: Alta alumina .POTENCIA NOMINAL DEL

TRANSFORMADOR: 15000 KVA 

ANGULO DE BASCULAMIENTO :LADO COLADA: 40º

LADO ESCORIA: 15º

ACEROS AREQUIPA

Horno eléctrico  

POTENCIA: 24 MVA

CRISOL: 4300 mm de diámetro

ELECTRODOS: 18 pulg. refrigerados con agua

REFRIGERACION: Paneles refrigerados con agua en paredes y boveda

TONELAJE: 40TM por colada

Horno cuchara  

ELECTRODOS: 12 pulg. de diámetro

CAPACIDAD: 40 TM por colada

Los hornos cuchara son también hornos eléctricos que sirven para la retención del acero liquido y para permitir el ajuste final de la composición química y proceder luego de las verificaciones respectivas a la respectiva colada continua.

CARACTERISTICAS DE LOS HORNOS ELECTRICOS DE LAS SIDERURGICAS DEL PAIS.

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HORNOS DE INDUCCION Es un horno eléctrico en el que el calor es generado por calentamiento por la inducción eléctrica de un medio conductivo, un metal) en un crisol alrededor del cual se encuentran enrolladas bobinas magnéticas.

Los hornos de inducción se pueden clasificar por su frecuencia de trabajo, como:

Hornos de baja frecuencia: 50 ó 60 Hz.

Hornos de media frecuencia: 200 a 10000 Hz.

Hornos de alta frecuencia: sobre 10000 Hz.

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LOS HORNOS DE BAJA FRECUENCIA: son utilizados para la fusión, mantenimiento y sobrecalentamiento de fierro y sus aleaciones, aluminio y sus aleaciones, bronce, latón, etc. Normalmente estos hornos mantienen metal líquido los fines de semana, trabajando a baja potencia, pues la partida con carga sólida es muy lenta.

LOS HORNOS DE MEDIA FRECUENCIA: Pueden ser utilizados para la fusión de cualquier tipo de aleaciones, tanto ferrosas como no ferrosas (fundiciones, aceros al carbono y especiales, Al y sus aleaciones, Cu y sus aleaciones, oro, plata y sus aleaciones, aleaciones nobles, etc), siempre utilizado en refusión (no puede ser usado para fundir minerales).

LOS HORNOS DE ALTA FRECUENCIA: son utilizados en laboratorio y en calentamiento de piezas para tratamiento térmico.

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Los hornos de inducción específicamente utilizados para la fusión de metales se subdividen en: Hornos de canalHornos de crisol

Hornos de Canal:Los hornos de canal se utilizan preferentemente para mantenimiento de la temperatura de un baño de metal líquido. El principal elemento del horno es un canal cerrado de revestimiento cerámico, que es llenado con metal procedente del baño del horno.

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El horno de canal esta constituido básicamente por:Un inductor compuesto por un núcleo magnético cerrado, una bobina primaria y un anillo secundario de metal fundido que llena un canal de material refractario.

Un cuerpo de horno situado encima o a un lado del inductor cuya capacidad de metal es netamente superior a la del canal.

Hornos de Crisol:Los hornos de crisol no requieren núcleo ni canal con metal fundido, siendo la bobina primaria tubular, refrigerada y enrollada alrededor del crisol.

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Este tipo de horno se utiliza con preferencia para la producción de aceros y aleaciones especiales.En un sistema de fusión inductiva los parámetros que están íntimamente ligados son:

Material a ser fundido, determinado por el

usuario.

Tamaño del horno, determinado, generalmente,

por el tamaño de la mayor pieza producida.

Potencia, según la producción por hora

necesaria.

Frecuencia, de acuerdo con los tres parámetros

anteriores.

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CARACTERISTICAS DE UN HORNO DE CRISOL

Se trata de determinar las características de un horno de crisol de fusión por inducción de 10 t de capacidad de fundición, de forma cilíndrica en relación:

Debe ser capaz de conseguir una velocidad de fusión de 3.5t/h para tapa abierta al 25 por 100, y cerrada 75 por 100, en tiempo. El revestimiento lateral tiene un espesor total de 120mm y está compuesto básicamente de 100mm de cuarcita con ligante (conductividad 1,3 W/mK) y 20mm de hormigón de alta alúmina (conductividad 1.5 W/mK).

El fondo consta de 200mm de cuarcita y 300mm de hormigón. La tapa tiene un espesor de hormigón refractario de 150 mm. La temperatura de colada es de 1.500 °C lo que supone para la fundición una entalpía de 380 kWh/t y una densidad de 6.800 kg/m3.

El coeficiente de pérdidas de calor por convección de la tapa al ambiente puede estimarse en 30W/m2 K.

CALCULOS (click aquí)

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HORNOS DE RESISTENCIASe definen como hornos de resistencia aquellos que utilizan el calor disipado por efecto Joule en una resistencia óhmica, que puede estar constituida por la carga misma a ser calentada (hornos de calentamiento directo) o por resistencias adecuadas independientes de la carga (hornos de calentamiento indirecto), por las cuales circula corriente eléctrica.

Los hornos de calentamiento directo, el material se coloca entre dos electrodos (en contacto directo con ellos), ofreciendo una resistencia al paso de la corriente, y calentándose. Estos hornos encuentran aplicación generalmente en el tratamiento térmico de metales (Figura N°1).

Figura N°1. Principio de Funcionamiento del Horno Eléctrico de Resistencia

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Los hornos de calentamiento indirecto, el material es calentado por radiación, por convección y/o por conducción mediante resistencias colocadas de forma adecuada. La carga a calentar y las resistencias se encuentran contenidas en una cámara aislada térmicamente por medio de materialesrefractarios y aislantes (Figura N°2).

Figura N°2. Horno de Calentamiento Directo

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Se clasifica 2 hornos de resistencias son: Hornos de resistencia no metálica y de electrodo radiante

(figura a)

Hornos de resistencia metálica (figuras b y c).

a) Horno radiante de resistencia no

metálica

b) Horno de crisol con resistencia metálica.

c) Horno de cámara con resistencia metálica.

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Entre las aplicaciones metalúrgicas de estos hornos se encuentran la fusión y mantenimiento de temperatura de metales, generalmente de bajo punto de fusión (aluminio, plomo zinc, estaño, cobre, etc.) y el tratamiento térmico de metales.

Los materiales para las resistencias deben poseer, entre otras características, una elevada resistividad eléctrica, alta temperatura de fusión, y resistencia a la oxidación en caliente y a la corrosión en el ambiente gaseoso producto de las reacciones químicas en juego. El tipo de resistencia a escoger para un horno determinado se vincula principalmente a la temperatura de trabajo de éste. Se tienen:

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a) Resistencias metálicas:Aleaciones austeníticas: Son aleaciones Ni-Cr-Fe para temperaturas

de hasta 850°C, dependiendo de los contenidos de estos elementos.

Aleaciones ferríticas: Son aleaciones Cr-Fe-Al para temperaturas de

1100 a 1300°C.b) Resistencias no metálicas:

Tubos a base de carburo de silicio para temperaturas de hasta

1500°C.

Silicato de molibdeno para temperaturas de hasta 1700 °C.

Grafito y molibdeno para temperaturas de hasta 1800°C.

Las resistencias metálicas se utilizan en forma de hilos con diámetros variables de fracción de mm a unos 6 mm, comúnmente enrollados en forma helicoidal.Las resistencias no metálicas están constituidas por tubos fijados horizontalmente entre dos paredes del horno o verticalmente entre el piso y la cubierta

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Hornos eléctricos de Resistencia:El calor originado en este tipo de hornos es debido al paso de la corriente por el alambre o cintas de aleaciones resistentes a la oxidación en altas temperaturas y enrollados en espiral o en Zig- Zag a fin de que puedan desarrollar la máxima longitud en el mínimo espacio. Hay que tener presente que la resistencia de un conductor es proporcional a su longitud a su resistividad e inversamente proporcional a su sección, tal como se expresa en la siguiente ecuación:

Donde:R= Resistencia en Ohm; ρ= Resistividad; l=longitud m; S= sección mm2

El calor generado al paso de la corriente se puede expresar según la siguiente relación:Donde:I = corriente, amperios; R = resistencia, Ohm; T = tiempo, segundos; Q = calor, KcalEl factor de conversión es:La resistividad varía de acuerdo a la temperatura; según la siguiente relación:

Donde:

ρ= ResistividadT= Temperatura de uso.To = Temperatura ambiente (20°C)α = factor

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Calculo de la PotenciaLa Potencia del horno eléctrico a resistencia se determina teniendo en cuenta la masa del material a calentar (M), el calor específico del material y la temperatura media del horno (TH) y la temperatura exterior (TE):

Para el cálculo del flujo de calor es necesario calcular el área promedio del Horno, siendo A1 el área interior y A2 el área exterior para el caso que:

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CONCLUSIONES

Los aceros finos, en particular los altamente aleados, se obtienen en hornos eléctricos.

El empleo del horno eléctrico, considerado el sistema más moderno que existe en el mundo para fabricar acero, así como la planta de hierro esponja, donde se fabrica la materia prima para la acería, son dos de los principales exponentes del permanente compromiso con la inversión en tecnologías de punta que permite una constante mejora de todos los procesos.

La ventaja del horno de inducción es que es limpio, eficiente desde el punto de vista energético, y es un proceso de fundición de metales más controlable que la mayoría de los demás modos de fundición de metales.

El Horno de Resistencia aprovecha al máximo la capacidad de fusión

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BIBLIOGRAFIAS:

http://books.google.com.pe/books?id=GHuGDMSpjzUC&pg=PA438&dq=ventajas+de+hornos+el%C3%A9ctricos#PPA438,M1

Fuente: Libro Ing. Electroquímica- Capitulo 17: Hornos eléctricos.

http://materias.fi.uba.ar/7202/MaterialAlumnos/ApunteHornosIndustriales.pdf

Fuente: Hornos Industriales - Apunte Universidad de Buenos Aires.

http://www.metalurgiausach.cl/TECNICAS%20EXPERIMENTALES/UNID8.pdf

Fuente: Hornos y Medición de temperatura – Apunte Universidad de Santiago de Chile.

Libro: Hornos Metalúrgicos Industriales, Autor: Arturo Lobato Flores.

Principios de Fundición y Moldeo, Autor: Luis Caso Palpa. Página: 346 – 378.

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GRACIAS