HORNO CUBILOTE SIN COQUE

JEISSON DAVID GÓMEZ CAMACHO

MARÍA ALEJANDRA SANABRIA BARRERA

CARLOS ANDRÉS ARIAS AARÓN

Profesor:

Ing. Arnaldo Alonso Baquero

Docente académico

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER

FACULTAD DE INGENIERÍAS FISICOQUÍMICAS

ESCUELA DE INGENIERÍA METALÚRGICA Y CIENCIA DE MATERIALES

BUCARAMANGA

2013

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CONTENIDO

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INTRODUCCIÓN

En el ámbito industrial de la fundición existen una serie de modificaciones al cubilote convencional y dentro de estos procesos es importante que el producto final tenga la composición química necesaria o especificada, por diversas normas en función del uso que se le dará, de igual forma es fundamental el control de otros factores del proceso como los elementos aleantes, inoculadores, refinadores de grano, la selección correcta de la materia prima, el control de la fusión y el vaciado con el fin de obtener las propiedades correctas.

Una variación trascendental del cubilote tradicional que hace más de 30 años desarrollo la Cast Hayes Shell Limited y a mediados de 1970 entro en funcionamiento; fue el diseño de un horno cubilote sin coque y funcionando principalmente con gas natural, siendo implementado en otros países del mundo y en donde su uso está determinado por factores como la disponibilidad de coque, gas o derivados del petróleo.

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OBJETIVOS

Objetivo general

Conocer el diseño y las partes de un horno cubilote sin coque.

Objetivos específicos

Analizar el funcionamiento del horno cubilote sin coque. Identificar ventajas y desventajas de este sistema de fusión de metal.

GENERALIDADES

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El desarrollo del horno cubilote sin coque comenzó en Reino Unido en la fundifora Cast Hayes Shell Limited a mediados de la década de 1960. Un horno piloto fue construido durante 1967 para probar las ideas de obtener hierro fundido por medio de fusión con el gas a una temperatura relativamente baja y luego un sobrecalentamiento por algún otro medio. Los ensayos establecieron que el hierro con una temperatura y composición adecuada, podría ser aprovechado directamente desde el horno sin ningún sobrecalentamiento. Como resultado de ello esta fundidora producía 5 t/h en un sistema de cubilote sin coque en noviembre de 1970.

A medida que la tecnología avanza los procesos se van haciendo más automatizados y controlados, con el fin de cumplir unas especificaciones de producto final establecidas en normas o ensayos que brindan un respaldo en los métodos. La industria de la fundición puede adecuarse a estos requerimientos de procesos controlados, realizando modificaciones al cubilote tradicional de carbón, por ejemplo convirtiéndolo en un cubilote sin coque.

El horno cubilote sin coque es un horno de tipo chimenea; por lo tanto es similar al cubilote tradicional, es de operación continua y su principio de funcionamiento es muy similar al intercambiador de calor de contra flujo enfriado por agua. En la Figura 1 se describen en forma gráfica sus principales características.

Figura 1. Horno cubilote sin coque

En un cubilote con coque convencional, el coque tiene tres funciones:

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Actúa como una fuente de calor

En la cama de coque, se produce el sobrecalentamiento del hierro al escurrirse sobre el coque.

Actúa como una fuente de carbono.

En el horno cubilote sin coque estas funciones se realizan por tres medios distintos:

El calor es proporcionado por los quemadores, que pueden ser alimentados con una variedad de combustibles tales como gas natural, gasóleo, propano u otros combustibles adecuados.

El sobrecalentamiento se realiza por medio de las esferas especialmente desarrolladas que forman el lecho refractario. Las esferas son soportadas por una rejilla enfriada por agua que consiste en tubos de acero dulce especialmente diseñados, que pueden revestirse con material refractario. El metal es sobrecalentado cuando se escurre sobre las esferas.

En el horno cubilote sin coque no hay absorción de carbono, este se añade ya sea mediante inyección continua.

El horno cubilote sin coque funciona parcialmente con condiciones reductoras por lo que es muy importante que la relación aire/combustible sea la correcta en todo momento, de lo contrario no se logrará la temperatura requerida ya que la temperatura del horno se reduce abruptamente tanto con exceso de combustible o un exceso de aire. Un sistema de control automático forma parte del panel de control principal y por medio de él se controlan los flujos de aire y combustible a cada quemador.

El objetivo principal de este tipo de cubilote es la obtención de una fundición de hierro de mejor calidad basada en composición química y temperatura de vaciado controlada, libre de impurezas y que las emisiones a la atmósfera sean casi nulas. Esto basado en la utilización de hornos de cubilote sin coque que utilizan gas natural como combustible.

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El desgaste del revestimiento del cubilote sin coque es considerablemente menor que el producido en el cubilote con coque. La ausencia de coque tiene por resultado una disminución del desgaste abrasivo y como no hay cenizas se produce menos escoria y, en consecuencia, un menor ataque químico, razón por la cual el horno se puede mantener funcionando por períodos mucho más largos antes de que sea preciso apagarlo.

Materiales cargados al horno

Chatarra automotriz. Chatarra de fundición gris. Chatarra de acero. Fundente (piedra caliza). Ferroaleaciones.

PARTES DEL HORNO CUBILOTE SIN COQUE

El cuerpo de un horno cubilote sin coque es una chimenea cilíndrica construida de acero estructural, que lleva en su interior un revestimiento con un refractario adecuado y dividida por una parrilla enfriada por agua, la cual está formada por un número determinado de barras tubulares en función de ciertos parámetros recubiertas con un material refractario en su exterior y por el interior de éstas circula el agua de enfriamiento. La parrilla soporta un lecho de bolas refractarias con un diámetro determinado (entre 5 y 7 pulg.) y este lecho o cama de bolas refractario soporta a su vez los materiales componentes de la carga para la fusión.

Por debajo de la cama de refractario se ubican un número determinado de quemadores, los cuales son de alta intensidad para permitir que la combustión se efectué dentro del quemador y en la cámara de combustión. Los quemadores van fijados a la pared tubular del cubilote sobre puertos en forma de parche, inclinados 10º hacia abajo, apuntando directamente al centro del cubilote. Los quemadores se operan con exceso de combustible a manera de obtener condiciones de atmosfera parcialmente reductora dentro del horno. Al encontrarse el cubilote en operación, los gases calientes de los quemadores suben por la chimenea pasando a través de la parrilla y de la cama, manteniendo a las esferas que forman la cama con las más altas temperaturas posibles.

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La zona hueca entre la parte inferior de la parrilla y la superficie de la masa en estado líquido formada por la escoria y el metal fundido acumulado es únicamente una zona de distribución y no se efectúa ninguna combustión en ella.

Al ascender dentro del horno, los gases pasan a través de los materiales de la carga, los cuales, al ir cayendo, son precalentados y luego fundidos. El metal fundido sigue hacia abajo deslizándose a través de la cama de esferas refractarias y las paredes del horno. La cama sobrecalienta el metal muy por encima de su punto de fusión, y así se acumula finalmente en el crisol. Se añade a la carga una pequeña cantidad de fundente y la escoria formada que también cae y pasa hacia abajo deslizándose a través de la cama de refractario, queda luego sobre la superficie del metal fundido dentro del crisol. El contenido de carbono que lleva la carga generalmente es más bajo que el requerido en el análisis químico final. Y si a esto se añade que durante el proceso de fusión se pierde cierta cantidad de carbono que lleva la carga, se hace necesario añadir carbono al hierro en el proceso a manera de obtener el análisis final correcto. Esto se efectúa por medio de la inyección de material carburizador en forma continua dentro del crisol durante la operación del cubilote.

En la Figura 2 se muestran las principales partes de un horno cubilote sin coque, las cuales son:

Carga Metálica Eje Tuberías de aire Esferas refractarias Parrilla refrigerada con agua Quemador de gas Orificio (piquera) Sobrecalentador Inductor

Al conocer un poco más de cerca el horno cubilote se procede a definir o hablar un poco de cada una de sus partes principales:

Carga metálica: los materiales que se cargan en el horno cubilote son principalmente la chatarra automotriz, chatarra de fundición gris,

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chatarra de acero, fundente y ferroaleaciones. Estas carga esta encima de las esferas refractarias y es soportada por la parrilla refrigerada.

Eje del cubilote sin coque: zona que va desde la puerta de carga hasta la cama de bolas refractarias. Contiene el sistema de refrigeración o sistema rociado del revestimiento que se distribuye sobre la estructura del horno, el cual es usado para mantener una temperatura estable y adecuada en la carcasa del cubilote.

Toberas: también llamadas tuberías de aire, permiten la conducción del aire hacia los quemadores para la posterior combustión con el combustible.

Esferas refractarias: son esferas de aproximadamente 5 hasta 7 pulgadas de diámetro, las cuales se calientan a altas temperaturas y contribuyen directamente a la fusión de la carga metálica, además sobrecalientan el hierro al este deslizarse sobre ellas al momento de atravesar la parrilla y caer en la solera.

Parrilla refrigerada con agua: la función de esta parrilla es principalmente sostener la carga metálica y las esferas refractarias, las cuales son el medio de conducción de calor.

Quemador de gas: en los quemadores de gas ocurre la combustión del aire con el combustible que se esté usando en la operación, produciendo así la energía necesaria para producir gases con alta temperatura que precalientan la carga y calentar las esferas para comenzar el proceso de fusión de la carga metálica adyacente a estas esferas.

Orificio (piquera): es el orificio o sifón por el cual sale el metal fundido y la escoria se separa de la fundición por medio del diseño de este canal, en este proceso se pueden producir dos variantes, que el metal fundido pase directamente a cuchara o que pase a un segundo horno eléctrico para un posterior sobrecalentamiento y una recarburación.

Sobrecalentador: es un sistema opcional del horno y consiste en un horno eléctrico que aumenta la temperatura de la fundición lográndose así mayores temperaturas del metal líquido.

Inductor: es un componente  de un circuito eléctrico que, debido al fenómeno de la autoinducción, almacena energía en forma de campo magnético.

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Figura 2. Partes del horno cubilote sin coque

La Figura 3 muestra las bolas refractarias usadas en el horno a temperatura ambiente y cuando están ardiendo.

Figura 3. Bolas refractarias

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En la Figura 4 observamos un diseño de un horno cubilote un poco más técnico pero con las mismas funciones y partes del cubilote sin coque común.

Figura 4. Partes de un horno cubilote sin coque anexo a un horno eléctrico.

FUNCIONAMIENTO DEL HORNO CUBILOTE SIN COQUE

La combustión se da en los quemadores cuando el aire y el combustible entran en contacto y con ayuda de una chispa se produce la llama. El calor de los gases generados se transporta por convección y asciende hacia las zonas de menor temperatura hacia la parrilla refractaria donde justo arriba de ella se ubican las bolas refractarias que se calientan hasta arder. La parrilla tiene como función soportar el peso de la cama refractaria y el de las cargas metálicas. Se hacen descender las cargas metálicas que son precalentadas junto con el fundente, y luego empieza el proceso de fusión por el calor en forma de radiación generado por las bolas refractarias, las gotas de metal que van descendiendo y entran en contacto con las bolas refractarias se sobrecalientan aún más. Las gotas pasan por la rejilla y caen, acumulándose en el crisol, la escoria se separa del metal y sale por la piquera de escoria, el metal sale por la piquera de metal. Si los contenidos de carbono en el metal

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líquido no son los requeridos, se suministra carbono en forma de polvo de grafito directamente por medio de un inyector ubicado debajo de los quemadores y por encima del nivel de la escoria líquida. Si es necesario sobrecalentar más el metal líquido, la piquera metálica es diseñada para transportar el metal hasta un horno eléctrico sobrecalentador.

APLICACIONES DEL HORNO CUBILOTE SIN COQUE

El horno cubilote sin coque se utiliza para la obtención de hierro dúctil a un muy bajo costo donde el consumo de energía es bajo y daño ambiental mínimo, particularmente el consumo de energía es aproximadamente la mitad que la de fusión de coque. El daño ambiental es también mucho menor que la cantidad de productos de carbono en forma de dióxido de carbono y monóxido de carbono son mucho más bajo. El costo de fusión también es menor, incluso para la producción de hierro gris. Una cúpula es capaz de aceptar una amplia gama de materiales y esto también se aplica a la cúpula sin coque. Chatarra con aceite sucio puede ser fundida, así como una amplia gama de la calidad del acero.

COMPARACIÓN ENTRE EL HORNO CUBILOTE SIN Y CON COQUE

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Con coque

• Actúa como una fuente de calor• En la cama se sobrecalienta el

hierro ya que se escurre sobre el coque

• Actúa como una fuente de carbono

Sin coque

• El calor es proporcionado por los quemadores, que pueden ser alimentadas con gas, aceites, propano u otros combustibles adecuados.

• Sobrecalentamiento se hace mediante esferas especialmente diseñadas que forman el lecho refractario.

• Ya que no hay captación de carbono en el horno, este se añade por inyección continúa en el pozo del horno de fusión sin coque o fuera en el horno eléctrico.

VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL HORNO CUBILOTE SIN COQUE

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Ventajas

Menos cantidad de gases, bajo

contenidos de azufre en los humos

Ninguna absorción de azufre, porque

no se utiliza coque, con lo cual el nivel de azufre es bajo

Excelente eficiencia

energética de fusión

Costo de fusión bajo

Desventajas

Problemas de suministro de combustible

Alimentación del material, el costo y el consumo de las

esferas refractarias

Control de la rejilla enfriada

por agua.

CONCLUSIONES

El uso del horno cubilote sin coque en diferentes países está condicionado a la disponibilidad del coque en dichas regiones, a el uso de diversos combustibles como gas natural o productos derivados del petróleo, a factores ambientales, pues este sistema de fundición reduce en gran medida las emisiones de gases contaminantes como el azufre y además un ahorro significativo en el rendimiento térmico.

Un buen diseño del horno cubilote sin coque es muy importante, porque es necesario lograr la mayor eficiencia térmica y más aún en este tipo de hornos donde el combustible posee un poder calorífico menor que el coque, por lo que la altura del eje, la ubicación y orientación de los quemadores, en fin, todas las dimensiones y características de las distintas zonas del horno y los dispositivos requeridos para el proceso deben ser los más adecuados.

Se reconoce ya a este tipo de cubilote como un método ordinario de producir hierro fundido de buena calidad, y no cabe duda que la calidad del hierro es superior a la del obtenido mediante la operación convencional con coque.

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BIBLIOGRAFÍA

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COKELESS CUPOLA FURNACE. [Citado el 9 de febrero de 2014]. Disponible en internet: http://www.kkedirect.com/product_view.php?catId=64&productid=10241&name=Cokeless%20Cupola%20Furnace

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