Procesos Industriales : TIPO DE HORNOS

TIPOS DE HORNOS

1. HORNO DE CUBILOTE

Descripción

Los colados de hierro, se hacen volviendo a fundir chatarra junto con arrabio, en un horno llamado cubilote. La construcción de este horno es simple, de operación económica y funde hierro continuamente con un mínimo de mantenimiento. De vez en cuando el metal se funde con el combustible, algunos elementos se aprovechan mientras otros se pierden.

El cubilote es un horno que funciona con combustible sólido y en el cual la carga metálica, el combustible y el carburante están en íntimo contacto entre sí. Esto permite un intercambio térmico directo y activo, y por lo tanto, un rendimiento elevado. Sin embargo, por causa de este mismo contacto entre el metal, las cenizas y el oxígeno, el hierro colado producido no puede ser rigurosamente controlado desde el punto de vista metalúrgico.

Construcción

El cubilote consiste en un tubo de acero vertical con una altura de 10 mts., aproximadamente y un diámetro que varía entre 4 y 6 mts., recubierto con material refractario: Ladrillo refractario, con la disposición necesaria para introducirle una corriente de aire cerca del fondo.

Todo el cubilote descansa sobre una placa circular que es soportada arriba del piso mediante cuatro columnas separadas convenientemente para que las puertas abisagradas puedan caer libremente. Estando en operación, estas puertas se giran hasta una posición horizontal y se mantienen en su lugar por medio de una estaca vertical.

La puerta de carga esta localizada más o menos a la mitad de la cubierta vertical y la parte superior del cubilote queda abierta, a excepción de una pantalla de metal o para chispas. Las aberturas para introducir el aire a la cama de coque se conocen como toberas. La practica común es la de tener sólo una serie de toberas en una circunferencia de la pared, aun cuando algunos cubilotes grandes tienen dos hileras. Las toberas de forma acampanada, tienen el extremo mayor en el interior del horno para provocar que el aire se difunda uniformemente, van distribuidas a distancias muy precisas unas de otras, para obtener la distribución del aire tan uniforme como sea posible. El número de toberas varía con el diámetro del cubilote, siendo desde cuatro en los cubilotes pequeños y hasta ocho o más en los cubilotes grandes.

Alrededor del cubilote y en la zona de las toberas, se encuentra una caja, para el suministro del aire. Opuestas a cada tobera se encuentran unas pequeñas ventanas cubiertas con mica de tal forma que puedan inspeccionarse las condiciones dentro del cubilote. El aire, suministrado por un ventilador centrífugo entra por un lado de la caja.

Opuesto al vertedero de colada, se encuentra otro vertedor para la escoria, en la parte de atrás del cubilote. Esta abertura esta colocada debajo de las toberas para evitar un posible enfriamiento de la escoria, provocado por la corriente de aire.

Funcionamiento horno de cubilote

La primera operación al preparar el cubilote consiste en limpiarlo de escoria y de los desechos que quedan en el refractario en torno a las toberas, de las coladas anteriores. A continuación se repara cualquier zona dañada con arcilla fina y arena silica refractaria para recubrimiento de hornos. Después de limpiarlo y repararlo se giran las puertas del fondo a posición de cerrado y se coloca la estaca debajo de ellas. En el piso de la solera se coloca una capa de arena negra de moldeo, la cual se apisona y se le da una pendiente hacia el vertedero. La altura no debe ser menor a 10 cms., en el punto mas bajo, se le deja un pequeño agujero para la sangría de aproximadamente 25 mm., de diámetro.

El encendido del cubilote se hace de 2 a 3 horas para que alcance una temperatura entre los 1200 y 1500 grados centígrados, antes de que se deba tener el primer metal fundido, deberá utilizarse la suficiente cantidad de leña para quemar la primera cama de coque.

Cuando se inicia un tipo natural, se añade coque poco a poco hasta que la cama crece a una altura conveniente. La altura de la cama de coque es importante, ya que determina la altura de la zona de fundición y afecta tanto a la temperatura como a la oxidación del metal.

Cuando la cama del coque esta encendida completamente se carga arrabio y la chatarra con una proporción de una parte de coque por 10 de hierro, esta relación es en masa. Además se suministra alrededor de 34 Kg., de fundente por tonelada de hierro, por lo general es piedra caliza, cuyo objetivo es eliminar impurezas en el hierro, protegerlo de la oxidación y hacer la escoria mas fluida para retirarla con mayor facilidad del cubilote.

Tanto los cubilotes de aire frío como los de aire caliente están en uso. En estos últimos, el aire de entrada se precalienta en alguna forma de recuperador, utilizando los gases calientes del cubilote. El recuperador puede ser una unidad externa o por tubos verticales construidos en el propio cubilote. El aire de entrada pasa por estos tubos, calentándose así antes de llegar a las toberas.

2. HORNO DE REVERBERO

El horno de reverbero es un tipo de horno generalmente rectangular, cubierto por una bóveda de ladrillo refractario, que refleja (o reverbera) el calor producido en un sitio independiente del hogar donde se hace la lumbre. Tiene siempre chimenea. El combustible no está en contacto directo con el contenido, sino que lo calienta por medio de una llama insuflada sobre él desde otra cámara siendo por tanto el calentamiento indirecto.

Es utilizado para realizar la fusión del concentrado de cobre y separar la escoria, así como para la fundición de mineral y el refinado o la fusión de metales Tales hornos se usan en la producción de cobre, estaño y níquel, en la producción de ciertos hormigones y cementos y en el reciclado del aluminio. Los hornos de reverbero se utilizan para la fundición tanto de metales férreos como de metales no férreos, como cobre latón, bronce y aluminio.

Durante el proceso, se remueve desde una ventana el mineral fundido para que el calor actúe lo más uniformemente posible sobre toda la masa. Constan esencialmente de un hogar, un laboratorio con solera inclinada que permite que “escurra” el metal fundido hacia una canal por la que sale al exterior donde se vierte en los moldes. Sobre esta solera se dispone el material a tratar, extendido y con poca altura. y bóveda y de una chimenea.

El tipo más sencillo quema hulla en una parrilla y la llama, con los productos de la combustión se refleja (reverbera) en la bóveda o techo del horno, atraviesan el espacio que hay sobre la solera (donde se sitúa la carga metálica) y son evacuados por la chimenea, colocada en el extremo opuesto a la parrilla. En la actualidad se emplean más los combustibles gaseosos, Líquidos y el carbón pulverizado, los cuales se insuflan en el horno, mezclados con aire precalentado, por medio de un quemador situado en un extremo.

La capacidad de estos hornos es muy variable, y su campo de aplicación es muy amplio, ya que pueden fundir latones, bronces, aleaciones de aluminio, fundiciones y acero. Consta de un recuperador de calor, al igual que el alto horno, destinados a economizar combustible y alcanzar una temperatura suficientemente elevada para fundir el metal. Están constituidos por dos pares de cámaras, formadas interiormente por una serie de conductos sinuosos de ladrillo refractario. Su funcionamiento es como sigue: Los gases calientes que salen del horno, al pasar a través de los recuperadores, les comunican su calor y, cuando están suficientemente calientes, mediante un dispositivo automático de válvulas, se invierte el sentido de circulación, de forma que el gas y el aire, antes de entrar en el horno, pasan por los recuperadores calientes y alcanzan temperaturas de 1000 °C a 1200 °C llegándose a conseguir de esta forma los 1800 °C. Mientras tanto los gases de la combustión pasan a través de los otros recuperadores que ahora están en periodo de calentamiento.

Los hornos de reverbero son de poca altura y gran longitud. En uno de los extremos se encuentra el hogar donde se quema el combustible, y en el extremo opuesto la chimenea. Las llamas y productos de la combustión atraviesan el horno y son dirigidos, por la bóveda de forma adecuada hacia la solera del horno, donde está situada la carga del metal que se desea fundir. Esta carga se calienta, no solo por su contacto con las llamas y gases calientes sino también por el calor de radiación de la bóveda del horno de reverbero.

Aproximadamente, la superficie de la solera es unas tres veces mayor que la de la parrilla y sus dimensiones oscilan entre un ancho de 150 a 300 cm y una longitud de 450 a 1500 cm. La capacidad de los hornos de reverbero es muy variable y oscila entre los 45 Kg a los 1000 Kg que tienen los empleados para la fusión de metales no férreos, hasta las 80 Tm que tienen los mayores empleados para la fusión de la fundición de hierro.

Las bajas temperaturas de fusión del aluminio y su facilidad para oxidarse hacen que el cambio a fusión con oxígeno en los Hornos de Reverbero requiera diseños de quemadores específicos para evitar sobrecalentamientos. Este problema no ocurre en los hornos rotativos debido por una parte al giro del horno, que hace que la temperatura en su interior se homogeneice con facilidad y por otra a la utilización de sales de protección que evitan sobrecalentamientos del material.

La primera de las tecnologías consiste en la utilización de un quemador de baja temperatura de llama que evita sobrecalentamientos, bien de la bóveda bien del aluminio, y amplio desarrollo de la misma, con lo que se asegura una gran homogeneidad tanto en la transmisión del calor como en la temperatura. La tecnología de quemador está basada en la combustión por etapas, que como ventaja adicional reduce enormemente las emisiones de NO_x.

Las tecnologías de combustión con oxígeno en los hornos de reverbero para fusión de aluminio permiten, respecto a la utilización de quemadores de aire frío:

- Incrementar la producción alrededor del 50%

- Reducir el consumo energético entre un 40 y un 50%

- Reducir el volumen de humos emitidos más del 70%

- Reducir las oxidaciones del aluminio más de un 20%

3. HORNO DE CRISOL

3.1 Horno de crisol fijo de coque, fuel-oil o gas

Este tipo es el más sencillo de los hornos y todavía se encuentran en algunas pequeñas fundiciones que trabajan aleaciones de metales no férreos. En las fundiciones que trabajan con hierro fundido pueden tener emplea para coladas pequeñas y urgentes. No se emplea para el acero, a pesar de que es un hecho cierto que los mejores aceros ingleses del siglo pasada eran obtenidas en baterías de este tipo de hornos. Están constituidas de un crisol de grafito apoyado sobre ladrillos refractarios y rodeados por todas partes de coque partido que se enciende, alcanza la incandescencia por la inyección de aire. El crisol alcanza de este modo temperaturas mas elevadas y la carga metálica que contiene se funde sin entrar en contacto con los gases de combustión.

El elemento mas importante es el crisol, compuesto de grafito con la adición eventual de un carburante, mezclado con aglutinantes adecuados, por ejemplo arcilla o alquitrán. Los crisoles se construyen con estampas de acero sobre la que es fuertemente prensado el material de aquellos. Se acaban en el torno, y después de secados se introducen en cajones de material refractario y se someten a acción en hornos adecuados a temperaturas elevadas.

3.2 Horno de crisol inclinable, con precalentamiento de aire

Los hornos de crisol fijo tienen el gran inconveniente de que el metal debe ser extraído en pequeñas cantidades, con cucharas a menos de que la colada se efectuara directamente en alguna forma. Para evitar este inconveniente y para utilizar el calor sensible de los gases de combustión, se construyeron los hornos de crisoles inclinables, mecánica o hidráulicamente, y que pueden tener un sistema de precalentamiento de aire.

4. HORNOS ELECTRICOS

El horno eléctrico se utiliza para producir grados especiales de acero, tal como el acero para herramientas y troqueles, los inoxidables y resistentes al calor. Suele usarse una corriente trifásica en este horno y el calor se genera con el arco producido por la corriente. El calor se puede generar entre los electrodos. Por tanto, el acero de horno eléctrico es el más limpio de todos.

El horno eléctrico puede ser de dos tipos: de arco y de inducción, pero la mayoría del acero se produce con horno de arco. El horno eléctrico es una envoltura de acero, circular en forma de taza o cóncavo, con refractarios en el interior. El horno se monta en balancines a fin de poder inclinarlo y descargar el acero fundido.

La capacidad de los hornos de arco eléctrico varía entre 2 y 20 toneladas. El tiempo de ciclo por hornada varia entre 3 y 6 horas, según el tamaño de la carga y el tipo de acero por producir. La carga consiste en chatarra de acero muy seleccionada, piedra caliza y recortes de laminado, que se cargan por la puerta giratoria en la parte superior del horno. Se agregan pequeñas cantidades de elementos en el cazo, las cantidades grandes se incluyen en la carga. Se utilizan los métodos ácido y básico, el ácido suele ser para piezas de acero fundido y el básico para aceros especiales. El horno de arco eléctrico genera altas temperaturas, un control muy preciso de la composición y mínima contaminación. Pero, debido a la cantidad de electricidad que consume, este horno es más costoso en su operación que los otros procesos para producción de acero.

Los diversos tipos de hornos eléctricos adoptados actualmente en las fundiciones pueden clasificarse como sigue:

a) Hornos eléctricos de arco.

De arco directo monofásico y trifásico.

De arco indirecto monofásico.

De resistencia metálica.

De resistencia no metálica.

De baja frecuencia.

De alta frecuencia.

b) Hornos eléctricos de resistencia

En los hornos de arco eléctrico, el arco se forma entre los electrodos y el material se calienta por el calor de radiación del acero. En los hornos combinados el calentamiento del material se realiza a costa del arco eléctrico que aparece entre los electrodos y el metal.

c) Hornos eléctricos de inducción

En los hornos de inducción el calentamiento del material conductor eléctrico se efectúa por las corrientes inducidas en el propio objeto a calentar o por la transmisión de calor procedente del calentador en que se excitan las corrientes inducidas.

5. HORNOS DE INDUCCIÓN.

Características:

Los hornos de inducción se utilizan sobre todo porque son bastante limpios, pueden derretir materiales con rapidez, y en general son asequibles para mantener y operar. También permiten un control preciso de la temperatura y el calor. Debido a que ganan calor muy rápidamente no se deben dejar en marcha entre operaciones para así ahorrar en recursos energéticos y ayudar a administrar los costos de operación.

Calor de inducción:

El calor por inducción es un medio de calentamiento o de fundición de metal que utiliza corrientes eléctricas para calentar el material. El calor eléctrico es limpio y eficiente. Proporciona calor rápido y consistente a lo largo del horno y permite que el material se caliente uniformemente. El calor de inducción se basa en una bobina hecha con un tubo de cobre. El agua fluye a través de las bobinas que trabajan junto a los elementos de calefacción de cobre y ayudan a enfriar el horno según sea necesario. El tamaño y forma de la bobina puede ser determinada según la aplicación específica para la que se utilice el horno.

En los hornos de inducción el rango de frecuencias de operación va desde la frecuencia de red (50 ó 60 Hz) hasta los 10 kHz, en función del metal que se quiere fundir, la capacidad del horno y la velocidad de fundición deseada - normalmente un horno de frecuencia elevada (más de 3000 Hz) es más rápido, siendo utilizados generalmente en la fundición de aceros, dado que la elevada frecuencia disminuye la turbulencia y evita la oxidación. Frecuencias menores generan más turbulencias en el metal, reduciendo la potencia que puede aplicarse al metal fundido.

Tipos de Hornos de Inducción

Existen tres clases fundamentales de hornos de:

Baja frecuencia: el calor se produce por el efecto Joule de la corriente inducida por corriente alterna a través del metal que queremos fundir.
Alta frecuencia: el calor lo producen las corrientes de Foucault, ordinariamente consideradas como parásitas, inducidas en el metal, que actúa como núcleo de un selenoide.
Hornos electrónicos: el calor se produce por la vibración molecular del cuerpo que se trata de calentar cuando es sometido a un fuerte campo de radiaciones electromagnéticas de muy alta frecuencia.

Funcionamiento del Horno de Inducción

Funcionamiento horno de inducción

Durante el funcionamiento normal de un horno de inducción se emite un zumbido, silbido o chirrido (debido a la magnetostricción), cuya frecuencia puede ser utilizada por los operarios con experiencia para saber si el horno funciona correctamente o a qué potencia lo esta haciendo.

Por medio del control de velocidad se hace funcionar el motor para proporcionarle energía mecánica al alternador de alta frecuencia.
El alternador de alta frecuencia proporciona la energía alterna utilizada por el horno de inducción, esta energía pasa a través de un banco de capacitores automáticos para poder regular el factor de potencia.
Un sensor de temperatura sensa la temperatura del horno, la señal es transmitida a un indicador de temperatura y a su vez a un controlador o variador de velocidad.
El variador de velocidad regula las revoluciones por minuto, al hacer esto esta variando la frecuencia del alternador.

Principales Cualidades de los Hornos de Inducción

Buen rendimiento, puesto que el calor se genera en la masa de metal fundido.

Las corrientes electromagnéticas producen un movimiento beneficioso, puesto que uniformizan la masa a fundir.

El control de la transmisión de temperatura se haga más o menos rápido es muy preciso.

Se puede fundir en vacío.

Las oxidaciones son muy pequeñas.

Ventajas de los Hornos de Inducción

Dentro de las principales ventajas que trae la utilización de los hornos de inducción tenemos:

Es limpio, eficiente desde el punto de vista energético

Generar una gran cantidad de calor de manera rápida.

Es un proceso de fundición y de tratamiento de metales más controlable que con la mayoría de los demás modos de calentamiento.

Puede ser empleado en la fusión de materiales ferrosos y no ferrosos y todas sus aleaciones.

Eficiente, ecológico y mayormente controlable en comparación con otras tecnologías.

Maneja un rango de capacidades entre menos de 1 Kg y varias decenas de toneladas, y frecuencias desde las de red (50-60 Hz), llegando a los 400KHz.

Principales usos de los Hornos de Inducción

Las fundiciones más modernas utilizan este tipo de horno y cada vez más fundiciones están sustituyendo los altos hornos por los de inducción, debido a que aquellos generaban mucho polvo entre otros contaminantes. Los hornos de inducción puede ser utilizados para fundir, soldar, tratar o ajustar por contracción cualquier material que sea adecuado para su uso con calor por inducción. El tratamiento puede incluir materiales de recocido, endurecimiento o templado.

La inducción de calor puede ser utilizada para soldaduras fuertes o soldadura simple de cobre, bronce, latón o acero. El ajuste por contracción puede implicar el montaje de piezas para una fabricación precisa. Los procesos de fundición se pueden hacer con material de hormigón que sea compatible con calor por inducción. Estos metales incluyen el acero, bronce, cobre y latón.