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Introducción de Hornos

Resumen: El objetivo principal del horno para fabricación de acero es quitar al hierro de primera fusión la mayor parte del carbono. Luego se agrega una cantidad medida de carbono al acero fundido para darle las propiedades deseadas.
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Autor: College Park

HORNOS Y RECIPIENTES DE REFINACION

El objetivo principal del horno para fabricación de acero es quitar al hierro de primera fusión la mayor parte del carbono. Luego se agrega una cantidad medida de carbono al acero fundido para darle las propiedades deseadas. También se utiliza desperdicio de acero y se agregan otros elementos para mejorar las propiedades del acero. Un horno ya obsoleto en la actualidad, el convertidor Bessemer, hizo posible la producción de grandes tonelajes de acero hacia mediados del siglo XIX. Se construyeron grandes buques, ferrocarriles, puentes y grandes edificios con el producto de esta nueva fuente de acero. Sin embargo, muchas de las impurezas quedaban en el acero y, desde que se usó aire inyectado para quemar el carbono, el nitrógeno de la atmósfera se convirtió también en una impureza que debilitaba al acero.

El acero en bruto es además algunas veces mejorado en hornos, crisoles, calderos y recipientes para ciertas aplicaciones. Se involucran pequeños pero crecientes tonelajes.

Horno Eléctrico de Inducción

Los hornos eléctricos de inducción utilizan una corriente inducida para fundir la carga. La energía es del tipo de inducción sin núcleo dada por una corriente de alta frecuencia que suministra a la bobina primaria, enfriada por agua que circunda al crisol. La corriente de alta frecuencia es alrededor de 1000 Hz, suministrada por un conjunto motor-generador o un sistema de frecuencia con arco por vapor de mercurio. El crisol es cargado con una pieza sólida de metal, chatarra o virutas de operaciones de mecanizados, al cual se le induce una alta corriente secundaria. La resistencia de esta corriente inducida en la carga se hace en 50 o 90 min, fundiéndola en grandes crisoles que contienen arriba de 3.6 Mg de acero.

Los hornos de inducción, con crisoles aprovechables desde pocos kilogramos hasta 3.6 Mg son relativamente bajos en costo, casi libres de ruido y por lo mismo producen poco calor. Puesto que la temperatura no necesita ser más alta que la requerida para fundir la carga, la chatarra aleada puede ser para refundir sin que sea "quemada" la calidad del material. Por estas razones a menudo son encontrados en laboratorios experimentales o fundiciones. En hornos de arco eléctrico, la temperatura alta del arco puede refinar el metal, siendo una desventaja de la fundición.

El tipo más sencillo tiene la cámara de fusión unida a un canal que, como ya se ha dicho, forma un circuito eléctrico secundario cerrado en el cual se genera el calor. Al poner el horno en marcha, el canal está lleno de material metálico sólido en íntimo contacto para permitir el cierre del anillo. Primeramente se funde el contenido del anillo (sección más estrecha) y luego, poco a poco, se propaga la fusión a toda la carga. La mezcla del liquido queda favorecida por la acción electrodinámica de la corriente.

Para facilitar las coladas subsiguientes conviene dejar siempre una cierta cantidad de metal liquido en el fondo del horno de forma que el canal esté siempre lleno, es decir, cebado.

Éste es uno de los inconvenientes que hay que poner en el pasivo de esta clase de hornos. A pesar de todo, tuvieron mucha aceptación en el campo de la fusión. del bronce, cobre, aluminio y aleaciones derivadas, y, mas recientemente, incluso para la fusión de la fundición gris.

La figura muestra un esquema de un horno de este tipo muy en uso (Ajax).

La limpieza del canal es difícil: para comodidad de funcionamiento estos hornos han sufrido modificaciones importantes en su desarrollo, y se les han añadido dos cámaras, una para la carga y otra para la descarga; de este modo:

  1. Quedan eliminados los tiempos improductivos, porque la temperatura del metal se mantiene constante en la cámara de descarga b incluso cuando se añade metal al vaso de carga a;
  2. El metal de la cámara de descarga está siempre limpio, porque las escorias permanecen en la cámara de carga. El sistema actúa a modo de sifón.
  3. Dado que los canales tienden a estrecharse por las incrustaciones de óxidos que se forman durante el funcionamiento, cada 24 horas, con el horno caliente, se efectúa la limpieza que dura media hora aproximadamente.
  4. Los hornos son siempre rebatibles mecánica o hidráulicamente, y llevan el perno de rotación bajo la piquera de colada.
  5. Los hornos emplean corriente monofásica si son de poca cabida, y corriente trifásica, con más canales, si son grandes.
  6. El factor de potencia es, aproximadamente, 0,70, lo que obliga, en la mayoría de los casos, a acoplar uno o más condensadores para aumentarlo a 0,80.
  7. Las pérdidas de material por oxidación son mínimas y el funcionamiento resulta económico.
  8. El recubrimiento está constituido por materiales refractarios cuya composición varia según los metales que hay que fundir.

El horno de baja frecuencia no puede alcanzar las elevadas temperaturas necesarias para fundir el acero, por lo que se emplea casi exclusivamente para aleaciones de cobre-niquel, con más del 30 % de este último metal. Puede fundir también el hierro colado y metales y aleaciones ligeras.

El consumo de corriente (kWh/ton) varia según el metal: funcionando continuamente es de 300 a 450 kWh/ton para el bronce, 600 a 700 kWh/ton para el hierro colado y 400 a 450 kWh/ton para el cobre.

Normalmente, para completar la instalación del horno o de varios hornos se prepara un tambor de reserva, como se ha indicado anteriormente.

Siendo estos hornos monofásicos, la instalación de uno solo desequilibra la línea, por lo que es preferible instalar dos o tres con transformadores de toma Scott.

Hornos de inducción de alta frecuencia. - Los hornos de inducción sin núcleo se basan en la ley física según la cual los cuerpos metálicos sometidos a la acción de un campo magnético de corriente alterna se calientan tanto más cuanto más intenso es el campo magnético y cuanto más elevada es la frecuencia.

Están constituidos por una espiral cilíndrica (enfriada por circulación interior de agua) de tubo de cobre de sección rectangular o cuadrada, dentro de la cual va instalado un crisol que contiene el metal que se ha de fundir.

 

Por efecto del campo magnético generado por la espiral se induce una corriente a la masa metálica y la energía eléctrica absorbida se transforma en calor. El crisol refractario no impide la acción del campo magnético.

Mientras que en los hornos de baja frecuencia se emplea la corriente industrial de 42 a 50 Hz, en los hornos de alta frecuencia puede variar de 500 a 3000 Hz, pudiendo llegar a 20000 y más en pequeños hornos experimentales.

En los hornos de tipo industrial, la corriente de alta frecuencia es obtenida con grupos giratorios motor-alternador de alta frecuencia. Siendo bajísimo, sin embargo, el factor de potencia, hace falta disponer en serie o en paralelo una batería de condensadores de capacidad tal que equilibren la corriente desfasada, como puede apreciarse en el esquema de instalación de un horno de alta frecuencia que se representa en la figura.

 

 

El revestimiento del horno se forma con una masa de granalla de cuarcita en diversas gradaciones de tamaño, que se hace plástica con la adición del 6 al 8 % de caolín. Se debe poner un gran cuidado al efectuar el revestimiento y el secado que le sigue, que será muy lento para evitar resque-brajaduras.

También se puede efectuar el revestimiento usando granos de cuarcita y ácido bórico en la proporción del 1,5 al 3 %.

La capacidad de esta clase de hornos puede variar desde unos pocos kilogramos hasta 10 a 12 toneladas con potencias que alcanzan los 2000 kW y frecuencias de 500 a 600 Hz.

Aplicaciones: Los hornos de inducción de alta frecuencia poseen notables ventajas: su producción es de gran calidad, con oxidaciones muy reducidas y análisis constantes. Se obtiene también la supresión de los electrodos, una economía en los gastos de funcionamiento y un menor consumo de corriente eléctrica.

Sin embargo, los gastos de instalación son muy elevados. Se emplean particularmente en las fundiciones de aceros aleados especiales o de aleaciones de hierro colado y en menor escala en las fundiciones de hierro colado gris.

Crisol

El proceso de crisol es el proceso más viejo para la fabricación de acero, pero éste, hoy en día se usa muy poco excepto en fundiciones no ferrosas. Los crisoles se hacen en general de una mezcla de grafito y arcilla. Son completamente frágiles cuando se enfrían, debiendo ser manejados con cuidado, poseen resistencia considerable cuando están calientes. Los crisoles son calentados con coque, aceite o gas natural y deben sujetarse con unas tenazas especiales ajustadas para prevenir daños. El hierro dulce, metal enjuagado, chatarra de acero, carbón vegetal y ferroaleaciones constituyen la materia prima para la fabricación de acero por este proceso. Estos materiales son colocados en crisoles que tienen una capacidad de más o menos 50 kg y son fundidos en un horno regenerativo.

 

Fusión al Vacío y con Atmósfera Especial

Los metales fundidos tienden a absorber gases debido a la humedad en el horno, en la olla y en la atmósfera o a atrapar hidrocarburos de la carga. La rapidez de la oxidación del metal expuesto a la atmósfera crece con los aumentos de temperatura. La temperatura de fusión más baja compatible con la suficiente fluidez, hará mínima la absorción de gas así como la oxidación que son perjudiciales.

Para algunos metales es permisible una capa de escoria o espuma acumulada sobre el metal fundido, para protegerlo de la excesiva oxidación. Frecuentemente se añaden provocadores de escoria. En el caso del aluminio, esta escoria es algo perjudicial durante el colado y deberá tenerse especial cuidado en evitar su entrada al molde.

  1. Habilidad para retener las propiedades físicas a temperaturas extremas.
  2. Baja susceptibilidad a la corrosión y al desgaste, dependiendo de la aleación.
  3. Promoción de las propiedades metalúrgicas deseables, tales como el tamaño fino del grano.

Lingotes de Acero y Colados Continuos

Para fabricar alambres, barras, láminas, placas, tubos o perfiles estructurales, el lingote de acero caliente se pasa por rodillos, se prensa o se estira, en formas predeterminadas. Los lingotes se obtienen vaciando el metal en moldes, como se ve la en la figura.

 

 

Los moldes pueden ser rectangulares, de sección cuadrada o redonda, los colados finales varían en tamaños desde unos cuantos cientos de kilogramos, hasta 25 Mg. La clase de metal colado y el producto son los factores que determinan el peso del lingote. Los lingotes de sección rectangular y cuadrada, tienen sus aristas redondeadas y los lados corrugados. El redondeo de las aristas reduce la tendencia de los granos columnares a convergir, formando un plano débil. Corrugando los lados se acelera el enfriamiento, lo cual es un proceso que reduce el tamaño de los granos columnares formados.

 

Los dos tipos de moldes para lingotes, de la figura se usan para colado por arriba. El tipo de extremo más grueso hacia abajo, mostrado en A, es fácil de retirar del lingote, aun cuando las pérdidas del metal son grandes, debido a la cavidad del rechupe (tubo) que se forma durante la operación de enfriamiento. Estas pérdidas son menores cuando se emplea el tipo mostrado en B. Cuando se vacía un lingote la solidificación es progresiva, comenzando en la superficie del molde y progresando hacia el centro. Durante este periodo hay considerable rechupe del metal. A medida que solidifica, capa tras capa, disminuye el volumen del metal, dando como resultado la formación de un hueco al completarse la solidificación. La velocidad del enfriamiento, es un factor importante en la producción de lingotes sólidos.

 

Los lingotes hechos en moldes con el extremo grueso hacia arriba tienen, en la parte superior del molde, un gran volumen de metal caliente, disponible durante el periodo de enfriamiento y al solidificar muestran pocas pérdidas de metal debido a las cavidades por rechupe. Se pueden reducir las pérdidas por formación de tubos en los lingotes, bien sea añadiendo metal durante el enfriamiento o usando rebosaderos refractarios. El metal en los rebosaderos permanece fundido hasta que el lingote ha solidificado y durante el periodo de solidificación, le suministra el metal necesario para compensar los rechupes.

Se obtienen varios tipos de estructuras de lingote, controlando o eliminando la evolución del gas en el metal, durante la solidificación. El acero calmado habiendo sido desoxidado, no desarrolla gas durante la solidificación. La superficie superior de cada lingote solidifica inmediatamente, así como en las paredes y porque el rechupe de la parte superior del metal solidificado se forma una cavidad grande en el centro del tubo del interior del lingote. El proceso de producción del acero "calmado" es complejo y depende de iniciar con un acero de alto carbono del que finalmente se desea; cuando el carbono es reducido a la cantidad exacta, el acero es desoxidado por horno o agregando arrabio de silicio alto o una aleación alta en silicio. Todos los aceros que tienen arriba de 0.30% de carbono son calmados. Tales lingotes tienen un mínimo de segregación, estructura buena y una cavidad grande en el centro, en general la conformación del molde con el extremo grueso hacia arriba debe suministrársele metal caliente.

Otra estructura de lingote es conocida como acero tapado, el cual no esta, o sólo ligeramente, desoxidado por el horno o caldero. Este tipo de acero es caracterizado por una acción de semiebullición en la coquilla después que ha sido llenada, debido a la rápida evolución de monóxido de carbono, durante el periodo de solidificación Esto ocasiona la formación de una estructura semejante a la de un panal que, si se controla, compensa a la mayoría de las perdidas por rechupe. Estas pequeñas burbujas no constituyen un defecto, si no han tenido contacto con la atmósfera exterior y se cierran por soldadura de presión en el proceso de trabajo en caliente. Los lingotes de acero tapado tienen buena superficie y poca o ninguna oportunidad para la formación de tubos. La estructura de los lingotes semicalmados y de otros se obtienen mediante el control de la formación de gas durante la solidificación.

 

Hornos de Gas

Los tres procesos modernos y los hornos que se emplean para producir acero son el de oxígeno básico, el de hogar abierto y el eléctrico. Estos hornos no se pueden utilizar uno en lugar de otro. Cada sistema requiere diferentes fuentes de energía y diferentes fuentes de materias primas. La clase de instalación se escoge, por tanto, por razones económicas y por la disponibilidad de materias primas y fuentes de energía.

El horno de oxígeno básico está diseñado para producir un acero de alta calidad en poco tiempo; cada hornada por hora es de 200 a 300 toneladas (en cada lote), en comparación a las hornadas de 100 a 375 toneladas que se obtienen entre 5 a 8 horas con el proceso de hogar abierto. La materia prima principal que se usa en el horno de oxígeno básico es arrabio fundido procedente del alto horno. El desperdicio o chatarra de acero se carga al horno y se utiliza cal como fúndente para que reaccione con las impurezas y forme una escoria sobre la superficie del metal fundido. Una lanza enfriada con agua se baja dentro, a pocos metros de la carga para inyectar una corriente de oxigeno a más de 100 libras entre pulgada cuadrada sobre la superficie del baño fundido. La oxidación del carbono y las impurezas ocasiona una vigorosa agitación la cual origina que todo el metal se ponga en contacto con la corriente de oxígeno. Primero se inclina el crisol para remover la escoria y luego se le hace girar para vaciar el acero fundido en una olla de colada. Se agrega carbón, generalmente en forma de esferas aglomeradas de antracita, en cantidades cuidadosamente medidas y también se añaden otros elementos para producir la cantidad deseada en el acero.

Los hornos de hogar abierto toman su nombre de un área de fabricación de acero de poca profundidad a la que se llama hogar, la cual está expuesta o abierta a un soplo de llamas que barre alternadamente el hogar desde un extremo del horno durante un tiempo y, luego, del otro extremo del mismo. El horno se carga por una puerta lateral que se abre hacia el piso de carga. Teóricamente, un horno de hogar abierto puede trabajar con hierro de alto horno solo o con chatarra de acero sola, pero la mayoría de las operaciones utilizan ambos en proporciones aproximadamente iguales, las cuales varían con el precio de la chatarra y la disponibilidad del hierro fundido. El desperdicio se coloca en el horno con una máquina cargadora que generalmente da servicio a una línea o serie de hornos de hogar abierto en un solo edificio. Se agregan otros elementos para mejorar el acero. Sobre la superficie del acero caliente se forman escamas o incrustaciones de laminación que se desprenden en forma de escamas negras; éstas son en realidad una forma de óxido de hierro (Fe3O4), llamado magnetitas en su forma de mineral. En los molinos o trenes de laminación se utiliza el acero de los hornos de fabricación para reducir el contenido de carbono. Se agrega ferrosilicio de aluminio si se quiere obtener acero calmado. Un acero calmado es aquel que se ha desoxidado suficientemente para evitar la formación de gas en la lingotera, y dar lugar a un acero uniforme. Si no se desoxigena al acero, se le llama acero efervescente porque se forman bolsas de gas y huecos producidos por el oxígeno libre en el centro del lingote y el borde cercano a la superficie del lingote está libre de defectos. Sin embargo, la mayoría de estas fallas se eliminan mediante procesos de laminación posteriores. Cuando los contenidos de la hornada son aceptables y la temperatura es la correcta, se pica o sangra el horno y se vacía el metal fundido a una olla de colada .Como sucede con el horno de oxígeno básico se agrega carbono al contenido de la olla para ajustar el contenido de carbono. Se agregan pequeñas esferas de aluminio a la cuchara para desoxidar el metal fundido y producir un tamaño de grano más fino.

Una grúa viajera levanta la cuchara u olla de colada, con su carga de acero fundido, y la pasa sobre una serie de pesados moldes de hierro fundido para hacer lingotes. El acero se descarga o se vacía a los moldes por medio de una abertura que hay en el fondo de la olla de colada.

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