Hornos Metal+¦rgicos.

HORNOS METALRGICOS

Ing. Ricardo Higuerey

1. DEFINICIN DE HORNO:

Instalacin donde se

transforma la energa qumica

de un combustible o la energa

elctrica en calor que se utiliza

para aumentar la temperatura

de aquellos materiales

depositados en su interior y

modificarles su estado fsico

para su futuro tratamiento.

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2. CLASIFICACIN DE LOS HORNOS

2.1 De acuerdo a la fuente de energa:

Combustin de Combustible.

Conversin de energa elctrica en calor.

Conversin mediante reacciones qumicas propias del

proceso.

2.2 De acuerdo a la manipulacin del material.

Horno peridico.

Horno continuo.

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Esquema de un horno peridico

Esquema de un horno continuo de

lnea recta.

Esquema de un horno continuo

con empujadores

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2.3 De acuerdo a la forma de dirigir los productos de la

combustin.

De calefaccin directa.

Muflados.

Semimuflados.

Horno de solera giratoria Horno Mulfado

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2.4 De acuerdo al aprovechamiento del calor residual.

Hornos recuperadores.

Hornos regeneradores.

2.5 Otros.

Hornos de foso.

Hornos de balsa

Hornos de tneles.

Hornos de Crisol.

Hornos de cuba.

Hornos de lecho fluidizado.

Hornos rotatorios.

Hornos tubulares.

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Hornos de combustin

Combustible slido.

Combustible lquido.

Combustible gaseoso.

Hornos Elctricos.

De resistencias.

De induccin.

Por arco elctrico.


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Horno elctrico de arco


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Horno de Induccin

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Agitacin inductiva del bao

de metal

Bobinas de un horno de induccin

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Con la finalidad de conocer el proceso de combustin en un

horno, nos basaremos en la Ley de Conservacin de la

Energa, que se expresa a travs de la siguiente expresin:

salidaentrada CaloresCalores

SE qq

3. BALANCE DE ENERGA EN HORNOS

(Ecuacin 1)

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3.1 Calores de entrada:

Aportes de energa al sistema dadas por:

Energa qumica debido a la combustin de un

combustible.

Suministro de aire precalentado.

Material precalentado.

)( cq

)( aq

)( mq


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3.2 Calores de salida:

Consumo total de energa en un proceso:

Calor til (calor que se emplea para realizar el proceso

tecnolgico).

Calor de las prdidas (calor perdido o transferido a travs

de la estructura del horno).

Calor que arrastran los gases de salida.

)( uq

)( hq

)( gq


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ghumac

ghuS

macE

qqqqqq

qqqq

qqqq

Entonces retomando la Ecuacin 1:

SE qq


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3.3 Calculo de los Calores:

3.3.1 Calor de Combustin

Energa qumica producida por la combustin.

ccc VHq *


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3.3.2 Calor del aire precalentado:

Energa que genera el aire precalentado a los

quemadores del horno.

aPcaa TCVVq a ***


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3.3.3 Calor del material:

Energa que aporta el material precalentado.

mPm TCmq m **


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3.3.4 Calor til:

Se calcula de acuerdo al proceso especfico que se

trate.

3.3.5 Calor de las prdidas:

Se expresan como porcentaje del calor de entrada

total y se puede despejar directamente del balance de

energa.


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3.3.6 Calor de los gases de combustin.

Energa que arrastran los gases generados dentro del

horno.

gPcgg TCVVq g ***


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3.4 Eficiencia trmica del proceso.

Permite conocer el rendimiento del proceso.

100xq

q

E

u


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3.5 Calculo para optimizar el proceso.

Utilizando el calor de los gases para precalentar el aire

y el material se logra disminuir las prdidas.

hgumac qqqqqq

qa qb q

1ba


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qqqqqbaqqq hgumac )(

Entonces:

hgumac qqqqqqq 2

q2

hgumac qqqqqq ,,,,


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4. COMBUSTIBLE

Definicin:

Cualquier sustancia que

al combinarse con otra

produzca calor, adems

del aprovechamiento

econmicamente racional

del mismo.

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4. COMBUSTIBLE

4.1 Clasificacin de los combustibles:

Qumicos.

Fsicos. ( Combustibles Nucleares)

Fsiles

Actuales

Slidos (Turba, Lignito, Carbones minerales)

Lquidos (Fueloil, Gasoil)

Gaseosos (Gas Natural, Gases Artificiales)

Naturales (Carbn, gas Natural y Petrleo crudo)

Artificiales (Gasolina, Carbn Coque)

Naturales (Lea, Residuos de cosecha)

Artificiales (Biogas, Bagazo, Carbn Vegetal)

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4. COMBUSTIBLE

4.2 Composicin de los combustibles:

La composicin de los combustibles slidos y lquidos

se expresa sobre la base gravimtrica y la de los

gaseosos en la base volumtrica.

En los combustibles hay cinco elementos

fundamentales: CARBONO, HIDRGENO, OXGENO,

AZUFRE Y NITRGENO.

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4. COMBUSTIBLE

4.3 Propiedades caractersticas de los combustibles:

4.3.1 Combustibles slidos:

Composicin elemental.

Poder calorfico.

Densidad.

Contenido de ceniza.

Porosidad.

Temperatura de ignicin.

Abrasividad.

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4. COMBUSTIBLE

4.3.2 Combustibles lquidos:


Poder calorfico.

Viscosidad

Densidad.

Temperatura de congelacin.

Temperatura de vaporizacin.

Temperatura de precalentamiento.

Temperatura de autoignicin.

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4. COMBUSTIBLE

4.3.3 Combustibles gaseosos:


Poder calorfico.

Densidad.

Limite de inflamabilidad.

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4. COMBUSTIBLE

4.4 Tipos de anlisis para combustibles:

4.4.1 Anlisis Fsico.

% de Humedad.

% de Voltiles.

% de Carbono fijo.

% de Ceniza.

4.4.2 Anlisis Qumico elemental.

Se determina el porcentaje de cada uno de los elementos

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5. COMBUSTIN.

Definicin:

Proceso de oxidacin rpida

entre el combustible y el

comburente (generalmente aire),

con la generacin de calor en

presencia de una llama.

En forma general:

CalorOHyXCOnOHC yx 222 2

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5. COMBUSTIN.

Para que la combustin tenga lugar han de coexistir tres

factores: COMBUSTIBLE, COMBURENTE Y ENERGA DE

ACTIVACIN Combustible

Comburente Energa de

activacin

Tringulo de la combustin

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5. COMBUSTIN.

5.1 Estequiometra de la combustin:

Se ocupa de las relaciones masicas y volumtricas

entre reactivos y productos. Los aspectos a determinar

son:

Aire necesario para la combustin.

Producto de la combustin y su composicin.

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5. COMBUSTIN.

5.1.1 Combustin completa:

Oxidacin total de todos los elementos que constituyen

el combustible.

5.1.2 Combustin incompleta:

Los componentes del combustible no se oxidan

totalmente, apareciendo los inquemados. ( ) 2,HCO

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5. COMBUSTIN.

5.1.3 Combustin estequiomtrica.

Combustin completa realizada con la cantidad estricta

de oxgeno. El aire utilizado es el mnimo necesario para

la oxidacin completa.

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5. COMBUSTIN.

5.1.4 Poder Comburvoro:

Cantidad de aire seco en condiciones normales

(T=0C, P= 1 atm) mnimo para la combustin completa y

estequiomtrica.

5.1.5 Poder Fumgeno:

Cantidad de productos de combustin que se

produce en la combustin estequiomtrica de la unidad de

combustible, puede ser hmedo o seco.

)( 3Nm

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5. COMBUSTIN.

5.1.6 Coeficiente de exceso de aire:

n = Volumen de aire por unidad de combustible.

n = 1 Combustin estequiomtrica.

n < 1 Defecto de aire (Mezcla rica)

n > 1 Exceso de aire (Mezcla pobre)

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5. COMBUSTIN.

5.1.7 Combustin con defecto de aire:

La cantidad de aire utilizada no contiene el oxgeno

necesario.

5.1.8 Combustin con exceso de aire:

Cantidad de aire aportada superior a la cantidad

estequiomtrica.

Completa.

Incompleta

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5. COMBUSTIN.

5.1.9 Poder Calorfico:

Cantidad de calor que se obtienen de la oxidacin

completa a presin atmosfrica de una unidad de masa o

volumen de combustible.

Hay dos tipos de poder calorfico:

Poder calorfico Inferior. (Agua en forma de vapor)

Poder calorfico Superior. (Agua en forma lquida)

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6. TIPOS DE ATMSFERAS

6.1 Atmsfera Reductora:

Es la atmsfera que se produce por una deficiencia en

la cantidad de Oxgeno para realizar el proceso de

combustin.

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6.2 Atmsfera Oxidante:

Es la que se produce por un exceso de oxgeno, es

decir, que luego de realizarse la combustin sigue

habiendo Oxgeno en la atmsfera del horno.

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6.3 Atmsfera Neutra:

Es la que se produce cuando la combustin es

completa (No falta ni sobra Oxgeno), solo se da de forma

terica y la razn es que siempre se requiere ms

Oxgeno del que dicen los clculos.

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7. QUEMADORES

Definicin:

Son los dispositivos

encargados de efectuar la

combustin de la mezcla

combustible-aire para

proporcionar el calor

requerido en los hornos.

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7. QUEMADORES

Quemadores a gas:

Quemadores difusivos: El combustible gaseoso y el

aire se mezclan en el interior del horno.

Quemadores de premezclado: El combustible gaseoso

y el aire se mezclan en el quemador (tubo a tubo).

Quemadores de inyeccin o mezclado total: El

combustible y el comburente se mezclan totalmente antes

de llegar al quemador.

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7. QUEMADORES

gas Quemador difusivo

aire

gas

aire

Quemador premezclado

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7. QUEMADORES

gas

aire

Quemador de inyeccin o mezclado total

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8. PASOS PARA LA REALIZACIN DE UN SIMULADOR

1. Para la simulacin de un proceso de combustin ,

utilizamos una hoja de clculo de Microsoft Excel.

2. Se crea una tabla de datos que muestra las variables del

proceso.

3. Se realiza la modelacin matemtica de acuerdo con la

expresin de la Ley de la conservacin de la energa

ghumac qqqqqq

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4. Calculamos el calor del combustible , para

lo cual es necesario conocer Hc y este se calcula

partiendo de la composicin del combustible, sin embargo

en esta expresin falta determinar Vc.

5. Utilizando al frmula se calcula el

calor del aire precalentado, debemos entonces determinar

el volumen del aire por lo tanto debemos plantear las

reacciones de combustin.

ccc VHq *

aPcaa TCVVq a ***

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5.1 Tomando como base de clculo del combustible

(gas natural), calculamos la cantidad de oxgeno

estequiomtrico necesario para la combustin y a

partir de este valor calculamos el volumen de aire Va.

5.2 Nuevamente de la ecuacin del calor del aire

precalentado, nos queda Vc como incgnita.

31Nm

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6. Calculamos el valor del material precalentado utilizando

para ello la frmula:

7. Se calcula el calor til qu como se dijo anteriormente

dependiendo del proceso.

8. Luego se calcula el calor de los gases utilizando la frmula:

mPm TCmq m **

gPcgg TCVVq g ***

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8.1 Para obtener Vg calculamos el volumen de los gases

de las reacciones, adems de los gases que

provienen del combustible y del aire atmosfrico que

no toman parte en la reaccin.

8.2 Se establece la composicin de los gases de salida y

se calcula el Cp promedio de los gases.

En esta ecuacin Vc tambin queda como incgnita.

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9. Se resuelve el sistema de ecuaciones para obtener el valor

de Vc.

10. Se calcula el calor de las prdidas qh multiplicando la

fraccin porcentual de las prdidas por el calor de entrada.

11. Luego se puede calcular la eficiencia del proceso.

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9. TRANSFERENCIA DE CALOR

Definicin:

Intercambio de energa

(calor) que pueden tener

los cuerpos como

consecuencia de una

diferencia de temperatura

entre ellos.

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9.1 Mecanismos de transferencia de calor:

9.1.1 Conduccin: Transferencia de calor producida a

travs de un medio producto de un gradiente de

temperaturas; puede ocurrir en slidos, lquidos y gases.

Su expresin matemtica se denomina Ley de Fourier.


x

TAq

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9.1.2 Conveccin: Se refiere a la transferencia de calor

que ocurrir entre una superficie y un fluido en movimiento

como resultado de la diferencia de temperatura.

Su expresin matemtica es la Ley de enfriamiento de

Newton.

)( TThAq P

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9.1.3 Radiacin: Es la transmisin de energa en forma

de ondas electromagnticas producto de una diferencia de

temperatura entre dos superficies.

La expresin matemtica es la Ley de Stefan Boltzmann.

4ATq

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