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DISEOESTRUCTURALYDIMENSIONAMIENTODELOSDIFERENTES ELEMENTOSDELCUBILOTE

ALBERTO SALVADOR ORIHUELA SANABRIA

TABLADECONTENIDO

Pg.

INTRODUCCIN19

1.PLANTEAMIENTODELPROBLEMA21

2.OBJETIVOS22

2.1.GENERAL22

2.2.ESPECIFICOS23

3.MARCOTEORICO23

3.1.LASFUNDICIONESYEL CUBILOTE23

3.2. MECANISMODELAFUSIONENELCUBILOTE25

4.CARACTERISTICASTECNOLOGICASDELCUBILOTE30

4.1CORAZA31

4.2.TUBERIAVENTILADOR-CAJADEVIENTO32

4.3.CAJADEVIENTO33

4.4.TUBERIACAJADEVIENTO-TOBERAS34

4.5.TOBERAS35

4.6.EQUIPODEMEDIDADELSOPLO36

4.7.PIQUERASDEMETALY ESCORIA38

4.8.PUERTADECARGA38

4.9CHIMENEA39

4.10.VENTILADORYPOTENCIAUTILDELVENTILADOR39

5.METODOLOGIA40

5.1.IDENTIFICACIONDELPROBLEMA41

5.2.REVISIONBIBLIOGRAFICA41

5.3.CALCULODELOSPARAMETROSDE FUNCIONAMIENTODELCUBILOTE CONUNAPRODUCCIONOPTIMADE2 t/h415.3.1.TemperaturadelafundicinLquida43

5.3.2.ProduccinHoraria43

5.3.3.ndicedeCombustin44

17

5.3.4.AirequeCombusteporHora(O2,N2,qc)44

5.3.5.FlujodeAire(Q)45

5.3.6.Potenciatildelventilador46

5.4.CALCULOYDISEOENSolidWorks2007DECADAUNODELOS ELEMENTOSDELCUBILOTECONUNAPRODUCCIONDE2t/h485.4.1.Carcasa49

5.4.2.Soportes49

5.4.3.TuberaVentilador-CajadeViento50

5.4.4.CajadeViento51

5.4.5.Toberas52

5.4.6.TuberaCajadeViento-Toberas54

5.4.7.ElementosdelCrisol57

5.4.8.TuboVenturi58

5.4.9.EstimacindelaalturaefectivaHe59

5.5.SELECCINDELTRANSPORTEMECNICOPARAELPROCESODE CARGUEDELHORNODECUBILOTE615.5.1.SeleccindelCable61

5.5.2.SeleccindelaPolea64

5.5.3.ClculodeltambordeEnrollamiento65

5.5.4.ClculodelaEstructuradelCarrodeCargue72

6.DISEOYCALCULODEL SISTEMADEINYECCINDEOXGENOPOR MEDIODELASTOBERAS766.1.PRINCIPALESCARACTERISTICASDELAFUSINSEGNEL PROCEDIMIENTOSEGUIDO836.2.PORCENTAJEDEOXGENOAADIDO85

6.3.TECNICASDEINTRODUCCINDEOXGENOENELCUBILOTE87

6.3.1.EnriquecimientodelAire porDilucindeOxgenoenlaTubera88

6.3.2.InyeccindeOxgenoporMediodelasToberas89

6.3.3.InyeccindeOxgenoenelCrisol91

7.CONCLUSIONES93

8.RECOMENDACIONES94

9.RESULTADOSESPERADOS95

10.REFERENCIASBIBLIOGRAFICAS96

ANEXOS100

LISTADEFIGURAS

Pg.

Figura1.HornodeCubilote24

Figura2.Influenciadelporcentajedecoqueentrecargasobreelndicede combustinsegnJungbluth.29Figura3.Representacingrficadelacombustinsimplificadadelcoqueenel cubilote30Figura4.Partesdelcubilote31

Figura5.Cajadeviento33

Figura6.Tuboventuri36

Figura7.Dimensionesdelventuri37

Figura8.Diagramareticularestndarde uncubilotedevientofro,enfriadocon agua,segnJungbluth42Figura9.Especificacionesdelossoportesdelcubilote50

Figura10.Especificacionesdelatuberaventilador Cajadeviento50

Figura11.Especificacionesdelacajadeviento52

Figura12.Especificacionesdelastoberas53

Figura13.Dispositivodeinversindelairedelastoberasautlimpiantes54

Figura14.Especificacionesdelatuberiacajadeviento-toberas55

Figura15.Especificacionesdelcrisol57

Figura16.Especificacionesdelventuri58

Figura17.HornoCubiloteDiseadoparalaEmpresaIDEA60

Figura18.Diagramadecuerpolibredelcarrodecargue61

Figura19.Poleasfijas64

Figura20. Tambordeenrollamiento66

Figura21.Estructuradelcarrodecargue74

Figura22.Rendimientodelacombustinenfuncindelatemperaturadelos humosparaviento fro76

Figura23.Rendimientodelacombustinenfuncindelatemperaturadelos humosparaviento fro77Figura24. Temperaturadelosgasesdecombustinsielcalortotalliberadose utilizaparaelcalor,segnelndicede combustin78Figura25.Influenciadelenriquecimientodelaireenlastemperaturasenel

cubilote80

Figura26.Cubilotecondoblehileradetoberas85

Figura27.Flujodeoxgenoqueseagregaenm3/h.enfuncindelairesopladoy delporcentajedesobreoxigenacin86Figura28.Inyeccindeoxgenoporlastoberas88

Figura29.Adiciondeoxgenopordilucin88

Figura30.Inyeccindeoxgenopordebajodelastoberas91

LISTADETABLAS

Pg.

Tabla1. ProduccinHorariaparauncubiloteconDi=600mm43

Tabla2. IndicedeCombustion44

Tabla3. AiredeCombustionporHoraPminy Po45

Tabla4.FlujodeAireSopladoydeCombustion46

Tabla5.SeccionTuberiaventiladorcajadevientoparaunPentre10%y15% 51

Tabla6.Diametrodelastoberasparadiferentesrelacionesentrelasecciondel cubiloteylasseccionesdelastobreas54Tabla7.Numerodetoberasenfunciondeldiametrointernodelcubilote56

Tabla8.Seccionydiametrodelatuberiacajade viento-toberas56

Tabla9.Seleccindelcable63

Tabla10.Poleasparacablesdeacero65

Tabla11.Selecciondelrodamientoteniendoencuentaeldiametrodelejeyla cargadinamica70Tabla12.Caracteristicastecnicasdelmotoreductor72

Tabla13.Comparacindelosefectosdelcoqueydeloxgenoenla fusindel cubilote79Tabla14.Comparacinentreelmtododedilucineinyeccindeoxgeno.91

LISTADEANEXOS

ANEXOA. ESPECIFICACIONESTECNICASPARTICULARESPARAEL HORNODECUBILOTEDISEADOPARALAEMPRESAINDUSTRIALDE

Pg.

ACCESORIOSLTDA101

ANEXOB.SELECCINDELMOTORPARAELVENTILADORPARALA INYECCINDEAIREENELCUBILOTE104ANEXOC. CARTASDECOMPROMISOYCUMPLIMIENTODELOS

OBJETIVOSPLANTEADOSPORPARTEDELAEMPRESAINDUSTRIALDE ACCESORIOS"IDEA"106ANEXOD. PLANOSDECONSTRUCCION108

3.MARCOTEORICO

3.1 LASFUNDICIONESY ELCUBILOTE

Definidascomounaaleacindehierroycarbonoconuncontenidodecarbono quevaraentreel2,0%Cy por finestcnicoshastaun 4,5%C. Aleacionescaracterizadasporsuexcelenteaptitudalmoldeo,sueconomayestnprovistas demicroestructurasvariadasque les permitenserutilizadasenunagamade aplicaciones,hansidotradicionalmenteelaboradasenelhornodecubilote.

Hoyenda,enlosestadosunidosel 60%de las fundicioneselaboradasson fundidasenelcubilote,porcentajequeseelevahastael65%siseconsideran todoslospasesdesarrollados.

Unodeloshornosmsutilizados enelprocesodefundicineselhornode cubilote,yaqueloscostosdeproduccinsonbajosencomparacinconotrotipo dehorno,suoperaciny controlduranteelprocesono presentangrandes dificultades,no requieremayorcantidaddemanodeobraynoocupamucho espacio.

Enel cubiloteseproducenunagranfamiliadefundiciones,desdela tradicional fundicincon grafito laminar, fundicionesblancas,atruchadas,fundiciones maleablesy dctileshastadealtaaleacincomolasNi-Hard,Ni-Resistentesy fundicionesalcromo.Soloelcontenidode carbonoenla fundicinlimitala elaboracinde las fundicionesenaltohorno.Enefecto,cuandoelcontenidode carbonoenlafundicines menorque3.0%Cse requieredehornoselctricospara poderfabricarlas.El horno de cubilote (Figura 1) es un horno de cuba, su diseo es sencillo, consisteenuncilindroverticalcuyointeriorseencuentrarevestido porunmaterial

24

refractario,quepuedetenerunanaturalezaqumicacida,bsicao neutra.Utiliza comocombustibleelcoquey comocomburenteelaire.Delmismotipoqueelalto horno,sediferenciaporelproductofundidoqueelaborayporlacargaqueutiliza. Enelaltohornoseutilizamineraldehierrocomo cargay enelcubilote chatarrade fundicinydeaceros.El producto fundido que se obtiene en el cubilote tiene caractersticas metalrgicas,qumicasy mecnicasmuydiversas,quelespermitenteneramplias aplicaciones.

Figura1.HornodeCubilote

Fuente:ALONSO,BAQUEROARNALDO.Diseo,operacinycontroldel cubilote.Bucaramanga:DivisinEditorialydepublicacionesUIS.2000

Lascaractersticas dediseocubilote datan desde elsigloXVIII, ysudiseo bsico no ha experimentado cambios radicales. Su calificacin como horno moderno comienza en la dcada de los aos cincuenta cuando se puso en

funcionamiento la tcnica de fusin de viento caliente. Posteriormente la disminucindelcostodeloxgenoy ladoblehilerade toberashicierondelcubilote un horno moderno con alta eficiencia trmica. Cumple con todas las especificacionesqueregulanlasemisionesalmedioambiente,aun lasms vigentes.

3.2MECANISMODELAFUSIONENELCUBILOTE

Sumecanismodefusionsebasaenlostrabajosdelosinvestigadoresalemanes Junbluth1,Patterson2 yNeumann3,ellasseencuentranrecopiladasensumatyor parteenlaobradeGuyot.4(1)Elprincipioqueregulaelmecanismodefusinenestehornoeslaocurrenciadedos reacciones al ponerse en contacto el aire soplado con el coque incandescente:

Laprimerareaccineslareaccindecombustindelcarbonodelcoqueque genera la energa necesaria para precalentar, fundir y sobrecalentar la fundicin.ConsiderandounKmoldecarbonoestareaccinseexpresa:C+O2 +3,8N2 CO2+3,8N2 +97.600Kcal[1]Enlacombustindelcoqueenelcubiloteelairecirculaagranvelocidadyaun flujomsomenosconstante.Elfactorquedeterminalacinticadelareaccineslatransferenciademasaquetienelugaratravsdelapelculadeairequeesten

1JUNGBLUTH,H.Lasleyesdelafusin.EnGEISSEREI,(mar,1939);p.113-120.2PATTERSON,WYNEUMANN,F.Reglasdelafusinenelcubilote.EnGeisserei,(feb,1961);p.49-563NEUMANN,F.Ventajasmetalrgicasdelafusinenelcubilotedevientocalienteyenelde vientofro.En:Geisserei.(sep.1964);p.538545.4GUYOT,J.Manuelducubilot.1ed.Paris:EditionsTechiniquesdesIndustriesdelaFonderie,1980.P.85,87

contactoconelcoquey quehacereferenciaespecficamentealoxgeno.La cantidadde masaquesetransfiereporunidadde volumen(oxgeno),es proporcionala lavelocidaddelaireeinversamenteproporcionalalespesordelcoque.Seexpresaporlareaccin:

Endonde:

M:Masadeoxgenotransferida

M=K.vAd

[2]

d:EspesordelcoqueconsideradoesfricovA:VelocidaddelaireK:Coeficientedeproporcionalidad

Comosepuedeapreciarenla expresinanterior,la velocidaddelsoploenlas toberasyeltamaodelcoqueejerceninfluenciadeterminanteenlacombustin delcoque.

Lasegunda reaccin,conocidaconelnombredereaccindegasificacindel coque, se caracteriza por consumir calor al producirse. Esta reaccin,considerandounKmolde carbonoserepresenta:CO+C2CO38.800Kcal[3]La capacidaddelcoqueparaproducirestareaccinseconoceconelnombrede reactividaddelcoque,y hasidounadelaspropiedadesquemscontroversiaha originado. Ladisparidad decriteriofuedilucidada porelinvestigador Seymour Katz5 (1),alexplicarlosmecanismosdelareaccindegasificacinylas caractersticasdelcoquequelainfluencian.SegnKatz,elvalordelareactividaddelcoqueesimportanteabajastemperaturas,peroatemperaturassuperioresa

5 KATZ,S.Definingthecokepropertiesthatdirectlyaffecttheenergyefficiencyofcupolas.49CongresoInternacionaldeFundicin.Chicago:1982

13000Cla velocidadde la reaccinesdependientedeotrosfactorescomoel contenidodecarbono,eldimetrodelcoque,laporosidaddelacamadecoquey elflujodeaire.Si en lugar de un kilomol, se considera un kilogramo de carbono, las dos reaccionesanterioressetransforman:C+O2+3.8N2 CO2+3.8N2 +8.133Kcal [4]CO2+C2CO 3.233Kcal [5]LaocurrenciadelareaccindegasificacinindicaquenotodoelCO2 producido porlacombustindelcarbonosevacomogasenloshumos.Porlotanto,una maneramscompletaderepresentardichasreaccioneses:C+O2+3.8N2 XCO2 +(1X)CO2 + 3,8N2 [6]

Endonde:

(1X)CO2 +(1X)C2(1X)CO [7]

X :EselnmerodekilomolesdeCO2quesevaenloshumos.

(1-X) :KilomolesdeCO2que intervienenenlareaccindegasificacin. Sise sumanestasdosreacciones,queda:(2X)C+O2+3.8N2 XCO2 + 2(1X)CO+ 3,8N2 [8] ndicedeCombustinn.

Lasreacciones anterioresindicanlascantidades deCO2 yCOquevanalos humos. Sin embargo, al fundidor le gustara tener una herramienta que le permitieraconocerdeantemanoloscontenidosdeCO2 yCOquesalenenlos

humos,latemperaturadelafundicinlquidalaproduccin,rendimientotrmico delhorno,entreotras.Deaqunaceelconceptodendicedecombustinqueseexpresapor larelacin:

n=C02CO2+CO

[9]

Estendicequeindicala composicinsimplificadade losgasesdecombustin, depende,paraunacalidadde coquedeterminado,del flujodeairey delporcentajedecarbonoutilizado.SegnelinvestigadoralemnJungbluth,elaireejerceuna influenciamuybajasobreelndicedecombustiny,enunaprimeraaproximacin sepuededespreciar,dentrodeloslmitesdetrabajohabitualdelcubilote.Bajo estaconsideracinyaceptandoquendependeesencialmentedelporcentajede carbonoenlacarga,Jungbluthestableciexperimentalmentelasiguienterelacin

n=0,0386J+0,15[10]p.CC

Endonde:

p:%de coqueentrecarga

C:%decarbonodelcoque

C:%decarburacindelafundicin

La relacin[10]estrepresentadaenlafigura2.

Figura2. Influenciadelporcentajedecoqueentrecargasobreelndicede combustinsegnJungbluth.(1)

Fuente:ALONSO,BAQUEROARNALDO.Diseo,operacinycontroldel cubilote.Bucaramanga:EditorialypublicacionesUIS.2000.p.6-11

Delarelacin[10]setieneque n= X

.Si seexpresanlasrelaciones[6],[7]y

[8],enfuncindel

2Xndicedecombustin nparaunkilomol decarbono, estas

ecuacionessetransformanen:

1+nC +1+n(O

+3,8N

)nCO

+1nC0

+1,9(1+n)N

[11]

2222

2222

21nC02

+1nC(1n)CO[12]2

2Sumando:C+1+n(O2

+3,8N2

)nCO2

+(1n)CO+1,9(1+n)N2

[13]

Estasreaccionesdefinenlafusindelcubiloteenfuncindelndicedecombustin

n. La Figura 3

expresa de manera esquemtica la

ocurrencia de dichas

reacciones. Apartir deellas sepueden determinar diferentes parmetros que influencianlaoperacindelhorno.

Figura3. Representacingrficadelacombustinsimplificadadelcoqueenel

Cubilote(1)

Fuente:ALONSO,BAQUEROARNALDO.Diseo,operacinycontroldel cubilote.Bucaramanga:EditorialypublicacionesUIS.2000.p.6-11

4.CARACTERSTICAS TECNOLGICASDELCUBILOTE

CimentacinySoportesLacimentacinpuedeserdeladrilloodehormignydebequedarunos15cm abajodelniveldelpisodela fundicinparaquesepuedallenarconarenau otro materialaislantede calor,paraprotegerla zapatadeconcreto.Lossoportesdelcubiloteestnhechosamododecolumnadeacero,y debenser rellenadosconconcretoreforzado.Estossoportesestnatornilladosalladode abajo de las gruesas viguetas de la estructura de la base. Los soportes del cubilotevaranenalturadeacuerdoalasnecesidades locales, perolaaltura mnimadeberpermitirla libreaberturadelaspuertasdelfondoy la facilidadde retirarladescargadelcubilote.(2)

35

Figura4.PartesdelCubilote(3)

Fuente:Danis,F.etDecrop,M.Influencedudbitdevent,ducalibreducokeet dutauxdecokeentre chargessurle fonctionnementducubilot.En: FonderieNo.148.(may,1958);p.215

4.1CORAZA

Laenvueltadeacerosueleserdechapadeaproximadamente 3o4mmde espesor,roladaenformadeseccionescilndricasy remachadas,atornilladaso soldadasunasaotras.Enelinteriordelacoraza,y aintervalosregularmente espaciados,estnatornilladosunossegmentosenformaderepisa,parasoportar

elrevestimiento.Enloshornosmsgrandesseempleanchapasdehasta12mm deespesor.

4.2TUBERIAVENTILADOR CAJADEVIENTO

Entrminosgeneralesla tubera quevadelventiladora la cajadevientodebeser recta,conundimetrosuficientepara reducirlas prdidasdepresin.Sudimetro secalculaenfuncindelsoplo,paraunavelocidaddeairedelordende15m/s. Suuninconlacajadevientodebesertangencialyhacerseenlapartesuperior delamisma.Figura5.Laseccindelatuberasedeterminademaneraprcticapor laexpresin6:(4)

St=106Di2p [14] Endonde:St:seccintuberaventilador- cajadeviento,cm2

p:porcentajede coqueentrecarga,paraunpmximode15%. Di:Dimetrointernodelcubilote,endm.

Tambinsepuededeterminarlaseccindelatuberaventilador-cajadeviento calculandoelvalordesudimetrointerno,segnla expresinyserepresenta geomtricamenteenlafigura5:dt=0.45Di [15]

6CENTRETECHNIQUEDESINDUSTRIESDELAFONDERIE.Aide-Mmoiredufondeur.Paris: EditionsTechniquedesIndustriesdelaFonderie,1952.P.3.

Endonde:

dt:Dimetrointernodelatuberaventiladorcajadeviento

Di:Dimetrointernodelcubilote

Figura5.CajadeViento(4)

Fuente:ALONSO,BAQUEROARNALDO.Diseo,operacinycontroldel cubilote.Bucaramanga:DivisinEditorialydepublicacionesUIS.2000. Pg.53-55

4.3. CAJADEVIENTO

Estsituadade60a 150cmsobrelaplacabaseyrodeaatodalaenvuelta,est fuertementesoldadaalaseccindelcuerpoparaeliminarfugasdeaire.Lacaja devientodebetenerunvolumensuficienteparapermitirunadistribucinregular delaireenlastoberas.Sualturaser iguala dosveceseldimetrodelatubera ventilador cajadeviento,y suanchuraigualaldimetrodelamisma.Conestas medidasseobtieneunaseccindelacajasuperioralaseccindelatubera

ventilador- cajadeviento.Engeneral,elvolumenmnimodelacajadeviento deberser igualal volumendeaire queenvael ventiladorpor segundo,paraun porcentajede coqueentre carga correspondienteal15%.Serecomiendautilizar cajasdevientoaltasosuspendidas,yenloposibleequilibradas,paraasmejorar ladistribucindeaireenlas toberas.Elequilibriose alcanzaalcolocarensuparte interna,enlamitaddesualtura,untabiquehorizontalquedividelacajaendos partesiguales.Laseccindepasodebeseralmenosiguala laseccinde llegada delaire.

4.4.TUBERIACAJADEVIENTOTOBERAS

La seccintotaldelatuberacajadeviento-toberasserigualalaseccindela tuberaventilador cajadeviento.Sunmeroestdefinidoporelnmerode toberas.Comoocurreconelclculodela seccinde la tuberaventilador-cajade viento,laseccindecadasegmentodela tuberacaja de viento- toberasse determinaparaunavelocidaddelaireequivalentea15m/s,yseexpresaporlarelacin:

Sto=

106Di2p n0

[16]

Endonde:

Sto:Seccintuberacajadevientotoberas,encm2

no:Nmerodetoberas

4.5. TOBERAS

Seencuentranubicadasinteriormentealrededordelacorazametlica,conducen el aire al interior del cubilote, deben ser lo suficientemente grandes para suministrarlacantidadnecesariadeairealacamadecoque,lasdimensionesde lastoberasdependendel tamaodelhorno,segnlosprofesionalesen estarama, lasuma del rea de las toberas debe estar entre 12,5%-25% del readela seccintransversaldelcubilote.

Las toberas pueden ser redondas, cuadradas orectangulares, tambin deben tenerunainclinacinhaciaelinteriordelhornode7a15.Eltamaoy diseode lastoberasesexageradoconfrecuencia,y realmentesetendrnmsbeneficiossi se corrigeunaprcticadefectuosaque sise cambiaeldiseootamaode las toberas. Una distribucin correcta delmaterial cargado evitar muchas delasdificultadesatribuidasa lastoberas.7

Lastoberasmssencillasconbuenaprcticaproducirnbuenosresultadosy por estaraznla mayoradelosfabricantesabastecentoberasdediseosencillo.8

ToberasautoescoriantesLa tendenciaactualestafavorde lastoberasautoescoriantes.Su instalacinevitaestarabriendoy cerrandolastoberasparasulimpieza durantelamarcha,locualafectaelbuenfuncionamientodelacombustin. Laadecuadaoperacindeestetipodentoberasincluyedoscondiciones:

-Cierreestancodelastoberas-Distanciasuperiora200mmentrelatoberaqueestenfuncionamientoy laqueestaautolimpindose.

7SamCartery RalphCarlsen,AcidCupolaSlagsandSomeRelationshipstoMeltingConditions, AFSTRANSACTIONS,Vol.61,Pg527(1953)8BernardP.Mulcahy,Howtousethecupola,Foundry,enero1952,Pg.152

Laltimacondicinobligaaadoptardistanciasigualesosuperioresa600mm entredostoberasenserviciosimultneo.Estacondicinlimitala instalacindelas toberasautolimpiantesencubilotespequeos.A este respectomerece mencionarselaafortunadainstalacinde toberas autolimpiantesenuncubilotede600mmdedimetrointernorealizadoen la UniversidadIndustrialdeSantander.9

4.6.EQUIPODEMEDIDADELSOPLO TuboVenturi

Esun dispositivoqueoriginaunaprdidadepresincuandoporl pasaunfluido. En esencia, consta de una tubera corta recta, o garganta, entre dos tramos cnicos.Figura6. Eltuboventurinonecesitaparasu instalacinunsegmento rectilneo, pero si es necesario que este posea dos tomas de presin como mnimo,tantoenlatuberadeentradacomoenlaseccindeestrangulamiento, laspresionesmedidasporelventurison delordende100mma 300mmdeagua. Ademslasprdidasdepresinoriginadasporel venturisonentre10y 15%dela presindiferencialmedida.

Figura6.Tuboventuri

Fuente:http://mecanicadefluidos5.blogspot.com/2010/10/medidores-de-velocidad- y-caudal-en.html

9ALONSO,A.Diseoconstruccinypuestaenmarchadeundispositivodeextraccincontinuade metal-escoriaporsifonesseparadosenelcubilote.Informefinal.ProyectoColciencias, cdigo:1102-08-003-92.oct.1995.P.46,48.

36

Esteelementoprimariodemedidaseinsertaenlatuberacomountramodela misma, se instala en todo tipo de tuberas mediante bridas de conexin adecuadas.Elventuritieneunaseccindeentradadedimetroigualaldimetro de conduccindelatubera alacualseconecta.Laseccindeentradaconduce haciaun cono de convergenciaangularfija,terminandoenunagargantadeun dimetromsreducido,se fabricaexactamentesegnlasdimensionesque establece su clculo. La garganta se comunica con un cono de salida o de descargacondivergenciaangularfija,cuyodimetrofinaleshabitualmenteigual aldeentrada.Paraelventuriqueseutilizeneldiseorepresentadoenlafigura7,larelacindelaseccindeestrangulamientoalaseccindelatubera,esigual

a0.25.Esdecir:

39

Endonde:

m:Coeficientedederrame.

m= Se =0.25[17]St

Se:Seccindeestrangulamiento

St:Seccindela tuberadeentrada

Figura7.DimensionesdelVenturi(5)

Fuente:ALONSO,BAQUEROARNALDO.Diseo,operacinycontroldel cubilote.Bucaramanga:EditorialypublicacionesUIS.2000.Pg.68

ParaestascondicioneselflujodeairetericoQt,medidoporelventuriestar determinadoporlaexpresin:Qt= 3dt24H [18]4

4.7.PIQUERASDE METALYESCORIA

Porlapiquerademetalfluyeelmetalfundidohastaelcalderodecolada,porlo cual su revestimiento es de un material refractario, la altura del orificio de sangradodemetalestentre10cma30cmrespecto alaplacabaseydeber tenerla formadeunconotruncado,coneldimetromayorhaciaelexteriordel cubilote, para facilitar la introduccin y remocin de los tapones durante la operacindecolada.

Elcanaldeescoriadebeestarsituadoa igualdistanciade lasdostoberas adyacentes paraevitarqueel vientoqueentraporestasenfre demasiadola escoriae impidaquecuelelibrementeporelagujerodestinadoa ella,debeestar localizadoligeramentearribadelniveldelhierro,esdecirla alturaaproximadaque alcanzaelmetalfundidodentrodelcrisol.

Estos orificios estn localizados generalmente 180 uno de otro, aunque la distanciaentreellospuedesersobrela circunferenciadela coraza,acualquier distanciaconvenienteyprctica.Eldimetrodelosagujerosvaradel1%al2% deldimetrointeriordelcubilote.

4.8. PUERTADECARGA

Enloscubilotescargadosa manoestasaberturasestnrelativamentebajaspara darmayorfacilidadaloperario,peroenloscubilotesgrandesestaalturaesde

unos4maproximadamentedesdelaplacadelfondohastaelumbraldelapuerta decarga.Cuandoserealizalacargamecnicamente,estapuertaestaubicadaaunnivelmsalto,parapermitirunaabsorcinmseficientedecalordelosgases deescapequeascienden.(6)

4.9. CHIMENEA

Cuando la chimenea pasa a travs del techo del edificio, deber dejarse un espacioentrelachimeneaylaestructuradeltecho,porrazonesdeproteccin contraincendios.Estadebesercubiertaporuncapuchn,paraproteccincontra lasinclemenciasdeltiempo.10 Algunoshornosestnprovistosconunsupresorde chispas, pero este no evita que las cenizas se acumulen en los techosadyacentes,nieliminaningunacondicinindeseabledelosgasesdeescape.

4.10. VENTILADORYPOTENCIATILDELVENTILADOR

Elventiladorcentrfugoesunsopladorquegiraavelocidadconstantey trabajaa bajaspresiones.Su objetivoes impulsarunciertoflujode airedentro delcubilote, venciendolasprdidasdepresinqueseoriginanenelcircuito.Elventilador aspiraelairegeneralmentea lapresinatmosfrica,porlotantolapresinde entradaesestapresin.Lapresinde salidaesaquellasuperiora lapresin atmosfricamedidaala salidadelventilador.Lasvariablesquecaracterizanal ventiladorson,porlotanto,el flujodeaireQquelsuministra,y lapresintotalde aireHt,medidaentrelaentradaylasalidadelventilador.Lapotenciaejercidaporelventiladorparavencerlasprdidasdepresinquese

originanenelcubiloteyenelcircuitodeairesellamapotenciatil, Pu.Seexpresa

10SOCIETY,A.F.Elhornodecubiloteysuoperacin.EditorialContinentalS.A.Juliode1961. Pg.314

49por larelacin:

Pu= QmxHmx7J

[19]

Endonde:

Pu:Potenciatil,enC.V.

Qmx:Flujodeairemximo,enm3/s

Htmx:Presintotalmxima,enmm.deagua

5. METODOLOGIA

Lametodologadesarrolladaenestetrabajodegradoconsistien6actividades ilustradasenelsiguientediagrama:

5.1IDENTIFICACIONDELPROBLEMA

ActualmenteelhornodelaempresaIDEAarrojaunaproduccinaproximadade

850Kg/hdehierrogris,en una jornadadefundicindealrededorde8 horas continuas.Enestascondicionesloscostosse elevanporel pagodehorasextrasnecesariasparaalcanzarlaproduccinprogramada.

5.2REVISIONBIBLIOGRAFICA

Estaactividadsellevacabo duranteeldesarrollodelproyectoyconsistienla documentacinbibliogrficadesde librosespecializados,informacindigitaly pginasdeinternet,locualpermitiobtenerlainformaciny losconocimientos necesariosentemasespecficostalescomoeldiseodelcubilote,softwarepara eldiseodelosdistintoselementosqueconstituyenelhorno.

5.3CALCULODELOSPARAMETROSDEFUNCIONAMIENTODEL CUBILOTECONUNAPRODUCCIONPTIMADE2t/h

Losparmetrosqueregulanlafusinenelcubilotesonelporcentajedecoque entrecargayelflujodeaire.Losparmetrosdependientessonlatemperaturade lafundicinliquida,laproduccinhorariay lacomposicinqumica.Todose encuentrarepresentadoenla figura8quememuestraeldiagramareticulardel cubilote.

Figura8.Diagramareticularestndardeun cubilotedevientofro,enfriadocon agua, segnJungbluth(7,8,9)

Fuente:GUYOT,J.Manuelducubilot.Paris.Ed.1a.EditionsTechniquesdes

IndustriesdelaFonderie,1980.p.18,19.

Paraeldiseoestructural ydimensionamiento delosdiferentes elementos del cubilotedelaempresaidea(Girn-Santander),sehanestablecidoinicialmente: Dimetro interno (Di) de 600 mm, doble hilera de refractario, doble hilera de toberas(Toberasautoescoriantesoautolimpiantes)

Elparmetroquedefinelasdimensionesde los diferenteselementosdelhornode cubiloteeseldimetrointerno,esporelloquepararealizarlosclculosy el respectivodiseoesdegranimportanciatenerestebiendefinido.Asumiendo15%de coqueentrecarga(porcentajeseleccionadoporquepermite obtenerlasmejorescondicionestrmicas,metalrgicasy econmicas)y un porcentajedecarbonoenelcoquede87%

5.3.1TemperaturadelaFundicinLiquida

La temperatura de la fundicin liquida la podemos observar en el diagrama reticulardelcubilote(figura8),paraunaproduccinmxima,mnimay optima (70Di2,40Di2 y60Di2 respectivamente), enfuncindeunporcentaje decoque entrecargaentreel10%yel15%.Sabiendoqueel15%de coqueentrecargaequivaleal18.39%decarbonoentre carga,considerandounCdel1%,paraunaproduccinoptimade2160Kg/hse tieneunatemperaturaporencimade1450C.,yparaun10%decoqueentrecargaqueequivaleal12.06%decarbonoentrecarga,considerandounCdel0.5%,setieneunatemperaturadealrededorde1400C.

5.3.2 ProduccinHoraria

La produccin horaria del cubilote para un horno determinado es funcin del caudaldeaire,delporcentajedecoqueentrecargaydelndicedecombustin tabla1ytabla2respectivamente.Seconsideraquelaproduccinhorariavara entreunaproduccinmnimade40Di2yunaproduccinmximade70Di2Kg/h.

Tabla 1. ProduccinhorariaenKg/hparauncubiloteconDi=600mm

RangosDeProduccinHoraria[Kg/h]

Pmn= 40Di21440

P54= 54Di21944

Po = 60Di22160(optima)

Pmx= 70Di22520

Fuente:Losautores

5.3.3 ndicedeCombustin

Porcentajedecoqueentrecarga(p):

pmn.=10% yp mx.=15%n= 0.0386J+ 0.15 [20]p

Tabla 2. ndicedeCombustin

P [%]n

100.65

110.60

120.56

130.52

140.49

150.47

Fuente:LosAutores

5.3.4Airequecombusteporhora(O2,N2,qc)

Carbono quecombusteporhora(Ch)=P(p [21] Airedecombustinporhora

02 quecomauste porora =0.933(1+n)[m3/h] [22] N2quecomauste porora =3.547(1 +n)[m3/h] [23] flireconsumido(qc)=4.48(1 +n)[m3/h][24]Losresultadosdelasanterioresrelacionesestnrepresentadosenlatabla3.

Tabla 3. AiredecombustinporhoraparaPmn.yPo.

P[Kg/h]14402160

P[%]nChO2N2qcChO2N2qc

100,65110,88170,69648,93819,62166,32256,04973,401229,44

110,6123,41184,23700,38884,60185,11276,331050,541326,87

120,56135,94197,86752,20950,06203,90296,771128,241425,02

130,52148,46210,54800,411010,95222,70315,821200,671516,50

140,49161223,82850,891074,71241,49335,711276,281611,99

150,47173,52237,98904,751142,73260,28356,981357,121714,10

Fuente:LosAutores

5.3.5 Flujodeaire(Q)

Elflujodeairesoplado puedemedirse porundispositivo automtico, delque existenvariostiposenelmercado,paranuestrocasose medirelflujo de airecon elventuri(figura6),segnlaliteraturasepuededeterminarel flujode airesoplado promediodelcubilotemediantela expresin[25],losresultadossemuestranenla tabla4:Qs=5.7Di2p [25]Para hallar el flujo de combustin (Qc) se tuvieron en cuenta las siguientescondiciones:Qc=4,48(1+n)P(pA)[m3/] [26]-Produccinmxima:Pmx=2520Kg/h

-Porcentajede coqueentrecarga:p=17%

-Porcentajede carbonoenelcoque:C=87%-Porcentajede carburacin:delafundicin:C=1%

Tabla 4.Flujodeairesopladoyde combustinenm3/s

p[%]nQc[m3/s]Qs[m3/s]

100,650,400,57

110,60,430,63

120,560,460,68

130,520,490,74

140,490,520,80

150,470,560,86

170,430,620,97

Fuente:LosAutores

Paraunaproduccinhorariamximade70Di2y un17%decoqueentrecarga, se obtieneun flujodecombustinQc=0,56m3/sy un flujode airesopladoQs=0,97 m3/s,flujotericomximoquesetuvoencuentaparahallarla potenciatildel ventilador

5.3.6PotenciatildelVentilador

LaPotenciatilseexpresaporlarelacin[19],dondeQmx esde0.97m3/s siendosteelvalordelflujomximoobtenidoparaunaproduccin70Di2 de2520 m3/syunporcentajedecoqueentrecargadel17%(mximoporcentajeestimado) yHmxesde800mmsiendostalapresintotalmedidaenlacajadevientoenmm,deagua,considerandolasprdidasdepresinoriginadasporla tubera ventilador-cajadevientoyeldispositivodemedidadepresin(venturi).

Conociendolosvaloressecalculalapotenciatil.

Pu=

(0,97800)75

Pu=10,35CV=10.21HP=7.61Kw

PotenciadelMotor

La potencia suministrada por el motor es igual a la Potencia til sobre el rendimiento, el rendimiento del ventilador ser del 60% y de esta manera lapotenciadelmotores:

Pmotor=

Pu[27]q

Pmotor=

Pu

0,6Pmotor =

10,3J=17,25CV0,6

Pmotor=17,25CV=17,01HP=12,69Kw

5.4. CALCULOYDISEOENSolidWorks2007DE CADAUNODELOS ELEMENTOSDELCUBILOTECONUNAPRODUCCINDE2t/h

Estaactividadse llevoa caboen2etapasdistribuidasenelclculodelas dimensiones y diseodelosdistintoselementosdelhornode cubilotede600mm dedimetrointernoempleandolaherramientaCADSolidWorks2007.

DiseoenSolidWorks2007

Eldiseoformapartedeldesarrollohumano.Conla aplicacinde nocionesdel diseo,elhombrehapodidoevolucionary satisfacersusnecesidades.El surgimientodelaindustriaimpliclaaparicindeunanuevareadeaplicacin paraeldiseo.

A travsdeldiseosebuscala modificacindeideas,crearobjetosnuevos,conla finalidaddeconvertirlosenobjetostileso atractivos,paraquecubranlas necesidadeshumanas,adaptandolosobjetosenformayfunciones.Porlo general,lasherramientasqueseaplicanaldiseosondetipovisual,yaque losconceptosy lasideasserepresentanconimgenes.Paraeldesarrollodeeste proyectoseutilizla herramientaCAD(DiseoasistidoporComputador) SolidWorks,CADestodosistemainformticodestinadoparaasistiraldiseador ensulabor quepermiteagilizary mejorarlarepresentacindesusdiseos. SolidWorksesun softwareCADmecnicoen3Dqueofrecealosingenieros, diseadoresy otrosprofesionalescreativoslasherramientasqueprecisanpara diseardemaneramsrpidaeinteligente,conelpropsitodeobtenermejores productos.(10)Todaslasherramientasdeesteprogramaayudanalusuarioa crearmejoresdiseosyaqueelprogramaesdealtorendimiento.

Muchosdelosparmetrosdediseodelcubilotesonresultadodelaexperiencia quese haobtenidoduranteaosdeoperacindeestehorno,sinembargoen las ltimasdcadassehanllevadoacabounaseriedeinvestigacionesquepermiten unacercamientoa larealidaddefuncionamientoadecuadodelhorno.

5.4.1. Carcasa

Seestableciundimetrode1040mm,elcualsedeterminconsiderando:

Espesordelrefractario(er):

er=200mm

Sedejunaluzde 20 mmentrelminayrefractarioconsiderandoladilatacin trmica por los cambios de temperatura, entonces el Dimetro externo (De) result:

Doblehileraderefractario

De=600+440=1040mm

5.4.2. Soportes

Loscuatro soportesdelcubilote(figura9)hechosamododecolumnasde acero, debenserrellenadosconconcretoreforzadoysecolocanaunaprofundidadde1500mmbajoelniveldelsuelo,quedandoporencimadeunalongitudde1000 mm. (Figura9)

Figura9. Especificacionesdelossoportes.

Fuente:Losautores

5.4.3. TuberaVentilador CajadeViento

Siguiendolaecuacin[15]paraelcubiloteconDi=600mmconunaproduccin optima de 2 t/h el Dimetro interno de la tubera ventilador- caja de viento calculadorepresentadoenlafigura10fuede270mm.(0.27m)

Figura10.Especificacionesdelatuberaventiladorcajadeviento

Fuente:Losautores

59

SeccindelaTuberaVentiladorCajadeViento

Utilizandolaecuacin[14]paraelcubiloteconDi=600mmy 15%decoqueentre cargalaseccindelatuberaventilador-cajadevientomostradaenlatabla5es de572.4cm2

Tabla 5. Seccintuberaventilador-cajadeviento,paraunp entre10%y15%

p[%]St[cm2]

10381.6

11419.76

12457.92

13496.08

14534.24

15572.4

Fuente:Losautores

5.4.4.Caja deViento

DimensionesdelaCajadeViento.

Laalturadelacajadevientoesdosveceseldimetrointernodelatubera ventilador-cajadeviento y suanchoesigualdimetroalinternodelatubera ventilador-cajadeviento,estsdimensionesseobservanenlafigura11.

flltura=2dt flltura=540 mm

flnco=dtflnco=270mm

Figura11.EspecificacionesDeLaCajaDeViento

Fuente:LosAutores

5.4.5.Toberas

Nmerodetoberas(no) =3

Inclinacin8con lahorizontal

Velocidaddelsoploenlastoberas=25m/s(11)

Dimetrodelastoberas

Parahallaresteclculosetieneencuentalarelacinquehayentrelaseccindel cubiloteylaseccindelastoberas(figura12),estarelacinenlosaosdeladcada de los 70 se estimaba entre 1/4 y 1/12. Posteriormente la AFS11

11AFS:AmericanFoundrySociety

recomendaba una relacin de 1/20. Estas relaciones se establecan por dos consideraciones:

A Aumentarlavelocidaddelaireenlastoberas.

A Mejorarladistribucindelflujo

Figura12.Especificacionesdelastoberas

Fuente:LosAutores

Estasrelacionesseconsiderabanencubilotescondimetroigualosuperiora

600mm.Paracubilotespequeos,conundimetromenora500mm,nosetiene informacin.Parael casodelcubilotede laempresaIDEA conundimetrointerno de600 mmtomamosuna relacin1/15.Dondeeldimetrodelastoberasse muestraenlatabla6yparaelcasodelaempresaIDEAtomamosundimetrode89,54mm~90,00mm

(u2

43dto1)Sto3( dto )2===

[28]

1J)Scu

u i2

Di2

4DLasdimensionesdeldispositivodeinversindelairedelastoberasautolimpiantes

seestnplasmadasenlafigura13.

Tabla 6. Dimetrodelastoberasparadiferentesrelacionesentrela seccindelcubiloteylaseccindelastoberas

RelacinDto[cm]

1/12100,0

1/1492,58

1/1589,54

1/1686,60

1/1881,65

1/2077,46

Fuente:LosAutores

Figura13. DispositivodeInversindelairedelastoberasautolimpiantes.

Fuente:LosAutores

5.4.6.TuberaCajadeViento Toberas

SeccinTuberaCajadeVientoToberasporlaexpresin[16]:

Sto=

106Di2p n0

Teniendo en cuenta la anterior expresin encontramos las dimensiones de la tuberamostradaenlafigura14.

Endonde:

Sto:Seccintuberacajadevientotoberas,encm2

no:Nmerodetoberas=3

Estenmerodetoberasseestablecienfuncindeldimetrointernodelcubilote, tabla7.12

Figura14.EspecificacionesdelaTuberaCajadeVientoToberas

Fuente:LosAutores

12ALONSO,BAQUEROARNALDO.Diseo,operacinycontroldelcubilote. Bucaramanga:DivisinEditorialydepublicacionesUIS.2000.Tabla3.2.pg.59

Tabla 7. Nmerodetoberasenfuncindeldimetrointernodelcubilote

Di[mm]No.deToberas

5002

6003

7003

8003

9003

10004

11004

12004

13004

14005

15005

16005

Fuente:ALONSO,BAQUEROARNALDO.Diseo,operacinycontroldel cubilote.Bucaramanga:DivisinEditorialydepublicacionesUIS.2000. Tabla3.2.pg.59

Tabla 8. Seccinydimetrodelatuberacajadeviento-toberas

p[%]Sto[cm2]do[mm]

10127.2127.3

11139.92133.5

12152.64139.4

13165.36145.1

14178.08150.6

15190.8156

do:Dimetrodelatuberacajadeviento-toberas

Fuente:Losautores

5.4.7. ElementosdelCrisol

Lazonadelcrisol(figura15)estcomprendida desdelasolera,elorificiode escoriayelplanoinferiordelastoberas.Haytresalturasdefinidas:ladelasolera, laalturadesdelasolerahastalaparteinferiordelorificodeescoriay,desdela partesuperiordelorificiodeescoriahastaelplanoinferiordelastoberas.Lasalturassedistribuirndela siguientemanera: