Balance de Energía y Materia en Un Horno de Precalentamiento

8/17/2019 Balance de Energía y Materia en Un Horno de Precalentamiento

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PROCESO DE CONFORMADO DE METALES

Balance de materia en el horno recalentador

HORNOS INDUSTRIALES

Entendemos por hornos industriales los equipos o dispositivos utilizados en laindustria en los que se calientan las piezas o elementos colocados en su interior por encima de la temperatura ambiente. El calentamiento puede servir paradiferentes aplicaciones, como:

• . Fundir.

• . Ablandar para una operación de conformado posterior.

• . Tratar térmicamente para impartir determinadas propiedades.• . Recubrir las piezas con otros elementos.

A continuación vamos a profundizar, desde el punto de vista enerético, en elfuncionamiento ! caracter"sticas de tres tipos de hornos empleados en la#ndustria $ider%rica, como son:

&. 'ornos de recalentamiento, empleados fundamentalmente en elrecalentamiento de materiales para su conformado en caliente.(. 'orno eléctrico de arco, utilizado fundamentalmente para la fusión de chatarra!)o prerreducidos en acer"as ! fundiciones.*. 'orno eléctrico de inducción, utilizado principalmente para la fusión de chatarra

en fundiciones ! el calentamiento de piezas de acero para for+a ! estampación.

e nuestro interés es horno de recalentamiento

El término hornos de recalentamiento se aplica en este documento a aquéllos enlos que se imparte el calor a la cara para elevar la temperatura de ésta, sinpretender que se produzca ninuna reacción qu"mica o cambio de estado, talcomo fusión o vaporización.En el traba+o de los metales, la temperatura desempe-a un papel de ranimportancia. or e+emplo:

• /as temperaturas elevadas vuelven m0s blandos la ma!or"a de los metales,

capacit0ndolos para las operaciones de deformación por fle1ión, for+a,estampación, e1trusión o laminación.

• /as temperaturas todav"a m0s elevadas eliminan la acritud de los mismos.

El proceso de calentamiento con este fin, enfriando después de modo queno se produzca ninuna deformación, se conoce como recocido.


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• . /a elevación de la temperatura por encima de un cierto punto cr"tico,

seuida de un enfriamiento brusco, vuelve el acero m0s duro ! resistente,pero con una ductilidad menor.

• . También se calientan los metales para absorber carbono, como en el caso

de la cementación.

Esto es balance enerético

Balance general

Su balance resecti!o seria

entrada+salida=generacion+consumo

Teniendo esta remisa simulamos el roceso de balances ara "ormar latemeratura de laminaci#n

1. BALANCE DE MASA. Del metano

Analizamos un ejemplo:

Se quema metano en un reactor de combustión continua en estadoestacionario y se obtiene una mezcla de monóxido de carbono y agua.


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CH

4+3/2O

2 ! CO + 2H

2O

"a alimentación del reactor contiene #$% & molar de CH4

$ '($4& molar

de O2 y #2$%& molar de )

2. *l & de conersión del metano es (,&.

-etermine la comosición del gas que sale del reactor.

*sto es un claro eemlo que se uede obserar a01 emos cómo esque sucede la reacción del metano y que nos genera$ lo que nosinteresa es$ que cantidad de gases genera$ y como combustible es Co$que necesitamos ara generar calor necesario ara calentar el metal asu temeratura de laminación.

2. BALANCE DE ENERGÍA

*nerg1a Cintica

quella debida al moimiento trasnacional del sistema como un todoen relación con determinado marco de re5erencia.

*nerg1a 6otencial

"a que se debe a la osición del sistema en un camo otencial7graitacional o electromagntico8.

*nerg1a 9nterna

:oda la que osee un sistema adem;s de sus energ1as cintica yotencial.

:rans5erencia de energ1a

Calor

*nerg1a que


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=alance de Calor

ire a 3,>C se bombea a elocidad de 2,,, ?g/0 a tras de unintercambiador de calor$ donde su temeratura se elea a #,>C. *lagua caliente de que se usa ara el calentamiento entra a (@>C y sale a%@>C. "a caacidad calor1Aca romedio del ire es 4$,B ?/?g?$ y la

del agua$ 4$2' ?/?g?. "as corrientes de aire y agua est;n searadas

or una suerAcie met;lica a tras de la cual se transAere calor y seimide la mezcla 51sica de ambas. *stablezca un balance de calor comleto en el sistema. Calcule el


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:rminos de entrada

EHF sumatoria de las ental1as de las dos corriente de entrada

H aire 2,,,?g/0 G 4$,B ?/?g ? G 73,32(%8 ? 4$,B ',4

?/0

H agua I ?g/0 G 4$2' ?/?g ? G 73B%2(%8 ? 2$(4# ',2

I?/0

:rminos de salida

EH6 sumatoria de las ental1as de las dos corriente de entrada

H aire 2,,,?g/0 G 4$,B ?/?g ? G 73432(%8 ? 3$B@ ',@

?/0

H agua I ?g/0 G 4$2' ?/?g ? G 73@%2(%8 ? 2$@2B ',2 I

?/0

9gualando

EHF

EH6

4$,B ',4 ?/0 + 2$(4# ',

2 I ?/0 3$B@ ',

@ ?/0 + 2$@2B ',

2

I ?/0

-eseando

I ##2, ?g/0 gua

"a cantidad de calor que se agrega al aire es simlemente entrela ental1a del aire de salida y de entrada


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Salida J *ntrada 3$B@ ',@ ?/0 4$,B ',

4 ?/0 3$244 ',

@

?/0

*sto es un claro eemlo de se realiza el balanceo de calor.

0ora acebos otro eemlo ara analizar el balance de energ1a

*l gas de metano de un roceso es de ',,, mol/0 de CO$ el cual seencuentra a 4#3 ?$ se quema en un 0orno usando aire a 3#3 ?. "acombustión es comleta y se usa (,& de exceso de ox1geno. *l gas decombustión de salida est; a '2#3 ?. Calcule el calor que genera el0orno.

atos:

23456 7 3(45 89 23( 45 '(;< 8 =(* ?@)mol

2pm 23 8 (;,*< ?@)mol ?

2pm 23( 8 (;,(; ?@)mol ?

2pm 3( 8 **,( ?@)mol ?

2pm B( 8 *&,C* ?@)mol ?

2pm 23( 8 C;,;& ?@)mol ?

KraAcamente obseramos


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*ncontramos el calor generado esto es una simulación de cómo es que seobtiene el calor de una combustión del metano se observa que el q o Q es elcalor necesario para calentar el metal hasta la temperatura de fuencia o delaminación

Ahora esquematizamos para el acero 1045

Primero calculamos:

Hacemos un clculo de su temperatura de fuencia o de plasticidad del metalpara ello nos apo!amos del dia"rama #erro carbono


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$n el "ra#co se observa la temperatura de fuencia del acero 1045 en unpromedio de 1150 %&

$sto es la tempera de di'usión que se debe de "enerar por la combustión demetano(

BIBLIOGRAFÍA• Molina Igartua, L.A. Y G. Molina Igartua. “ Manual de eficiencia energética térmica en la

industria”,

Edita Ente Vasco de la Energía, il!ao "##$.

• I%EA, “Manuales técnicos & de instrumentaci'n (ara conser)aci'n de la energía, *ornos

Industriales”,

Idea, Madrid "#+.

• -A%EM, “*ornos Industriales, ic/as 0écnicas” Ente Vasco de la Energía, il!ao "##$.

•1E%IGA1, “Manual del gas & sus a(licaciones, sector (rimario e industrial”, 1edigas, arcelona

"##2

• Astiagarraga 3r4ui5a 6. Y 6osé Luis Aguirre 7rma5a, “*ornos Industriales de Inducci'n”, Mc

Gra8

*ill, Madrid "##9.

• Astiagarraga 3r4ui5a 6., “*ornos Industriales de resistencia”, Mc Gra8 *ill, Madrid "##9.


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•Astiagarraga 3r4ui5a 6., “*ornos de alta frecuencia & microondas”, Mc Gra8 *ill, Madrid "##:.

LAMINACIÓN EN CALIENTE DEPRODUCTOS LARGOS

TRENES DE ALAMBRÓN

Se denominan “productos largos”, en contraposición con los “planos”, aquellosen los que sus medidas transversales son pequeñas comparadas con sulongitud. La sección es maciza y de distintas formas: Pletina, cuadrado,rectangular, circular, oval, , !, ", do#le !, angular, corrugado, etc. Los trenes de productos largos se alimentan de des#astes cuadrados,ligeramente rectangulares o de formas especiales $#eam #lan%, “&ueso de

perro”'(. La mayor parte de ellos se lamina en caliente, tanto el alam#róncomo las #arras y estructurales. )n el caso de aceros especiales tam#i*n sefa#rican secciones &e+agonales, cuadrados y llantas de canto liso oredondeado.)stas ltimas son importantes en los aceros de muelles y #allestas deautomóvil.Los cilindros de estos trenes presentan unas acanaladuras de formasadecuadas que van conformando el des#aste $“#loom”( en sucesivas pasadas$-gura /(. Suelen estar formados por ca0as do reversi#les. Para per-les degrandes secciones, las ca0as se disponen siguiendo l1neas paralelas2 elmovimiento del per-l durante la laminación les &a dado nom#re especial:“cross country”. Los per-les de dimensiones pequeñas se laminan en trenescontinuos o semicontinuos en instalaciones pequeñas.

En la fgura 47 citada se esquematizan las pasadas para la o#tención de un per-l $angular o ( partiendo de un lingote procedente de colada en lingotera.3esde la zona de aca#ado, los des#astes se llevan a los &ornos de recalentar y cuando alcanzan la temperatura adecuada pasan a los trenes laminadores queest4n compuestos por una serie de ca0as do reversi#le o tr1o. )l des#aste se&ace pasar por canales que van conformando su sección &asta conseguir el

producto aca#ado en la ltima pasada$“pasada aca#adora”(.

La “#arra” resultante puede alcanzar 566 m de longitud. 3espu*s se despunta,se corta a medidas comerciales m4s o menos estandarizadas de 57, 58 o 59 m$generalmente mltiplos de segn los camiones( y se pasa a la mesa deenfriamiento. ;inalmente se inspeccionan, sanean, enderezan y empaquetan,quedando listos para e+pedición.


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)n general, los trenes son “cross country”. Sin em#argo, para alam#rón,redondos y algunos per-les de pequeña sección, se usan trenes continuos. )l

producto aca#ado se arrolla en espiras para suministro en rollos o se corta en#arras. Los trenes de largos son continuos en la mayor parte del proceso,

pudiendo clasi-carse, segn el producto a laminar, en trenes de alam#rón, decomerciales o de estructurales.


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Trenes de alambrón.

!ransforman la palanquilla que proviene de colada continua o de un tren#looming en alam#re liso o corrugado. )ste alam#re liso, que despu*s se va atre-lar, es lo que se llama alam#rón.

Los trenes de alam#rón son continuos o semicontinuos, con m4s de 76 ca0asdo. Las ca0as continuas est4n colocadas alternadamente en forma &orizontal

y vertical, para evitar que se produzca el giro del material, el cual se laminasegn una secuencia óvalo


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!iene una #arra empu0adora que introduce la palanquilla fr1a por una ventanalateral. )sta palanquilla empu0a a las dem4s y una ya caliente es forzada a salir

por otra ventana situada en la pared opuesta. La palanquilla caliente cae a untransportador de rodillos comandados por el que llega, previamentedespuntada, al tren de laminación.

2( Tren de laminación propiamene dic*o

Para o#tener redondos de di4metro inferior a 56 mm se emplean“renes de serpeneo”, los cuales &an de ser de gran velocidad, ya que laductilidad del acero decrece muy r4pidamente al enfriarse. )l di4metro m1nimoal que se llega con estos laminadores es de unos mm. Si se deseandi4metros m4s pequeños &a de recurrirse al tre-lado o a la e+trusión. Loscilindros dedicados a la ela#oración de per-les son acanalados, reproduciendoen negativo la forma del per-l deseado.3esde la palanquilla inicial &asta el alam#rón -nal el tren de laminación est4compuesto por un sistema des#astador, un grupo intermedio y un #loqueaca#ador o “de a-nado”. Se llama “cali#re” o “luz” al &ueco comprendidoentre dos canales enfrentados correspondientes a un per-l determinado.

)videntemente, para llegar &asta la sección deseada, son necesarios varios pasos, estudiados de forma que el lingote o palanquilla se vaya transformandode una manera gradual y racional. )l primer paso es de des#astado. )n el trende des#astar se realiza un tra#a0o preparatorio transformando los lingotes en#arras de variadas secciones, con aristas redondeadas.)sta primera operación, adem4s de preparar el lingote para que pueda entrar en el primer per-lador, sirve para &omogeneizar #ien el metal y para soldar laseventuales sopladuras internas que se &ayan podido producir durante lasolidi-cación en la lingotera.Los cali#res des#astadores pueden ser de forma rectangular, o0ival u ovalada.)stos dos ltimos tienen la propiedad de presionar el lingote &acia su e0elongitudinal, apretando entre s1 las -#ras y me0orando con ello lascaracter1sticas mec4nicas del metal.La forma o0ival, por tener las aristas m4s o#tusas, presenta so#re la formarectangular la venta0a de enfriar el lingote m4s lentamente. Por otra parte, lacurvatura del contorno limita el ensanc&amientoEl ren de laminación propiamene dic*o es+ ormado b+sicamene por res esaciones laeral, por lo "ue admie ma'ores reducciones desección.a( =rupo des#astador, que es un tren continuo formado por varias ca0as

&orizontales y una cortadora despuntadora.b( =rupo intermedio, dividido en dos: )l primero de ellos est4 formado por cuatro ca0as como las de un tren des#astador. )l segundo lo forman las “ca0as>eynolds” que se caracterizan porque tienen rodillos alternativamente&orizontales y verticales. !am#i*n &ay cizallas, carros de #ucles, controles, etc.3espu*s del segundo tren intermedio y antes del #loque aca#ador se tiene elcarro de #ucles vertical, cizalla, y troceadora.c( ?loque aca#ador, compuesto por unas diez ca0as de laminación. Las ca0asson alternativamente óvaloredondo.


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)st4n montadas a 8@ con relación a la &orizontal, alternativamente arri#a y a#a0o, lo que &ace que est*n dispuestas en 4ngulos de A6@ entre s1.-( Enriamieno)l alam#rón sale del #loque aca#ador a unos 5666@ B, y se enfr1a despu*s.Primero es con agua a presión por to#eras y despu*s por aire, mientras sedesplaza el alam#re &acia el formador de rollosna vez formadas las espiras, el transportador lleva las #arras de alam#rón&asta las #o#inadoras. Cay unas soplantes que efectan el enfriamiento por aire.4( ormación de rollos)s el mecanismo que al -nal del transportador transforma las espirase+tendidas en rollos o #o#inas de alam#rón que aca#an en el carro

portav4stago.

#i#liogra-a

• International 6ournal of -ast Metals ;esearc/“1cience and Engineering of -ast Metals, 1olidification and -asting


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En el proceso de laminado en caliente, el lingote colado se calienta al rojo vivo en un

horno, donde básicamente las palanquillas o tochos, se elevan a una temperatura

entre los 900°C y los 1.200°C. Estas se calientan con el fin de proporcionar ductilidad

y maleabilidad para que sea más fácil la reducción de área a la cual va a sersometido.

Durante el proceso de calentamiento de las palanquillas se debe tener en

cuenta:

&na temeratura alta de calentamiento del acero uede originar un

crecimiento e'cesi!o de los granos ( un de"ecto llamado )*uemado+

del acero *ue origina grietas *ue no son eliminables, &na temeratura ba-a de calentamiento origina la disminuci#n de la

lasticidad del acero. ele!a la resistencia de de"ormaci#n ( uede

originar grietas durante la laminaci#n,

Por tanto la temperatura óptima de trabajo no es un solo valor, sino que varía en cierto

rango de temperatura entre un límite superior y un límite inferior.

El rincial "actor *ue se debe controlar en el roceso de laminado en

caliente. es la temeratura a la cual se est/ calentando el acero, Si el

calentamiento es insu0ciente el metal ser/ m/s di"1cil de traba-ar

debido a *ue osee una menor ductilidad ( maleabilidad roiedades

*ue se le con0eren al calentarlos a una temeratura adecuada,

El roceso de laminado en caliente debe seguir una secuencia2

rimero calentamiento. asar la chaa or el tren de desbaste. luego

or el tren de laminaci#n ( or 3ltimo el tren de acabado, Si no se

reseta esta secuencia se resentan di!ersos roblemas tales como2

desgaste e'cesi!o de los rodillos de laminaci#n. e'cesi!a otencia

ara reali4ar el traba-o.$$ END&REC$M$ENTO

Caracter1sticas de la laminaci#n en "r1o Endurecimiento durante la de"ormaci#n,E'celentes tolerancias dimensionales ( acabados suer0ciales, M5todo de ba-ocosto ara la roducci#n de ie4as e*ue6as, Ductilidad. conducti!idadel5ctrica ( resistencia a la corrosi#n se reducen mediante los rocesos de


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laminaci#n en "r1o, Puede generarse comortamiento aniso tr#ico ( es"uer4osresiduales, Para roducir ma(ores de"ormaciones en un material con"ormadoen "r1o es necesario reali4ar ciclos de traba-o en "r1o7recocido,!$atamiento t%$mi"o &e RECCID Ciclo de calentamiento hasta unatemeratura re!iamente de0nida en la *ue se mantiene or un determinadotiemo el material ( luego se en"r1a lentamente, Etaas2 Recueraci#n Recristali4aci#n ( Crecimiento de grano,Ca$a"te$'sti"as &e la lamina"i#n en "aliente No se roduceendurecimiento durante la de"ormaci#n 8la cantidad de de"ormaci#n l/stica escasi ilimitada9, Algunos de"ectos de "undici#n en el material. ueden sereliminados o minimi4ados sus e"ectos 8orosidad. heterogeneidades *u1micas9,Los acabados suer0ciales son de menor calidad con resecto a la laminaci#nen "r1o debido a la o'idaci#n suer0cial 8deende del material9, La recisi#ndimensional es menor *ue en el roceso en "r1o debido a *ue el metal secontrae durante el en"riamiento,Resisten"ia del material a la de"ormaci#n l/stica. *ue es "unci#n de latemeratura ( la !elocidad de de"ormaci#n,

III (ELCIDAD DE LAMINACINLa !elocidad de laminaci#n deende da cada materia en s1 ( el roducto *ue se*uiere obtener ara ello se hace un an/lisis de "uer4as actuantes al instantede la laminaci#n

B$BL$O:RAF$A

• 0le2;;;C2;&sers;&S&AR$O;Do?7@>=7@7PB,d" • htts2;;


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• htt2;;ma(ores,u-i,es;blogs;antromor!e;@@;@;=;siderurgia7

laminacion7en7caliente7;

TAMAJO DE :RANO

1 /ET3/

Determinar el tama6o de grano Saber el tama6o de grano adecuado ara los materiales durante los

tratamientos t5rmicos

El tama6o de grano tiene considerable inKuencia en las roiedadesmec/nicas de los metales ( aleaciones. or eso es de gran inter5s conocerlo,As1 ues. odemos entender *ue la reali4aci#n de los di"erentes tratamientost5rmicos tenga como rincial ob-eti!o obtener el tama6o de grano deseado,

Resulta e!idente *ue dicho tama6o de grano es in!ersamente roorcional aln3mero de granos resentes en la muestra,

Cálculo teórico del tamaño de grano

El tamaBo de grano se eC(resa, segDn norma A10M, mediante el nDmero G

o!tenido de la eC(resi'n

Número de granos / !"g# a $%%& ' #G($

%onde G es el nDmero de tamaBo de grano de uno a oc/oF este método se a(lica ametales 4ue /an recristali5ado com(letamente.

1egDn el mismo criterio, se considera

• grano grueso cuando G : Hdimetro de grano >= micrasJ

http://mayores.uji.es/blogs/antropmorve/2011/12/25/siderurgia-laminacion-en-caliente-2/http://mayores.uji.es/blogs/antropmorve/2011/12/25/siderurgia-laminacion-en-caliente-2/http://mayores.uji.es/blogs/antropmorve/2011/12/25/siderurgia-laminacion-en-caliente-2/http://mayores.uji.es/blogs/antropmorve/2011/12/25/siderurgia-laminacion-en-caliente-2/http://mayores.uji.es/blogs/antropmorve/2011/12/25/siderurgia-laminacion-en-caliente-2/


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• grano fino cuando G K Hdimetro de grano $= micrasJ


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5ecanismos de endurecimieno

• Endurecimiento or soluci#n s#lida de metales • Endurecimiento or reducci#n del tama6o de grano• Endurecimiento or de"ormaci#n• Endurecimiento or reciitaci#n

BIBLIGRA)IA

• 0le2;;;C2;&sers;&S&AR$O;Do?7@>=7@7PB,d" • htts2;;


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56/89E:&

2 /ET3/

• Determinar la dure4a de muestras e*ue6as con ensa(os de recisi#n,


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Bomparaciones de los ensayos:

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