APLICACIONES DE LA ELECTRICIDAD EN LA INDUSTRIA

1.- DESCRIPCION DE UNA INDUSTRIA

La industria es el conjunto de procesos y actividades que tienen como finalidad transformar las materias primas en productos elaborados, de forma masiva. Existen diferentes tipos de industrias, según sean los productos que fabrican. Por ejemplo, la industria alimenticia se dedica a la elaboración de productos destinados a la alimentación, como el queso, los embutidos, las conservas, las bebidas, etc. Para su desarrollo, la industria necesita materias primas y maquinarias y equipos para transformarlas. Desde el origen del hombre, este ha tenido la necesidad de transformar los elementos de la naturaleza para poder aprovecharse de ellos, en sentido estricto ya existía la industria, pero es hacia finales del siglo XVIII, y durante el siglo XIX cuando el proceso de transformación de los Recursos de la naturaleza sufre un cambio radical, que se conoce como revolución industrial.

Este cambio se basa, básicamente, en la disminución del tiempo de trabajo necesario para transformar un recurso en un producto útil, gracias a la utilización de en modo de producción capitalista, que pretende la consecución de un beneficio aumentando los ingresos y disminuyendo los gastos. Con la revolución industrial el capitalismo adquiere una nueva dimensión, y la transformación de la naturaleza alcanza límites insospechados hasta entonces.

Gracias a la revolución industrial las regiones se pueden especializar, sobre todo, debido a la creación de medios de transporte eficaces, en un mercado nacional y otro mercado internacional, lo más libre posible de trabas arancelarias y burocráticas. Algunas regiones se van a especializar en la producción industrial, conformando lo que conoceremos como regiones industriales.

Una nueva estructura económica, y la destrucción de la sociedad tradicional, garantizaron la disponibilidad de suficiente fuerza de trabajo asalariada y voluntaria.

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Situación de las principales áreas industriales en el mundo.

La industria fue el sector motor de la economía desde el siglo XIX y, hasta la Segunda Guerra Mundial, la industria era el sector económico que más aportaba al producto interior bruto (PIB), y el que más mano de obra ocupaba. Desde entonces, y con el aumento de la productividad por la mejora de las máquinas y el desarrollo de los servicios, ha pasado a un segundo término. Sin embargo, continúa siendo esencial, puesto que no puede haber servicios sin desarrollo industrial.

El capital de inversión, en Europa, procede de la acumulación de riqueza en la agricultura. El capital agrícola se invertirá en la industria y en los medios de transporte necesarios para poner en el mercado los productos elaborados.

En principio los productos industriales harán aumentar la productividad de la tierra, con lo que se podrá liberar fuerza de trabajo para la industria y se podrán obtener productos agrícolas excedentarios para alimentar a una creciente población urbana, que no vive del campo. La agricultura, pues, proporciona a la industria capitales, fuerza de trabajo y mercancías. Todo ello es una condición necesaria para el desarrollo de la revolución industrial. En los países del Tercer Mundo, y en algunos países de industrialización tardía, el capital lo proporciona la inversión extranjera, que monta las infraestructuras necesarias para extraer la riqueza y las plusvalías que genera la fuerza de trabajo; sin liberar de las tareas agrícolas a la mano de obra necesaria, sino sólo a la imprescindible. En un principio hubo de recurrirse a la esclavitud para garantizar la mano de obra. Pero el cambio de la estructura económica, y la destrucción de la sociedad tradicional, garantizó la disponibilidad de suficientes capitales

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La manufactura

La manufactura es la forma más elemental de la industria; la palabra significa "hacer a mano" pero en economía significa transformar la materia prima en un producto de utilidad concreta. Casi todo lo que usamos es un fruto de este proceso, y casi todo lo que se manufactura se elabora en grandes fábricas. Los artesanos también fabrican mercancías, bien solos o en pequeños grupos. Hay mercancías que necesitan fabricarse en varias etapas, por ejemplo los automóviles, que se construyen con piezas que se han hecho en otras, por lo general de otros países y de el mismo. O está constituida por empresas desde muy pequeñas (tortillerías, panaderías y molinos, entre otras) hasta grandes conglomerados (armadoras de automóviles, embotelladoras de refrescos, empacadoras de alimentos, laboratorios farmacéuticos y fábricas de juguetes).

Tipos de industrias

Industria pesada: utiliza fábricas enormes en las que se trabaja con grandes cantidades de materia prima y de energía.

-Siderúrgicas: transforman el hierro en acero.

-Metalúrgicas: trabajan con otros metales diferentes al hierro ya sea cobre, aluminio ,etc.

-Cementeras: fabrican cemento y hormigón a partir de las llamadas rocas industriales.

-Químicas de base: producen ácidos ,fertilizantes ,explosivos, pinturas y otras sustancias.

-Petroquimicas: elabora plásticos y combustibles.

Industria ligera: transforma materias primas en bruto o semielaboradas en productos que se destinan directamente al consumo de las personas y de las empresas de servicios.

Alimentación: utiliza productos agrícolas, pesqueros y ganaderos para fabricar bebidas, conservas, etc.

Textil: fabrica tejidos y confecciona ropa a partir de fibras vegetales ,como el lino y el algodón, y fibras animales como la lana y sintéticas como el nailon y el poliester.

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Industria de la Cervesa

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2.- GENERADOR DE CORRIENTE ELECTRICA

Generador eléctrico

Generador en la central eléctrica de Bridal veil Falls, Telluride, Colorado. Se trataría del generador más antiguo que se mantiene en servicio (año 2007) en EEUU.

Un generador eléctrico es todo dispositivo capaz de mantener una diferencia de potencial eléctrico entre dos de sus puntos, llamados polos, terminales o bornes. Los generadores eléctricos son máquinas destinadas a transformar la energía mecánica en eléctrica. Esta transformación se consigue por la acción de un campo magnético sobre los conductores eléctricos dispuestos sobre una armadura (denominada también estátor). Si mecánicamente se produce un movimiento relativo entre los conductores y el campo, se generará una fuerza electromotriz (F.E.M.). Están basados en la ley de Faraday.

Generador eléctrico de una fase que genera una corriente eléctrica alterna (cambia periódicamente de sentido), haciendo girar un imán permanente cerca de una bobina.

Un generador es una máquina eléctrica que realiza el proceso inverso que un motor eléctrico, el cual transforma la energía eléctrica en energía mecánica. Aunque la

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corriente generada es corriente alterna, puede ser rectificada para obtener una corriente continua. En el diagrama adjunto se observa la corriente inducida en un generador simple de una sola fase. La mayoría de los generadores de corriente alterna son de tres fases.

Otros sistemas de generación de corrientes eléctricas

No sólo es posible obtener una corriente eléctrica a partir de energía mecánica de rotación sino que es posible hacerlo con cualquier otro tipo de energía como punto de partida. Desde este punto de vista más amplio,los generadores se clasifican en dos tipos fundamentales:

Primarios: Convierten en energía eléctrica la energía de otra naturaleza que reciben o de la que disponen inicialmente, como alternadores,dinamos, etc.

Secundarios: Entregan una parte de la energía eléctrica que han recibido previamente, es decir, en primer lugar reciben energía de una corriente eléctrica y la almacenan en forma de alguna clase de energía. Posteriormente, transforman nuevamente la energía almacenada en energía eléctrica. Un ejemplo son las pilas o baterías recargables.

Se agruparán los dispositivos concretos conforme al proceso físico que les sirve de fundamento.

Generadores primarios

Se indican de modo esquemático la energía de partida y el proceso físico de conversión. Se ha considerado en todos los casos conversiones directas de energía. Por ejemplo, el hidrógeno posee energía química y puede ser convertida directamente en una corriente eléctrica en una pila de combustible. También sería su combustión con oxígeno para liberar energía térmica, que podría expansionar un gas obteniendo así energía mecánica que haría girar un alternador para, por inducción magnética, obtener finalmente la corriente deseada.

Energía de partida Proceso físico que convierte dicha energía en

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energía eléctrica

Energía magneto-mecánica:

Son los más frecuentes y fueron tratados como generadores eléctricos genéricos.** Corriente continua: Dinamo** Corriente alterna: Alternador

Energía química,sin intervención de campos magnéticos:

celdas electroquímicas y sus derivados: Pila eléctrica,baterías, pilas de combustible. Ver sus diferencias en generadores electroquímicos.

Radiación electromagnética: Fotoelectricidad, como en el panel fotovoltaico

A partir de energía mecánica,sin intervención de campos magnéticos

** Triboelectricidad*** Cuerpos frotados*** Máquinas electrostáticas, como el generador de Van de Graaff** Piezoelectricidad

Energía térmica,sin intervención de campos magnéticos:

Termoelectricidad (efecto Seebeck)

Energía nuclear,sin intervención de campos magnéticos:

Generador termoeléctrico de radioisótopos

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Generador termoeléctrico de radioisótopos de la sonda espacial Cassini.

En la mayoría de los casos, el rendimiento de la transformación es tan bajo que es preferible hacerlo en varias etapas. Por ejemplo, convertir la energía nuclear en energía térmica, posteriormente en energía mecánica de una gas a gran presión que hace girar una turbina a gran velocidad, para finalmente, por inducción electromagnética obtener una corriente alterna en un alternador, el generador eléctrico más importante desde un punto de vista práctico como fuente de electricidad para casi todos los usos.

Generadores ideales

Desde el punto de vista teórico (teoría de circuitos) se distinguen dos tipos de generadores ideales:[1]

Generador de voltaje o tensión: un generador de voltaje ideal mantiene un voltaje fijo entre sus terminales con independencia de la resistencia de la carga, Rc, que pueda estar conectada entre ellos.

Figura 1: Generador de tensión ideal; E = I×Rc

Generador de corriente o intensidad: un generador de corriente ideal mantiene una corriente constante por el circuito externo con independencia de la resistencia de la carga que pueda estar conectada entre ellos.

En la Figura 1 se ve el circuito más simple posible, constituido por un generador de tensión constante E conectado a una carga Rc y en donde se cumpliría la ecuación:

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Figura 2: E = I×(Rc+Ri)

El generador descrito no tiene existencia real en la práctica, ya que siempre posee lo que, convencionalmente, se ha dado en llamar resistencia interna, que aunque no es realmente una resistencia, en la mayoría de los casos se comporta como tal. En la Figura 2 se puede ver el mismo circuito anterior, pero donde la resistencia interna del generador viene representada por una resistencia Ri, en serie con el generador, con lo que la ecuación anterior se transforma en:

Así, un generador real puede considerarse en muchos casos como un generador ideal de tensión con una resistencia interna en serie, o bien como un generador ideal de intensidad en paralelo con una resistencia.[1]

Fuerza electromotriz de un generador

Una característica de cada generador es su fuerza electromotriz (F.E.M.), simbolizada por la letra griega epsilon ( ), y definida como el trabajo que el generador realiza paraε pasar la unidad de carga positiva del polo negativo al positivo por el interior del generador.

La F.E.M. ( ) se mide en ε voltios y en el caso del circuito de la Figura 2, sería igual a la tensión E, mientras que la diferencia de potencial entre los puntos a y b, Va-b, es dependiente de la carga Rc.

La F.E.M. ( ) y la diferencia de potencial coinciden en valor en ausencia de carga, yaε que en este caso, al ser I = 0 no hay caída de tensión en Ri y por tanto Va-b = E.

2.1.-EXITACION DE CAMPO

La excitación magnética (también fuerza o campo magnetizante) es uno de los tres campos que describen el magnetismo desde el punto de vista macroscópico, y está

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relacionado con el movimiento de cargas libres y con los polos magnéticos. También se le llama por razones históricas intensidad de campo magnético, aunque para evitar confusiones con el auténtico campo magnético (la inducción magnética B) se le ha dado este nombre y otros como campo H.

Desde un punto de vista físico, H y B son equivalentes en el vacío, salvo en una constante de proporcionalidad que depende del sistema de unidades: 1 en el sistema

de Gauss, en el SI. Solo se diferencian en medios materiales con el fenómeno de la magnetización, por lo que el campo H se emplea sobre todo en electrotecnia.

No debe confudirse el campo H con el campo exterior aplicado a un material, pues como se indica más adelante el campo H también tiene fuentes internas en forma de polos magnéticos.

Fuentes de H

1) En una bobina, sin presencia de materiales magnéticos, el valor de H depende de las cargas libres en movimiento, y que en este caso concreto es el producto del número de espiras por la intensidad que circula por la misma, tal como se expresa en la siguiente ecuación:

Donde:

H: intensidad del campo en amperio-vuelta/metro (Av/m) N: número de espiras de la bobina I: intensidad de la corriente en amperios (A) L: longitud de la bobina en metros (m)

2) Los materiales imanados tienen además otra fuente de H en los polos ficticios que crea el campo M en la superficie. A esta parte del campo H se la llama en ocasiones campo desmagnetizante y es importante en los circuitos magnéticos y los fenómenos de histéresis. Cuando no hay corrientes libres, solo existe la parte de H originada en los polos y en ese caso se puede establecer una analogía con el campo eléctrico y definir un potencial escalar magnético. También se puede establecer una ley semejante a la ley de Coulomb pero con cargas magnéticas:

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3) Finalmente, también puede crear el campo H un campo eléctrico variable.

Matemáticamente, la primera y la tercera se expresan con una de las ecuaciones de Maxwell:

La segunda se expresa con:

Relación con otros campos

El campo H es uno de los tres campos que permiten la descripción macroscópica del magnetismo. Los otros dos son B y M, y su relación en unidades del SI es:

B y H se relacionan en el vacío, donde M es nulo, de la siguiente manera:

donde μ0 es la permeabilidad magnética del vacío.

En la materia, la relación se puede expresar en ocasiones como:

donde μ es la permeabilidad magnética del material en el que aparece el campo magnético. Es una variable de proporcionalidad que según el sistema físico que se observe puede ser una constante, por ejemplo 4 · 10^(-7) H/m en el vacío, un campoπ escalar dependiente del tiempo o de la posición, o incluso un tensor en el caso de los materiales anisotrópicos. La geometría del cuerpo también influye, pues la relación solo es lineal en barras infinitas, esferas y anillos de Rowland. Por tanto, se trata de una ecuación constitutiva que describe el comportamiento de la materia y no una ley.

Condiciones de contorno

Se puede demostrar que en la frontera entre dos medios con distintas permeabilidades, la componente tangencial del campo H es la misma en ambos lados de la superficie, si no hay corrientes verdaderas. Este comportamiento es similar al del

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campo eléctrico E, por lo que en fenómenos electromagnéticos donde las condiciones de contorno son importantes, se emparejan estos dos campos.

2.2.- INTERACCION ELECTROMAGNETICA

La interacción electromagnética es la interacción que ocurre entre las partículas con carga eléctrica. Desde un punto de vista macroscópico y fijado un observador, suele separarse en dos tipos de interacción, la interacción electrostática, que actúa sobre cuerpos cargados en reposo respecto al observador, y la interacción magnética, que actúa solamente sobre cargas en movimiento respecto al observador.

Las partículas fundamentales interactúan electromagnéticamente mediante el intercambio de fotones entre partículas cargadas. La electrodinámica cuántica proporciona la descripción cuántica de esta interacción, que puede ser unificada con la interacción nuclear débil según el modelo electrodébil.

Electromagnetismo clásico

En la descripción del electromagnetismo antes de su formulación relativista, el campo electromagnético se describía como una interacción en la que las partículas cargadas en función de su carga y estado de movimiento creaban un campo eléctrico (E) y un campo magnético (B) que, juntos, eran responsables de la fuerza de Lorentz. Maxwell probó que dichos campos podían ser derivados de un potencial escalar ( ) y unΦ potencial vector (A) dados por las ecuaciones:

Sin embargo, esta formulación no era explícitamente covariante como requiere la formulación que hace la teoría de la relatividad. En la formulación explícitamente covariante el campo electromagnético clásicamente se trata como un campo de Yang-Mills sin masa y derivado de un cuadrivector de potencial. Más concretamente el campo electromagnético es una 2-forma exacta definida sobre el espacio-tiempo. El cuadrivector potencial es una 1-forma cuya diferencial exterior es, precisamente, el campo electromagnético.

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Electromagnetismo relativista

En la Teoría de la Relatividad Especial la interacción electromagnética se caracteriza por un (cuadri)tensor de segundo orden, llamado tensor campo electromagnético:

Este tensor campo electromagnético satisface las ecuaciones de Maxwell que en notación tensorial (y sistema cgs) se escriben habitualmente:[1]

Estas ecuaciones pueden escribirse de forma más compacta usando la derivada exterior y el operador dual de Hodge de forma muy elegante como:

De hecho dada la forma de las ecuaciones anteriores, si el dominio sobre el que se extiende el campo electromagnético es simplemente conexo (estrellado) el campo electromagnético puede expresarse como la derivada exterior de un cuadrivector llamado potencial vector, relacionado con los potenciales del electromagnetismo clásico de la siguiente manera:

Donde:

, es el potencial electroestático.

, es el potencial vector clásico.

Esta substitución facilita enormemente la resolución de dichas ecuaciones, la relación entre el cuadrivector potencial y el tensor de campo electromagnético resulta ser:

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El hecho de que la interacción electromagnética pueda representarse por un (cuadri)vector que define completamente el campo electromanético (siempre y cuando el dominio sea estrellado) es la razón por la que se afirma en el tratamiento moderno que la interacción electromagnética es un campo vectorial (y por lo que en el tratamiento cuántico se dice que está representado por bosones vectoriales).

En relatividad general es tratamiento del campo electromagnético en un espacio-tiempo curvo es similar al presentado aquí para el espacio de Minkowski, sólo que las derivadas parciales respecto a las coordenadas deben substituirse por derviadas coviarantes.

Electromagnetismo cuántico

El tratamiento que la física cuántica hace del electromagnetismo se conoce con el nombre de electrodinámica cuántica o QED. En esta teoría el campo está asociado a una partícula sin masa denominada fotón, cuyas interacciones con las partículas cargadas son las causantes de todos los fenómenos del electromagnetismo.

Cuando en esta teoría se introduce la interpretación de partículas, mediante el formalismo del espacio de Fock, la materia es interpretada por estados fermiónicos, mientras que el propio campo electromagnético queda descrito por estados de bosones gauge "portadores de la interacción", llamados fotones.

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2.3.- TIPOS DE GENERADORES

La tarea de los generadores, que es de transformación de la energía, no puede producirse si los conductores eléctricos no reciben el efecto que produce el campo magnético. La diferencia de potencial a la que nos referimos anteriormente solo puede mantenerse constante cuando una fuerza electromotriz surge del movimiento entre ese campo magnético y esos conductores eléctricos. Dentro de la categoría mayor de generador eléctrico, hay una subdivisión de índole primaria y secundaria. El generador primario es el que tiene a su cargo la transformación en energía eléctrica de otra energía, de cualquier índole. La diferencia con el generador secundario, es que el generador primario transforma una energía que o bien tiene desde un comienzo o bien que recibe para su posterior transformación. El generador secundario, en cambio, lo que hace es entregar  la energía eléctrica que recibió anteriormente.

Generadores eléctricos y la obtención de energía

El proceso de generación de energía eléctrica es el de transformación a partir de generadores. Y para que haya una transformación, debe haber una fuente que se tome como base para realizar el cambio. Dicha fuente es toda energía que sea

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considerada como no eléctrica. En este grupo entran las siguientes energías: térmica, mecánica, luminosa y química, entre otras. Este cambio en la energía se lleva a cabo en inmediaciones apropiadamente denominadas centrales eléctricas, las cuales realizan tan solo los primeros pasos del proceso. Los siguientes se corresponden ya al suministro de la energía que ha sido generada, es decir, todos los pormenores del transporte y la distribución.

En cuanto a esa fuente que se toma para la transformación, se la conoce con el nombre de fuente primaria. La naturaleza de la misma es la que va a condicionar el tipo de central de generadores de energía. Por ejemplo, la central termoeléctrica genera energía eléctrica a partir de energía expulsada en forma de calor por la combustión de gas o petróleo, por mencionar algunos ejemplos. En el caso de la central generadora nuclear, en la misma se ejecuta el proceso de transformación de energía nuclear en energía eléctrica. En las centrales eólicas se utiliza la energía cinética que genera la corriente de aire; en las centrales mareomotrices, la energía que surge de las mareas, etc.

Pero a pesar de las diferencias en el rasgo distintivo de la fuente primaria, todas estas centrales que poseen generadores de energía eléctrica tienen en su haber, como dispositivo clave, el elemento generador de energía. El mismo está formado, básicamente, por un alternador. Se trata de una máquina que es la que termina de realizar la transformación de la fuente o energía primaria en energía eléctrica. El proceso que emplea es el de inducción, que produce el voltaje, también llamado fuerza electromotriz.

Lo que se genera a través de la inducción es una corriente eléctrica cuya magnitud y dirección están en permanente variación cíclica. A esta corriente se la conoce con el nombre de corriente alterna. El alternador, entonces, siempre debe contar con un elemento inductor generador del campo magnético y un elemento pasivo, sometido, inducido, que siempre estará atravesado de par en par por las fuerzas emanadas del campo magnético. Cabe mencionar que el alternador no podrá funcionar sin la acción de una máquina de fluido, comúnmente conocida como turbina, que va a fluctuar en sus características según las características de la  energía primaria que se va a transformar, de ahí que haya una turbina especial para cada central que posea generadores de energía eléctrica.

3.- DETERMINACION DEL FACTOR DE POTENCIA EN EL CONSUMO INDUSTRIAL

Triángulo de potencias

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El llamado triángulo de potencias es la mejor forma de ver y comprender de forma gráfica qué es el factor de potencia o coseno de “fi” (Cos ) y su estrecha relación con los restantes tipos de potencia presentes en un circuito eléctrico de corriente alterna.

 

Como se podrá observar en el triángulo de la ilustración, el factor de potencia o coseno de “fi” (Cos ) representa el valor del ángulo que se forma al representar gráficamente la potencia activa (P) y la potencia aparente (S), es decir, la relación existente entre la potencia real de trabajo y la potencia total consumida por la carga o el consumidor conectado a un circuito eléctrico de corriente alterna. Esta relación se puede representar también, de forma matemática, por medio de la siguiente fórmula:

El resultado de esta operación será “1” o un número fraccionario menor que “1” en dependencia del factor de potencia que le corresponde a cada equipo o dispositivo en específico. Ese número responde al valor de la función trigonométrica “coseno”, equivalente a los grados del ángulo que se forma entre las potencias (P) y (S).

Si el número que se obtiene como resultado de la operación matemática es un decimal menor que “1” (como por ejemplo 0,95), dicho número representará el factor de potencia correspondiente al defasaje en grados existente entre la intensidad de la corriente eléctrica y la tensión o voltaje en el circuito de corriente alterna.

Lo ideal sería que el resultado fuera siempre igual a “1”, pues así habría una mejor optimización y aprovechamiento del consumo de energía eléctrica, o sea, habría menos pérdida de energía no aprovechada y una mayor eficiencia de trabajo en los generadores que producen esa energía.

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En los circuitos de resistencia activa, el factor de potencia siempre es “1”, porque como ya vimos anteriormente en ese caso no existe desfasaje entre la intensidad de la corriente y la tensión o voltaje. Pero en los circuitos inductivos, como ocurre con los motores, transformadores de voltaje y la mayoría de los dispositivos o aparatos que trabajan con algún tipo de enrollado o bobina, el valor del factor de potencia se muestra con una fracción decimal menor que “1” (como por ejemplo 0,8), lo que indica el retraso o desfasaje que produce la carga inductiva en la sinusoide correspondiente a la intensidad de la corriente con respecto a la sinusoide de la tensión o voltaje. Por tanto, un motor de corriente alterna con un  factor  de  potencia  o  Cos = 0,95 ,  por  ejemplo,  será  mucho  más  eficiente  que  otro  que  posea  un  Cos = 0,85 .

3.1 ¿Qué es Factor de Potencia?

Denominamos factor de potencia al cociente entre la potencia activa y la potencia aparente, que es coincidente con el coseno del ángulo entre la tensión y la corriente cuando la forma de onda es sinusoidal pura, etc. O sea que el factor de potencia debe tratarse que coincida con el coseno phi pero no es lo mismo.Es aconsejable que en una instalación eléctrica el factor de potencia sea alto y algunas empresas de servicio electroenergético exigen valoresde 0,8 y más. O es simplemente el nombre dado a la relación de la potencia activa usada en un circuito, expresada en vatios o kilovatios (KW), a la potencia aparente que se obtiene de las líneas de alimentación, expresada en voltio-amperios o kilovoltio-amperios (KVA).

Las cargas industriales en su naturaleza eléctrica son de carácterreactivo a causa de la presencia principalmente de equipos de refrigeración, motores, etc. Este carácter reactivo obliga que junto al consumode potencia activa (KW) se sume el de una potencia llamada reactiva (KVAR), las cuales en su conjunto determinan el comportamientooperacional de dichos equipos y motores. Esta potencia reactiva ha sido tradicionalmente suministrada por las empresas de electricidad, aunque puede ser suministrada por las propias industrias.Al ser suministradas por las empresas de electricidad deberá ser producida y transportada por las redes, ocasionando necesidades de inversión en capacidades mayores de los equipos y redes de transmisión y distribución.Todas estas cargas industriales necesitan de corrientes reactivas para su operación.

FACTOR DE POTENCIA

Valor correspondiente a la función trigonométrica “coseno” de diferentes ángulos agudos

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Ángulo agudo Función “coseno”

15º 0,97

30º 0,87

45º 0,71

60º 0,50

75º 0,26

El dato del factor de potencia de cada motor es un valor fijo, que aparece generalmente indicado en una placa metálica pegada a su cuerpo o carcasa, donde se muestran también otros datos de interés, como su tensión o voltaje de trabajo en volt (V), intensidad de la corriente de trabajo en amper (A) y su consumo de energía eléctrica en watt (W) o kilowatt (kW).

Ya vimos anteriormente que la potencia de un motor eléctrico o de cualquier otro dispositivo que contenga bobinas o enrollados se puede calcular empleando la siguiente fórmula matemática:

El resultado de esta operación matemática estará dada siempre en watt (W), por lo que para convertir en kilowatt (kW) el valor obtenido, será necesario dividir primero la cifra resultante entre 1000.

Por otra parte, como el valor de (P) viene dado en watt, sustituyendo (P) en la fórmula anterior podemos decir también que:

   , por tanto

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De donde:

W = Potencia de consumo del dispositivo o equipo en wattV = Tensión o voltaje aplicado al circuitoI = Valor del flujo de corriente que fluye por el circuito en amper (A)Cos = Factor de potencia que aparece señalado en la placa del dispositivo o equipo

Si conocemos la potencia en watt de un dispositivo o equipo, su voltaje de trabajo y su factor de potencia, y quisiéramos hallar cuántos ampere (A) de corriente fluyen por el circuito (digamos, por ejemplo, en el caso de un motor), despejando (I) en la fórmula anterior tendremos:

El resultado de esa operación lo obtendremos directamente en ampere (A).En caso que el valor de la potencia esté dada en kilowatt (kW), podemos utilizar la misma fórmula, pero habrá que multiplicar la cifra correspondiente a los kilowatt por 1000 para convertirlos en watt:

El resultado de esta otra operación matemática será, igualmente, el valor de la corriente que fluye por el circuito, en ampere (A).

Habíamos visto también que una carga capacitiva (compuesta por condensadores o

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capacitores) conectada a un circuito eléctrico de corriente alterna provoca el adelantamiento de la sinusoide de intensidad de la corriente con relación a la sinusoide de la tensión o voltaje. Esto produce un efecto de desfasaje entre ambas magnitudes eléctricas, pero ahora en sentido inverso al desfasaje que provocan las cargas inductivas.

 

Por tanto, cuando en la red de suministro eléctrico de una industria existen muchos motores y transformadores funcionando, y se quiere mejorar el factor de potencia, será necesario emplear bancos de capacitores dentro de la propia industria, conectados directamente a la red principal. En algunas empresas grandes se pueden encontrar también motores de corriente alterna del tipo "sincrónicos" funcionando al vacío, es decir, sin carga, para mejorar también el factor de potencia.

Banco de capacitores instalados en un circuito eléctrico de fuerza, con el fin de. mejorar el coseno de "fi" o factor de potencia en una instalación industrial.

 

De esa forma los capacitores, al actuar sobre la sinusoide de la corriente, produce el efecto contrario al de la inductancia, impidiendo que la corriente (I) se atrase mucho en relación con el voltaje (V).  Así se tratará de que las sinusoides se pongan en fase y que el valor del factor de potencia se aproxime lo más posible a “1”.

3.1 ¿ Por qué existe un bajo factor de potencia?

La potencia reactiva, la cual no produce un trabajo físico directo en los equipos, es necesaria para producir el flujo electromagnético que pone en funcionamiento elementos tales como: motores, transformadores, lámparas fluorescentes, equipos de refrigeración y otros similares. Cuando la cantidad de estos equipos es apreciable los requerimientos de potencia reactiva también se hacen significativos, lo cual produce una disminución del exagerada del factor de potencia. Un alto consumo de energía reactiva puede producirse como consecuencia principalmente de:

Un gran número de motores. Presencia de equipos de refrigeración y aireacondicionado. Una sub-utilización de la capacidad instalada en equipos electromecánicos, por una

mala planificación y operación en el sistema eléctrico de la industria. Un mal estado físico de la red eléctrica y de los equipos de la industria.

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Cargas puramente resistivas, tales como alumbrado incandescente, resistenciasde calentamiento, etc. no causan este tipo de problema ya que no necesitan de la corriente reactiva.

¿Por qué resulta dañino y caro mantener un bajo factor de Potencia?

El hecho de que exista un bajo factor de potencia en su industria produce los siguientes inconvenientes:

Al suscriptor:

Aumento de la intensidad de corriente Pérdidas en los conductores y fuertes caídas de tensión Incrementos de potencia de las plantas, transformadores, reducción de su vida útil

y reducción de la capacidad de conducción de los conductores La temperatura de los conductores aumenta y esto disminuye la vida de su

aislamiento. Aumentos en sus facturas por consumo de electricidad.

A la empresa distribuidora de energía:

Mayor inversión en los equipos de generación, ya que su capacidad en KVA debe ser mayor, para poder entregar esa energía reactiva adicional.

Mayores capacidades en líneas de transmisión y distribución así como en transformadores para el transporte y transformación de esta energía reactiva.

Elevadas caídas de tensión y baja regulación de voltaje, lo cual puede afectar la estabilidad de la red eléctrica.

Una forma de que las empresas de electricidad a nivel nacional e internacional hagan reflexionar a las industrias sobre la conveniencia de generar o controlar su consumo de energía reactiva ha sido a través de un cargo por demanda, facturado en Bs./KVA, es decir cobrándole por capacidad suministrada en KVA. Factor donde se incluye el consumo de los KVAR que se entregan a la industria.

3.3.- ¿Cómo puedo mejorar el Factor de Potencia?

Mejorar el factor de potencia resulta práctico y económico, por medio de la instalación de condensadores eléctricos estáticos, o utilizando motores sincrónicos disponibles en la industria (algo menos económico si no se dispone de ellos).

A continuación se tratará de explicar de una manera sencilla y sin complicadas ecuaciones ni términos, el principio de cómo se mejora el factor de potencia:

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El consumo de KW y KVAR (KVA) en una industria se mantienen inalterables antes y después de la compensación reactiva (instalación de los condensadores), la diferencia estriba en que al principio los KVAR que esa planta estaba requiriendo, debían ser producidos, transportados y entregados por la empresa de distribución de energía eléctrica, lo cual como se ha mencionado anteriormente, le produce consecuencias negativas .

Pero esta potencia reactiva puede ser generada y entregada de forma económica, por cada una de las industrias que lo requieran, a través de los bancos de capacitores y/o motores sincrónicos, evitando a la empresa de distribución de energía eléctrica, el generarla transportarla y distribuirla por sus redes.

3.4 EJEMPLO DE APLICACIÓN

Un capacitor instalado en el mismo circuito de un motor de induccióntiene como efecto un intercambio de corriente reactiva entre ellos. La corriente de adelanto almacenada por el capacitor entonces alimenta la corriente de retraso requerida por el motor de inducción. La figura 4 muestra un motor de inducción sin corrección de factor de potencia. El motor consume sólo 80 amp. para su carga de trabajo. Pero la corriente de magnetización que requiere el motor es de 60 amp, por lo tanto el circuito de

alimentación debe conducir: 100amp. (802 + 602) = 100 amp .

Por la línea de alimentación fluye la corriente de trabajo junto con la corriente no útil o corriente de magnetización. Después de instalar un capacitor en el motor para satisfacer las necesidades de magnetización del mismo, como se muestra en la figura 5, el circuito de alimentación sólo tiene que conducir y suministrar 80 amp. para que e1 motor efectúe el mismo trabajo. Ya que el capacitor se encarga de entregar los 60 amp. Restantes. El circuito de alimentación conduce ahora únicamente corriente de trabajo.Esto permite conectar equipo eléctrico adicional en el mismo circuito y reduce los costos por consumo de energía como consecuencia de mantener un bajo factor de potencia.

Ejemplo de aplicación para determinar la potencia reactiva capacitiva necesaria para corregir el factor de potencia:

Si se desea alcanzar un valordeterminado del factor de potencia cos fi2 en una instalación cuyo factor de potencia existente cos fi1 se desconoce, se determina éste

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con ayuda de un contador de energía activa, un amperímetro y un voltímetro.

P: Potencia activa, en kW

S1: Potencia aparente, en kVA

Qc: Potencia del capacitor, en kVAr

U: Tensión, en V

I: Intensidad de corriente, en A

n: Número de vueltas del disco contador por min.

c: Constante del contador (indicada en la placa de tipos del contador como      velocidad de rotación por kWh).

cos fi1: Factor de potencia real

cos fi2: Factor de potencia mejorado

Valores medidos: U= 380V; I= 170A.

Valores indicados por el contador: n= 38r/min.; c= 30 U/kWh.

El factor de potencia cos fi1 existente se ha de compensar hasta que alcance un valor de cos fi2= 0,9.

Potencia activa: P= n.60/c = (38 r/min . 60)/(30 U/kWh) = 76 kW

Potencia aparente: S1= (U.I.1,73)/1000 = (380V . 170A . 1,73)/1000 = 112 kVAFactor de potencia existente: cos fi1= P/S1= 76 kW/112 kVA = 0,68

Ya que cos fi= P/S y tan fi= Q/P; y a cada ángulo fi corresponde un valor determinado de la tangente y del coseno, se obtiene la potencia reactiva: antes de la compensación Q1= P.tan fi1; 

y después de la compensación Q2= P.tan fi2; resultando, según las funciones trigonométricas: de cos fi1= 0,68 se deduce tan fi1= 1,08 y de cos fi2= 0,9 se deduce

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tan fi2= 0,48 Por consiguiente, se precisa una potencia del capacitor de:

Qc= P.(tan fi1 - tan fi2) = 76 kW (1,08 - 0,48) = 45,6 kVAr Analizando la correspondiente tabla , se llega al mismo resultado de la siguiente forma: en ella se indican los valores de tan fi1 -tan fi2 . En el presente ejemplo resulta, para un valor de cos fi1= 0,68 y uno deseado de cos fi2= 0,9; un factor de F= 0,595 kVar/kW.

En tal caso, la potencia del capacitor necesaria es:Qc= P.F = 76 kW . 0,595 (kVAr/kW) = 45,6 kVAr

Se elige el capacitor de magnitud inmediata superior, en éste caso el de 50 kVAr.Como medir potencia y factor de potencia con amperímetroEste métodoes muy práctico por que en ocasiones no tenemos un wattmetro a la mano o bien no lo podemos comparar por el costo tan elevado, pues bien aquí tienes un método práctico que solo necesitas una resistencia (puede ser una como las que usan las parrillas), un amperímetro o un volmetro y aplicar unas formulas matemáticas (ley de los senos y cosenos)

Procedimiento:a) conecta en paralelo la resistencia con la carga que quieres medir el f.p.b) anota los valores RMS de la corriente que entrega la fuente, la corriente que pasa por la resistencia y la corriente que pasa por la carga ¡Listo! c) ahora resuelve tu problema como un análisis vectorial y aplicando las leyes de Kirchoff suponiendo que el ángulo del voltaje es cero y calcula el ángulo.

Como ya conoces las magnitudes IL, IT, IR Calcula el ángulo b por lo tanto, q = 180 - b

F.P = COS (180 - b ) Watts = P VI Cos ( 180 - b )

Como medir potencia y f.p con un volmetro

Este método es similar al visto anteriormente pero ahora con un vólmetro y un circuito en serie y suponiendo que la corriente tiene un ángulo de cero.

f.p= Cos ( 180-b ) Watts=P=VI Cos (180 -b )

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4.- TIPOS DE CONEXIÓN EN REDES DE DISTRIBUCION

Red de distribución de energía eléctrica

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Sistema de suministro eléctrico.

La Red de Distribución de la Energía Eléctrica o Sistema de Distribución de Energía Eléctrica es la parte del sistema de suministro eléctrico cuya función es el suministro de energía desde la subestación de distribución hasta los usuarios finales (medidor del cliente).

Los elementos que conforman la red o sistema de distribución son los siguientes:

Subestación de Distribución de casitas: conjunto de elementos (transformadores, interruptores, seccionadores, etc.) cuya función es reducir los niveles de alta tensión de las líneas de transmisión (o subtransmisión) hasta niveles de media tensión para su ramificación en múltiples salidas.

Circuito Primario. Circuito Secundario.

La distribución de la energía eléctrica desde las subestaciones de transformación de la red de transporte se realiza en dos etapas.

La primera está constituida por la red de reparto, que, partiendo de las subestaciones de transformación, reparte la energía, normalmente mediante anillos que rodean los grandes centros de consumo, hasta llegar a las estaciones transformadoras de distribución. Las tensiones utilizadas están comprendidas entre 25 y 132 kV. Intercaladas en estos anillos están las estaciones transformadoras de distribución, encargadas de reducir la tensión desde el nivel de reparto al de distribución en media tensión.

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La segunda etapa la constituye la red de distribución propiamente dicha, con tensiones de funcionamiento de 3 a 30 kV y con una característica muy radial. Esta red cubre la superficie de los grandes centros de consumo (población, gran industria, etc.), uniendo las estaciones transformadoras de distribución con los centros de transformación, que son la última etapa del suministro en media tensión, ya que las tensiones a la salida de estos centros es de baja tensión (125/220 ó 220/380 V[1] ).

La líneas que forman la red de distribución se operan de forma radial, sin que formen mallas, al contrario que las redes de transporte y de reparto. Cuando existe una avería, un dispositivo de protección situado al principio de cada red lo detecta y abre el interruptor que alimenta esta red.

La localización de averías se hace por el método de "prueba y error", dividiendo la red que tiene la avería en dos mitades y energizando una de ellas; a medida que se acota la zona con avería, se devuelve el suministro al resto de la red. Esto ocasiona que en el transcurso de localización se pueden producir varias interrupciones a un mismo usuario de la red.

Topologías típicas de redes de distribución

La topologia de una red de distribucion se refiere al esquema o arreglo de la distribucion, esto es la forma en que se distribuye la energia por medio de la disposicion de los segmentos de los circuitos de distribucion. En este sentido se enfoca a la forma como se distribuye la energia a partir de la fuente de suministro.

Red radial o redes en antena

Se caracteriza por la alimentación por uno solo de sus extremos transmitiendo la energía en forma radial a los receptores y el emisor.

Ventajas

Resaltan su simplicidad y la facilidad que presentan para ser equipadas de protecciones selectivas.

Desventajas

Su falta de garantía de servicio.

Estas desventajas pueden ser compensadas en la actualidad con los dispositivos modernos de desconexión automática de la zona en falla llamados "Organos de Corte

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de Red" o la utilización de los dispositivos llamados "Reconectadores" que desconectan y cierran la zona en falla, procurando de esa manera despejar la zona en falla y volver el servicio sobre la línea completa

Red en bucle abierto

Esto significa que cualquier punto de consumo, en esta estructura, puede ser alimentado por dos posibles caminos eléctricos, dado que uno solo de estos dos caminos es efectivo, la emergencia se realiza mediante esta posibilidad de bucle.

Ventajas

Todas las ventajas de la distribución en redes radiales y además la posibilidad de alimentar alternativamente de una fuente u otra, con lo que ante situaciones de falta y utilizando los OCR y Reconectadores, quedaría siempre fuera de servicio la zona en falta más pequeña posible y el resto de la línea en servicio

Desventajas

si la estructura esta alejada del pararrayos la electricidad seria dirigida a las puntas de la tierra lo cual afectaría a las estructuras cercanas

Red en anillo o en bucle cerrado

se caracteriza por tener dos de sus extremos alimentados, quedando estos puntos intercalados en el anillo o bucle.

Ventajas

Como ventaja fundamental podemos citar su seguridad de servicio y facilidad de

Criterios para diseño de redes de distribución

Regulación

La regulación se relaciona con la caída de tensión en los conductores de una red determinada, en generadores y transformadores eléctricos. No resulta conveniente que haya una caída de tensión excesiva en el conductor por que el usuario final o transformador de MT a BT tensión estaría alimentado por un valor reducido de tensión muy distinto al valor asignado.

Existen básicamente dos definiciones de regulación, dependiendo del país donde se haga la instalación:

Normativa estadounidense: la regulación se define como sigue:

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V2n es la tensión en bornes de la carga o transformador

Normativa europea (IEC): la regulación es definida como:

donde:

V1n es la tensión aguas arriba de la carga o transformador, es decir en el alimentador

La regulación dada por IEC es mayor que la normativa americana.

Criterio económico

Corrientes de cortocircuito

Las corrientes de cortocircuito para faltas fase a fase estarán limitadas únicamente por las impedancias de la fuente, de la línea, y de la propia falta, así aque en la medida que la fuente disponga de más potencia de cortocircuito circulará por la línea mayor corriente.

Las corrientes de cortocircuito fase a tierra, están limitadas por todas las razones anteriores pero además por el sistema de puesta a tierra del neutro de la Red. Existen varias formas de hacerlo. Aislado. Que producen las mínimas corrientes y máximas sobretensiones, quizá recomendable para distribuciones no muy extensas y que la necesidad de continuar con la línea en falta en servicio sea imperiosa. La detección de la falta de una forma selectiva tiene cierta complicación. No obstante, se recomienda que se haga la transferencia a una línea sana en el menor tiempo posible. Puesto directamente a tierra. Que producen las máximas corrientes y mínimas sobretensiones, quizá recomendable para distribuciones extensas y que puedan ser seccionadas mediante dispositivos semiautomáticos o automáticos. La detección selectiva de la falta resulta fácil, con lo que unido al uso de dispositivos automáticos "Reconectadores", se dejaría fuera de servicio la zona en falta.

Otras formas intermedias de tratamiento del neutro, "PaT resistivo", "PaT inductivo", "Corriente muy limitada a unos pocos amperios" "Corriente menos limitada a unos cientos de amperios", "Corriente muy limitada a unos pocos amperios y conectándola casi directamente a tierra durante pequeño espacio de tiempo", etc.,etc. todos ellos se pueden acercar más al sistema aislado o al sistema puesto a tierra y cada diseñador de la Red debe sopesar detenidamente las desventajas y ventajas de cada sistema en su caso particular.

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Hay que tener en cuenta que la correcta elección es muy importante ya que pasados unos años seá muy difícil reestructurar la Red para cambiar el sistema de puesta a tierra

4.1 CONEXCION ESTRELLA TRIANGULO

Con el propósito de poder simplificar el análisis de un circuito a veces es conveniente poder mostrar todo o una parte del mismo de una manera diferente, pero sin que el funcionamiento general de éste cambie.

Algunos circuitos tienen un grupo de resistores que están ordenados formando como un triángulo (circuito en configuración triángulo) y otros como una estrella (circuito en configuración estrella). Ver los diagramas.

Hay una manera sencilla de convertir estos resistores de un formato al otro y viceversa.

No es sólo asunto de cambiar la posición de las resistores si no de obtener los nuevos valores que estos tendrán.

La fórmulas a utilizar son las siguientes: (ver los gráficos anteriores)

Conversión de configuración delta a estrella

- R1 = (Ra x Rc) / (Ra + Rb + Rc)- R2 = (Rb x Rc) / (Ra + Rb + Rc)- R3 = (Ra x Rb) / (Ra + Rb + Rc)

Para este caso el denominador es el mismo para todas las ecuaciones.Si Ra = Rb = Rc = RDelta, entonces R1 = R2 = R3 = RY y las ecuaciones anteriores se reducen a RY = RDelta / 3

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Conversión de configuración estrella a delta

- Ra = [ (R1 x R2) + (R1 x R3) + (R2 x R3) ] / R2- Rb = [ (R1 x R2) + (R1 x R3) + (R2 x R3) ] / R1- Rc = [ (R1 x R2) + (R1 x R3) + (R2 x R3) ] / R3

Para este caso el numerador es el mismo para todas las ecuaciones.Si R1 = R2 = R3 = RY, entonces Ra = Rb = Rc = RDelta y las ecuaciones anteriores se reducen a RDelta = 3xRY

Ejemplo:

En el gráfico que se al lado izquierdo, dentro del recuadro una conexión tipo Delta, en serie con una resistor R.

Si se realiza la transformación de los resistores que están en configuración Delta a configuración Estrella se obtiene lo que está al lado derecho del gráfico (ver el recuadro).

Ahora se tiene al resistor R en serie con el resistor R1. Estos se suman y se obtiene un nuevo resistor R1.

Esta nueva conexión en Estrella puede quedarse así o convertirse otra vez a una conexión Delta

Nota:Conexión Estrella = Conexión "Y"Conexión Delta = Conexión Triángulo

4.2 .- OTRO TIPO DE CONEXCIONES

Conexión en triángulo equilibrado.

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En un sistema trifásico con una conexión en triángulo tenemos que las intensidades que aparecen entre las impedancias o resistencias se encuentran en fase con las respectivas tensiones de esas resistencias. Pero asimismo, existe un desfase de 120° entre estas intensidades. Lo mismo sucede con las tensiones, es decir, hay un desfase de 120°. Así tenemos, y para entendernos mejor, que las intensidades de fase: I12, I23 e I31 se encuentran en fase con sus respectivas tensiones, que son las generadas en cada línea:U12, U23 y U31.

Además, tenemos otras tres intensidades de línea: I1, I2 e I3 , a las cuales, si les aplicamos la ley de Kirchhoff, tendremos la siguiente relación entre intensidades de línea y fase:

El diagrama fasorial de las intensidades y su correspondencia lo podemos ver en el siguiente dibujo, que seguro nos aclarará los conceptos:

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Como podemos observar en el diagrama fasorial, entre las intensidades:I1, I2 e I3

existe un desfase de 120°, lo mismo que sucede con las tres intensidades que atraviesan a las resistencias. Sin embargo, entre las intensidades:I1, I2 e I3 y las intensidades:I12, I23 e I31 existe un desfase de 30°. Esto lo vamos a aprovechar para emplear nuestros conocimientos de trigonometría y saber con exactitud la correspondecia existente entre las intensidades de fase y las intensidades de línea.Escogiendo la primera relación entre intensidades:

y aplicando nuestros conocimientos en trigonometría, obtenemos el siguiente desarrollo ecuacional:

Lo cual, si generalizamos obtendremos la siguiente ecuación:

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5.- HORNO ELECTRICO PARA FUNDIR METALES

Horno de inducción

Es un horno eléctrico en el que el calor es generado por calentamiento por la inducción eléctrica de un medio conductivo (un metal) en un crisol alrededor del cual se encuentran enrolladas bobinas magnéticas.

El principio de calentamiento de un metal por medio de la inducción fue descubierto por Michael Faraday en 1831 mientras se encontraba experimentando en su laboratorio.[1]

Una ventaja del horno de inducción es que es limpio, eficiente desde el punto de vista energético, y es un proceso de fundición y de tratamiento de metales más controlable que con la mayoría de los demás modos de calentamiento. Otra de sus ventajas es la capacidad para generar una gran cantidad de calor de manera rápida. Los principales componentes de un sistema de calentamiento por inducción son: la bobina de inducción, la fuente de alimentación, la etapa de acoplamiento de la carga, una estación de enfriamiento y la pieza a ser tratada.[1]

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. El rango de capacidades de los hornos de inducción abarca desde menos de un kilogramo hasta cien toneladas y son utilizados para fundir hierro y acero, cobre, aluminio y metales preciosos. Uno de los principales inconvenientes de estos hornos es la imposibilidad de refinamiento; la carga de materiales ha de estar libre de productos oxidantes y ser de una composición conocida y algunas aleaciones pueden perderse debido a la oxidación (y deben ser re-añadidos).

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 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.

En la actualidad los hornos de frecuencia de línea (50 ó 60 Hz, según país) han quedado en desuso, ya que los mismos poseían muy poca eficiencia energética y además cargaban con un alto coste de mantenimiento, dado que contenían una gran cantidad de elementos electromecánicos. En las últimas décadas (aproximadamente desde finales del 70') se han incorporado equipos de estado sólido, conformados en su

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etapa de potencia con componentes tales como tiristores (diodos SCR) y transistores de potencia tipo IGBT, con lo que el rendimiento y eficiencia de estos equipos ha aumentado considerablemente.

Un horno para una tonelada precalentado puede fundir una carga fría en menos de una hora. En la práctica se considera que se necesitan 600 kW para fundir una tonelada de hierro en una hora.

Un horno de inducción en funcionamiento normalmente 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 está haciendo.

OBTENCIÓN DE ACERO EN HORNO ELÉCTRICO

Principio: Irradiación de calor hacia el baño desde un arco formado entre dos electrodos colocados en posición sobre la carga.

Materia prima: Chatarra.

Descripción de operaciones: El procedimiento seguido para la fabricación del acero, depende del producto que se haga. Si el acero va a contener un porcentaje apreciable de elementos de aleación fácilmente oxidable tales como el cromo, tungsteno y molibdeno se usan dos cubiertas de escoria durante una partida de trabajo. Una escoria de naturaleza oxidante favorece a la oxidación y el efecto de los fundentes sobre el carbono, fósforo y silicio. A continuación se retira la escoria oxidante y se sustituye por una escoria reductora en la que el CaO y el CaC2 son ingredientes importantes. Esta capa protectora de escoria coadyuva a la eliminación del azufre y protege contra la oxidación de elementos de aleación. En la fabricación de acero para colados ordinarios, no se necesita la segunda aplicación de escoria ya que no están presentes los elementos fácilmente oxidables que se encuentran en los aceros inoxidables para herramientas.

En el horno eléctrico, tres electrodos se proyectan a través de la cubierta revestida con el material refractario. Se les puede alzar y bajar y cuando están en posición elevada permiten que se alce la tapa y se le mueva a un lado para cargar el horno. El tamaño de los hornos varía entre 3 y 200 toneladas, pero los hornos más comunes son para cargas de 20 a 50 toneladas.

Después de haberse descargado un lote de fabricación se inspecciona el horno para localizar desperfectos y se repara cuando sea necesario. Se carga de chatarra seleccionada, arrojándola a través de la tapa del horno, usando para ello una cubierta de fondo falso. Si se incluye material en la carga se agrega éste con la chatarra. La práctica seguida en la actualidad tiende hacia el uso de oxígeno para disminuir el

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contenido de carbono, en vez de valerse del empleo del mineral. Pueden agregarse algunos elementos de aleación no oxidables, antes de la fusión. Luego se hacen descender los electrodos, se conecta la energía eléctrica y se forma un arco. A medida que prosigue la fusión se queman los electrodos a través de la carga metálica y se forma en el hogar del horno un estanque de metal fundido. Se forma escoria producida por las impurezas oxidadas y por reacción con la cal o con el revestimiento del horno. Una vez que se ha completado la oxidación de descarga, esta escoria y se sustituye con una cubierta nueva de escoria cuyos ingredientes principales son cal, sílice, magnesia y carburo de calcio. Tan pronto como se haya ajustado el análisis final de la escoria y el baño a los niveles apropiados se hacen las adiciones necesarias de elementos de aleación y se abre la salida del horno. Cuando se inclina el horno para descargarlo permanece el acero fundido protegido por la capa de escoria, hasta que se vacía el horno. El tiempo transcurrido desde la carga hasta la descarga depende del horno y de la naturaleza del producto y de la naturaleza del producto, pero unas cuatro horas son el tiempo de operación típico.

Los hornos eléctricos de inducción utilizan una corriente 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 por una pieza sólida de metal, chatarras 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 ó 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 puede ser refundida sin que sea “quemada” la calidad del material.

Generalidades del horno eléctrico: Algunos hornos tienen como promedio 270 Mg por caldeo. El tiempo de vaciado a vaciado para 115 Mg requiere de 3 a 4 horas y 50000 kWh de potencia. Operan aproximadamente a 40 V y a una corriente eléctrica que puede exceder de 12000 A.

Desventaja del horno de arco eléctrico: La temperatura alta del arco puede llegar a refinar el metal.

Conveniencia: Aunque el costo de la fabricación de acero en el horno de arco eléctrico, es generalmente más alto que el de los demás métodos de fabricación de acero, se obtiene una calidad de acero superior con el horno eléctrico. Éste suministra el mejor método para controlar la temperatura y las adiciones de aleación. Además su costo puede justificarse para la fabricación de acero en localidades donde no se cuenta con altos hornos ni con hierros de primera fusión, o en lugares en donde las necesidades

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intermitentes de acero en cantidades pequeñas, no justifiquen una instalación de hogar abierto. Además es muy usado ya que no contamina la atmósfera como muchos otros. Actualmente, el horno eléctrico produce un 40 % de la producción mundial del acero.

HORNOS PARA FUNDICIÓN DE ALUMINIO

GENERALIDADES

Los hornos eléctricos EMISON, SERIE AL, a la contrastada calidad de todos nuestros productos, avalada por más de 50 años de servicio, unen los últimos avances en microelectrónica y aislamiento, aplicados específicamente a hornos para fundición de aluminio, consiguiendo excepcionales resultados. La temperatura máxima de trabajo de estos hornos es de 1.000ºC. Como todos nuestros equipos están fabricados de acuerdo con la normativa CE.

Son fruto de un cuidado diseño y todo el know how de un equipo de profesionales especialistas en la construcción de hornos. Como consecuencia ofrecen la más alta rentabilidad, con la mínima inversión inicial.

Nuestros hornos ofrecen mínimo mantenimiento, funcionamiento constante y sin averías, fácil manipulación y control del trabajo y la mejor relación de costo por unidad fabricada. El horno está fabricado con los más modernos materiales, de gran calidad y conceptos de alta tecnología y se entrega listo y preparado para empezar a funcionar inmediatamente y rentabilizar rápidamente la inversión.

Además de la garantía de una empresa con más de 50 años en el mercado, siempre fiel y al servicio de sus clientes, EMISON dispone de una empresa propia servicio técnico, SATE, que puede encargarse de formar al personal encargado del funcionamiento del horno, y realizar el mantenimiento preventivo y correctivo.

DESCRIPCIÓN DEL HORNO

El horno es de construcción metálica, electro soldado, a partir de chapas y perfiles de acero laminado en frío, con un tratamiento especial anticorrosivo, de gran robustez, con avanzado diseño y protección con imprimación fosfocromatante y pintura epoxídica de agradables tonos, lo que le confiere una larga vida y un acabado estéticamente agradecido. El aislamiento se

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realiza mediante fibras cerámicas de baja masa térmica y gran poder calorífico, cuidadosamente dispuestas en estratos para reducir las perdidas de calor.

CALENTAMIENTO

Existen multitud de alternativas para el calentamiento de los crisoles que contienen los metales a fundir. Por las características de la serie de hornos que presentamos creemos que la mejor solución es el calentamiento mediante gasóleo, si bien opcionalmente puede construirse con calefacción a gas o por resistencias eléctricas. Algunos modelos sólo pueden construirse de gas o eléctricos.

CONTROL DE PROCESO

El control de la temperatura está asegurado por un regulador electrónico con visualizador digital y termopar tipo K sumergido en el metal y un regulador con termopar en la cámara de calentamiento. Debe tenerse en cuenta que para alcanzar una temperatura determinada en el líquido la temperatura en la cámara formada por las resistencias y el crisol debe ser del orden de unos 100 grados superior. No es conveniente sobrepasar éste margen por acortarse la vida del crisol ni mantener muy estrecho el margen ya que el tiempo de fusión se alarga. En caso de rotura del crisol unos electrodos colocados en la solera del horno detectan el metal fundido y provocan el encendido de un piloto avisador.

Los modelos "A" son hornos de pozo, y para el vaciado el crisol (provisto de pico) debe extraerse mediante unas tenazas o útil apropiado.

En los modelos "B" el vaciado se realiza mediante cuchara, y los modelos TP el horno bascula mediante un dispositivo hidráulico, neumático o mecánico.

CARACTERÍSTICAS tipo A

MODELODIMENSIONES

CRISOLCAPACIDAD

Kg/hPOTENCIA

KwPOTENCIA

Kcal/hPRECIO

PRECIOCRISOL

A - 8 18 x 16 5 3.5 2.020 126

A - 16 23 x 18 9 7 2.360 147

A - 25 28 x 21 15 10 3.800 237

A - 40 32 x 23 20 14 5.300 331

A - 60 36 x 28 30 20 7.030 439

A - 80 40 x 30 42 30 8.070 504

A - 120 43 x 33 55 30.000 8.580 536

A - 150 45 x 36 65 40.000 9.670 604

A - 200 49 x 40 95 60.000 10.260 641

A - 300 54 x 44 125 75.000 11.430 714

A - 350 60 x 46 150 90.000 11.760 735

A - 500 70 x 52 200 120.000 14.290 893

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CARACTERÍSTICAS tipo B

MODELO

DIMENSIONESCRISOL

CAPACIDADKg/h

POTENCIAKcal/h

PRECIOPRECIOCRISOL

B - 174 40 x 40 50 30.000 9.440 590

B - 164 37 x 46 75 50.000 10.400 640

B - 166 40 x 52 100 60.000 11.280 705

B - 300 47 x 57 150 90.000 12.720 735

B - 400 45 x 70 180 110.000 13.120 820

B - 500 52 x 72 240 150.000 14.640 915

B - 600 59 x 73 300 180.000 17.280 1.080

Las dimensiones están expresadas en cm y corresponden a la altura x el diámetro exterior máximo.

Capacidades y dimensiones sujetas a las variaciones propias del fabricante de los crisoles.

Sírvase consultar sus necesidades. Podemos fabricar el equipo que necesiten.

Fabricamos también lingoteras, cazos y otros accesorios. Como ejemplo, una lingotera de 6 Kg para aluminio de 30 x 7 x 10 cm cuesta 90 euros.

6.- HORNOS PARA TRATAMIENTOS TERMICOS

Tratamiento térmico.

Se conoce como tratamiento térmico el proceso al que se someten los metales u otros tipos de materiales sólidos como polimeros con el fin de mejorar sus propiedades mecánicas, especialmente la dureza, la resistencia y la elasticidad. Los materiales a los que se aplica el tratamiento térmico son, básicamente, el acero y la fundición, formados por hierro y carbono.También se aplican tratamientos térmicos diversos a los sólidos cerámicos.

Las características mecánicas de un material dependen tanto de su composición química como de la estructura cristalina que tenga. Los tratamientos térmicos modifican esa estructura cristalina sin alterar la composición química, dando a los materiales unas características mecánicas concretas, mediante un proceso de calentamientos y enfriamientos sucesivos hasta conseguir la estructura cristalina deseada.

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Entre estas características están:

Resistencia al desgaste : Es la resistencia que ofrece un material a dejarse erosionar cuando está en contacto de fricción con otro material.

Tenacidad : Es la capacidad que tiene un material de absorber energía sin producir fisuras (resistencia al impacto).

Maquinabilidad : Es la facilidad que posee un material de permitir el proceso de mecanizado por arranque de viruta.

Dureza : Es la resistencia que ofrece un acero para dejarse penetrar. Se mide en unidades BRINELL (HB) o unidades ROCKWEL C (HRC), mediante el test del mismo nombre.

Mejora de las propiedades a través del tratamiento térmico

Las propiedades mecánicas de las aleaciones de un mismo metal, y en particular de los aceros, reside en la composición química de la aleación que los forma y el tipo de tratamiento térmico a los que se les somete. Los tratamientos térmicos modifican la estructura cristalina que forman los aceros sin variar la composición química de los mismos.

Esta propiedad de tener diferentes estructuras de grano con la misma composición química se llama polimorfismo y es la que justifica los tratamientos térmicos. Técnicamente el poliformismo es la capacidad de algunos materiales de presentar distintas estructuras cristalinas, con una única composición química, el diamante y el grafito son polimorfismos del carbono. La -ferrita, la α austenita y la -ferrita sonδ polimorfismos del hierro. Esta propiedad en un elemento químico puro se denomina alotropía.

Propiedades mecánicas del acero

El acero es una aleación de hierro y carbono que contiene otros elementos de aleación, los cuales le confieren propiedades mecánicas especificas para su utilización en la industria metalmecánica.

Los otros principales elementos de composición son el cromo, tungsteno, manganeso, níquel, vanadio, cobalto, molibdeno, cobre, azufre y fósforo. A estos elementos químicos que forman del acero se les llama componentes, y a las distintas estructuras cristalinas o combinación de ellas constituyentes.

Los elementos constituyentes, según su porcentaje, ofrecen características especificas para determinadas aplicaciones, como herramientas, cuchillas, soportes, etcétera. La diferencia entre los diversos aceros, tal como se ha dicho depende tanto de la composición química de la aleación de los mismos, como del tipo de tratamiento térmico.

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Tratamientos térmicos del acero

El tratamiento térmico en el material es uno de los pasos fundamentales para que pueda alcanzar las propiedades mecánicas para las cuales está creado. Este tipo de procesos consisten en el calentamiento y enfriamiento de un metal en su estado sólido para cambiar sus propiedades físicas. Con el tratamiento térmico adecuado se pueden reducir los esfuerzos internos, el tamaño del grano, incrementar la tenacidad o producir una superficie dura con un interior dúctil. La clave de los tratamientos térmicos consiste en las reacciones que se producen en el material, tanto en los aceros como en las aleaciones no férreas, y ocurren durante el proceso de calentamiento y enfriamiento de las piezas, con unas pautas o tiempos establecidos.

Para conocer a que temperatura debe elevarse el metal para que se reciba un tratamiento térmico es recomendable contar con los diagramas de cambio de fases como el de hierro–hierro–carbono. En este tipo de diagramas se especifican las temperaturas en las que suceden los cambios de fase (cambios de estructura cristalina), dependiendo de los materiales diluidos.

Los tratamientos térmicos han adquirido gran importancia en la industria en general, ya que con las constantes innovaciones se van requiriendo metales con mayores resistencias tanto al desgaste como a la tensión. Los principales tratamientos térmicos son:

Temple : Su finalidad es aumentar la dureza y la resistencia del acero. Para ello, se calienta el acero a una temperatura ligeramente más elevada que la crítica superior Ac (entre 900-950 °C) y se enfría luego más o menos rápidamente (según características de la pieza) en un medio como agua, aceite, etcétera.

Revenido : Sólo se aplica a aceros previamente templados, para disminuir ligeramente los efectos del temple, conservando parte de la dureza y aumentar la tenacidad. El revenido consigue disminuir la dureza y resistencia de los aceros templados, se eliminan las tensiones creadas en el temple y se mejora la tenacidad, dejando al acero con la dureza o resistencia deseada. Se distingue básicamente del temple en cuanto a temperatura máxima y velocidad de enfriamiento.

Recocido : Consiste básicamente en un calentamiento hasta temperatura de austenitización (800-925 °C) seguido de un enfriamiento lento. Con este tratamiento se logra aumentar la elasticidad, mientras que disminuye la dureza. También facilita el mecanizado de las piezas al homogeneizar la estructura, afinar el grano y ablandar el material, eliminando la acritud que produce el trabajo en frío y las tensiones internas.

Normalizado : Tiene por objeto dejar un material en estado normal, es decir, ausencia de tensiones internas y con una distribución uniforme del carbono. Se suele emplear como tratamiento previo al temple y al revenido.

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Tratamientos del acero

Los tratamientos termoquímicos son tratamientos térmicos en los que, además de los cambios en la estructura del acero, también se producen cambios en la composición química de la capa superficial, añadiendo diferentes productos químicos hasta una profundidad determinada. Estos tratamientos requieren el uso de calentamiento y enfriamiento controlados en atmósferas especiales.

Entre los objetivos más comunes de estos tratamientos están aumentar la dureza superficial de las piezas dejando el núcleo más blando y tenaz, disminuir el rozamiento aumentando el poder lubrificante, aumentar la resistencia al desgaste, aumentar la resistencia a fatiga o aumentar la resistencia a la corrosión.

Cementación (C): aumenta la dureza superficial de una pieza de acero dulce, aumentando la concentración de carbono en la superficie. Se consigue teniendo en cuenta el medio o atmósfera que envuelve el metal durante el calentamiento y enfriamiento. El tratamiento logra aumentar el contenido de carbono de la zona periférica, obteniéndose después, por medio de temples y revenidos, una gran dureza superficial, resistencia al desgaste y buena tenacidad en el núcleo.

Nitruración (N): al igual que la cementación, aumenta la dureza superficial, aunque lo hace en mayor medida, incorporando nitrógeno en la composición de la superficie de la pieza. Se logra calentando el acero a temperaturas comprendidas entre 400 y 525 °C, dentro de una corriente de gas amoníaco, más nitrógeno.

Cianuración (C+N): endurecimiento superficial de pequeñas piezas de acero. Se utilizan baños con cianuro, carbonato y cianato sódico. Se aplican temperaturas entre 760 y 950 °C.

Carbonitruración (C+N): al igual que la cianuración, introduce carbono y nitrógeno en una capa superficial, pero con hidrocarburos como metano, etano o propano; amoníaco (NH3) y monóxido de carbono (CO). En el proceso se requieren temperaturas de 650 a 850 °C y es necesario realizar un temple y un revenido posterior.

Sulfinización (S+N+C): aumenta la resistencia al desgaste por acción del azufre. El azufre se incorporó al metal por calentamiento a baja temperatura (565 °C) en un baño de sales.

Ejemplos de tratamientos

Endurecimiento del acero

El proceso de endurecimiento del acero consiste en el calentamiento del metal de manera uniforme a la temperatura correcta (ver figura de temperaturas para endurecido de metales) y luego enfriarlo con agua, aceite, aire o en una cámara refrigerada. El endurecimiento produce una estructura granular fina que aumenta la resistencia a la tracción (tensión) y disminuye la ductilidad. El acero al carbono para herramientas se puede endurecer al calentarse hasta su temperatura crítica, la cual se

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adquiere aproximadamente entre los 790 y 830 °C, lo cual se identifica cuando el metal adquiere el color rojo cereza brillante. Cuando se calienta el acero la perlita se combina con la ferrita, lo que produce una estructura de grano fino llamada austenita. Cuando se enfría la austenita de manera brusca con agua, aceite o aire, se transforma en martensita, material que es muy duro y frágil.

Temple y revenido: Bonificado

Después que se ha endurecido el acero es muy quebradizo o frágil lo que impide su manejo pues se rompe con el mínimo golpe debido a la tensión interior generada por el proceso de endurecimiento. Para contrarrestar la fragilidad se recomienda el temple del acero (en algunos textos a este proceso se le llama revenido y al endurecido temple). Este proceso hace más tenaz y menos quebradizo el acero aunque pierde algo de dureza. El proceso consiste en limpiar la pieza con un abrasivo para luego calentarla hasta la temperatura adecuada (ver tabla), para después enfriarla con rapidez en el mismo medio que se utilizó para endurecerla.

Tabla de temperaturas para revenido de acero endurecido

Color Grados C Tipos de aceros

Paja claro 220 Herramientas como brocas, machuelos

Paja mediano

240 Punzones dados y fresas

Paja oscuro 255 Cizallas y martillos

Morado 270 Árboles y cinceles para madera

Azul obscuro 300 Cuchillos y cinceles para acero

Azul claro 320 Destornilladores y resortes

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Recocido

El recocido es el tratamiento térmico que, en general, tiene como finalidad principal el ablandar el acero, regenerar la estructura de aceros sobrecalentados o simplemente eliminar las tensiones internas que siguen a un trabajo en frío. (Enfriamiento en el horno).

Recocido de Regeneración

También llamado normalizado, tiene como función regenerar la estructura del material producido por temple o forja. Se aplica generalmente a los aceros con más del 0.6% de C, mientras que a los aceros con menor porcentaje de C sólo se les aplica para finar y ordenar su estructura

Ejemplo:

Después de un laminado en frío, donde el grano queda alargado y sometido a tensiones, dicho tratamiento devuelve la microestructura a su estado inicial.

Recocido de Globulización

Usado en aceros hipoeutectoides para ablandarlos después de un anterior trabajo en frío. Por lo general se desea obtener globulización en piezas como placas delgadas que deben tener alta embutición y baja dureza. Los valores más altos de embutición por lo general están asociados con la microestructura globulizada que solo se obtiene en un rango entre los 650 y 700 grados centígrados. Temperaturas por encima de la crítica producen formación de austenita que durante el enfriamiento genera perlita, ocasionando un aumento en la dureza no deseado. Por lo general piezas como las placas para botas de protección deben estar globulizadas para así obtener los dobleces necesarios para su uso y evitar rompimiento o agrietamiento. Finalmente son templadas para garantizar la dureza. Es usado para los aceros hipereutectoides, es decir con un porcentaje mayor al 0,89 % de C, para conseguir la menor dureza posible que en cualquier otro tratamiento, mejorando la maquinabilidad de la pieza. La temperatura de recocido está entre AC3 y AC1.

Ejemplo

- El ablandamiento de aceros aleados para herramientas de más de 0.8% de C.

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