OPTIMIZACION DE HORNOS DE CRISOL Y CUBILOTE EN LAS ...

OPTIMIZACION DE HORNOS DE CRISOL Y CUBILOTE EN LAS EMPRESAS

METALURGICAS DE LA CIUDAD DE CALI

WILLIAM RAFAEL SALAS ROSERO

UNIVERSIDAD AUTONOMA DE OCCIDENTE

FACULTAD DE INGENIERIA

DEPARTAMENTO DE ENERGETICA Y MECANICA

PROGRAMA DE INGENIERIA MECANICA

SANTIAGO DE CALI

2006

2

OPTIMIZACION DE HORNOS DE CRISOL Y CUBILOTE EN LAS EMPRESAS

METALURGICAS DE LA CIUDAD DE CALI

WILLIAM RAFAEL SALAS ROSERO

Trabajo de grado para optar al titulo de ingeniero mecánico

Directora

SONIA GOMEZ

Ingeniera mecánica.

UNIVERSIDAD AUTONOMA DE OCCIDENTE

FACULTAD DE INGENIERIA

DEPARTAMENTO DE ENERGETICA Y MECANICA

PROGRAMA DE INGENIERIA MECANICA

SANTIAGO DE CALI

2006

3

Nota de aceptación: Aprobado por el Comité de Grado en cumplimiento de los requisitos exigidos por la Universidad Autónoma de Occidente para optar al título de Ingeniero mecánico.

Ing. LEIVER ALZATE______________________ Jurado Ing. NÉSTOR PINCAY____________________ Jurado Santiago de Cali, 11 de Agosto de 2006.

4

A mi familia. Sin ellos no habría sido posible culminar esta gran empresa.

5

AGRADECIMIENTOS

A toda mi familia, especialmente a mi madre que fue una motivadora infalible para

lograr esta meta.

A todos los profesores que supieron transmitir su conocimiento a mi formación

personal y profesional.

A mis compañeros, que gracias a su amistad y respaldo, hicieron de mi estancia

en la universidad un sitio muy agradable.

A todo el personal, de las empresas que me brindaron su ayuda y colaboración

para elaborar este trabajo de investigación.

6

CONTENIDO

Pág

GLOSARIO 19

RESUMEN 20

INTRODUCCION 21

1 DESCRIPCIÓN DE HORNOS DE CRISOL Y CUBILOTE O CÚPULA 22

1.1 HORNO DE AIRE O CRISOL 22

1.2 HORNO DE CUBILOTE O CÚPULA 25

2 COMBUSTIBLES. 28

2.1 COMBUSTIBLES SÓLIDOS 29

2.2 COMBUSTIBLES LÍQUIDOS 31

3 COMBUSTIÓN 33

3.1 REACCIONES DE COMBUSTIÓN Y ESTEQUIOMETRIA. 33

3.2 OXÍGENO NECESARIO. 34 3.2.1. Exceso de aire. 35 3.2.2. Atmósferas oxidantes y reductoras. 37 3.2.3. Poder calorífico del aire. 38 3.2.4. Aire húmedo. 39 3.2.4.1.1 Humedad relativa. 39

3.3 COMBUSTIÓN EN EL HORNO DE CUBILOTE 41

7

3.3.1 Reacciones químicas. 42 3.3.2 . Índice de combustión n 44 3.3.3 Zonas de influencia en el cubilote 47 3.3.3.1 Zona de oxidación o combustión 48 3.3.3.2 Zona de reducción de la cama 48 3.3.4 Tiempo de combustión del coque y tiempo de fusión de la carga 51 3.3.5 Producción óptima 53 3.3.6 Diagrama reticular del cubilote o de Jungbluth 55 3.3.6.1 Zonas del diagrama reticular o de Jungbluth. 57

3.4 COMBUSTIÓN EN EL HORNO DE CRISOL 58 3.4.1 Reacciones químicas. 58 3.4.2 Combustión por atomización 59 3.4.3 Atomizadores 60

4 TRANSFERENCIA DE CALOR EN LOS HORNOS DE CRISOL Y CUBILOTE 62

4.1 CONDUCCIÓN 62

4.2 CONVECCIÓN 64

4.3 RADIACIÓN 65

4.4 TRANSFERENCIA DE CALOR EN EL HORNO DE CUBILOTE 67 4.4.1 Factores que ejercen influencia sobre las zonas del cubilote 68 4.4.1.1 Penetración del aire de soplado 69 4.4.1.2 Resistencia de la cama de combustible 69

8

4.5 TRANFERENCIA DE CALOR EN EL HORNO DE CRISOL 71

4.6 CALOR REQUERIDO 72 4.6.1 Calor de calentamiento al punto de fusión 74 4.6.2 Calor de recalentamiento 75 4.6.3 Calor latente de fusión. 75

4.7 PÉRDIDAS DE CALOR 76 4.7.1 Pérdidas por los gases de combustión 77 4.7.2 Pérdida por humedad 77 4.7.3 Pérdidas por hidrógeno en el combustible 78 4.7.4 Pérdidas por combustión incompleta 79 4.7.5 Pérdidas por combustible en cenizas 80 4.7.6 Pérdidas por carburación de hierro 80 4.7.7 Pérdidas por calor en la escoria 82 4.7.8 Pérdidas por las paredes del horno 84 4.7.9 Pérdidas por radiación 89

5 CONCEPTOS PARA MEJORAR LA EFICIENCIA DE LOS HORNOS 90

5.1 CONTROL DE LA PROPORCIÓN AIRE-COMBUSTIBLE. 90

5.2 SUPERFICIES DE TRANSFERENCIA DE CALOR LIMPIAS 91

5.3 INSTALACIÓN DE AISLANTES APROPIADOS 91

5.4 PRECALENTAMIENTO DEL AIRE DE COMBUSTIÓN 91

5.5 PRECALENTAMIENTO DE LA CARGA. 92

6 EVALUACIÓN ENERGETICA DE LAS PYMES EN LA CIUDAD DE CALI. 93

9

6.1 METODOLOGÍA. 93 6.1.1 Calculo de la población de hornos de cubilote y crisol 94 6.1.1.1 Muestra poblacional de los hornos de cubilote 95 6.1.1.2 Muestra poblacional de los hornos de crisol 96 6.1.2 La encuesta y la información recopilada 96 6.1.3 Parámetros medidos para la operación de fundición 97 6.1.3.1 Materiales a fundir 97 6.1.3.2 Tipo de proceso de fundición 97 6.1.3.3 Propiedades térmicas del combustible 97 6.1.3.4 Calidad del aire de combustión y relación aire - combustible 98 6.1.3.5 Temperatura del metal fundido a la salida del horno 98 6.1.3.6 Temperatura de la superficie exterior de las paredes del horno 98 6.1.3.7 Tamaño de los trozos del metal de carga y del combustible 98 6.1.4 Equipo de medición 99 6.1.5 . Procedimiento para realizar las mediciones 99 6.1.5.1 Previo a la operación de fundición. 99 6.1.5.2 Durante la operación de fundición. 100 6.1.5.3 Después de la operación 102

6.2 CARACTERIZACION DE LOS HORNOS 103 6.2.1. Hornos de cubilote 103 6.2.2 . Caracterización de los hornos de crisol 107 6.2.3 . Balance térmico y cálculo de eficiencia 109

10

6.2.3.1 Evaluación energética en la empresa A. 110 6.2.3.2 Cálculo de pérdidas de calor y eficiencia energética empresa A. 112 6.2.3.2.1 Pérdidas por humedad que entra al horno. 112 6.2.3.2.2 Pérdidas por combustión de hidrógeno presente en el combustible. 115 6.2.3.2.3 Pérdidas por fundición de caliza y transformación a escoria. 116 6.2.3.2.4 Pérdidas por carburación del hierro. 118 6.2.3.2.5 Pérdidas por transferencia de calor. 118 6.2.3.2.6 Pérdidas de calor en los gases de combustión. 129 6.2.3.2.7 Cálculo de la eficiencia de fusión del horno CA1. 135 6.2.3.3 Cálculo de pérdidas de calor y eficiencia energética. Empresa B 136 6.2.3.3.1 Evaluación energética Horno CB1 137 6.2.3.3.2 Evaluación energética Horno CB2 139 6.2.3.4 Cálculo de pérdidas de calor y eficiencia energética. Empresa C 142 6.2.3.5 Cálculo de pérdidas de calor y eficiencia energética. Empresa D 149 6.2.3.6 Cálculo de pérdidas de calor y eficiencia energética. Empresa E 153 6.2.3.7 Cálculo de pérdidas de calor y eficiencia energética. Empresa F. 156 6.2.4 Análisis de los resultados. 160 6.2.4.1 Graficas de los resultados de los hornos de cubilote. 160 6.2.4.2 Gráficas de los resultados hornos de crisol 169

7 COSTOS ENERGETICOS 176

7.1 COSTOS ENERGETICOS PARA LOS HORNOS DE CUBILOTE. 176

11

7.2 COSTOS ENERGETICOS PARA LOS HORNOS DE CRISOL. 179

7.3 MEDIO AMBIENTE Y USO DE COMBUSTIBLES ALTERNATIVOS 180 7.3.1 Íntercambiabilidad de combustibles. 182

8 SOFTWARE PARA CALCULAR EFICIENCIA ENERGETICA. 185

9 CONCLUSIONES 189

10 RECOMENDACIONES. 191

BIBLIOGRAFIA. 198

ANEXOS 201

12

LISTA DE TABLAS

Pág

Tabla 1. Análisis elemental de coque de Cundinamarca. 31

Tabla 2. Propiedades físico - químicas del aceite usado. 32

Tabla 3.Análisis elemental del aceite residual vehicular 32

Tabla 4. Constantes físicas de algunos metales y aleaciones. 75

Tabla 5. Hornos de cubilote dimensionamiento. 104

Tabla 6. Hornos de cubilote por material de revestimiento. 104

Tabla 7. Hornos de cubilote sistemas de operación. 105

Tabla 8. Hornos de cubilote metal de fundición y combustible usado. 105

Tabla 9. Hornos de cubilote. Técnicas de operación. 105

Tabla 10. Hornos de cubilote. Sistema de inyección de aire. 106

Tabla 11. Hornos de cubilote. Capacidad de producción. 106

Tabla 12. Hornos de Crisol. Dimensiones. 107

Tabla 13. Hornos de crisol. Tecnología para la operación. 107

Tabla 14. Tipo de crisol, metal de fundición y combustible usado. 108

Tabla 15. Hornos de crisol. Técnicas de operación. 108

Tabla 16. Hornos de crisol materiales de construcción. 108

Tabla 17. Hornos de crisol. Capacidad de fundición. 109

Tabla 18. Hornos de crisol. Número y tipo de quemadores. 109

Tabla 19 Dimensiones del horno CA1 110

Tabla 20. Datos del aire, horno CA1, 110

Tabla 21. Temperaturas durante la operación, horno CA1. 111

Tabla 22 Temperaturas de la superficie del la coraza 111

Tabla 23. Datos de flujos de carga a la entrada del horno CA1 112

Tabla 24. Resultados para la evaluación energética del horno CA1 136

Tabla 25 Dimensiones horno CB1. 137

13

Tabla 26. Datos temperaturas de operación horno CB1. 137

Tabla 27. Temperaturas de la coraza CB1 138

Tabla 28. Datos del aire de combustión, horno CB1 138

Tabla 29. Datos de flujo de carga a la entrada del horno CB1 138

Tabla 30.Resultados de la evaluación energética al horno CB1 139

Tabla 31.Dimensiones del horno. CB2 139

Tabla 32. Tabla de temperaturas de operación del horno CB2 140

Tabla 33. Temperatura de operación de la coraza del horno CB2 140

Tabla 34. Condiciones atmosféricas del horno CB2 140

Tabla 35. Flujo material de carga al interior del horno CB2 141

Tabla 36. Magnitud de las pérdidas y eficiencia de fusión horno CB2. 141

Tabla 37. Dimensiones del horno CC1 142

Tabla 38. Temperaturas de operación del horno CC1. 142

Tabla 39. Temperaturas de operación horno CC1. 143

Tabla 40. Condiciones atmosféricas del horno CC1. 143

Tabla 41. Flujo material de carga al interior del horno CC1. 143

Tabla 42.magnitud de las pérdidas y eficiencia de fusión horno CC1. 144

Tabla 43. Dimensiones de operación del horno CRC1 147

Tabla 44. Temperaturas de operación del horno CRC1 147

Tabla 45. Temperaturas de operación de las superficies del horno CRC1 147

Tabla 46 condiciones atmosféricas de operación del horno CRC1 148

Tabla 47. Flujo material al interior del horno CRC1 148

Tabla 48. Magnitud de las perdías y eficiencia horno CRC1 148

Tabla 49. Dimensiones del horno CD1 149

Tabla 50.Temperaturas de operación del horno CD1 149

Tabla 51. Temperaturas de operación de la coraza del horno CD1 150

Tabla 52. Condiciones atmosféricas de operación horno CD1. 150

Tabla 53. Flujo material de carga al interior del horno CD1. 150

Tabla 54. Magnitud de las pérdidas y eficiencia de fusión horno CD1 151

14

Tabla 55. Dimensiones del horno CRD1. 151

Tabla 56. Temperaturas de operación del horno CRD1 152

Tabla 57. Temperaturas de operación de las superficies del horno CRD1 152

Tabla 58. Condiciones atmosféricas de operación del horno CRD1 152

Tabla 59. Flujo de material al interior del horno CRD1 153

Tabla 60.Magnitud de las pérdidas y eficiencia del horno CRD1. 153

Tabla 61. Dimensiones del horno CRE1 154

Tabla 62. Temperaturas de operación del horno CRE1 154

Tabla 63. Temperatura de operación de las superficies del horno CRE1 154

Tabla 64. Condiciones atmosféricas de operación del horno CRE1 155

Tabla 65. Flujo de materiales al interior del horno CRE1 155

Tabla 66. Magnitud de las pérdidas y eficiencia del horno CRE1. 155

Tabla 67. Dimensiones del horno CRF1 156

Tabla 68. Temperaturas de operación del horno CRF1 156

Tabla 69. Temperatura de operación de las superficies del horno CRF1 157

Tabla 70. Condiciones atmosféricas de operación del horno CFR1 157

Tabla 71. Magnitud de las pérdidas y eficiencia de fundición del horno CRF1. 157

Tabla 72.dimensiones del horno CFR2 158

Tabla 73.Temperaturas de operación del horno CRF2 158

Tabla 74.Temperaturas de operación de las superficies del horno. 158

Tabla 75. Condiciones atmosféricas de operación del horno CFR2 159

Tabla 76. Flujo d e materiales al interior del horno CRF2 159

Tabla 77. Magnitud de las pérdidas y eficiencia de fusión. 159

Tabla 78 tabla producción real de los hornos 168

Tabla 79. Consumo de energía eléctrica de los cubilotes 178

Tabla 80. Consumo de energía eléctrica crisoles. 180

Tabla 81. Equivalentes energéticos 183

Tabla 82. Tabla horno operado con diferentes % de oxígeno. 195

15

LISTA DE FIGURAS

Pág

Figura. 1 Horno de crisol de foso. 22

Figura. 2. Horno de crisol basculante 23

Figura. 3 el horno de crisol y sus partes 24

Figura. 4. Vista esquemática del horno de cubilote 27

Figura. 5. Representación de la combustión en el horno de cubilote 46

Figura. 6. Diagrama de las condiciones de la cama de combustible del cubilote 50

Figura. 7 Diagrama reticular de Jungbluth 56

Figura. 8 .Variación de la velocidad en la cámara refractaria del quemador. 60

Figura. 9. Ruptura de una capa liquida en gotas 61

Figura. 10. Transferencia de calor a través de una pared. 63

Figura. 11. Transferencia de calor por de conveccion entre un sólido y un fluido. 64

Figura. 12. Transferencia de calor en el interior del horno debido a la radiación. 67

Figura. 13. Resistencia de la cama por espacioes libres 71

Figura. 14. Resistencia de la cama debida al tamaño del combustible solidó. 71

Figura. 15. Transferencia de calor en el horno de crisol. 72

Figura. 16 Diagrama de calor necesario para fundir un metal. 74

Figura. 17. Pérdidas de calor en el horno. 76

Figura. 18. Representación gráfica de las paredes de los hornos 85

Figura. 19 Pérdidas de calor en Kw. Horno CA1. 160

Figura. 20 Porcentaje de participación de las pérdidas. Horno CA1 160

Figura. 21 Porcentaje del calor suministrado. CA1 161

Figura. 22 Pérdidas de calor en Kw. Horno CB1 161

Figura. 23 Porcentaje de las pérdidas. Horno CB1 161

Figura. 24 Porcentaje del calor suministrado. CB1 162

16

Figura. 25 Pérdidas de calor en Kw. Horno CB2 162

Figura. 26. Porcentaje de las pérdidas. Horno CB2. 162

Figura. 27. Porcentaje del calor suministrado. Horno CB2. 163

Figura. 28. Pérdidas de calor en Kw. Horno CC1 163

Figura. 29. Porcentaje de las pérdidas. Horno CC1 163

Figura. 30 Porcentaje del calor suministrado. Horno CC1. 164

Figura. 31 Pérdidas de calor en Kw. Horno CD1. 164

Figura. 32 Porcentaje de las pérdidas. Hormo CD1 164

Figura. 33 Porcentaje del calor suministrado. Horno CD1 165

Figura. 34. Pérdidas de calor del horno CRC1 169

Figura. 35. Porcentaje de las pérdidas. Horno CRC1 169

Figura. 36. Porcentaje del calor suministrado. Horno CRC1 170

Figura. 37. Pérdida de calor. Horno CRD1 170

Figura. 38. Porcentaje de las pérdidas. Honro CRD1 170

Figura. 39. Porcentaje del calor suministrado. Horno CRD1 171

Figura. 40. Pérdidas de calor. Horno CRE1 171

Figura. 41. Porcentaje de las pérdidas. Honor CRE1 171

Figura. 42. Porcentaje del calor suministrado. Horno CRE1. 172

Figura. 43. Pérdidas de calor. Horno CFR1. 172

Figura. 44. Porcentaje de las pérdidas de calor. Horno CFR1 172

Figura. 45. Porcentaje del calor suministrado. Horno CFR1 173

Figura. 46. Pérdidas de calor. Horno CFR2. 173

Figura. 47. Porcentaje de las pérdidas de calor. Horno CFR2 173

Figura. 48. Porcentaje del calor suministrado. Horno CFR2 174

Figura. 49. Menú de selección del tipo de horno y metal de fundición. 186

Figura. 50. Menú de entrada de datos del software 187

Figura. 51. Menú de datos de los gases de escape. 187

Figura. 52. Formulario de resultados del software. 188

Figura. 53. Porcentaje de aire adecuado para los hornos 191

17

Figura. 54. Intercambiador de calor de coraza y tubos 192

Figura. 55. Cubilote con dos hileras de toberas. 193

Figura. 56. Enriquecimiento de oxígeno en el cubilote. 194

Figura. 57. Diagrama de Jungbluth de un horno con oxígeno 195

18

LISTA DE ANEXOS

Pág

Anexo 1. Encuesta para las empresas. 200

Anexo 2. La hoja de datos de operación. 207

Anexo 3. Tabla de propiedades térmicas de algunos materiales 211

Anexo 4. Propiedades termodinámicas de los aceros 212

Anexo 5. Propiedades termodinámicas del aire. 213

Anexo 6. Propiedades termodinámicas del agua saturada 214

Anexo 7. Calores específicos medios usuales para los hornos de cubilote 215

Anexo 8. Características del gas natural según el yacimiento de origen 216

Anexo 9. Tabla de emisividad para algunos metales 217

Anexo 10.Tabla de clasificación para el carbón. 218

Anexo 11. Datos de capacidad térmica especifica de gas ideal selectos. 219

Anexo 12 Propiedades térmicas de los metales 220

Anexo 13. Instrucciones generales carga de cubilotes 221

Anexo 14. Diagrama de las temperaturas en los hornos de cubilote. 222

Anexo 15. Tabla. Valores para la función Z distribución estándar acumulada 223

Anexo 16. ficha tecnica motores de inducción Siemens. 224

Anexo 17. Ficha técnica de motores de inducción WEG 225

Anexo 18. Fotografías de los hornos de cubilote. 226

Anexo 19. Fotografías de los hornos de Crisol 229

19

GLOSARIO

AIRE FRIÓ: en los hornos de cubilote el aire frió representa el aire que es

introducido al interior sin ser precalentado.

ANÁLISIS ELEMENTAL O ANÁLISIS ÚLTIMO: descripción porcentual de los

elementos que componen un combustible.

BACHE: significa que la producción de un horno es parada por un momento

mientras se hace algún procedimiento de fundición. O se espera que el metal

llegue a la temperatura de fundición.

EXOTÉRMICAS: reacciones que liberan calor

JUNGBLUTH GEORGE: científico alemán que se especializo en el desarrollo

de técnicas para mejorar el rendimiento de los hornos de cubilote.

PEDACERIA: trozos de chatarra.

PELETS: trozos de hierro fundido sin moldearse, que ha quedado después de

las jornadas de fundición

SAE: clasificación de viscosidad para los lubricantes automotrices, de la

sociedad americana de ingenieros de sus siglas en ingles.

VENA DE GAS: es el fluido de gases de combustión, que se abre paso entre

los trozos de metal y coque en su camino hacia las zonas superiores del horno.

20

RESUMEN

Este estudio caracteriza deficiencias energéticas en hornos de crisol y cubilote,

usados en las pequeñas empresas de fundición de Cali, y busca plantear

soluciones aplicables para su optimización desde el punto de vista energético.

La metodología a seguir inicia con la elaboración de una encuesta cuya finalidad

es caracterizar los hornos, está será realiza entre una muestra de empresas

contactadas previamente, se continúa con visitas técnicas, para realizar

mediciones y análisis de los procesos de fundición y finalmente se realiza un

análisis de los datos arrojados por la evaluación energética, con los cuales se

llega a unas conclusiones y se plantean posibles soluciones basadas en los

resultados de esta investigación y con métodos sugeridos y aplicados por otras

empresas y asociaciones de profesionales metalúrgicos internacionales.

De esta manera se obtiene datos, para hacer una caracterización de los hornos

que fueron evaluados. Como resultado se obtuvo una caracterización

documentada de los hornos operados por las pymes metalúrgicas de la ciudad de

Cali. En donde indica: tamaño de los hornos, capacidad de producción, el

combustible usado como energético, el grado de modernización de los hornos, el

metal que es fundido, el método de fundición y el tipo de horno, así mismo, la

validación de la metodología, cálculo de su eficiencia, la identificación de áreas

criticas donde se puedan obtener los mayores ahorros y costos de producción con

base al combustible usado.

21

INTRODUCCIÓN Las pequeñas empresas metalúrgicas, deben afrontar la competencia, no solo con

empresas grandes, sino también con la entrada de productos del exterior, como

consecuencias de la apertura de mercados por tratados como el ALCA y TLC.

Uno de los principales factores que inciden negativamente en los costos de

producción es el ineficiente uso de la energía1, esto fue revelado en el informe

realizado por la unidad de plantación minero energética (UPME), en este también

se hace énfasis en las posibilidades de mejorar el desempeño de los hornos. Por

lo tanto, se deben identificar las principales causas que influyen en el bajo

rendimiento de los hornos y corregirlas si es posible. En este sentido se ha

planteado este proyecto, a partir de la investigación realizada por el GIEN (grupo

de investigación en eficiencia energética) de la universidad autónoma.

Los hornos de estas empresas, funcionan con combustibles como el aceite

residual de vehículos ARV y el carbón mineral (coque), que provocan

contaminación ambiental.

1 Determinación de la eficiencia energética del subsector industrial de hierro acero y metales no ferrosos [en linea]. Santa fe

de Bogota: upme 2001. [consultado 05 de Noviembre, 2005]. Disponible por Internet:: http://www.upme.gov.co

22

1 DESCRIPCIÓN DE HORNOS DE CRISOL Y CUBILOTE O CÚPULA

1.1 HORNO DE AIRE O CRISOL

Es el horno más antiguo que existe empleado en la fundición de metales, también

se le conoce como horno de aire. Este equipo se integra por un crisol de arcilla y

grafito, los que son extremadamente frágiles, los crisoles se colocan dentro de un

confinamiento que puede contener algún combustible sólido como carbón o los

productos de la combustión, al igual que combustibles líquidos o gases.

Los crisoles son poco utilizados en los países desarrollados, excepto por

pequeñas empresas, su capacidad fluctúa entre los 50 y 100 kg. Actualmente en

la ciudad de Cali son muy usados en la pequeña y mediana industria para fundir

aluminio y bronce.

Figura. 1 Horno de crisol de foso.

Fuente: CAPELLO, Eduardo. Tecnología de la fundición. Barcelona: Gustavo Gili,

1974. p. 48

23

Los hornos de crisol según su construcción se pueden clasificar en Hornos de

crisol de foso Fig. 1. Los cuales son los mas fácil de construir ya que no se

requiere una estructura metálica que contenga al crisol y el equipo de soplado. Los

de base fija que son más elaborados tienen estructura metálica que sostiene la

cámara de combustión y el crisol, este es el tipo de horno más común en las

metalúrgicas de la ciudad de Cali. Y están los basculantes que tienen una

pequeña modificación con respecto a los de base fija, pues el horno es abatible en

un pivote el cual permite que este gire para desalojar de una manera más sencilla

y efectiva el metal fundido fig. 2.

Figura. 2. Horno de crisol basculante


1974. p. 48

El horno de crisol esta constituido por una cámara de combustión en cuyo interior

sucede toda la operación de combustión.

El metal se encuentra en el interior del crisol, el cual ha sido precalentado para no

sufrir fracturas durante la operación plena del horno; el crisol es elevado de

temperatura hasta alcanzar la temperatura de fusión del metal. Las paredes de la

24

cámara de combustión están generalmente hechas de un refractario como piedra

caliza, este evita que el calor generado en el interior y los alrededores del crisol

escape al aire ambiente. La tapa del cubilote cumple la misma función que las

paredes pero esta es móvil para facilitar el vaciado del metal que se encuentra en

el crisol. De las pymes metalúrgicas evaluadas, solo dos hicieron uso de la tapa

durante el proceso, los demás lo hacen con el horno abierto al ambiente.

El quemador es el sistema que me permite combinar el combustible con el

oxígeno del aire y producir la llama que finalmente es la que transmitirá calor al

crisol y este a su vez al metal contenido en el. Hay diferentes tipos de quemadores

que varían dependiendo del combustible que se vaya utilizar, puede ser líquido, un

gas o incluso hay quemadores que pueden quemar los dos tipos de combustibles.

El tanque de combustible solo cumple la función de almacenar el combustible y

debe estar en buen estado de lo contrario se corre el riesgo de fugas que

provocarían posibles conflagraciones. Una particularidad del horno de crisol es

que no tiene chimenea, generalmente se usa un agujero en la tapa para permitir la

fuga de los gases de la combustión la cual lo hace muy deficiente.

Figura. 3 el horno de crisol y sus partes


1974. p. 49

25

1.2 HORNO DE CUBILOTE O CÚPULA

Los hornos de cubilote son equipos muy económicos y de poco mantenimiento, se

utilizan para hacer fundición de hierros colados. Consisten en un tubo de más de 4

metros de longitud las paredes están recubiertas de material refractario y este a su

vez esta asegurado por un coraza de acero que lo en vuelve (fig. 4). Pueden tener

entre 0.6 a 1.4 m de diámetro, se cargan por la parte superior con camas de

chatarra de hierro, coque y piedra caliza. Para la combustión del coque se inyecta

aire con unos ventiladores de alta presión, este accede al interior por unas toberas

ubicadas en la parte inferior del horno.

Estos hornos se pueden cargar con pelets de mineral de hierro o pedacearía de

arrabio sólido.

Los hornos de cubilote pueden producir colados (metal fundido) de hasta 20

toneladas cada tres horas. El mayor problema de estos hornos es que sus equipos

para el control de emisiones contaminantes es más costoso que el propio horno,

por ello no se controlan sus emisiones de polvo, este hecho hace que en algunos

países no se autorice su operación.

Son relativamente fáciles de operar; la operación consiste en colocar en

proporciones correspondientes el combustible (coque) y la carga (chatarra y

fundentes) en capas alternas de coque y material de carga, repartidos a lo largo

del horno, desde la cámara de fundición hasta la puerta de carga. Fig.4. a medida

que el coque se consume y el metal se funde las cargas de combustible y metal

van descendiendo y entonces se depositan nuevas cargas en el interior del

cubilote hasta terminar la jornada de fundición. El aire de combustión es

suministrado por un ventilador de alto caudal (alto flujo de aire en un tiempo

definido), esta reacción produce una llama y esta lleva el calor generado por el

26

carbón y el aire, hacia el metal que se encuentra justo encima de la cama de

coque.

Los hornos de cubilote tienen una gran cantidad de variaciones y adaptaciones

pero en esencia funcionan de la misma forma y la única diferencia notable es la

composición química del refractario con el que están construidos, por lo cual los

podemos clasificar en Cubilotes básicos y ácidos, esta diferencia reside en la

composición del material refractario usado en su construcción, los hornos básicos

tienen un revestimiento de ladrillo refractario de dolomita y los ácidos tienen un

revestimiento de ladrillo refractario de sílice. El tipo de revestimiento depende del

tipo de hierro se desea obtener del horno, una vez que se halla pasado por el

proceso de fundición.

El horno de cubilote básico se usan en procesos en los que se exige un hierro de

bajo contenido de azufre y alto contenido de carbono, la operación de este tipo de

hornos es mas compleja debido a la cantidad de reacciones químicas que ocurren

en el interior de este.

De acuerdo con lo anterior los procesos que no tienen estas restricciones de

calidad son llevados a cabo con los hornos de cubilote ácidos ya que su operación

no es tan compleja además los costos de construcción de este tipo de hornos es

mucho mas económica.

Hasta la fecha de esta investigación en la ciudad de Cali, no se encuentra en

operación ningún horno de cubilote básico.

27

Figura. 4. Vista esquemática del horno de cubilote

Fuente: QUIROGA CORREA, Álvaro. Manual de operación del horno de cubilote.

Bucaramanga: Universidad Industrial de Santander, 1984. p. 85

28

2 COMBUSTIBLES

Sustancias, ricas en C (carbono) y en H (hidrógeno), que al oxidarse

violentamente en una reacción química con un agente oxidante (por lo general

oxígeno del aire), liberan energía en forma de calor. Las propiedades térmicas que

son muy útiles al momento de seleccionarlos son:

� Calor de combustión: Cantidad de calor que se desprende cuando un mol

de un combustible se quema a temperatura y presión constante.

� Poder calorífico

Es la cantidad de calor desprendido por un combustible al momento de oxidarse

violentamente en presencia del aire o de oxígeno. El poder calorífico ha sido

caracterizado de dos maneras. Según sea el estado en el que se encuentra el

agua presente en el combustible.

Poder calorífico superior (HHV). Es el calor desprendido en la combustión

completa, a presión constante y temperatura de 25° C. el agua presente en estado

líquido en el combustible aparece en los productos de la combustión condensada.

( ) ( ) ( ) ( )lOH2g2COHUMEDAD3OgH2sC2 2222 +⇒+++ 1

Poder calorífico inferior (IHV). Es el calor desprendido en la combustión completa,

a presión constante y temperatura de 25° C. el agua se encuentra en forma de

vapor después de la combustión.

29

( ) ( ) ( ) ( )gO2Hg2COHUMEDAD3Og2Hs2C 2222 +⇒+++ 2

Los porcentajes de Carbono, hidrógeno y oxígeno presentes en los combustibles

sólidos y líquidos, se establece a partir del análisis elemental.

� Viscosidad

Propiedad de los fluidos debida al frotamiento de sus moléculas o resistencia que

experimenta al movimiento. En los combustibles líquidos es importante conocer

esta propiedad por que es parte de los parámetros de selección de los equipos de

soplado e inyección de combustible.

2.1 COMBUSTIBLES SÓLIDOS

El carbón (con sus diferentes variantes), la leña (biomasa) y los residuos sólidos,

son los representantes típicos de los combustibles sólidos.

Aunque el carbón desempeñó en su día un papel primordial entre todos los

combustibles, hoy en día ha sido desplazado por los combustibles líquidos y

gaseosos. Sin embargo, las reservas de carbón siguen siendo las mas

importantes de todos los combustibles.

El carbono consta principalmente de carbono, hidrógeno y oxígeno en cantidades

variables y nitrógeno en proporciones aproximadamente constantes entre 1.3 y 1.5

%, su clasificación se hace con base al análisis elemental o análisis ultimo.

En la actualidad existen tres clasificaciones con amplia aplicación, basadas en el

análisis inmediato del carbón. La ASTM que establece su clasificación por el poder

30

calorífico del combustible y la presencia de cenizas en este. La FRB que cuya

clasificación esta basada en el contenido de material volátil, expresado sobre la

base de materia seca y exenta de materia mineral, y en el poder coquizarte del

material limpio y la clasificación Seyler es la mas completa por que tiene en cuenta

la composición elemental del combustible (carbono e hidrógeno), material volátil,

poder calorífico, índice de hinchamiento y potencia calorífica total.

El combustible sólido mas usado en los hornos de cubilote en la ciudad de Cali es

el coque, que se extrae de la zona de Cundinamarca. También es usado en

algunos hornos de crisol.

El análisis ultimo realizado por el ministerio de minas esta descrito en la tabla No

1. La composición de este coque es muy buena ya que tiene un alto porcentaje de

carbono fijo y el porcentaje de cenizas no supera el 10 %. Lo cual proporciona un

alto poder calorífico por unidad de masa de coque.

31

Tabla 1. Análisis elemental de coque de Cundinamarca.

Compuesto %

Carbono 76.35

Hidrógeno 4.84

Azufre 0.81

Humedad 1.97

Nitrógeno 1.63

Oxígeno 4.59

Cenizas 9.81

Temperatura de ignición 700ºC

Poder calorífico 25550KJ /Kg.

Fuente: DUQUE CEDEÑO, Carlos Fernando. Diseño de un sistema de control de

emisiones y acondicionamiento del aire en un horno de cubilote. Cali, 2003. p. 32.

tesis de grado (Ingeniero Mecánico). Universidad del Valle. Facultad de Ingeniería.

2.2 COMBUSTIBLES LÍQUIDOS

El combustible usado en las pymes donde se evaluaron los hornos de crisol, es el

aceite residual de vehículos.

Las propiedades de los aceites usados dependen primordialmente de las bases

lubricantes de las cuales se derivan, de los aditivos adicionados para mejorar la

viscosidad, el poder detergente y la resistencia a altas temperaturas.

Por su elevada capacidad calorífica y otras propiedades físico químicas tabla 3; el

aceite usado se constituye en uno de los residuos con mayor potencial para ser

empleado como combustible para la industria.

32

Es el combustible líquido que presenta mayor cantidad de emisiones toxicas, su

uso esta restringido por la C.V.C y el Dagma pero no hay control sobre su uso.

Tabla 2. Propiedades físico - químicas del aceite usado.

Propiedades Aceite automotor usado Aceite industrial usado

Densidad a 15,6º 0,8692 - 0,9396 g/cm3 0,8972-0.9002 g/cm3

Viscosidad a 40º 21,3 - 26,3 CST 31,4-72,5 CST

Poder calorífico 7.539-10.720 Kcal./Kg. 9.584-9.995 Kcal./Kg.

Punto de inflamación 78 - 220 º C 157-179 º C

Agua % Vol. 0,2 - 33,8 0,1-4,6

Fuente: "La recuperación de los aceites usados de automóvil" [en línea].

Comunicación presentada al Foro de Ingenieros Superiores de Andalucía. Sevilla,

13 de noviembre de 2003. [consultado 04 de marzo, 2005]. Disponible en Internet:

http://cema.iies.es/Cursos/Aceites.htm

Tabla 3.Análisis elemental del aceite residual vehicular

Compuesto %

Carbono 85.03

Hidrógeno 11.28

Azufre 2.81

Humedad 0.58

Nitrógeno 0.30

Oxígeno 0.10

Poder calorífico 44750 KJ / Kg.

Fuente: ENTREVISTA con Jhon Erick Mellizo, Laboratorista de química de la

universidad del Valle. Cali, 10 de Mayo de 2005.

33

3 COMBUSTIÓN

Reacción química de tipo exotérmica, entre un combustible y un comburente

(oxígeno que es obtenido del aire), en la cual se forman gases y cenizas.

Los mecanismos de reacción son realmente complejos, además de los productos

completamente oxidados; también existen residuos de otros componentes

indeseados (contaminantes atmosféricos).

Cuando la reacción de combustión es completa a partir del carbono e hidrógeno

contenidos en los derivados del petróleo se obtiene como productos dióxido de

carbono CO2 y agua H2O. Por el contrario si la combustión es incompleta

adicionalmente tiene lugar la formación de monóxido de carbono CO.

La combustión puede dar lugar a la formación de otros productos de emisión como

los óxidos de nitrógeno, sílice y azufre, dependiendo de la composición del

combustible que se este usando.

3.1 REACCIONES DE COMBUSTIÓN Y ESTEQUIOMETRIA.

La relación que existe entre la masa de combustible que entra al horno y el

caudal de aire usado para su combustión es de suma importancia para la correcta

operación de fundición en el interior del horno. Si esta relación es adecuada los

costos de producción y temperatura del metal son los que se requieren, si esto no

es así se presentaran problemas durante la operación de fusión que terminaran

afectando el desempeño del horno y se obtendrán piezas metálicas de mala

calidad.

34

Es por eso importante calcular la cantidad de aire necesaria para obtener la

máxima combustión posible del combustible.

3.2 OXÍGENO NECESARIO.

La reacción de combustión de un hidrocarburo de formula CnHm se escribe:

2mn .O4m

nHC

++ = OH2m

COn 22 + 3

Donde:

n: número de átomos de carbono en la molécula del hidrocarburo

m: número de átomos de hidrógeno en la molécula del hidrocarburo

Lo anterior describe de forma general, la estequiometria para calcular la cantidad

de oxígeno requerida para que un Kmol de CnHm, reaccione con (n+ m/4) Kmoles

de O2, para producir n Kmoles de CO2 y m/2 Kmoles de H2O.

En los casos de que todas las especies químicas sean gases, la lectura anterior

puede repetirse exactamente sustituyendo las palabras Kmol por m3.

Como la masa molar del hidrocarburo vale (12.n + m) Kg., la del oxígeno 32 Kg, la

del dióxido de carbono 44 y la del agua 18, puede también hacerse la siguiente

lectura2:

2. MÁRQUEZ MARTÍNEZ, Manuel. Combustión y quemadores. Barcelona: Marcombo, 1989. p. 25

35

( ).Kg

m12n

m4n8.

++

de O2 4

Y produce:

Kgm12.n

44.n

+ de CO2 y Kg

m12n

9.m

+ de H2O. 5

La reacción de combustión anterior, permite así obtener la cantidad de oxígeno

estrictamente necesaria para la combustión de la unidad de combustible, y por eso

se designa como oxígeno mínimo (Omin). Si este viene aportado por el aire, se

designa como aire mínimo (Amin) la cantidad de aire seco que lo contiene. Como la

proporción de oxígeno en el aire es del 21% en volumen. El volumen de aire

mínimo se obtiene multiplicando el volumen del oxígeno mínimo por 4,76.

Amin = 4,76.Omin 6

3.2.1 . Exceso de aire. La combustión en la práctica, no se realiza con el aire

mínimo, para garantizar una óptima combustión se inyecta aire en exceso. La

cantidad de aire utilizado se expresa en función del aire mínimo mediante un

coeficiente α llamado porcentaje de exceso de aire, tal que:

Aire utilizado = α. (Amin) 7

Donde:

α : Porcentaje de exceso de aire.

Amin: Aire mínimo a usar para la combustión.

36

El aire en exceso es por tanto:

exceso

min

A

A1−=α 8

Amin = 3n

3n2min mm4,76.O 9

En el caso de combustibles sólidos y líquidos, en los que suele partirse de su

composición elemental, si las fracciones pondérales de los distintos componentes

se representan por C, H, O y S la cantidad de oxígeno mínimo en m3(n) por

kilogramo de combustible viene dada por:

Omin = OSH8C1232 −++ 10

En las combustiones estequiometricas completas, los productos de la combustión,

son los de reacciones completamente oxidadas (CO2, H2O, SO2, etc.) y los inertes

(N2).

La masa de los gases de combustión se calcula así:

NOHA10079

S2H9C1244

m 2minHUMOS +++++= 11

La masa de los gases con exceso de aire se calcula con la siguiente ecuación:

37

α+= HUMOSHUMOSEXHUMOS mmm 12

Donde:

EXHUMOSm : Masa de humos teórica con exceso de aire.

3.2.2 . Atmósferas oxidantes y reductoras. Las atmósferas en el interior de un

horno se pueden clasificar según como se comporten los gases productos de la

combustión, si en ellos existe un porcentaje alto de O2 la atmósfera se llama

oxidante; si además, existen CO y H2 en proporciones tales que H2+CO < O2 se

llama atmósfera semioxidante; por el contrario la suma es H2+CO > O2 entonces

es una atmósfera semi-reductora y si se trabaja con defecto del aire, no exista el

oxígeno sino solo CO y H2 y consecuentemente inquemados la atmósfera se

llamara reductora.

Estos datos son muy importantes, porque permiten analizar como esta

funcionando el horno, si el equipo está quemando adecuadamente el combustible

o si hay problemas de cálculos estequiométricos.

Para esta investigación no se encontró el equipo adecuado para realizar la toma

de datos de emisiones de los hornos, debido a que las temperaturas de los humos

a la salida de los hornos, eran mayores que los rangos permitidos por el equipo

analizador de gases de la universidad autónoma. Con el propósito subsanar esto,

se solicitó colaboración y asesoria para la medición de emisiones de hornos de

fundición, a los ingenieros del Dagma y la de la CVC pero no tenían ni la

metodología ni los equipos para hacer las mediciones, también se acudió a la

empresa privada, pero al igual que las anteriores, no pudieron colaborar en esta

38

investigación. Además, de haber hallado el equipo adecuado para esta

inspección, no se habría podido utilizar en la mayoría de los hornos por que estos

no poseen chimenea ni las dimensiones adecuadas para permitir el uso de estos

dispositivos en estos hornos.

3.2.3 . Poder calorífico del aire. La cantidad de calor desarrollada depende del

combustible que se use para la reacción; pero el aire bajo ciertas características

también puede aportar calor.El poder calorífico del aire se ha calculado por el

orden de los 2,93 MJ/Kg. ≈ 3 MJ/Kg.

Se puede considerar que aproximadamente los productos de la combustión

difieren poco del aire en cuanto a sus propiedades con lo que se puede considerar

que el aumento de entalpía del aire por efecto de la combustión es la misma

variación entalpica de los gases de combustión. De hecho para trabajar con un

exceso de aire, el aumento de entalpía es aproximadamente4:

kgMJ

α

3∆H = 13

El valor del numerador corresponde al valor aproximado que se ha calculado del

poder calorífico del aire.

El calor que aporta el aire a la combustión se incrementa a medida que se

aumenta la temperatura de este a la entrada de la cámara de combustión.

3 Ibid., p. 25 4.Ibid., p. 27.

39

3.2.4 . Aire húmedo. Básicamente el aire se compone de Nitrógeno y Oxígeno que

en total vienen a ser el 99% del total. El 1% restante se compones de gases

inertes.

En base molar o volumétrica las proporciones son:

O2 = 21%

N2 = 79%

La masa molar del aire es de 28,9 Kg. /Kmol , y su masa volumétrica, a 0 °C y

presión atmosférica es ρ0 = 1.293 Kg./m3 . El aire atmosférico, sin embargo

incorpora a los dos componentes citados anteriormente, cantidades variables de

humedad (H2O) que se debe tener en cuenta en la eficiencia de energía5.

El contenido de humedad en el aire por lo general se expresa referido a base

seca, definiendo esta humedad como humedad absoluta, que es los Kg de H2O

por cada Kg. de aire seco, valor que se simboliza por x.

El contenido de humedad en el aire, varía con una presión p y una temperatura T.

Para calcular la cantidad de vapor de agua que esta entrando en la combustión es

necesario conocer la humedad relativa.

3.2.4.1.1 . Humedad relativa. Se define como el cociente de la presión parcial del

vapor entre la presión de saturación a la misma temperatura de una mezcla6.

El porcentaje en masa del vapor de agua, por cada metro cúbico de aire

atmosférico será variable a diferentes temperaturas y presiones.

5 Ibid., p. 29 6 WARK, Kenneth. Termodinámica. México: McGraw-Hill, 1991. p. 272

40

ϕ = g

v

p

p 14

Donde:

ϕ : Humedad relativa.

vp : Presión real del vapor.

gp : Presión de saturación a la misma temperatura

Entonces la relación de humedad es:

ω = .0.622.pp

.p

v

v

ϕ−ϕ

Kg. H2O / Kg. aire. 15

Donde

ω : relación de humedad Kg. H2O / Kg. Aire.

P: presión atmosférica.

Volumen específico de la mezcla por Kg. de aire seco se halla con la siguiente

ecuación.

secoKg.airem

PP

TR

P

TR

airesecoν

3

v

a

a

a

−== 16

41

Donde:

Vaireseco: Volumen del aire seco

Ra: constante del aire.

Masa de humedad presente en el aire de combustión. Esta se obtiene

simplemente de multiplicar el flujo volumétrico que entra al horno por el volumen

específico y por la relación de humedad.

AIRESECOH2OAire

0

ωmm = 17

Esta ecuación permite encontrar la humedad absoluta en función de la relativa, y

viceversa, si se conoce la presión total (p) y la temperatura (mediante la cual se

determina pv) y la masa de aire que entra al horno.

3.3 COMBUSTIÓN EN EL HORNO DE CUBILOTE

La combustión en el cubilote, presenta algunas variaciones con respecto a la

combustión normal, entre un combustible y un comburente, ya que estos en el

interior del cubilote tienen contacto directo con los metales que se desean fundir,

también con los fundentes y con el refractario de las paredes del horno, lo que

provoca reacciones químicas endotérmicas y exotérmicas las cuales deben

estudiarse con cuidado, ya que de estos cambios depende una buena combustión

y un producto fundido de buena calidad, con un mínimo de inversión en tiempo y

combustible.

42

El principal objetivo en la operación del cubilote es producir hierro de la

composición y temperatura deseadas aun régimen definido y de la manera más

económica7.

La calidad del producto fundido depende tanto de la composición química del

metal de carga, la atmósfera gaseosa en contacto con el hierro fundido en el

cubilote ya sea (oxidante o reductora). Las características del metal son

igualmente importantes así como la forma física de la cama y de las cargas,

velocidad y humedad del aire8.

En las operaciones de fundición en las empresas que se evaluaron en esta

investigación, se pudo observar que la clasificación de los metales, para lograr las

composiciones deseadas del metal fundido, es un proceso claramente conocido

por los operarios y las personas a cargo de la operación de los hornos. En la

mayoría de las empresas hacen la clasificación en lugares de la empresa muy

cercanos a los hornos, pues cuentan con áreas de trabajo relativamente pequeñas

para la magnitud de sus labores.

3.3.1 . Reacciones químicas. Las tres reacciones principales que ocurren en el

interior del cubilote, dependen totalmente del carbón aportado por el coque, al

momento de reaccionar con las diferentes moléculas de comburentes que entran

al horno o se desarrollan en el interior de este.

7 AMERICAN FOUNDRYMEN’S SOCIETY. El horno de cubilote y su operación. 4 ed. México: C.E.C.S.A, 1983. p. 665.

8 Ibid., p. 667

43

Reacción 1

2(Gas)2(Gas)(coque) COOC ⇔+

Desprendimiento de calor a Kg.molKcal0 97000C25 +=

id a Kg.molKcal0 97600C1600 +=

Reacción 2

(Gas)2(Gas)(coque) 2COCOC ⇔+

Desprendimiento de calor a Kg.molKcal0 40500C25 −=

id a Kg.molKcal0 38.700C1.225 −=

Reacción 3

2(gas)(gas)gas2(coque) HCOOHC +⇔+

Desprendimiento de calor a Kg.molKcal0 30700C25 +=

id a /kg.mol32.100KcalC1.2250 =

La reacción 1, es la principal puesto que es la generadora de calor para todo el

proceso. La reacción es en esencia completa en el sentido hacia la derecha según

como esta escrita, el régimen de la reacción es muy rápido a las temperaturas que

44

existen en el cubilote y solo es controlado por el régimen de transferencia de masa

del oxígeno presente en el aire de soplado a la superficie del combustible9.

Las reacciones 2 y 3 son las que extraen calor del cubilote. La reacción 2 al igual

que la 1 es esencialmente completa pero esta, es controlada por la temperatura, si

esta es baja es probable que esta reacción se invierta y ocurra deposición de

carbono. La reacción 3 es igualmente importante que las dos anteriores y depende

de la cantidad de vapor de agua que entra al cubilote por medio del aire de

soplado10.

3.3.2 . Índice de combustión n. Este índice indica la composición simplificada de

los gases de combustión, según las reacciones 1, 2, 3. Indican las cantidades de

CO2 y CO, que van en los humos11.

COCOCO

n2

2

+= 18

Donde

:n Índice de combustión.

:2CO Porcentaje de bióxido de carbono en los humos en la chimenea.

:CO Porcentaje de monóxido de carbono en los humos de la chimenea.

9 Ibid., p. 678

10 Ibid., p . 679 - 680.

11 BAQUERO, Alonso Arnaldo. Diseño, operación y control del cubilote. Bucaramanga: UIS, 2000. p. 8-9

45

Esta información sirve para conocer cuales son las condiciones de funcionamiento

de la fusión.

El índice de combustión, depende de la calidad del coque utilizado, del flujo de

aire y del porcentaje de carbono utilizado12. Según el investigador alemán

Jungbluth, el aire ejerce una influencia muy baja sobre el índice de combustión y

en una primera aproximación se puede despreciar dentro de los límites del trabajo

habitual del cubilote13. Bajo esta consideración y aceptando que n depende

esencialmente del porcentaje de carbono en la carga menos el que se pierde en la

carburación del hierro (el hierro fundido gana carbono del coque el cual no se

consume en la combustión). Se puede establecer la siguiente relación.

0.15∆Cp.C

0.03865n +

−= 19

En donde:

p = porcentaje de coque entre carga.

C = porcentaje de carbono en el coque.

∆C = porcentaje de carburación de la fusión.

Si se representan las relaciones 1, 2 y 3 en función del índice de combustión n

para un kmol de carbono, estas reacciones se realizan como lo indica la figura 5.

12 Ibid., p. 8-9

13 Ibid., p. 9.

46

Estas reacciones definen la fusión del cubilote en función del índice de combustión

n. la figura 5 expresa de manera esquemática la ocurrencia de dichas reacciones.

A partir de ellas se pueden determinar los diferentes parámetros que influencian la

operación del horno14.

Figura. 5. Representación esquemática de la combustión en el horno de cubilote

Fuente: diseño y operación del horno de cubilote.

14. Ibid., p. 10

47

3.3.3 . Zonas de influencia en el cubilote. Los gases del cubilote a diversos

niveles, contienen principalmente de CO2, CO, O2, N2 con cantidades variables de

H2O y H2 que dependen de la humedad del aire que entra en el cubilote. El CO2 y

el O2 son gases oxidantes, mientras que el CO y el H2 son gases reductores, el

nitrógeno es un gas inerte y solo actúa como un medio para transferir calor15.

Dependiendo de las características de estos gases y las reacciones en las que

intervienen, el horno de cubilote puede ser definido por zonas de operación. Las

cuales son de oxidación y de reducción.

La no disposición de equipos para establecer la composición de gases a diversos

niveles del horno hizo imposible conocer como se estaban desempeñando estas

zonas del horno directamente. Pero haciendo inspecciones en la superficie del

horno se pudo hallar las zonas de mayor y menor temperatura del horno.

15 AMERICAN FOUNDRYMEN’S SOCIETY, Op. cit., p. 779.

48

3.3.3.1 Zona de oxidación o combustión. La principal reacción en esta zona es la

No 1 el oxígeno reacciona con el combustible, aquí la concentración de oxígeno

pasa de 21% al 1% y el CO2 alcanza su máximo porcentaje que está entre el 14%

y el 18%. A este nivel se alcanza la máxima temperatura en el cubilote la cual está

entre 1540°C y 1870°C , este nivel también tiene lu gar la reacción No 2 y alcanza

su mayor magnitud cuando los niveles de O2 llegan a sus niveles mas bajos. Los

regímenes de todas las reacciones a estos niveles están controlados por el flujo

de masa, dependen de la superficie aerodinámica del combustible y un poco de la

temperatura pero este control no tiene relación con las características

termoquímicas del combustible16.

La superficie aerodinámica del combustible, es el área superficial del trozo de

coque que se introduce al horno, la american foundrymen’s society ha

recomendado tamaños de coque para ser usados en los hornos que están entre

10 y 12% del diámetro interior del cubilote. En las pymes vinculadas a esta

investigación, se pudo ver que el manejo del tamaño del combustible se realiza

antes de entrar al horno. El control de flujo de masa se controla análogamente, por

el personal de operación del horno.

3.3.3.2 . Zona de reducción de la cama. Esta zona esta limitada en su parte

inferior por la zona de oxidación y en su parte superior esta limitada por la zona de

fusión. Esta zona se encuentra a temperaturas superiores a los 1170°C. Esta

depende de la composición del metal aquí la principal reacción es la No 2 pero

también tiene lugar la No 3. En la porción mas baja de esta zona, se hallan

temperaturas cercanas a 1480°C, estas reacciones ta mbién son controladas por el

transporte de masa e igualmente independiente de la reactividad del combustible y

16 Ibid., p. 780.

49

medianamente dependiente de la temperatura y del volumen del aire de soplado.

También depende de la superficie aerodinámica del combustible y de la

concentración de CO2 en la vena de gas.

La correcta operación de un horno de cubilote depende de una adecuada,

disposición del combustible relacionado por una cantidad adecuada de oxígeno

que es proporcionado por el aire, al momento de la fusión17. Si esta relación es la

adecuada, los valores de producción, composición química, y temperatura son los

que se buscan. De lo contrario toda la producción entra en una tapa de

incertidumbre, ya que se esta entrando a improvisar, y a hacer uso de la habilidad,

y el conocimiento del personal, con conocimiento del horno y su comportamiento,

pero esta experiencia no garantiza, un producto de calidad optimo ni el uso

eficiente de energía (eléctrica y / o térmica).

17 Ibid., p. 725

50

Figura. 6. Diagrama idealizado que representa las condiciones en la cama de

combustible del cubilote

Fuente: AMERICAN FOUNDRYMEN’S SOCIETY. El horno de cubilote y su

operación. 4 ed. México: C.E.C.S.A, 1983. p. 725

La operación de fundición en los hornos de cubilote en las pymes, es llevada por

personal que tiene muchos años operando estos hornos, con base a la

experiencia los operadores manipulan las proporciones de coque-metal y aire-

coque. Por lo tanto en cada una de las empresas de fundición tienen una taza de

soplo de aire diferente a las de otras, al igual que las de combustible y metal.

Estas tasas de flujo de materiales al interior del horno, no son en todas las

empresas proporcionales al tamaño del horno, ni a la cantidad de metal que se

funde en el interior.

51

3.3.4 Tiempo de combustión del coque y tiempo de fusión de la carga. En la

búsqueda de los factores que afectan la relación porcentaje de coque entre carga

– caudal de aire, es necesario conocer la dependencia que existe entre tiempo de

combustión del coque y el tiempo de fusión de la carga metálica. Para evitar

grandes variaciones en la altura de la cama de coque, es necesario que la carga

metálica este fundida, cuando el coque entre carga se haya consumido, o mejor,

su equivalente en la zona de combustión. Esto depende de los factores que

actúan sobre el tiempo de fusión de la carga metálica y sobre el tiempo de

combustión del coque.

Factores que tienen influencia en el tiempo de fusión de la carga metálica18.

• Temperatura de fusión de los constituyentes de la carga metálica

• Temperatura de los gases que envuelven la carga metálica en la zona de

precalentamiento

• Espesor de la chatarra cargada.

Exceptuando el tamaño de la chatarra, es muy difícil actuar sobre los demás

factores que afectan el tiempo de fusión, en especial sobre la temperatura de

fusión de los elementos que constituyen la carga metálica. Por esta razón en la

práctica se considera que este factor define el tiempo de fusión de la carga y por

consiguiente, determina la cantidad de coque que se va a consumir. El porcentaje

de chatarra de acero en la carga, por ser el constituyente que funde a mas alta

temperatura, será el que determine el porcentaje de coque entre carga.

18 BAQUERO, Op. cit., p. 77.

52

Factores que tienen influencia en el tiempo de combustión de la carga de coque19.

• Naturaleza del coque.

• Espesor de la carga de coque.

• Tamaño o espesor del coque.

• Cantidad de aire.

De esto factores. El flujo de aire es el que ejerce una mayor influencia en el tiempo

de combustión del coque. Su acción es de tal magnitud, que prácticamente se

considera determinante. Por esta razón es indispensable conocerla cantidad de

aire de combustión, para establecer una relación entre el porcentaje de coque

adecuada entre cargas y el aire de combustión.

Uno de los mayores inconvenientes de la operación de los hornos en las pymes

estaba en la manipulación del aire soplado al interior del horno, en muchas de las

empresas no estaban seguros de la cantidad de aire que proveían al horno, solo

tenían datos especulativos, los datos arrojados por los equipos de medición de

caudal de aire mostraron que la mayoría de las empresas ha optado por lanzar un

desmedido exceso de aire para conseguir una buena combustión y lograr altas

temperaturas en la zona de oxidación. Esta medida hace que las temperaturas

arriba de la zona de oxidación desciendan por que el aire en exceso se lleva este

calor hacia el exterior del horno. Otro inconveniente localizado en las pymes fue la

manipulación del tamaño del metal, que por recomendaciones de la american

foundrymen’s society debe tener por su lado de mayor longitud, un tamaño

equivalente a 1/3 del diámetro interior del horno. Esto no ocurre en la práctica,

esto debido a que fraccionar grandes trozos de acero o hierro a tamaños muchos

mas pequeños es muy dispendioso y se necesita de muchas horas de trabajo y

19 Ibid., p. 77

53

fuerza, además de la indisciplina de algunos obreros al no cortar o partir los

pedazos de metal a un tamaño adecuado.

3.3.5 Producción óptima. En general la manipulación de los flujos de materiales

al interior del horno, mejoran o empeoran la operación y desempeño de este. Para

un caudal fijo de aire, si se aumenta el porcentaje de coque entre carga, se

disminuye la producción, pero se aumenta la temperatura. Para un porcentaje de

coque entre carga constante, la temperatura de la fundición puede variar en

sentido opuesto al modificarse el caudal de aire. Todo depende de la producción

que se tiene y de su posición con relación a la producción específica óptima

equivalente a 7.65 t /m2 /h. a esta producción específica corresponde una

producción horaria óptima, expresada estadísticamente por la relación20:

Producción óptima = Po = hkg2 .Di60 20

Donde:

Di: diámetro interior en dm.

Po: producción óptima.

Para establecer que tan óptimo es el funcionamiento del cubilote se debe conocer,

que porción de la superficie de fusión, establecida por el diámetro interior del

cubilote es la que realmente esta operando.

20 Ibid., p. 77

54

La superficie de trabajo real del horno de cubilote, se puede calcular de la

siguiente manera21.

QC = 4,48(1+ n)Ch 21

Donde:

QC: caudal del aire de combustión.

Ch: carbón quemado por hora.

QoeQc

SF = 22

Donde:

SF: superficie de fusión de la marcha.

Qoe: caudal de aire óptimo para hornos de soplado con aire frió. Equivale a 100

Nm3 / m2 / min.

Ahora con SF se puede calcular el diámetro de fusión de la marcha este diámetro

de trabajo es comparado con el diámetro teórico de la ecuación 20 y dependiendo

de los resultados se puede establecer que tan optimo es el desempeño del horno.

21 Ibid., p. 92 - 91

55

No fue posible calcular la superficie de trabajo de los hornos de las pymes por que

no se conocen los porcentajes de CO2 y CO en los humos.

3.3.6 Diagrama reticular del cubilote o de Jungbluth. Este diagrama fue

desarrollado por un investigador alemán con base a experiencias realizadas en un

horno para realizar estudios concernientes al comportamiento del cubilote a

diferentes condiciones de trabajo. Con este estudio logro establecer el

comportamiento del cubilote, en función de la temperatura del metal, flujo de aire,

y porcentaje de coque entre carga. Toda esta información quedo consignada en el

diagrama reticular del cubilote o de Jungbluth, este También determina la

producción horaria, temperatura de la fundición y composición química.

Este diagrama facilita los cálculos de flujos de materiales que se deben suministrar

al horno y es muy preciso solo si el horno tiene las dimensiones adecuadas de

producción.

El diagrama reticular de Jungbluth, no es usado en ninguna de las empresas

evaluadas.

56

Figura. 7 Diagrama reticular de Jungbluth.

Fuente: BAQUERO, Alonso Arnaldo. Diseño, operación y control del cubilote

Santiago de Cali: Universidad Industrial de Santander, 2000. p. 79.

Los últimos estudios realizados por europeos y norteamericanos han establecido

que la ecuación para calcular la producción óptima más exacta es la que muestra

la ecuación 2322.

Po = hkg2 .54Di 23

22 Ibid., p. 78 - 80

57

En esta investigación no se hará uso de la ecuación 24 porque esta se

recomienda para hornos de producción horaria igual o mayores a 6900Kg/h,

producción que ninguna empresa en la ciudad de Cali tiene.

3.3.6.1 Zonas del diagrama reticular o de Jungbluth23. En el diagrama reticular,

se pueden apreciar tres zonas. De izquierda a derecha. La primera zona es de

baja producción y bajas temperaturas, situada entre el eje de las temperaturas y la

zona de máximas temperaturas, en la parte superior del diagrama. Una segunda

zona llamada zona de máximas temperaturas, en donde se obtiene la producción

óptima para un flujo de aire considerado, según el porcentaje de coque entre

carga. Finalmente una tercera zona de elevada producción y bajas temperaturas,

que se encuentra ubicada a la derecha de la zona de máximas temperaturas. Lo

anterior muestra que la producción del cubilote se puede adaptar según los

requerimientos del modelo. Es decir aumentarla, reducirla, o mantenerla en la

producción óptima, según sean las necesidades metalúrgicas y de producción.

El diagrama reticular del cubilote muestra claramente que para un porcentaje de

coque determinado, la temperatura de la fundición aumenta al mismo tiempo que

se incrementa la producción horaria, pasa por la zona de máximas temperaturas o

de producción óptima, y después disminuye.

23 Ibid., p. 80

58

3.4 COMBUSTIÓN EN EL HORNO DE CRISOL

En la ciudad de Cali el combustible mas usado en los hornos de crisol es el aceite

residual de automotores. Para su combustión este es atomizado y alcanza la

temperatura de ignición en la cámara refractaria del quemador o en el interior del

horno.

En la cámara refractaria cónica del quemador se solapan la atomización, mezcla,

evaporación, craqueado y combustión. La combustión comienza donde la

velocidad de propagación de la llama iguala a la velocidad de la mezcla aire-

combustible.

El esquema de la Figura 8 explica lo que ocurre en la cámara refractaria del

quemador. En la parte superior se indican las velocidades .La velocidad del flujo

disminuye al principio a causa de la mayor sección transversal y luego aumenta

debido al incremento de volumen. La velocidad de propagación de la llama

aumenta debido a la radiación desde el horno que hace subir la temperatura.

3.4.1 Reacciones químicas. Son esencialmente las mismas que ocurren en el

cubilote, se diferencian en que en el horno de crisol no ocurre carburación del

metal, por lo tanto no hay pérdidas de carbono por este hecho, tampoco hay

reacciones endotérmicas y exotérmicas de los materiales que se funden.

59

3.4.2 Combustión por atomización.24 La atomización es el proceso de ruptura de

la fase líquida continua del combustible, que lo transforma en gotitas muy

pequeñas ver figura 9. en ella se muestra el proceso ideal, a través del cual, la

superficie de una capa líquida, se incrementa hasta formar gotas.

El combustible líquido habitualmente se quema a través de una suspensión de

gotas generadas como consecuencia de su atomización. Las gotas provienen del

atomizador y se dirigen hacia la zona de combustión, y en su camino se calientan

como consecuencia de la radiación de la llama y de la transferencia de calor

convectiva desde los gases calientes que la rodean. Ello produce la vaporización

de los componentes más livianos del combustible, que se mezclan con el aire que

rodea la gota y luego combustionan. Según el tipo de combustible, la gota puede

ser completamente vaporizada, o parcialmente vaporizada dejando depósitos

carbonosos residuales o partículas de coque.

24. Combustión unidad XII [en linea]. Buenos Aires: BRIZUELA E, J. C, 2001. [consultado 28 de mayo, 2005]. Disponible en

Internet: http// www. fi. uba. Ar / materias / 6730 /Tomo 2 Unidad11

60

Figura. 8 .Variación de la velocidad en la cámara refractaria del quemador.

Fuente: GILCHRIST, J. D. Combustibles y refractarios Madrid : Alhambra, 1967. p.

23

3.4.3 Atomizadores. Los atomizadores son los dispositivos encargados de

atomizar el combustible líquido que es suministrado a los hornos de crisol, hay

muchos tipos y variedades de atomizadores, en las empresas de Cali usan un tipo

de atomizador de desarrollo artesanal en la que el líquido es llevado a la cámara

de combustión por inducción del aire de combustión, soplado en el interior del

horno. Estos dispositivos no proveen una atomización adecuada del combustible,

dejando muchos productos inquemados y hacen que el poder calorífico del

combustible no sea bien aprovechado. Además no siempre las características

físicas, químicas y las propiedades térmicas del aceite residual de uso vehicular

61

(ARV), son las mismas varían mucho entre cada compra porque estos aceites

proceden de residuos lubricantes cuyas viscosidades están entre SAE 5W-30 a

SAE 250, por lo que no siempre el atomizador podrá cumplir con un trabajo

adecuado de atomización.

Figura. 9. Ruptura de una capa liquida en gotas

Fuente: Combustión unidad XII [en linea]. Buenos Aires: BRIZUELA E, J. C, 2001.

[consultado 28 de mayo, 2005]. Disponible en Internet:

http://wwwfiuba.Ar/materias/6730/Tomo2Unidad11

62

4 TRANSFERENCIA DE CALOR EN LOS HORNOS DE CRISOL Y CUBILOTE

La transferencia de calor es el intercambio de energía calorífica entre distintos

cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo, las cuales deben estar a

distinta temperatura, para que esto ocurra.

El calor se puede transferir de 3 maneras diferentes por conducción, por

convección y por radiación. En casos prácticos la transferencia de calor ocurre por

lo menos por la acción de dos de las tres formas.

4.1 CONDUCCIÓN

En los sólidos, la única forma de transferencia de calor es la conducción. No se

comprende en su totalidad el mecanismo exacto de la conducción de calor en los

sólidos, pero se cree que se debe, en parte, al movimiento de los electrones libres

que transportan energía cuando existe una diferencia de temperatura25.

La transferencia del calor en los sólidos viene expresada por la ecuación de

Fourier:

PARED

21Con R

TTQ

−= 24

Donde:

Qcon: es la cantidad de calor que fluye a través de la pared.

25 MILLS, A.F. Transferencia de calor. Santafe de Bogota: Mc Graw Hill, 1999. p 7 - 8.

63

T1: es la temperatura interior de la pared a través de la cual se transfiere el calor.

T2: es la temperatura exterior de la pared.

RPARED: es la resistencia del material a dejar pasar calor.

K

LRPARED = 25

Cuando una pared esta constituida por mas de un material la resistencia total se

calcula por medio de una analogía con la ley de Ohm.

Kn

Ln........

K

L

K

LR

2

2

1

1TOTAL +++= 26

Figura. 10. Transferencia de calor a través de una pared.

64

4.2 CONVECCIÓN

La convección es el mecanismo por el cual los fluidos (gases y líquidos) trasfieren

calor entre ellos y una superficie.

El movimiento del fluido puede ser natural o forzado. Este tipo de movimiento,

debido exclusivamente a la no uniformidad de la temperatura del fluido, se

denomina convección natural. La convección forzada se logra sometiendo el fluido

a un gradiente de presiones, con lo que se fuerza su movimiento de acuerdo a las

leyes de la mecánica de fluidos. También ocurre conveccion entre sólidos –

líquido, líquido – sólido, sólido – gas y gas solidó.

Figura. 11. Transferencia de calor por de conveccion entre un sólido y un fluido.

65

La ecuación 27 se usa para calcular la transferencia de calor por conveccion entre

un solidó y un fluido.

)T.A(TshQ cC ∞−= 27

Donde:

QC: Calor por conveccion.

hc : Conductancia convectiva térmica unitaria promedio.

A: área de transferencia de la superficie.

Ts: temperatura superficial del área de transferencia.

T ∞ : es la temperatura del fluido alejado de la superficie.

4.3 RADIACIÓN

La radiación presenta una diferencia fundamental respecto a la conducción y la

convección no necesita un medio para transferir calor, así que por medio de este

mecanismo los cuerpos que intercambian calor pueden estar separados por un

vacío.

La radiación cobra importancia en la transferencia de calor en el interior del horno

cuando la llama ha alcanzado los 1000 oC. Esta transfiere calor al horno por

66

radiación directa de la llama y por la radiación indirecta que llega desde las

paredes. Figura 12.

La energía radiada total entre dos cuerpos es:

∞−= 4T4sTεfσAradiadoQ 28

Donde:

RADOADOQ : Calor radiado.

σ : Constante de Stefan – Boltzman (5,57 x 10 -8 W/m2)

ε : Emisividad.

f : Factor de forma.

T: temperatura de la superficie del cuerpo que emite la radicación.

∞T : Temperatura de los alrededores.

67

Figura. 12. Transferencia de calor en el interior del horno debido a la radiación.

Fuente: BRITISH GAS SCHOOL OF FUEL MANAGEMENT. Combustion

engineering and gas utilisation. Londres: chapman, 1995. p. 132

4.4 TRANSFERENCIA DE CALOR EN EL HORNO DE CUBILOTE

Uno de los factores que más influyen sobre la profundidad (altura) de la zona de

reducción de la cama es el régimen de transferencia de calor entre los gases y el

combustible. Los gases que dejan la zona de oxidación están en un equilibrio de

temperatura con respecto al combustible, pero arriba de esta zona existe una

diferencia de temperatura entre el gas y el combustible. Es precisamente esta

diferencia de temperaturas la que promueve la transferencia de calor de la vena

de gas al combustible26.

26 AMERICAN FOUNDRYMEN’S SOCIETY Op. cit., p. 685.

68

La transferencia de calor es directamente proporcional a la superficie del

combustible y al tiempo de contacto entre el gas y el combustible. Siendo el

tiempo de contacto entre gas y combustible tan sólo una fracción de segundo (con

una gama normal de velocidades entre 12 y 25 m por segundo para volúmenes de

aire entre 65 y 130 m3 por minuto y por m2 de área de cama) pueden existir

diferencias de temperatura más bien amplias. Volúmenes de soplado mayores

pueden resultar en tiempos de contacto menores, y menor transferencia de calor.

Al igual que el calor extraído en el sobrecalentamiento del metal sobre su

temperatura de fusión, hasta una temperatura máxima de 1540°C o mayor,

depende de la cantidad del mismo impartida al metal y de la relación metal a

carbón empleada en una operación dada. Para un metal de relación de

combustible de 10/1 y un sobrecalentamiento de 335 °C, el calor extraído será,

aproximadamente, de 3800 Kcal. /mol de carbón consumido.

La formación de escoria y subsiguiente sobrecalentamiento de la misma extrae

calor de esta zona. Aunque el calor extraído por cada kilogramo de escoria es

relativamente alto (normalmente del orden de magnitud de 305 Kcal. /Kg. de escoria)

el calor extraído, en términos de moles de carbón consumido, es relativamente

pequeño comparado con el extraído en el sobrecalentamiento del metal. Sin

embargo, aumenta al aumentar el volumen de escoria, y tiende a bajar la

temperatura de la zona de reducción, y por lo tanto la profundidad de esta zona.

4.4.1 Factores que ejercen influencia sobre las zonas del cubilote. Existen

ciertas limitaciones físicas que causan que las zonas parezcan, en un cubilote

real, muy diferentes de las representadas en la figura 6, para la cama idealizada, y

que también influyen en los resultados de la operación real. Los más importantes

de ellos se discuten en los siguientes numerales.

69

4.4.1.1 Penetración del aire de soplado. En la práctica, el aire es introducido a

través de las toberas localizadas alrededor de la periferia del cubilote. Puesto que

el oxígeno es consumido después de pasar una distancia equivalente entre 3 y 7

diámetros de trozo ver anexo 13 , y esto corresponde a la región de máxima

temperatura, se deduce que existe una zona de reducción con temperaturas

decreciendo progresivamente hacia el centro del cubilote, si la penetración del aire

no es la adecuada no todo el coque se consumirá y formara puntos fríos en la

zona de oxidación, por otro lado si es demasiado el aire se llevaría el calor a los

niveles superiores del horno hasta expulsarlo fuera de él.

En algunos de los hornos evaluados de hecho lo que sucede es que la

penetración del aire es tal que un gran porcentaje de todo el calor suministrado por

el coque, termina en los gases de la chimenea.

4.4.1.2 Resistencia de la cama de combustible. La resistencia de la cama de

combustible es, con frecuencia, un factor importante en la operación del cubilote.

Los intentos de operar el cubilote a capacidades apreciablemente más altas que

las diseñadas, o a usar combustible de menor tamaño, resulta con frecuencia en

presiones contra las que el soplador centrífugo comúnmente empleado es incapaz

de entregar el volumen de aire necesario.

Los combustibles de calidad pobre, que se despedazan apreciablemente debido al

choque térmico o al mecánico producen también una mayor resistencia de la cama

de combustible, que puede dar lugar a problemas de presión, y asimismo el uso

de combustible que contiene cantidades apreciables de materiales de tamaño

pequeño. La chatarra sucia es otra fuente de resistencia de la cama de

combustible.

70

La resistencia al flujo de gas en el cubilote se determina primordialmente por la

resistencia de la cama, las cual es una función de la homogeneidad de tamaño del

combustible y de la velocidad del gas.

Diferentes combustibles sólidos se apretarán en grados diferentes, dependiendo

de la forma y rugosidad de la superficie, además producen, diferentes porcentajes

de espacios vacíos. EL coque exhibe de 53 a 55% de espacios vacíos. Es así

entonces como el coque en igualdad de condiciones presenta menos resistencia

que la antracita ya que esta presenta solo de un 43 a 48% de espacios libres ver

figura 13. De la misma manera, cambiando el tamaño del mismo combustible de

un promedio de 10 cm a un promedio de 7 cm doblará, aproximadamente, la

resistencia de la cama, permaneciendo constantes otras condiciones ver figura 14.

Se puede apreciar que hay más resistencia de la cama cuando el combustible

tiene un tamaño muy pequeño. En la figura 14 b. se puede ver que el paso de los

gases de combustión se enfrenta a una resistencia menor de la cama.

Los hornos que se evaluaron no tienen problemas de sobre producción, pues su

diámetro interior se ajusta a la ecuación de la producción horaria, pero si

presentan problemas en las otras dimensiones, como la altura del crisol, y la zona

de precalentamiento. No son las adecuadas para un óptimo desempeño.

Con respecto al combustible todas las empresas usan coque el cual no es un

sólido frágil y no presenta resistencia al flujo de los gases debido a su alto margen

de espacio entre el.

La chatarra usada en las cargas, presenta mucha oxidación y no tienen un

proceso de limpieza previo.

71

Figura. 13. Resistencia de la cama debida a los espacios libres presentados por

los combustibles sólidos.

Figura. 14. Resistencia de la cama debida al tamaño del combustible solidó.

4.5 TRANFERENCIA DE CALOR EN EL HORNO DE CRISOL

El calor se transfiere en todos los hornos, casi de igual manera, pero a diferencia

del horno de cubilote, en el horno de crisol, el combustible y los gases de

combustión no tienen contacto directo con el metal que se va a fundir.

El metal se funde debido, al calor suministrado por el crisol mediante conducción y

a su vez este recibe el calor producto de la combustión, a través de la conveccion

y radiación directa de la llama e indirecta de las paredes figura 15. Es por eso que

en este tipo de horno es muy importante que la convección sea muy eficiente.

72

Figura. 15. Transferencia de calor en el horno de crisol.

La transferencia de calor en los hornos de crisol en las empresas evaluadas

mostró un deficiente aprovechamiento de todo el calor desprendido por el

combustible, esto se debe a las velocidades tan elevadas que llevan la mezcla de

gases en el interior del horno. Esto se ajusta a lo documentado en la literatura.

4.6 CALOR REQUERIDO

La fusión consiste en hacer pasar los metales y sus aleaciones del estado sólido al

estado líquido, ejerciendo determinada cantidad de calor bien definida y

característica para cada metal o aleación figura 16.

73

Conocidos el material, la temperatura ambiente (estado solidó), la temperatura de

fusión (estado en transición), de sobrecalentamiento (estado líquido), y la masa a

fundir, es posible calcular la cantidad de calor requerido para fundir el metal y

mantenerlo así hasta que sea vertido en los moldes. Este calor se calcula con la

formula:

T.C.mQ ∆= 29

Donde:

Q: cantidad de calor que debe ser transferido al metal.

:m Masa del metal

C: Calor específico a presión constante.

:∆T Diferencial de temperaturas.

Para hallar el calor requerido es necesario, establecer primero que el calor

específico varia, a medida que el estado del metal cambia. Por lo tanto habrá un C

para el estado solidó un C para el estado líquido y un C para el metal líquido

recalentado. El primer Calor específico C1 será para el metal solidó y se usa

cuando el metal es llevado de una temperatura ambiente Standard (25 OC) hasta

la temperatura T2 que es la de fundición. El calor específico siguiente es C2 este

es el calor para el metal líquido y se usa para calcular el calor necesario para

recalentar el metal. Y el tercer calor específico se usa para calcular el calor latente

de fusión.

74

Figura. 16 Diagrama de calor necesario para fundir un metal.


1974. p. 112

Ahora se pueden calcular los calores necesarios para cada una de las etapas de

la fundición. Con la formula 34 y los datos de la tabla No 6.

4.6.1 Calor de calentamiento al punto de fusión

T).m.(TCQ 111 −= 30

75

4.6.2 Calor de recalentamiento

)T.m.(TCQ 1222 −= 31

4.6.3 Calor latente de fusión.

.mCQ 33 = .T 32

Calor total de fusión y recalentamiento resultara de sumar

321REQUERIDO QQQQ ++= 33

Tabla 4. Constantes físicas de algunos metales y aleaciones.

Metal o aleación

Temperatura de

fusión OC

Calor específico de

solidó

C1

Kcal. / Kg. OC

Calor específico de

líquido

C2

Kcal. / Kg. OC

Calor latente de

fusión

C3

Kcal. / Kg.

Plomo

Magnesio

Aluminio

Bronce

Cobre

Fundición gris

Fundición blanca

Acero

327

650

657

900-960

1083

1200

1100

1400

0.031

0.25

0.23

0.09

0.094

0.16

0.16

0.12

0.04

-

0.39

-

0.156

0.20

-

-

6

72

85

-

43

70

-

50


1974. p. 128

76

4.7 PÉRDIDAS DE CALOR

No todo el calor que se introduce al horno, es aprovechado para lograr fundir el

metal, existen fugas de calor a las que se denomina pérdidas, que no permiten el

uso del 100 % del calor generado por la combustión.

Las pérdidas de calor provienen de varias fuentes. En esta investigación se

tendrán en cuenta las fuentes que mas favorecen, las fugas de calor y las cuales

se pueden controlar.

Figura. 17. Pérdidas de calor en el horno.

Fuente: Efficient Process Heating in the Aluminum Industry [en linea]. Washintong:

Office of Energy Efficiency and Renewable Energy U.S. Department of Energy.

[consultado 12 agosto, 2005]. Disponible en internet: http://www.eren.doe.gov.

77

4.7.1 Pérdidas por los gases de combustión. Los gases de la combustión no

transfieren todo el calor al metal, parte de ese calor que liberaron las reacciones

exotérmicas, se pierde en los gases de escape, que abandonan el horno. Para

calcular estas pérdidas se usara la siguiente ecuación.

( )( )agGASESGASES TT0,24mQ −= [27] 34

Donde:

Q GASES: pérdida de calor por los gases de escape.

m GASES: masa de los gases.

Tg: Temperatura de los gases a la salida del horno.

Ta: Temperatura del aire de combustión a la entrada del Horno.

4.7.2 Pérdida por humedad. Estas pérdidas se deben al H2O presente en el aire

de combustión y en el combustible. Se pueden calcular con las siguientes

ecuaciones.

Si la temperatura de los gases de escape es inferior o igual a 5750F se usa

27 CASTRO MORA, Javier. Operación y mantenimiento de calderas. Santa fe de Bogota: universidad nacional de

Colombia, 2002. p. 67.

78

( )fgH20H20 T0,46T1,089mQ −+= [28] 35

.

Si la temperatura de los gases de escape es superior 5750F se usa

( )fgH20H20 T0,50T1066mQ −+= [29] 36

Donde:

Tf : temperatura del combustible.

H20m : Masa de agua presente en el aire y combustible.

4.7.3 Pérdidas por hidrógeno en el combustible. La combustión de hidrógeno

agrega una cantidad de calor apreciable, pero como se indicó en la reacción 3 del

tema de combustión, el agua presente en la combustión no permite que todo el

carbono disponible en el combustible reaccione con el oxígeno y libere todo su

poder calorífico. Estas pérdidas se pueden ser calculadas por las siguientes

fórmulas.

Si la temperatura de los gases de escape es inferior o igual a 5750F se usa

28 Ibid., p. 67.

29 Ibid., p. 67.

79

( )agH T0,46T1,089100

H%Q −+

= 9 [30] 37

Si la temperatura de los gases de escape es superior 5750F se usa

( )agH T0,50T1,066100

H%Q −+

= 9 38

Donde:

Q H : pérdidas por combustión de hidrógeno.

Ta : temperatura del aire de combustión a la entrada del horno.

4.7.4 Pérdidas por combustión incompleta. Como se indicó en las reacciones

2 y 3 del tema de combustión no todo el C del combustible se quema y forma CO2.

( )

+=

COMB

c

2COMIN m

m10160

COCOCO

Q [31] 39

Donde:

Qcomin = cantidad de calor perdido por inquemados.

30 Ibid., p. 67

31 Ibid, p. 68.

80

Cm : masa de carbón en el combustible.

COMBm : Kilogramos de combustible.

4.7.5 Pérdidas por combustible en cenizas. Estas pérdidas se deben al

combustible que no hizo combustión y ha pasado a formar parte de los

compuestos de las cenizas.

( )CENIZASCENIZASCENIZAS CmQ = 32 40

Donde.

QCENIZAS: pérdidas de calor por combustible no quemado en las cenizas.

mCENIZAS: masa de las cenizas producidas durante la combustión.

CCENIZAS: calor específico de las cenizas.

4.7.6 Pérdidas por carburación de hierro. En realidad estas no son pérdidas de

calor, parte del C presente en el combustible pasa a hacer parte de estructura de

la fundición gris por tanto esta pérdida de energía es necesaria para lograr las

cualidades metalmecánica del hierro. Estas pérdidas solo se calculan en el horno

de cubilote.

32 Ibid., p. 67.

81

Se debe conocer el porcentaje de carbono de la carga de metal antes de ingresar

al horno. Después de la operación de fundición se analiza el contenido de carbono

nuevamente y se hace la diferencia este porcentaje representa la relación

carbono y hierro.

CCCHncarburacio m%m%m% −= 41

Donde:

%mcarburacion: porcentaje de la masa de carbono ganado por el metal.

%mCC: porcentaje de la masa de carbono en el metal antes de la fundición.

%mCH: porcentaje de la masa de carbono presente en el hierro después de la

fundición.

Ahora se puede calcular la masa de carbono que se perdió por carburación.

mcarburacion = (%mcarburacion / 100)(mhierro) 42

Donde:

mcarburacion: masa de carbono que gana el metal.

mhierro: masa de hierro que entra por hora.

Con este dato ya es posible calcular el calor perdido por incombustion del

carbono.

82

)HVV()m(Q carbononcarburacionCarburacio = 43

Donde:

Qcarburacion: calor perdido por carburación del hierro.

HVVCARBONO: poder calorífico del carbono = 33620 KJ / KgCOMB33

.

4.7.7 Pérdidas por calor en la escoria. La escoria que es el resultado de la

fundición de la piedra caliza usada como fundente, para mejorar las condiciones

de la operación del horno de cubilote. Es generadora de pérdidas de calor.

( )calizaescoria4escoriaescoria TTCmQ −= 44

Donde:

Q escoria: calor perdido en la escoria.

escoriam : Masa formada de escoria.

C4: calor específico a presión constante de la escoria.

T escoria: temperatura de la escoria a la salida del horno.

T caliza: temperatura de piedra caliza a la entrada del horno.

33 AMERICAN FOUNDRYMEN’S SOCIETY. Op. cit., p. 868.

83

La masa de escoria formada se calcula de acuerdo a lo indicado por la american

foundrymen’s society.

Se requiere conocer el porcentaje de CaCO3 contenido en la piedra caliza, usada

como fundente, el porcentaje de CaO en la escoria. Y la masa de caliza que

ingresa al horno.

3.%CaCOmmCAL3CaCO

= 45

Donde:

3CaCOm : Masa de CaCO3 que entra al cubilote.

mCAL: masa de caliza que entra al cubilote.

% CaCO3: Porcentaje de CaCO3 presente en la caliza.

Los moles formados de escoria son los mismos moles de CaCO3 que entra al

horno de cubilote.

100

mmoles CaCO3

CaO = 46

Donde:

molesCaO: número de moles de CaO formados.

Ahora se puede calcular el peso del CaO en la escoria.

84

))(W(molesW molCaOCaOescoria = 47

Donde:

WmolCAO: Peso molar de CaO.

Wescoria: peso de CaO en la escoria

escoriaescoria

escoria Kg

100%CaOW

m = 48

Donde:

%CaO: porcentaje de CaO en la escoria.

4.7.8 Pérdidas por las paredes del horno. Los hornos pierden calor a través de

los refractarios y aislantes de sus paredes. Estos retienen gran parte del calor en

el interior del horno, pero un porcentaje escapa por convección y conducción.

El primer mecanismo que actúa, para que ocurra este escape de calor es la

conveccion, ya que los gases que están en el interior del horno transfieren calor a

la superficie del refractario que conforma la pared interior del horno. Seguidamente

el siguiente mecanismo es la conducción ya que es esta la que lleva el calor de la

superficie, interna de la pared y lo transfiere a la superficie externa del refractario.

Si el horno cuenta con una capa adicional de material aislante en la pared, el calor

se transmitirá mediante el mismo mecanismo. Al igual que la coraza de metal que

por lo general recubre la pared de los hornos.

85

Figura. 18. Representación gráfica de las paredes de los hornos

Estas pérdidas de calor en las paredes del horno pueden ser calculadas, con la

ecuación siguiente:

( )

Lrπ2h

1Lkπ2

rr

Ln

Lk2πrr

Ln

Lkπ2rr

Ln

TTQ

24aire3

3

4

2

2

3

1

1

2

ambINPARED

+++

−= 49

Donde:

Qpared: calor transferido a través de las paredes del horno

T IN: temperatura en el interior del horno.

86

T amb : temperatura del aire circundante al horno.

1r : Radio interior del refractario.

2r : Radio exterior del refractario.

3r : Radio exterior del aislante.

4r : Radio exterior de la coraza metálica.

1k : Coeficiente de conducción térmica del refractario.

2k : Coeficiente de conducción térmica del aislante.

3k : Coeficiente de conducción térmica de la coraza metálica.

L: altura de la zona de fusión del horno.

AIREh : es el coeficiente de transferencia de calor por conveccion del revestimiento

exterior del horno al ambiente. Esta variable depende de muchas propiedades del

aire que rodea al horno y también depende del área superficial de la coraza del

horno. Por lo tanto este coeficiente será variable para cada uno de los hornos y se

calcula usando la ecuación para conveccion por flujos naturales externos en

paredes verticales34.

34 MILLS, Op. cit., p. 305.

87

El coeficiente de transferencia de calor del aire por conveccion se calcula como

se indica a continuación.

ULaire

CAIRE NL

kh

= 50

Donde

Kaire : conductividad térmica del aire.

L: altura de la superficie exterior del horno.

ULN : número de Nusselt promedio para el flujo laminar.

A su vez ULN se calcula así:

( )0,25LUL ΨRa0,670,68N += Para 9

L 10Ra ≤ 51

( ) ( )Ψ++= −L

80,25LUL Ra10x6,11ΨRa0,670,68N Para 12

L9 10Ra10 ≤≤ 52

916

169

Pr492,0

1

−

+=Ψ 53

Donde:

88

Ψ: Razón del numero de Prant para conveccion natural.

RaL: Número de Rayleigh.

Pr: Número de Prandtl.

A su vez RaL es calculado así:

PrgL)T(

PrGrRa 2

3

L ν∆β== 54

Y

2

TT1

ambsup +=β 55

Donde:

ν : Viscosidad cinemática del aire.

T∆ : Diferencia de temperaturas Ts – Tamb.

Para superficies ubicadas verticalmente ULN tiene una variación35.

7L

54

1

LUL 10x2Ra10paraRa54,0N <<= 56

35 Ibid., p. 309

89

10L

73

1

LUL 10x3Ra10x2paraRa14,0N <<= 57

4.7.9 Pérdidas por radiación. En el horno de cubilote estas pérdidas solo se

deben tener en cuenta por la radiación pérdida por la coraza. En el horno de crisol

esta pérdida es importante si el horno solo usa una tapa con una ranura por la cual

salen los gases de combustión, por este mismo sitio pueden salir calor radiado por

el metal fundido.

90

5 CONCEPTOS PARA MEJORAR LA EFICIENCIA DE LOS HORNOS

En los países en los que la industria metalúrgica tiene gran desarrollo. Se ha dado

una gran importancia a la eficiencia energética, en estos estudios se han

identificado las principales pérdidas de calor, y a la vez se han implementado

técnicas que permiten, si bien no eliminarlas, si disminuirlas aprovechando al

máximo el calor suministrado.

Las principales pérdidas fueron identificadas en el capitulo 4. A continuación se

describirán algunas de los principales conceptos aplicados en el mundo para

optimizar la operación de los hornos que se pueden aplicar a los tipos de hornos

que se tratan en esta investigación.

5.1 CONTROL DE LA PROPORCIÓN AIRE-COMBUSTIBLE36.

Un correcto ajuste de la proporción aire combustible, puede reducir los costos

eficazmente. Permitir poca cantidad de aire tiene como consecuencia desperdicio

de combustible y produce emisiones de CO también hidrocarburos no quemados

(UHCs). Aumentar la cantidad de aire incrementa drásticamente el volumen de

calor desperdiciado por el tubo de escape de los gases y disminuye eficiencia

térmica. Con una combustión óptima el porcentaje de oxígeno presente en los

gases de la chimenea será menor al 2%.

36 Efficient Process Heating in the Aluminum Industry [en linea]. Washintong: Office of Energy Efficiency and Renewable

Energy U.S. Department of Energy. [consultado 12 agosto, 2005]. Disponible en internet: http://www.eren.doe.gov..

91

5.2 SUPERFICIES DE TRANSFERENCIA DE CALOR LIMPIAS37

Un modo simple de maximizar transferencia de calor es mantener superficies

limpias sobre todos los sistemas indirectamente acalorados, como tubos radiantes,

rollos de vapor, y elementos eléctricos. Cualquier contaminación o ensuciamiento

pueden reducir transferencia de calor, temperaturas de superficie de aumento, y

acortar la vida de servicio de componentes de sistema de calefacción. Esta técnica

es muy aplicable a los hornos de cubilote ya que cantidades de oxido sobre las

piezas a fundir generan mas pérdidas de calor por formación de escoria y

resistencia a la transferencia de calor de los gases de combustión.

5.3 INSTALACIÓN DE AISLANTES APROPIADOS38

Instalando y manteniendo el tipo apropiado de refractarios y aislantes para hornos

pueden reducir pérdidas de calor sustancialmente. Grietas, y la erosión en el

aislamiento de las paredes pueden incrementar rápidamente la cantidad de calor

que escapa en el proceso. Cuando se trabaje con los hornos, los tipos y grosores

de refractarios y aislantes deben ser evaluados y corregidos adecuadamente.

5.4 PRECALENTAMIENTO DEL AIRE DE COMBUSTIÓN39

Los dispositivos de recuperación de calor de desecho (quemadores regeneradores

o recuperadores) colocado en la salida de gas de conducto de humos o pila de

37 Ibid., http://www.eren.doe.gov.


39 Ibid.,http://www.eren.doe.gov.

92

gases de combustión pueden extraer una gran parte de la energía térmica en

gases de escape y transferirlo al aire de combustión entrante.

5.5 PRECALENTAMIENTO DE LA CARGA40.

La transmisión de calor de los gases de escape a la carga que entra puede reducir

la energía requerida en el horno y bajar la energía que sale en los gases con los

humos.


93

6 EVALUACIÓN ENERGETICA DE LAS PYMES EN LA CIUDAD DE CALI.

Si se desea optimizar el funcionamiento de los hornos, se debe identificar las

principales fugas de calor en la operación de fundición, por lo tanto se debe

realizar una evaluación energética de los hornos de las pymes metalúrgicas de la

ciudad de Cali, para ello fue necesario hacer una búsqueda de todas las pequeñas

y medianas empresas interesadas en participar en esta investigación.

6.1 METODOLOGÍA.

Para caracterizar los hornos y determinar la eficiencia energética, se procedió

como lo recomendado por la american foundrymen’s society41 y lo recomendado

por la investigación “Metodología de diagnóstico para estimación de rendimiento

energético en pequeñas empresas metalúrgicas” llevado a cabo por los ingenieros

Carlos Roncancio, Yuri López y Sonia Gómez. Estas propuestas dan un marco de

referencia para la siguiente metodología.

• Selección de una población representativa.

• elaboración de encuestas ver anexo I.

• Contacto con las empresas: Se consulto una base de datos suministrado

por la universidad autónoma de occidente del sector PYMEs metalúrgico y

también se hizo una búsqueda por medio de la guía telefónica, donde se

tomaron los nombres de cada una y se realizo contacto con ellas a través

de correo electrónico, fax y/o teléfono, informándole los objetivos de la

41 AMERICAN FOUNDRYMEN’S SOCIETY. Op. cit., p. 864 - 882.

94

investigación y las ventajas de realizar un análisis energético en la empresa

de esta manera fue posible concretar citas para realizar la encuesta. En la

ciudad de Cali existen hasta la fecha 25 empresas metalúrgicas42, de las

cuales 9 operan hornos de crisol y cubilote, de estas, 7 decidieron cooperar

con la investigación. Lo cual representa el 77 % de las empresas.

• Evaluación energética: se realiza una visita técnica a la empresa que

consiste en la inspección visual del estado de los equipos y conservación

de la instalación, observación de los procesos, aplicación de la encuesta y

obtención de datos de consumo, costos de energéticos y de producción.

• Medición de los parámetros que determinan el buen funcionamiento de los

hornos y eficiencia energética. Estos datos se obtienen de la observación

de las operaciones de fundición y son recopilados en la hoja de datos del

anexo 2.

• Diagnóstico y entrega de resultados y recomendaciones: se analizaron los

datos de la fase anterior, se evalúa el consumo de energía, se obtienen los

valores de la eficiencia energética y se identifican estrategias de

mejoramiento tanto en el proceso como en los hornos y equipos de

alimentación de aire y energía.

6.1.1 Calculo de la población de hornos de cubilote y crisol. Para seleccionar

una muestra representativa, de la población de hornos que se van a evaluar en

esta investigación, se debe tener en cuenta que estos hornos, funden metales

diferentes y usan combustibles diferentes, por lo tanto se deben seleccionar dos

42 Dato suministrado por la cámara de comercio de Cali.

95

muestra una para los hornos de cubilote, y la otra para los hornos de crisol. Con

base a su eficiencia energética, se hallara el tamaño de la muestra, para lo cual se

usa la siguiente ecuación43

2

1

d

Zn

σ= α− 58

Donde: n : Tamaño de la muestra. σ : Desviación poblacional. d : Error máximo prefijado.

α−1Z : Valor de Z obtenido de tablas (distribución normal estándar)

6.1.1.1 Muestra poblacional de los hornos de cubilote. Para estos hornos se

estima una desviación poblacional igual a 0,5 de la eficiencia, un error máximo

prefijado igual a 0,5, con estos datos es posible hallar los valores

correspondientes para Z1-α .en la tabla del anexo 16.

1-α = 0,95

1-α/2 = 0,975 con este valor es posible hallar el valor de Z en el anexo 15.

2/1Z ε− =1,96.

Reemplazando en la ecuación 58. Se obtiene la muestra de la población.

43 NEWBOLB, Paul. estadistica para los negocios y economia.4 ed. Barcelona: Prentice Hall, 1996. p. 196.

96

570,445,0

)96,1)(5,0(n

2

≈=

=

6.1.1.2 Muestra poblacional de los hornos de crisol. Bajo los mismos

parámetros establecidos para los hornos de cubilote se obtienen los mismos

resultados.

n= 5

6.1.2 La encuesta y la información recopilada. Con esta encuesta se busca

recopilar información previa a la evaluación energética, ya que con esta se puede

hacer una idea acerca de que tan adecuadamente se están realizando las

operaciones de fundición en los hornos. Con ella se podrá caracterizar los hornos.

La estructura de la encuesta se puede ver en el anexo 1. Y con ella se busca

obtener la siguiente información.

• Capacidad de fundición de los hornos.

• Dimensiones de los hornos.

• Conocimiento del personal a cargo de la operación y de los operarios

acerca del horno.

• Conocimiento del personal a cargo de las características de los

combustibles.

• Tipos de hornos utilizados (crisol o cubilote).

• Metales que son fundidos.

• Producción.

97

6.1.3 Parámetros medidos para la operación de fundición. Con base a los

parámetros se puede establecer, que tan bien están siendo operados los hornos,

la calidad de la operación de fundición y que condiciones físicas presentes en el

entorno de la ciudad de Cali obstaculizan una óptima operación de fundición.

6.1.3.1 Materiales a fundir. Este es el parámetro más importante por que de él

dependen la cantidad de combustible que se debe usar para fundir el metal y en el

caso de los hornos de cubilote permite establecer la cantidad de pérdida de calor

por la formación de escoria a partir de los fundentes. Esta cantidad de combustible

será establecida con la masa de metal que entra al horno y con las propiedades

térmicas de los materiales que se desean fundir, como el calor específico y la

temperatura de fundición, A partir de este parámetro se podrá determinar la

eficiencia de operación del horno.

6.1.3.2 Tipo de proceso de fundición. El tipo de fundición es un parámetro a

considerar en el momento de realizar un balance energético. Este puede ser de

forma continua o por baches. En el proceso continuo se tiene un flujo de

producción medido en kg / h o Ton / h y en el otro proceso la producción se mide

por la carga fundida en cada bache, bien sea en Kg. o en toneladas

6.1.3.3 Propiedades térmicas del combustible. Con este parámetro se puede

calcular la cantidad mas adecuada de combustible necesario para fundir el metal

los combustibles con mayor poder calorífico requerirán menos cantidad y

posiblemente menor costo de operación.

98

6.1.3.4 Calidad del aire de combustión y relación aire - combustible. Este

parámetro es muy importante por que a partir del análisis elemental del

combustible, se puede establecer la cantidad de aire necesaria, para obtener una

combustión lo más óptima posible. También se debe tener en cuenta que el aire

usado en la combustión, tiene humedad la cual es fuente de pérdidas de calor. La

temperatura del aire es también un parámetro muy importante, ya que este aporta

calor cuando se halla por encima de los 0º C. Por cada 22º C que se incremente la

temperatura del aire que entra al horno su eficiencia se incrementara en un 1%44.

6.1.3.5 Temperatura del metal fundido a la salida del horno. Con esta información

se podrá saber con certeza cuanto calor suministrado por el combustible fue

aprovechado para fundir el metal.

6.1.3.6 Temperatura de la superficie exterior de las paredes del horno. Dato muy

importante para determinar las pérdidas de calor por conveccion, conducción y

radiación, causadas por las paredes del horno.

6.1.3.7 Tamaño de los trozos del metal de carga y del combustible. Trozos muy

grandes de metal se fundirán con mucha dificultad y demandara más combustible.

Trozos muy pequeños se quemarían demasiado rápido y no habría una buena

carburación del metal.

44 CASTRO MORA, Op. cit., p. 136.

99

6.1.4 Equipo de medición. Para esta investigación se usaron los siguientes

equipos de medición.

• Pirometro óptico digital.

• Anemómetro Davis análogo.

• Barómetro e higrometro digital.

• Termocupla digital.

• Flexómetro.

• Calibrador análogo.

No fue posible usar el equipo de análisis de gases, debido a que la temperatura de

salida de estos superaba el rango de trabajo de la sonda del equipo. Y por otras

razones que ya se explicaron en capítulos anteriores.

6.1.5 . Procedimiento para realizar las mediciones. Los datos fueron tomados

directamente de la fuente en un periodo de tiempo en el que se considera que la

operación del horno es estable y uniforme. Por lo tanto el horno debe primero

precalentarse operación que tarda entre 1 y 5 horas dependiendo del horno y de

su tamaño.

6.1.5.1 Previo a la operación de fundición.

• Dimensiones de la pedaceria de hierro. Se midió con el calibrador análogo.

Los trozos pequeños y los de tamaño considerable con el flexo metro.

• Dimensiones de los trozos de combustible si este es sólido. Se procedió de

la misma manera como se hizo con el metal.

100

• Temperatura de metal a la entrada del horno. Esta temperatura se tomó con

la termocupla digital, ubicándola sobre la superficie del metal de carga. Se

tomaron 5 pruebas y se promedió el valor.

• La temperatura del combustible y de los fundentes se tomo de igual manera

que la del metal.

• Temperatura del aire. Esta fue tomada del barómetro digital. El cual se

ubico a una distancia no mayor a 5 metros del horno.

• Humedad relativa del aire este dato fue tomado de igual manera que el de

la temperatura del aire.

• Presión atmosférica. Esta es tomada directamente del barómetro digital.

6.1.5.2 Durante la operación de fundición.

• Flujo volumétrico de aire. Este dato fue medido con el anemómetro Davis.

El cual se ubica en la entrada de aire al ventilador del horno se deja alli, por

un minuto y se obtiene el flujo durante ese tiempo.

• Flujo másico de combustible. Este dato es suministrado por el personal de

la empresa, que son los encargados de la operación de fundición. En los

casos en los que esta fuente no sabe con exactitud cual es. Se debe

determinar dependiendo del estado del combustible. Si es solidó se pesa la

cantidad de combustible contenida en el recipiente con el que usualmente

101

se suministra el combustible al interior del horno y se multiplica, por el

número de veces, que se introdujo esta cantidad en el tiempo que dure la

operación de fundición, si esta es inferior a 1 hora. Si la operación tarda

mas tiempo se debe multiplicar por la cantidad de veces que se introdujo la

medida de combustible durante 1 hora. Si el estado del combustible es

líquido, se debe medir el nivel de combustible contenido en el recipiente

antes y después de operación de fundición, a continuación se halla el

volumen de las dos mediciones y con la densidad se puede obtener la

masa que se suministró al horno durante una hora de trabajo o por el

tiempo que llevó hacer la operación de fundición. lo que ocurra primero.

• Flujo másico de metal a fundir. Al igual que el anterior este dato es

suministrado por los operarios. Es muy difícil que el personal a cargo de la

operación del horno no sepa con exactitud la masa de metal que se desea

fundir pero si esto llegase a suceder se procede con el metal de igual

manera como se cálculo el flujo de combustible, en el caso de estado

sólido.

• Flujo másico de fundente. En el caso del cubilote el flujo másico del

fundente por lo general es la caliza y específicamente en la ciudad de Cali

la pymes evaluadas solo usan caliza como fundente, la cual se suministra

entre un 4 y 6 % del peso del metal.

• Temperatura del hierro fundido. Este es tomado de igual manera que la

temperatura de la escoria. La medición de este dato debe hacerse

directamente de la piquera.

102

• Temperatura de la superficie exterior de la pared del horno. Esta es tomada

con la termocupla en diferentes puntos de la pared en esta investigación se

tomaron 3 puntos.

• Temperatura de la escoria. Este dato es tomado con el pirómetro óptico. La

temperatura debe tomarse a la distancia recomendada por el catálogo del

dispositivo de medición; en este caso es de 1 m. y debe hacerse a la

escoria que fluye a través del agujero de escoriado para tener la

temperatura mas precisa de este producto.

• Temperatura de los gases de combustión. Este dato debe ser medido con

el dispositivo para analizar gases. Pero debido a las dificultades

presentadas por este se debió tomar con el pirometro óptico apuntando

hacia la superficie interior de la pared del horno. Esta temperatura debe ser

tomada justo en el lugar en el que los gases han dejado la zona de fusión

del horno. En el horno de cubilote el sitio más adecuado es en la puerta de

carga de los materiales de fundición. En el caso del crisol es en agujero por

donde los humos abandonan el hogar del crisol y se dirigen hacia la

chimenea (si la tiene).

6.1.5.3 Después de la operación. Después de la operación se debe tener en

cuenta las condiciones en las que el horno quedó, en especial el horno de cubilote

debido a que este sufre desgaste del revestimiento.

En el metal fundido y en los demás productos de la fundición en el horno de

cubilote se debe cuantificar, los siguientes parámetros.

103

• Porcentaje de CaCO en la escoria

• Porcentaje de C en el hierro (carburación)

• Porcentaje de C en las cenizas.

En el horno de crisol se debe tener en cuenta

• Depósitos de hollín en la boquilla del quemador.

• Depósitos de hollín en las paredes interiores del horno.

• Estado del crisol (fracturas o grietas).

6.2 CARACTERIZACION DE LOS HORNOS

6.2.1 . Hornos de cubilote. Los hornos evaluados fueron los pertenecientes a

empresas del sector metalúrgico de Cali, por razones de ética con las personas

que colaboraron con esta investigación no se mencionaran los nombres de los

lugares donde trabajan y operan estos hornos. Por lo cual a cada empresa se le

ha asignado una letra y al horno un código que representa el tipo de horno, la

empresa a la que pertenece y el número que ocupa en la empresa si hay más de

uno.

104

Tabla 5. Hornos de cubilote dimensionamiento.

Planta Código diámetro diámetro tw altura altura

horno interior m exterior m Acero

m

efectiva

teórica m

efectiva real

m

A CA1 0.6 0,98 0,01 3,6 3,95

B CB1 1,168 1,628 0,01 7 6,50

B CB2 0,635 1,012 0,01 3,79 2,5

C CC1 0,60 0,925 0,01 3,0 3,6

D CD1 0,5 0,96 0,01 3,0 2,8

Tabla 6. Hornos de cubilote por material de revestimiento.

Planta Código Tipo material material Material diseñadores

horno revestimiento refractario aislante coraza

A CA1 Acido Sílice Sílice Acero CDP

B CB1 Acido Sílice Sílice Acero CDP

B CB2 Acido Sílice Sílice Acero CDP

C CC1 Acido Sílice Sílice Acero CDP

D CD1 Acido Sílice Sílice Acero Experiencia.

105

Tabla 7. Hornos de cubilote sistemas de operación.

Planta Código control de control de flujo alimentación

horno flujo de aire combustible carga

A CA1 no usa operarios operarios

B CB1 análogo operarios operarios

B CB2 no usa operarios operarios

C CC1 no usa operarios operarios

D CD1 análogo operarios operarios

Tabla 8. Hornos de cubilote metal de fundición y combustible usado.

Planta Código metal combustible

horno de fundición

A CA1 hierro gris coque 76% C

B CB1 hierro gris coque 76% C

B CB2 hierro gris coque 76% C

C CC1 hierro gris coque 76% C

D CD1 hierro gris coque 76% C

Tabla 9. Hornos de cubilote. Técnicas de operación.

Planta Código precalentar precalentar precalentar limpiar

horno aire combustible metal metal

A CA1 no no * no

B CB1 no no * no

B CB2 no no * no

C CC1 no no * no

D CD1 no no * no

106

*El horno de cubilote precalienta el metal a medida que este va descendiendo por

el horno hasta llegar a la zona de fusión.

Tabla 10. Hornos de cubilote. Sistema de inyección de aire.

Planta Código número hilera

horno de toberas de toberas

A CA1 4 1

B CB1 4 1

B CB2 3 1

C CC1 3 1

D CD1 3 1

Tabla 11. Hornos de cubilote. Capacidad de producción.

Planta Código capacidad de

horno producción Kg. / h.

A CA1 870

B CB1 2200

B CB2 900

C CC1 790

D CD1 800

107

6.2.2 . Caracterización de los hornos de crisol. Al igual como se caracterizó los

hornos de cubilote, a las empresas se les asigna una letra y al horno un código

que representa el tipo de horno, la empresa a la que pertenece y el número que

ocupa en la empresa si hay mas de uno.

Tabla 12. Hornos de Crisol. Dimensiones.

Planta Código diámetro diámetro Grosor altura

horno interior m exterior m tapa

C CRC1 1.164 1,52 0,13 1,15

D CRD1 0,5 0,90 0,85 1

E CRE1 0,65 1,05 0,11 1,1

F CRF1 0,45 0,85 0,11 0,95

F CRF2 0,7 1,10 0,95 0

Tabla 13. Hornos de crisol. Tecnología para la operación.

Planta Código control de control de flujo alimentación

horno flujo de aire Combustible carga

C CRC1 análogo Análogo operarios

D CRD1 análogo Análogo operarios

E CRE1 análogo Análogo operarios

F CRF1 análogo Análogo operarios

F CRF2 análogo Análogo Operarios

108

Tabla 14. Tipo de crisol, metal de fundición y combustible usado.

Planta Código Tipo metal combustible

horno crisol de fundición

C CRC1 Fijo Manganeso aceite usado

D CRD1 Fijo Bronce aceite usado

E CRE1 Basculante Bronce coque 76% C

F CRF1 Fijo Aluminio aceite usado

F CRF2 foso bronce y cobre aceite usado

Tabla 15. Hornos de crisol. Técnicas de operación.

Planta Código precalentar precalentar precalentar limpiar

Horno aire combustible metal metal

C CRC1 no no no no

D CRD1 no no no no

E CRE1 no no no no

F CRF1 no no no no

F CRF2 no no no No

Tabla 16. Hornos de crisol materiales de construcción.

Planta Código material material Material diseñadores

Horno refractario tapa recubrimiento

C CRC1 sílice Silicato Cemento CDP

D CRD1 sílice Silicato Cemento CDP

E CRE1 sílice Silicato Acero CDP

F CRF1 sílice Silicato Barro CDP

F CRF2 sílice Silicato Tierra CDP

109

Tabla 17. Hornos de crisol. Capacidad de fundición.

Planta Código capacidad de

horno producción Kg. / h.

C CRC1 300

D CRD1 100

E CRE1 300

F CRF1 100

F CRF2 350

Tabla 18. Hornos de crisol. Número y tipo de quemadores.

Planta Código número de tipo de tipo

horno quemadores quemador horno

D CRD1 1 ventilador y boquilla Fijo

E CRE1 1 ventilador y boquilla Fijo

F CRF1 no posee soplador Fijo

G CRG1 1 ventilador y boquilla Fijo

G CRG2 1 ventilador y boquilla Foso

6.2.3 . Balance térmico y cálculo de eficiencia. Con los datos recopilados en la

encuesta, y los de la hoja de datos de la operación se puede proceder a calcular la

eficiencia del horno y encontrar cuales son las principales fuentes que promueven

las pérdidas de calor. Para lo cual es necesario hacer un balance de energía.

110

6.2.3.1 Evaluación energética en la empresa A. La empresa A opera un horno de

cubilote al cual se ha denominado CA1.

Datos de entrada

Tabla 19 Dimensiones del horno CA1

Dimensiones del horno m

Diámetro exterior 0,98

Diámetro interior 0,60

altura del crisol 0,16

altura zona arriba de las toberas 1,53

altura zona de fusión 0,54

altura zona precalentamiento 1,93

Tabla 20. Datos del aire, horno CA1,

Condiciones atmosféricas

presión atmosférica 26,67 (InHg) 0,9030 bar

humedad relativa del aire 44 % 0,44

presión del agua 0,05324 bar

Ru aire 0,08314 bar.m3 / Kgmol,K

111

Tabla 21. Temperaturas durante la operación, horno CA1.

Temperaturas ºC ºF K

Temp. de las superficies alrededor 44 111,2 317

Temperatura de los gases de salida 520 968 793

Temperatura del aire de combustión. 34 93,2 307

Temperatura del combustible 34 93,2 307

Temperatura de la escoria 1280 2336 1553

Temperatura del fundente 34 93,2 307

Temperatura de la carga 34 93,2 307

Temperatura del metal fundido 1348 2458,4 1621

Tabla 22 Temperaturas de la superficie del la coraza

superficie de la coraza ºC ºF K

Zona del crisol 210 410 483

zona arriba de las toberas 230 446 503

zona de fusión 185 365 458

zona precalentamiento 95 203 368

condiciones de la coraza metálica ligeramente oxidada

112

Tabla 23. Datos de flujos de carga a la entrada del horno CA1

Flujo de materiales al horno

Aire ventilador 836,65 Kg. / h

Aire teórico 1383,0 Kg. / h

exceso de aire -65,3 %

Hierro 870 Kg. / h

Coque 121,8 Kg. / h

caliza 34,80 Kg. / h

% CaCO3 en la caliza 97.5% 33,81 Kg. / h

% CaO en la escoria 25 %

Masa de C que se carburiso en Fe. 0,006 Kg. / h

6.2.3.2 Cálculo de pérdidas de calor y eficiencia energética empresa A.

La empresa A opera un horno de cubilote al que se denomina horno CA1.

Para este horno se realiza el procedimiento completo de cálculo de pérdidas y

eficiencia para los demás hornos se mostrara solo los resultados.

6.2.3.2.1 Pérdidas por humedad que entra al horno.

a. Humedad presente en el combustible.

De la tabla 2 se tiene que el porcentaje de humedad del coque es 1.97 %.

De la tabla 23

113

Flujo másico de combustible = mCOM = 121,8 Kg. / h.

Flujo másico de H2O = mH2OC = mCOM * 1,97 / 100

mH2OC= 2,39 Kg. / h. = 5,28 Lb / h.

Como la temperatura de los gases de escape es superior a 575 ºF se hace uso de

la ecuación 37.

( )

kW 59,0h

Btu1997,32Q

F93,2ºF)º 0,5(9411089h

Lb5,28Q

H20C

H20C

==

−+=

b. Pérdidas por humedad presente en el aire de combustión.

De los datos de la tabla 20 se tiene que.

La presión de saturación Pg a 34 ºC es 0.05324 bares Anexo 6

De la ecuación 15 se tiene.

Pv = ϕ Pg = 0.44*0.05324 bares

Pv = 0,02343 bares.

De la ecuación 16 se obtiene la relación de humedad.

114

ω = .0,622es0,02343barbares 0,9030

bares 0,02343−

ω = 0,01656 Kg.H2O / Kg. Aire.

Ahora se calcula el volumen de aire seco que entra en el horno. Haciendo uso de

la ecuación 17.

secoKg.airem

es0.02343bars0.9030bareK 307

.Kgmol

Kg29

K.Kgmolmbar.

0.08314

ν3

3

AIRESECO−

=

secoKg.airem

998.0ν3

aireseco=

En estas condiciones hay 1.001 Kg. de aire seco por cada m3 de aire que entra al

horno. Por lo tanto el flujo total de aire seco al horno es:

De la tabla 23.

Flujo volumétrico de aire 836 m3 / h.

h

Kg836,67m

)h

m)(641,1

m

Kg(1,001m

AIRESECOAIRESECO

3

3AIRESECO

AIRESECO

=

=

115

Flujo másico de humedad presente en el aire que entra al horno es calculado con

la ecuación18.

mH2OAire = (836, 67 Kgaireseco / h) (0, 01656 Kg.H2O / Kg. Aire)

mH2OAire = 13.88 Kg.H2O / h

Ahora se calcula la cantidad de calor perdido por la humedad presente en el aire.

Para lo cual se hará con la ecuación 38, ya que la temperatura de salida de los

gases es mayor a 575ºF.

( ) ( )F93,2ºF)0,50(941º1066Kg

Lb2,28,93KgQ H2OH20A −+

=

kW. 8,311h

BTU28355QH20A ==

6.2.3.2.2 Pérdidas por combustión de hidrógeno presente en el combustible.

De la tabla 2 se tiene que el porcentaje de hidrógeno en coque es 4.84%.

Con la ecuación 43 se tiene que:

( )

LcombBTU

634,58Q

Fº93,2F)º(9680,5010661004.84

9Q

H

H

=

−+

=

116

kW 49,84h

BTU170042,61Q

KgcomLb2,2

hKgcom

121,8LcombBTU

634,58Q

h. /Kg. 121,8 m ecombustibl de masico Flujo

H

H

COM

==

=

==

6.2.3.2.3 Pérdidas por fundición de caliza y transformación a escoria. De la tabla

23 se tiene que entran al horno 34.8 Kg. / h de fundente y la escoria resultante,

tiene un 25 % de CaCO.

Para calcular pérdidas por escoriado se debe primero calcular la masa de escoria

que se esta formando. Para ello se hace uso de las ecuaciones 46, 47, 48, 49, 50.

De la ecuación 47 se obtiene la masa de CaCO3 que entra al horno.

3CaCOCAL

CaCO3 .Kg8,33100

97,15.

h.Kg

8,34m ==

Con la ecuación 48 se calcula el número de moles de CaO formados en el interior

del cubilote.

CaOCaCO3

CaO .moles338,0100

Kg 33,8moles ==

117

De la ecuación 49 se obtiene el peso de CaO en la escoria. se obtiene el peso

molar del CaO.

WmolCAO=56,1Kg. / molesCaO

)mol

Kg. )(56,1(0,338molW

CaO

CaOCaOescoria =

Wescoria = 18,96 Kg.CaO

De la ecuación 50 se obtiene la masa de escoria formada. De la tabla 23 se tiene

que el porcentaje de CaO en la escoria es del 25 %.

.escoriaCaO

escoria Kg84,75

10025

18,96Kgm ==

Finalmente con este dato se puede calcular el calor perdido por escoriado. Con la

ecuación 46 y los datos de temperatura de la tabla 23. El calor específico de la

escoria se obtiene de la tabla del anexo 7.

( ) Kcal04,27520Cº 34Cº 1280)C.ºKg

Kcal2562,0()Kg. 75,84(Q

escoriaescoriaescoria =−=

Qescoria = 32,01 kW.

118

6.2.3.2.4 Pérdidas por carburación del hierro. De la tabla 23, se obtiene la masa

de C de carburación del hierro. Relación Fe – C. es 0,006 (Dato suministrado por

la empresa.).

Con la ecuación 43 se calcula la masa de carbono que empleo el hierro para la

carburación.

mcarburacion = (0,006)(870 Kg. / h) = 5,22 Kgcomb.

Con la ecuación 43 se puede calcular las pérdidas por carburación del metal. Para

el carbono el poder calorífico superior es de 33620CKg

kJ.

kW75,48KJ4,175496)Kg

KJ33620()Kg22,5(Q

combCOMBnCarburacio ===

6.2.3.2.5 . Pérdidas por transferencia de calor. Este cálculo se hace necesario

en esta investigación por dos razones, una de ellas es, evaluar que parte de las

pérdidas de energía aportan las paredes en la eficiencia de operación del horno.

Por otro lado al no tener disponible el equipo adecuado, para la mediciones

necesarias (% CO, % CO2, % O, % NOx, % SOX, temperatura) a los humos que

escapan por la chimenea. Se hace necesario calcular estas pérdidas para estimar,

por medio de balance de energía, el calor que se pierde con los gases de

combustión.

119

Para este cálculo se debería empleará, la ecuación 50, pero como no se conocen

las condiciones reales de combustión en la zona de oxidación del horno, se debe

hacer una aproximación usando las ecuaciones 28 y 30. Para lo cual se hace

necesario conocer, las propiedades térmicas de los materiales, que componen la

superficie exterior de las paredes del horno, las paredes que los rodean y las

propiedades del aire en las condiciones de operación. La temperatura de la

superficie exterior de la coraza no es uniforme a medida que el calor aportado por

las reacciones exotérmicas del combustible con el aire asciende por las diferentes

zonas del horno va perdiendo energía por lo tanto el calor transferido del interior

del cubilote hacia el exterior no es el mismo por lo que resulta en temperaturas

exteriores diferentes en la superficie de la coraza.

Para calcular las pérdidas por transferencia de calor se recurrió a la figura 6. en la

que aparecen representadas todas las zonas de operación y reacción del cubilote.

De las cuales solo es posible medir directamente 4 las cuales son:

� Altura del crisol.

� Altura de las toberas

� Altura zona de fusión.

� Zona de precalentamiento

La zona de oxidación corresponde a la altura de las toberas y la zona de reducción

no es posible medirla directamente debido a que la temperatura registrada por

esta zona y la de zona de fusión es prácticamente la misma por lo tanto se la tomó

como si fuese una.

Los materiales con los que están, construidos los hornos esta disponible, en la

tabla 7.

120

a. Pérdidas de calor por radiación de la coraza. Ecuación 29.

De la tabla 6, horno CA1

� Diámetro exterior superficie zona crisol = Dextc = 0,96 m

� Diámetro exterior hasta la coraza de acero Dcor = Dext + 0,02 m

� Dcor = 0,98 m

� altura crisol = LC = 0,16 m

� altura Toberas = LTob = 1,53 m

� altura zona fusión = LFus = 0,54 m

� altura zona de precalentamiento = Lpre = 1,93 m

De la tabla 7 horno CA1

Propiedades para el acero se emplea la tabla del anexo 4.

� Emisividad del acero ligeramente oxidado ε = 0,6

De la tabla 22.

� Temperatura zona crisol = TCCR = 483 K.

� Temperatura arriba de las toberas = TTB = 503 K.

121

� Temperatura zona de fusión = TFU = 458 K

� Temperatura zona de la puerta de carga = TPU = 368 K.

De la tabla 21.

� Temperatura de las paredes que rodean al horno =Tpared = 317 K.

Área de las superficies de transferencia.

� Área zona crisol = ACCR = 2ccor m49,0LD =π .

� Área arriba de las toberas = ATB = 2TOBcor m61,4LD =π

� Área zona de fusión = AFU = 2Fuscor m64,1LD =π

� Área zona de precalentamiento = APU = 2precor m67,5LD =π

Cálculo de las pérdidas de las zonas.

−= 4)K317(4)K483()(0,06)(0,7)

Km

W(5,67.10m49,0Q

428-2

Rcrisol

Kw60,0QRcrisol =

122

−= 4)K317(4)K503((0,6)(0,7))

Km

W(5,67.10m61,4Q

428-2

RTOBERAS

Kw71,6QRTOBERAS =

−= 4)K317(4)K458((0,6)(0,7))

Km

W(5,67.10m64,1Q

428-2

RFUSION

Kw61,1QRFUSION =

−= 4)K317(4)K368((0,6)(0,7))

Km

W(5,67.10m82,5Q

428-2

RPRE

kW14,2QRPRE =

Total pérdidas por radiación

QRTotal = Qcrisol + QROBERAS + QRFUSION + QRpre

QRTotal = 11,05 Kw.

b. Pérdidas de calor por conveccion de la coraza.

Para calcular las pérdidas de calor por conveccion de la coraza se usa la ecuación

53.

Datos de temperaturas de aire. Tabla 21.

123

� Tamb = 307 K.

I. Cálculo de pérdida de calor para la coraza a la altura del crisol.

Cálculo de coeficiente convectivo del aire hc.

� Propiedades del aire a la 307 K anexo 5.

� Km

W0,0269K aire =

� Pr = 0,69

� s

m10x67,15

26−=ν

Ahora se calcula ULN con la ecuación 54 o 55 dependiendo del valor de RaL.

Ψ Con la ecuación 55.

343,0

916

169

69,0492,0

1 =Ψ⇒

−

+=Ψ Adimensional.

RaL con las ecuaciones 56 y 57.

124

K1

10x53,2

2K307K483

1 3−=+

=β

( )( ) ( )( )( )69,0

sm

10x67,15

m16,0s

m81,9K176K10x53,2

Ra22

6

3

213

L

=−

−−

7L 10x22,5Ra = Adimensional.

Como 9L 10Ra ≤ entonces para calcular ULN se usa la ecuación 63.

2,44NUL = Adimensional.

Reemplazando estos valores en la ecuación 53 se obtiene el valor del coeficiente

de transferencia de calor por conveccion.

Km

W35,7h2,44

m 0,16Km

W0,0269

h2CAIRECAIRE =⇒

=

Con esta respuesta es posible conocer la magnitud de la pérdida de calor en la

coraza a la altura del crisol. Con la ecuación 34.

)K307(483K.0,49mKm

W7,35Q 2

2Ccrisol −=

125

wK634,0Q CCrisol =

II. Cálculo de pérdida de calor para la coraza arriba de las toberas.

Las propiedades del aire son las mismas para todos los cálculos de conveccion

Se calcula ULN .

Ψ =0,343 Adimensional.

K1

10x47,2

2K307K503

1 3−=+

=β

( )( ) ( )( )( )69,0

sm

10x67,15

m53,1s

m81,9K196K10x47,2

Ra22

6

3

213

L

=−

−−


Como 9L 10Ra > entonces para calcular ULN se usa la ecuación 52


126

Km

W66,6h3,381

m 1,53Km

W0,0269

h2CAIRETOBAIRE =⇒

=

)K307(503K.4,61mKm

W6,66Q 2

2CTOB −=

wK02,6Q CTOB =

III. Cálculo de pérdida de calor para la coraza en la zona de fusión.


Se calcula ULN .


K1

10x61,.2

2K307K458

1 3−=+

=β

( )( ) ( )( )69,0

sm

10x67,15

m54,0sm

81,9K151K10x61,2Ra

226

3

213

L

=−

−−

127


Como LRa es ligeramente mayor a 109 entonces es posible usar la ecuación 64

para calcular ULN .


Km

W35,6h4,128

m 0,54Km

W0,0269

h2CAIRECFUS =⇒

=

)K307(458K.4,61mKm

W6,35Q 2

2CFUS −=

wK57,1Q CFUS =

IV. Cálculo de pérdida de calor de la coraza en la zona de precalentamiento.


Se calcula ULN .


128

K1

10x96,.2

2K307K368

1 3−=+

=β

( )( ) ( )( )69,0

sm

10x67,15

m93,1sm

81,9K61K10x96,2Ra

226

3

213

L

=−

−−


Como 9L 10Ra > entonces para calcular ULN se usa la ecuación 64.


KmW

84,4h4,128m 1,93

KmW

0,0269h 2CAIRECAIRE =⇒

=

)K307(368K.5,82mKm

W4,84Q 2

2CPRE −=

wK72,1Q CPRE =

Total pérdidas por conveccion de la coraza.

QCCTotal = QCCRISOL + QCTOB + QCFU + QCPRE

129

QCCTotal = 9,94 Kw.

Total pérdidas por transferencia de calor, por de conveccion y radiación de la

coraza.

QTTC = QRTotal + QCCTotal

QTTC = 20,99 Kw.

6.2.3.2.6 Pérdidas de calor en los gases de combustión. Como ya se menciono,

no hubo manera de cuantificar directamente las pérdidas de calor en los humos,

debidos principalmente a la ausencia de equipos adecuados en la ciudad de Cali

para tales mediciones. Así que se decidió hacer este cálculo por balance de

energías.

Como se conocen la magnitud de las pérdidas, el calor empleado para fundir el

metal. El calor aportado por el combustible se puede establecer fácilmente, la

única perdida no establecida es la perdida de calor en los humos asi que se hace

la diferencia entre el calor aportado por el combustible y el calor extraído del

horno, obteniendo así la magnitud de las perdidas en los humos.

PERDIDASMETALCOMHUMOS QQQQ −−= 59

NCARBURACIOESCORIAHOA2HOC2HPERDIDAS QQQQQQ ++++= 60

wK648QPERDIDAS =

130

=METALQ Como en la ecuación 32 y anexo 7.

( )Cº34Cº1348CºKg

kcal1619,0

hKg

870QMETAL −

=

Kw25,215h

Kcal84,185080QMETAL ==

De la tabla 1 se tiene el poder calorífico del coque y de la tabla 23 se obtiene el

flujo masico de combustible.

wK86,863h

KJ4,3109919

hKg

8,121KgKJ

25533QCOM ==

=

wK62,648Kw25,215wK86,863QHUMOS −−=

Kw38,483QHUMOS =

Al observar estos resultados es evidente, que las pérdidas de calor en los humos,

son las que llevan la mayor parte de la energía suministrada por el combustible,

pero se debe tener en cuenta que no se estimaron las pérdidas de calor por

incombustion de carbono, que escapa en los humos en forma de CO (monóxido

de carbono), el que queda en las cenizas y en la escoria.

Para cuantificar la cantidad de energía pérdida por estos factores se debe hacer

un balance de energía, entre el calor que sale en los humos QHUMOS calculado con

la ecuación 59 y el calor teórico que puede ser calculado con la masa de humos

131

teórica formada en la combustión y multiplicando este valor por el calor específico

de estos humos a la temperatura de salida del horno.

( )AIREHUMOSPHUMOSHRTHUMOS TTCpmQ −= 61

Donde:

QTHUMOS: Calor de los humos, teórico.

CpPHUMOS: calor específico promedio de los humos.

TAIRE: temperatura del aire a la entrada del horno.

THUMOS: temperatura de los gases de escape en la chimenea.

El aire mínimo se calcula de 6 y 7. De la tabla 2 se tiene el análisis elemental del

combustible.

Omin = 0459,00081,0)0484,0(87635,01232 −++

ECOMBUSTIBL

OXIGENOmin Kg

Kg38,2O =

Aire mínimo por kilogramo de combustible. Ecuación 7.

132

ECOMBUSTIBL

AIREMINCOM Kg

Kg35,11)47,2(76,4A ==

De la tabla 23 flujo de combustible 121,8 Kg.combustible / h

h

Kg43,1382A minT

minT =

De la tabla 23 se tiene el flujo de aire real.

h

Kg65,836A AR

REAL =

El exceso de aire se obtiene de la ecuación 8.

66,0

h

Kg65,836

h

Kg43,1382

1AIRE

AIRE

−=α⇒−=α

Esto significa que el horno tiene un déficit de aire en una proporción del 66%

Cálculo de la masa de humos teórica. Ecuación 11.

0163,00197,035,1110079

)81,0(2)0484,0(97635,01244

mHUMOS +++++=

ECOMBUSTIBL

HUMOHUMOS Kg

Kg26,12m =

133

Masa de gases con aire por kilogramo de combustible real. Ecuación 12.

( )66,0Kg

Kg26,12

Kg

Kg26,12m

ECOMBUSTIBL

HUMO

ECOMBUSTIBL

HUMOHUMOSREAL −

+=

ECOMBUSTIBL

HUMOHUMOSREAL Kg

Kg17,4m =

De la tabla 23 se tiene el flujo de combustible.

=

h

Kg8,121

Kg

Kg17,4m ECOMBUSTIBL

ECOMBUSTIBL

HUMOHR

h

Kg90,507m HUMO

HR =

Ahora se calcula el calor específico de los humos, CpPHUMOS. Con los datos del

anexo 11, se calcula el calor específico para el H2O y para SO2. Los calores

específicos para los demás componentes del humo, se determinan con los datos

de la Anexo 12.

2O2N2SO2O2H22CO2HUMOSp OCp%NCp%CpSO%OCpH%CpCO%Cp ++++=

134

Participación porcentual estequiométrica del peso de los componentes en los

humos. Esta es cociente entre el peso molar

%CO2 = %963,15m

C%

1244

RH

ecombustibl =

%H2O =( )( )

%596,2m

100mm*9

RH

OCOMB2HHCOMB =+

%SO2 = %092,0m

)100(m2

RH

SCOMB =

%N2 = ( )( ) %893,76m100

mm798,0RH

NCOMBRH =+

%O2 = ( )( ) %455,41100N%SO%OH%CO% 2222 =−−+++

KKgKJ

192,1CpHUMOSp =

( )K496KKg

KJ192,1

h

Kg2,1493Q

HUMO

HUMOTHUMOS

=

135

wK21,129h

KJ40,465173QTHUMOS ==

Las pérdidas de calor no estimadas son entonces la diferencia entre el calor

calculado en los humos por balance QHUMOS, y el calor calculado por

estequiometria QTHUMOS.

THUMOSHUMOSNOEST QQQ −=

Kw17,354Kw21,129wK38,483QNOEST =−=

Por lo tanto las pérdidas de calor en los humos están en su mayoría

representadas por la incombustion de C, además con el alto déficit de aire, la

acumulación de combustible en cenizas debe ser bastante apreciable. Además

aunque en pocas proporciones, también están involucradas las pérdidas por

conducción, conveccion y radiación que no se calcularon.

6.2.3.2.7 Cálculo de la eficiencia de fusión del horno CA1.

100kW11,815kW25,215

100QQ

kW25,215100

QQ

NCARBURACIOCOMNETOCOM

METALFUSION =

−==η

%40,26FUSION =η .

136

Tabla 24. Resultados para la evaluación energética del horno CA1

Fuente de pérdida Kw.

Humedad combustible. 0,61

combustión Hidrógeno 49,84

Gases de escape 130,42

transferencia de calor paredes 21,00

humedad del aire 13,38

Formación escoria 32,01

carburación Hierro 48,75

Pérdidas no estimadas 354,17

Eficiencia de fundición 26,40%

6.2.3.3 Cálculo de pérdidas de calor y eficiencia energética. Empresa B. Esta

empresa posee dos hornos de cubilote los cuales fueron codificados como CB1 y

CB2.

Para simplificar trabajo y espacio, en este informe, se realizaron los cálculos

correspondientes a las pérdidas de calor y eficiencia, para los demás hornos de

cubilote, de igual manera como se hizo para CA1, pero en los demás casos se uso

la ayuda de una hoja de cálculo y solo se mostraran las variables de entrada y los

resultados.

137

6.2.3.3.1 Evaluación energética Horno CB1

Tabla 25 Dimensiones horno CB1.

Tabla 26. Datos temperaturas de operación horno CB1.

















138

Tabla 27. Temperaturas de la coraza CB1


crisol 226 438,8 499

zona arriba de las toberas 241 465,8 514

zona de fusión 198 388,4 471

zona cercana a la puerta de carga 98 208,4 371

condiciones de la coraza metálica ligeramente oxidada

Tabla 28. Datos del aire de combustión, horno CB1



humedad relativa del aire 43% 0,43

presión del agua 0,03782bar


Tabla 29. Datos de flujo de carga a la entrada del horno CB1




exceso de aire 43,1 %

Hierro 2200 Kg. / h

Coque 308 Kg. / h




139

Tabla 30.Resultados de la evaluación energética al horno CB1











6.2.3.3.2 Evaluación energética Horno CB2

Datos de entrada horno CB2.

Tabla 31.Dimensiones del horno. CB2








140

Tabla 32. Tabla de temperaturas de operación del horno CB2




Temperatura del aire de combustión. 30 86 303

Temperatura del combustible 30 86 303


Temperatura del fundente 30 86 303



Tabla 33. Temperatura de operación de la coraza del horno CB2


Crisol 223 433,4 496




condiciones de la coraza metálica Fuertemente oxidada

Tabla 34. Condiciones atmosféricas del horno CB2






141

Tabla 35. Flujo material de carga al interior del horno CB2





Hierro 900 Kg. / h

Coque 126 Kg. / h

Caliza 45,00 Kg. / h



Resultados de la operación horno CB2.

Tabla 36. Magnitud de las pérdidas y eficiencia de fusión horno CB2.











142

6.2.3.4 Cálculo de pérdidas de calor y eficiencia energética. Empresa C. Esta

empresa opera un horno de crisol CRC1 y uno de cubilote CC1.

• Datos de entrada horno de cubilote CC1

Tabla 37. Dimensiones del horno CC1








Tabla 38. Temperaturas de operación del horno CC1.


Temp. de las superficies alrededor 40 104 313




Temperatura de la escoria 1224 2235,2 1497




143

Tabla 39. Temperaturas de operación horno CC1.


Crisol 215 419 488




condiciones de la coraza metálica completamente oxidada

Tabla 40. Condiciones atmosféricas del horno CC1.






Tabla 41. Flujo material de carga al interior del horno CC1.




exceso de aire -23,2 %

Hierro 500 Kg. / h

Coque 70 Kg. / h


% CaCO3 en la caliza 97.5% 29.15 Kg. / h

Masa de C que se carburiso en Fe. 3 Kg. / h

144

Tabla 42.magnitud de las pérdidas y eficiencia de fusión horno CC1.











Para evaluar las pérdidas de calor y la eficiencia de fusión, en los hornos de crisol,

se procede de igual manera, como se calcularon las pérdidas en los hornos de

cubilote, excepto que en los hornos de crisol el metal no gana ni pierde carbono en

su estructura molecular por lo tanto no hay pérdidas de calor por carburación.

Tampoco forman escoria ya que en su interior no se generan reacciones químicas

estructurales del metal, no hay necesidad de agregar fundentes, en ocasiones se

hace para recoger algunas impurezas del metal pero, no se hace generalmente y

si se hace es hecho con muy pocas cantidades. Respecto a las pérdidas por

conveccion y radiación de las paredes del horno no hay necesidad de dividir la

superficie en sectores como se hizo con los hornos de cubilote, debido a que la

altura de la pared de este tipo de horno es pequeña y la temperatura superficial es

uniforme. También debe tenerse en cuenta las pérdidas de calor por la tapa del

horno.

145

• Horno de crisol CRC1

Cálculo de calor de la tapa del horno. (solo se calcula para este horno que si la

usa los demás no hacen uso de estas tapas).

Datos de la tabla 14.

Diámetro de la tapa igual al diámetro exterior del horno.

Dtapa = 1,05 m

Datos del anexo 5.

Taire = 305 K.

TSup = 571 K

Propiedades del aire a la temperatura indicada.

k = 0.0271

v= 18,65 x 10-6

Pr = 0.69

RaL = 1,37 x 1010

Como RaL es mayor a 2 x 10 7 entonces se aplica la ecuación 68.

68,184NUL =

146

Km

W77,468,184

m05.1Km

W0271.0

h2c ==

( )K305K571Km

W77,4m87,0Q 2

2TAPA −

=

wK103,1QTAPA =

El combustible usado para la mayoría de los hornos de crisol que se evaluaron en

esta investigación es el aceite quemado de vehiculo. Para calcular el aire teórico

se procede de igual manera como se hizo para el carbón coque.

El aire mínimo se calcula de 11 y 12. De la tabla 4 se tiene el análisis elemental

del combustible.

Omin = 001,00281,0)1128,0(88503,01232 −++

ECOMBUSTIBL

OXIGENOmin Kg

Kg20,3O =

Aire mínimo por kilogramo de combustible. Ecuación 11

ECOMBUSTIBL

AIREMINCOM Kg

Kg23,15)20,3(76,4A ==

147

La masa de humos real se halla igual como se cálculo para el coque. Los demás

cálculos de los hornos de crisol igual como se cálculo para CA1.

Tabla 43. Dimensiones de operación del horno CRC1




Diámetro tapa 1,168


Tabla 44. Temperaturas de operación del horno CRC1







Temperatura del metal fundido 1320 2408 1593

Tabla 45. Temperaturas de operación de las superficies del horno CRC1

superficies del horno ºC ºF K

crisol 287 548,6 560

tapa del crisol 287 548,6 560

148

Tabla 46 condiciones atmosféricas de operación del horno CRC1


presión atmosférica 29,55 (InHg) 1,0006 Bar


presión del agua 0,03782 Bar


Tabla 47. Flujo material al interior del horno CRC1





metal Mn 62,5 Kg. / h

combustible 27,76 Kg. / h

Tabla 48. Magnitud de las perdías y eficiencia horno CRC1









149

6.2.3.5 Cálculo de pérdidas de calor y eficiencia energética. Empresa D. Esta

empresa opera 2 hornos de cubilote CD1 y de crisol CRD1

• evaluación energética horno CD1.

Datos de entrada.

Tabla 49. Dimensiones del horno CD1








Tabla 50.Temperaturas de operación del horno CD1


Temp. de las superficies alrededor 40 104 313

Temperatura de los gases de salida 493 919,4 766



Temperatura de la escoria 1262 2303,6 1535




150

Tabla 51. Temperaturas de operación de la coraza del horno CD1


crisol 215 419 488

zona arriba de las toberas 225 437 498



condiciones de la coraza metálica fuertemente oxidado

Tabla 52. Condiciones atmosféricas de operación horno CD1.






Tabla 53. Flujo material de carga al interior del horno CD1.





Hierro 650 Kg. / h

Coque 91 Kg. / h




151

Tabla 54. Magnitud de las pérdidas y eficiencia de fusión horno CD1











• Evaluación energética horno CRD1.

Datos de entrada

Tabla 55. Dimensiones del horno CRD1.




Diámetro tapa 0,91


152

Tabla 56. Temperaturas de operación del horno CRD1







Temperatura del metal fundido 985 1805 1258

Tabla 57. Temperaturas de operación de las superficies del horno CRD1


crisol 310 590 583

tapa del crisol

Tabla 58. Condiciones atmosféricas de operación del horno CRD1






153

Tabla 59. Flujo de material al interior del horno CRD1





metal Aluminio 20 Kg. / h


Tabla 60.Magnitud de las pérdidas y eficiencia del horno CRD1.









6.2.3.6 Cálculo de pérdidas de calor y eficiencia energética. Empresa E. Esta

empresa opera un horno de crisol el cual a diferencia de los demás hornos de

crisol evaluados en esta investigación opera con Carbón coque.

• Evaluación energética horno CRE1.

154

Datos de entrada

Tabla 61. Dimensiones del horno CRE1




Diámetro tapa 1,01


Tabla 62. Temperaturas de operación del horno CRE1








Tabla 63. Temperatura de operación de las superficies del horno CRE1


crisol 295 568,4 571

tapa del crisol

155

Tabla 64. Condiciones atmosféricas de operación del horno CRE1






Tabla 65. Flujo de materiales al interior del horno CRE1





metal Bronce 250 Kg. / h

combustible coque 65,00 Kg. / h

Datos de salida

Tabla 66. Magnitud de las pérdidas y eficiencia del horno CRE1.









156

6.2.3.7 Cálculo de pérdidas de calor y eficiencia energética. Empresa F. La

empresa F opera dos hornos de crisol CRF1

• Evaluación energética horno CFR1.

Datos de entrada.

Tabla 67. Dimensiones del horno CRF1




Diámetro tapa 0,89


Tabla 68. Temperaturas de operación del horno CRF1








157

Tabla 69. Temperatura de operación de las superficies del horno CRF1


crisol 298 568,4 571

tapa del crisol

Tabla 70. Condiciones atmosféricas de operación del horno CFR1





metal Cobre 70 Kg. / h


Datos de salida

Tabla 71. Magnitud de las pérdidas y eficiencia de fundición del horno CRF1.









158

• Evaluación energética horno CFR2.

Datos de entrada.

Tabla 72.dimensiones del horno CFR2




Diámetro tapa 0,86


Tabla 73.Temperaturas de operación del horno CRF2








Tabla 74.Temperaturas de operación de las superficies del horno.


crisol 290 554 563

tapa del crisol

159

Tabla 75. Condiciones atmosféricas de operación del horno CFR2






Tabla 76. Flujo d e materiales al interior del horno CRF2





metal Aluminio 85 Kg. / h


Datos de salida

Tabla 77. Magnitud de las pérdidas y eficiencia de fusión.

Fuente de pérdida Kw








160

6.2.4 Análisis de los resultados. Para observar mejor los resultados de la

evaluación energética realizada en los hornos de crisol y cubilote. Se presentan

los resultados en diagramas de barras para poder cualificar y caracterizar los

principales generadores de pérdidas, en los hornos.

6.2.4.1 Graficas de los resultados de los hornos de cubilote.

Figura. 19 Pérdidas de calor en Kw. Horno CA1.

0,63

50,39

140,49

21,9212,75

31,0848,75

272,71

0

50

100

150

200

250

300

Humedadcomb.

Hidrogeno Gases deescape

Paredes humedad delaire

Formacionescoria

carburacionHierro

perdidas noestimadas

Kw

Figura. 20 Porcentaje de participación de las pérdidas. Horno CA1

0,11%

8,71%

24,28%

3,79%2,20%

5,37%

8,42%

47,12%

0,0%

5,0%

10,0%

15,0%

20,0%

25,0%

30,0%

35,0%

40,0%

45,0%

50,0%

Humedadcomb.



Formacionescoria

carburacionHierro


161

Figura. 21 Porcentaje del calor suministrado. CA1

0,1%

5,8%

16,3%

2,5%1,5%

3,6%5,6%

31,6%

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

Humedadcomb.



Formacionescoria

carburacionHierro


Figura. 22 Pérdidas de calor en Kw. Horno CB1

1,58

127,12

797,20

100,38

37,95

130,83 123,27 134,11

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

Humedadcomb.



Formacionescoria

carburacionHierro


Kw

Figura. 23 Porcentaje de las pérdidas. Horno CB1

0,1%

5,8%

36,5%

4,6%

1,7%

6,0% 5,6% 6,1%

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

40%

Humedadcomb.



Formacionescoria

carburacionHierro


162

Figura. 24 Porcentaje del calor suministrado. CB1

0,11%

8,75%

54,89%

6,91%

2,61%

9,01% 8,49% 9,23%

0,0%

10,0%

20,0%

30,0%

40,0%

50,0%

60,0%

Humedadcomb.



Formacionescoria

carburacionHierro


Figura. 25 Pérdidas de calor en Kw. Horno CB2

0,61

51,18

311,59

24,4313,79

37,9850,43

109,48

0

50

100

150

200

250

300

350

Humedadcomb.



Formacionescoria

carburacionHierro


Kw

Figura. 26. Porcentaje de las pérdidas. Horno CB2.

0,10%

8,54%

51,98%

4,08%2,30%

6,34%8,41%

18,26%

0,0%

10,0%

20,0%

30,0%

40,0%

50,0%

60,0%

Humedadcomb.



Formacionescoria

carburacionHierro


163

Figura. 27. Porcentaje del calor suministrado. Horno CB2.

0,1%

5,7%

34,9%

2,7%1,5%

4,2%5,6%

12,3%

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

40%

Humedadcomb.



Formacionescoria

carburacionHierro


Figura. 28. Pérdidas de calor en Kw. Horno CC1

0,35

28,59

96,90

18,76

4,82

28,93 28,02

128,44

0

20

40

60

80

100

120

140

Humedadcomb.



Formacionescoria

carburacionHierro


Kw

Figura. 29. Porcentaje de las pérdidas. Horno CC1

0,10%

8,54%

28,94%

5,60%

1,44%

8,64% 8,37%

38,36%

0,0%

5,0%

10,0%

15,0%

20,0%

25,0%

30,0%

35,0%

40,0%

45,0%

Humedadcomb.



Formacionescoria

carburacionHierro


164

Figura. 30 Porcentaje del calor suministrado. Horno CC1.

0,1%

5,8%

19,5%

3,8%

1,0%

5,8% 5,6%

25,9%

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

Humedadcomb.



Formacionescoria

carburacionHierro


Figura. 31 Pérdidas de calor en Kw. Horno CD1.

0,43

36,66

190,44

14,91 11,92

25,88

12,14

143,08

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

Humedadcomb.



Formacionescoria

carburacionHierro


Kw

Figura. 32 Porcentaje de las pérdidas. Hormo CD1

0,10%

8,42%

43,73%

3,42% 2,74%

5,94%

2,79%

32,86%

0,0%

5,0%

10,0%

15,0%

20,0%

25,0%

30,0%

35,0%

40,0%

45,0%

50,0%

Humedadcomb.



Formacionescoria

carburacionHierro


165

Figura. 33 Porcentaje del calor suministrado. Horno CD1

0,1%

5,7%

29,5%

2,3% 1,8%

4,0%

1,9%

22,2%

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

Humedadcomb.



Formacionescoria

carburacionHierro


Los resultados de la evaluación energética de los hornos de cubilote demuestran

que las principales pérdidas de calor se presentan en los gases de escape y en las

pérdidas no estimadas.

Analizando los resultados de las tablas 21 a la 80 y las figuras 19 a la 33, se

puede decir que las pérdidas no estimadas muy posiblemente se deban en su

gran mayoría a la incombustion de carbono que escapa del horno en los humos

en forma de CO (monóxido de carbón), esta especulación se basa en la teoría de

atmósferas oxidantes y reductoras. Lo cual se hace aun más evidente al analizar

los resultados de los hornos CA1 y CC1 tablas 25 y 44 respectivamente. Estos

hornos presentan un déficit de aire bastante apreciable, para CA1 es del 65,3% y

para CC1 es de 23,2% esta carencia de aire y en consecuencia de oxígeno, se ve

reflejada en la gran magnitud de pérdidas presentadas por las pérdidas no

estimadas, ante la ausencia de suficiente oxígeno para formar CO2, se considera

que estas pérdidas están representadas en las grandes cantidades de C que no

libero energía al oxidarse a CO2 y se quedo almacenada en las moléculas de CO.

166

Por el contrario los hornos CB1 y CB2 presentan la mayoría de sus pérdidas de

calor en los gases de escape como se puede apreciar en las figuras 21 a 26, esto

significa que hubo una buena combustión, debido a que estos hornos presentan

un superávit de aire apreciable para CB1 es de 43.1% y para CB2 es de 40.1 %

como lo indican las tablas 31 y 37. Las pérdidas no estimadas deben estar

representadas por una mínima cantidad de CO que sale por la chimenea y por el

Carbono que quedo atrapado en las cenizas y en la escoria.

El horno CD1 presenta una pérdida equilibrada de calor entre los gases de escape

y las pérdidas no estimadas como se puede apreciar en las figuras, esto se explica

porque el exceso de aire no es tan elevado para asegurar una buena combustión,

este exceso está representado por un 23,3 % como lo muestra la tabla 55.

Las pérdidas de calor por las paredes en ninguno de los hornos estudiados

representan más del 7% del total del calor suministrado y no superan el 6% del

total de las pérdidas. Por lo que se dice que el desempeño de los revestimientos

aislantes es adecuado para la gran cantidad de calor que se genera al interior de

los hornos de cubilote.

Las pérdidas aportadas por el contenido de hidrógeno en el combustible es en

general el tercer generador de pérdidas de calor las cuales no superan el 9% del

total y el 5% del calor suministrado. Estas pérdidas solo son compensadas por el

calor que el hidrógeno aporta con su combustión.

Las pérdidas por formación de escoria es un factor importante de fuga de calor

Alcanzando casi un 9% del total de las pérdidas y un 9% del calor suministrado en

algunos hornos. Las pérdidas reportadas por este factor solo tiene en cuenta el

calor de necesario para formar CaCO a partir de CaCO3 pero no tiene en cuenta el

167

calor que se pierde en ellas por el concepto de carbono y cenizas que ellas

contienen.

Las pérdidas aportadas por contenido de humedad en el aire de combustión es un

generador de fuga de calor que no representa más del 3% del total de pérdidas y

del calor aportado por el combustible. Este factor está directamente implicado con

el flujo de aire al interior del horno como se puede ver en las figuras 23, 24, 26 y

27 correspondientes a los hornos CB1 y CB2 los cuales registran un alto

porcentaje de las pérdidas de calor por este factor en comparación con los demás

hornos, esto se debe al alto porcentaje de exceso de aire que estos hornos tienen

en su operación.

Las pérdidas por humedad en el combustible no es un factor importante de

pérdidas ya que en ninguno de los hornos este factor alcanza el 1% del total de

las pérdidas de calor y no superan el 0,5 % del calor aportado por el combustible.

Las pérdidas por carburación en el hierro, es un indicador impórtante de fuga de

energía calorífica pero es un factor que no se puede considerar completamente

como una pérdida ya que la calidad del hierro gris depende de la cantidad de

carbono que se integre a la estructura molecular de este metal.

En general es claro que las pérdidas más representativas están generadas por el

calor que escapa por los gases de combustión y la incombustion de CO, ya que

del total de las pérdidas en los hornos de cubilote estos son los factores

responsables de más del 65 % de las pérdidas.

168

La producción de algunos de los hornos de cubilote comparada con las de la tabla

del anexo45 14 y con la ecuación 21 de producción óptima muestra claras

diferencias de producción.

Los datos arrojados por esta comparación muestran una baja producción de hierro

para las medidas que se tienen del diámetro interior. Los datos de porcentaje de

coque fueron tomados como 12% ya que en general todos los hornos de las

pymes trabajan con o por encima de este valor. No es posible hallar la superficie

de trabajo real del horno la cual se calcula con la ecuación 22, porque se carece

de la información acerca de la composición de los humos en la chimenea.

Tabla 78 tabla producción real de los hornos de las pymes comparados con los de

la ecuación 21 y la tabla del anexo 13.

Horno Diámetro

interior m

Producción

real

Kg. / h

Producción

tabla anexo

13. Kg. / h

Producción

óptima.

Kg. / h

CA1 0,6 870 1360 2160

CB1 1,168 2200 4320 8185

CB2 0,635 900 1360 2160

CC1 0,60 790 1360 2160

CD1 0,5 800 >1360 1500

45 Tabla publicada por la American foundrymen’s society en la que aparecen recomendaciones de carga del los hornos de

cubilote, con base a su diámetro interior.

169

6.2.4.2 Graficas de los resultados hornos de crisol

Figura. 34. Pérdidas de calor del horno CRC1

0,05

28,18

122,10

24,72

5,83

150,45

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Humedad comb. Hidrogeno Gases de escape Paredes humedad del aire perdidas noestimadas

Kw

Figura. 35. Porcentaje de las pérdidas. Horno CRC1

0,02%

8,50%

36,85%

7,46%

1,76%

45,41%

0,0%

5,0%

10,0%

15,0%

20,0%

25,0%

30,0%

35,0%

40,0%

45,0%

50,0%


170

Figura. 36. Porcentaje del calor suministrado. Horno CRC1

Porcentaje del calor suministrado

0,0%

8,2%

35,7%

7,2%

1,7%

44,0%

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

40%

45%

50%


Figura. 37. Pérdida de calor. Horno CRD1

0,04

22,00

99,74

14,198,23

113,38

0

20

40

60

80

100

120


Kw

Figura. 38. Porcentaje de las pérdidas. Honro CRD1

0,02%

8,54%

38,72%

5,51%3,19%

44,02%

0,0%

5,0%

10,0%

15,0%

20,0%

25,0%

30,0%

35,0%

40,0%

45,0%

50,0%


171

Figura. 39. Porcentaje del calor suministrado. Horno CRD1

Porcentaje del calor suministrado

0,0%

8,4%

37,9%

5,4%3,1%

43,1%

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

40%

45%

50%


Figura. 40. Pérdidas de calor. Horno CRE1

0,43

28,87

155,63

19,85 13,62

218,49

0

50

100

150

200

250


Kw

Figura. 41. Porcentaje de las pérdidas. Honor CRE1

172

Figura. 42. Porcentaje del calor suministrado. Horno CRE1.

0,1%

6,3%

33,7%

4,3%3,0%

47,4%

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

40%

45%

50%


Figura. 43. Pérdidas de calor. Horno CFR1.

0,07

36,87

122,02

13,62 6,70

245,51

0

50

100

150

200

250

300


Kw

Figura. 44. Porcentaje de las pérdidas de calor. Horno CFR1

0,02%

8,68%

28,73%

3,21%1,58%

57,80%

0,0%

10,0%

20,0%

30,0%

40,0%

50,0%

60,0%

70,0%


173

Figura. 45. Porcentaje del calor suministrado. Horno CFR1

0,0%

8,4%

27,8%

3,1%1,5%

56,0%

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%


Figura. 46. Pérdidas de calor. Horno CFR2.

0,08

44,36

151,04

6,83 7,96

291,90

0

50

100

150

200

250

300

350


Kw

Figura. 47. Porcentaje de las pérdidas de calor. Horno CFR2

0,02%

8,83%

30,08%

1,36% 1,58%

58,13%

0,0%

10,0%

20,0%

30,0%

40,0%

50,0%

60,0%

70,0%


174

Figura. 48. Porcentaje del calor suministrado. Horno CFR2

0,0%

8,4%

28,7%

1,3% 1,5%

55,4%

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%


La eficiencia de fundición de los hornos de crisol es muy baja, lo cual se puede

observar en las tablas de resultados de todos los hornos de crisol.

Estos hornos son los que presentan mas perdías por incombustion de C, esto es

muy claro al analizar las gráficas de las figuras 34 a 48, sin importar que tan alto

sea el porcentaje de exceso de aire las pérdidas por incombustion son muy altas.

También es evidente que la segunda causa de pérdidas es por el calor que llevan

los gases de escape. Las cuales superan el 30%.

Las fugas de calor por estos factores superan el 80% del total de las pérdidas y

del calor aportado por el combustible, razón por la cual estos hornos son bastante

deficientes.

Las pérdidas por humedad en el combustible son muy bajas, no superan el 0,1%

del total de las pérdidas y ni del calor aportado por el combustible.

175

La magnitud de las pérdidas aportadas por la combustión de hidrógeno se debe al

alto contenido de este elemento por el combustible. al igual que en los hornos de

cubilote este factor representa el tercer generador de pérdidas.

La humedad del aire es un generador de pérdidas relativamente moderado con

respecto a los demás factores.

En general las principales pérdidas presentadas en los hornos de crisol se deben

principalmente a la velocidad apreciablemente alta con la que entra la mezcla aire

combustible, a la cámara de combustión la cual abandonan rápidamente sin haber

ocurrido todas las relaciones exotérmicas descritas en las reacciones 1, 2 y 3. Las

cuales terminan por realizarse en el exterior del horno y en forma de inquemados

(hollín en el revestimiento refractario).

176

7 COSTOS ENERGETICOS

La evaluación energética demostró que los hornos de cubilote presentan una

eficiencia muy baja la cual no llega al 30%. Este estudio también mostró que la

eficiencia para los hornos de crisol es aun más baja, esta no supera el 6%.

Se debe ahora analizar que tanto afecta esta deficiencia energética a los costos

energéticos para la fundición de los metales.

7.1 COSTOS ENERGETICOS PARA LOS HORNOS DE CUBILOTE.

Los costos energéticos del horno de cubilote, se calcula con el precio del coque y

la proporción de metal – combustible. Así para un horno de cubilote que emplea

12% de combustible con base a la carga está usando 120 Kg. por cada 1000Kg de

metal.

Costo de 1 Kg. de coque = $Kgcoque = $ 230[46].

Producir 1000Kg de hierro cuesta $27600.

El total de la producción es el peso del metal que se fundió en la jornada de

operación del horno de cubilote.

46 Dato suministrado por las empresas investigadas en este estudio.

177

Para un horno que trabaja 5 horas fundiendo 1000Kg/h. entonces el costo de

producción es:

138000$230$*h5*h

Kg120CostoP COQUE ==

Así que el costo por Kg de hierro es:

hierroHIERRO Kg

127$

Kg5000138000$

CostKg ==

Además del costo del combustible, se debe tener en cuenta los costos de la

energía eléctrica, consumida por los ventiladores que suministran el aire para la

combustión. El consumo de energía eléctrica por los ventiladores de los cubilotes

se encuentra en la tabla No 79. Los valores se han obtenido del las tablas de los

anexos 16 y 17.

La potencia consumida por los motores de los ventiladores se ha estimado con las

ecuaciones siguientes.

motorW

100PP

η= 62

Donde: P: es la potencia suministrada por el eje. Pw: potencia activa (kW). Absorbida de la red.

178

motorη : Eficiencia del motor.

Cuando no se dispone de la tabla se usa la siguiente ecuación, los valores de las

variables son tomadas de la placa de identificación del motor.

PW = V.AMP 63

Tabla 79. Consumo de energía eléctrica de los cubilotes

Código

horno

P en el

eje kW.

η AMP voltaje PW kW. Costo

kW

Costo

X hora

en $

Costo

en $ X

Kg de

Hierro

CA1 2,70 79 3,41 182,96 623,89 0,71

CB1 9 81,2 11,08 “ 2027,19 0.,91

CB2 3 76,3 3,93 “ 719,03 0,80

CC1 28 220 6,16 “ 1127,03 1,42

CD1 26 220 5,72 “ 1046.53 1,30

Los costos de producción basándose en el costo del combustible son muy

rentables teniendo en cuenta que el valor agregado al producto final de la

fundición en muchas ocasiones, supera más de un 1000% de la inversión en

combustibles. Si se tiene en cuenta el valor por consumo de energía el costo por

kilogramo de hierro fundido es muy bajo.

179

7.2 COSTOS ENERGETICOS PARA LOS HORNOS DE CRISOL.

Los hornos de crisol estudiados en esta investigación, usan casi en su totalidad

aceite residual de vehiculo automotor (ARV). El precio de un contenedor de 55

galones oscila entre $ 70000 y $100000 pesos por lo que el precio promedio es

de $85000 pesos.

Un galón de ARV cuesta $1545.

En promedio los hornos consumen 7,72 Gls. de combustible.

El precio de producción es de $11930 pesos.

En general la producción en el horno de crisol tarda una hora si se funden 91Kg de

metal (promedio de las empresas evaluadas). El costo por kilogramos es de:

metalmetal

metal Kg5,131$

hKg

91

h1

11930$CostKg ==

Al igual que los hornos de cubilote el costo tan económico del combustible hace

que los costos de producción sean muy bajos.

180

Tabla 80. Consumo de energía eléctrica crisoles.

Código

horno

P en el

eje kW.

η AMP voltaje PW kW. Costo

kW

Costo

X hora

en $

Costo

en $ X

Kg de

Hierro

CRC1 16,30 220 3,586 182,96 656,1 2,2

CRD1 28 220 6,16 “ 1127.03 11,27

CRE1 3 76,3 3,93 “ 719,37 2,32

CRF1 3,73 80,5 4,63 “ 847 8,47

CRF2 26 220 5,72 “ 1046,53 2,99

Al igual que los hornos de cubilote, los costos de producción en los hornos de

crisol son muy bajos con base a la energía eléctrica excepto por el horno CRD1,

cuyo consumo de energía sale de la media, pero aun así la producción de metal

fundido es económico.

7.3 MEDIO AMBIENTE Y USO DE COMBUSTIBLES ALTERNATIVOS

Los combustibles empleados en los hornos de las pymes evaluadas en esta

investigación muestran un alto rendimiento económico, pero presentan un alto

costo ambiental sobre todo si se habla del ARV como se puede ver en la tabla 4

este combustible posee un porcentaje elevado de S, lo cual en su combustión

generara SOx contaminantes altamente tóxicos, Entre otros contaminantes los

cuales incluyen, el monóxido de carbono (CO), los óxidos del nitrógeno (NOX),

material particulado (M. P), partículas menos de 10 micrómetros de tamaño ( Pm -

10), los metales tóxicos, los compuestos orgánicos, el cloruro de hidrógeno, y los

181

gases de calentamiento global (bióxido de carbono [ CO2 ], metano [ CH4 ])47.

Después de su uso, el aceite lubricante adquiere concentraciones elevadas de

metales pesados producto principalmente del desgaste del motor o maquinaría

que lubricó y por contacto con combustibles. Además, se encuentran con

frecuencia solventes clorados en los aceites usados, provenientes del proceso de

refinación del petróleo, principalmente por contaminación durante el uso (reacción

del aceite con compuestos halogenados de los aditivos) o por la adición de estos

solventes por parte del generador. Dentro de los solventes que principalmente

figuran son tricloroetano, tricloroetileno y percloroetileno48. La presencia de

solventes clorados, junto con altas concentraciones de algunos metales pesados,

constituyen los mayores factores de riesgo de los aceite usados.

Desde el punto de vista ambiental, se puede proponer el cambio de estos

combustibles por otros menos contaminantes. En algunas empresas metalúrgicas

de la ciudad de Cali que no fueron incluidas en esta investigación, han cambiado

el uso de AVR o el coque por gas natural ya que este combustible es más

amigable con el medio ambiente.

El gas natural es una mezcla de hidrocarburos parafínicos de bajo peso molar,

principalmente metano CH4, Etano C2H6, propano C3H8, y butano C4H10 con

pequeñas cantidades de hidrocarburos mas elevados que frecuentemente

47 Emission factor documentation for Ap-42 section 1.11 waste oil combustion [en linea]. USA: Edward Aul & Associates,

Inc.Chapel Hill, E. H. Pechan & Associates, Inc.Rancho Cordova, EPA U.S.1993. [consultado 22 de Junio de 2005].

Disponible por Internet: http://www.EPA.emission/factors/combustion

48 "La recuperación de los aceites usados de automóvil" [en linea]. Sevilla: Comunicación presentada al Foro de Ingenieros

Superiores de Andalucía. Sevilla, 13 de noviembre de 2003. [consultado 04 de marzo, 2005]. Disponible en Internet:

http://cema.iies.es /Cursos /Aceites.html.

182

contienen también Nitrógeno, dióxido de carbono, sulfuro de Hidrógeno y

ocasionalmente pequeñas cantidades de Helio49.

Presenta alto poder calorífico el cual está entre 35.4 y 42.8 MJ/m3 (950 y 1150

BTU/pie3). Esto depende del yacimiento de origen del gas como se puede

observar en el anexo 8.

El gas natural en Colombia se consume en casi todos los renglones de la

economía, y se ha venido incrementando su uso.

7.3.1 . Íntercambiabilidad de combustibles. La sustitución de un combustible por

otro ya sea por conveniencia económica o por reducción de emisiones

contaminantes. Es siempre una posibilidad real

En la actualidad en la ciudad de Cali algunas empresas han sustituido el

combustible líquido (aceite residual vehicular) por gas natural. Para facilitar la

conversión se puede valer de la tabla No 80.

49 CASTRO MORA, Op. cit., p. 59-60.

183

Tabla 81. Equivalentes energéticos

Energéticos m3 de gas natural

Propano / galón.

ACPM / galón.

Crudo C / galón.

Kerosén. / galón.

Fuel oil. / galón.

Carbón mineral / Kg.

Energía eléctrica / Kwh.

2.60

3.90

4.30

4.24

3.79

0.68

0.09661

Fuente: CASTRO MORA, Javier. Operación y mantenimiento de calderas. Santa

fe de Bogota: Universidad Nacional de Colombia, 2002. p.45

.

De la tabla 79 se tiene:

Para un galón de Fuel oil (combustible con propiedades térmicas muy parecidas a

las del AVR50) se necesitan 3,79 m3 de gas natural.

El precio de 1m3 de gas natural es:

Costgas51=$916m3

El costo de 3,79m3 es de $3471,64

50 ENTREVISTA con el ingeniero David López, ingeniero asesor de gases de occidente. Cali 19 de Abril 2006.

51 CASTRO MORA, Op. cit., p. 48.

184

Costo de un galo de AVR es de $1545.

Los costos de producción en los hornos que emplean AVR se incrementarían en

124,7%.

Al hacer el mismo proceso para el coque se tiene que de la tabla 5.

1Kg de coque = 0,68 m3 de gas natural.

Costo de 1 Kg. de coque = $230.

Costo de 0,68 m3 de gas natural = $622.

Los costos de producción cambiando de coque a gas natural se incrementarían en

un 170%.

185

8 SOFTWARE PARA CALCULAR EFICIENCIA ENERGETICA.

Como se vio en esta investigación es muy dispendioso, hacer todos los cálculos

para saber que tan eficiente es un horno, razón por la cual se desarrollo este

software.

El programa de cálculo de eficiencia se hizo con el lenguaje de programación

Visual Basic versión 6.

El programa esta desarrollado para calcular la eficiencia de combustión de hornos

de crisol y cubilote (de soplado frío).

Este programa calcula:

� Eficiencia de fusión.

� Eficiencia de combustión

� Pérdidas de calor en los humos.

� Pérdidas de calor por humedad en combustible.

� Pérdidas por humedad en el aire de combustión.

� Pérdidas por producción de escoria.

� Pérdidas por cenizas del combustible.

� Pérdidas por carburación.

� Además también calcula la superficie sobre la marcha de los hornos de

cubilote.

Para calcular todas estas variables se hace uso de todas las ecuaciones

relacionadas en esta investigación.

El software permite elegir que clase de horno se desea evaluar, y que tipo de

metal esta fundiendo el horno. Figura 49.

186

Figura. 49. Menú de selección del tipo de horno y metal de fundición.

Una vez seleccionado el tipo de horno, el software muestra un panel de usuario en

el que pide unas variables de entrada. Como son para el cubilote:

� Régimen de consumo de metal por hora [Kg / h].

� Régimen de consumo de combustible [Kg / h]

� Poder calorífico del combustible KJ / Kg.

� Régimen de consumo de fundente (solo para el cubilote) [Kg / h]

� Flujo de aire de combustión [m3 / h].

� Humedad relativa %.

� Presión atmosférica [bares]

� Análisis elemental de combustible.(%H, %C, %O2, %N2 %S %cenizas y

%humedad)

� Temperaturas de entrada y salida de todos los elementos y productos que

entran y salen del horno [ºC].

� Análisis de los gases de escape (%CO2, %CO, %O2, %N2 y %S2).

� Porcentaje de CaO3 en el fundente.

� Porcentaje de CaO en la escoria.

187

Figura. 50. Menú de entrada de datos del software en este caso el horno es un

cubilote.

Figura. 51. Menú de datos de los gases de escape.

188

Después de haber suministrado todos los datos de entradas y salidas del horno

este arroja los valores en un formulario.

Figura. 52. Formulario de resultados del software.

189

9 CONCLUSIONES

Del estudio realizado a las pymes metalúrgicas de la ciudad de Cali se pudo

concluir lo siguiente.

La eficiencia de los procesos de fundición de hierro y metales no ferrosos, es

bastante baja.

El desempeño de los hornos se ve muy afectado por la pérdida de calor en los

gases de escape. Los cuales promueven en general las pérdidas de más del 80%

del calor suministrado al horno. Esto se debe a la inadecuada manipulación del

suministro de aire de combustión, que en algunos hornos es bastante deficiente y

en otros excede con mucho el aire de exceso recomendado.

El calor por combustión del C no completamente usado para la fundición del metal

debido principalmente a la deficiencia del equipo soplador.

Los propietarios y administradores de las pymes reconocen estas deficiencias

pero no realizan cambios tecnológicos en los hornos para mejorar su desempeño.

A pesar de que los revestimientos refractarios, usados en estos hornos son

usados desde hace más de 50 años, desempeñan un buen papel como aislantes

térmicos.

El aceite residual vehicular es un combustible muy económico y con un altísimo

poder calorífico lo que hace que su uso sea muy difícil de reemplazar a pesar que

esta prohibido su uso por la CVC y el Dagma, ya que es altamente contaminante.

Las características del coque hacen que sea un Carbón ideal para su uso en los

190

hornos de cubilote, además de tener un costo muy bajo.

Los dispositivos de suministro de materiales a los hornos de Las pymes evaluadas

en esta investigación son bastante rudimentarios carentes de cualquier control

automatizado que proporcione mejor desempeño al horno.

La eficiencia de los hornos de crisol es demasiado baja, como para pensar en

mejorarlos. Seria mejor usar otra clase de horno para fundición de metales no

ferrosos, como el horno de reverbero.

El uso alternativo de gas natural para algunas empresas esta limitado por los

costos de producción que se elevarían considerablemente. Además también hay

problemas para su uso porque algunas empresas están muy alejadas de las líneas

principales de suministro de este gas combustible.

Aunque los costos por consumo de energía eléctrica, son bastante bajos se puede

reducir los costos al minimizar las perdidas de calor ya que esto implica menos

tiempo de operación y por lo tanto menos tiempo de uso de los motores que

impulsan los ventiladores.

191

10 RECOMENDACIONES.

De los resultado de la evaluación energética en las pymes de Cali, y llegando a la

conclusión que los hornos de cubilote pierden mucha energía en los gases de

escape. Es lógico entonces hacer unas recomendaciones en torno a estas

pérdidas.

Ajustar el aire de exceso. Fue claro al analizar los resultados de los hornos, que el

calor que escapaba por los gases se incrementaba al tener un uso excesivo de

aire. Por el contrario para los hornos que poseen tazas de soplado mas bajas la

pérdida de calor estaba en el C que escapaba en forma de CO sin haber liberado

todo su poder calorífico.

Figura. 53. Porcentaje de aire adecuado para los hornos

Fuente: Efficient Process Heating in the Aluminum Industry [en linea]. Washington:

Office of Energy Efficiency and Renewable Energy U.S. Department of Energy.

[consultado 12 de abril, 2005]. Disponible por Internet: http://www.eren.doe.gov.

192

� Precalentar el aire de combustión. Precalentando el aire de combustión se

incrementa la eficiencia del horno, como su velocidad de combustión. El

aumento de la eficiencia traduce menos combustible por quemar Este

procedimiento permite ahorrar hasta entre un 20 y 25% del combustible

usado52. Para lograr esto se recomienda hacer uso de intercambiadores de

calor, que retomen el calor que escapa en los humos y lo transfieran al aire

de combustión que entra al horno. Así se aprovecharía el calor que se esta

perdiendo en los gases de escape, y se esta precalentando el aire,

mejorando el desempeño del horno.

Figura. 54. Intercambiador de calor de coraza y tubos

Fuente: HOLMAN, Jack Philip Transferencia de calor. México: Editorial

Continental, 1995. p.428

� Precalentar los metales de carga. Todo el calor que se pierde en los humos

al igual que con el aire, puede ser empleado para precalentar la carga

metálica en especial este procedimiento seria muy útil para el horno de 52 AMERICAN FOUNDRYMEN’S SOCIETY, Op. cit., p. 780.

193

crisol que tiene una eficiencia muy baja53.

� Ubicar doble hileras de toberas en los cubilotes54. De esta manera se

aprovecha el CO que no fue oxidado a CO2 en la zona de oxidación del

horno.

Figura. 55. Cubilote con dos hileras de toberas.

� Inyectar oxigeno a la corriente de aire del cubilote55. Este es un método

que ha venido ganando fuerza desde hace 30 años en estados unidos, y

esta entrando a Latinoamérica. Existen dos métodos para usar esta

técnica.

� Enriquecimiento con oxígeno. Se introduce un porcentaje de oxígeno

puro en la caja de viento, es el mas usado actualmente adicionándolo de

tal manera que proporciona un incremento en el porcentaje de oxígeno

en un 2 a 3%.

53 Ibid.,http://www.eren.doe.gov.

54 AMERICAN FOUNDRYMEN’S SOCIETY, Op. cit., p. 422

55 AGA gas division. Oxigen feed to foundry cupolas. Lindingö: Oxigen adition.BrochureGM 142e. March 2001. 1 plegable.

194

� Inyección de oxígeno directa a la cámara de combustión. Esto

proporciona menor consumo de coque o cualquier otro combustible

Figura. 56. Enriquecimiento de oxígeno en el cubilote.

(a) Con mezcla en la caja de viento, (b) usándolo puro.

(a) (b)

Fuente: AGA gas division. Oxigen feed to foundry cupolas. Lindingo Sweden

Oxigen adition.BrochureGM 142e. March 2001. 1 plegable.

Las ventajas de este método pueden ser apreciadas en el diagrama de Jungbluth.

Y en la tabla 80, en los cuales se muestran tres métodos dos de ellos con

enriquecimiento de oxígeno y uno operado con aire normal.

La tabla 82 y la figura 57, muestran los resultados al introducir las diferentes

composiciones de carga en el horno en el caso del punto 0, el horno opera

normalmente, en el punto 1 donde es suministrado Oxígeno se ve que se

disminuye el consumo de aire y coque, y en el punto 2 se observa que el consumo

de coque y de aire es el mismo que en 0 pero tiene la ventaja de sacar un hierro a

mayor temperatura.

195

Tabla 82. Tabla horno operado con diferentes % de oxígeno.

Sin oxígeno 0 Con oxígeno 1 Con oxígeno 2

Volumen de aire soplado m3/min. 110. 88 110

Contenido de coque % 14 10,5 14

Temperatura del hierro ºC 1475 1475 1425

Producción de metal por hora t/m3h 9 9 10



Figura. 57. Diagrama de Jungbluth de un horno con tres métodos de trabajo con

oxígeno



Automatizar el flujo de aire al interior de los hornos. La combustión puede ser

controlada en los hornos automáticamente, por medio del empleo de un analizador

automático de CO2 equipado con un mecanismo compensador en conjunto con un

equipo de control de volumen, también automático. Esta disposición puede

mantener un volumen de aire constante, cualesquiera que sean las condiciones

196

dentro del horno. Así se garantiza siempre el flujo de aire correcto para la

operación de fundición.

En el caso de los hornos de cubilote, las peculiaridades propias de cada cubilote,

el ajuste final de cada uno de los diversos componentes de este control

automático, así como cualquier otro, debe ser llevado acabo en cada caso

después de que el equipo ha sido completamente instalado, y el cubilote está bajo

condiciones de operación reales. Después que el cubilote ha estado bajo soplado

durante unas 2 horas, de manera que se esté seguro de haberse conseguido una

condición de equilibrio, se hacen los diversos ajustes para coordinar los controles

automáticos para satisfacer las demandas de la combustión deseada dentro del

cubilote56.

56 AMERICAN FOUNDRYMEN’S SOCIETY, Op. cit., p. 878

197

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WARKS, Kenneth. Termodinámica. México: McGraw-Hill, 1991. 923 p.

200

ANEXOS

Anexo 1. Encuesta para las empresas.

Información general de las empresas metalmecánica de la ciudad de Cali

Universidad autónoma de occidente

Grupo de investigación de energías GIEN

Optimización de hornos de crisol y cubilote

Fecha

Empresa

Dirección

1. Datos de producción

¿Tienen demanda de producción de hierro con especificaciones constantes?

Si O No O

Si la respuesta es SI. ¿Qué características buscan en el hierro que producen?

Describa las características (mecánicas, composición química, apariencia).

Si le hace falta espacio use el anexo para notas (ultima pagina)

201

2. Datos de manejo de la carga y combustible

• Que tipo de combustible usa

Coque O antracita O gas natural O otro O

• Almacenamiento de combustible. (solo si el combustible es solidó)

Bajo techo O A la intemperie O

• El almacenamiento de metal se hace

Bajo techo O A la intemperie O

• Realizan algún control o proceso a la carga metálica:

� Selección de materiales ferrosos de los demás (no ferrosos,

polímeros, cementos etc.) O

� Distribución de la carga metálica según su composición química

(%C %Si %Mn %P) O

� Tiene en cuenta la proporción del diámetro del horno y el

tamaño de la pedaceria. O

� ¿Realiza otros controles? ¿Qué? :

_______________________________________________________

_______________________________________________________

______________________________________________

202

• Realiza algún control o proceso a la carga de combustible antes de

ser introducida al horno. Si O No O

� Tamaño proporcional al diámetro del cubilote O

� Eliminar humedad O

� Otro O ¿Cuál? ¿con que propósito lo realiza?:

_______________________________________________________

_______________________________________________________

_______________________________________________________

_______________________________________________________

________________________________________

3. información sobre los fundentes

¿Qué fundente usa?

Caliza

Dolomía

otro

203

4. información acerca de la operación del horno

• Porcentaje o porcentajes con los que normalmente hace la relación

Carga / combustible: ___________%

¿Bajo que criterio o hace usted esta relación?

¿Qué herramientas usa para calcular la carga del cubilote?

Tablas de proporción de aceros por carga

Tabla de proporción de diámetro de cubilote, altura de la cama y presión

Experiencia

¿Cómo calcula usted la altura de la cama de coque?

Tabla de proporción de diámetro de cubilote, altura de la cama y presión

Cálculo por porcentaje de acero en la carga

Experiencia.

• Datos del aire

Como calcula el aire para la combustión en el cubilote

Estequiometria química.

Tabla de proporción de diámetro de cubilote, altura de la cama y presión.

Experiencia.

204

• Durante la operación.

¿Realiza pruebas de altura de la cama de coque? Si O No O

¿Si lo realiza con que regularidad lo hace?

_______________________________________________________________

¿Realiza observación del comportamiento de la escoria? Si O No O

Si la respuesta es si. ¿Qué criterios usa para realizar estas observaciones?

Fluidez

Color al solidificarse

Pruebas de laboratorios

Otra ¿Cuál? ¿Con que finalidad la hace?

• Después de la operación de fundición

¿Realiza mediciones de desgaste del revestimiento interior? Si O No O.

5. información acerca de los hornos

Número de hornos que posee la empresa: _____

Diámetro interior horno No 1 m



Diámetro exterior horno No 1 m



205

Altura de las toberas a la puerta de carga

Horno No 1 m

Horno No 2 m

Horno No 3 m

Datos sobre el equipo de suministro de aire

Caudal de aire suministrado por los ventiladores

Ventilador horno No 1 minm3



Número de toberas

Horno No 1

Horno No 2

Horno No 3

Material del revestimiento refractario

Horno No 1

Horno No 2

Horno No 3

Material del revestimiento aislante

Horno No 1

Horno No 2

Horno No 3

206

Material de la coraza

Apariencia visual (oxidada, semioxida o limpia)

Horno No 1

Horno No 2

Horno No 3

6. Tecnología de operación y técnicas para optimizar fundición

¿Disponen de sistemas automatizados para el control de flujo de materiales?

Si No

Control de aire

Control de combustible

Control de carga metálica

¿Precalientan alguno de los componentes de la fundición?

Si No

Metal

Combustible.

Aire de combustión

207

Anexo 2. La hoja de datos de operación.

Hoja de datos de la operación

Universidad autónoma de occidente

Grupo de investigación de energías GIEN

Optimización de hornos de crisol y cubilote

Fecha

Empresa

Dirección

Tipo de horno.

Selección Código del horno

Crisol O

cubilote O

Tipo de combustible.

Presentación nombre

Solidó O

liquido O

Gas O

208

Análisis elemental del combustible.

componente %

Carbono

Hidrogeno

Oxigeno

Nitrógeno

Azufre

Humedad

cenizas

Datos generales de la operación de fundición.

Metal de fundición

Combustible usado

Flujo de metal h

Kg

Flujo de aire minm3

Flujo de combustible h

galo

hKg

Temperatura de metal antes de la carga ºC

Temperatura del combustible antes de la carga ºC

Temperatura del aire de combustión ºC

Temperatura del fundente antes de la carga ºC

(Solo si el horno lo usa)

Presión atmosférica bares

Humedad relativa %

209

1. Si el horno es de cubilote.

Datos acerca de la carga.

Dimensiones de la carga m

Tamaño del coque.

Tamaño de la pedaceria de hierro.

Datos de la superficie de la coraza.

superficie de la coraza Altura m ºC

Zona del crisol

zona arriba de las toberas

zona de fusión

zona precalentamiento

Datos de los productos.

Temperaturas ºC

Temp. de las superficies alrededor

Temperatura de los gases de salida

Temperatura de la escoria

Temperatura del metal fundido

210

2. Si el horno es de crisol.

Datos de temperatura.

superficie exterior del revestimiento ºC

Temperatura del revestimiento del crisol

Temperatura de la tapa.

Datos de los productos.

Temperaturas ºC

Temp. de las superficies alrededor

Temperatura de los gases de salida

Temperatura del metal fundido

3. Consumo de energía eléctrica de los ventiladores (para cualquier horno.)

Dispositivo Consumo en Watts

Ventilador No 1

Ventilador No 2

Ventilador No 3

211

Anexo 3. Tabla de propiedades térmicas de algunos materiales de construcción y

aislantes

212

Anexo 4. Propiedades termodinámicas de los aceros

213

Anexo 5. Propiedades termodinámicas del aire.

214

Anexo 6. Propiedades termodinámicas del agua saturada

215

Anexo 7. Calores específicos medios usuales para los hornos de cubilote

Cp=60Fºt

H−

BTU/lbºF (o Kcal. / Kg. ºC)

t (º F) t (º C) O2 H2 H2O N2 CO CO2 Escoria Escoria Lingote Soli Lingote Lqui

Sólida liquida 2% C 4% C 2% C 4% C

100 37,8 0,2188 3,42 0,4448 0,2482 0,2485 0,2022 0,1809 0,12 0,1308

200 93,3 0,2203 3,434 0,4472 0,2485 0,2488 0,2086 0,1893 0,1223 0,1326

300 148,9 0,2221 3,442 0,4499 0,2488 0,2493 0,2145 0,1967 0,1245 0,1353

400 204,4 0,224 3,448 0,4529 0,2493 0,2501 0,2201 0,2032 0,1275 0,1403

500 260,0 0,2259 3,452 0,4562 0,25 0,2511 0,2253 0,2089 0,1292 0,1404

600 315,6 0,2279 3,455 0,4597 0,252 0,2522 0,2301 0,2139 0,1309 0,1409

700 371,1 0,2299 3,458 0,4634 0,2509 0,2535 0,2346 0,2183 0,1327 0,1417

800 426,7 0,2318 3,462 0,4674 0,2531 0,2549 0,2388 0,2223 0,1346 0,1428

900 482,2 0,2337 3,466 0,4715 0,2544 0,2564 0,2428 0,2258 0,1367 0,1441

1000 537,8 0,2355 3,47 0,4757 0,2558 0,258 0,2465 0,2291 0,1392 0,1457

1100 593,3 0,2373 3,475 0,48 0,2572 0,2596 0,25 0,2321 0,1422 0,1475

1200 648,9 0,239 3,48 0,4844 0,2586 0,2611 0,2533 0,2349 0,1458 0,1497

1300 704,4 0,2406 3,487 0,4888 0,26 0,2627 0,2564 0,2374 0,15 0,1523

1400 760,0 0,242 3,494 0,4932 0,2614 0,2642 0,2593 0,2397 0,1671 0,1622

1500 815,6 0,2432 3,501 0,4976 0,2628 0,2657 0,262 0,2418 0,1658 0,1616

1600 871,1 0,2448 3,51 0,5021 0,2642 0,2672 0,2646 0,2437 0,1647 0,1611

1700 926,7 0,2461 3,519 0,5066 0,2656 0,2686 0,2671 0,2455 0,1638 0,1608

1800 982,2 0,2473 3,528 0,5111 0,2669 0,27 0,2694 0,2473 0,1631 0,1606

1900 1037,8 0,2484 3,538 0,5156 0,2682 0,2713 0,2716 0,249 0,1626 0,1604 0,2208 0,2221

2000 1093,3 0,2495 3,549 0,5201 0,2695 0,2726 0,2737 0,2506 0,1622 0,1604 0,2187 0,2197

2100 1148,9 0,2506 3,46 0,5245 0,2707 0,2739 0,2757 0,2522 0,162 0,1604 0,2168 0,2176

2200 1204,4 0,2517 3,572 0,5289 0,2719 0,2751 0,2776 0,2538 0,1619 0,1605 0,2151 0,2157

2300 1260,0 0,2527 3,584 0,5334 0,2732 0,2763 0,2795 0,2555 0,1618 0,1607 0,2136 0,214

2400 1315,6 0,2536 3,596 0,5375 0,2742 0,2774 0,2813 0,2571 0,3256 0,1618 0,1608 0,2122 0,2124

2500 1371,1 0,2545 3,608 0,5415 0,2753 0,2784 0,283 0,3239 0,1619 0,1611 0,211 0,2109

2600 1426,7 0,2554 3,62 0,5456 0,2764 0,2794 0,2845 0,3224 0,162 0,1613 0,2099 0,2095

2700 1482,2 0,2562 3,632 0,5496 0,2774 0,2804 0,286 0,321 0,1622 0,1616 0,2089 0,2083

2800 1537,8 0,257 3,644 0,5536 0,2784 0,2814 0,2875 0,3198 0,1624 0,1619 0,2079 0,2072

2900 1593,3 0,2578 3,656 0,5575 0,2793 0,2823 0,2889 0,3187 0,1627 0,1623 0,207 0,2062

3000 1648,9 0,2585 3,668 0,5614 0,2802 0,2831 0,2902 0,3176 0,2062 0,2052

3100 1704,4 0,2593 3,68 0,5652 0,2811 0,284 0,2915 0,3166 0,2054 0,2043

3200 1760,0 0,26 3,6992 0,5688 0,2819 0,2848 0,2927 0,3156

Fuente: american foundrymen’s society.

216

Anexo 8. Características del gas natural según el yacimiento de origen

Fuente: ECOGAS. La composición del gas esta dada en porcentaje molar.

Componentes Guajira Guepaje Payoa

Montañuelo Opob Apiay Cusiana

Neiva

540

Metano 97,76 96,94 95,68 96,17 91,86 78,46 76,55 91,78

Etano 0,38 0,55 4,2 0,70 5,52 14,06 10,86 2,77

Propano 0,2 0,15 0,12 0,24 1,32 1,96 5,36 228

I-Butano 0 0,07 0 0,05 0,5 0,48 0,68 0,54

N-Butano 0 0,02 0 0 0 0,45 0,78 0,9

I-Pentano 0 0,02 0 0 0 0,41 0,13 0,45

N-Pentano 0 0,01 0 0 0 0,09 0,08 0,21

Hexano 0 0,01 0 0 0,01 0 0,05 0

Heptano 0 0,07 0 0 0 0 0 0,2

N-Octano 0 0 0 0 0 0 0 0

N-Nonano 0 0 0 0 0 0 0 0

Hidrógeno 0 0 0 0 0 0 0 0

Nitrógeno 1,29 2,12 0 0,42 0,15 1,69 0,44 0,63

Oxígeno 0 0 0 0 0 0 0 0

CO2 0,37 0,03 0 2,42 0,96 2,39 5,07 0,24

Agua 0,01

peso molecular 16,41 16,55 17,56 17,56 17,56 20,12 21,31 18,36

gravedad

especifica 0,57 0,57 0,58

0,61 0,61 0,7 0,74 0,63

Poder calorífico BTU

/PC. 1003 1001 1044

991 1069 1146 1159 1118

217

Anexo 9. Tabla de emisividad para algunos metales

218

Anexo 10.Tabla de clasificación para el carbón.

Clasificación ASTM por rangos

Fuente: el carbón y su tecnología-ing Augusto Gutiérrez

Clasificación ASTM por grados

Fuente: el carbón y su tecnología-ing Augusto Gutiérrez

219

Anexo 11. Datos de capacidad térmica especifica de gas ideal para gases

selectos.

220

Anexo 12 Propiedades térmicas de los metales

Fuente: Fuente: Combustión unidad XII.[en linea]. Buenos Aires: BRIZUELA E, J.

C, 2001. [consultado 28 de mayo, 2005] Disponible en Internet:

http://www.fiuba.ar/materias/6731/Tablas/Tabla4.pdf.

221

Anexo 13. Instrucciones generales carga de cubilotes

222

Anexo 14. Diagrama de las temperaturas en los hornos de cubilote.

223

Anexo 15. Tabla. Valores para la función Z distribución estándar acumulada

224

Anexo 16. Ficha técnica motores de inducción Siemens.

225

Anexo 17. Ficha técnica de motores de inducción WEG

Características

• Potencia: 0,25 kW

• Polos: 4

• Frecuencia: 50 Hz

• Par: 1,62 Nm

• Tensión: 220/440 V

• Carcasa: EX61G

• RPM: 1470

• In: 3,30/1,65 A

• Eficiencia (100%): 59,0

• Factor de Potencia (100%): 0,57

• Aislamiento: B

• Ruido: ---

• Directa: 2,90/1,45 A

• Ip / In: 5,5

Eficiencia

(%)

Factor de

Potencia Potencia

HP Carcasa

In (A)

220/440

V

Ip

/

In

Cp

/

Cn

Cm

/

Cn 50 75 100 50 75 100

Factor

de

Sevicio

Inercia Tr

(s) Ruido Masa

0,25 kW EX61G 16,30/8,65

A 5,5

300

%

330

% 45,0 55,0 59,0 0,41 0,49 0,57 1,00

0,00420

kgm² 6 s --- kg

226

Anexo 18. Fotografías de los hornos de cubilote.

Ilustración 1 horno de cubilote con la coraza ligeramente oxidada.

Ilustración 2 equipo de inyección de aire

227

Ilustración 3 operario abriendo la piquera para sacar el hierro fundido

Ilustración 4. Pérdidas de calor por presencia de CO en los gases de escape.

228

Ilustración 5. Horno de cubilote con pésimo estado de la coraza

229

Anexo 19. Fotografías de los hornos de Crisol

Ilustración 6. Horno de crisol después de una jornada de fundición.

Se puede apreciar la gran cantidad de hollín que ha quedado en el interior de

revestimiento del horno.

Ilustración 7. Recipiente que sirve como de posito de AVR al horno de crisol

230

Ilustración 8. Dispositivo implementado por una empresa para disponer de los gases de escape al exterior

231

Ilustración 9. Hornos de crisol en los que se funden aluminio y cobre.

Ilustración 10 Equipo ventilador quemador de un horno de crisol

OPTIMIZACION DE HORNOS DE CRISOL Y CUBILOTE EN LAS ...

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