Perfil Proyecto de Grado Horno de Fundicion Por Arco Electrico

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Universidad Mayor de San SimnFacultad de Ciencias Y TECNOLOGIACARRERAS DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTROMECNICA

DISEO DE UN HORNO ELECTRICO POR ARCO CON CAPACIDAD DE 1000 Kg. PARA EL TALLER DE LA EMPRESA DE FUNDICION TECNOFUN

Perfil de Proyecto de Grado, Presentado Para Optar al Diploma Acadmico de Licenciatura de Ingeniera Electromecnica

UNIVERSITARIO: DANTE DANILO PEAFIEL ARENAS Cochabamba Bolivia

2013indice

CAPITULO IINTRODUCCIN

1.1. INTRODUCCION11.1.1. Caractersticas del sector 41.1.2. Productos de la metalurgia61.1.3. Produccin del hierro y el acero71.2. ANTECEDENTES ESPECFICOS DE LA EMPRESA111.2.1. Misin 111.2.2. Visin 111.2.3. Breve resea histrica111.2.4. Ubicacin de la empresa 131.2.5. Breve anlisis de la infraestructura131.2.6. Sistema de produccin 141.2.7. Productos y servicios de la empresa141.2.8. Recursos humanos de la empresa Tecnofun161.2.9. Descripcion del problema171.3 OBJETIVOS181.3.1 Objetivo general181.3.2. Objetivo especfico181.4 JUSTIFICACIN181.5 MARCO METODOLGICO19

CAPTULO IIMARCO TEORICO

2.1. PROCESOS DE FUNDICION202.1.1. HORNOS ELCTRICOS202.1.2. Historia de los hornos elctricos202.1.3. Caractersticas de los hornos elctricos222.2. CARACTERSTICAS DE LOS ACEROS262.3. ESTRUCTURA GENERAL DE UN HORNO POR ARCO292.3.1. Parte mecnica302.3.2. Parte elctrica302.3.3. Elementos complementarios302.4. SISTEMA ELCTRICO312.4.1. ARCO ELCTRICO312.4.2. Aplicaciones del arco elctrico322.4.3. Aplicaciones en hornos elctricos de arco322.4.4. Sistema elctrico del horno por arco332.5. EFECTOS ELCTRICOS SOBRE LA LNEA DE SUMINISTRO352.5.1. Parmetros elctricos de operacin352.5.2. Productividad y consumo de energa362.5.3. Reduccin de los consumos de electrodos372.5.4. Aumento de la productividad de los hornos de arco a travs del Aumento de la tensin secundaria de los transformadores382.5.6. Flicker provocado por los hornos de arco392.5.7. Fuerzas electrodinmicas provocadas por las corrientes que Circulan por los brazos y electrodos392.5.8. Rotacin de fases y apriete de los electrodos402.5.9. Desgaste de refractarios....402.5.9.1. Operacin en el perodo de escoria espumosa con altos factores de Potencia (COS FI)412.5.10. Especificacin de transformadores y reactores412.5.11. Correccin del factor de potencia - bancos de capacitores422.5.12. Armnicas y filtros de armnicas422.5.13. Sobretensiones432.5.14. Protecciones contra sobre corriente442.6. ELECTRODOS442.6.1 El carbono44CAPITULO IIIDISEO METODOLOGICO

3.1. Tipo de investigacin453.1.1. Mtodo453.1.2. Tcnicas de investigacin463.1.3. Cronograma47BIBLIOGRAFA48

CAPITULO IINTRODUCCIN

1.1. INTRODUCCIONEl descubrimiento de la fundicin de los metales tuvo un impacto muy profundo en las culturas existentes. El espaci dej de ser, definitivamente, homogneo, y las zonas mineras comenzaron a ser ms ricas que las dems. Hubo un inters creciente por dominarlas, incluso por la fuerza.

A lo largo de la historia, desde su aparicin en la Tierra, el ser humano se ha ayudado de instrumentos para modificar la naturaleza a su favor. En este sentido, la historia del hombre es una historia de la tcnica, una historia en la que se ha buscado trasformar los elementos disponibles en el medio ambiente de modo que esta transformacin hiciera la vida ms sencilla. Desde muy tempranos momentos el hombre utiliz los elementos ms disponibles a su alrededor: palos, piedras, pieles, huesos, elementos que podan ser trabajados, manipulados, para conseguir de ellos una efectividad, pero elementos que no necesitaban, en ltima instancia, de ninguna transformacin ntima, ninguna modificacin de sus propiedades estructurales. No es esto lo que ocurre con los metales.

El metal, en su mayor parte, requiere para ser utilizado de una modificacin trabajosa y compleja de las caractersticas en que lo hallamos en estado natural. La aparicin de la metalurgia es un elemento reciente, visto desde la escala general de la historia, pero de tal importancia para el ser humano que no sera posible entender sin l el flujo de la historia ni, por supuesto, las sociedades contemporneas. As se ha considerado desde antiguo, hasta el punto de considerar su descubrimiento el hito que marca un antes y un despus en las sociedades prehistricas.

En 1836 el dans C. J. Thomsen expone el Sistema de las Tres Edades para clasificar para el material prehistrico, propone que los materiales se dividan segn provengan de la Edad de Piedra, de la Edad del Bronce o de la Edad del Hierro. Este sistema fue rpidamente aceptado por los investigadores y supuso un importante avance conceptual. Los artefactos prehistricos podan ordenarse cronolgicamente y, as, se proporcionaba un mtodo eficaz para el estudio del pasado. Hoy da dicha clasificacin, con modificaciones que no dejan de ser importantes, sigue vigente.

La Etapa Pre metalrgica, Se hallan evidencias de que el hombre prehistrico se vio fascinado desde pocas tempranas por los minerales metlicos, en unos casos por su particularidad o belleza y en otros por su capacidad para utilizarlos en la decoracin del cuerpo, tejidos o diversas superficies. El primer metal que se trabaj, sin duda por la facilidad de hacerlo, fue el cobre nativo. Este tipo de cobre fue un gran descubrimiento ya que facilitaba de mucho varias tareas del hombre sus caractersticas era que el cobre nativo se puede trabajar en fro, por martillado, pero tambin se puede calentar para aumentar su maleabilidad y disminuir su fragilidad. Lo que s sabemos es que el cobre, nativo o mineral, se fundi y se introdujo en moldes ya en el V Milenio a C. (Metalprehis: 2005:2)

El oro fue uno de los metales trabajados de Forma premetalugica, el martillado se vuelve ms fcil gracias a las pepitas de oro; el platino y la plata nativa, muy escasa en estado natural. Todos los anteriores asociados a trabajos de orfebrera.

Tradicionalmente se ha considerado la aparicin de la metalurgia un como el hito que marca un antes y un despus en la prehistoria, sin embargo, para algunos autores actuales la metalurgia sera una "innovacin tecnolgica relativa".

Es casi seguro que las tcnicas metalrgicas se conocieran desde el VII al VI Milenio a C. en la zona del Prximo Oriente, sin embargo, tuvieron un escaso impacto en la sociedad o economa de la poca. Ya en el V Milenio a C. s encontraron objetos metlicos que alcanzan su significacin en contextos metalrgicos plenos y, a finales del V y principios del IV Milenio encontraron en el actual Irn centros especializados en la reduccin del cobre.

La Edad del Bronce las fusiones cuprferas de la antigedad se ejecutaban con elementos como el antimonio, el plomo o el arsnico pero, no obstante el uso de este ltimo es bastante frecuente en establecidos momentos, la aleacin reina es, sin duda la del cobre con estao, es decir el bronce.

El arsnico poda relacionarse al cobre mediante fusin o cementacin, pero uno y otro son tcnicas mal conocidas. La utilizacin del arsnico en su fusin con el cobre es bastante peligrosa por las emanaciones de gases que produce, sin embargo parece que los metalrgicos prehistricos tenan el proceso bien controlado.

El estao adquiere su valor metalrgico por su asociacin con el cobre; la Edad del Hierro, los primeros en entrar en la Edad del Hierro fueron los hititas en el rea de Palestina y solo fueron necesarios unos siglos para que a continuacin lo hiciera todo el mundo antiguo. Aunque el trabajo del hierro es el ms difcil de realizar de entre todos los metales, las posibilidades que ofrece, su mayor eficacia y la dificultad de abastecerse de cobre y estao hicieron que el hierro substituyera a las labores asociadas al cobre de manera bastante rpida. El mineral de hierro es muy abundante en la tierra, supone el 5% del peso de la corteza terrestre, por lo que su aprovisionamiento no es difcil, pero sin embargo, son necesarios combustibles de una alta capacidad calorfica para su reduccin, generalmente se utiliz el carbn vegetal.

La Edad del Hierro empieza a finales del II Milenio a C. y el discernimiento del carburado fue definitivo en su expansin. El conocimiento de la siderurgia se desarroll rpidamente, gracias a la abundancia de hierro que exista y a los muchos bosques que viabilizaban la obtencin de grandiosas cantidades del carbn vegetal obligatorio para su tratamiento.

La dificultad existente a la hora de establecer secuencias tpicas en el desarrollo de la metalurgia. Por ejemplo Renfrew, siguiendo a T. Wertime, propone un modelo de desarrollo de las primeras metalurgias, seguiran las siguientes fases:

1. Utilizacin del cobre nativo1. Martilleo en fro del cobre nativo.1. Calentamiento del cobre nativo.1. Fusin del cobre a partir del mineral.1. Colado del cobre en un molde abierto.1. Molde de ncleo y uso del molde en dos piezas.1. Aleacin con arsnico o con estao.1. Moldeo mediante la tcnica de la cera perdida.

A partir de tiempos muy antiguos, el uso de ciertos metales conocidos, como el cobre, hierro, plata, plomo y estao, se convirti en necesario para la evolucin de las diferentes civilizaciones. Gracias a esto, la metalurgia es una actividad a la que el ser humano ha consagrado grandes esfuerzos. (Metalprehis: 2005:3)

1.1.1. Caractersticas del sector La metalurgia en Bolivia es factor fundamental para el desarrollo del pas, no obstante no existen muchas empresas dedicadas a este rubro, lo que ms se expandi son las pequeas fbricas que realizan trabajos de fundicin espordicos y a pedido de clientes especficos.

La industria del metal constituye una de las industrias ms importantes de los pases industrializados. En el caso de Bolivia el grado de madurez de este sector no es alto, en tiempos coloniales posea las reservas ms grandes del mundo en oro, plata y hierro llegando esas monedas a dispersarse por todo el mundo, tambin se debera sealar que Bolivia se constituy en uno de los principales pases productores de estao, llegando a ser el primer productor mundial de este metal a inicios del siglo XX, aproximadamente, pero. La economa boliviana dependa mucho de los precios de este mineral en el mercado mundial durante dcadas. Hoy en da las principales exportaciones bolivianas estn compuestas por minerales como el zinc o el estao, gas natural y soya. (Opinin, 2012:3)

La fundicin de materiales como el hierro, acero y metales blancos a menudo son un exponente del desarrollo industrial de un pas.

El adecuado planteamiento de la industria metalrgica tiene una importancia notable en el desenvolvimiento de otras industrias que se proveen de ella, como son la construccin de electrodomsticos, automviles, maquinaria en general, construccin de edificios, y otras numerosas industrias fundamentales para la produccin de bienes y servicios. Es por ello que en muchos pases, an en los ms industrializados, la metalurgia est protegida, o especialmente atendida y vigilada por el estado.

En Bolivia contamos con varias plantas metalrgicas pequeas que funden chatarra para producir vlvulas y accesorios en bronce, latn, aluminio y piezas de hierro. Otra actividad en este sector es el reciclado de bateras de plomo, en calidad de chatarra de estao, que producen tubos, bateras reconstituidas y soldaduras.

Otro dato importante es la construccin de plantas metalrgicas de gran capacidad, para la fabricacin de acero, como es el caso de la firma JINDAL en el pas:

El presidente Evo Morales entreg 5.537 hectreas de tierras saneadas a la siderrgica india Jindal Steel & Power y arranc, en los hechos, el proyecto de produccin de mineral de hierro en el yacimiento del Mutn, ubicado al este del pas.

Cerca de tres aos despus de suscribir con la Jindal un contrato de riesgo compartido para la explotacin de uno de los mayores yacimientos de hierro y manganeso del planeta.

Los acuerdos alcanzados con la empresa india deben cumplir los objetivos del emprendimiento minero ms grande de la historia boliviana. La inversin est garantizada mediante las boletas bancarias de garanta, como tambin las plizas de seguro para que la empresa comience el trabajo de produccin de hierro. Jindal, que tiene comprometida una inversin para la primera parte del proyecto siderrgico, el primero en la historia de Bolivia, de 2.200 millones de dlares, proyecta crear fuentes de empleo directo e indirecto para 10.000 familias bolivianas.

Se estima que a Bolivia ingresar 8.000 millones de dlares por efecto de la explotacin del yacimiento de hierro, uno de los ms promisorios del planeta.

El Mutn es uno de los mayores yacimientos del mundo, con una reserva calculada en 40.000 millones de toneladas de hierro y 10.000 millones de toneladas de manganeso, cercano a la frontera sudoriental boliviana con Brasil y prximo a la hidrova Paraguay-Paran (Opinin, 2012:3)

Esto presenta una gran oportunidad de trabajo para las empresas de metalurgia en Bolivia, con esta clase de contratos no solo las empresas grandes ganan, sino tambin las empresas chicas que se dedican a la fundicin en pequea escala, estas podrn encontrar trabajo en la produccin de repuestos de las maquinarias que sern utilizadas en este proyecto y trabajos indirectos que este plan ira solicitando.

1.1.2. Productos de la metalurgia

Grafico n.- 1-1Metales ferrosos

Fuente: Empresa Tecnofun/2012

Grfico n.- 1-2 Metalesnoferroso

Fuente: Empresa Tecnofun/2012

1.1.3. Produccin del hierro y el aceroEl diagrama general de la fusin primaria del hierro integra a la mayora de las actividades que se desarrollan en el proceso productivo. No se debe olvidar que los diagramas de flujo son una de las herramientas utilizadas por los ingenieros y que de manera automtica los deben aplicar o elaborar.Figura n.- 1-1 Proceso de obtencin del arrabio.

El consumo mundial de productos de acero acabados en 2005 registr un aumento de aproximadamente un 6% y supera actualmente los mil millones de toneladas. La evolucin del consumo aparente resulta sumamente dispar entre las principales regiones geogrficas. El consumo aparente, excluida China, experiment una cada del 1,0% debida, fundamentalmente, a la notable disminucin observada en Europa y Norteamrica. China, por el contrario, registr un incremento del consumo aparente del 23% y representa en la actualidad prcticamente un 32% de la demanda mundial de acero. En Europa y Norteamrica, tras un ao 2004 marcado por un significativo aumento de los stocks motivado por las previsiones de incremento de precios, el 2005 se caracteriz por un fenmeno de reduccin de stocks, registrndose la siguiente evolucin: -6% en Europa, -7% en Norteamrica, 0,0% en Sudamrica, +5% en CEI, +5% en Asia (excluida China), +3% en Oriente Medio (Wikipedia, la enciclopedia libre, 2006:8).

La produccin mundial de acero bruto en 2005 ascendi a 1.129,4 millones de toneladas, lo que supone un incremento del 5,9% con respecto a 2004. Esa evolucin result dispar en las diferentes regiones geogrficas. El aumento registrado se debe fundamentalmente a las empresas siderrgicas chinas, cuya produccin se increment en un 24,6%, situndose en 349,4 millones de toneladas, lo que representa el 31% de la produccin mundial, frente al 26,3% en 2004. Se observ asimismo un incremento, aunque ms moderado, en India (4-16,7%). Asia produce actualmente la mitad del acero mundial, a pesar de que la contribucin japonesa se ha mantenido estable. Paralelamente, el volumen de produccin de las empresas siderrgicas europeas y norteamericanas se redujo en un 3,6% y un 5,3% respectivamente (Fuente: Wikipedia, la enciclopedia libre). Los procesos para la obtencin de hierro fueron conocidos desde el ao 1200 a.C. Los principales minerales de los que se extrae el hierro son:

Cuadro n.- 1-1MineralesHematita (mena roja)70% de hierro

Magnetita (mena negra)72.4% de hierro

Siderita (mena caf pobre)4 8.3% de hierro

Limonita (mena caf)60-65% de hierro

La mena caf es la mejor para la produccin de hierro, existen grandes yacimientos de este mineral en Estados Unidos y en Suecia. En todo el mundo se pueden encontrar grandes cantidades de pirita, pero no es utilizable por su gran contenido de azufre.

Figura n.- 1-2 Forma Fsica: a) Magnetita, b) Hematites Roja, c) Limonita o Hematites Parda.

Para la produccin de hierro y acero son necesarios cuatro elementos fundamentales:

1. Mineral de hierro1. Coque1. Piedra caliza1. AireLos tres primeros se extraen de minas y son transportados y preparados antes de que se introduzcan al sistema en el que se producir el arrabio.El arrabio es un hierro de poca calidad, su contenido de carbono no est controlado y la cantidad de azufre rebasa los mnimos permitidos en los hierros comerciales. Sin embargo es el producto de un proceso conocido como la fusin primaria del hierro y del cual todos los hierros y aceros comerciales proceden.

A la caliza, el coque y el mineral de hierro se les prepara antes de introducirse al alto horno para que tengan la calidad, el tamao y la temperatura adecuada, esto se logra por medio del lavado, triturado y cribado de los tres materiales.

En nuestro pas actualmente se tienen industrias que realizan este trabajo, sin embargo la produccin de acero es insuficiente ante la creciente demanda de repuestos de grandes empresas transnacionales como los son INTI RAYMI y SAN CRISTOBAL, solo mencionar algunos ejemplos. Las empresas nacionales dedicadas al rubro de la fundicin utilizan mtodos que en su mayora son por procesos de fusin por induccin, entre estas se citan: Industrias Eduardo, Fundicin Chavarria, Tecno Acero entre otras. Y mtodos de fusin por arco elctrico los utilizan: Fundicin Aceros Tesa, Fundicin Taurus y Fundicin Catavi (otrora parte de la COMIBOL, que actualmente est paralizada).

De la misma manera en los ltimos tiempos en nuestro pais se ha descubierto un gran potencial siderrgico (YACIMIENTO DEL MUTN), con una reserva importante de hierro con una pureza (riqueza) promedio del 50 %, que es la materia base de las diferentes aleaciones de acero. La empresa que realiza los trabajos de montaje de la planta (JINDALL STEEL), realizar los trabajos de transformacin del mineral de hierro en acero (perfiles, planchones, palanquilla y fierro de construccin). Dentro de todo este proceso dicha empresa utilizar un horno elctrico por arco para transformar los pellets de hierro en acero para su posterior obtencin de los productos anteriormente mencionados, mediante un proceso denominado colada continua.

1.2. ANTECEDENTES ESPECFICOS DE LA EMPRESATECNOFUN es una empresa boliviana especializada en la fabricacin de piezas y repuestos para la industria nacional, la orientacin hacia las exigencias de los clientes han logrado marcar una diferencia en la calidad y el costo as como las crecientes exigencias del mercado para desarrollar relaciones de largo aliento en el tiempo con proveedores y clientes.

1.2.1. Misin La misin es un importante elemento de la organizacin estratgica porque es a partir de sta que se formulan objetivos, los cuales guiaran a la empresa a cumplir con sus objetivos, la misin de TecnoFun es:

Nuestro objetivo, es brindar un servicio y un producto integral optimo en calidad y costo para nuestros clientes.

1.2.2. Visin La visin se ejecuta expresando una imagen ideal del proyecto y ponindola por escrito, a fin de establecer el sueo de lo que debe ser en el futuro la empresa, en este caso la visin de TecnoFun es la siguiente:

TECNOFUN ser una empresa con tecnologa de punta que ingresar al mercado de fundicin de acero estableciendo mercado a nivel local nacional e internacional para piezas fundidas as como la produccin de mquinas terminadas otorgndole un valor agregado a nuestros productos.

1.2.3. Breve resea histricaLa produccin de mquinas para el mercado internacional es el desafo propuesto por la empresa Tecnologas en fundiciones SMM SRL, que fabrica accesorios y repuestos de hierro y otros metales para la industria nacional.

El Gerente General Lic. Alex Mallcu Lupe junto al Gerente de Produccin Ronmel Ernesto Mrida Diaz impulsan el emprendimiento que planea su internacionalizacin y liderar el mercado interno hasta el 2011.

En agosto de 2007 los seores Alex Mallcu Lupe y Ronmel Ernesto Mrida Diaz empiezan a formular un plan de negocio y vislumbran que exista una oportunidad en el sector de la metalurgia.

De esa manera, el plan de negocios se transformo en un proyecto slido y el 17 de diciembre de 2008, se constituyo la sociedad Tecnologas en Fundiciones SMM SRL. Tras tres meses de instalacin y pruebas de produccin, el emprendimiento se puso en marcha y hoy se encuentra en pleno proceso de crecimiento.

Hoy la empresa presta servicios con la dotacin de piezas y repuestos a empresas que trabajan con cermica y ladrillo, complejos industriales, fbricas de mquinas, productoras de plstico, maestranzas, as como torneras y todo cliente que requiera de sus productos y servicios.

El Gerente General Lic. Alex Mallcu Lupe sostiene que actualmente TecnoFun se concentra para satisfacer la demanda interna y reducir las importaciones de productos fundidos, repuestos y piezas de mquinas de todo tipo.

La oferta de la empresa es un servicio integral de asesoramiento tcnico en el diseo de productos, eleccin de materiales y amplia experiencia en el desarrollo de las piezas. (Empresa Tecnofun/2012)

La produccin de piezas seriadas y artesanales se desarrolla con las normas de calidad y se presenta con precios competitivos en el mercado. Tras consolidarse en el mercado nacional, el siguiente paso de TecnoFun ser llegar a la fundicin de acero y generar las piezas fundidas, repuestos y accesorios de mquinas, as como la produccin de mquinas y equipos para la industria nacional.

Operan como una Cadena de Valor multiplicada:

Generacin, captacin, transferencia de conocimientos y aplicaciones, que culminan en el desarrollo de producto, proceso y servicios tecnolgicos.

Sin duda la participacin de los proveedores de materia prima como ser: Chatarreros, lminas, explotadoras de Mutun, recicladores de chatarra, etc. As como los clientes finales: Empresas, instituciones, fbricas, etc. son parte fundamental para el desarrollo de los productos de la empresa y la creacin de fuentes de empleo. Los productos que se realizan cuentan con garanta absoluta de rendimiento y durabilidad. (Empresa Tecnofun/2012)

1.2.4. Ubicacin de la empresa La nueva planta de fundicin se ubica en los ambientes de propiedad de Ronmel Mrida la ciudad de Cbba, situada en la calle Jorge Udaeta S/N., zona Sarcobamba. La localizacin y acceso al lugar conforman un beneficio estratgico para empresas que se dedican a este rubro.

Cuadro N.- 1-2Ubicacin de la empresa TECNOFUN

Fuente: Tecnofun/2012

1.2.5. Breve anlisis de la infraestructuraLa empresa Tecnofun cuenta con dos partes el taller de trabajo y la oficina administrativa, el taller de trabajo se divide en varios sectores que son utilizados para diferentes fines. Todos estos sectores se agrupan y forman un sistema de produccin el cual detallaremos ms adelante. La oficina administrativa ocupa un lugar fsico mnimo ya que es un cuarto con dependencias sanitarias al fondo de la empresa.

1.2.6. Sistema de produccin Un sistema de produccin da a conocer una estructura que facilite la descripcin y la realizacin de un proceso de bsqueda.

La fundicin en la empresa Tecnofun contempla los siguientes sectores:

Fundicin ferrosa Fundicin no ferrosa Sector moldeo en Verde Sector moldeo en Resinas Sector preparacin de Arenas Sector Tratamiento trmico Sector preparacin de Carga Sector Limpieza y Acabado Sector de Macheria Laboratorio de Anlisis y qumico de arenas Oficina Tcnica Taller de Modelacin

1.2.7. Productos y servicios de la empresaLos productos de esta empresa son piezas de metales fundidos cuya unidad de medida sern los kilos Hierro fundido Bronce fundido Aluminio fundido

Estas Piezas pueden ser de diferentes formas, medidas, tamaos, pesos, como ejemplo estn las poleas, las ruedas, los volantes, los descanses, las catalinas, las tapas de alcantarilla, las cajas de agua, las bombas de vacio etc. Repuestos y piezas de toda la industria en general, se muestra un resumen en la siguiente tabla:

Tabla n.- 1-1 RepuestosMINERA

POLEAS Y ROLDANAS

TORNERIA

CAJAS DE AGUA

INDUSTRIA DE LADRILLOS

TAPAS PARA ALCANTARILLA

MEZCLADORAS, GUINCHES, MQUINAS

INDUSTRIALES

CERMICAS

Fuente: Elaboracin propia, 20121.2.8. Recursos humanos de la empresa TecnofunLa empresa se encuentra en etapa de crecimiento y expansin en el mercado cochabambino, los empleados requeridos para la atencin de la demanda del mercado por el momento son 12 personas.

El departamento de produccin cuenta con 8 personas encargadas de controlar todo este proceso dando a conocer y remediando errores como ser la falla de alguna maquina o algn producto defectuoso, el departamento de administracin cuenta con 3 personas el gerente general, el gerente de produccin y el contador. Como staff independiente est la cocina ya que la mayor parte de los empleados se alimentan en la empresa.

a) Organigrama de la empresa TecnofunEste caso cuenta con un organigrama micro administrativo presentado de manera funcional. Grafico n.- 1-3 Organigrama de la empresaObrero 1Encargado de maquina 1Gerente GeneralGerente de ProduccinContador de la empresaCocinaEncargado de maquina 2

Encargado de maquina 4

Obrero 3

Obrero 2

Encargado de maquina 3

Obrero 4

Fuente: Elaboracin propia, 2012Una manera caracterstica de describir la estructura es por medio del organigrama Impreso, en el que se especifican las redes de autoridad y comunicacin formales de la Organizacin. A menudo, el organigrama es un modelo simplificado de la estructura. No Es una representacin exacta de la realidad y por lo tanto tiene limitaciones. Muestra Slo algunas relaciones aun en el nivel de la organizacin formal, y ninguna en la organizacin informal. (Kast; Freemont; James E; Rosenzweig, 2006:10)

1.2.9. Descripcion del problemaCul es la problemtica?La problemtica que se pretende resolver es la necesidad de contar con un horno elctrico por arco para la empresa de fundiciones TECNOFUN, ya que con ese horno permitir las fundiciones de aceros de diferentes variedades e incluso algunas aleaciones. Este proceso tambin permite obtener elevadas temperaturas suficientes para la fundicin del acero y otras aleaciones especiales.

Por qu un horno elctrico por arco?En primer trmino un proceso de fusin mediante este tipo de horno, nos permite fundir aceros de diferentes variedades e incluso algunas aleaciones. Este proceso tambin permite obtener elevadas temperaturas suficientes para la fundicin del acero y otras aleaciones especiales.

Cul es la aplicacin de la fundicin en el desarrollo de los pases?Es sumamente elevada la importancia de la produccin de piezas fundidas, casi todas las mquinas y aparatos tienen piezas de fundicin. No hay rama en la construccin de maquinaria, la industria de fabricacin de aparatos y en la misma construccin, donde no se utilicen piezas fundidas. La fundicin es uno de los mtodos ms viejos utilizados an en la antigedad para producir artculos de metal, inicialmente se cobre y bronce, luego de hierro colado y ms tarde de acero y otras aleaciones. El rpido desarrollo de la tecnologa plantea ante la produccin de piezas fundidas el problema de la satisfaccin de las demandas de las diferentes ramas de la industria en piezas fundidas y elevacin constante de su produccin. Es por esa razn que se han desarrollado mtodos de fundicin con el fin de obtener piezas fundidas de diversas caractersticas, como por ejemplo los aceros en sus diferentes variedades, que en hornos que utilizan combustibles es muy difcil su obtencin y adems el costo que representa, as como su impacto ambiental y regular distribucin.1.3 OBJETIVOSDentro de los objetivos se tiene:

1.3.1 Objetivo generalProponer el diseo de este horno tomando en cuenta que esto incluye la estructura metlica (parte mecnica) y su mando respectivo (sistema elctrico), con una capacidad de 500 kg.

1.3.2. Objetivo especficoDentro de los objetivos especficos se tiene:

Determinar y obtener informacin de las variables que permiten el funcionamiento de estos hornos. Hacer el estudio de las ventajas y desventajas que este tipo de horno tiene respecto a los otros. Determinar el tamao y la capacidad adecuada tomando en cuenta el estudio en el consumo elctrico. Analizar algunos fenmenos relacionados con su funcionamiento.

1.4 JUSTIFICACINLa empresa de fundicin TECNOFUN en su taller no cuenta con materiales y equipos adecuados relacionado con el actual avance siderrgico en el mundo y en particular Bolivia. Por lo tanto el presente trabajo pretende proponer un equipamiento significativo en el taller de la empresa para as contar con materiales y equipos.

Es de conocimiento nacional e internacional que Bolivia posee un yacimiento rico en hierro con una reserva que dentro los prximos 40 aos solo se explotar el 2% de toda esta riqueza (Fuente: Matutino EL DEBER 2012).

Figura n.- 1- 3 Proceso Industrial del Mutn (Fuente: EL DEBER)

1.5 MARCO METODOLGICOEste tema de investigacin es bastante amplio porque en forma general abarca muchas reas relacionadas a la INGENIERA MECNICA Y ELCTRICA en particular, pero se va a requerir otras que darn su aporte significativo. Se utilizar algunos cuadros estadsticos comparando variables de funcionamiento.

Se har clculos de las partes crticas elctricas y mecnicas, utilizando para ello softwares de respaldo y dibujo.

CAPTULO IIMARCO TEORICO

2.1. PROCESOS DE FUNDICIONDentro de los procesos de fundicin se tiene:

2.1.1. HORNOS ELCTRICOSUn horno de arco elctrico (siglas en ingls: EAF "Electric Are Furnace") es un horno que se calienta por medio de un arco elctrico. Los tamaos de un horno de arco elctrico van desde la tonelada de capacidad (utilizado en fundiciones) hasta las 400 toneladas de capacidad utilizada en la industria metalrgica. Adems, existen hornos de laboratorio que tienen una capacidad de apenas doce gramos. La temperatura en el interior de un horno de arco elctrico puede alcanzar los 1800 grados celsius (C), (Astigarraga, 2006:5).

2.1.2. Historia de los hornos elctricosEl primer horno elctrico de arco fue desarrollado por el francs Paul Hroult, con una planta comercial establecida en EE.UU. en 1907. En principio, el acero obtenido en horno por arco elctrico era un producto especial para la fabricacin de mquinas herramienta y de acero para resortes. Tambin se utilizaron para preparar carburo de calcio para lmparas.

En el siglo XIX, el horno de arco elctrico se empez a emplear en la fundicin de hierro. Sir Humphry Davy llev a cabo una demostracin experimental del horno en 1810; el mtodo de soldadura por arco elctrico fue investigado por Pepys en 1815; Pinchn intent crear un horno electrotrmico en 1853; y, en 1878 - 79, Sir William Siemens patent el horno de arco elctrico. El horno elctrico de Stassano era un horno de arco que rotaba para mezclar la colada.

Los hornos de arco elctrico fueron utilizados en la Segunda Guerra Mundial para la produccin de aleaciones de acero, fue despus cuando la fabricacin de acero por este mtodo comenz a expandirse. El bajo coste en relacin a su capacidad de produccin permiti establecerse nuevas aceras en Europa en la postguerra, y tambin permiti competir en bajo coste con los grandes fabricantes de Estados Unidos, tales como Bethlehem Steel y U.S. Steel, con productos de viguera, embarrados, cables y laminados para el mercado estadounidense. Cuando Nucor, que ahora es uno de los mayores productores de acero de los Estados Unidos, decidi entrar en el mercado de aceros alargados en 1969, comenzaron con una acera pequea, en cuyo interior se encontraba el horno de arco elctrico, y que pronto le siguieron otros fabricantes. Mientras Nucor creca rpidamente a lo largo de la costa este de los Estados Unidos, las empresas que le seguan con operaciones mercantiles localizadas para aceros alargados y viguera, donde el uso del horno de arco elctrico permita flexibilidad en las plantas de produccin, adaptndose a la demanda local. Este mismo patrn fue seguido en otros pases, en donde el horno de arco elctrico se utilizaba principalmente para produccin de viguera (Astigarra, 2006:7).

En 1987, la compaa Nucor tom la decisin de expandir su negocio en el mercado de productos laminados, utilizando para ello el horno de arco elctrico. El hecho de que un horno de arco elctrico use acero procedente de chatarra como materia prima tiene un impacto en la calidad de un producto laminado, debido al control de calidad limitado sobre las impurezas que contienen un acero procedente de chatarra (Astigarra, 2006:7).

Figura n.- 2-1 Taller de fundicin con dos hornos de arco elctrico.

2.1.3. Caractersticas de los hornos elctricosProducen temperaturas muy elevadas y son los ms indicados para la desulfuracin y desfosforacin de la fundicin y para la obtencin de aceros especiales, porque en ellos el metal que se elabora se halla ya libre de todo cuerpo extrao (aire, gas, carbn, etc.).Pueden usarse para el afinamiento de la fundicin cargndolos de trozos de hierro, virutas, etc. Y haciendo luego la adiccin de los elementos necesarios. La potencia de los hornos elctricos se expresa por los kilovatios (kW) de corriente absorbida, que en los hornos de gran capacidad sobrepasan el millar. La cantidad de calor que produce un kHh se obtiene por la frmula:

Q m 0.00024 * 1000 * 3600 = 864 (Caoras)

Los hornos elctricos pueden ser de resistencia, de arco y de induccin.

1. HORNO DE RESISTENCIASe basa en el principio de que un cuerpo conductor atravesado por la corriente elctrica se calienta hasta fundirse. Prcticamente estos hornos (construidos con materiales de alta resistencia elctrica) se usan hoy ms bien para producir temperatura hasta 1000 C para los distintos tratamientos trmicos, y muy pocos para fusin de acero (Astigarra, 2006:10).

1. DE ARCO VOLTAICOEs un flujo de chispas entre dos conductores elctricos aproximados, que da una luz vivsima y una temperatura de 3000C. Un polo est constituido por electrodos de grafito o de carbn y el otro es el mismo acero que se quiere fundir.

Figura n.- 2-2 Arco Elctrico en un horno.

En este sistema, que es el ms empleado, la corriente pasa a travs del material y se llama por esto arco directo, mientras que si el arco se establece entre los extremos se llama arco indirecto.

Existen y funcionan hornos por arco de varios tipos (Stassano, Heroul, Girod, Fiat, etc.) formados por un recipiente cilndrico de chapas y perfilados de hierro revestido de material refractario cubiertos de un cielo raso que los cierra completamente. En la parte delantera hay una puerta para la carga del material y el agujero de colada; en el cielo raso se encuentran tres agujeros para el paso de los electrodos. La base es curva y apoya sobre los rieles de manera que se puede inclinar para verter la colada. Los hornos de arco funcionan con un voltaje muy bajo (150 voltios) y fuerte amperaje (1500 a 4000 amperios), y la regulacin de los electrodos es automtica (Astigarra, 2006:12).

1. De induccinNo es ms que un gran transformador en el cual el circuito secundario est constituido por material a elaborar. En ellos la corriente de las lneas que circula en las bobinas es de poca intensidad y de gran voltaje, mientras que la corriente inducida en el circuito secundario, formado por el material metlico colocado en la solera o crisol del horno y es de poco voltaje y gran intensidad. Es este fuerte amperaje lo que determina en el horno este aumento de temperatura que funde el acero colocado en el crisol.

Figura n.- 2.3 Homo de Induccin.

Para iniciar el trabajo en esta clase de hornos hay que depositar en la solera una chapa bien caliente sobre la cual se hace luego la carga del material a tratar. Aunque ms costosos que los hornos a combustin, los elctricos son preferidos por la uniformidad de calentamiento y por la pureza y homogeneidad de los aceros obtenidos (Astigarraga, 2004:13)

Figura n.- 2.4 Esquema de un Horno Elctrico de induccin.

El funcionamiento del Horno de induccin es el siguiente:

1. Por medio del control de velocidad se hace funcionar el motor para proporcionarle energa mecnica al alternador de alta frecuencia.

1. El alternador de alta frecuencia proporciona la energa alterna utilizada por el horno de induccin, esta energa pasa a travs de un banco de capacitores automticos para poder regular el factor de potencia.

1. Un sensor de temperatura registra la temperatura del horno, la seal es transmitida a un indicador de temperatura y a su vez a un controlador o variador de velocidad.

1. El variador de velocidad regula las revoluciones por minuto, al hacer esto esta variando la frecuencia del alternador.

1. Los hornos de induccin utilizan un tipo de simbologa que mostramos a continuacin:

Figura n.-2.5Simbologa utilizada en un homo de Induccin.

c.1) Ventajas y Desventajas del horno de InduccinSe tiene a los siguientes:

Los hornos son siempre rebatibles mecnica o hidrulicamente, y llevan el perno de rotacin bajo la piquera de colada. Los hornos emplean corriente monofsica si son de poca capacidad, y corriente trifsica, con ms c anales, si son grandes. El factor de potencia es, aproximadamente 0,70 lo que obliga, en la mayora de los casos, a acoplar uno o ms condensadores para aumentarlo a 0,80. Las prdidas de material por oxidacin son mnimas y el funcionamiento resulta econmico. Su produccin es de gran calidad, con oxidaciones muy reducidas y anlisis constantes. Se obtiene tambin la supresin de los electrodos, una economa en los gastos de funcionamiento y un menor consumo de corriente elctrica. Los gastos de instalacin son muy elevados. Se emplean particularmente en las fundiciones de aceros aleados especiales o de aleaciones de hierro colado y en menor escala en las fundiciones de hierro colado gris.

Son menos riesgosos para la planta. No hacen ruido. No son construidos en el pas (Astigarra, 2006:15).

2.2. CARACTERSTICAS DE LOS ACEROSAunque es difcil establecer las propiedades fsicas y mecnicas del acero debido a que estas varan con los ajustes en su composicin y los diversos tratamientos trmicos, qumicos o mecnicos, con los que pueden conseguirse aceros con combinaciones de caractersticas adecuadas para infinidad de aplicaciones, se pueden citar algunas propiedades genricas:

Su densidad media es de 7850 kg/m3. En funcin de la temperatura el acero se puede contraer, dilatar o fundir. El punto de fusin del acero depende del tipo de aleacin. El de su componente principal, el hierro es de alrededor de 1510 C, sin embargo el acero presenta frecuentemente temperaturas de fusin de alrededor de 1375 C (2500 F) . Por otra parte el acero rpido funde a 1650C Su punto de ebullicin es de alrededor de 3000 C (5400 F). Es un material muy tenaz, especialmente en alguna de las aleaciones usadas para fabricar herramientas. Relativamente dctil. Con l se obtienen hilos delgados llamados alambres. Es maleable. Se pueden obtener lminas delgadas llamadas hojalata. La hojalata es una lmina de acero, de entre 0,5 y 0,12 mm de espesor, recubierta, generalmente de forma electroltica, por estao. Permite una buena mecanizacin en mquinas herramientas antes de recibir un tratamiento trmico. Algunas composiciones y formas del acero mantienen mayor memoria, y se deforman al sobrepasar su lmite elstico (Heredia, 2004: 10).

La fusin consiste en hacer pasar los metales y sus aleaciones del estado slido al estado lquido, generando determinada cantidad de calor, bien definida y caracterstica para cada metal o aleacin. Dependiendo de su contenido en carbono se clasifican en:

Acero bajo en carbono: menos del 0,25% de C en peso. Son blandos pero dctiles. Se utilizan en vehculos, tuberas, elementos estructurales, etc. Tambin existen los aceros de alta resistencia y baja aleacin, que contienen otros elementos aleados hasta un 10% en peso; tienen una mayor resistencia mecnica y pueden ser trabajados fcilmente. Acero medio en carbono: entre 0,25% y 0,6% de C en peso. Para mejorar sus propiedades son tratados trmicamente. Son ms resistentes que los aceros bajos en carbono, pero menos dctiles; se emplean en piezas de ingeniera que requieren una alta resistencia mecnica y al desgaste. Acero alto en carbono: entre 0,60% y 1,4% de C en peso. Son an ms resistentes, pero tambin menos dctiles. Se aaden otros elementos para que formen carburos, por ejemplo, con wolframio se forma el carburo de wolframio, estos carburos son muy duros. Estos aceros se emplean principalmente en herramientas. Tambin existe otra clasificacin de los aceros al carbono (sin alear) segn su contenido en carbono: Los aceros hipoeutectoides, cuyo contenido en carbono a temperatura eutectoide (727C) oscila entre 0.02% y 0,77%. Los aceros eutectoides cuyo contenido en carbono es de 0,77%. Los aceros hipereutectoides con contenidos en carbono de 0,77% a 2,11% Aceros inoxidables: uno de los inconvenientes del hierro es que se oxida con facilidad. Hay una serie de aceros a los que se les aaden otros elementos aleantes (principalmente cromo) para que sean ms resistentes a la corrosin, se llaman aceros inoxidables. Fundicin: cuando el contenido en carbono es superior a un 2,11% en peso, la aleacin se denomina fundicin. Generalmente tienen entre un 3% y un 4,5% de C en peso. Hay distintos tipos de fundiciones (gris, esferoidal, blanca y maleable); segn el tipo se utilizan para distintas aplicaciones: en motores, vlvulas, engranajes, etc. Como se comprende fcilmente, despus de que ha alcanzado la temperatura o punto de fusin es necesario aplicar ms calor para poder transformar el metal o la aleacin de slido a lquido. Durante este periodo la temperatura no aumenta y la cantidad de calor generada destinada solamente a disgregar el estado slido, se llama calor latente de fusin. Si cuando toda la masa es lquida, se contina generando calor, la temperatura vuelve a aumentar y el metal se recalienta (Heredia, 2004: 10).

La siguiente tabla indica los puntos de fusin, calores especficos medios y calores latentes de fusin de algunos de los metales y aleaciones ms corrientes empleados en fundicin.

Cuadro 2.1 Propiedades de los materialesMetal6aleacinTemperatura de fusin CCalor especifico del slidoCalor especfico del liquidoCalor latente de fusin

Estao2320.0560.06114

Plomo3270.0310.046

Zinc4200.0940.12128

Magnesio6500.2572

Aluminio6570.230.3985

Latn9000.092

Bronce900 a 9600.09

Cobre10830.0940.15643

Fundicingris12000.160.2070

Fundicinblanca11000.16

Acero14000.1250

Nquel14550.1158

Fuente: Obtenido de "http://es.wikipedia.org/wiki/Acero

Figura n.- 2.6 Estructura Del Horno Elctrico Por Arco

2.3. ESTRUCTURA GENERAL DE UN HORNO POR ARCOSe utilizan, principalmente, para la fabricacin de acero a partir de chatarra y/o prerreducidos. En un horno elctrico de arco se pueden distinguir 3 partes fundamentales:

2.3.1. Parte mecnicaCompuesta de: Cuba. Anillos de bveda. Plataforma. Mecanismo de basculacin. Brazos porta electrodos y columnas. Mecanismo de accionamiento de electrodos. Superestructura. Vigas de suspensin de bveda. Mecanismo de elevacin y giro de bveda (Heredia, 2004: 20).

2.3.2. Parte elctricaCompuesta de: Seccionador de entrada. Interruptor general. Transformador de potencia, (reductor de tensin). Paneles de mando y control. Embarrado secundario. Batera de condensadores.

2.3.3. Elementos complementariosSe tiene: Circuito hidrulico. Equipo de regulacin.

Por lo regular son hornos que slo se cargan con chatarra de acero de alta calidad. Son utilizados para la fusin de aceros para herramientas, de alta calidad, de resistencia a la temperatura o inoxidables. Considerando que estos hornos son para la produccin de aceros de alta calidad siempre estn recubiertos con ladrillos de la lnea bsica.

Existen hornos de arco elctrico que pueden contener hasta 270 toneladas de material fundido. Para fundir 115 toneladas se requieren aproximadamente tres horas y 50000 kWh. Tambin en estos hornos se inyecta oxigeno puro por medio de una lanza (Heredia, 2004: 22).

Los hornos de arco elctrico funcionan con tres electrodos de grafito los que pueden llegar a tener 760 mm de dimetro y longitud de hasta 12 m. La mayora operan a 150 V y la corriente elctrica es de 12000 A. Estos equipos tienen un crisol o cuerpo de placa de acero forrado con refractario y su bveda es de refractario tambin sostenida por un cincho de acero, por lo regular enfriado con agua. Para la carga del horno los electrodos y la bveda se mueven dejando descubierto al crisol, en el que se deposita la carga por medio de un puente gra. Estos equipos son los ms utilizados en industrias de tamao mediano y pequeo, en donde la produccin del acero es para un fin determinado, como varilla corrugada, aleaciones especiales, etc. (Heredia, 2004: 24).

2.4. SISTEMA ELCTRICODentro del marco terico del sistema elctrico mencionaremos lo siguiente:

2.4.1. ARCO ELCTRICOFigura n.- 2-7 Forma de un Arco Elctrico.

En electricidad se denomina arco elctrico o tambin arco voltaico a la descarga elctrica que se forma entre dos electrodos sometidos a una diferencia de potencial y colocados en el seno de una atmsfera gaseosa enrarecida, normalmente a baja presin, o al aire libre. Fue descubierto y demostrado por primera vez por el qumico britnico Humphry Davy en 1800. Para iniciar un arco se ponen en contacto, brevemente, los extremos de dos electrodos, usualmente en forma de lpiz, por lo general de grafito, y se hace pasar una corriente intensa a travs de ellos. Esta corriente provoca un gran calentamiento en el punto de contacto, que al separarse los electrodos, se forma entre ellos una descarga luminosa similar a una llama (Heredia, 2004: 30).

En un arco abierto al aire a presin normal el electrodo alcanza una temperatura de 3500 C. Durante el tiempo de la descarga se produce una luminosidad muy intensa y un gran desprendimiento de calor. Ambos fenmenos, en caso de ser accidentales, pueden ser sumamente destructivos, como ocurre con la perforacin de aisladores en las lneas de transporte de energa elctrica o de los aislantes de conductores y otros elementos elctricos o electrnicos.

2.4.2. Aplicaciones del arco elctricoEl arco elctrico utilizado de forma controlada se ha empleado como fuente de luz, antes de la invencin de la lmpara incandescente e incluso despus, en la industria cinematogrfica para conseguir fuertes intensidades luminosas en la filmacin de pelculas asi como en los proyectores de las salas de cine. Los efectos calorficos del arco elctrico se continan utilizando en la industria para la soldadura de metales y otros procedimientos metalrgicos. En este ltimo tipo de aplicaciones el intenso calor generado por el arco elctrico suele utilizarse en hornos especiales para fundir materiales refractarios. En este tipo de hornos pueden alcanzarse fcilmente temperaturas del orden de los 3500 C. La ventaja especial de este procedimiento es una completa independencia a la hora de elegir los productos a aplicar chatarra, esponja de hierro, arrabio asi como otro tipo de aleacin (Heredia, 2004: 33).

2.4.3. Aplicaciones en hornos elctricos de arcoLa energa elctrica tambin es muy utilizada para la produccin de calor por medio del arco voltaico en los hornos de fundicin, es posible fundir a partir de chatarra de hierro, de cobre o de otros metales, de difcil fusibilidad en hornos de reduccin de xidos metlicos (en estos ltimos los electrodos penetran en la masa constituida por los xidos metlicos a reducir).

2.4.4. Sistema elctrico del horno por arcoEn general, los hornos de arco se conectan a una lnea elctrica de 6.9 a 40 kV. Existen instalaciones conectadas directamente a una tensin de 130 kV e incluso 220 kV, pero lo ms frecuente es disponer un transformador escaln para pasar de la lnea de alta tensin (130 o 220 kV) a la tensin de entrada a la subestacin del horno, tal como se muestra en la figura.

Figura n.- 2-8 Esquema elctrico bsico

Dentro de una subestacin propia de horno los elementos principales son:

Los seccionadores de entrada con fusibles, (1) para la instalacin elctrica del horno y (2) para la puesta a tierra de la lnea de entrada.

El interruptor general (3), de diseo especfico para hornos de arco, que permite un alto nmero de maniobras de desconexin del horno en carga. Los dos tipos ms utilizados son el interruptor de vaco y el de aire comprimido, quedando para bajas potencias el interruptor magntico al aire. El transformador de horno (4) para reducir la tensin de entrada (10 a 40 kV y muy frecuentemente 30 kV) a las tensiones requeridas para el funcionamiento del horno.

Son frecuentes algunos casos:

El sistema de proteccin (5) con pararrayos auto valvulares de ZnO. El equipo de filtrado de armnicos y de correccin del flicker, cuando la capacidad de la lnea no es suficiente (Heredia, 2004: 35).

Figura n.- 2-9Esquema elctrico de la subestacin del horno.

A ambos lados del interruptor general (3) se disponen los transformadores de medida de tensin (6) e intensidad (7) en alta tensin. Asimismo en el lado secundario del transformador principal (4) se disponen los transformadores reductores de tensin y de medida de intensidad (8) , cuyas seales van al panel de control y al equipo de regulacin de electrodos.

Por las intensidades muy altas del circuito secundario a tensiones del orden de 1000 V y las elevadas tensiones del primario del transformador (normalmente 10 a 4 0 kV pero pudiendo llegar en ocasiones a 110 - 220 kV) , y cableado correspondientes para asegurar un funcionamiento continuo, en muchos casos de 24 horas/da, 7 das/semana.2.5. EFECTOS ELCTRICOS SOBRE LA LNEA DE SUMINISTROLa alimentacin elctrica de un horno de arco de alta potencia sufre unas variaciones en la potencia demandada que pueden ser elevadas, sobre todo en la primera parte de la fusin. La tensin en el arco no es sinusoidal, sino rectangular, lo que introduce armnicos en el circuito. Asimismo, la intensidad en el circuito secundario tampoco es exactamente sinusoidal aunque la desviacin es pequea. Finalmente, se pueden producir en el circuito de alta tensin puntas de tensin en determinadas circunstancias que aconsejan la instalacin de limitadores de tensin adecuados.

2.5.1. Parmetros elctricos de operacinEl circuito equivalente del horno de arco es muy simple:

Figura n.- 2-10 Circuito equivalente.

X es la reactancia del circuito, V es la tensin en vaco, Va es la tensin de arco e I es la corriente. El arco es resistivo, por tanto, la corriente est en fase con la tensin de arco. La tensin de arco es definida por la longitud del arco. Las principales correlaciones entre los parmetros son (para un circuito monofsico):

Puede ser incluida la resistencia de prdidas del circuito para calcular el rendimiento elctrico del horno.

Una pequea complicacin es el hecho de la reactancia del circuito variar en funcin de la etapa de operacin y del coseno fi. Por ese motivo, para hacer los clculos de los parmetros operacionales del horno generalmente es necesario partir de un determinado coseno fi y, para cada etapa de operacin, afectar a la reactancia del correspondiente factor operacional (que puede variar entre 1,05 e 1,45 aproximadamente).

2.5.2. Productividad y consumo de energaPara producir una tonelada de acero es necesaria una cantidad de energa que depende del tipo de carga metlica, del tipo de producto, de la temperatura final, del tipo y cantidad de escoria y de otros factores. Si el horno es mal operado, con elevados tiempos de paradas, con frecuentes aperturas de la bveda o con tiempos de afine muy dilatados, los consumos de energa por tonelada aumentan (Rojas, 2005: 5).

Sin embargo, de un modo general, para produccin de acero, en condiciones normales, se espera que el horno consuma aproximadamente 550 kWh por tonelada de acero

Una porcin de esa energa es normalmente producida por medios qumicos, generalmente inyectando oxigeno, ms la principal parte es suministrada por el arco elctrico. Como ejemplo, puede ser considerado un horno que opere consumiendo 30 Nm3 de oxigeno por tonelada de acero producida.

En este caso, la energa suministrada por la combustin del carbono ser igual a:

Y, para completar la produccin de una tonelada de acero sern necesarios:

Que sern provistos por el arco elctrico. La produccin horaria del horno ser proporcional a la potencia activa (kW) e inversamente proporcional al consumo especifico de energa elctrica.El consumo especfico de energa depende fuertemente del tipo de carga. Los hornos que utilizan carga de prerreducidos, adems de calentar la carga hasta la temperatura de sangrado (1620 a 1735 C) precisan proveer la energa necesaria para reducir porcentajes de xido de hierro que pueden variar entre 5 y 10 %. La energa necesaria para reducir una tonelada de xido de hierro es muy elevada y, por ese motivo, el consumo especfico de energa operando con carga de prerreducidos puede ser 50 a 100 kWh/t superior al de una carga de chatarra. No obstante, los hornos que operan con alto porcentaje de prerreducidos consiguen actualmente niveles muy elevados de productividad debido a la excelente escoria espumosa, que permite la utilizacin de elevados niveles de potencia por tonelada, y a los bajos tiempos muertos (Rojas, 2005: 10).

2.5.3. Reduccin de los consumos de electrodosEl consumo de electrodos es el ndice operacional que posee la mayor dependencia con los parmetros elctricos de operacin. Hasta los aos 80, el consumo especifico de electrodos de un horno de fusin era de 4 a kilogramos de grafito por tonelada de acero producida. Al final de los aftos 90r los consumos eran del orden de lr5 kg/t.

La reduccin de los consumos de electrodos fue conseguida principalmente a travs del aumento de las relaciones tensin/corriente. Los transformadores de los hornos fueron modificados para operar con tensiones ms elevadas y, para mantener los bajos cosenos es necesarios para estabilizar el arco en la fusin de chatarra, fueron instalados reactores en serie. En el caso de los hornos que operan con carga continua de prerreducidos por en general, en hornos que operan con buena escoria espumosa, la reduccin de los consumos puede ser obtenida operando con altas tensiones y alto coseno fi sin necesidad de reactores (Wong, 2004:10)

2.5.4. Aumento de la productividad de los hornos de arco a travs del aumento de la tensin secundaria de los transformadoresLa ventaja de la operacin con tensiones ms elevadas ya era defendida en el inicio de los aftos 80. Infelizmente, hasta el final de esa dcada, pocos hornos hablan sido modificados. En Brasil se tuvo la oportunidad de realizar el proyecto del aumento de las tensiones y potencias de los hornos de la Siderrgica Barra Mansa en 1988, modificando los transformadores de 24 MVA - 415 V para 30 MVA - 830 V Posteriormente, en los aftos 90, realizaron una gran cantidad de repotenciaciones en diversos hornos del Brasil y de otros pases.

Las tensiones ms elevadas permiten la operacin con potencias ms altas sin necesidad de modificar el circuito secundario del horno (barras, cables flexibles, buses, garras portaelectrodos y electrodos). La inversin se paga en pocos meses con la reduccin de los consumos de electrodos. Para estabilizar el arco en la fusin es necesario aumentar la reactancia del circuito, instalando reactores serie.

En el pasado, la operacin con tensiones y potencias especificas elevadas no era posible por causa del elevado desgaste de refractarios que provocaba. Al final de los aflos 70, las paredes y bvedas refrigeradas con agua permitieron incrementar un poco las potencias y las tensiones. El principal impulso para operar con altas tensiones y potencias fue dado por el desarrollo de las escorias espumosas que blindan el arco, protegiendo las paredes, lo cual ocurri al final de los aos 80. Actualmente son utilizadas tensiones de 900 V y potencias de 45 MW en hornos de apenas 40 toneladas. En los hornos de gran capacidad, que actualmente operan con tensiones de 900 a 1300 V, todava hay margen para aumentar las tensiones hasta 2000 V o ms (en hornos de 150 a 250 toneladas que operan con carga continua de prerreducidos), disminuir los consumos de electrodos para menos de 1 kg/t y aumentar la productividad hasta 250 t/h (Wong, 2004:15)

2.5.6. Flicker provocado por los hornos de arcoLas variaciones de la longitud del arco provocan fluctuaciones de tensin que se propagan por el circuito de alimentacin hasta llegar a los usuarios de baja tensin. Infelizmente, la frecuencia de esas fluctuaciones coincide con la frecuencia de fluctuacin de la iluminacin que es detectada por el ojo humano (1 a 15 Hz, aproximadamente) , provocando un cierta incomodidad a los consumidores residenciales. Actualmente, el nivel de flicker es medido por instrumentos calibrados de acuerdo con los estudios de la UIE (Unin Internacional de Electrotermia) realizados a partir de 1980 y posteriormente adoptados por la norma IEC 868. La unidad de medicin es el Pst yr de acuerdo con las recomendaciones iniciales, un valor de Pst igual o superior a 1 pu provocarla niveles de perturbacin considerados inadmisibles. El valor de Pst de referencia seria el medido en la Alta Tensin, en el llamado punto comn de acoplamiento con los otros consumidores. Sin embargo, mediciones de campo realizadas posteriormente mostraron que entre la alta tensin y la baja tensin ocurre una atenuacin natural del flicker, que, en ciertos casos, puede llegar a 50 %, concluyndose que para que el usuario residencial, conectado en la baja tensin, observe un efecto similar a 1 pu, el valor de Pst provocado por el horno sobre la AT deberla alcanzar valores muy superiores a 1 pu (2 pu, en el caso de la atenuacin de 50 %).

Los niveles de flicker son proporcionales a la relacin entre la potencia del horno y la potencia de cortocircuito del punto comn de acoplamiento con los otros consumidores. Por ese motivo, la forma ms directa de disminuir los niveles de flicker es el aumento de la potencia de cortocircuito de la red de alimentacin o la reduccin de la potencia del horno. La primera, normalmente no puede ser realizada o exige inversiones muy elevadas y, la segunda reduce la productividad del horno. Actualmente, para reducir el flicker algunas empresas recomiendan los compensadores shunt (SVC), los cuales, utilizando bancos de capacitores fijos y reactancias controladas por semiconductores, inyectan en la red cantidades de energa reactiva de igual amplitud y signo opuesto a las variaciones de reactivo demandadas por el horno, estos dispositivos, en general, son de elevado precio y baja eficacia en la reduccin del flicker (Rojas, 2005: 30)

2.5.7. Fuerzas electrodinmicas provocadas por las corrientes que circulan por los brazos y electrodosLas corrientes que circulan por los conductores del horno provocan campos magnticos variables creando fuerzas que pueden llegar a quebrar los electrodos. Adicionalmente, las fluctuaciones en baja frecuencia de la corriente provocan vibraciones en brazos y columnas del horno. Las fuerzas son proporcionales a las corrientes de pico al cuadrado e inversamente proporcionales a las distancias entre electrodos. Por ese motivo, en algunos casos, despus de la reduccin de los dimetros primitivos, realizada con la intencin de disminuir el Indice de erosin del arco sobre los refractarios, ocurrieron aumentos de las vibraciones en brazos y quiebras de electrodos. Por otro lado, como la mxima corriente depende de la tensin y es inversa de la reactancia, en ciertos casos en los cuales fue aumentada la tensin sin el adecuado aumento de la reactancia ocurrieron fallas semejantes.

2.5.8. Rotacin de fases y apriete de los electrodosEste tal vez sea el ms conocido efecto de los parmetros elctricos del horno. En general, las empresas que proveen electrodos y asistencia tcnica saben que la rotacin de fases debe ser antihoraria para que el momento de torsin sobre los electrodos sea tal que provoque el ajuste de los mismos. Una secuencia de fases en el sentido horario provoca aflojamiento de los electrodos y, eventualmente, la calda de columnas.

El problema es que muchas veces se confunde la secuencia de fases de alimentacin (R, S, T) con la secuencia de fases fsica (electrodos 1,2 y 3), que es la que realmente interesa, llegndose a conclusiones equivocadas (Rojas, 2005:35)

2.5.9. Desgaste de refractariosLa erosin provocada por el arco sobre los refractarios fue objeto de profundos estudios en los aos 60 y 70 cuando todava no se dispona de paneles refrigerados ni de escorias espumosas. W. Schwabe defini la expresin que permite evaluar el grado de erosin provocado por el arco sobre las paredes del horno. Actualmente, la preocupacin con los refractarios es menor, pero, de cualquier forma, el Indice de erosin de refractarios continua siendo una herramienta til para definir el probable desgaste de refractarios cuando la escoria espumosa no es adecuada o durante los periodos de final de fusin cuando la chatarra ya est fundida y todava no existe escoria espumosa.

El Indice de erosin de refractarios de Schwabe puede ser resumido de la siguiente forma:Donde Va es la tensin del arco, Pa es la potencia del arco y b es la distancia entre la faz del electrodo y la pared del horno. Los factores que provocan aumento del desgaste del refractario son los mismos que disminuyen el consumo de electrodos (Rojas, 2005:38).

2.5.9.1. Operacin en el perodo de escoria espumosa con altos factores de potencia (COS FI)Los aumentos de tensin realizados en los aos 90 obligaron a instalar reactores para mantener los cosenos fi en valores inferiores a 0,80 durante el periodo de fusin. Sin embargo, especialmente en los hornos que operan con carga continua o, en general, en los hornos que operan con una buena escoria espumosa, comprobamos que es posible operar con cosenos fi prximo de 1 sin que ocurran inestabilidades del arco o aumentos del factor de reactancia operacional. La operacin con altos cosenos fi permite la obtencin de potencias activas ms altas sin necesidad de aumentar la potencia aparente nominal de los transformadores, posibilitando nuevos aumentos de productividad con reduccin de los consumos de electrodos. Para poder aumentar el coseno fi en este periodo es necesario cortocircuitar los reactores.

2.5.10. Especificacin de transformadores y reactoresPara determinadas capacidades de los hornos y para los niveles de produccin previstos son definidos los parmetros elctricos de operacin: potencia activa promedio, tensin secundaria y coseno fi. Una vez conocidos estos parmetros es posible especificar el transformador. Para poder calcular la reactancia del reactor serie, se calcula primero la reactancia que el circuito debe poseer y se compara con la reactancia existente en el circuito. Para operar en la condicin de alto coseno fi durante el periodo de escoria espumosa es necesario prever una forma de cortocircuitar el reactor o de conmutar sus taps con carga. Una vez definidas las principales caractersticas del transformador y del reactor es necesario verificar los aspectos del proyecto elctrico del transformador: tipo de conmutacin, faja de tensiones mxima a mnima, tensin primaria ms adecuada, clase de tensin, tipo de enfriamiento, tipo constructivo del transformador, ensayos, protecciones, accesorios, etc. (Arias, 2002:4).

2.5.11. Correccin del factor de potencia - bancos de capacitoresDependiendo del punto de conexin a la red elctrica y de la reglamentacin vigente puede ser necesario mantener niveles de coseno fi superiores a 0,85, 0,92, 0,95 o, hasta 0,98, en periodos de medicin mensuales u horarios. Como el horno, al menos durante el periodo de fusin, opera con cosenos fi inferior a los lmites, se hace necesario compensar la energa reactiva para elevar el coseno fi en el punto de conexin con la empresa suministradora de energa.La forma ms simple y econmica de compensar los reactivos es la instalacin de bancos de capacitores fijos. El clculo de la potencia de los capacitores es bastante simple cuando el coseno fi de operacin es conocido. Al proyectar los bancos de capacitores hay que tomar la precaucin de verificar la frecuencia de resonancia paralelo de los capacitores con la red, incluyendo el transformador reductor y, en el caso de ocurrir una resonancia en alguna de las principales frecuencias armnicas generadas por el horno (2a, 3a, 4a, e 5a) debe ser modificada la potencia del banco para desplazar la frecuencia de resonancia. Despus de definida la potencia efectiva y la reactancia del banco, deben ser calculadas las tensiones de servicio permanente y los aumentos de tensin provocados por las armnicas generadas por el horno para poder definir la tensin nominal y la potencia nominal del banco . (Arias, 2002:10).

2.5.12. Armnicas y filtros de armnicasLa principal perturbacin provocada por el horno de arco son las fluctuaciones de tensin de frecuencia inferior a la industrial (flicker). No obstante, el horno de arco genera tambin corrientes armnicas (frecuencias mltiplos de la fundamental) que a su vez causan distorsiones de la onda de tensin de la red. El horno de arco genera una gama bastante ancha de frecuencias armnicas, siendo las de mayor amplitud la 3a, la 2a, la 5a y la 4a, en ese orden. Ms, los valores promedio de las amplitudes de las corrientes armnicas de los hornos son relativamente bajos, en comparacin con los generados por los convertidores que usan tiristores. En la prctica, algunos pocos semiciclos de la corriente muestran porcentajes elevados de distorsin, pero, en promedio, stos no pasan de 5 % para las principales armnicas.

La necesidad de filtros de armnicas depende bsicamente de la obligatoriedad de cumplir normas ms o menos exigentes sobre distorsin de tensin. De un punto de vista prctico, es posible, en gran parte de los casos, instalar los bancos de capacitores sin filtros, desde que se tome la precaucin de desplazar la frecuencia de resonancia paralelo de las principales frecuencias armnicas. La necesidad de instalar filtros de armnicas es inevitable cuando existen compensadores estticos (SVC), ya que estos al poseer dispositivos de estado slido controlados por la variacin del ngulo de disparo provocan elevados niveles de armnicas.

De cualquier forma, en muchos proyectos se decide instalar filtros de armnicas en la subestacin para garantizar que no ocurran amplificaciones muy elevadas de las tensiones y de las corrientes de los bancos de capacitores. Una buena solucin puede ser la instalacin de filtros de 3a armnica (sintonizados en aproximadamente 2,9 x fundamental). El proyecto de los filtros debe tomar en consideracin la sobretensin de rgimen permanente provocada por los inductores sobre los capacitores, adems de las sobretensiones provocadas por las armnicas, las sobretensiones de energizacin de los capacitores y los impulsos de tensin provocados por las corrientes de inrush de los transformadores del horno. En el caso de los filtros de 2a armnica, este ltimo tipo de sobretensin es crtica y obliga a sobredimensionar los bancos de capacitores, encareciendo el proyecto (Arias, 2002:12).

2.5.13. SobretensionesEl circuito de alimentacin de los hornos de arco es similar a cualquier otro circuito de alimentacin industrial. Una peculiaridad de este circuito es el elevado nmero de maniobras del transformador del horno (generalmente conectado en 13,8 kV, 23 kV o 33 kV, mas tambin, en ciertos casos, en 46 kV, 69 kV y hasta 120 kV) , que puede llegar a 100 por da. Otra caracterstica es la existencia de bancos de capacitores de alta potencia. Para maniobrar el horno, son utilizados actualmente interruptores de vaco. Las principales protecciones contra las sobretensiones de maniobra son los supresores de impulsos de maniobra, ms conocidos como pararrayos (o apartarrayos) ya que son los mismos dispositivos utilizados para proteger contra descargas atmosfricas. Estos supresores, a partir de 1980 aproximadamente, pasaron a ser fabricados con xidos metlicos, como el xido de zinc. En el caso de un transformador instalado, por ejemplo, en 24 kV, el nivel de aislacin del mismo debe ser adecuado para soportar tensiones de impulso de hasta 150 kV y los pararrayos, para ese nivel de tensin, normalmente actan con aproximadamente 60 kV. Para los transformadores de horno se recomienda instalar los pararrayos no slo entre fase y tierra mas tambin entre fases. En el caso de los disyuntores de vaco, existe un fenmeno conocido como mltiples reigniciones que eventualmente (difcilmente) podra provocar sobretensiones de alta frecuencia que podran averiar al transformador, especialmente cuando existen capacitores de "surge" en el primario del transformador y capacitores de correccin del factor de potencia en la subestacin principal. Para proteger contra este tipo improbable de sobretensin, un fabricante de disyuntores de vaco recomienda los circuitos de proteccin RC, conectados entre fase y tierra. Otro tipo de sobretensin bastante comn es el "restrike" que ocurre durante la desconexin de los bancos de capacitores, cuando los interruptores no son adecuados o estn con defectos. Estas sobretensiones son de alta energa y normalmente provocan fallas en los pararrayos.

2.5.14. Protecciones contra sobre corrienteEl ajuste de las protecciones de sobre corriente de los hornos de arco debe seguir algunos criterios diferenciados. En la operacin normal del horno ocurren cortocircuitos entre los electrodos y la chatarra que pueden provocar corrientes superiores al doble de la nominal del transformador durante pocos segundos. Si los rels de sobre corriente son ajustados en la forma convencional, actuando rpidamente para corrientes inferiores a las de los cortocircuitos normales de la operacin del horno, ocurrirn frecuentes actuaciones del rel que perjudicarn la operacin del horno. Por otro lado, es conveniente que si la duracin de esas sobre corriente es superior a algunos segundos, los rels acten. Tambin sera deseable que los rels actuasen instantneamente al ocurrir un cortocircuito en las barras de salida del transformador y, ciertamente, deben actuar instantneamente en el caso de un cortocircuito en la tensin primaria.

2.6. ELECTRODOS2.6.1 El carbonoEl carbono es un elemento qumico de nmero atmico 6 y smbolo C. Es slido a temperatura ambiente. Dependiendo de las condiciones de formacin, puede encontrarse en la naturaleza en distintas formas alotrpicas, carbono amorfo y cristalino en forma de grafito o diamante. Es el pilar bsico de la qumica orgnica; se conocen cerca de 10 millones de compuestos de carbono, y forma parte de todos los seres vivos conocidos. CAPITULO IIIDISEO METODOLOGICO

3.1. Tipo de investigacinEn esta investigacin se realiza un estudio descriptivo, al tener que describirse cada uno de los hechos o situaciones, tanto que afectan a la empresa como los aspectos que darn solucin y conducirn al logro de los objetivos.

El tipo de estudio es el descriptivo, segn Hernndez menciona que consiste en que Se selecciona una serie de cuestiones y se mide cada una de ellas independientemente, para as describir lo que se investiga. Esta investigacin est dirigida a determinar Como es, Como esta, la situacin de las variables que deben estudiarse en una poblacin determinada.

Este trabajo de investigacin se desarrolla mediante un diseo de un horno elctrico con capacidad de 1000 kgrs, para el taller de la empresa de fundicin Tecnofun, pues este tipo de investigacin Se realiza sin manipular deliberadamente las variables y se observan los fenmenos tal y como se dan en su contexto natural, para despus realizarlos. (Hernndez, Fernndez, 2006: 184).

3.1.1. MtodoEl mtodo a utilizar en el presente trabajo ser el mtodo deductivo e inductivo adems del mtodo analtico y sistemtico, este hace inferencia hacia lo general partiendo de los particular, que es lo que se har en la investigacin resultados obtenidos en la muestra a travs de la encuesta se afirmara que ese mismo comportamiento tiene la poblacin o un comportamiento. (Hernndez, Fernndez, 2006: 189)

Para alcanzar un objetivo se debe seguir un mtodo, un camino, un determinado orden y procedimiento, a travs del cual se va a alcanzar un conocimiento. Los mtodos que se siguen son:

Deduccin, partiendo de una teora y definicin general de plan de negocios, se obtuvo una serie de deducciones para la elaboracin del presente trabajo.

Induccin, este mtodo nos permiti hacer conclusiones generales partiendo de los casos particulares. Se investig a una parte de la poblacin que requiere este tipo de producto fabricados en hornos elctricos. A partir de los resultados obtenidos se dedujeron conclusiones generales para el mercado al que pretende llegar la nueva empresa a crearse y poder posicionarse en la mente del cliente consumidor.

3.1.2. Tcnicas de investigacinDentro de las tcnicas que se utilizarn que son importantes dentro de los procesos de la investigacin o realizacin del trabajo de grado son:

PrimariasLas fuentes primarias de informacin estn constituidas por el propio cliente consumidor del producto, de manera que para obtener informacin de este es necesario entrar en contacto directo, que se obtendr de la realizacin y el anlisis de los instrumentos siguientes:

a) ObservacinObtencin de datos primarios mediante la observacin de las personas, acciones y situaciones pertinentes (KLOTER, 2008: 106).

b) EntrevistaLa entrevista es una tcnica ms usual en ciencias sociales, puede definirse como la relacin que se establece entre el investigador y los sujetos de estudio. Puede ser individual o grupal, libre o dirigida. Los pasos de la entrevista son la planeacin, ejecucin, control y cierre.

SecundariasSe consideran fuentes de informacin secundarias, aquellas que renen la informacin escrita que existe sobre el tema, ya sean estadsticas, libros, datos de la empresa institucin, estudios realizados, etc.Los datos secundarios por lo regular, se pueden obtener con mayor rapidez y estn constituidas por documentos originados en fuentes ajenas. 3.1.3. Cronograma

Descripcin del trabajo1 semana2 semana3 semana4 semana5 semana6 semana7semana8 semana

Avance del captulo IXXXX

Avance del Captulo II-IIIXXXXX

Captulo IV-VXXXXX

Conclusiones y recomendacionesXXXXXXXXXXX

Entrega del borradorXXXXXXXXXX

BIBLIOGRAFA

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