Metodología para evaluar los Hornos de Cubilote (página 2)

Partes: 1, 2

Funcionamiento del cubilote.

La reparación puede efectuarse también
por medio de unos aparatos especialmente creados para este
uso, que proyectan la masa refractaria contra las paredes que
hay que reparar por medio de aire
comprimido. Este sistema es
aplicable a los hornos de dimensiones grande y
mediana.
Al día siguiente se puede encender de nuevo.
Algunas veces se repara durante la noche o la madrugada para
fundir todos los días. Aunque esto requiere de un
esfuerzo considerable por parte de los
reberberistas.
Reparación. – Después
de cada fusión
de 3 a 10 horas, el cubilote se deja enfriar y, al día
siguiente, se repara. A este fin, con un cincel o una
piqueta, se quita la escoria o el material refractario
vitrificado adherido al revestimiento, que se presenta
más o menos corroído en torno a
las toberas hasta alcanzar el material refractario que no ha
sufrido deterioro. Las partes afectadas se recubren entonces
con material nuevo, a mano y dejándolo reposar por lo
menos 24 horas. Si el espesor a recubrir es muy grande, se
utilizan trozos de ladrillos, siempre del mismo material
refractario.
Dos horas antes de dar comienzo a la colada, por la
portilla de encendido (o desde arriba) se introduce un
montoncito de leña seca que se enciende hasta obtener
un fuego abundante y vivo, favorecido por el enérgico
tiro que producen la portilla de encendido, las mirillas de
las toberas, la piquera de colada y la de escoria, todas
abiertas, así como la propia chimenea del
horno.
Se empieza entonces a introducir el coque encendido,
en una capa de unos 32 cm para cada carga, a razón de
140 Kg por metro cuadrado de horno; con el coque debe
mezclarse un 5 a 10 % de piedra caliza, llamada
también fundente; antes de introducir una nueva capa
hay que asegurarse de que el coque situado debajo esté
bien encendido.
El coque de encendido debe alcanzar de 1 a 1.60
metros sobre el plano de toberas. El nivel se comprueba
introduciendo por la boca de carga una cadena o una cabilla
doblada en (Z), el encendido de la columna se comprueba
observando el color rojo
del revestimiento refractario u observando directamente los
trozos de coque por la mirilla de las toberas. Se activa el
encendido dando viento por espacio de 4 a 5 minutos, lo cual
sirve también para desulfurar el coque.
Encendido. – Se repara la solera
del horno con arena de moldear seca con una pequeña
adición de grafito, arcilla y agua,
secándose con fuego de leña o con una llama de
fuel-oil o de gas.
La carga de coque de encendido (cama), cuya función es sostener las cargas
colocadas encima y dar, con su combustión, la energía
térmica necesaria, debe estar constituida por una
cantidad de combustible cuya altura permanezca invariable
durante toda la colada.
Para ello, el coque consumido se reintegra de modo
regular a través de las cargas sucesivas de coque, que
entran por la puerta de carga.
Introducción de la carga. – La
carga del horno comienza colocando sobre la capa de coque de
encendido una carga de coque adicionada de la necesaria
cantidad de fundente y encima de esta la carga
metálica. A continuación se coloca una segunda
carga de coque con fundente y la segunda carga
metálica, y así alternativamente hasta alcanzar
la puerta de carga. A continuación, se espera un
período de tiempo de
60 a 90 minutos (según el tamaño del horno),
para que el coque encendido de la cama precaliente las cargas
añadidas al horno. Transcurrido ese tiempo, se cierran
las mirillas de las toberas y las portillas, se conecta el
ventilador y si todo ha sido bien ejecutado, transcurrido de
6 a 9 minutos, se presentará el primer hierro
fundido en la piquera de colada. Este hierro se considera
frío y no se utiliza. Solo se emplea cuando comienza a
salir caliente y con buena fluidez por el canal.
En el sistema por sifón (Pinar del
Río), desde un inicio el orificio de sangría
permanece abierto, el hierro y la escoria se separan en el
sifón. Esto es lo que se conoce como colada
continua.
Período de operación. – A
partir de que el primer hierro fluye libremente por el canal de
sangría, se cierra este orificio con un tapón de
barro refractario. Se deben disponer de varios tapones
(humedecidos, próximos al horno), ya que se
utilizarán cada vez que se pique el horno. Ahora se
espera a que se acumule el hierro líquido en el crisol
del horno. La medida de que el crisol estará lleno le
dará la salida de escoria por la piquera
correspondiente. La fluidez con que salga la escoria es
índice del buen funcionamiento del horno. Inmediatamente
que salga toda la escoria (comienza a salir hierro, junto con
la escoria), quiere decir que el crisol está lleno de
hierro líquido. Entonces se rompe el tapón del
orificio de sangría y se recibe el hierro en las
cazuelas de vertido. Vaciado el crisol se coloca un nuevo
tapón en el orificio de sangría y se repite todo
el proceso. Lo
descrito aquí es lo que se denomina operar el horno por
picada y se hace cuando se demandan grandes cantidades de
hierro de una vez o por práctica
establecida.
Fin de la fusión. –
Después de algunas horas de funcionamiento se comprueba
la cantidad de piezas que quedan todavía por colar y se
introduce la última carga, reservado para esta los
trozos de metal más ligeros. Cuando el nivel de la carga
alcanza aproximadamente las tres cuartas partes de la altura
del horno, se reduce gradualmente el viento, cerrando por
completo la entrada de aire al horno cuando está
próxima la fusión del último hierro
colado. Cuando aparece escoria en la piquera se vacía el
horno.
Vaciado del horno. – Hay que asegurarse
de que el pavimento debajo del horno esté bien seco; se
abren los portillos de las toberas, se abre el canal de colada
y la portilla de encendido y se hace correr cerrojo o el puntal
que cierra la puerta inferior del horno. La solera del horno
cae al igual que los residuos de la capa de coque y de material
contenidos, que se apagan con chorros de agua y se retiran para
que no se estropee el cubilote. El coque recuperado se
aprovecha para las estufas o para el relleno de machos muy
voluminosos. El hierro se funde para las piezas
corrientes.

II. Metodología para evaluar los principales
parámetros de diseño
y operación.

El cubilote, como cualquier otro equipo, posee sus
parámetros de diseño que, en este caso concreto,
puede decirse que es el resultado de la experiencia acumulada en
la construcción y operación de este
tipo de horno. De igual forma las investigaciones y
la práctica industrial han ido precisando las
circunstancias en las cuales el horno funciona adecuadamente. La
metodología que ofrecemos a continuación, trata de
precisar aquellos índices fundamentales para evaluar el
diseño y operación de un horno de cubilote. Para
dar una idea de la misma, caracterizaremos los principales
parámetros de diseño y operación, en un
horno de cubilote y los límites en
los cuales estos deben variar.

2.1 Parámetros de
diseño.

2.1.1 Altura del Horno.

El principal parámetro de diseño del horno
es su diámetro interior (D), medido al nivel de tobera. De
él depende la altura efectiva (He), que va
desde el nivel de toberas a la puerta de carga y la altura (H),
que es la distancia de la solera a la puerta de carga. La
experiencia demuestra que ambos parámetros deben variar en
los límites siguientes:

H= (57)
D

H= (46)
D

2.1.2 Toberas

El aire para quemar el coque hace su entrada al horno a
través del sistema de toberas. En Cuba predomina
el sistema de colocar todas las toberas en un mismo plano. En ese
caso, el área total (S1) de las mismas debe ser
de 1/4 a 1/8 del área de la sección interior del
horno (F), medido a nivel de toberas. El valor
más empleado es 1/4 (25 %). La práctica inglesa
recomienda colocar una tobera cada 15 cm de diámetro
interior del horno. Su número siempre debe ser par y no
menor de 4. (Howard, 1962).

Otras recomendaciones son:

Para cubilotes
grandes———-S1=F/(56)
Para cubilotes pequeños——-
S1=F/(4

Otros diseñadores prefieren calcular el
área de las toberas por la relación Fe/coque en las
cargas, donde:

S1=F

=P/P’

P- peso de la carga de coque, en Kg.

P’- peso de la carga de hierro, en
Kg.

2.1.3 Conductos de aire.

La ubicación de las toberas está en
dependencia de la capacidad del crisol del horno. Una
recomendación puede ser la siguiente: la hilera de
toberas debe colocarse a 30 cm aproximadamente del fondo de la
solera del horno, si este se opera por colada continua y de 90
a 120 cm, si este se opera por picadas.

La tubería, desde el ventilador hasta la caja
de aire del horno, debe ser recta y de sección circular.
El área de su sección (S2) debe ser el
doble de la sección de salida del ventilador. La
tubería, debe entrar tangencialmente en la caja de aire,
de sección (S3). Debe cumplirse
que:

S3= (2.53) S2 S3 – Área de la
sección de la caja de aire.

a= a
– Altura de la caja de aire.

En el diseño del horno no debe existir una
sección menor, en todo el sistema de soplo de aire, que
la sección de salida del ventilador. Lo anterior incluye
el área total de las toberas.

2.1.4 – Zona del
crisol.

Las dimensiones del crisol también dependen del
diámetro interior del horno (D). Para hornos
intermitentes, por picada, la altura del crisol
(hcrisol) se puede tomar como:

hcrisol = (0.81) D

En el crisol se estima que el metal líquido
ocupa el 46 % del volumen. En
nuestro caso todos los hornos evaluados emplean sifón,
por lo tanto son de sangrado continuo. En este tipo de horno,
la altura promedio del crisol es de 30 cm, en tanto no se
acumula metal dentro del horno (en el crisol), y este fluye
constantemente hacia el exterior.

La piquera de escoria se recomienda colocarla de 15 a
20 cm por debajo del nivel de tobera y siempre situarla entre
dos toberas, con inclinación suficiente para que corra
la escoria libremente por ella. El diámetro de orificio
debe ser de 30 a 50 mm. La piquera de colada se coloca al nivel
de la solera del horno, debe tener una inclinación de
10º, el diámetro del orificio debe ser alrededor de
15 a 25 mm.

2.1.5 Antecrisol.

El antecrisol se utiliza cuando el horno opera por
picada continua. La capacidad del antecrisol, en toneladas por
hora, debe ser de 0.5 a 1.0 veces la capacidad del horno. Por
lo general el valor más empleado es de 0.8. El
diámetro interior del antecrisol se toma de 1.0 a 1.3
veces el diámetro interior del horno al nivel de tobera.
La altura del antecrisol se toma igual que su
diámetro.

2.1.5 Puerta de carga y
Chimenea.

La puerta de carga se coloca a 180º respecto a la
piquera de colada. Se sitúa a partir de la altura
efectiva del horno. El tamaño de la puerta de carga
depende del sistema de carga empleado.

La chimenea debe sobresalir por el techo del edificio.
En el extremo se añade el apagachispas. La chimenea del
horno debe quedar a no menos de 30 a 50 metros del edificio de
plantillería, para evitar incendios.

2.2 Parámetros de
operación:

2.2.1 Producción horaria del
horno.

Al igual que en su diseño, el parámetro
fundamental de operación del horno es su diámetro
interior (D, medido a nivel de toberas). De él depende
la producción horaria del horno:

D =
donde P- producción horaria, en Kg/hr.

D – diámetro interior del horno a nivel
de tobera, en dm.

Al respecto existen discrepancias en la literatura
científica. Por ello se han propuesto otras formas de
calcular la producción del horno. Entre ellas se
encuentra la llamada producción por el factor de
corrección del horno, en ton/hr. La misma se obtiene
multiplicando el área de la sección del horno a
nivel de toberas por un factor, que depende de la
relación Fe/coque (Capello, 1974), o
sea:

Relación Fe/coque Factor

6/1 —————- 0.047

7/1 —————- 0.0546

7.5/1 —————- 0.057

8.1 —————- 0.0622

8.3/1 —————- 0.0644

9/1 —————- 0.0696

10/1 —————- 0.077

P= F x Factor para la relación Fe/coque
que le corresponda.

La productividad
real se puede calcular teniendo los siguientes datos: volumen de
cazuela (Vcaz), densidad del
hierro fundido (ÞHo/Fo) y el número de
cazuela en una hora (Nocaz).

P=Vcaz x ÞHo/Fo x
Nocaz

Un cubilote operado adecuadamente debe producir 75 Kg de
hierro fundido por hora y por decímetro cuadrado de
sección (medida a nivel de toberas o su equivalente de
10lb/hora x pul 2 (Heine, Loper, Rosentral, 1967).
Esto es lo que se conoce como producción
específica del horno. De igual forma, debe fundir a un
ritmo promedio de aproximadamente 10 cargas por hora.

2.2.2 Altura de la cama.

Otro parámetro importante en la operación
del horno es lo que se denomina altura de la cama del horno (hc).
Se entiende por tal, la distancia medida a partir del nivel de
toberas y que representa el nivel máximo a que
habrá de llegar el coque encargado de producir la
combustión dentro del horno. Esta altura depende de la
presión
con que es soplado el aire (Pa) dentro del horno. Su cálculo se
efectúa mediante fórmulas empíricas avaladas
por la experiencia práctica (A.F.S. 1954).

hc=x
10.5 + 6 donde (hc) altura de la cama, en pulgada.

(Pa) presión de la caja de aire, en
onzas/pulg2

(1onza/pulg2= 44mmH2O)

Dicha altura debe mantenerse constante durante toda la
operación del horno y esa es la función de las
cargas de coque que acompañan a las cargas
metálicas. El coque empleado en producir la cama del horno
debe ser de la mayor calidad posible y
el tamaño de los trozos, debe oscilar entre 1/10 y 1/12
del diámetro interior del horno. Una regla empírica
muy efectiva consiste en lo siguiente: si la altura de la cama
del horno está bien calculada, el primer hierro fundido
líquido (se considera frío y no se utiliza), debe
salir por la piquera de colada entre 6 y 9 minutos después
de iniciada la marcha del horno. El coque para formar la cama del
horno debe calcularse a razón de 140 Kg/m2 de
sección del horno y en capas que alcancen aproximadamente
32 cm por la altura del horno. Antes de añadirse una nueva
capa de coque, para formar la cama, hay que asegurarse de que el
coque añadido anteriormente esté bien encendido.
Después de alcanzada la altura definitiva de la cama (en
muchas fundiciones se hace por experiencia), se debe soplar aire
durante 4 o 5 minutos. De esa forma se desulfura el coque. A la
cama del horno se le puede o debe añadir 5 a 10 % de
piedra caliza (fundente) (AFS, 1954), para desulfurar el coque.
El coque que se emplea en el cubilote y particularmente en la
cama, debe poseer buena resistencia
mecánica, ya que tiene que soportar el peso
de las cargas metálicas que se introducen por la puerta de
carga. Un valor adecuado de resistencia mecánica se considera el siguiente: 15 MPa.
El término resistencia mecánica aquí
también puede entenderse como la mayor o menor tendencia
al fraccionamiento de los trozos de coque. De ahí que en
algunas normas estatales,
este valor se exprese en función del porciento de trozos
retenidos sobre una malla, después de someter el coque a
un tratamiento mecánico dentro de un tambor giratorio. En
esas condiciones, la fracción menuda, en un buen coque, no
debe sobrepasar el 15 % de la muestra.

2.2.3 Suministro de aire.

El aire que se sopla dentro del horno, por lo general
proviene de un ventilador centrífugo o de un ventilador de
émbolos rotatorios (tipo Root). En las fundiciones cubanas
más antiguas predomina este último. Cualquiera que
este sea, debe garantizar la presión y el volumen de aire
necesarios. El ventilador centrífugo, como se sabe, es
más elástico a los efectos de su regulación
y más ventajoso desde el punto de vista
económico.

El de émbolos rotatorios, en cambio,
garantiza una presión constante, lo cual posee particular
importancia para un horno de cubilote, dado que la permeabilidad
al aire y los gases dentro
del horno puede variar durante la operación del mismo.
(Variación en el tamaño del coque y los trozos de
la carga metálica).

Los instrumentos de
medición de la presión y el flujo de aire deben
estar instalados en una porción recta del conducto de
aire, sobre una distancia no menor de 14 veces el
diámetro. El conducto de aire debe ser de sección
circular y de un diámetro tal, que la velocidad
lineal del flujo sea menor a 15 m/s. La cantidad de aire que se
inyecta a un horno de cubilote, viene dada por la relación
hierro/coque que se emplea (dicha relación oscila
normalmente entre 6/1 y 15/1) y determina, junto con el
diámetro interior del horno, la producción horaria
del mismo (t/h). Un cubilote debe consumir aproximadamente 100
metros cúbicos de aire por cada metro cuadrado de
sección transversal del horno (a nivel de
toberas).

La instalación de las máquinas
soplantes resulta a menudo inadecuada. Dos errores muy frecuentes
son: demasiado próximas a los hornos (lo cual no permite
la instalación de los instrumentos de medición según las normas vigentes)
y a un nivel diferente al de la caja de aire del horno. Algunas
de las recomendaciones que deben seguirse son las siguientes: la
entrada del conducto del aire a la caja de aire del horno debe
ser tangencial; la válvula de regulación del flujo
(solo para ventiladores centrífugos), debe estar alejada
de los equipos de medición (metro orificio, Venturi,
etc.); el equipo de soplado debe estar en un lugar aireado, sin
comunicación con el ambiente
polvoriento de la fundición y finalmente, como ya se
señaló, ninguna sección del conducto puede
ser menor que el diámetro de salida del equipo
soplador.

Como hemos visto, calidad del coque, presión del
aire y altura de la cama del horno, son parámetros
esenciales para el buen funcionamiento del mismo. Es
difícil dar una guía segura sobre la presión
del aire que se suministra al horno, ya que depende de muchos
factores, entre ellos: dimensiones de las toberas, tamaño
promedio de los trozos de coque, características de los
materiales de
la carga y otros. En condiciones normales de operación
suelen ser frecuentes los valores
siguientes (Vetishka, 1981):

Diámetro interior del horno (cm): 60-75 76-100
101-125 126-150

Presión (cm de columna de agua): 30-40 41-55
56-70 71-90

Un aspecto importante y al cual no se le presta siempre
la debida atención, es el referido a la humedad
relativa del aire que se sopla en el horno. Se ha demostrado que
en un horno que funde a razón de 14 t/h, y 25ºC y 75
% de humedad relativa del aire que se sopla, se introducen en el
horno aproximadamente 192 Kg de agua por hora. Esto representa un
consumo
adicional de 230 Kg de coque por hora (San Solo,
1999).

2.2.4 Emisión de los
gases.

En ningún momento se debe olvidar que desde el
punto de vista ambiental, el horno de cubilote es un emisor de
gases nocivos. De ahí la importancia de conocer
adecuadamente la composición de los gases de escape del
horno. Se considera que un horno de cubilote opera correctamente,
como proceso de combustión, cuando la composición
de los gases de escape, medidos en la puerta de carga del horno,
es aproximadamente la siguiente: CO2 -15% y CO -9%. Lo
anterior, sin embargo, debe considerarse como valores
teóricos, ya que en la práctica pueden variar
dichos contenidos en límites más
amplios.

Por ejemplo, para cubilotes de soplo frío,
empleando una relación hierro/coque de 10/1, son normales
los valores
siguientes: 12-15% de CO2 y 8-12% de CO (Sujarchuk,
Judkin, 1989). En cualquier caso, el contenido de CO2
en los gases de escape debe mantenerse entre el 50 y el 65% del
total. Aunque son grandes variaciones en la relación
hierro/coque, este valor puede descender hasta 33%. La ausencia
de llamas en la puerta de carga del horno es uno de los
índices que indican una operación normal del mismo.
Algunos autores consideran que se pueden predecir fallas en el
funcionamiento del horno, mediante la observación del tipo de llama que se tiene
en la puerta de carga (Capello, 1974).

2.3 Observaciones generales sobre el funcionamiento
del horno.

El primer hierro colado que se extrae nunca
está lo suficientemente caliente salvo en los cubilotes
cuyo crisol está muy bajo; por lo tanto, este material
se emplea para colar piezas macizas o de poca importancia. A
falta de estas, el hierro colado se convierte en lingotes para
volverlo a utilizar en fundiciones sucesivas.
La piquera de colada se cierra con un tapón
cónico de arcilla cruda, que se introduce con la ayuda
de una barra larga. Para dar salidas a intervalos al hierro
fundido, se perfora el tapón con una barra puntiaguda.
Si el hierro se solidifica en la piquera de colada, hay que
picarlo con una barra de sangrar, si es posible, o insuflar
oxígeno en la piquera misma con un tubo
de diámetro 5 a 10 mm adaptado a un compresor de aire,
activando eventualmente la combustión con un trozo de
coque incandescente.
El cubilote debe fundir normalmente a un ritmo de 10
cargas por hora (de 8 a 12) y, por lo tanto, la introducción de una nueva carga debe
realizarse cada 5-7 minutos. Si se observa que el descenso de
la carga se detiene o retrasa, puede ocurrir:

Que se haya formado un puente, es decir, un atasco
de la carga metálica de forma que mantengan
suspendidas las cargas superiores. Hay que deshacer el puente
con una barra puntiaguda y pesada, que se introduce por la
boca de la carga. Una vez roto el puente, se añade el
coque de encendido que se consumió entre tanto. Si las
cargas metálicas se efectúan en trozos de
tamaño adecuado no se produce este
inconveniente.
Que queden obstruidas las toberas a causa de la
escoria que, enfriada por la corriente de aire, se deposita
enfrente de ellas.
Hay que vigilar las toberas a través de
mirillas y, periódicamente, librarlas de suciedad que
las cubre por medio de una barra que se le introduce a
través de las mirillas hasta que queden
limpias.
Que se empleen fundentes inadecuados, o que el
coque sea de bajo poder
calorífico o con exceso de cenizas, o
refractario de mala calidad.

Si a los 20 o 30 minutos de obtenido el primer
hierro fundido la producción del cubilote resulta
anormal, o la temperatura del hierro colado es
persistentemente baja, hay que indagar las causas que pueden
ser:
- Carga metálica de tamaño
  inadecuado a las dimensiones del cubilote (nunca mayor de
  1/3 del diámetro del horno).
- Carga muy oxidada, con exceso de tierra
  o de arena adherida.
- Coque en trozos de tamaño inadecuado,
  con escaso poder calorífico o con elevado
  contenido de cenizas.
- Piedra caliza de mala calidad, con exceso de
  sílice.
- Revestimiento refractario de mala
  calidad.
- Obstrucción de las toberas.
- Reducción de la sección del
  cubilote por encoronamiento, acumulación de
  escoria adherida al revestimiento.

La piquera de escoria debe permanecer normalmente
cerrada para evitar escapes de aire y para asegurar una capa
de 12 a 15 cm de escoria sobre baño metálico
que proteja a este último de las oxidaciones. Se debe
escoriar en intervalo de 40 a 60 minutos.
La marcha del cubilote puede juzgarse por la llama
de la boca de carga y por la fractura de la escoria. Por
ejemplo:

Llama:

Ausencia de llama en la boca de carga, salvo en la
fase final (indica funcionamiento y proporción
normales del horno);

Llama azul turquesa: indica que prevalece el CO
(hay exceso de carbón en las cargas);
Llama blanca brillante: indica que prevalece el
CO2 (hay exceso de viento);
Llama humosa: es indicio de una marcha lenta
(exceso de coque);

Escoria:

Escoria fluida, pero no demasiado vítrea,
compacta, color verde botella: indica buena marcha con
oxidación escasa;
Escoria demasiado fluida, con fractura quebradiza y
oscura: indica exceso de fundente;
Escoria demasiado viscosa: indica escasez de
fundente;
Escoria compacta, parda, con fractura vítrea
de color amarillento: indica buena marcha y elevado contenido
de manganeso en la carga;
Escoria negra: indica la presencia de óxidos
pesados (de hierro y manganeso) y, por lo tanto,
oxidación excesiva;

En la tabla 1 del anexo, se muestra un resumen de
algunos de los principales parámetros de operación
de los hornos de cubilote, según las normas aceptadas a
nivel internacional (A.F.S 1954) (Capello, 1974).

CONCLUSIONES.

Con la realización de este trabajo se
pueden analizar los parámetros de funcionamiento de los
hornos de cubilote. En cuanto a las toberas se puede concluir si
hay insuficiente área o sobredimensionado de la misma que
se traduce en cantidad de toberas. Además con la caja de
aire se puede observar cuándo las dimensiones no
están en correspondencia con las de diseño. En
cuanto a los parámetros de operación se puede
concluir que, en la productividad, se observa cuándo los
hornos aprovechan al máximo su producción horaria
relacionada con su diámetro interior, otro
parámetro, la altura de la cama, este parámetro se
puede comprobar si se mantiene dentro de los límites
obtenidos en la metodología.

Bibliografía

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