¿Qué son los hornos de fusión reverberatorios de aluminio alimentados por gas y cómo funcionan?
INTRODUCCIÓN
El concepto de diseño básico original del horno de fusión reverberatorio de aluminio no ha cambiado. Sigue siendo una caja de acero rectangular, revestida de material refractario, con un quemador o quemadores montados en el techo, paredes laterales o pared final del horno. Tienen un pozo de carga (húmedo), ubicado en un extremo o en el lado del horno, separado por un arco o una puerta separadora.
Los quemadores calientan las paredes y el techo del revestimiento refractario, que a su vez reverberan o reirradian el calor al aluminio fundido en el hogar o baño. La emisividad superficial del aluminio fundido está entre 0.004 y 0.055. Sin embargo, de hecho, el baño fundido forma una capa de óxido que tiene una emisividad de 0.11 a 0.19, lo que resulta en cualidades de transferencia de calor deficientes. Estos factores dictan que un horno reverberatorio se diseñe con una gran área de superficie del baño en comparación con la relación de tasa de fusión para lograr la transferencia de calor necesaria para fundir la tasa de fusión por hora. Comúnmente, y comprobado que las proporciones de baño a fusión deben ser de 10:1, con un mínimo de 8:1.
Hay tres modos de transferencia de calor:
- CONVECCIÓN
- CONDUCCIÓN
- RADIACIÓN
Este artículo cubrirá los dos modos de transferencia de calor y se basan en la experiencia “del mundo real” relacionada con los más utilizados hoy en día por los fabricantes de hornos reverberatorios, siendo la Radiación y la Convección.
HORNOS REVERBERATORIOS DE POZO HÚMEDO (WELL)
Con un horno reverberatorio de pozo húmedo, la carga (lingote/masa, o devoluciones) se introduce en el talón fundido de un pozo de carga, separado de la zona principal de baño/mantenimiento. Este pozo puede estar físicamente separado por un arco refractario sumergido o por una puerta tipo separadora de ascenso vertical accionada. La transferencia de calor es sub-superficial a través de la conducción a través de un arco refractario, o una puerta de ascenso vertical accionada con bloques/láminas refractarias en la nariz.
La tasa de carga adecuada para lograr un 100% de utilización y eficiencia debería ser del 25% de la tasa de fusión del horno, introducida cada 15 minutos, en una proporción del 60% de devoluciones y el 40% de lingote.
El metal fundido se dispensa a través de uno de los siguientes métodos para su entrega a los hornos de mantenimiento/colada en las celdas de fundición:
Bloque de salida manual y ensamblaje de tapón, en un cucharón de transferencia bull. Bomba de metal fundido, en un cucharón de transferencia bull. Bomba dispensadora presurizada neumáticamente, en un cucharón de transferencia bull. Sistema de canal de gravedad calentado por resistencia eléctrica conectado directamente a los hornos de mantenimiento. Inclinación hidráulica del horno y vertido en un cucharón de transferencia bull. Básicamente hay dos corrientes de pensamiento cuando se observan los diversos fabricantes de hornos reverberatorios de pozo húmedo alimentados por gas:
- TECNOLOGÍA DE QUEMADOR DE TECHO RADIANTE DE BAJA ALTURA
- TECNOLOGÍA DE QUEMADOR DE PARED LATERAL CONVECTIVA DE ALTA ALTURA
- TECNOLOGÍA DE QUEMADOR DE TECHO RADIANTE DE BAJA ALTURA
El diseño de un horno reverberatorio de techo radiante de baja altura (FIGURA # 1) se basa en tres principios:
- La distancia entre los quemadores (fuente de calor) y el aluminio (carga)
- La relación de mantenimiento a fusión (baño a fusión)
- Carga temporizada uniforme del material a fundir (lingote / masa / devoluciones)
Principio de diseño #1 se basa en la “LEY DE STEPHAN-BOLTZMANN” de calor radiante, que establece que cuanto más cerca esté el objeto de la fuente de calor, y mayor sea la diferencia de temperatura, más rápida será la transferencia de calor (BTU). Este es el criterio de diseño para los hornos de fusión reverberatorios de techo radiante. A través de la utilización de quemadores de baja velocidad, llama plana, y alta liberación térmica que calientan el bloque del quemador hasta 2000 F, se logra una enorme diferencia de temperatura entre el aluminio y el quemador. La transferencia de BTU al aluminio es entonces la máxima.
Con este tipo de horno, cuanto más cerca esté la fuente de calor radiante del medio receptor, más eficiente es. Cuanto más cerca esté la fuente de calor, más fuentes (quemadores) se necesitan para lograr la máxima cobertura del medio (aluminio).
Principio de diseño #2 se basa en que la relación de mantenimiento a fusión es crítica como un factor de dilución para el aluminio sólido que se carga en el horno. Cuanto mayor sea la relación, menor será la fluctuación de la temperatura del baño. La proporción ideal es de 10:1 (10 libras de capacidad por cada 1 libra fundida, y en ningún caso MENOS de 8:1.
Principio de diseño #3 se basa en la tasa de carga del material a fundir. Esto debería ser el 25% de la tasa de fusión, cada 15 minutos. Esto asegurará que se mantenga una temperatura del metal de más o menos 15 grados F, durante el proceso de fusión. Sobrecargar el horno creará una acumulación de lodo en el fondo del baño (la temperatura cae por debajo del punto de lodo de la aleación), lo que resulta en una mala calidad del metal y aumenta las pérdidas de escoria.
- TECNOLOGÍA DE QUEMADOR CONVECTIVO DE ALTA ALTURA
Un diseño de horno reverberatorio tipo tecnología de quemador convectivo de alta altura (FIGURA # 2) también se basa en tres principios de diseño:
- El uso de quemadores montados en el lado o en la pared final, de alta velocidad (momento), con longitudes de llama ajustables y una alta velocidad hacia adelante para proporcionar transferencia de calor convectiva.
- La relación de mantenimiento a fusión.
- No sobrecargar.
Principio de diseño #1 se basa en las tecnologías de quemadores de alta velocidad y alto momento. Los quemadores están montados en la pared lateral o final, inclinados hacia adentro y hacia abajo desde la pared del horno y dirigidos hacia la superficie del baño de aluminio. Esto se basa en proporcionar transferencia de calor convectiva con los productos de la combustión saliendo del azulejo del quemador a velocidades de 15,000 pies/min a 35,000 pies/min. La filosofía es que estos gases de alta velocidad arrastran los gases de la atmósfera del horno y los circulan vigorosamente por toda la cámara de calentamiento, maximizando así la transferencia de calor “convectiva” al baño de aluminio.
En términos simples, a medida que la velocidad del aire caliente que pasa sobre una superficie aumenta, también lo hace la cantidad y la tasa de transferencia de calor proporcionalmente al medio (aluminio).
La ventaja de esto es que los productos de combustión de alta velocidad que circulan por la cámara de calentamiento causarán un efecto ondulante en la superficie del baño, creando una gran área de superficie del baño para aumentar la tasa de transferencia de calor.
La desventaja de esta teoría es que, al ondular la superficie del baño y aumentar el área de superficie, también se aumenta la tasa de oxidación y las pérdidas de fusión porque hay una mayor área de superficie expuesta a la atmósfera oxidante en el horno.
Los hornos de alta altura también tienen más área de superficie refractaria interior para calentar y almacenar BTU, robando los BTU necesarios para fundir. Además, estos hornos tienen más pies cuadrados de carcasa de acero, y dado que todas las eficiencias también se miden en BTU perdidos por pie cuadrado de carcasa, por hora, la lógica dice que se tendrán mayores pérdidas totales de calor.
Los principios de diseño #2 y #3, ambos pertenecen a los hornos reverberatorios de tecnología de quemador convectivo y a los hornos reverberatorios de tecnología de quemador de techo radiante;
- La relación de baño a fusión idealmente debería ser de 10:1. Nunca menos de 8:1.
- La tasa de carga debería ser del 25% de la tasa de fusión por hora, cada 15 minutos.
- No sobrecargar.
EFICIENCIA: RADIANTE VS. CONVECTIVA
Al determinar la eficiencia de los hornos, es importante incluir las pérdidas de fusión junto con las eficiencias de combustible. Dependiendo del diseño/tecnología de los quemadores y su ubicación, se encontrarán diferentes porcentajes de pérdida de fusión. El término “pérdida de fusión” define el porcentaje de pérdida de metal por libra fundida a través de la oxidación, procedimientos de desescoriado, uso de fundentes y pérdidas de vapor/gases de combustión.
Estas pérdidas resultan en tener que fundir metal adicional para compensar las pérdidas. Esto resulta en un aporte de energía/costos adicionales, más el costo del metal adicional requerido.
La experiencia ha demostrado que el uso de combustible y las pérdidas de fusión que son “del mundo real”, son:
TECNOLOGÍA DE TECHO RADIANTE
BTU por lb. fundido————— 1500 -1650 BTU
% Pérdida de fusión————— 2 – 3 %
TECNOLOGÍA DE PARED LATERAL CONVECTIVA
BTU por lb. fundido————— 1800 – 2000 BTU
% Pérdida de fusión————— 4 – 5 %
NOTA: Estas cifras se basan en hornos reverberatorios (de pozo húmedo) alimentados por gas, con devoluciones de chatarra o lingote a temperatura ambiente del 100%, cargadas en un pozo de carga exterior.
TECNOLOGÍAS OPCIONALES DISPONIBLES PARA AHORRO DE ENERGÍA
Las siguientes tecnologías, cuando se incorporan, pueden reducir en gran medida el costo de energía al usar hornos reverberatorios alimentados por gas.
RECUPERADORES
Un recuperador tipo tubo de radiación a través del cual pasan los gases de escape calientes del horno y precalientan el aire de combustión suministrado a los quemadores a una temperatura de 700 grados F, puede reducir el consumo de combustible en un 20%.
HOGAR DE PRECALENTAMIENTO DE LINGOTE / MASA
Un hogar de precalentamiento de lingote o masa, donde se coloca la carga de manera que los gases de escape calientes del horno pasen sobre, a través y alrededor de la carga antes de ser introducida en el baño de aluminio, reducirá el consumo de combustible en un 25 – 30%.
CUBIERTAS AISLANTES PARA POZOS
Todos los pozos abiertos o descubiertos deben tener cubiertas aislantes removibles, accionadas para pozos grandes o manuales para pozos pequeños. La pérdida de calor por radiación superficial de una superficie de baño de aluminio fundido a 1250 grados F es de 7,147 BTU / pie cuadrado / hora. (FIGURA: # 3)
RESUMEN
Como se mencionó al principio de este artículo, el concepto básico original del horno reverberatorio de fusión de aluminio alimentado por gas no ha cambiado. Lo que ha cambiado es la tecnología de quemadores, tecnología refractaria, tecnología de control, recuperación, regeneración, etc.
Hoy en día hay una multitud de variables disponibles para ahorrar energía y reducir costos en el departamento de fusión. Asegúrese de consultar los diferentes tamaños de Hornos Reverberatorios Dynamo aquí https://dynamofurnaces.com/cat/aluminum-gas-melting-furnaces/aluminum-gas-melting-tilting-reverb-furnaces/
AUTOR / DESCARGO DE RESPONSABILIDAD
Este artículo fue escrito por Ed Lange, quien es un Consultor de Hornos de Aluminio, elange2@cogeco.ca. La información presentada en este artículo se basa en los más de 40 años de experiencia del autor en el desarrollo, diseño y ventas de equipos de fusión, mantenimiento y manejo de metales no ferrosos. El autor no respalda de ninguna manera a ningún fabricante de hornos en particular, ni a sus respectivas tecnologías.
