¿Qué son los hornos de fusión reverberos de aluminio a gas y cómo funcionan?

INTRODUCCIÓN

El concepto básico de diseño original del horno de fusión de aluminio de reverbero no ha cambiado. Sigue siendo una caja rectangular de acero, revestida con material refractario, con un quemador o quemadores montados en el techo, en las paredes laterales o en la pared del extremo del horno. Cuentan con un pozo de carga (pozo húmedo), ubicado en un extremo o en un costado del horno, separado por un arco o por una puerta skimmer.

Los quemadores calientan las paredes y el techo del revestimiento refractario, los cuales, a su vez, reverberan o reirradian el calor hacia el aluminio fundido en el hogar o baño. La emisividad superficial del aluminio fundido está entre 0.004 y 0.055. Sin embargo, en la práctica, el baño fundido forma una capa de óxido que tiene una emisividad de 0.11 a 0.19, lo que resulta en malas cualidades de transferencia de calor. Estos factores dictan que un horno de reverbero debe diseñarse con una gran relación de área superficial del baño vs. tasa de fusión para lograr la transferencia de calor requerida para fundir la tasa de fusión por hora. Comúnmente, y de forma comprobada, las relaciones de baño a fusión deben ser de 10:1, con un mínimo de 8:1.

Existen tres modos de transferencia de calor:
1) CONVECCIÓN
2) CONDUCCIÓN
3) RADIACIÓN

Este artículo cubrirá dos modos de transferencia de calor y se basa en la experiencia del “mundo real” relacionada con los más utilizados por los fabricantes de hornos de reverbero hoy en día: la radiación y la convección.

HORNOS DE REVERBERO DE HOGAR HÚMEDO ( POZO )

En un horno de reverbero de pozo húmedo, la carga (lingote/Sow o retornos) se introduce en el talón de metal fundido de un pozo de carga, separado del baño principal/zona de mantenimiento. Este pozo puede separarse físicamente mediante un arco refractario sumergido o mediante una puerta tipo skimmer accionada, de elevación vertical. La transferencia de calor se produce bajo la superficie por conducción a través de un arco refractario o mediante una puerta accionada de elevación vertical con bloques/placas nasales refractarias.

La tasa de carga adecuada para lograr 100% de utilización y eficiencia debe ser 25% de la tasa de fusión del horno, introducida cada 15 minutos, en una proporción de 60% retornos y 40% lingote.

El metal fundido se suministra mediante uno de los siguientes métodos para entregarlo a los Hornos de mantenimiento/Hornos de cuchareo en las celdas de colada:

• Ensamble manual de bloque de vaciado y tapón, hacia un cucharón bull de transferencia.
• Bomba de metal fundido, hacia un cucharón bull de transferencia.
• Pozo de bombeo de dispensación presurizado neumáticamente, hacia un cucharón bull de transferencia.
• Sistema de canal de colada por gravedad conectado directamente y calentado por resistencia eléctrica, hacia Hornos de mantenimiento.
• Basculamiento hidráulico del horno y vertido hacia un cucharón bull de transferencia.

Básicamente existen dos escuelas de pensamiento cuando se observan los distintos fabricantes de hornos de reverbero de hogar húmedo a gas:

1) TECNOLOGÍA DE QUEMADORES DE TECHO RADIANTE DE BAJA ALTURA LIBRE

2) TECNOLOGÍA DE QUEMADORES CONVECTIVOS EN PARED LATERAL DE ALTA ALTURA LIBRE

1) TECNOLOGÍA DE QUEMADORES DE TECHO RADIANTE DE BAJA ALTURA LIBRE

Un diseño de horno de reverbero con techo radiante de baja altura libre (FIGURA # 1) se basa en tres principios:

1. La distancia entre los quemadores (fuente de calor) y el aluminio (carga)
2. La relación de mantenimiento a fusión (baño a fusión)
3. La carga uniformemente temporizada del material a fundir (lingote / Sow / retornos)

El principio de diseño #1 se basa en la “LEY DE STEPHAN – BOLTZMANN” del calor radiante, que establece que cuanto más cerca esté el objeto de la fuente de calor y cuanto mayor sea el diferencial de temperatura, más rápida será la transferencia de calor (BTU). Este es el criterio de diseño para los hornos de reverbero de techo radiante. Mediante el uso de quemadores de baja velocidad, llama plana y alta liberación térmica que calientan el bloque del quemador hasta 2000 °F, se obtiene un enorme diferencial de temperatura entre el aluminio y el quemador. La transferencia de BTU hacia el aluminio es entonces la máxima posible.

Con este tipo de horno, cuanto más cerca esté la fuente de calor radiante del medio receptor, mayor será la eficiencia. Cuanto más cerca esté la fuente de calor, más fuentes (quemadores) se necesitan para lograr la máxima cobertura del medio (aluminio).

El principio de diseño #2 se basa en que la relación de mantenimiento a fusión es crítica como factor de dilución para el aluminio sólido que se carga en el horno. Cuanto mayor sea la relación, menor será la fluctuación de temperatura del baño. La relación ideal es 10:1 (10 lb de capacidad por cada 1 lb fundida) y, en cualquier caso, NUNCA menor que 8:1.

El principio de diseño #3 se basa en la tasa de carga del material a fundir. Esta debe ser 25% de la tasa de fusión, cada 15 minutos. Esto asegurará que se mantenga una temperatura del metal de más o menos 15 °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 da como resultado mala calidad del metal y aumenta las pérdidas de escoria.

2) TECNOLOGÍA DE QUEMADORES CONVECTIVOS DE ALTA ALTURA LIBRE

Un diseño de horno de reverbero con tecnología de quemadores convectivos de alta altura libre (FIGURA # 2) también se basa en tres principios de diseño:

1. El uso de quemadores de alta velocidad (momento) montados en los laterales o en la pared del extremo, con longitudes de llama ajustables y una alta velocidad hacia adelante para proporcionar transferencia de calor convectiva.
2. La relación de mantenimiento a fusión.
3. No sobrecargar.

El principio de diseño #1 se basa en las tecnologías de quemadores de alta velocidad y alto momento. Los quemadores se montan en paredes laterales o en la pared del extremo, inclinados y con ángulo 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 combustión saliendo de la loseta del quemador a velocidades de 15,000 ft/min a 35,000 ft/min. La filosofía es que estos gases de alta velocidad arrastran los gases de la atmósfera del horno y los hacen circular vigorosamente por toda la cámara de calentamiento, maximizando así la transferencia de calor “convectiva” hacia el baño de aluminio.

En pocas palabras, a medida que aumenta la velocidad del aire caliente que pasa sobre una superficie, aumenta proporcionalmente la cantidad y la tasa de transferencia de calor hacia el medio (aluminio).

Lo positivo de esto es que los productos de combustión de alta velocidad que circulan por la cámara de calentamiento provocarán un efecto de ondulación en la superficie del baño, creando una gran área superficial del baño para aumentar la tasa de transferencia de calor.

Lo negativo de esta teoría es que, al ondular la superficie del baño y aumentar el área superficial, también se incrementa la tasa de oxidación y las pérdidas de fusión porque hay una mayor área superficial expuesta a la atmósfera oxidante del horno.

Los hornos de alta altura libre también tienen más área superficial interior de refractario que debe calentarse 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 indica que se tendrán mayores pérdidas totales de calor.

Los principios de diseño #2 y #3 se aplican tanto a los hornos de reverbero con tecnología de quemadores convectivos como a los hornos de reverbero con tecnología de quemadores de techo radiante:

• La relación baño a fusión idealmente debe ser 10:1. Nunca menos de 8:1
• La tasa de carga debe ser 25% de la tasa de fusión por hora, cada 15 minutos
• No sobrecargar.

EFICIENCIA: RADIANTE VS. CONVECTIVA

Al determinar las eficiencias del horno, es importante incluir las pérdidas de fusión junto con las eficiencias de combustible. Según el diseño/tecnología del quemador y su ubicación, se presentarán distintos porcentajes de pérdida de fusión. El término “pérdida de fusión” define el porcentaje de pérdida de metal por libra fundida debido a la oxidación, procedimientos de retirada de escoria, uso de fundentes y pérdidas por vapor/gases de chimenea.

Estas pérdidas obligan a fundir metal adicional para compensarlas. Esto da como resultado un costo/entrada de energía adicional, además del costo del metal adicional requerido.

La experiencia ha demostrado que el consumo de combustible y las pérdidas de fusión, en condiciones “del mundo real”, son:

TECNOLOGÍA DE TECHO RADIANTE

BTU por lb fundida————— 1500 -1650 BTU

% Pérdida de fusión——————— 2 – 3 %

TECNOLOGÍA CONVECTIVA EN PARED LATERAL

BTU por lb fundida—————- 1800 – 2000 BTU

% Pérdida de fusión——————– 4 – 5 %

NOTA: Estas cifras se basan en hornos de reverbero (pozo húmedo) a gas, con 100% retornos, chatarra o lingote a temperatura ambiente, cargados 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 utilizar hornos de reverbero a gas.

RECUPERADORES

Un recuperador tipo tubo de radiación, por el cual pasan los gases calientes de escape del horno y precalientan el aire de combustión suministrado a los quemadores a una temperatura de 700 °F, puede reducir el consumo de combustible en 20%.

HOGAR DE PRECALENTAMIENTO DE LINGOTE / SOW

Un hogar de precalentamiento de lingote o Sow, donde se coloca la carga para que los gases calientes de escape del horno pasen por encima, a través y alrededor de la carga antes de introducirla al baño de aluminio, reducirá el consumo de combustible en 25 – 30%.

CUBIERTAS AISLANTES PARA POZOS

Todos los pozos abiertos o sin cubrir deben tener cubiertas aislantes removibles, accionadas (para pozos grandes) o manuales (para pozos pequeños). La pérdida de calor por radiación superficial de la superficie de un baño de aluminio fundido, a 1250 °F, es 7,147 BTU/pie²/hora. (FIGURA: # 3)

RESUMEN

Como se indicó al inicio de este artículo, el concepto básico original del horno de fusión de aluminio de reverbero a gas no ha cambiado. Lo que ha cambiado es la tecnología de quemadores, la tecnología refractaria, la tecnología de control, la recuperación, la regeneración, etc.

Hoy en día existe una multitud de variables disponibles para ahorrar energía y reducir costos en el departamento de fusión. Asegúrese de revisar los distintos tamaños de hornos de reverbero Dynamo aquí https://dynamofurnaces.mx/cat/aluminum-gas-melting-furnaces/aluminum-gas-melting-tilting-reverb-furnaces/

AUTOR / DESCARGO DE RESPONSABILIDAD

Este artículo fue redactado por Ed Lange, quien es Consultor de Hornos de Aluminio, elange2@cogeco.ca. La información presentada en este artículo se basa en más de 40 años de experiencia del autor en el desarrollo, diseño y ventas de equipos de fusión, Hornos de mantenimiento y manejo de metales no ferrosos. El autor no respalda de ninguna manera a ningún fabricante de hornos en particular ni sus respectivas tecnologías.