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UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE
INGENIERÍA MECÁNICA
TESIS
PARA OPTAR EL TITULO PROFESIONAL DE
INGENIERO MECÁNICO
“PARAMETROS DE DISEÑO DE HORNO PARA
FABRICACION DE MATERIAL REFRACTARIO,
EN FUNCION DE SU CAPACIDAD DE
PRODUCCION”
AUTOR: Br. EUFER CASTILLO JAVE
ASESOR:
Ing. SEGUNO PALACIOS GUARNIZ
TRUJILLO - PERU
2012
RESUMEN
El presente trabajo tuvo como principal objetivo el
obtener los
parámetros de diseño de un horno metalúrgico de tipo estacionario o
intermitente, para la cocción de material refractario, en especial ladrillo
refractario estándar.
En la realización del presente estudio, se visitó y efectuó un ”scaledown”
en el horno de la empresa REDSA productora de ladrillos refractarios.
Los resultados de la experimentación muestran:
Que los hornos continuos aprovechan la energía térmica (carga útil) en un
58% de la potencia media total, mientras que los hornos intermitentes
aprovechan en un 50% de energía útil la carga.
Los parámetros de diseño de un horno intermitente para la cocción de
refractarios se determinan:
Energía total necesaria: Ct = 2,905 *me; me: material refractario: Kg/carga
Ct = 10,75 Ne donde: Ne: Número de ladrillos refractarios tipo estándar;
la energía total requerida en MJ/carga).
El volumen interno del horno se determina: Vh = 0,00205 Ne en m3
El diámetro del horno: DH = (0,01025 Ne)1/3 en m.
Altura del horno: Hh = (0,001305 Ne)1/3
en m.
Palabras claves: Horno metalúrgico; parámetros de diseño.
PRESENTACIÓN
SEÑOR DECANO DE LA FACULTAD DE INGENIERIA.
SEÑORES MIEMBROS DEL JURADO:
De conformidad con lo estipulado por el Reglamento de
Grados y Títulos de la Escuela Profesional de Ingeniería Mecánica de la
Universidad Nacional de Trujillo, presento a su consideración el presente
trabajo de Tesis Titulada:
“PARAMETROS DE DISEÑO DE HORNO PARA FABRICACION DE
MATERIAL REFRACTARIO, EN FUNCION DE SU CAPACIDAD DE
PRODUCCION”.
El presente trabajo se realizó con la finalidad de obtener
los parámetros de diseño de un horno de tipo estacionario o intermitente
para la cocción de material refractario, en especial ladrillo refractario
estándar.
Para su ejecución se emplearon los conocimientos básicos de
Transferencia de calor y los principios básicos de la metodología de la
Investigación científica.
Trujillo, Marzo del 2012
EUFER CASTILLO JAVE
AGRADECIMIENTOS
Expreso mi más sincero agradecimiento a toda la plana docente
de la Escuela Académico Profesional de Ingeniería Mecánica de la
Universidad Nacional de Trujillo por su dedicación y esfuerzo en mi
formación profesional.
Mi especial agradecimiento al Dr. Ms. Ing. Víctor Alcántara Alza y al Ing.
Segundo José Palacios Guarniz, por la Asesoría y por los grandes consejos
a nivel profesional y humanístico.
También un agradecimiento
a todas y cada una de las personas que
participaron en la investigación realizada, ya que invirtieron su tiempo y
conocimientos para ayudarme a complementar mi proyecto de tesis.
Por último, quiero agradecer a todas aquellas personas que sin esperar
nada a cambio compartieron sus conocimientos y vivencias. A todos
aquellos que durante todo este tiempo que duró este sueño lograron
convertirlo en una realidad.
EUFER CASTILLO JAVE
DEDICATORIA
A DIOS
Por haberme permitido llegar hasta
este punto y haberme dado salud
para poder lograr mis objetivos,
además de su
infinita bondad y
amor.
A MI MADRE
Por su enorme y su incondicional
apoyo contribuyeron para cumplir
con mis metas, son las palabras de un
hijo muy agradecido.
A MIS HERMANOS
Por su apoyo llegue a
completar esta etapa
tan importante de mi
Vida,
Y A TODOS LOS TÉCNICOS Y MAESTROS
Que aportaron sus ideas en la realización
del presente proyecto de investigación.
EUFER CASTILLO JAVE
INTRODUCCIÓN
ANTECEDENTES Y REALIDAD PROBLEMÁTICA
Se han estudiado anteriormente, de forma general, las distintas
funciones que están llamados a desempeñar los materiales refractarios,
y las propiedades que deben reunir para cumplir eficientemente dichas
funciones.
La variedad y complejidad de funciones y propiedades, en algunos casos
contradictorias, nos lleva a establecer dos conclusiones:
La primera de ellas, es la práctica imposibilidad de utilizar directamente
como refractarios materias primas en estado natural, por lo que es
necesario elaborarlos de acuerdo con técnicas de fabricación orientadas
a obtener o mejorar las propiedades deseadas.
La segunda conclusión radica en el hecho de que, aun contando con
materiales refractarios elaborados, sólo es posible compatibilizar entre
sí las diversas funciones prácticas, mediante una multiplicidad de
materiales, debidamente organizados, constituyendo lo que en la
tecnología metalúrgica se denomina el revestimiento refractario del
horno o instalación térmica.
El termino Ladrillo refractario hace referencia a aquellos elementos que
pueden soportar satisfactoriamente el calor sin sufrir deterioros en su
forma, así como resquebrajamientos, es de entenderse, que esta
propiedad está vinculada a las cerámicas, aunque las mismas tampoco
pueden soportar la temperatura de manera infinita.
Estos elementos tienen una larga historia que comienza en el neolítico
hasta nuestros días, siendo que el proceso de fabricación y sus
aplicaciones han variado mucho, no así sus componentes.
En la actualidad se puede encontrar estos elementos en casi todas las
aplicaciones en las que es necesario proteger equipos y personal del
calor, desde los hornos de barbacoa hasta en las placas de protección de
las naves especiales y motores de combustión interna “cerámicos”.
Comercialmente se puede encontrar en tres tipos de presentaciones:
Cementos, morteros y ladrillos.
En la producción de material refractario uno de los renglones de mayor
costo es el rubro de combustibles; teniendo en cuenta que la
temperatura de operación es de aproximadamente 1400ºC, requiriendo
un flujo de energía proporcional a la capacidad de material a cocer; por
lo que en el presente trabajo esta proyectado a optimizar la eficiencia
energética del horno de refractarios de tal manera que se disminuya el
consumo de energía y por lo tanto la disminución de los costos de
operación.
En base a lo anterior se van a estudiar los fundamentos de los procesos
de fabricación y conformación de los materiales refractarios. Al estudiar
las diversas clases de refractarios industriales, y sus aplicaciones
específicas a los diversos procesos y los parámetros de diseño de los
hornos para cerámica o refractarios.
Formulación del Problema:
¿Mediante la capacidad de producción de material refractario se puede
determinar sus parámetros de diseño del horno?
Hipótesis
Los parámetros de diseño del horno metalúrgico para la cocción de
material refractario pueden ser determinados a partir de la capacidad de
producción.
Objetivos Finales:
El presente trabajo tiene como principal objetivo elaborar un algoritmo de
diseño de un horno metalúrgico para la producción de material
refractario, teniendo como base la capacidad de producción.
CAPITULO I
MARCO TEORICO
1.1 Ladrillo Refractarios
Como se afirmó anteriormente, el termino Ladrillo refractario hace
referencia
a
aquellos
elementos
que
pueden
soportar
satisfactoriamente el calor sin sufrir deterioros en su forma, así como
resquebrajamientos, es de entenderse, que esta propiedad está
vinculada a las cerámicas aunque las mismas tampoco pueden
soportar la temperatura de manera infinita.
Estos elementos tienen una larga historia que comienza en el neolítico
hasta nuestros días, siendo que el proceso de fabricación y sus
aplicaciones han variado mucho, no así sus componentes.
En la actualidad se puede encontrar estos elementos en casi todas las
aplicaciones en las que es necesario proteger equipos y personal del
calor, desde los hornos de barbacoa hasta en las placas de protección
de las naves especiales y motores de combustión interna “cerámicos”
Comercialmente se puede encontrar en tres tipos de presentaciones:
Cementos, morteros y ladrillos.
1.1.1 Tipos de ladrillos refractarios
Los ladrillos refractarios básicos poseen una moderada conductividad
y una alta expansión térmica. Estos ladrillos se pueden conformar en:
1.1.2 Refractarios de magnesita:
Se pueden encontrar varias marcas de estos ladrillos como son:
Repsa Harcon; el cual se utiliza para paredes superiores de hornos
eléctricos de arco. El Repsa Nuline; que se utiliza para revestimiento
de hornos convertidores L-D, estas son zonas más agresivas de
hornos eléctricos de arco. El Repsa Oxiline; se utiliza para
revestimiento de hornos convertidores L-D regeneradores de calor y
hornos eléctricos de arco.
1.1.3 Magnesita-cromo:
Se pueden encontrar marcas como: Repsa Nucon; se utiliza para
puntos calientes de hornos eléctricos de arco. Repsa Magnex; se usa
generalmente en hornos siderúrgicos en paredes superiores de
hornos eléctricos de arco. Repsa Magnez 5; se utiliza en Bóvedas de
reverberos de cobre. Repsa Nucon 60 se usa para paredes superiores
y bóvedas de hornos eléctricos de arco, para hornos reverberos y
convertidores de cobre, etc.
1.1.4 Cromo-magnesita:
Se distinguen marcas como: el Repsa Chromex; para paredes de
regeneradores de hornos de vidrio, de hornos reverberos y de
convertidores de cobre. El Repsa CB-20 su uso general es de ladrillos
básicos, y de hornos metalúrgicos de cobre, plomo, zinc, fundiciones
no ferrosas, y el Repsa Chromex se aplica para fundiciones de
metales no ferrosos, hornos de recalentamiento, regeneradores de
hornos de vidrio.
1.1.5 Ladrillos de Cromo:
Se diferencias las marcas como: el Repsa Chromex S: se usa en
regeneradores de hornos de vidrio, fogón de calderos bagaceras y en
estructura de calderos recuperadores de calor.
Los que se fabrican con minerales magnesita y cromita, o las mezclas
de ambos son los más usados en los hornos industriales. Ahora bien,
esta clasificación se diferencia por su alto punto de fusión, por su gran
espesor, y por su resistencia al ataque de óxidos básicos y de
escorias.
1.2 Producto Principal.
El principal producto es la Masas refractarias o cuerpo refractario son
elementos que resisten al calor y son especialmente utilizados en las
paredes de los hornos o en general de cualquier sistema que requiera
protección del calor, es usual encontrarlas en el asilamiento de
chimeneas, fuegos bajos, depósitos de agua caliente para crisoles
para metales fundidos, etc. Se utilizan normalmente en asocio a los
Ladrillo refractarios o placas refractarias y tienen una composición
común con estos.
Características
El color que adoptan estos ladrillos se debe al proceso de fabricación;
pueden ser amarronados ó pardo blancuzcos.

Piezas de alta densidad.

Poseen textura lisa y homogénea.

Baja conductividad térmica.

Alto punto de fusión.
1.3 Fabricación de ladrillos refractario
En la industria de los materiales refractarios se utilizan diversos
métodos para su fabricación. El sistema más sencillo es el de cortar
piezas, de la forma deseada, a partir de las de cuarzo o el silicio
fundido ( figura 1.1 )
Figura 1.1 Procedimiento de corte para dar forma a los bloques de
material de cuarzo
Otro
método
diferente
es
el
de
fundir
una
composición
determinada en moldes para obtener ladrillos o bloques. Los
materiales fabricados por este principio se denominan productos
electrofundidos.
En los últimos años se han implantado principios y técnicas de
trabajo de la cerámica fina para fabricar productos altamente
refractarios, en los que las materias refractarias una vez molidas con
la máxima finura y después de una preparación en húmedo, se
moldean bien por medio de aglomerado químico, extrusión o
también por prensado isostático.
Para la fabricación de ladrillos refractarios se sigue utilizando no
obstante, todavía hoy en día preferentemente el denominado método
de cerámica bruta (Ver figuras)
Figura 1.2.- Proceso de fabricación de ladrillos refractarios de
chamota moldeados en seco.
Leyenda
1.- Almacén de materia prima
2.- triturador de arcilla
3.- molino de arcilla
4.- torre de secado
5.- silo
6.- dispositivo para disolución de componentes líquidos
7.- triturador basto
8.- triturador fino
9.- transportador
10.- criba
11.- silo de carga
12.- molino de bolas
13.- aireador
14.- pesaje,
15.- silo de carga
16.- dosificador de componentes
17.- mezclador
18.- prensas de fricción
19.- prensas hidráulicas
20.- moldeador a mano/apisonador
21.- vagoneta de cocción
22.- secador de túnel
23.- horno túnel
24.- almacén/cargue de ladrillos
líquidos
Figura 1.3 - Diagrama de flujo del proceso de fabricación de
ladrillos refractarios.
1: Materias primas
2.Molienda
3.Mezcladores
4.Aglomerantes
5.Morteros
6.Prensas
7.Secadores
8. Hornos
9.Temperizado
10.Impregnacion
11.Clasificacion
12.Otros trabajos
14.Certificado y expedicion
M: Toma de muestra
C: Punto de control
R: Registr
Controles en la fabricacion de ladrillos refractarios
1.- Control de materia primas.
2.- Control de molienda.
3.- Control de mezcladores.
1. Control de aglomerantes.
2. Control de morteros.
3. Control de muestras.
4. Control de secaderos.
5. Control de hornos.
6. Control de temporizados.
7. Control de impregnacion.
8. Control de clasificacion.
9. Control de otros trabajos.
10. Marcaje y Etiquetado.
11. Certificacion y expedicion.
1.4 Preparación de las materias primas.
En general las materias primas de que parte el proceso de
fabricación de materiales refractarios son de origen natural y
proceden directamente de mina.
En la fabricación de refractarios especiales, y en el caso de la
magnesia, cuyas reservas naturales son actualmente insuficientes,
la materia prima procede en algunos países (USA entre ellos) de
síntesis química (magnesia obtenida a partir del agua de mar y
alúmina a partir de la bauxita).
Cuando se utilizan, en todo o en parte, materias de origen primario
(naturales), es necesario realizar una serie de operaciones previas
con el objeto de obtener una materia de calidad adecuada, que nos
permita obtener un producto refractario cocido con las propiedades
deseadas. Por ello y una vez extraída la materia prima natural de la
mina o cantera, se procede a su lavado, con objeto de eliminar
materias solubles que puedan actuar como posibles fundentes y que
por tanto disminuirán las propiedades refractarias del producto a
fabricar.
En algunos casos es necesario realizar un proceso de concentración
y posterior o paralelamente, una calcinación del producto, con el
objeto de eliminar el CO2 de los carbonatos o H2O de los hidratos
presentes en la materia prima. Si no se realizara esta operación,
dichas sustancias volátiles se evacuarían en el proceso de cocción
de las piezas refractarias y provocarían la rotura de las mismas, con
las consiguiera es pérdidas económicas. En ese sentido, se tiene la
chamota que es el producto resultante de calcinar materiales
arcillosos.
La preparación abarca tres procesos individuales, a saber:
1.- Desmenuzamiento de la materia prima, por trituración o molienda
2.- Fraccionamiento por criba del material triturado o molido
(Clasificación).
3.- Mezcla de fracciones para la formación de masa (Dosificación).
Por regla general y debido a circunstancias de tipo económico, el
proceso de trituración se realiza escalonadamente:
- Trituración basta - trituración fina - molienda.
Para ejecutar este tipo de trituración existen un gran número de
máquinas de diferentes tipos, de las que sólo se citarán las más
importantes:
- Trituración basta: triturador de mandíbulas, triturador de impacto,
triturador de cono, triturador de rodillos.
- Trituración fina: triturador de impacto, triturador de cono, triturador
de rodillos.- Equipos de molinos: Molino de rodillos anulares,
molino de bolas, molino oscilante. Los aspectos fundamentales para
la elección apropiada del equipo de trituración son la dureza y la
maleabilidad del material a moler, el grado de fragmentación
prevista, la forma de grano y otros de carácter similar. El grado de
rendimiento técnico para la trituración en todas estas máquinas es
extraordinariamente bajo y está situado por debajo del 1 %. Siendo
todavía inferior para los equipos de molienda fina. La mayor parte
de la energía utilizada se transforma durante el proceso de
trituración en calor. Un factor importante de costos en la trituración
es el desgaste de los elementos moledores. En líneas generales, se
ha valorado el principio de que para materiales duros deberán
utilizarse herramientas resistentes y para el material blando la
herramienta dura.
SELECCIÓN
ESMALTADO
MOLIENDA HUMEDA
SECADO
SECADO
MOLDEADO Y PRENSADO
DECORACION
PRE SECADO Y COCION
ALMACENAMIENTO
EMPAQUUETADO Y ETIQUETADO
SELECCIÓN
Figura 1.4 - Proceso de fabricación de ladrillos refractarios.
Figura 1.5.- Instalación trituradora de magnesia sinterizada.
La intensidad de la molienda y la forma de llevarla a efecto dependen de
la forma y tamaño de grano deseados.
En general interesan granos angulosos e irregulares con preferencia a
formas redondeadas o planas a fin de conseguir una buena compacidad y
cohesión de las piezas. Los granos irregulares, en cuanto a forma,
presentan una mayor superficie por unidad de peso y dan lugar a una
mayor isotropía de características térmicas y mecánicas. Por esta causa
deben utilizarse procedimientos de molienda con molinos de impactos o
de percusión.
Los tamaños de molienda dependen de la textura cristalina de la materia
prima y de su homogeneidad cristalográfica.
Debe destacarse que para evitar contaminaciones no deseadas en las
etapas de molienda, en las fábricas de refractarios, se dispone de
circuitos de molienda separados para las distintas materias primas
refractarias.
El cribado de la materia prima triturada se hace en la mayoría de los
casos con cribas oscilantes, con una sola criba o con un paquete de
cribas, según el número de fracciones que se quieran obtener. La
condición imprescindible para conseguir el fraccionamiento correcto es
que se conserve el material a cribar libre de toda humedad, teniendo
especial incidencia para el cribado fino. Para evitar la obstrucción de la
criba, frecuentemente se procede a calentarla. Se suelen utilizar también
con la misma finalidad cribas de tejidos especiales, como cribas de mallas
paralelas, cribas de agujeros alargados o similares.
Para la preparación de la masa a moldear, se mezclan los componentes
en un mezclador según la materia prima indicada y la fórmula de la
granulometría, se añade un aglomerante y después se procede a la
homogeneización
que
suele
ser
normalmente
en
mezcladores
discontinuos. En la industria del refractario han ido tomando base los
mezcladores de contracorriente, mezcladores de rotor muy pesado
(aproximadamente 3 toneladas) y mezcladores de eje doble. Son las
características físicas del ladrillo las que determinan si es más
conveniente la instalación de un mezclador de rulos. El mezclador de
rulos suministra normalmente masas para fabricar ladrillos de textura más
densa.
Para poder conseguir la máxima uniformidad y exactitud, se han
automatizado al máximo las distintas etapas de preparación en las
instalaciones modernas por medio de elementos electrónicos.
Los aspectos físicos de un material refractario se determinan en gran
medida por la estructura granular. Siendo especialmente válida esta
circunstancia para los productos que se fabrican sin o con escaso
contenido de aglomerante, como es el caso de los ladrillos de magnesia,
ladrillos de chamota dura y similares.
En general se necesita un mínimo de dos fracciones granulométricas: una
base, y otra u otras destinadas a rellenar los huecos dejados por aquella.
En las mezclas granulométricas binarias, que son las más frecuentes, la
relación de diámetros medios de partículas debe ser elevada (superior a
20). En circunstancias normales se mezclan hoy en día cuatro fracciones
de granulado: grueso, medio, fino e impalpable, con los que se consiguen
las propiedades deseadas para el ladrillo.
El tamaño base (Gruesos) de las partículas influye sobre la resistencia
térmica y mecánica de la pieza y debe ser objeto de estudio en cada
caso. En general, al crecer el tamaño base es mayor la resistencia
piroscópica, pero también lo es la porosidad y menor la resistencia
mecánica. En la práctica el tamaño base suele estar comprendido entre 1
y 5 mm., según los casos. La mezcla de las fracciones granulométricas y
su dosificación tienen como objetivó la obtención de una distribución
granulométrica y porcentaje de tamaños tal, que den lugar al menor
número posible de huecos entre ellos, después de la compactación
mediante prensado. Con ello se consigue una mayor compacidad y, por
tanto, la máxima densidad en verde. En estas condiciones, tras el
prensado y cocción será posible obtener la adecuada porosidad de la
pieza.
La compacidad de conjunto del polvo cerámico es la relación entre el
volumen del mismo y su volumen de conjunto, que es el volumen interior
del recipiente que lo contiene. A mayor compacidad menor volumen de
huecos y, por tanto, menor porosidad, que será más fácil de eliminar en el
posterior proceso de cocción, el cual determina la porosidad final del
producto.
Las granulometrías obtenidas por análisis indican la distribución por
tamaños de las partículas que componen el polvo cerámico y permiten
determinar en qué proporciones se han de mezclar para obtener una
granulometría resultante que se parezca lo más posible a una curva
granulométrica ideal de compacidad máxima.
El estudio del empaquetamiento debe ser optimizado de modo que se
obtenga la mínima porosidad y máximas propiedades del material
cerámico.
Por sencillas consideraciones geométricas se puede mostrar que el
porcentaje en volumen de huecos que se produce al empaquetar esferas
del mismo diámetro es independiente de dicho diámetro y sólo depende
del tipo de empaquetamiento.
Los empaquetamientos con esferas y la densidad de empaquetamiento
(tanto por ciento del volumen global ocupado por las esferas), cuya
diferencia a 100 da el volumen de huecos correspondiente. Se observa
que dicho volumen es mínimo para formas tetraédricas, que son las más
estables en la naturaleza.
La dimensión de los poros existentes entre las esferas es función tanto
del tipo de empaquetamiento como del tamaño de las esferas. En el
empaquetamiento tetraédrico el área de la sección transversal, A, de los
intersticios vale 2 0,0 4 a y en el cúbico 2 0,21a.
Para los empaquetamientos densos el área de la sección transversal de
los intersticios es una fracción del área de la sección transversal de la
esfera y disminuye cuando lo hace el diámetro de la esfera.
Introduciendo y distribuyendo partículas pequeñas en los intersticios que
existen entre las partículas grandes, traerá consigo una disminución de la
porosidad y del tamaño de poro. La clave para mejorar la densidad de
empaquetamiento es la relación entre los tamaños de las partículas, así
las pequeñas deben de elegirse de modo que se dispongan en los
intersticios sin forzar la separación de las partículas grandes. Además, se
puede seguir eligiendo partículas aún más pequeñas, de modo que
ocupen el siguiente nivel de poros, con la consiguiente mejora de la
densidad de empaquetamiento.
El empaquetamiento ordenado de esferas del mismo tamaño, con los
poros que dejan entre ellas dicho empaquetamiento es binario, donde el
tamaño de las esferas pequeñas se ha elegido de modo que ocupe los
huecos existentes entre las mayores, sin que se distorsione el
empaquetamiento original. Análogamente, un empaquetamiento ternario,
tal y puede obtenerse usando esferas más pequeñas de modo que
ocupen los nuevos huecos creados en el empaquetamiento binarios.
Finalmente, como la elección de esferas demasiado grandes no mejora la
densidad de empaquetamiento, ya que su adición fuerza la separación de
las esferas correspondientes al empaquetamiento original.
Cualquier mezcla tiende a reducir el volumen de conjunto, con respecto al
de una sola fracción. Partiendo de una fracción, si se reduce de tamaño
algunas de las partículas, estas podrán utilizarse para ocupar huecos, con
lo que la misma masa ocupara un volumen más pequeño, aumentando
por tanto la densidad de empaquetamiento. Análogamente, si parte de las
partículas de sustituyen por una de mayor tamaño de la misma masa, la
misma masa ocupara un volumen más pequeño pues se habrán eliminado
una serie de poros.
Para un empaquetamiento ordenado, el diámetro de la esfera que ocupa
los poros intersticiales disminuye cuando el número de coordinación
aumenta. El efecto de añadir pequeñas esferas seleccionadas a tres
empaquetamientos ordenados. En el caso del número de coordinación
doce, existen dos poros intersticiales diferentes (octaédrico y tetraédrico)
con lo que son necesarios dos tamaños y contenidos de esferas para
obtener la porosidad mínima.
El comportamiento básico de un empaquetamiento denso aleatorio
bimodal se conoce como el modelo de Furnas. El volumen de
empaquetamiento, denominado volumen específico de empaquetamiento,
es una función de la composición de la mezcla de esferas grandes y
pequeñas.
Hay
una
composición
de
máxima
densidad
de
empaquetamiento.
Según Furnas en la composición que nos da el máximo empaquetamiento
hay un mayor volumen de partículas grandes que pequeñas. La mejora
relativa en la densidad de empaquetamiento depende de la relación entre
el tamaño de las partículas grandes y pequeñas.
Dentro de un rango limitado, cuanto mayor sea la relación entre el tamaño
de las partículas grandes y de las pequeñas, mayor es el máximo de la
densidad de empaquetamiento. Esto es verdadero hasta una relación de
tamaños de aproximadamente 20:1, pero requiere al menos una
diferencia del 20 % entre los tamaños de las partículas.
La figura 3.3.8 puede usarse para determinar la composición óptima.
Asumiendo partículas densas, el volumen específico de un polvo, V, se
define como el inverso de la densidad aparente
V=1/f
Figura 1.6 Huecos tetraédricos y octaédricos en la estructura cubica
centrada en las caras de un material refractario
Donde
es la densidad teórica del polvo y f su densidad fraccional
(factor de empaquetamiento)
Comenzando con las partículas grandes, el volumen específico disminuye
cuando se añaden partículas pequeñas, ya que estas rellenan los huecos
existentes entre las partículas grandes.
La cantidad de partículas pequeñas se hace demasiado grande, ya que
todos los vacíos están llenos y, en consecuencia, nuevas adiciones
fuerzan el que las partículas grandes se separen y no se mejora la
densidad de empaquetamiento.
Al contrario comenzando con un recipiente lleno de partículas pequeñas,
al sustituir conjuntos de ellas con sus vacíos asociados por partículas
grandes, que son totalmente densas, se obtiene un aumento de la
densidad debido a la eliminación simultánea de los huecos que existían
entre las partículas pequeñas (una región porosa es substituida por una
región totalmente densa). La mejora se produce hasta que se llega a una
concentración donde las partículas grandes se ponen en contacto entre
ellas.
La máxima densidad de empaquetamiento para una mezcla bimodal de
esferas corresponde al volumen mínimo específico. Esto se denomina
punto de saturación y tal situación las partículas grandes están en
contacto entre ellas y todos los huecos intersticiales están llenos de
partículas pequeñas. El cálculo de la composición de saturación, en
términos de la fracción de peso de las partículas grandes es el objetivo de
los tratamientos matemáticos.
1.5 Descripción del proceso productivo
En el proceso de fabricación de ladrillos se distinguen dos partes:
A. Extracción:
La materia prima se encuentra en la naturaleza formando grandes
bancos de arcilla, pudiendo extraerse utilizando mano de obra directa
o maquinaria pesada, esto dependiendo de la capacidad de la planta.
Para el presente proyecto se ha determinado la extracción utilizando
una retroexcavadora, la cual alimentara de arcilla a la dosificadora.
B. Fabricación:
Sigue las siguientes fases:
1. Dosificación Alimentación
En esta parte del proceso y mediante un dosificador alimentador se
racionaliza el abastecimiento de las otros maquinas, asegurándoles
un flujo constante y bien dosificado de arcilla. Con la puesta en
marcha de esta máquina se regula el proceso de alimentación de
arcilla.
Figura 1.7 Dosificador alimentador daig-12
Fuente: “Industria de Marombas GELENSKY Ltda.” – Brasil.
2. Desintegración
Mediante este proceso se logra desmenuzar el material que se
encuentra en forma de rocas. El desintegrado es indicado cuando
la arcilla se presenta en estado natural, con bajo porcentaje de
humedad y endurecido, formándose bloques compactos muy
resistentes a la acción homogeneizadora, en el desintegrado son
separados pequeños cuerpos extraños eventualmente contenidos
en la arcilla, como también es ejecutada una pre laminación.
Figura 1.8 Desintegrador dig-15
Fuente: “Industria de Marombas GELENSKY Ltda.” – Brasil
3. Mezclado homogeneizado
En esta parte del proceso la arcilla es remojada y se busca que
partes magras y grasas de la arcilla se entremezclen íntimamente,
ablandándose las partes duras como una consecuencia de la
humectación. A través del mezclado se humecta y homogeneiza la
masa.
Figura 1.9 Mezclador de dos ejes mig-15
4. Laminado refinado
En esta parte del proceso, el laminador refinador es una máquina
muy importante para el buen tratamiento de las arcillas en el
proceso de producción de ladrillo y productos similares. Las
impurezas que penetran conjuntamente con la arcilla dentro de la
masa son desechas por la acción de las mismas y mezcladas
íntimamente a la arcilla, el laminador refinador completa la
homogeneización de la arcilla, evita perdidas en la producción y
proporciona productos con mejor acabado.
Figura 1.10. Laminador refinador lig-15
Fuente: “Industria de Marombas GELENSKY Ltda.” – Brasil.
5. Extrusado al vacío
La extrusora, es la máquina principal de producción cuyas
funciones son: mezclado, limpieza final de impurezas, extracción
de aire de la mezcla a través de una potente bomba de vacío,
extrusión a alta presión y formado de las piezas mediante moldes o
matrices., permitiendo un mejor acabado del producto final.
La figura 1.11 muestra el equipo de extrusión para diferentes tipos
de ladrillos.
Figura1.11 . Extrusora a vacuo mvig-310
Fuente: “Industria de Marombas GELENSKY Ltda.” – Brasil.
6. Corte
En esta fase se produce el corte automático de los más variados
productos cerámicos, como ladrillos, tejas y otros.
Figura 1.12. Cortador automático caig-15
Fuente: “Industria de Marombas GELENSKY Ltda.” – Brasil.
7. Secado
Las piezas cortadas y previamente extrusadas, requieren de un
tiempo de secado, ya sea al medio ambiente o por un proceso
automatizado. Para nuestro proyecto, el horno que utilizaremos
cuenta con una cámara de secado en donde se produce la
evaporación de la humedad de los ladrillos verdes; en esta fase
deberá reducir la humedad en un 8 a 10%. Técnicamente el
principio fundamental del secado tiene como objeto sustraer la
humedad contenida en cualquier materia sólida, cuidando de no
alterar en lo posible las propiedades previstas en el producto final
a) Secado Natural
b) Nave de secado artificial
Figura1.13. Secado de Ladrillos
Fuente: a. www.ladrillospiramide.com b. EXPERTISES
TECNOLOGIES CERAMIQUES
8. Horneado
La COSUDE (Agencia Suiza para el Desarrollo y la Cooperación)
lanzó en 1993 un programa en India para mejorar los problemas
medioambientales globales. En la industria del ladrillo se transfirió a
India la tecnología china del VSBK (Vertical Shaft Brick Kiln –
Horno de ladrillos de eje vertical).
En este tipo de horno, los ladrillos verdes entran primero a la zona
de precalentamiento, en donde absorben el calor de los gases
calientes procedentes de la zona de cocción que sirve para su
secado, después entran en la zona de cocción, llegando a la
temperatura de 900 º C a 1000 º C y finalmente pasan a la zona de
enfriamiento.
a) Horno Chino VSBK (Vertical Shaft Brick Kiln)
Figura 1.14 Hornos de Cocción
Fuente: www.vsbknepal.com
b) Horno Artificial Italiano
c) Horno tipo túnel
d) Horno
Circular
Fuente: b. www.ladrilloslark.com. c. www.ladrillospiramide.com
d. “Industria de Marombas GELENSKY Ltda.” – Brasil
9. Almacenamiento de productos terminados
Luego del proceso de horneado y enfriamiento se procederá a la
descarga
de
los
ladrillos
del
horno,
pudiendo
cargarse
directamente a los camiones repartidores o ser almacenados y
clasificados de acuerdo al tipo de ladrillo.
10. Control de calidad permanente.
Se hará control de calidad permanente, es decir paralelamente a
las diversas fases de fabricación. La determinación de la calidad
de los productos en proceso y terminados se refieren a las
medidas y peso exactos, así como el grado de cocción y
resistencia. Todos los productos deberán cumplir con las normas
de INDECOPI.
En la Figuras siguientes se presentan el diagrama de bloques y el
diagrama de flujo de proceso para obtener ladrillos de arcilla.
Figura 1.15 Proceso de Cocción del material refractario
Fuente: http://www.deza.ch/es
Figura 1.16. Impacto sobre la Morfología del Terreno
Fuente: http://www.deza.ch/es
CAPITULO II
MATERIAL Y MÉTODOS
2.1 Material : Ladrillos refractarios; tipo estándar
Composición: Arcilla refractaria; chamota, arcilla plástica.
Dimensiones: 20cm. x 10 cm. x 5 cm.
2.2 Equipos y materiales

Horno tipo media naranja

Quemadores de petróleo Bunker Nº6

Indicador de temperatura ( pirómetro)
2.3 Métodos
El método a emplear es de tipo factorial-experimental en la realización
del experimento considerado como:
Variables independientes:
Capacidad de producción
Variables dependientes:
Parámetros de diseño
Modelo Experimental y Tratamiento de datos
El modelo empleado es el de tipo inductivo –deductivo
Técnicas:
Observación: Visitas a empresa de refractarios REDSA
Experimentación: Evaluación de intensidad de combustión; y medición
de temperatura y tiempo de cocción del material refractario.
Capacidad de
Producción
HORNO METALURGICO
TIPO INTERMITENTE
Parámetros de diseño
Figura 2.1. Diseño del experimento para determinar parámetros de
diseño de horno Metalúrgico para material refractario
Figu
ra 2.2. Proceso de fabricación de ladrillos refractarios de chamota
moldeados en seco.
1.- Almacén de materia prima
2.- triturador de arcilla
3.- molino de arcilla
4.- torre de secado
5.- silo
6.- dispositivo para disolución de
componentes líquidos
7.- triturador basto
8.- triturador fino
9.- transportador
10.- criba
11.- silo de carga
12.- molino de bolas
13.- aireador
14.- pesaje,
15.- silo de carga
16.- dosificador de componentes
líquidos
17.- mezclador
18.- prensas de fricción
19.- prensas hidráulicas
20.- moldeador a mano/apisonador
21.- vagoneta de cocción
22.- secador de túnel
23.- horno túnel
24.- almacén/cargue de ladrillos.
Horno metalúrgico
Cámara de
cocción
Quemador de
combustible
Aire para la
combustión
Tiempo de permanencia
Flujo de combustible
Velocidad del aire
Volumen de producto a
tratar
Numero de quemadores
Flujo másico del aire
Recuperador de
energía
Velocidad de gases
Flujo de gases de
combustión
Figura 2.3 Componentes del Horno metalúrgico para elaboración de material refractario
Procedimiento de Horneado
La COSUDE (Agencia Suiza para el Desarrollo y la Cooperación)
lanzó en 1993 un programa en India para mejorar los problemas
medioambientales globales. En la industria del ladrillo se transfirió a
India la tecnología china del VSBK (Vertical Shaft Brick Kiln – Horno
de ladrillos de eje vertical).
En este tipo de horno, los ladrillos verdes entran primero a la zona
de precalentamiento, en donde absorben el calor de los gases
calientes procedentes de la zona de cocción que sirve para su
secado, después entran en la zona de cocción, llegando a la
temperatura de 900 º C a 1000 º C y finalmente pasan a la zona de
enfriamiento.
a) Horno Chino VSBK (Vertical Shaft Brick Kiln)
Figura 2.4. Hornos de Cocción
b) Horno Artificial Italiano
Circular
c) Horno tipo túnel
d) Horno
CAPITULO III
RESULTADOS Y DISCUSION
La tabla 3.1 presente valores de energía requerida en un horno
continuo para la cocción de ladrillos o material refractario, se
observa que un 20% de la energía calorífica es absorbida por los
carros porta cerámicos o contenedores esta
energía requerida
depende tanto del peso como del material de construcción debido a
que la energía es proporcional al peso y al calor especifico de dicho
material el cual se encuentra a la misma temperatura del horno.
Por lo que es recomendable emplear carros o contenedores
metálicos
teniendo
en
cuenta
que
su
calor
especifico
es
aproximadamente del orden de 0,12 Kcal /KgºC mientras que el
material refractario a temperaturas del orden de los 1500ºC tiene un
calor especifico promedio de 0,298 Kcal/Kg ºC.
En los hornos de tipo continuo presentan perdidas de energía
calorífica a través de la puerta en promedio de 7% a diferencia de
los hornos de tipo intermitente esto se debe a que los hornos de tipo
intermitente esto se debe a que los hornos de tipo túnel permanecen
durante la entrada y salida del material coccionado abiertas por lo
hornas de tipo continuo o tipo intermitente esto se debe a que los
hornos de tipo continuo o tipo túnel permanecen durante la entrada
y salida del material coccionada abiertas por lo que ingresa aire frio
o ocasionando perdidas de energía, mientras que los hornos de tipo
intermitente ingresan se clausura o cierra el horno hasta su cocción
permaneciendo durante 84 horas, que se deja enfriar hasta su
descarga.
El tiempo de enfriamiento tarda un tiempo aproximado al de cocción
por lo que esto trae desventaja con respecto a los hornos de tipo
continuo puesto que presenta un tiempo muerto significativo, que al
enfriarlo mediante insuflado de aire frío ae produce estas pérdidas
de energía que podría emplearse.
Así mismo las pérdidas de calor a través de las paredes del horno de
tipo intermitente es un 44% menor a los hornos de tipo intermitente.
En la tabla 3.1 se presenta, la distribución de energía calorífica en un
horno continuo (típico túnel) para la cocción de ladrillos refractarios,
empleando quemadores de petróleo Bunker Nº6 para temperatura
de 1400ºC de cocción.
En la tabla 3.2 se presenta la distribución de energía requerida en un
horno intermitente de forma de “media naranja”

Capacidad: 20000 ladrillos estándar

Dimensiones del ladrillo refractario: 200mm x 100mm * 50mm

Consumo de combustible: 1340 gal/batch

Combustible: Petróleo Bunker Nº6

Tiempo de cocción:3,5 días (84h)

Peso de un ladrillo:3,7kg

Calor especifico ladrillo refractario
= 0,198 Kcal/
ºC
(110ºC)
= 0,298 Kcal/
ºC
(1400ºC)
= 1340
*
*9800
* 4, 18
/ 84h
= 2473397 Kg/h (2473,3MJ/h)
Considerando que cada ladrillo tiene un peso de 3,7Kg.
= 20000 * 3,7Kg = 74000Kg
̇ = 881Kg/h
Consumo energético por kilogramos de refractario
̇ =
= 2,81MJ/kg
Tabla 3.1 Energía requerida en horno continuo para industria de
refractarios
Potencia
(Distribución)
Símbolo
Carga Útil
Carros
porta
cerámicos
Perdida
por
paredes
Perdida por puertas
Calentamientos de
la atmosfera
Potencias
media
total
Potencia
peso
material
(MJ/Kg)
1,680
0,580
por Distribución por
de central
de
potencia
(%)
58
20
0,320
11
0,200
0,160
7
4
2,940
100
Tabla 3.2 Energía requerida en horno intermitente para industria de
refractarios
Potencia
(Distribución)
Energía útil a la
carga
Energía
a
los
contenedores
Perdida por las
paredes
Perdidas
por
radiación
Perdidas
adicionales
Consumo total
Símbolo
̇
Consumo
energía
peso
(MJ/Kg)
1,450
de Distribución
por porcentual al de
potencia
(%)
50,0
0,580
20,0
0,780
26,8
0,060
2,00
0,035
1,20
2,905
100,00
Parámetros de diseño de hornos tipo intermitente de acuerdo a la
tabla 3.2 la energía requerida para un horno intermitente:
Consumo total de energía ( )
………………… (MJ/carga)
= 2,905 *
Donde
: Peso de material refractario en Kg/Carga consumo total
de energía en función del número de ladrillos refractarios.
1 ladrillo estándar = 3,7 kg/ unidad.
Relación
= 3,7por l tanto:
=3,70*2,905
…………… (
/Carga)
: numero deladrillos/carga
=10,75
………………. (
/Carga)
Volumen interior del horno ( )
El volumen interior del horno está compuesto por:
= + +
: Volumen ocupado por los ladrillos:
: Volumen de la cámara de combustible:
: Volumen de intersticios entre los ladrillos, para recirculación de
los gases de combustibles:
El volumen de ladrillos ( ) se determina:
= 0,001*
:
(
) para ladrillos estándar
El volumen de la cámara de combustible teniendo en cuenta que el
horno es de tipo tiro descendente y con quemadores distribuidos
radialmente.
Se considera una intensidad de combustible de
=
Por lo tanto el volumen de la cámara de combustión ( )
Se determina:
Considerando que una carga toma 84h de cocción por la que:
=
*
= 0,128
: (MJ/h)
Por lo tanto el volumen de la cámara de combustión se determina:
=
= 0,007
= 0,0007
El volumen de intersticios se determina efectuando experimental
arreglos entre los ladrillos que constituye aproximadamente el 35%
del volumen de ladrillos por lo que el volumen de horno se define:
= 0,001
+ 0,0007
= 0,00205
(
+ 0,35(0,001
)
Altura y diámetro del horno
Considerando una media esfera:
Pero
=
= 0, 5D; Despegando y remplazando:
D= [
] 1/3
= (0,01025
= (0,001305
)
1/3
)
1/3
)
INICIO
𝐼𝑁𝐺𝑅𝐸𝑆𝑂𝑆
𝑚𝑒 ó 𝑁𝑒
Energía total necesaria
𝐶𝑡 = 2,905 𝑚𝑒
(Mj/ carga)
Energía total necesaria
𝐶𝑡 = 10,75𝑁𝑒
(Mj/ carga)
Volumen de horno
𝑉𝐻 = 0,00205𝑁𝑒
(𝑚 )
Diámetro del horno
𝐷𝐻 =(0,01025𝑁𝑒 ) 1/3
(m)
Altura de horno
𝐷𝐻 =(0,001305𝑁𝑒 ) 1/3
(m)
IPRIMIR
𝐶𝑡 ; 𝑉𝐻 ; 𝐷𝐻 ; 𝐻
TERMINAR
Figura 3.1 Algoritmos de programa para determinar para parámetros
de diseño de Horno metálico tipo media naranja
CAPITULO IV
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
4.1 Conclusiones
 La acción del material y/o ladrillos refractarios se pueden
efectuar tanto en hornos continuos o intermitentes.
Los hornos continuos aprovechan la energía térmica (carga
útil) en un 58% de la potencia media total, mientras que los
hornos intermitentes aprovechan en un 50% de energía útil la
carga.
 La distribución de potencia en un horno continuo es de la
siguiente manera:
Carga útil: 58%
Carro porta cerámica: 20%
Pérdida por las paredes: 11%
Pérdidas por puertas: 7%
Calentamiento de la atmosfera: 4%
 La distribución de carga en el horno intermitente (batch) se
distribuye de la siguiente manera:
Energía útil a la carga: 50%
Energía por los contenedores: 20%
Pérdida por las paredes: 26,8%
Pérdida por radiación: 2,0%
Pérdidas adicionales: 1,2%
 Los parámetros de diseño de u8n horno intermitente para la
cocción de refractarios de refractarios se determina:
Energía total necesaria: Ct = 2,905 *me donde
me: peso material refractario : Kg/carga
Ct = 10,75 Ne donde: Ne: Número de ladrillos refractarios tipo
estándar; la energía total requerida en MJ/carga).
El volumen interno del horno se determina:
Vh = 0,00205 Ne en m3
El diámetro del horno: DH = (0,01025 Ne)1/3 en m.
Altura del horno: Hh = (0,001305 Ne)1/3
en m.
 Para determinar los parámetros de diseño del horno tipo
media naranja debe ingresarse el dato: m e : peso del material
refractario y/o el numero de ladrillos refractarios de tipo
estándar (20cm x 10cm x 5cm).
4.2 Recomendaciones
 Teniendo en cuenta que los hornos para cocción de
refractarios trabajan a temperaturas altas (1400ºC) se
recomienda
que
las paredes del horno
deben
estar
completamente revestidas o enlucidas principalmente en su
interior a fin de que la energía radiante se refracte en la
superficie pulida y retorne a la carga.
 En los hornos de tipo intermitente de forma de media naranja
los ladrillos a coccionar deberán distribuirse en el interior del
horno de tal manera que forme intersticios para que fluyan los
gases de combustión entre los ladrillos o la carga interna.
 En los hornos de tipo media naranja se recomienda distribuir
los quemadores en forma radial.
 Teniendo en cuenta que el revestimiento del horno es de
material refractario lo cual tiene un peso promedio de 3,7Kg
cada uno por lo que una parte de la energía calorífica se
pierde por las paredes y por los contenedores del material
refractario; se recomienda el empleo de fibra cerámica en ele
interior del horno cuyas propiedades refractarias permiten un
mejor aprovechamiento
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
1. Korting
1990
Instrucciones
de
Montaje
y Servicio
de
Quemadores Legazpia, España.
2. COEL
1981
Hornos
de
Fusión:
HFF-50,
Constructora
electromagnética S.A. Legazpia España.
3. Sánchez S, E. 1984 Combustión de Aceites Pesados con alto
Contenido de Metales y Azufre, Primer Congreso Colombiano de
Petróleo, Colombia.
4. SPIRAX / SARCO,1990 Fuel oil Storing and Preheating
Installations, Editorial CHARLTON HOUSE.
5. Perry John H .Manual del Ingeniero Químico tomo II, Editorial
UTEHA (Unión Tipográfica Editorial Hispano Americana) 1979.
6. Babcock & Wilcox Steam/Its generation and use,.Copyright The
Babcock & Wilcox Company,USA, 1978
7. Montgomery Y.D. Diseño y análisis de Experimentos Editorial
Iberoamericana,S.A. México 1991.
8. Chapman, Alanj. Transmisión del calor. Madrid: Librería Editorial
Bellisco, 3ª ed., 1990. Libro de consulta en el que se exponen los
mecanismos de transmisión del calor.
9. Gálvez F. J. y otros. Curso teórico práctico de fundamentos
físicos de la ingeniería. Madrid: Tébar Flores, 1998. Texto
universitario adecuado para ingenieros.
ANEXOS
Figura A-1 Quemador de petróleo dentro de la cámara de
combustión
1. Tobera
2. Acoplamiento de la tobera
3. Entrada de combustible atomizado ( con aire primario)
4. Pared refractaria
5. Mezclador de aire secundario
6. Boquilla del quemador
7. Mezclador
8. Brida de acoplamiento
9. Porta quemador
10. Placa metalica de unión del quemador.
Figura A-2 Quemador de petróleo bunker Nº6ubicado en la
entrada del horno