Cálculo, diseño y construcción de horno de arco eléctrico para fundir aceros con capacidad de 30 ...

315 Pages·2012·5.23 MB·Spanish

by  Palacios Panesso

CALCULO, DISEÑO Y CONSTRUCCION DE HORNO DE ARCO ELECTRICO
PARA FUNDIR ACEROS CON CAPACIDAD DE 30 KILOS
TOMO UNO
GRACIELA PALACI8S PANESSO
HECTOR GERMAN PANTOJA OLAVE
ALVARO ALFREDO PANTOJA OLAVE
Trabajo de Grado presentado como
requisito parcial para optar al título
de Ingenieros Electricistas e Ingeniero
Mecánico.
Directores Ing. HERNAN ASTUDILLO B
Ing.ROBERTO NAVARRO S.
Ing.HIDOLFO SATIZABAL G.
Ing.HECTOR SANCHEZ
CORPORACION UNIVERSITARIA AUTO NOMA DE OCCIDENT
PROGRAMAS DE INGENIERIA ELECTRICA y MECANICA
CAL!, 1985
+
Aprobado por el comite de trabajo de
Grado en cumplimiento de los requisi
tos exigidos por la Corporaci6n Uni
versitaria Autonoma de Occidente,
para optar al título de Ingeniero
..J
Mecanico e Ingenieros Electricistas.
Presidente del Jurado
I
:-''\c¡
(\ f\
¡ '-- "-.J
Jurado
Juradd
Ca1i, mayo de 1985
ii
DEDICATORIA
Dedicamos el presente trabajo al Ingeniero Héctor Sánchez, por su
afán desinteresado de colaboración y ayuda para el desarrollo cien
tífico de los laboratorios de Fundici6n de la Corporación Universi
taria Aut6noma de Occidente.
iii
AGRADECIMIENTOS
Los autores expresan sus agradecimientos :
A LUIS ENRIQUE CRUZ, Gerente y propietario de Confecciones Eléctricas.
A ALFONSO MALDONADO, Ingeniero Metalúrgico, Profesor de Metalurgia de
la Universidad Industrial de Santander.
A ALVARO NINCO, Ingeniero Metalúrgico, Superintendente de Metalmetalco.
A HECTOR SANCHEZ, Ingeniero Metalúrgico, Profesor de Metalurgia de la
Corporaci6n Universitaria Aut6noma de Occidente.
A HERNAN ASTUDILLO BURBANO, Ingeniero Electricista, Profesor de la
Corporaci6n Universitaria Autónoma de Occidente.
A ROBERTO NAVARRO SANCHEZ, Ingeniero Electricista, Profesor de la
Corporaci6n Universitaria Aut6noma de Occidente.
A HIDOLFO SATIZABAL, Ingeniero Mec§n;co, Profesor de la Corporaci6n
Autónoma de Occidente
A HECTOR BARRAGAN, Gerente y Propietario de Fundicol.
A SIDERURGICA DEL PACIFICO S.A.
A CEMENTOS DEL VALLE S.A., Y a todas aquellas personas que en una u
otra forma colaboraron en la realizaci6n del presente trabajo.
;v
TABLA DE CONTENIDO
pág
INTRODUCClON ...
1
.~·~· It"'···.'·'.····~·'.·'·····''!II!,·e:''·'····
1. CONCEPTOS GENERALES DE LOS HORNOS DE ARCO ELECTRICO .•..• 5
1.1 GENERALtDADES ...•....•.. ~ .••.... e: •••• ~ •• ,.~.,,~ ••••••••• 5
1.1.1 Hornos de resistencia ,............................... 5
1.1.2 Hornos de arco eléctrico .••.•.•...•.••...••••.•...•.. 5
1.1.3 Hornos eléctricos de Inducción .•••••.•••••.••.•••••.• 5
1.2 CONFORMACION HORNOS DE ARCO ELECTRICO .••••...•..•...... 7
1.2.1 Hornos de arco eléctrico.............................. 7
1.3 SISTEMAS PARA PRODUCIR EL ARCO ....••••..•..•.•.•••....• 7
2. COMPONENTES DE HORNO DE ARCO ELECTRICO MONOFASICO ...... 10
2.2 BASCULACION DE CUBA .........•..•....•.•••.•.•.•..•..•.. 10
2.3 ELECTRODOS DE LOS HORNOS DE ARCO ELECTRICO ............. 12
2.4 SISTEMA ELECTRICO DE LOS HORNOS DE ARCO MONOFASICO •.... 12
2.5 BRAZOS PORTELECTRODOS •...•.......•.....••........•..... 13
... ··.·.····
2.6 MASTILES ·,,··.··· .. ·········,··~·····~·'!,t~· 15
3. CALCULO, DISEÑO Y CONTRUCCION DEL CRISOL •••••..•.•.••..• 16
3.1 CALCULO DEL VOLUMEN DEL BAÑO HASTA EL LIMITE INFERIOR DE
LA VENTANA DE CARGUE ................................... 16
3.2 DETERMINACION DE LAS DIMENSIONES DEL HORNO DE CARCAZA
el L1 N o R ICA . 17
ti! , ••••••••••••••••••••••••••••• ti! • • • • • • • • • • • •
3.2.1 Cálculo del diámetro superior de la bóveda ., .•.••.••. 19
v
3.2.2 Cálculo espesor de la coraza cilíndrica •••••••••••••••• 22
3.2.3 Calculo de la altura del crisol con respecto a la altufá
de la colada ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 22
.... ........ ........
3.2.4 Cálculo espesor del refractario 23
~ ~
............
3.2.5 Cálculo promedio de alturas para la colada 24
.......... .............
3.2.6 Cálculo diámetro de la coraza , 24
3.2.7 Cálculo diámetro exterior de la coraza 24
••••••••• ti •••••
.. .. ................
3.3 CORAZA DEL HORNO ~ CONSTRUCCION , , 26
~
3.3.1 Sistema de basculaci6n ...... ,!,.!." ••.• .• , ......... . 29
~
3.4 SELECCION DE REFRACTARIO 33
"." •• ~,.,. •• 'P •• , ••••••••••••••
3.4.1 Propiedades del refractario 39
.~~.......................
3.5 CALCULO DE LA CUPULA ••••••••••••••••••••••••••••••••••• 43
3.5.1 Sistema de cúpula móvil •••••••••••••••• , •••••••••••• , 45
3.5.2 Revestimiento de la cOpula •••••••••••••••••••••••••• 45
3.5.3 Cálculo de la longitud del arco de la cOpula· ••••••••• 45
..
.. . ......... .
3.5.4 Cuando se tiene ventana de cargue , , , 46
~
3.6 DETERMINACION DEL ESPESOR DEL REFRACTARIO 50
3.6.1 Cálculo de las paredes ••••• ••••• ,., •• ,Ii!' ••• " ••• 50
,~ ~."
3.6.2 Espesor crftico del refractario ••••••••••• ••••••••••• 55
~
..... ..... .... ....... .
3.6.3 Pr€ didas de calor del crisol " , , 56
3.6.4 Bóveda •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 57
3.6.5 Profundidad del baño ••••••• •••••••• •••••• ••••••••• 61
~ ~ ~
3.6.6 Mantenimiento y reparación del refractario ~ ••••••••••• 61
3.6.7 Cálculo del peso más conveniente de la fusión •••••••• 63
3.7 CALCULO TRANSFERENCIA DE CALOR EN EL HORNO ••••••••••••• 64
3.7.1 Parámetros para cálculo de la transferencia 69
.~.........
3.7.2 Cálculos de las resistencias térmicas ••••••••••••••••• 71
vi
3.7.3 Flujo total de calor ••••••••••••••••••••••••••••••••••• 72
3.7.4 Caídas de temperatura en la transferencia •••••••••••••• 73
3.7.5 Temperaturas transferidas •••••••••••••••••••••••••••••• 73
3.7.6 Coeficiente de la transferencia de calor •••••••••••••••• 75
4. CALCULO, DISEÑO Y CONSTRUCCION DE ELECTRODOS Y SISTEMA DE
REGULACION •••• ~ ••••• : •••••••••••••••••••••••••••••••••••• 76
4.1 GEf'tERAL TDADES DE LOS ELECTRODOS •••• 76
p • • • • • • • • • • • • .. • • • ••
4.1.1 de los electrodos ••••••••••••••••••••••••• 76
Disposici~n
4.2 SELECCION DEL TIPO Y DIAMETRO DE LOS ELECTRODOS •••••••••• 78
4.2.1 Condiciones para la selecci6n de los electrodos •••••••• 78
4.2.2 Di§metro de los electrodos •••••••••••••• ~ •••••••••••••• 79
4.2.3 C&lculo de la tenst6n calor'fica de los electrodos , •••• 82
4.2.4 Diametro de des;ntegracH;n de 10s electrodos· 86
nnp!n'
4.2.5 Desintegraci6n de acuerdo a la pared de revestimiento y
del aislante •••••••••••••••••• ~ •••••••••••••••••••••••• 87
4.3 PORTAELECTRODOS ••••••• ~ ••••••••••••••••••••••• ~ ••••• , •• ~. 89
4.3.1 Cálculo del cable para los brazos portaelectrodos ••••••• 92
4.3.2 Selección de los cojinetes de rodamiento para brazos
portaelectrodos ., .. , ........•.••..• ..•.•••.•••....•.•• 97
~
4.3.3 Cálculo de poleas pararegulaci6n de brazos portaelectro
dos •• ~, •••••••• , •• , ••••••••••••••••••• ~ •••• ~ ••••••••••• 99
4.3.4 Cálculo del peso para equilibrar brazos portaelectrodos 104
5. DISEÑO, CALCULO Y CONSTRUCCION DE ESTRUCTURA PARA HORNO DE
ARCO ( MASTILES )~ ••••••••••••••• , •• :.~ ••••••••••••••••••• 108
5.1 PANDEO ELASTICO •• , ••• •••••••••••••••••••••••••••••.••• 108
~
5.1.1 Comportamiento de pandeo elástico ••••••••••••••••••••• lq9
~
5.1.2 Efecto de las condiciones en los extremos sobre el pandeo
elástico de las columnas esbeltas •••••••• ~ ••••••••••••• 110
5,1.3 Aplicaciones de un factor de seguridad ••••••••••••• ••• 113
~
vii
6. CALCULO, DISEAO y CONSTRUCCION DE UN TRANSFORMADOR PARA HOR
NO DE ARCO , •.... " ..•.•..•••••. ~ .... ~ ..•.•.• , , . ~ ~ 120
I! •• ... •••• 41
6.1 GENERALIDADES DE LOS TRANSFORMADORES ESPECIALES •....•.••• 120
6.2 DISEAO DE UN TRANSFORMADOR .••..•••••..•••..••••....••.••• 124
6.2.1 NGmero de espiras en bobina •.•••••••..•••••.••••.•••.••• 125
6.2.2 Densidad de corriente .••.•.• : •.•••.•• ••.••..•••....••. 125
~
6.2.3 NGcleo y sus características de construcción ••...••..•. 126
6.2.4 Cálculo, y características de las bobinas .•...•• 131
dise~o
6.2.5 Características de los devanados ••••.•.••.•.••.••••.••. 138
6.2.6 Características a plena carga de transformador ......... 140
6.3 DISEAO y CARACTERISTICAS DEL TANQUE •.••.••••.•..•••.•..•• 148
6.3.1 Area efectiva de refrigeración •.•• : ••...••••.•••.. ...• 149
~
6.3.2 Elevación aproximada de la temperatura de aceite oC •.•. 149
6.4 CORRIENTE DE CORTO CIRCUITO •••••••.•.••••••••.••••••••..• 151
6.5 RESUMEN ....•.•.....•...•••••••.•..••.•••••••••••.•••••••• 152
6.5.1 Devanados ...................... 152
'11 •••••••••••••• " ••••••
6.5.2 Circuito magnªtico •..••..•..••••.•..•••••.•.•.•••..••. 153
6.5.3 Eficiencia y corriente de excitación •.•.........•.••..• 154
6.5.4 Regulación ........ " .. , .. ~ ..... ~ 154
'! •• •••••• , •• '! •••••••••••
6.5.5 Diseño de tanque - Elevación de temperatura .•••••••.... 154
6.6 FORMULAS UTILIZADAS Y DEDUCCIONES ••.•.•.••...••.••.•••... 155
6.6.1 Deducción 1 -155
11 •• " , • , ........ , ••• , ... t! • " , '! , • ~ " ..... " • " ••• " •
6.6.2 Deducción 2
· . , " ..... " , . . " . " " ..... , • .. , .. · .. " " . , " " " .. . 155
~
6.6.3 Deducción 3 ··········,'!···'iI!········· .. ..
·~··········· ··156
6.6.4 Deducción 4
· " ... " ,. . " " " ........ " ... " " , ...... " " . " . " ..... . 156
6.6.5 Deducción 5 · ........ '" ........ , . · , . . , .. · · .. • .. , ... . ·159
~ ~
viii
1. CALCULO Y DE REACTOR PARA HORNO DE ARCO ELECTRICO •. 160
DISE~O
7.1 GENERALIDADES •.....•.••..••...•.•. ~ .•• ~.'!I!! 160
•••••••• , ••• tII! ••
7.2 CALCULO, DISEÑO Y CONSTRUCCION DEL NUCLEO DEL REACTOR .•.. 160
7.2.1 Dimensiones del núcleo reactor •.•.•••.•..••.•.•••••.•.• 160
7.3 CALCULO Y DE DEVANADO EN CONDUCTOR DE COBRE ..••••. 170
DISE~O
Número de espiras del devanado ....•....•••.•...•.•••..• 17Q
7~3.1
7,3.2 Longitud media de espira ............................... 172
7.3.3 Devanado y cálculo .•...•••..•.•..••• : •.••.•.••••.•.•.• 172
7.4 CARACTERISTICAS ELECTRICAS DE REACTOR ••••••••••.••.....•. 174
7.4.1 Resistencia efectiva de bobina ...•...••..•.•.••.•...•.• 175
7.4.2 Potencia absorbida por bobina = Po ..•..•..•.....•..•.. 175
7.4.3 Datos que sirven para el cálculo de parámetros eléctricos175
7.4.4 Circuito equivalente para bobina de reactor (Figura 58) ,
del diagrama vecotial de bobina choque ( Figura 59 ) ... 176
7.4.5 Condiciones magnéticas en el núcleo .•..•.•.•.•...•...•. 181
7.5 ENTREHIERRO DE LA BOBINA DE CHOQUE ..••...•..•..•.•...•.•. 181
7.5.1 Efectos de un entrehierro .•••.......•..•.••....•.....•. 181
7.5.2 Efectos del entrehierro en los parámetros en bobina del
re ae t or . "" " . • ~ ~ ~ ~ ~ 182
lit " • • • • • • • • • • I!' • • • ': • • • • • • • • • • • • • • • • • ••
7.6 EFECTOS DE LOS TAPS EN LA BOBINA DE CHOQUE •.•..•.....•... 190
7.6.1 Los cálculos para cada Tap ........................... 190
8 •. PROCEDIMIENTOS DE LOS CALCULOS DE LAS CARACTERISTICAS ELEC
TRICAS DEL HORNO ••.•.•.. 197
ti! ••• " ••••••••••••••••• " ••••••••••
8.1 CARACTERISTICAS y DIAGRAMAS ELECTRICAS ••.••............. 197
8.2 CALCULO Y CONSTRUCCION DE LOS DIAGRAMAS DE TRABAJO DEL
HORNO .,. ~ ................................ " ••.••••...••••• •• 204
8.3 ELECCION DE LOS REGIMENES DE TRABAJO PARA EL PERIODO DE
FUSION y PARA EL PERIODO DE AFINO ........................ 209
ix
p.3.1 Periodo de Fusi6n .•••.•• , ..• , ..••.•.•••••.•........• , 209
8.3.2 Periodo de Afino ...••...•.••.•.••.••.•••..•••.••.... 210
9. CALCULO Y CONSTRUCCION DEL DIAGRAMA DE LAS CARACTERISTICAS
ELECTRI CAS DEL HORNO •..•.......••.•••.••.••..••..••.••.•.. 213
9.1 PERIODO FUS ION - FIGURA 62 .............................. 213
9.1.1 Características elªctricas y diagrama •.. ~ •...•..••...... 213
9.1.2 Cálculo y construcci6n de los diagramas de trabajo del
horno periodo de fusi6n Figura 62 superior •••. ;; •.•••.• 229
9.2 PERIODO DE AFINO FIGURA 65 •.•.•••..••• ; ••••..•••••..• ; .• 236
9.2.1 Características elªctricas de diagrama •• ; •. ~ •••...•.... 236
9.2.2 Cálculo y construcción de los diagramas de trabajo del .
horno para el periodo de afino Figura 65 •.••.••..•.••• 252
~
9.3 ELECCION DE LOS REGIMENES DE TRABAJO PARA EL PERIODO DE
FUS ION ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ 259
t ••• , • 4! •• 11 '! 4! t • " • •••• , ... 11) I!: "! ! , •• " • •••••• • • ••
9.3.1 Período de fusi6n ~ 259
_t'! ••• ,., •• !I!, •••••••••••• t •••• e ••• ••
9.3.2 Para el periodo de Afino .•.•..••.•...•.•.•..••..•....•.. 260
9.4 POTENCIA MEDIA DE LOS ARCOS ELECTRICOS .•..•••......•.•... 261
9.5 PRODUCTIVIDAD ESPECIFICA DEL HORNO = Q .•••..•.••.•..•...• 263
10. PRINCIPIOS ELECTRICOS FUNDAMENTALES DEL HORNO DE ARCO .•.• 265
10.1 KILOVOLTIOS .. AMPERIOS ( POTENCIA APARENTE) (KVA ) = S •. 265
10.2 POTENCIA REACTIVA= Q (KVAR) •.•.•..••••..••••..••.•.. 265
10.3 POTENCIA DE LAS PERDIDAS ELECTRICAS DEL HORNO ( P ) KW. 266
pe
t
10.4 POTENCIA DEL ARCO ELECTRICO POTENCIA UTIL )= Pa KW .•.. 266
10.5 FACTOR DE POTENCIA ( COS 0 ) y EL VOLTAJE DEL ARCO .•.•.• 266
10.6 SISTEMA DE ALIMENTACION ELECTRICA •.••....••...•....•..•. 267
10.7 REACTANCIA y RESISTENCIA DE FASE DEL HORNO DE ARCO •..••• 269
10.7,1 Reactancia de Fase .•.....•.•....•..•..•.•.....•..•.•••
269
10.7.2 Resistencia de Fase ····'!!,,·.·,tI'!, .. 272
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