HORNOS DE ARCO
EL CALENTAMIENTO DE MATERIALES POR ARCO ELÉCTRICO SE REALIZA
BÁSICAMENTE POR EL PASO DE LA CORRIENTE ELÉCTRICA ENTRE DOS
ELECTRODOS UNO DE LOS CUALES PUEDE SER LA PROPIA CARGA.
LOS CAMPOS PRINCIPALES DE APLICACIÓN INDUSTRIAL DEL
CALENTAMIENTO POR ARCO SON:
-LA SOLDADURA
-LOS HORNOS DE FUSIÓN DE METALES
- LOS HORNOS DE REDUCCIÓN DE MINERALES
HORNOS DE ARCO
EN LA SOLDADURA SE UTILIZA UNA VARILLA DE APORTACIÓN DE MATERIAL
QUE, EN LA MAYORÍA DE LOS CASOS, HACE DE ELECTRODO Y EL ARCO SE
ESTABLECE ENTRE LA VARILLA Y LA PIEZA O PIEZAS A SOLDAR. EN
ALGUNOS CASOS SE UTILIZA UN ELECTRODO DE GRAFITO Y LA ENERGÍA
DEL ARCO, QUE SE ESTABLECE ENTRE EL ELECTRODO Y LA PIEZA, FUNDE
UNA VARILLA ADICIONAL QUE APORTA EL MATERIAL DE SOLDADURA.
HORNOS DE ARCO
EN LOS HORNOS DE ARCO DE FUSIÓN SE COLOCA LA CARGA EN EL
INTERIOR DE LA CUBA Y SE ESTABLECE EL ARCO ENTRE LOS
ELECTRODOS O ENTRE LOS ELECTRODOS Y LA CARGA.
PUEDEN DISPONERSE UN SOLO ELECTRODO (HORNOS DE CORRIENTE
CONTINUA), DOS ELECTRODOS DISPUESTOS HORIZONTALMENTE
(CALENTAMIENTO INDIRECTO POR RADIACIÓN DEL ARCO AL INTERIOR DE
LA CUBA) O TRES ELECTRODOS (HORNOS DE CORRIENTE ALTERNA).
SE UTILIZAN PRINCIPALMENTE PARA FUSIÓN DE FUNDICIÓN DE ACERO Y,
EN UNOS POCOS CASOS, PARA METALES NO FÉRRICOS PESADOS
(ALEACIONES DE COBRE).
HORNOS DE ARCO
EN LOS HORNOS DE ARCO DE REDUCCIÓN, UTILIZADOS EN LA
FABRICACIÓN DE FERROALEACIONES, CARBURO DE CALCIO, SILICIO
METAL, ETC., LOS ELECTRODOS ESTÁN SUMERGIDOS EN EL BAÑO DE
MATERIAL FUNDIDO Y EL CALENTAMIENTO SE REALIZA REALMENTE
POR RESISTENCIA DIRECTA DEL MATERIAL, AUNQUE PUEDEN
PRODUCIRSE PEQUEÑOS ARCOS ENTRE LOS ELECTRODOS Y LA
SUPERFICIE DE LA CARGA O INCLUSO DENTRO DE LA CARGA.
HORNOS DE ARCO
Tipos de hornos de arco.
Comparación de diseños de hornos de arco 1970 y 1990.
Evolución de los tiempos de proceso.
Componentes del balance energético.
Ventajas de la utilización de lanzas de 02 y escoria espumosa.
DIFERENCIAS HORNOS ARCO CA Y CC:
- EN C.A. SE DISPONEN TRES ELECTRODOS QUE ENTRAN POR LA BÓVEDA
DEL HORNO, CERRÁNDOSE EL CIRCUITO EN LA CARGA O BAÑO DE METAL
FUNDIDO. EN C.C. SE DISPONE UN ÚNICO ELECTRODO (QUE HACE DE
CÁTODO) POR LA BÓVEDA, EL ÁNODO VA EN EL FONDO DEL HORNO, UNIDO
ELÉCTRICAMENTE AL BAÑO, Y SE REQUIEREN CABLES ELÉCTRICOS DESDE
EL ÁNODO HASTA EL RECTIFICADOR.
-AL CIRCULAR LA CORRIENTE CONTINUA SIEMPRE EN EL MISMO SENTIDO, SE
PRODUCE UNA CIERTA AGITACIÓN DEL BAÑO QUE RESULTA BENEFICIOSA
PARA UNIFORMIZAR COMPOSICIÓN Y TEMPERATURA Y ABSORBER LA CARGA
CUANDO SE INTRODUCE CONTINUAMENTE.
- EL ELECTRODO ÚNICO EN C.C. ESTÁ MÁS SEPARADO DE LAS PAREDES QUE
LOS TRES ELECTRODOS EN C.A., POR LO QUE EL ÍNDICE DE EROSIÓN DEL
REFRACTARIO ES MÁS REDUCIDO. EN EL ÍNDICE DE EROSIÓN INTERVIENEN,
ADEMÁS DE LA DISTANCIA A LAS PAREDES, OTROS FACTORES COMO LA
LONGITUD DEL ARCO Y LA TENSIÓN APLICADA, QUE SON DIFERENTES EN C.A.
Y EN C.C.
- ES NECESARIO ASEGURAR UN BUEN CONTACTO ENTRE EL ÁNODO Y LA
CARGA LO QUE EXIGE DETERMINADOS CUIDADOS EN LA REALIZACIÓN Y EL
MANTENIMIENTO DEL REFRACTARIO DE LA SOLERA.
Horno de arco radiante.
LA CUBA TIENE UN MOVIMIENTO DE OSCILACIÓN DE GRAN AMPLITUD SOBRE
ROLDANAS (1), LO QUE PERMITE QUE EL METAL FUNDIDO SE DESPLACE EN EL
INTERIOR, ABSORBIENDO EN GRAN PARTE EL CALOR ALMACENADO POR EL
REVESTIMIENTO (6) EN SU EXPOSICIÓN, DURANTE UNA GRAN PARTE DEL TIEMPO, A
LA RADIACIÓN DIRECTA DEL ARCO. DE ESTE MODO SE UNIFORMIZA LA
TEMPERATURA EN EL BAÑO Y SE REDUCEN LAS PÉRDIDAS DE CALOR POR EL
REVESTIMIENTO.
TERMINADA LA FUSIÓN EL MECANISMO DE OSCILACIÓN (8) ACTÚA SOBRE UN
MAYOR ÁNGULO PARA COLAR EL METAL FUNDIDO. LA CARGA SE REALIZA
MANUALMENTE O MEDIANTE EL VUELCO DE CESTONES A TRAVÉS DE UNA PUERTA
(5) QUE SE DISPONE SOBRE LA PARTE CILÍNDRICA DE LA CUBA, ENFRENTADA,
NORMALMENTE, AL PICO DE COLADA.
HORNOS DE ARCO
Disposición general
del horno de arco
sumergido.
LOS ELECTRODOS PUEDEN SER:
-DE GRAFITO, COMO EN LOS HORNOS DE ARCO DE FUSIÓN DE ACERO
(TIPO HEROULT)
- DE PASTA COCIDA DURANTE EL PROCESO EN EL HORNO (ELECTRODO
CONTINUO SODERBERG).
EL CALENTAMIENTO POR ARCO TIENE UNA IMPORTANCIA
SECUNDARIA, SIENDO PREDOMINANTE EL CALENTAMIENTO POR
EFECTO JOULE, DEBIDO A LA CORRIENTE ELÉCTRICA QUE PASA POR
LA CARGA, LO QUE PROVOCA SU CALENTAMIENTO PREVIO, SU
FUSIÓN PASTOSA Y, FINALMENTE, SU FUSIÓN LÍQUIDA, PREVIA AL
PROCESO QUÍMICO DE REDUCCIÓN QUE TIENE LUGAR, EN MUCHOS
CASOS.
LAS TENSIONES QUE SE UTILIZAN SON DEL ORDEN DE 100 V CON
INTENSIDADES DE 10000 A 100000 A. LOS CONSUMOS ESPECÍFICOS
SON MUY ELEVADOS. UNOS VALORES TÍPICOS SON:
LOS EQUIPOS SON DE GRAN POTENCIA
HORNOS DE ARCO
LOS HORNOS DE ARCO DE FUSIÓN DE ACERO SE BASAN EN LA
TRANSFORMACIÓN DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA EN CALOR APLICADO A LA
CARGA, LO QUE PROVOCA SU ELEVACIÓN DE TEMPERATURA.
LA ENERGÍA ELÉCTRICA PROCEDE DE UNA RED DE CORRIENTE ALTERNA EN
ALTA TENSIÓN Y LLEGA AL HORNO, PROPIAMENTE DICHO, A TRAVÉS DE UN
CIRCUITO ELÉCTRICO QUE CONSTA BÁSICAMENTE DE:
-UNA LÍNEA DE ENTRADA EN ALTA TENSIÓN.
-UN TRANSFORMADOR PRINCIPAL, QUE REDUCE LA TENSIÓN DE ENTRADA A
LA REQUERIDA EN EL HORNO.
- UN CIRCUITO ELÉCTRICO, A CONTINUACIÓN DEL SECUNDARIO DEL
TRANSFORMADOR, QUE TERMINA EN LOS ELECTRODOS.
HORNOS DE ARCO
EN LOS HORNOS DE CORRIENTE ALTERNA SE DISPONEN TRES
ELECTRODOS ENCIMA DE LA CARGA, QUE ESTÁ PUESTA A TIERRA, Y EL
ARCO SALTA ENTRE ELECTRODOS A TRAVÉS DE LA CARGA, ES DECIR,
CADA ELECTRODO HACE ALTERNATIVAMENTE DE CÁTODO Y ÁNODO.
HORNOS DE ARCO
EN LOS HORNOS DE CORRIENTE CONTINUA SE DISPONE UN ELECTRODO,
QUE HACE DE CÁTODO, ENCIMA DE LA CARGA, EN CUYA PARTE INFERIOR
SE SITÚA EL ÁNODO. EL ARCO SALTA ENTRE EL CÁTODO Y LA CARGA
PASANDO LA CORRIENTE ELÉCTRICA HASTA EL ÁNODO QUE ESTÁ EN
CONTACTO CON LA CARGA. DESDE ÉSTE SE CIERRA EL CIRCUITO
MEDIANTE CABLES HASTA EL EQUIPO RECTIFICADOR, COLOCADO A
CONTINUACIÓN DEL TRANSFORMADOR PRINCIPAL.
HORNOS DE ARCO
EL CIRCUITO ELÉCTRICO COMPLETO COMPRENDE RESISTENCIAS,
REACTANCIAS Y CONDENSADORES QUE DETERMINAN LOS PARÁMETROS
DE FUNCIONAMIENTO DE LA INSTALACIÓN.
DICHOS PARÁMETROS SON, ENTRE OTROS:
- LA TENSIÓN E INTENSIDAD DE LA CORRIENTE
- LAS POTENCIAS ACTIVAS A LA ENTRADA Y EN EL ARCO
- LOS FACTORES DE POTENCIA EN DIVERSOS PUNTOS
HORNOS DE ARCO
LOS PARÁMETROS SE LLEVAN A DIAGRAMAS DE FUNCIONAMIENTO QUE
PERMITEN DETERMINAR LAS CONDICIONES ÓPTIMAS DE
FUNCIONAMIENTO, QUE PUEDEN SER, ENTRE OTRAS:
1.- MÁXIMA PRODUCCIÓN, QUE PROCEDERÁ DE LA MAYOR POTENCIA EN
EL ARCO.
2.- MÁXIMO RENDIMIENTO, ES DECIR, MÍNIMAS PÉRDIDAS ENERGÉTICAS
RESPECTO A LA POTENCIA CONSUMIDA, LO QUE DETERMINA
NORMALMENTE UN PUNTO DE FUNCIONAMIENTO A POTENCIA EN EL
ARCO ALGO INFERIOR A LA MÁXIMA.
3.- MÍNIMO COSTE DE FUNCIONAMIENTO, LO QUE IMPLICA, NO SÓLO EL
COSTE DELA ENERGÍA SINO OTROS (CONSUMO DE ELECTRODOS Y DE
REFRACTARIO, CARGA, MANO DE OBRA, ETC.).
HORNOS DE ARCO
Características del arco
entre dos electrodos
idénticos.
EL CÁTODO, CALENTADO POR EL PASO DE CORRIENTE, EMITE
ELECTRONES QUE SE DESPLAZAN HACIA EL ÁNODO BAJO EL EFECTO
DEL CAMPO ELÉCTRICO QUE SE CREA ENTRE LOS ELECTRODOS.
LAS MOLÉCULAS DE GAS SE IONIZAN AL PASO DE LOS ELECTRONES, SE
HACEN CONDUCTORAS Y ASEGURAN EL PASO DE LA CORRIENTE
ELÉCTRICA, AUNQUE LOS ELECTRODOS ESTÉN SEPARADOS.
LAS MOLÉCULAS IONIZADAS, ACELERADAS POR EL CAMPO ELÉCTRICO,
CHOCAN CONTRA EL CÁTODO Y LO CALIENTAN DANDO LUGAR A UNA
MAYOR EMISIÓN DE ELECTRONES.
FISICA DEL ARCO ELECTRICO
HORNOS DE ARCO
Circuito simplificado de horno de arco.
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HORNOS DE ARCO
HORNOS DE ARCO
SE DEFINE EL RENDIMIENTO ELÉCTRICO, E COMO LA RELACIÓN ENTRE
LA POTENCIA DESARROLLADA EN EL ARCO Pa Y LA POTENCIA
CONSUMIDA.
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HORNOS DE ARCO
Potencia en el arco
adimensional
en función
de r y x.
HORNOS DE ARCO
EN LA PRÁCTICA LOS VALORES DE r Y x SON ALTOS, LA CURVA
RESULTA MUY APLANADA Y SE PUEDE FUNCIONAR CERCA DE (Pa)MÁX
EN UNA AMPLIA GAMA DE VALORES.
NO INTERESA TENER VALORES MUY BAJOS DE R Y X YA QUE DARÍAN
LUGAR A INTENSIDADES MUY ALTAS SEGÚN LA FÓRMULA
POR LO QUE HAY QUE BUSCAR UN COMPROMISO.
HORNOS DE ARCO
Potencia
consumida
adimensional
en función
de r y x.
HORNOS DE ARCO
HORNOS DE ARCO
SIN EMBARGO, INTERESA EL RENDIMIENTO EN LAS PROXIMIDADES DE (Pa)MÁX SIN QUE
P — (Pa)MÁX SEA MUY ELEVADO.
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