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Fundamentos sobre Hornos Rotatorios

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Esta es la segunda entrega de la uía de reparaciones de Hornos Rotativos. Estos son los fundamentos de reparación de Hornos rotativos para Clinker y Cal, entre otras aplicaciones, Los fundamentos no solo proveen una guía sólida al respecto, sino que consolidan todas as practicas de mantenimiento

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Fundamentos sobre Hornos Rotatorios

  1. 1. Fundamentos sobre Hornos
  2. 2. Agenda  Evolución del Diseño  Efectos Mecánicos sobre Hornos  Expansión Térmica  Deformación Plástica  Deformación Elástica  Diferentes Diseños de Hornos  Llantas de Horno  Rodillos de Soporte  Empuje Axial de Horno
  3. 3. Evolución del Diseño de Horno  El diseño del horno ha sido principalmente influenciado por el incremento en la velocidad de producción. Ejemplo: Planta Longitud de horno (m) Diámetro de horno (m) Velocidad (rpm) Velocidad de Producción (t/d) Dundee 1 140 5 / 4.6 1 – 1.5 1’500 Clarksville 232 6.9 / 6.4 / 7.6 1 – 1.5 4’000 Altkirch 68 4 2-2.5 1’250 Chekka 65 5.2 3.5 - 4 5’800 Portland 78 5.2 3.5 - 4 5’400 St Genevieve 90 6.6 3.5 - 4 12’000
  4. 4. Diseño Antiguo de Horno “Húmedo” (1948)
  5. 5. Diseño Antiguo de Horno “Húmedo”
  6. 6. Diseño Nuevo de Horno “Seco” FLS Horno de dos Estaciones Llantas tangenciales suspendidas Conducidos sobre Rodillos el Horno Auto alineamiento soporte de horno
  7. 7. Las Diferentes Zonas en el Horno Rotatorio 16M o3 recom endado Zona de enfriamiento (0 – 1 horno d)  Cristalización de fases de clinker a 1200 hasta 1100 °C  Abrasión por polvo de clinker y ataque de álcali  Choque térmico y altas fuerzas mecánicas Zona de sinterización (3 – 5 horno d)  Formación de alita entre 1300 y 1450 °C y revestimiento estable  Sobre calentamiento, infiltración por clinker fundido y sulfatos de álcali Zona inferior de transición (1 – 2 diámetros de horno)  Enfriamiento de clinker de 1400 °C a 1200 °C  Choque térmico, clinker fundido y sulfatos de álcali Zona de Seguridad  Altas variaciones de temperaturas  Primera formación de fundiciones eutécticas  Ataque álcali e infiltración Zona de calcinación (4 – 6 diámetros de horno)  Calcinación de materias primas entre 700 y 1000 °C  Abrasión moderada, ataque álcali y variaciones de temperatura Zona de precalentamiento  Calentamiento y deshidratación de materias primas hasta 700 °C  Abrasión por materia prima  Aislamiento para proteger el accionamiento del horno Zona superior de transición (2 – 4 diámetros de horno)  Formación de revestimiento inestable hasta 1300 °C  Más altas cargas térmicas y choque térmico
  8. 8. Fatiga de Carcasa del horno Migración de llanta Ovalidad Alineación de Ejes del HornoInclinación del Eje del Rodillo Cigüeñal del Horno Carga Térmica Anillo Retención Nose Ring Visión General del Horno (Tópicos Cubiertos) Inclinaciones de EjeAccionamiento del Horno Perfil de Deformación de Carcasa
  9. 9. Efectos Mecánicos en Hornos 1. Expansión Térmica: Cambio en dimensión de un material como resultado de un cambio de temperatura 2. Deformación Plástica: Cambio en dimensiones de un objeto baja carga que no es recuperado cuando se retira la carga 3. Deformación Elástica: La deformación en un material bajo tensión que se recupera al retirarse la tensión
  10. 10. Expansión Térmica (reversible)  Expansión térmica de la carcasa  Distribución desigual de temperatura en la carcasa  Elongación del Horno  Aumento de diámetro  Cigüeñal La Carcasa del Horno se expande de acuerdo al coeficiente de expansión térmica (El proceso es reversible)
  11. 11. Perfil de Temperatura Basics On Kilns Temperatura ∆T Refractario ∆T Carcasa ∆T llanta ∆T Refractario ∆T Carcasa ∆T llanta
  12. 12. Expansión Térmica (reversible) ∆D Diferencia de diámetro [mm] D1 Diámetro original [mm] α Coeficiente de expansión [1/°C] ∆ϑ Diferencia de temperatura [ °C ] Horno con Ø4.5m y 20°C ¿Cuál es la diferencia de diámetro a 300°C ? Ejemplo: ϑα ∆••=∆ 1DD mmD 14280000011.04500 =••=∆
  13. 13. Sección de Llanta Flotante en Operación Normal Vista Longitudinal: Refractario Carcasa Llanta Zapatas Espacio (en la parte superior) Contacto
  14. 14. Llanta del Horno sin espacio (llanta metida) La llanta obstaculiza la expansión térmica de la carcasa No Movimiento Relativo
  15. 15. Carcasa Constreñida del Horno Deformación Plástica Permanente de la Carcasa La expansión térmica del horno fue restringida por la llanta
  16. 16. Diferencia de Temperatura LLanta / Carcasa 1 2 4 3 Diferencia de Temperatura Holgura  Calentar el horno es la fase más crítica para la holgura  Respetar el Tiempo recomendado de Pre Calentamiento (típicamente 24h) 1 2 3 4 Carcasa llanta Temperatura Tiempo horas
  17. 17. Fijación Tangencial de Engranaje en Circunferencia Placa Tangencial Clavija Reborde de engranaje en forma de T Fijación por Soldadura
  18. 18. Fijación de Engranaje en Circunferencia de Placa en Resorte Corona Placas de resorte
  19. 19. Deformación Plástica (irreversible)  Punto caliente  Alto gradiente en temperatura de la carcasa  Pérdida de rotación en condición caliente  Punto caliente  Expansión térmica detenida por la llanta  Cambio de micro estructura  Cigüeñal  Sin redondez  Carcasa estrangulada La Carcasa del Horno operado por encima de las capacidades térmicas y mecánicas pierde su forma original (σ>límite elástico)
  20. 20. Deformación Plástica Propiedades del Acero (S235 JRG2) 0 50 100 150 200 250 20 100 200 300 350 400 450 500 550 600 Temperatura [°C] LímiteElástico[N/mm2] Fuerza de Rotura Módulo de Elasticidad Las propiedades mecánicas se reducen por un aumento de temperatura
  21. 21. Deformación Plástica (irreversible) Ejemplo Práctico: Deformación Térmica (luego del enfriamiento)Punto Caliente horno La carcasa del horno se encoge en el área del punto caliente luego del enfriamiento
  22. 22. Deformación de la carcasa del Horno (Punto Caliente)
  23. 23. Deformación de la carcasa del Horno (e.g. luego del Punto Caliente) Bild Regla Regla
  24. 24. Medición de Deformación de la Carcasa del Horno Horno con deformación de carcasa en el área medida Máx.-Mín.>25mm Pos 1 view from outlet (rotation anticlockwise) -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
  25. 25. Deformación de Carcasa del horno (Punto Caliente) con mortero Relleno máx..8mm
  26. 26. Deformación de Carcasa del Horno (Punto Caliente) máx..8mm Relleno con mortero
  27. 27. Movimiento Relativo de los Ladrillos Micro-Espacio entre ladrillos y Carcasa Antes de la Rotación Después de la Rotación “Marcas” en Carcasa y ladrillos Nota: La estrecha instalación de los ladrillos reduce el movimiento relativo
  28. 28. Deformación de la carcasa del Horno (Punto Caliente) Nota: Las deformaciones locales de la carcasa reducen drásticamente la vida útil del ladrillo en el caso del movimiento relativo del ladrillo max.8mm Mortar joint max. 1-1,5mm with mortar FilledJunta de mortero Relleno con mortero
  29. 29. Deformación Elástica (dinámica)  Alta holgura de llanta  Ladrillos Pesados  Alta costra  Espesor reducido de la carcasa  Desalineación de rodillos  Excesiva holgura de la llanta  Alta Combadura  Alto Doblado  Alta Ovalidad La carcasa del Horno se deforma por su peso por fuerzas desde los rodillos (σ<<límite elástico)
  30. 30. Deformación Elástica (reversible) Ejemplo Práctico: Deformación Elástica (debido al peso) Tensión kiln El horno se dobla debido al peso propio Compresión horno
  31. 31. Deformación Elástica (reversible) Tensiones dinámicas: Cambia de compresión a tensión con cada revolución del horno kilnhorno
  32. 32. Deformación Elástica (reversible) Desalineación vertical : Máx. 3…5 mm Tensión kiln El horno se dobla debido a su peso propio y a la desalineación Compresión horno
  33. 33. Deformación Elástica (reversible) Desalineación horizontal : Máx. 3 mm Tensión kiln La carcasa del horno se dobla debido a la desalineación Compresión horno
  34. 34. Deformación Elástica (reversible) Aliñe el horno lo mejor posible Reporte de Medición del Eje del Horno
  35. 35. Cálculo de la Tensión de Doblado del Horno (Enfriador Planetario) Enfriador Refractario + Material + Carcasa Corona Empuje axial Límite: 25 N/mm2 Deflexión Tensión normal de flexión De tensión De compresión Longitud de Viga Ubicación
  36. 36. Fracturas en Carcasa debidas a una estación de rodillo muy lenta (debajo)
  37. 37. Deformación de Carcasa Ladrillos Sueltos Ladrillos Apretados
  38. 38. Llanta Flotante y Acanalada Llanta flotante de horno Llanta acanalada de horno
  39. 39. Diferentes Diseños en Hornos  Llantas  Llanta Flotante (también llamada: Llanta Suelta o Migratoria)  Llanta Fija (también llamada: Llanta Suspendida Tangencial o Acanalada)  Estaciones de Rodillo de Apoyo  Apoyo Rígido  Apoyo Semi Rígido  Apoyo de Auto Alineación
  40. 40. Llanta Flotante Bloque Guía Laina Seguro no giratorio Bloque de Empuje Zapata Anillo de Empuje Bloque de Retención Llanta
  41. 41. Llanta Acanalada (Diseño Polysius) LlantaPlaca de Puente Bloque X Cuña Dispositivo de Tensión Bloque de Empuje Canal de Llanta
  42. 42. Sección de Llanta Acanalada
  43. 43. Bloque X con fisuras Cracks Tope axial de llanta Dispositivo de tensionamiento de cuña Cuña Placa flotante de soporte Bloque X Fracturas Tope axial para placa flotante de soporte
  44. 44. Llanta Acanalada (Diseño FLSmidth)
  45. 45. Sección de Llanta Acanalada
  46. 46. Llantas Segmentadas Sólo para aplicaciones especiales, si no hay acceso para una llanta tradicional
  47. 47. Soporte Rígido Nota: La desalineación de los rodillos o temblor de la llanta produce carga en el borde
  48. 48. Soporte Semi-rígido (FLS) Elementos Elásticos Alguna desalineación de los rodillos o temblor de la llanta puede ser absorbido  el contacto permanece
  49. 49. Soporte de Auto Alineación (FLS) Basics On Kilns Cojinete de Rótula Toda la desalineación de los rodillos o el temblor de la llanta puede ser absorbida  el contacto permanece  distribución uniforme de carga
  50. 50. Soporte de Auto Alineamiento (con accionamiento) (Polysius) Toda la desalineación de los rodillos o el temblor de la llanta pueden ser absorbidos  el contacto permanece  distribución uniforme de carga Cojinete de Rótula Accionamiento de Horno
  51. 51. Empuje Axial de horno El peso del horno induce una fuerza axial hacia abajo debido a la inclinación del horno Q: peso total del horno A: empuje total A = sin α x Q α: inclinación 2 - 6 % = (0.02 a 0.06) x Q Peso típico de un horno 2000 – 4000 tona lada
  52. 52. Empuje Axial del Horno Calcular la fuerza hacia abajo inducida por el peso debida a la inclinación del horno  Q = 1200 t para L=68 m y ∅=4.2 m  A empuje total A = sin α x Q  α inclinación 3.5 % A = 0.035 x 1200 = 42 t Ejercicio: Determinar la carga total de empuje A para un horno con L=185m, ∅=5 m y una pendiente de 3% A=117 tons
  53. 53. Distribución de Empuje Axial del Horno (Balance) A = AT + AR1 + AR2 +AR3 AT AR1R AR1L AR2R AR2L AR3R AR3L A Regla General: Rodillo de Empuje Hidráulico: 40% tomado por Rodillo de Empuje (AT) 60% dividido entre los Rodillos de Soporte (AR) Rodillo de Empuje Fijo: 100% dividido entre los Rodillos de Soporte (AR)
  54. 54. Métodos para controlar el empuje axial Rodillo de Empuje Fijo Rodillo de Empuje Hidráulico DistribucióndeCarga: Empuje+Rodillos radiales SinDistribuciónde Carga:sóloporrodillos deEmpuje DistribucióndeCarga: Entrerodillosradiales A = AT A = AT+ AR1 + AR2 +AR3A = AR1 + AR2 +AR3 A = Carga Axial Total (Empuje) AT = Carga en Rodillo de Empuje ARX = Empuje en Rodillos por torcedura
  55. 55. Torcedura de rodillo & Rodillos de Empuje Fijo El horno puede moverse entre 2 rodillos de empuje fijo, los cuales sirven como limitadores.  Los rodillos se tuercen para balancear el empuje del horno  La variación del coeficiente de fricción permite al horno moverse en intervalos hacia abajo y hacia arriba (por lubricación de grafito) Ángulo de Torcedura: β ≥ 1.4 min. = 0.04% = 0.4mm/m llanta ROTACIÓN ROTACIÓN EMPUJE RODILLO
  56. 56. Torcedura de rodillo & rodillos de empuje hidráulico El horno se moverá de acuerdo con el movimiento de los rodillos de empuje (hacia abajo 4…8h, hacia arriba 12…24h)  Los rodillos de empuje no están diseñados para tomar todo el peso axial del horno (típicamente 40…60%)  Todos los rodillos deberían tomar ligeramente alguna carga axial del horno  Por lo menos a NINGÚN rodillo se le permite empujar el horno hacia abajo  Los rodillos tienen que ser lubricados con grafito

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