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Tesis completo

  1. 1. 1 UNIVERSIDAD TÉCNICA DE ORURO FACULTAD NACIONAL DE INGENIERÍA INGENIERÍA MECÁNICA Y ELECTROMECÁNICA TRABAJO DE GRADUACIÓN “DISEÑO DE UN HORNO ELÉCTRICO POR ARCO CON CAPACIDAD DE 500 kg. PARA EL TALLER DE FUNDICIÓN DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELECTROMECÁNICA”AUTOR: JHONNY FREDDY COPA ROQUETUTOR: ING. OLKER MALDONADO URIA ORURO, 2009
  2. 2. 2 UNIVERSIDAD TÉCNICA DE ORURO FACULTAD NACIONAL DE INGENIERÍA CARRERA DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELECTROMECÁNICA DISEÑO DE UN HORNO ELÉCTRICO POR ARCO CON CAPACIDAD DE 500 kg. PARA EL TALLER DE FUNDICIÓN DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELECTROMECÁNICAPROYECTO DE GRADO SOMETIDO A LA UNIVERSIDAD TÉCNICA DE ORUROPARA LA OBTENCIÓN DEL GRADO DE LICENCIADO EN INGENIERÍAELECTROMECÁNICA.AUTOR: JHONNY FREDDY COPA ROQUETUTOR: ING. OLKER MALDONADO URÍATRIBUNALES: ING. RAÚL MAMANI GONZALES ING. BENIGNO RÍOS CONDORI ING. EDGAR FREDDY CRUZ PÉREZ ORURO, JUNIO DE 2009
  3. 3. 3 DEDICATORIAA Dios por ser mi constante guía.A mis padres y hermanos por su apoyo incansable.A mi esposa Sandra y a mí querida hijita Madai por suconstante colaboración y comprensión. Quienes através del tiempo supieron inculcarme que con estudioy sacrificio pueden lograrse muchas cosas en la vida.
  4. 4. 4 AGRADECIMIENTOSLa conclusión del presente trabajo implica deuda degratitud con muchas personas e instituciones, cuyacooperación han contribuido grandemente a esteproyecto.En principio expreso mis mas sinceros agradecimientosa toda la planta docente de la carrera de INGENIERÍAMECÁNICA ELECTROMECÁNICA, INGENIERÍA ELÉCTRICA eINGENIERÍA INDUSTRIAL, mas toda la planta docente delCICLO BÁSICO, por darme la formación académicaadecuada, sin la cual hubiera sido imposible la buenaejecución del presente proyecto.De igual manera quiero hacer llegar un agradecimientoprofundo al Ing. Olker Maldonado Uría por sucolaboración desinteresada, siendo para mí una gransatisfacción el haber trabajado bajo su tutoría ypoder contribuir al constante crecimiento de lacarrera.Asimismo a mis compañeros y amigos que me colaboraronen la realización de este proyecto; a todos ellos,muchas gracias.
  5. 5. 5 CONTENIDO Pag.CAPÍTULO I INTRODUCCIÓN1.1 ANTECEDENTES 1 1.1.1 PRODUCCIÓN DEL HIERRO Y ACERO 11.2 PROBLEMATIZACIÓN 41.3 OBJETIVOS 6 1.3.1 OBJETIVO GENERAL 6 1.3.2 OBJETIVO ESPECÍFICO 61.4 JUSTIFICACIÓN 61.5 MARCO METODOLÓGICO 7CAPÍTULO II PROCESOS DE FUNDICIÓN2.1 MARCO TEÓRICO 8 2.1.1 HORNOS ELÉCTRICOS 8 2.1.2 HISTORIA 82.2 CARACTERÍSTICAS DE LOS HORNOS ELÉCTRICOS 10 2.2.1 HORNO DE RESISTENCIA 10 2.2.2 DE ARCO VOLTAICO 10 2.2.3 DE INDUCCIÓN 112.3 CARACTERÍSTICAS DE LOS ACEROS 142.4 ESTRUCTURA GENERAL DE UN HORNO POR ARCO 17 2.4.1 PARTE MECÁNICA 18 2.4.2 PARTE ELÉCTRICA 18 2.4.3 ELEMENTOS COMPLEMENTARIOS 19CAPÍTULO III SISTEMA ELÉCTRICO3.1 ARCO ELÉCTRICO 203.2 APLICACIONES DEL ARCO ELÉCTRICO 213.3 APLICACIONES EN HORNOS ELÉCTRICOS DE ARCO 213.4 SISTEMA ELÉCTRICO DEL HORNO POR ARCO 213.5 EFECTOS ELÉCTRICOS SOBRE LA LÍNEA DE SUMINISTRO 24
  6. 6. 6 3.5.1 GENERALIDADES 24 3.5.2 PARÁMETROS ELÉCTRICOS DE OPERACIÓN 24 3.5.3 PRODUCTIVIDAD Y CONSUMO DE ENERGÍA 25 3.5.4 REDUCCIÓN DE LOS CONSUMOS DE ELECTRODOS 27 3.5.5 AUMENTO DE LA PRODUCTIVIDAD DE LOS HORNOS DE ARCO A TRAVES DEL AUMENTO DE LA TENSIÓN SECUNDARIA DE LOS TRANSFORMADORES 28 3.5.6 FLICKER PROVOCADO POR LOS HORNOS DE ARCO 29 3.5.7 FUERZAS ELECTRODINÁMICAS PROVOCADAS POR LAS CORRIENTES QUE CIRCULAN POR LOS BRAZOS Y ELECTRODOS 30 3.5.8 ROTACIÓN DE FASES Y APRIETE DE LOS ELECTRODOS 31 3.5.9 DESGASTE DE REFRACTARIOS 31 3.5.10 OPERACIÓN EN EL PERÍODO DE ESCORIA ESPUMOSA CON ALTOS FACTORES DE POTENCIA (COS FI) 32 3.5.11 ESPECIFICACIÓN DE TRANSFORMADORES Y REACTORES 33 3.5.12 CORRECCIÓN DEL FACTOR DE POTENCIA – BANCOS DE CAPACITORES 33 3.5.13 ARMÓNICAS Y FILTROS DE ARMÓNICAS 34 3.5.14 SOBRETENSIONES 35 3.5.15 PROTECCIÓN CONTRA SOBRECORRIENTE 363.6 ELECTRODOS 37 3.6.1 EL CARBONO 37 3.6.2 CARACTERÍSTICAS SECUNDARIAS 37 3.6.3 APLICACIONES 38 3.6.4 HISTORIA 39 3.6.5 ABUNDANCIA Y OBTENCIÓN 40 3.6.6 PRECAUCIONES 40 3.6.7 ELECTRODO DE CARBÓN O GRAFITO 41 3.6.8 COMPOSICIÓN DE LOS ELECTRODOS 42 3.6.9 APLICACIONES PRINCIPALES 42 3.6.10 USOS 423.7 MEDIDAS DE AHORRO GENERALES 43
  7. 7. 73.8 MEDIDAS ADICIONALES PARA HORNOS DE ARCO ELÉCTRICO 44CAPÍTULO IV ESTRUCTURA MECÁNICA4.1 HORNOS DE ARCO ELÉCTRICO 454.2 ESTRUCTURA 464.3 OPERACIÓN DEL HORNO 474.4 EJEMPLO DE UN HORNO PARA COLADA CONTÍNUA 484.5 BALANCE ENERGÉTICO 49 4.5.1 GENERALIDADES 49 4.5.2 COMPONENTES BÁSICOS DEL BALANCE ENERGÉTICO 50 4.5.3 BALANCE ENERGÉTICO EN FUNCIONAMIENTO ESTABLE 52 4.5.4 BALANCE ENERGÉTICO EN FUNCIONAMIENTO REAL 544.6 LADRILLOS REFRACTARIOS 55 4.6.1 LADRILLOS REFRACTARIOS CON ALTO CONTENIDO EN ALUMINA 55 4.6.2 LADRILLOS REFRACTARIOS CON ALTO CONTENIDO DE SÍLICE 554.7 CARACTERÍSTICAS DE LOS LADRILLOS REFRACTARIOS 564.8 MANTENIMIENTOS EN HORNOS 57 4.8.1 PREVENTIVO 58 4.8.2 PREDICTIVO 59 4.8.3 FALLAS FRECUENTES 604.9 NORMAS PARA HORNOS 60 4.9.1 REGULACIONES PARA ACTIVIDADES PELIGROSAS 61 4.9.2 UBICACIÓN Y CONSTRUCCIÓN 61 4.9.3 CONTROLES DE SEGURIDAD 62 4.9.4 CONTROL DE FUEGO 62 4.9.5 NORMAS A NIVEL INTERNACIONAL 624.10 NUEVAS TECNOLOGÍAS 63 4.10.1 SENSORES Y CONTROL DE PROCESOS 63 4.10.2 MATERIALES AVANZADOS PARA TEMPERATURAS ALTAS 63 4.10.3 SISTEMAS DE GENERACIÓN DE CALOR 64
  8. 8. 8 4.10.4 SISTEMAS DE CONTENCIÓN DE CALOR 64 4.10.5 SISTEMAS DE RECUPERACIÓN DE CALOR 65 4.10.6 SISTEMAS DE CONTROL DE EMISIONES 65 4.10.7 ENTRADAS AUXILIARES 65CAPÍTULO V CONSUMO ESPECÍFICO DE ELECTRODOS EN HORNOS ELÉCTRICOS DE ARCO – CORRELACIÓN CON LOS FACTORES DE OPERACIÓN5.1 INTRODUCCIÓN 675.2 CONSUMO DE PUNTA Qt (kg/h)Y CONSUMO LINEAL Lc (cm/h) 685.3 CONSUMO TOTAL DE ELECTRODOS, Qt (kg/h) 695.4 CONSUMO ESPECÍFICO DE ELECTRODOS, Qs(kg/t) 715.5 APLICACIÓN PRÁCTICA DE LA FÓRMULA DE Qs (kg/t) 725.6 RELACIÓN “CONSUMO DE ELECTRODOS/CONSUMO DE ENERGÍA” 735.7 CONICIDAD DE LOS ELECTRODOS – DESGASTE LATERAL 735.8 APLICACIÓN PRÁCTICA DE LA FÓRMULA COMPLETA DEL CONSUMO ESPECÍFICO DE ELECTRODOS Qs (kg/t) 755.9 CONCLUSIONES – FACTORES QUE AFECTAN EL CONSUMO ESPECÍFICO DE ELECTRODOS 775.10 PARÁMETROS ELÉCTRICOS DE OPERACIÓN DEL PROYECTO 77CAPÍTULO VI INGENIERÍA DEL PROYECTO6.1 DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD 80 6.1.1 FÓRMULAS A UTILIZAR 80 6.1.2 CÁLCULO DEL VOLUMEN Y PESO MATERIAL A FUNDIR 816.2 DIMENSIONES DE LA ESTRUCTURA 81 6.2.1 DIÁMETRO DEL BAÑO (METAL LÍQUIDO) 81 6.2.2 ALTURA DE LA CUBA O CÁMARA DE REACCIÓN 81 6.2.3 ESPESOR DE LA PLANCHA 82 6.2.4 FLECHA DE LA BÓVEDA, TECHO O TAPA Dr (De 15%) 826.3 ESPESOR LADRILLO REFRACTARIO (SECTOR CILINDRO) 82 6.3.1 CALCULANDO EL RADIO EXTERIOR 83 6.3.2 CALCULANDO ÁREAS INTERNA Y EXTERNA DE LAS PAREDES DEL HORNO 83
  9. 9. 9 6.3.3 CÁLCULO ÁREA MEDIA LOGARÍTMICA 83 6.3.4 DETERMINACIÓN COEFICIENTE DE CONDUCTIVIDAD (LADRILLO) 846.4 CÁLCULO ESPESOR PAREDES (SECTOR SEMIESFERA INFERIOR) 84 6.4.1 CÁLCULO EXTERIOR SEMIESFERA INFERIOR 85 6.4.2 CALCULANDO LAS ÁREAS INTERNA Y EXTERNA DE LAS PAREDES DEL HORNO 85 6.4.3 CÁLCULO DEL ÁREA MEDIA LOGARÍTMICA 85 6.4.4 CÁLCULO DEL COEFICIENTE DE CONDUCTIVIDAD NECESARIA DEL LADRILLO EN LA PARTE DE LA SEMIESFERA 866.5 CÁLCULO ESPESOR REFRACTARIO (SECTOR TECHO O BÓVEDA) 86 6.5.1 CALCULANDO LAS ÁREAS INTERNA Y EXTERNA TECHO O BÓVEDA 87 6.5.2 CÁLCULO DEL ÁREA MEDIA LOGARÍTMICA 87 6.5.3 CÁLCULO COEFICIENTE DE CONDUCTIVIDAD NECESARIA DEL TECHO O BÓVEDA 876.6 CÁLCULO DE LA PRODUCTIVIDAD Y CONSUMO DE ENERGÍA 886.7 DISPOSICIÓN DE ELECTRODOS 886.8 DIMENSIONADO PORTAELECTRODOS 90 6.8.1 CÁLCULO ÁREA DE LA JUNTA COBRE (PORTAELECTRODO) Y ELECTRODO (CARBÓN GRAFITO) 90 6.8.2 CÁLCULO DEL ÁREA DE LA JUNTA 90 6.8.3 CÁLCULO PERÍMETRO DEL ELECTRODO 90 6.8.4 CÁLCULO ALTURA DEL PORTAELECTRODO 91 6.8.5 CÁLCULO ESPESOR DEL PORTAELECTRODOS 916.9 CÁLCULO DEL ENGRANE DE VOLTEO 93 6.9.1 PARA EL ENGRANE DE VOLTEO 1 95 6.9.2 PARA EL ENGRANE DE VOLTEO 2 976.10 COEFICIENTE DE DEFORMACIÓN DEL PORTAELECTRODOS 986.11 CÁLCULO DE LOS TRANSFORMADORES 1006.12 CÁLCULO DEL SISTEMA DE REFRIGERACIÓN 1036.13 CÁLCULO DEL CONSUMO ESPECÍFICO DE ELECTRODOS 107
  10. 10. 1 0CAPÍTULO VII ESTUDIO ECONÓMICO7.1 GENERALIDADES 1137.2 COSTO DEL PROYECTO 113 7.2.1 MATERIALES E INSUMOS 113 7.2.2 MANO DE OBRA 114 7.2.3 EQUIPO Y MAQUINARIA 114 7.2.3.1 DESGASTE DE HERRAMIENTA 114 7.2.3.2 IMPUESTOS DE LEY (IT e IVA) 114 7.2.4 GASTOS GENERALES 1157.3 ANÁLISIS DE PRECIOS UNITARIOS 115CAPÍTULO VIII CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONESBIBLIOGRAFÍA 133PLANOSANEXO A TABLAS Y CUADROS DE CONSUMO DE ELECTRODOSANEXO B CATÁLOGO DE ACEROS MEPSAANEXO B CATÁLOGO DE LADRILLOS Y CASTABLES REPSALISTA DE FIGURAS Pag.Fig. 1.1.- Proceso de obtención del arrabio. 1Fig. 1.2.- Forma física a) Magnetita b) Hematites roja c) Hematites parda 3Fig. 1.3.- Proceso Industrial del Mutún (Fuente: EL DEBER). 7Fig. 2.1.- Taller de fundición con dos hornos de arco eléctrico. 8Fig. 2.2.- Arco Eléctrico en un horno. 11Fig. 2.3.- Horno de Inducción. 12Fig. 2.4.- Esquema de un Horno Eléctrico de inducción. 12Fig. 2.5.- Simbología utilizada en un horno de Inducción. 13
  11. 11. 1 1Fig. 2.6.- Estructura de Horno eléctrico por arco. 18Fig. 3.1.- Forma de un Arco Eléctrico. 20Fig. 3.2.- Esquema eléctrico básico. 22Fig. 3.3.- Esquema eléctrico de la subestación del horno. 23Fig. 3.4.- Circuito equivalente. 24Fig. 3.5.- Electrodos de grafito y accesorios. 42Fig. 4.1.- Partes de un horno eléctrico por arco. 46Fig. 4.2.- Horno para colada continua. 48Fig. 5.1.- Consumo Lineal 69Fig. 5.2.- Consumo Total 70Fig. 5.3.- Consumo por oxidación lateral. 74Fig. 6.1.- Esquema de cálculo de la capacidad. 80Fig. 6.2.- Dimensiones del horno. 81Fig. 6.3.- Mampostería cilindro. 82Fig. 6.4.- Mampostería semiesfera. 84Fig. 6.5.- Dimensiones de parte inferior del horno. 84Fig. 6.6.- Dimensiones de la bóveda o tapa del horno. 86Fig. 6.7.- Disposición geométrica de los electrodos. 89Fig. 6.8.- Área de contacto cobre – grafito. 90Fig. 6.9.- Dimensiones del portaelectrodo. 91Fig. 6.10.- Forma del portaelectrodo. 91Fig. 6.11.- Área del portaelectrodo. 92Fig. 6.12.- Disposición de las cargas. 93Fig. 6.13.- Diagrama de esfuerzos cortantes. 95Fig. 6.14.- Diagrama de momentos flectores. 95Fig. 6.15.- Diagrama de fuerzas en el engrane 1. 95Fig. 6.16.- Diagrama de fuerzas en el engrane 2. 97Fig. 6.17.- Diámetros del portaelectrodo. 98Fig. 6.18.- Circuito propuesto. 133Fig. 6.19.- Forma de los electrodos. 140
  12. 12. 1 2Fig. 6.20.- Características y altura del horno eléctrico. 141LISTA DE TABLAS Pag.Cuadro 1.1.- Minerales de hierro. 2Cuadro 2.1.- Propiedades de los materiales. 17Cuadro 3.1.- Datos del Grafito 37Cuadro 4.1.- Valores típicos de conductividad térmica (λ) 57CUADRO 6.1.- Tensiones a la flexión admisibles σadm en (N/mm2) 98CUADRO 6.2.- Características eléctricas del horno. 101CUADRO 6.3.- Datos técnicos transformador de baja. 134CUADRO 6.4.- Datos técnicos transformador de alta. 135
  13. 13. 1 3 SIMBOLOGÍAV : Tensión de arco.P : Potencia de arco.b: Distancia entre la faz del electrodo.RI: Índice de erosión de refractarios.Qt : Consumo de punta de electrodos (kg/h).Qs : Consumo específico de electrodos (kg/t).Lc : Consumo lineal de electrodos (cm/h).Ws: Peso específico del grafito (kg/cm3).Secc: Sección del electrodo (cm2).I: Corriente o amperaje (A).D: Diámetro del electrodo en pulgadas.Wh: Consumo específico de energía eléctrica (t/h).X: Reactancia operacional del horno (Ohm).Tan fi: Tangente del ángulo fi.K: Calidad de los electrodos.qee: Consumo de energía eléctrica.Kox: Factor proporcional a la intensidad de oxidación.Tox: Tiempo de exposición a la oxidación (h).H: Distancia bóveda – baño (m).Tint: Temperatura interior (ºK).Text: Temperatura exterior (ºK).Pacero: Peso del acero (kg) o (t).Vacero: Volumen del acero (m3).ρacero: Densidad del acero (kg/m3).s: Diámetro del segmento esférico (m).h: Altura segmento esférico (m).r: Radio segmento esférico (m).Dbaño: Diámetro del baño (m).Dinterior: Diámetro interior (m).Hbaño: Altura baño (m).H1 : Altura de la cuba o cámara de reacción (m).Htotal: Altura total del horno (m).Dr : Flecha de la bóveda (m).Db : Diámetro de la bóveda (m).Hr : Altura de la bóveda (m).rint: Radio interior (m).rext: Radio exterior (m).eladrillo: Espesor ladrillo (m).eplancha: Espesor plancha (m).Enecesaria: Energía para una tonelada de acero (kWh/t).Qe : Energía necesaria (kWh).Qn : Energía neta para la fundición (W).Aext: Área externa cilindro (m2).Aint: Área interna cilindro (m2).Am : Área media logarítmica cilindro (m2).Kladrillo: Conductividad térmica ladrillo cilindro (W/m ºK).Sint: Diámetro semiesfera interior (m).Sext: Diámetro semiesfera exterior (m).Hsemiesfera: Altura semiesfera (m).Ktladrillo: Conductividad térmica ladrillo tapa (W/m ºK).Atext: Área externa techo (m2).Atint: Área interna techo (m2).
  14. 14. 1 4Atm: Área media logarítmica techo (m2). : Rendimiento (%).Dreac: Diámetro zona de reacción (m).Dal electrodo: Diámetro al electrodo (m).Delectrodo: Diámetro del electrodo (mm).dc : Densidad de corriente por el electrodo (A/cm2).ρc : Densidad de corriente junta cobre-electrodo (A/mm2).Ajunta: Área junta cobre-electrodo (mm2).Hpe: Altura portaelectrodo (mm).Pefectivo: Perímetro efectivo portaelectrodo (mm). Eléctrica: Densidad eléctrica (A/mm2).e: Espesor portaelectrodo (mm).ereal: Espesor real portaelectrodo (mm).R1 = Wr1: Reacción 1 engrane de volteo (kN).R2 = Wr2: Reacción 2 engrane de volteo (kN).Wt1: Reacción tangencial 1 engrane de volteo (kN).Wt2: Reacción tangencial 2 engrane de volteo (kN).W1 y W2: Carga total 1 y 2 engrane de volteo (kN).Tp1 y Tp2: Par torsión 1 y 2 engrane de volteo (Nm).Pd: Paso diametral (mm-1).z: Número de dientes del engrane de volteo.N1 y N2: Potencia de accionamiento 1 y 2 engrane de volteo (kW).n: Velocidad de rotación (rpm).Vr: Velocidad de desplazamiento (m/seg).σb1 y σb2: Tensión a la flexión admisible (N/mm2).B: Ancho de la cara del diente (mm).Ao : Área inicial portaelectrodo (mm2).Af : Área final portaelectrodo (mm2).αCu: Coeficiente de dilatación lineal del cobre (1/ºC).∆t: Diferencia de temperaturas (ºC o ºK).εp : Coeficiente de deformación del portaelectrodo.σCu: Resistencia a la tracción del cobre (N/mm2).Ecu: Módulo de elasticidad del cobre (N/mm2).Pmax: Presión máxima del perno (N/mm2).Fmax: Fuerza máxima del perno (N/mm2).Aperno: Área del perno (mm2).#perno: Número de pernos.IBH: Corriente de baja del horno (A).UBH: Tensión de baja del horno (V).STB: Potencia aparente transformador de baja (KVA).IAH: Corriente de alta del horno (A).UAH: Tensión de alta del horno (V).STA: Potencia aparente transformador de alta (KVA).Nu: Número de Nusselt.Pr: Número de Prandt.Gr: Número de Grashof.
  15. 15. 1 5 RESUMENEl tema que trata el presente trabajo de investigación:“DISEÑO DE UN HORNO ELÉCTRICO POR ARCO CON CAPACIDAD DE 500 kgPARA EL TALLER DE FUNDICIÓN DE INGENIERÍA MECÁNICA YELECTROMECÁNICA”, abarca en principio en el capítulo 1 arealizar una justificación del porque la propuesta presentada.En el capítulo 2, se describen algunos hornos eléctricosutilizados para la fusión y características de algunosmateriales que son posibles de fundir.En el capítulo 3, se hace una descripción del sistemaeléctrico que tiene un horno eléctrico por arco, definiendo enprincipio algunos fenómenos y características de loscomponentes eléctricos como por ejemplo los electrodosutilizados.En el capítulo 4, describe la estructura mecánica del hornoeléctrico por arco. En realidad se hace una descripción de losladrillos refractarios una parte esencial del horno.En el capítulo 5, se hace descripción de un estudio acerca deun componente importante, como es el desgaste de loselectrodos a causa de su operación. De la misma forma se tieneuna aplicación práctica de estas relaciones de una fundicióncon un horno de estas características ubicadas en la ciudad deOruro.En el capítulo 6, se realiza cálculos y dimensionamiento delos componentes tanto mecánicos como eléctricos, paraposterior plasmarlos en planos.En el capítulo 7, se hace un estudio económico tomando encuenta la estructura mecánica, el sistema eléctrico propuestoy el costo total.Para culminar en la parte de anexos se incorpora cuadros delos que se extrajo información, catálogos de aceros yladrillos refractarios. Jhonny Freddy Copa Roque
  16. 16. 1 6 CAPÍTULO I INTRODUCCIÓN1.1 ANTECEDENTES1.1.1 PRODUCCIÓN DEL HIERRO Y EL ACEROEl diagrama general de la fusión primaria del hierro integra ala mayoría de las actividades que se desarrollan en el procesoproductivo. No se debe olvidar que los diagramas de flujo sonuna de las herramientas utilizadas por los ingenieros y que de ngenierosmanera automática los deben aplicar o elaborar. Fig. 1.1. Proceso de obtención del arrabio. 1.1.-El consumo mundial de productos de acero acabados en 2005registró un aumento de aproximadamente un 6% y superaactualmente los mil millones de toneladas. La evolución delconsumo aparente resulta sumamente dispar entre lasprincipales regiones geográficas. El consumo aparente,excluida China, experimentó una caída del 1,0% debida,fundamentalmente, a la notable disminución observada en Europay Norteamérica. China, por el contrario, registró un
  17. 17. 1 7incremento del consumo aparente del 23% y representa en laactualidad prácticamente un 32% de la demanda mundial deacero. En Europa y Norteamérica, tras un año 2004 marcado porun significativo aumento de los stocks motivado por lasprevisiones de incremento de precios, el 2005 se caracterizópor un fenómeno de reducción de stocks, registrándose lasiguiente evolución: -6% en Europa, -7% en Norteamérica, 0,0%en Sudamérica, +5% en CEI, +5% en Asia (excluida China), +3%en Oriente Medio (Fuente: Wikipedia, la enciclopedia libre).La producción mundial de acero bruto en 2005 ascendió a1.129,4 millones de toneladas, lo que supone un incremento del5,9% con respecto a 2004. Esa evolución resultó dispar en lasdiferentes regiones geográficas. El aumento registrado se debefundamentalmente a las empresas siderúrgicas chinas, cuyaproducción se incrementó en un 24,6%, situándose en 349,4millones de toneladas, lo que representa el 31% de laproducción mundial, frente al 26,3% en 2004. Se observóasimismo un incremento, aunque más moderado, en India(+16,7%). Asia produce actualmente la mitad del acero mundial,a pesar de que la contribución japonesa se ha mantenidoestable. Paralelamente, el volumen de producción de lasempresas siderúrgicas europeas y norteamericanas se redujo enun 3,6% y un 5,3% respectivamente (Fuente: Wikipedia, laenciclopedia libre). Los procesos para la obtención de hierrofueron conocidos desde el año 1200 a.C. Los principalesminerales de los que se extrae el hierro son: Cuadro 1.1.- Minerales de hierro. Hematita (mena roja) 70% de hierro Magnetita (mena negra) 72.4% de hierro Siderita (mena café pobre) 48.3% de hierro Limonita (mena café) 60-65% de hierro
  18. 18. 1 8La mena café es la mejor para la producción de hierro, existengrandes yacimientos de este mineral en Estados Unidos y enSuecia. En todo el mundo se pueden encontrar grandescantidades de pirita, pero no es utilizable por su grancontenido de azufre. a b c Fig. 1.2.- Forma Física: a) Magnetita, b) Hematites Roja, c) Limonita o Hematites Parda.Para la producción de hierro y acero son necesarios cuatroelementos fundamentales: 1. Mineral de hierro 2. Coque 3. Piedra caliza 4. AireLos tres primeros se extraen de minas y son transportados ypreparados antes de que se introduzcan al sistema en el que seproducirá el arrabio.El arrabio es un hierro de poca calidad, su contenido decarbono no está controlado y la cantidad de azufre rebasa losmínimos permitidos en los hierros comerciales. Sin embargo esel producto de un proceso conocido como la fusión primaria delhierro y del cual todos los hierros y aceros comercialesproceden.A la caliza, el coque y el mineral de hierro se les preparaantes de introducirse al alto horno para que tengan lacalidad, el tamaño y la temperatura adecuada, esto se logra
  19. 19. 1 9por medio del lavado, triturado y cribado de los tresmateriales.En nuestro país actualmente se tienen industrias que realizaneste trabajo, sin embargo la producción de acero esinsuficiente ante la creciente demanda de repuestos de grandesempresas transnacionales como los son INTI RAYMI y SANCRISTOBAL, solo mencionar algunos ejemplos. Las empresasnacionales dedicadas al rubro de la fundición utilizan métodosque en su mayoría son por procesos de fusión por inducción,entre estas se citan: Industrias Eduardo, Fundición Chavarria,Tecno Acero entre otras. Y métodos de fusión por arcoeléctrico los utilizan: Fundición Aceros Tesa, FundiciónTaurus y Fundición Catavi (otrora parte de la COMIBOL, queactualmente está paralizada).De la misma manera en los últimos tiempos en nuestro país seha descubierto un gran potencial siderúrgico (YACIMIENTO DELMUTÚN), con una reserva importante de hierro con una pureza(riqueza) promedio del 50 %, que es la materia base de lasdiferentes aleaciones de acero. La empresa que realiza lostrabajos de montaje de la planta (JINDALL STEEL), realizarálos trabajos de transformación del mineral de hierro en acero(perfiles, planchones, palanquilla y fierro de construcción).Dentro de todo este proceso dicha empresa utilizará un hornoeléctrico por arco para transformar los pellets de hierro enacero para su posterior obtención de los productosanteriormente mencionados, mediante un proceso denominadocolada continua.1.2 PROBLEMATIZACIÓN¿Cuál es la problemática?La problemática que se pretende resolver es, la necesidad deformar recursos humanos en la carrera de Ingeniería Mecánica yElectromecánica, capacitados en el área de la fundición del
  20. 20. 2 0acero. Y como carrera con acreditación al MERCOSUR esnecesario tener un equipamiento para satisfacer estanecesidad.¿Por qué un horno eléctrico por arco?En primer término un proceso de fusión mediante este tipo dehorno, nos permite fundir aceros de diferentes variedades eincluso algunas aleaciones. Este proceso también permiteobtener elevadas temperaturas suficientes para la fundicióndel acero y otras aleaciones especiales.¿Cuál es la aplicación de la fundición en el desarrollo de lospaíses?Es sumamente elevada la importancia de la producción de piezasfundidas, casi todas las máquinas y aparatos tienen piezas defundición. No hay rama en la construcción de maquinaria, laindustria de fabricación de aparatos y en la mismaconstrucción, donde no se utilicen piezas fundidas. Lafundición es uno de los métodos mas viejos utilizados aún enla antigüedad para producir artículos de metal, inicialmentese cobre y bronce, luego de hierro colado y mas tarde de aceroy otras aleaciones. El rápido desarrollo de la tecnologíaplantea ante la producción de piezas fundidas el problema dela satisfacción de las demandas de las diferentes ramas de laindustria en piezas fundidas y elevación constante de suproducción. Es por esa razón que se han desarrollado métodosde fundición con el fin de obtener piezas fundidas de diversascaracterísticas, como por ejemplo los aceros en sus diferentesvariedades, que en hornos que utilizan combustibles es muydifícil su obtención y además el costo que representa, asícomo su impacto ambiental y regular distribución.
  21. 21. 2 11.3 OBJETIVOS1.3.1 OBJETIVO GENERAL • Proponer el diseño de este horno tomando en cuenta que esto incluye la estructura metálica (parte mecánica) y su mando respectivo (sistema eléctrico), con una capacidad de 500 kg.1.3.2 OBJETIVO ESPECÍFICO • Determinar y obtener información de las variables que permiten el funcionamiento de estos hornos. • Hacer el estudio de las ventajas y desventajas que este tipo de horno tiene respecto a los otros. • Determinar el tamaño y la capacidad adecuada tomando en cuenta el estudio en el consumo eléctrico. • Analizar algunos fenómenos relacionados con su funcionamiento.1.4 JUSTIFICACIÓNEn nuestra carrera se tiene dos materias relacionadas con estaárea que son MEC–2239 “Mecánica de Fabricación” y MEC-2243“Procesos de Manufactura”, que en su parte de taller no secuenta con materiales y equipos adecuados relacionado con elactual avance siderúrgico en el mundo y en particular Bolivia.Por lo tanto el presente trabajo pretende proponer unequipamiento significativo de nuestro taller para así formaren un futuro cercano profesionales con sólidos conocimientosen esta área.Es de conocimiento nacional e internacional que Bolivia poseeun yacimiento rico en hierro con una reserva que dentro lospróximos 40 años solo se explotará el 2% de toda esta riqueza(Fuente: Matutino EL DEBER 2005).
  22. 22. 2 2 Fig. 1.3.- Proceso Industrial del Mutún (Fuente: EL DEBER).1.5 MARCO METODOLÓGICOEste tema de investigación es bastante amplio porque en formageneral abarca muchas áreas relacionadas a la INGENIERÍAMECÁNICA Y ELÉCTRICA en particular, pero se va a requerirotras que darán su aporte significativo. Se utilizará algunoscuadros estadísticos comparando variables de funcionamiento.Se hará cálculos de las partes críticas eléctricas ymecánicas, utilizando para ello softwares de respaldo ydibujo.
  23. 23. 2 3 CAPÍTULO II PROCESOS DE FUNDICIÓN2.1 MARCO TEÓRICO2.1.1 HORNOS ELÉCTRICOSUn horno de arco eléctrico (siglas en inglés: EAF “ElectricArc Furnace”) es un horno que se calienta por medio de un arcoeléctrico. Los tamaños de un horno de arco eléctrico van desdela tonelada de capacidad (utilizado en fundiciones) hasta las400 toneladas de capacidad utilizada en la industriametalúrgica. Además, existen hornos de laboratorio que tienenuna capacidad de apenas doce gramos. La temperatura en elinterior de un horno de arco eléctrico puede alcanzar los 1800grados celsius (ºC).2.1.2 HISTORIA Fig. 2.1.- Taller de fundición con dos hornos de arco eléctrico.El primer horno eléctrico de arco fue desarrollado por elfrancés Paul Héroult, con una planta comercial establecida enEE.UU. en 1907. En principio, el acero obtenido en horno porarco eléctrico era un producto especial para la fabricación demáquinas herramienta y de acero para resortes. También seutilizaron para preparar carburo de calcio para lámparas.En el siglo XIX, el horno de arco eléctrico se empezó aemplear en la fundición de hierro. Sir Humphry Davy llevó acabo una demostración experimental del horno en 1810; el
  24. 24. 2 4método de soldadura por arco eléctrico fue investigado porPepys en 1815; Pinchon intentó crear un horno electrotérmicoen 1853; y, en 1878 - 79, Sir William Siemens patentó el hornode arco eléctrico. El horno eléctrico de Stassano era un hornode arco que rotaba para mezclar la colada.Los hornos de arco eléctrico fueron utilizados en la SegundaGuerra Mundial para la producción de aleaciones de acero, fuedespués cuando la fabricación de acero por este método comenzóa expandirse. El bajo coste en relación a su capacidad deproducción permitió establecerse nuevas acerías en Europa enla postguerra, y también permitió competir en bajo coste conlos grandes fabricantes de Estados Unidos, tales comoBethlehem Steel y U.S. Steel, con productos de viguería,embarrados, cables y laminados para el mercado estadounidense.Cuando Nucor, que ahora es uno de los mayores productores deacero de los Estados Unidos, decidió entrar en el mercado deaceros alargados en 1969, comenzaron con una acería pequeña,en cuyo interior se encontraba el horno de arco eléctrico, yque pronto le siguieron otros fabricantes. Mientras Nucorcrecía rápidamente a lo largo de la costa este de los EstadosUnidos, las empresas que le seguían con operacionesmercantiles localizadas para aceros alargados y viguería,donde el uso del horno de arco eléctrico permitía flexibilidaden las plantas de producción, adaptándose a la demanda local.Este mismo patrón fue seguido en otros países, en donde elhorno de arco eléctrico se utilizaba principalmente paraproducción de viguería.En 1987, la compañía Nucor tomó la decisión de expandir sunegocio en el mercado de productos laminados, utilizando paraello el horno de arco eléctrico. El hecho de que un horno dearco eléctrico use acero procedente de chatarra como materiaprima tiene un impacto en la calidad de un producto laminado,debido al control de calidad limitado sobre las impurezas quecontienen un acero procedente de chatarra.
  25. 25. 2 52.2 CARACTERÍSTICAS DE LOS HORNOS ELÉCTRICOSProducen temperaturas muy elevadas y son los más indicadospara la desulfuración y desfosforación de la fundición y parala obtención de aceros especiales, porque en ellos el metalque se elabora se halla ya libre de todo cuerpo extraño (aire,gas, carbón, etc.).Pueden usarse para el afinamiento de la fundición cargándolosde trozos de hierro, virutas, etc. Y haciendo luego laadicción de los elementos necesarios. La potencia de loshornos eléctricos se expresa por los kilovatios (kW) decorriente absorbida, que en los hornos de gran capacidadsobrepasan el millar. La cantidad de calor que produce un kWhse obtiene por la fórmula:Los hornos eléctricos pueden ser de resistencia, de arco y deinducción.2.2.1 HORNO DE RESISTENCIASe basa en el principio de que un cuerpo conductor atravesadopor la corriente eléctrica se calienta hasta fundirse.Prácticamente estos hornos (construidos con materiales de altaresistencia eléctrica) se usan hoy mas bien para producirtemperatura hasta 1000 °C para los distintos tratamientostérmicos, y muy pocos para fusión de acero.2.2.2 DE ARCO VOLTAICOEs un flujo de chispas entre dos conductores eléctricosaproximados, que da una luz vivísima y una temperatura de3000°C. Un polo esta constituido por electrodos de grafito ode carbón y el otro es el mismo acero que se quiere fundir.
  26. 26. 2 6 Fig. 2.2.- Arco Eléctrico en un horno.En este sistema, que es el más empleado, la corriente pasa através del material y se llama por esto arco directo, mientrasque si el arco se establece entre los extremos se llama arcoindirecto.Existen y funcionan hornos por arco de varios tipos (Stassano,Heroul, Girod, Fiat, etc.) formados por un recipientecilíndrico de chapas y perfilados de hierro revestido dematerial refractario cubiertos de un cielo raso que los cierracompletamente. En la parte delantera hay una puerta para lacarga del material y el agujero de colada; en el cielo raso seencuentran tres agujeros para el paso de los electrodos. Labase es curva y apoya sobre los rieles de manera que se puedeinclinar para verter la colada. Los hornos de arco funcionancon un voltaje muy bajo (150 voltios) y fuerte amperaje (1500a 4000 amperios), y la regulación de los electrodos esautomática.2.2.3 DE INDUCCIÓNNo es mas que un gran transformador en el cual el circuitosecundario esta constituido por material a elaborar. En ellosla corriente de las líneas que circula en las bobinas es depoca intensidad y de gran voltaje, mientras que la corrienteinducida en el circuito secundario, formado por el materialmetálico colocado en la solera o crisol del horno y es de poco
  27. 27. 2 7voltaje y gran intensidad. Es este fuerte amperaje lo quedetermina en el horno este aumento de temperatura que funde elacero colocado en el crisol. Fig. 2.3.- Horno de Inducción.Para iniciar el trabajo en esta clase de hornos hay quedepositar en la solera una chapa bien caliente sobre la cualse hace luego la carga del material a tratar. Aunque mascostosos que los hornos a combustión, los eléctricos sonpreferidos por la uniformidad de calentamiento y por la purezay homogeneidad de los aceros obtenidos. Fig. 2.4.- Esquema de un Horno Eléctrico de inducción.El funcionamiento del Horno de inducción es el siguiente: 1. Por medio del control de velocidad se hace funcionar el motor para proporcionarle energía mecánica al alternador de alta frecuencia.
  28. 28. 2 8 2. El alternador de alta frecuencia proporciona la energía alterna utilizada por el horno de inducción, esta energía pasa a través de un banco de capacitores automáticos para poder regular el factor de potencia. 3. Un sensor de temperatura registra la temperatura del horno, la señal es transmitida a un indicador de temperatura y a su vez a un controlador o variador de velocidad. 4. El variador de velocidad regula las revoluciones por minuto, al hacer esto esta variando la frecuencia del alternador.Los hornos de inducción utilizan un tipo de simbología quemostramos a continuación: Fig. 2.5.- Simbología utilizada en un horno de Inducción.Ventajas y Desventajas del horno de Inducción • Los hornos son siempre rebatibles mecánica o hidráulicamente, y llevan el perno de rotación bajo la piquera de colada. • Los hornos emplean corriente monofásica si son de poca capacidad, y corriente trifásica, con más canales, si son grandes. • El factor de potencia es, aproximadamente 0,70 lo que obliga, en la mayoría de los casos, a acoplar uno o más condensadores para aumentarlo a 0,80.
  29. 29. 2 9 • Las pérdidas de material por oxidación son mínimas y el funcionamiento resulta económico. • Su producción es de gran calidad, con oxidaciones muy reducidas y análisis constantes. • Se obtiene también la supresión de los electrodos, una economía en los gastos de funcionamiento y un menor consumo de corriente eléctrica. • Los gastos de instalación son muy elevados. Se emplean particularmente en las fundiciones de aceros aleados especiales o de aleaciones de hierro colado y en menor escala en las fundiciones de hierro colado gris. • Son menos riesgosos para la planta. • No hacen ruido. • No son construidos en el país.2.3 CARACTERÍSTICAS DE LOS ACEROSAunque es difícil establecer las propiedades físicas ymecánicas del acero debido a que estas varían con los ajustesen su composición y los diversos tratamientos térmicos,químicos o mecánicos, con los que pueden conseguirse aceroscon combinaciones de características adecuadas para infinidadde aplicaciones, se pueden citar algunas propiedadesgenéricas: • Su densidad media es de 7850 kg/m3. • En función de la temperatura el acero se puede contraer, dilatar o fundir. • El punto de fusión del acero depende del tipo de aleación. El de su componente principal, el hierro es de alrededor de 1510 ºC, sin embargo el acero presenta frecuentemente temperaturas de fusión de alrededor de 1375 ºC (2500 ºF). Por otra parte el acero rápido funde a 1650ºC • Su punto de ebullición es de alrededor de 3000 ºC (5400 ºF).
  30. 30. 3 0 • Es un material muy tenaz, especialmente en alguna de las aleaciones usadas para fabricar herramientas. • Relativamente dúctil. Con él se obtienen hilos delgados llamados alambres. • Es maleable. Se pueden obtener láminas delgadas llamadas hojalata. La hojalata es una lámina de acero, de entre 0,5 y 0,12 mm de espesor, recubierta, generalmente de forma electrolítica, por estaño. • Permite una buena mecanización en máquinas herramientas antes de recibir un tratamiento térmico. • Algunas composiciones y formas del acero mantienen mayor memoria, y se deforman al sobrepasar su límite elástico.La fusión consiste en hacer pasar los metales y sus aleacionesdel estado sólido al estado líquido, generando determinadacantidad de calor, bien definida y característica para cadametal o aleación. Dependiendo de su contenido en carbono seclasifican en: • Acero bajo en carbono: menos del 0,25% de C en peso. Son blandos pero dúctiles. Se utilizan en vehículos, tuberías, elementos estructurales, etc. También existen los aceros de alta resistencia y baja aleación, que contienen otros elementos aleados hasta un 10% en peso; tienen una mayor resistencia mecánica y pueden ser trabajados fácilmente. • Acero medio en carbono: entre 0,25% y 0,6% de C en peso. Para mejorar sus propiedades son tratados térmicamente. Son más resistentes que los aceros bajos en carbono, pero menos dúctiles; se emplean en piezas de ingeniería que requieren una alta resistencia mecánica y al desgaste. • Acero alto en carbono: entre 0,60% y 1,4% de C en peso. Son aún más resistentes, pero también menos dúctiles. Se
  31. 31. 3 1 añaden otros elementos para que formen carburos, por ejemplo, con wolframio se forma el carburo de wolframio, estos carburos son muy duros. Estos aceros se emplean principalmente en herramientas. • También existe otra clasificación de los aceros al carbono (sin alear) según su contenido en carbono: o Los aceros hipoeutectoides, cuyo contenido en carbono a temperatura eutectoide (727°C) oscila entre 0.02% y 0,77%. o Los aceros eutectoides cuyo contenido en carbono es de 0,77%. o Los aceros hipereutectoides con contenidos en carbono de 0,77% a 2,11% • Aceros inoxidables: uno de los inconvenientes del hierro es que se oxida con facilidad. Hay una serie de aceros a los que se les añaden otros elementos aleantes (principalmente cromo) para que sean más resistentes a la corrosión, se llaman aceros inoxidables. • Fundición: cuando el contenido en carbono es superior a un 2,11% en peso, la aleación se denomina fundición. Generalmente tienen entre un 3% y un 4,5% de C en peso. Hay distintos tipos de fundiciones (gris, esferoidal, blanca y maleable); según el tipo se utilizan para distintas aplicaciones: en motores, válvulas, engranajes, etc.Como se comprende fácilmente, después de que ha alcanzado latemperatura o punto de fusión es necesario aplicar más calorpara poder transformar el metal o la aleación de sólido alíquido. Durante este periodo la temperatura no aumenta y lacantidad de calor generada destinada solamente a disgregar elestado sólido, se llama calor latente de fusión. Sí cuandotoda la masa es líquida, se continúa generando calor, latemperatura vuelve a aumentar y el metal se recalienta.
  32. 32. 3 2La siguiente tabla indica los puntos de fusión, caloresespecíficos medios y calores latentes de fusión de algunos delos metales y aleaciones más corrientes empleados enfundición. Cuadro 2.1: Propiedades de los materialesFuente: Obtenido de "http://es.wikipedia.org/wiki/Acero" Metal Temperatura Calor Calor Calor ó de fusión específico específico latente de 0 aleación C del sólido del líquido fusiónEstaño 232 0.056 0.061 14Plomo 327 0.031 0.04 6Zinc 420 0.094 0.121 28Magnesio 650 0.25 ----- 72Aluminio 657 0.23 0.39 85Latón 900 0.092 ----- ----Bronce 900 a 960 0.09 ----- ----Cobre 1083 0.094 0.156 43Fundición 1200 0.16 0.20 70grisFundición 1100 0.16 ---- ----blancaAcero 1400 0.12 ---- 50Níquel 1455 0.11 ---- 582.4 ESTRUCTURA GENERAL DE UN HORNO POR ARCOSe utilizan, principalmente, para la fabricación de acero apartir de chatarra y/o prerreducidos. En un horno eléctrico dearco se pueden distinguir 3 partes fundamentales:
  33. 33. 3 3 Fig. 2.6.- Estructura de Horno Eléctrico por arco.2.4.1 PARTE MECÁNICACompuesta de: - Cuba. - Anillos de bóveda. - Plataforma. - Mecanismo de basculación. - Brazos portaelectrodos y columnas. - Mecanismo de accionamiento de electrodos. - Superestructura. - Vigas de suspensión de bóveda. - Mecanismo de elevación y giro de bóveda.2.4.2 PARTE ELÉCTRICACompuesta de: - Seccionador de entrada. - Interruptor general. - Transformador de potencia, (reductor de tensión). - Paneles de mando y control.
  34. 34. 3 4 - Embarrado secundario. - Batería de condensadores.2.4.3 ELEMENTOS COMPLEMENTARIOS - Circuito hidráulico. - Equipo de regulación.Por lo regular son hornos que sólo se cargan con chatarra deacero de alta calidad. Son utilizados para la fusión de acerospara herramientas, de alta calidad, de resistencia a latemperatura o inoxidables. Considerando que estos hornos sonpara la producción de aceros de alta calidad siempre estánrecubiertos con ladrillos de la línea básica.Existen hornos de arco eléctrico que pueden contener hasta 270toneladas de material fundido. Para fundir 115 toneladas serequieren aproximadamente tres horas y 50000 kWh. También enestos hornos se inyecta oxígeno puro por medio de una lanza.Los hornos de arco eléctrico funcionan con tres electrodos degrafito los que pueden llegar a tener 760 mm de diámetro ylongitud de hasta 12 m. La mayoría operan a 150 V y lacorriente eléctrica es de 12000 A. Estos equipos tienen uncrisol o cuerpo de placa de acero forrado con refractario y subóveda es de refractario también sostenida por un cincho deacero, por lo regular enfriado con agua. Para la carga delhorno los electrodos y la bóveda se mueven dejando descubiertoal crisol, en el que se deposita la carga por medio de unpuente grúa. Estos equipos son los más utilizados enindustrias de tamaño mediano y pequeño, en donde la produccióndel acero es para un fin determinado, como varilla corrugada,aleaciones especiales, etc.
  35. 35. 3 5 CAPÍTULO III SISTEMA ELÉCTRICO3.1. ARCO ELÉCTRICO Fig. 3.1.- Forma de un Arco Eléctrico.En electricidad se denomina arco eléctrico o también arcovoltaico a la descarga eléctrica que se forma entre doselectrodos sometidos a una diferencia de potencial y colocadosen el seno de una atmósfera gaseosa enrarecida, normalmente abaja presión, o al aire libre. Fue descubierto y demostradopor primera vez por el químico británico Humphry Davy en 1800.Para iniciar un arco se ponen en contacto, brevemente, losextremos de dos electrodos, usualmente en forma de lápiz, porlo general de grafito, y se hace pasar una corriente intensa através de ellos. Esta corriente provoca un gran calentamientoen el punto de contacto, que al separarse los electrodos, seforma entre ellos una descarga luminosa similar a una llama.En un arco abierto al aire a presión normal el electrodoalcanza una temperatura de 3500 ºC. Durante el tiempo de ladescarga se produce una luminosidad muy intensa y un grandesprendimiento de calor. Ambos fenómenos, en caso de seraccidentales, pueden ser sumamente destructivos, como ocurrecon la perforación de aisladores en las líneas de transporte
  36. 36. 3 6de energía eléctrica o de los aislantes de conductores y otroselementos eléctricos o electrónicos.3.2 APLICACIONES DEL ARCO ELÉCTRICOEl arco eléctrico utilizado de forma controlada se ha empleadocomo fuente de luz, antes de la invención de la lámparaincandescente e incluso después, en la industriacinematográfica para conseguir fuertes intensidades luminosasen la filmación de películas así como en los proyectores delas salas de cine. Los efectos caloríficos del arco eléctricose continúan utilizando en la industria para la soldadura demetales y otros procedimientos metalúrgicos. En este últimotipo de aplicaciones el intenso calor generado por el arcoeléctrico suele utilizarse en hornos especiales para fundirmateriales refractarios. En este tipo de hornos puedenalcanzarse fácilmente temperaturas del orden de los 3500 ºC.La ventaja especial de este procedimiento es una completaindependencia a la hora de elegir los productos a aplicar(chatarra, esponja de hierro, arrabio así como otro tipo dealeación).3.3 APLICACIONES EN HORNOS ELÉCTRICOS DE ARCOLa energía eléctrica también es muy utilizada para laproducción de calor por medio del arco voltaico en los hornosde fundición, es posible fundir a partir de chatarra dehierro, de cobre o de otros metales, de difícil fusibilidad enhornos de reducción de óxidos metálicos (en estos últimos loselectrodos penetran en la masa constituida por los óxidosmetálicos a reducir).3.4 SISTEMA ELÉCTRICO DEL HORNO POR ARCOEn general, los hornos de arco se conectan a una líneaeléctrica de 6.9 a 40 kV. Existen instalaciones conectadasdirectamente a una tensión de 130 kV e incluso 220 kV, pero lo
  37. 37. 3 7mas frecuente es disponer un transformador escalón para pasarde la línea de alta tensión (130 o 220 kV) a la tensión deentrada a la subestación del horno, tal como se muestra en lafigura. Fig.3.2.- Esquema eléctrico básico.Dentro de una subestación propia de horno los elementosprincipales son: - Los seccionadores de entrada con fusibles, (1) para la instalación eléctrica del horno y (2) para la puesta a tierra de la línea de entrada. - El interruptor general (3), de diseño específico para hornos de arco, que permite un alto número de maniobras de desconexión del horno en carga. Los dos tipos más utilizados son el interruptor de vacío y el de aire comprimido, quedando para bajas potencias el interruptor magnético al aire. - El transformador de horno (4) para reducir la tensión de entrada (10 a 40 kV y muy frecuentemente 30 kV) a
  38. 38. 3 8 las tensiones requeridas para el funcionamiento del horno.Son frecuentes algunos casos: - El sistema de protección (5) con pararrayos auto valvulares de ZnO. - El equipo de filtrado de armónicos y de corrección del flicker, cuando la capacidad de la línea no es suficiente. Fig. 3.3.- Esquema eléctrico de la subestación del horno.A ambos lados del interruptor general (3) se disponen lostransformadores de medida de tensión (6) e intensidad (7) enalta tensión. Asimismo en el lado secundario del transformadorprincipal (4) se disponen los transformadores reductores de
  39. 39. 3 9tensión y de medida de intensidad (8), cuyas señales van alpanel de control y al equipo de regulación de electrodos.Por las intensidades muy altas del circuito secundario atensiones del orden de 1000 V y las elevadas tensiones delprimario del transformador (normalmente 10 a 40 kV peropudiendo llegar en ocasiones a 110 – 220 kV), y cableadocorrespondientes para asegurar un funcionamiento continuo, enmuchos casos de 24 horas/día, 7 días/semana.3.5 EFECTOS ELÉCTRICOS SOBRE LA LÍNEA DE SUMINISTRO3.5.1 GENERALIDADESLa alimentación eléctrica de un horno de arco de alta potenciasufre unas variaciones en la potencia demandada que pueden serelevadas, sobre todo en la primera parte de la fusión. Latensión en el arco no es sinusoidal, sino rectangular, lo queintroduce armónicos en el circuito. Asimismo, la intensidad enel circuito secundario tampoco es exactamente sinusoidalaunque la desviación es pequeña. Finalmente, se puedenproducir en el circuito de alta tensión puntas de tensión endeterminadas circunstancias que aconsejan la instalación delimitadores de tensión adecuados.3.5.2 PARÁMETROS ELÉCTRICOS DE OPERACIÓNEl circuito equivalente del horno de arco es muy simple: Fig. 3.4.- Circuito equivalente.X es la reactancia del circuito, V es la tensión en vacío, Vaes la tensión de arco e I es la corriente. El arco es
  40. 40. 4 0resistivo, por tanto, la corriente está en fase con la tensiónde arco. La tensión de arco es definida por la longitud delarco. Las principales correlaciones entre los parámetros son(para un circuito monofásico):Puede ser incluida la resistencia de pérdidas del circuitopara calcular el rendimiento eléctrico del horno.Una pequeña complicación es el hecho de la reactancia delcircuito variar en función de la etapa de operación y delcoseno fi. Por ese motivo, para hacer los cálculos de losparámetros operacionales del horno generalmente es necesariopartir de un determinado coseno fi y, para cada etapa deoperación, afectar a la reactancia del correspondiente factoroperacional (que puede variar entre 1,05 e 1,45aproximadamente).3.5.3 PRODUCTIVIDAD Y CONSUMO DE ENERGÍAPara producir una tonelada de acero es necesaria una cantidadde energía que depende del tipo de carga metálica, del tipo deproducto, de la temperatura final, del tipo y cantidad deescoria y de otros factores. Si el horno es mal operado, conelevados tiempos de paradas, con frecuentes aperturas de labóveda o con tiempos de afine muy dilatados, los consumos deenergía por tonelada aumentan.
  41. 41. 4 1Sin embargo, de un modo general, para producción de acero, encondiciones normales, se espera que el horno consumaaproximadamente 550 kWh por tonelada de aceroUna porción de esa energía es normalmente producida por mediosquímicos, generalmente inyectando oxígeno, mas la principalparte es suministrada por el arco eléctrico. Como ejemplo,puede ser considerado un horno que opere consumiendo 30 Nm³ deoxígeno por tonelada de acero producida.En este caso, la energía suministrada por la combustión delcarbono será igual a:Y, para completar la producción de una tonelada de acero seránnecesarios:Que serán provistos por el arco eléctrico. La producciónhoraria del horno será proporcional a la potencia activa (kW)e inversamente proporcional al consumo específico de energíaeléctrica.En el ejemplo anterior, si la potencia activa fuese de 44500kW, la productividad sería:
  42. 42. 4 2Si el horno tuviese una capacidad de 100 toneladas, el tiempode horno conectado (power on) sería de:Y, si los tiempos de parada por colada fuesen de 0,25 h, eltiempo total para producir las 100 toneladas (tiempo tap totap) sería de 1,25 horas, la productividad real sería:Y, la producción en el período de 24 horas sería:El consumo específico de energía depende fuertemente del tipode carga. Los hornos que utilizan carga de prerreducidos,además de calentar la carga hasta la temperatura de sangrado(1620 a 1735 ºC) precisan proveer la energía necesaria parareducir porcentajes de óxido de hierro que pueden variar entre5 y 10 %. La energía necesaria para reducir una tonelada deóxido de hierro es muy elevada y, por ese motivo, el consumoespecífico de energía operando con carga de prerreducidospuede ser 50 a 100 kWh/t superior al de una carga de chatarra.No obstante, los hornos que operan con alto porcentaje deprerreducidos consiguen actualmente niveles muy elevados deproductividad debido a la excelente escoria espumosa, quepermite la utilización de elevados niveles de potencia portonelada, y a los bajos tiempos muertos.3.5.4 REDUCCIÓN DE LOS CONSUMOS DE ELECTRODOSEl consumo de electrodos es el índice operacional que posee lamayor dependencia con los parámetros eléctricos de operación.Hasta los años 80, el consumo específico de electrodos de un
  43. 43. 4 3horno de fusión era de 4 a 6 kilogramos de grafito portonelada de acero producida. Al final de los años 90, losconsumos eran del orden de 1,5 kg/t.La reducción de los consumos de electrodos fue conseguidaprincipalmente a través del aumento de las relacionestensión/corriente. Los transformadores de los hornos fueronmodificados para operar con tensiones más elevadas y, paramantener los bajos cosenos fi, necesarios para estabilizar elarco en la fusión de chatarra, fueron instalados reactores enserie. En el caso de los hornos que operan con carga continuade prerreducidos o, en general, en hornos que operan con buenaescoria espumosa, la reducción de los consumos puede serobtenida operando con altas tensiones y alto coseno fi, sinnecesidad de reactores.3.5.5 AUMENTO DE LA PRODUCTIVIDAD DE LOS HORNOS DE ARCO A TRAVÉS DEL AUMENTO DE LA TENSIÓN SECUNDARIA DE LOS TRANSFORMADORESLa ventaja de la operación con tensiones más elevadas ya eradefendida en el inicio de los años 80. Infelizmente, hasta elfinal de esa década, pocos hornos habían sido modificados. EnBrasil se tuvo la oportunidad de realizar el proyecto delaumento de las tensiones y potencias de los hornos de laSiderúrgica Barra Mansa en 1988, modificando lostransformadores de 24 MVA - 415 V para 30 MVA - 830 VPosteriormente, en los años 90, realizaron una gran cantidadde repotenciaciones en diversos hornos del Brasil y de otrospaíses.Las tensiones más elevadas permiten la operación con potenciasmás altas sin necesidad de modificar el circuito secundariodel horno (barras, cables flexibles, buses, garrasportaelectrodos y electrodos). La inversión se paga en pocosmeses con la reducción de los consumos de electrodos. Para
  44. 44. 4 4estabilizar el arco en la fusión es necesario aumentar lareactancia del circuito, instalando reactores serie.En el pasado, la operación con tensiones y potenciasespecíficas elevadas no era posible por causa del elevadodesgaste de refractarios que provocaba. Al final de los años70, las paredes y bóvedas refrigeradas con agua permitieronincrementar un poco las potencias y las tensiones. Elprincipal impulso para operar con altas tensiones y potenciasfue dado por el desarrollo de las escorias espumosas queblindan el arco, protegiendo las paredes, lo cual ocurrió alfinal de los años 80. Actualmente son utilizadas tensiones de900 V y potencias de 45 MW en hornos de apenas 40 toneladas.En los hornos de gran capacidad, que actualmente operan contensiones de 900 a 1300 V, todavía hay margen para aumentarlas tensiones hasta 2000 V o más (en hornos de 150 a 250toneladas que operan con carga continua de prerreducidos),disminuir los consumos de electrodos para menos de 1 kg/t yaumentar la productividad hasta 250 t/h.3.5.6 FLICKER PROVOCADO POR LOS HORNOS DE ARCOLas variaciones de la longitud del arco provocan fluctuacionesde tensión que se propagan por el circuito de alimentaciónhasta llegar a los usuarios de baja tensión. Infelizmente, lafrecuencia de esas fluctuaciones coincide con la frecuencia defluctuación de la iluminación que es detectada por el ojohumano (1 a 15 Hz, aproximadamente), provocando un ciertaincomodidad a los consumidores residenciales. Actualmente, elnivel de flicker es medido por instrumentos calibrados deacuerdo con los estudios de la UIE (Unión Internacional deElectrotermia) realizados a partir de 1980 y posteriormenteadoptados por la norma IEC 868. La unidad de medición es elPst y, de acuerdo con las recomendaciones iniciales, un valorde Pst igual o superior a 1 pu provocaría niveles deperturbación considerados inadmisibles. El valor de Pst de
  45. 45. 4 5referencia sería el medido en la Alta Tensión, en el llamadopunto común de acoplamiento con los otros consumidores. Sinembargo, mediciones de campo realizadas posteriormentemostraron que entre la alta tensión y la baja tensión ocurreuna atenuación natural del flicker, que, en ciertos casos,puede llegar a 50 %, concluyéndose que para que el usuarioresidencial, conectado en la baja tensión, observe un efectosimilar a 1 pu, el valor de Pst provocado por el horno sobrela AT debería alcanzar valores muy superiores a 1 pu (2 pu, enel caso de la atenuación de 50 %).Los niveles de flicker son proporcionales a la relación entrela potencia del horno y la potencia de cortocircuito del puntocomún de acoplamiento con los otros consumidores. Por esemotivo, la forma más directa de disminuir los niveles deflicker es el aumento de la potencia de cortocircuito de lared de alimentación o la reducción de la potencia del horno.La primera, normalmente no puede ser realizada o exigeinversiones muy elevadas y, la segunda reduce la productividaddel horno. Actualmente, para reducir el flicker algunasempresas recomiendan los compensadores shunt (SVC), loscuales, utilizando bancos de capacitores fijos y reactanciascontroladas por semiconductores, inyectan en la red cantidadesde energía reactiva de igual amplitud y signo opuesto a lasvariaciones de reactivo demandadas por el horno.Estos dispositivos, en general, son de elevado precio y bajaeficacia en la reducción del flicker.3.5.7 FUERZAS ELECTRODINÁMICAS PROVOCADAS POR LAS CORRIENTES QUE CIRCULAN POR LOS BRAZOS Y ELECTRODOSLas corrientes que circulan por los conductores del hornoprovocan campos magnéticos variables creando fuerzas quepueden llegar a quebrar los electrodos. Adicionalmente, lasfluctuaciones en baja frecuencia de la corriente provocan
  46. 46. 4 6vibraciones en brazos y columnas del horno. Las fuerzas sonproporcionales a las corrientes de pico al cuadrado einversamente proporcionales a las distancias entre electrodos.Por ese motivo, en algunos casos, después de la reducción delos diámetros primitivos, realizada con la intención dedisminuir el índice de erosión del arco sobre losrefractarios, ocurrieron aumentos de las vibraciones en brazosy quiebras de electrodos. Por otro lado, como la máximacorriente depende de la tensión y es inversa de la reactancia,en ciertos casos en los cuales fue aumentada la tensión sin eladecuado aumento de la reactancia ocurrieron fallassemejantes.3.5.8 ROTACIÓN DE FASES Y APRIETE DE LOS ELECTRODOSEste tal vez sea el más conocido efecto de los parámetroseléctricos del horno. En general, las empresas que proveenelectrodos y asistencia técnica saben que la rotación de fasesdebe ser antihoraria para que el momento de torsión sobre loselectrodos sea tal que provoque el ajuste de los mismos. Unasecuencia de fases en el sentido horario provoca aflojamientode los electrodos y, eventualmente, la caída de columnas.El problema es que muchas veces se confunde la secuencia defases de alimentación (R, S, T) con la secuencia de fasesfísica (electrodos 1,2 y 3), que es la que realmente interesa,llegándose a conclusiones equivocadas.3.5.9 DESGASTE DE REFRACTARIOSLa erosión provocada por el arco sobre los refractarios fueobjeto de profundos estudios en los años 60 y 70 cuandotodavía no se disponía de paneles refrigerados ni de escoriasespumosas. W. Schwabe definió la expresión que permite evaluarel grado de erosión provocado por el arco sobre las paredesdel horno. Actualmente, la preocupación con los refractarioses menor, pero, de cualquier forma, el índice de erosión de
  47. 47. 4 7refractarios continua siendo una herramienta útil para definirel probable desgaste de refractarios cuando la escoriaespumosa no es adecuada o durante los períodos de final defusión cuando la chatarra ya está fundida y todavía no existeescoria espumosa.El índice de erosión de refractarios de Schwabe puede serresumido de la siguiente forma:Donde V es la tensión del arco, P es la potencia del arco yb es la distancia entre la faz del electrodo y la pared delhorno. Los factores que provocan aumento del desgaste delrefractario son los mismos que disminuyen el consumo deelectrodos.3.5.10 OPERACIÓN EN EL PERÍODO DE ESCORIA ESPUMOSA CON ALTOS FACTORES DE POTENCIA (COS FI)Los aumentos de tensión realizados en los años 90 obligaron ainstalar reactores para mantener los cosenos fi en valoresinferiores a 0,80 durante el período de fusión. Sin embargo,especialmente en los hornos que operan con carga continua o,en general, en los hornos que operan con una buena escoriaespumosa, comprobamos que es posible operar con cosenos fipróximo de 1 sin que ocurran inestabilidades del arco oaumentos del factor de reactancia operacional. La operacióncon altos cosenos fi permite la obtención de potencias activasmás altas sin necesidad de aumentar la potencia aparentenominal de los transformadores, posibilitando nuevos aumentosde productividad con reducción de los consumos de electrodos.Para poder aumentar el coseno fi en este período es necesariocortocircuitar los reactores.
  48. 48. 4 83.5.11 ESPECIFICACIÓN DE TRANSFORMADORES Y REACTORESPara determinadas capacidades de los hornos y para los nivelesde producción previstos son definidos los parámetroseléctricos de operación: potencia activa promedio, tensiónsecundaria y coseno fi. Una vez conocidos estos parámetros esposible especificar el transformador. Para poder calcular lareactancia del reactor serie, se calcula primero la reactanciaque el circuito debe poseer y se compara con la reactanciaexistente en el circuito. Para operar en la condición de altocoseno fi durante el periodo de escoria espumosa es necesarioprever una forma de cortocircuitar el reactor o de conmutarsus taps con carga. Una vez definidas las principalescaracterísticas del transformador y del reactor es necesarioverificar los aspectos del proyecto eléctrico deltransformador: tipo de conmutación, faja de tensiones máxima amínima, tensión primaria más adecuada, clase de tensión, tipode enfriamiento, tipo constructivo del transformador, ensayos,protecciones, accesorios, etc.3.5.12 CORRECCIÓN DEL FACTOR DE POTENCIA - BANCOS DE CAPACITORESDependiendo del punto de conexión a la red eléctrica y de lareglamentación vigente puede ser necesario mantener niveles decoseno fi superiores a 0,85, 0,92, 0,95 o, hasta 0,98, enperíodos de medición mensuales u horarios. Como el horno, almenos durante el período de fusión, opera con cosenos fiinferior a los límites, se hace necesario compensar la energíareactiva para elevar el coseno fi en el punto de conexión conla empresa suministradora de energía.La forma más simple y económica de compensar los reactivos esla instalación de bancos de capacitores fijos. El cálculo dela potencia de los capacitores es bastante simple cuando elcoseno fi de operación es conocido. Al proyectar los bancos de
  49. 49. 4 9capacitores hay que tomar la precaución de verificar lafrecuencia de resonancia paralelo de los capacitores con lared, incluyendo el transformador reductor y, en el caso deocurrir una resonancia en alguna de las principalesfrecuencias armónicas generadas por el horno (2a, 3a, 4a, e5a) debe ser modificada la potencia del banco para desplazarla frecuencia de resonancia. Después de definida la potenciaefectiva y la reactancia del banco, deben ser calculadas lastensiones de servicio permanente y los aumentos de tensiónprovocados por las armónicas generadas por el horno para poderdefinir la tensión nominal y la potencia nominal del banco.3.5.13 ARMÓNICAS Y FILTROS DE ARMÓNICASLa principal perturbación provocada por el horno de arco sonlas fluctuaciones de tensión de frecuencia inferior a laindustrial (flicker). No obstante, el horno de arco generatambién corrientes armónicas (frecuencias múltiplos de lafundamental) que a su vez causan distorsiones de la onda detensión de la red. El horno de arco genera una gama bastanteancha de frecuencias armónicas, siendo las de mayor amplitudla 3a, la 2a, la 5a y la 4a, en ese orden. Más, los valorespromedio de las amplitudes de las corrientes armónicas de loshornos son relativamente bajos, en comparación con losgenerados por los convertidores que usan tiristores. En lapráctica, algunos pocos semiciclos de la corriente muestranporcentajes elevados de distorsión, pero, en promedio, éstosno pasan de 5 % para las principales armónicas.La necesidad de filtros de armónicas depende básicamente de laobligatoriedad de cumplir normas más o menos exigentes sobredistorsión de tensión. De un punto de vista práctico, esposible, en gran parte de los casos, instalar los bancos decapacitores sin filtros, desde que se tome la precaución dedesplazar la frecuencia de resonancia paralelo de lasprincipales frecuencias armónicas. La necesidad de instalar
  50. 50. 5 0filtros de armónicas es inevitable cuando existencompensadores estáticos (SVC), ya que estos al poseerdispositivos de estado sólido controlados por la variación delángulo de disparo provocan elevados niveles de armónicas.De cualquier forma, en muchos proyectos se decide instalarfiltros de armónicas en la subestación para garantizar que noocurran amplificaciones muy elevadas de las tensiones y de lascorrientes de los bancos de capacitores. Una buena soluciónpuede ser la instalación de filtros de 3a armónica(sintonizados en aproximadamente 2,9 x fundamental). Elproyecto de los filtros debe tomar en consideración lasobretensión de régimen permanente provocada por losinductores sobre los capacitores, además de las sobretensionesprovocadas por las armónicas, las sobretensiones deenergización de los capacitores y los impulsos de tensiónprovocados por las corrientes de inrush de los transformadoresdel horno. En el caso de los filtros de 2a armónica, esteúltimo tipo de sobretensión es crítica y obliga asobredimensionar los bancos de capacitores, encareciendo elproyecto.3.5.14 SOBRETENSIONESEl circuito de alimentación de los hornos de arco es similar acualquier otro circuito de alimentación industrial. Unapeculiaridad de este circuito es el elevado número demaniobras del transformador del horno (generalmente conectadoen 13,8 kV, 23 kV o 33 kV, mas también, en ciertos casos, en46 kV, 69 kV y hasta 120 kV), que puede llegar a 100 por día.Otra característica es la existencia de bancos de capacitoresde alta potencia. Para maniobrar el horno, son utilizadosactualmente interruptores de vacío. Las principalesprotecciones contra las sobretensiones de maniobra son lossupresores de impulsos de maniobra, más conocidos comopararrayos (o apartarrayos) ya que son los mismos dispositivos
  51. 51. 5 1utilizados para proteger contra descargas atmosféricas. Estossupresores, a partir de 1980 aproximadamente, pasaron a serfabricados con óxidos metálicos, como el óxido de zinc. En elcaso de un transformador instalado, por ejemplo, en 24 kV, elnivel de aislación del mismo debe ser adecuado para soportartensiones de impulso de hasta 150 kV y los pararrayos, paraese nivel de tensión, normalmente actúan con aproximadamente60 kV. Para los transformadores de horno se recomiendainstalar los pararrayos no sólo entre fase y tierra mastambién entre fases. En el caso de los disyuntores de vacío,existe un fenómeno conocido como múltiples reigniciones queeventualmente (difícilmente) podría provocar sobretensiones dealta frecuencia que podrían averiar al transformador,especialmente cuando existen capacitores de "surge" en elprimario del transformador y capacitores de corrección delfactor de potencia en la subestación principal. Para protegercontra este tipo improbable de sobretensión, un fabricante dedisyuntores de vacío recomienda los circuitos de protecciónRC, conectados entre fase y tierra. Otro tipo de sobretensiónbastante común es el "restrike" que ocurre durante ladesconexión de los bancos de capacitores, cuando losinterruptores no son adecuados o están con defectos. Estassobretensiones son de alta energía y normalmente provocanfallas en los pararrayos.3.5.15 PROTECCIONES CONTRA SOBRECORRIENTEEl ajuste de las protecciones de sobrecorriente de los hornosde arco debe seguir algunos criterios diferenciados. En laoperación normal del horno ocurren cortocircuitos entre loselectrodos y la chatarra que pueden provocar corrientessuperiores al doble de la nominal del transformador durantepocos segundos. Si los relés de sobrecorriente son ajustadosen la forma convencional, actuando rápidamente para corrientesinferiores a las de los cortocircuitos normales de laoperación del horno, ocurrirán frecuentes actuaciones del relé
  52. 52. 5 2que perjudicarán la operación del horno. Por otro lado, esconveniente que si la duración de esas sobrecorriente essuperior a algunos segundos, los relés actúen. También seríadeseable que los relés actuasen instantáneamente al ocurrir uncortocircuito en las barras de salida del transformador y,ciertamente, deben actuar instantáneamente en el caso de uncortocircuito en la tensión primaria.3.6 ELECTRODOS3.6.1 EL CARBONOEl carbono es un elemento químico de número atómico 6 ysímbolo C. Es sólido a temperatura ambiente. Dependiendo delas condiciones de formación, puede encontrarse en lanaturaleza en distintas formas alotrópicas, carbono amorfo ycristalino en forma de grafito o diamante. Es el pilar básicode la química orgánica; se conocen cerca de 10 millones decompuestos de carbono, y forma parte de todos los seres vivosconocidos. Cuadro 3.1.- Datos del Grafito INFORMACIÓN DIVERSA DEL GRAFITO ELECTRONEGATIVIDAD 2,55 (Pauling) 2,5 (Allred y Rochiw) CALOR ESPECÍFICO 710,6 J/(kg × K) (grafito); 518,3 J/(kg × K) (diamante) CONDUCTIVIDAD 3 106 –1 × m–1 (grafito, dirección paralela a los planos); ELÉCTRICA 5 × 102 -1 × m–1 (dirección perpendicular) CONDUCTIVIDAD 19,6 W/(cm × K) (grafito, dirección paralela a los planos); TÉRMICA 0,06 W/(cm × K) (dirección perpendicular); 23,2 W/(cm × K) (diamante)3.6.2 CARACTERÍSTICAS SECUNDARIASEl carbono es un elemento notable por varias razones. Susformas alotrópicas incluyen, sorprendentemente, una de las
  53. 53. 5 3sustancias más blandas (el grafito) y la más dura (eldiamante) y, desde el punto de vista económico, uno de losmateriales más baratos (carbón) y uno de los más caros(diamante). Más aún, presenta una gran afinidad para enlazarsequímicamente con otros átomos pequeños, incluyendo otrosátomos de carbono con los que puede formar largas cadenas, ysu pequeño radio atómico le permite formar enlaces múltiples.Así, con el oxígeno forma el dióxido de carbono, vital para elcrecimiento de las plantas; con el hidrógeno forma numerososcompuestos denominados genéricamente hidrocarburos, esencialespara la industria y el transporte en la forma de combustiblesfósiles; y combinado con oxígeno e hidrógeno forma granvariedad de compuestos como, por ejemplo, los ácidos grasos,esenciales para la vida, y los ésteres que dan sabor a lasfrutas; además es vector, a través del ciclo carbono-nitrógeno, de parte de la energía producida por el Sol.3.6.3 APLICACIONESEl principal uso industrial del carbono es como componente dehidrocarburos, especialmente los combustibles fósiles(petróleo y gas natural). Del primero se obtienen, pordestilación en las refinerías, gasolinas, keroseno y aceites,siendo además la materia prima empleada en la obtención deplásticos. El segundo se está imponiendo como fuente deenergía por su combustión más limpia. Otros usos son: • El isótopo carbono 14, descubierto el 27 de febrero de 1940, se usa en la datación radiométrica. • El grafito se combina con arcilla para fabricar las minas de los lápices. Además se utiliza como aditivo en lubricantes. Las pinturas antirradar utilizadas en el camuflaje de vehículos y aviones militares están basadas igualmente en el grafito, intercalando otros compuestos químicos entre sus capas. Es negro y blando. Sus átomos están distribuidos en capas paralelas muy separadas entre
  54. 54. 5 4 sí. Se forma a menos presión que el diamante. Aunque parezca difícil de creer, un diamante y la mina de un lapicero tienen la misma composición química: carbono. • El diamante es transparente y muy duro. En su formación, cada átomo de carbono está unido de forma compacta a otros cuatro átomos. Se originan con temperaturas y presiones altas en el interior de la tierra. Se emplea para la construcción de joyas y como material de corte aprovechando su dureza. • Como elemento de aleación principal de los aceros. • En varillas de protección de reactores nucleares. • Las pastillas de carbón se emplean en medicina para absorber las toxinas del sistema digestivo y como remedio de la flatulencia. • El carbón activado se emplea en sistemas de filtrado y purificación de agua. • El carbón amorfo ("hollín") se añade a la goma para mejorar sus propiedades mecánicas. Además se emplea en la formación de electrodos (ejemplo el de las baterías). Obtenido por sublimación del grafito, es fuente de los fulerenos que pueden ser extraídos con disolventes orgánicos. • Las fibras de carbón (obtenido generalmente por termólisis de fibras de poliacrilato) se añaden a resinas de poliéster, donde mejoran mucho la resistencia mecánica sin aumentar el peso, obteniéndose los materiales denominados fibras de carbono. • Las propiedades químicas y estructurales de los fulerenos, en la forma de nanotubos, prometen usos futuros en el incipiente campo de la nanotecnología.3.6.4 HISTORIAEl carbón (del latín carbo-onis, "carbón") fue descubierto enla prehistoria y ya era conocido en la antigüedad en la que semanufacturaba mediante la combustión incompleta de materiales

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