horno electrico para tratamiento termico

MEMORIAS DE LA XVIII EXPODIME 7 al 11 DE SEPTIEMBRE 2009, GUADALAJARA, MÉXICO

Derechos reservados © 2009, U de G [1]

HORNO ELÉCTRICO PARA TRATAMIENTOS TÉRMICOS

Buelna Jacobo Víctor Hugo, Zúñiga Vargas Francisco Javier

Universidad de Guadalajara, CUCEI, Departamento de Ing. Mecánica Eléctrica Av. Revolución 1500 Puerta 10, CP 44430, Guadalajara, Jalisco, México.

Tel. (33) 3942 5920 extensiones 7706 y 7707 [email protected], [email protected]

RESUMEN Diseñar, Calcular y Construir un horno tipo mufla de tabla cerámica con recubrimiento de acero inoxidable, con un controlador de temperatura, para que alcance alrededor de 1200 grados centígrados. Se requiere alcanzar una temperatura cercana a los 1100 grados centígrados para el tratamiento de aceros, en especial los “ALSI H 13 y ALSI 4140) los cuales tienen una temperatura de austenización de 1100 grados centígrados. Se pretende cortar muestras de estos materiales de las siguientes medidas: 10 x 5 x 0.5 mm aproximadamente y se desea meter a la “Mufla” un lote de 15 placas. Para esto fue necesario investigar el funcionamiento de los hornos de este tipo, así como los materiales con los que están construidos. Se eligió por sus características la fibra cerámica, en forma de tablas y colchoneta. Este material soporta altas temperaturas de operación hasta 1538 grados centígrados. Para las resistencias utilizamos un material especial para hornos de alta temperatura llamado NICROMO el cual es una aleación de níquel – cromo y está diseñado para trabajar con temperaturas de hasta 1260° C, el cual se implementó en forma de espirales a través de tubos cerámicos ubicados en las paredes laterales de la cabina. Las cuales están conectadas a un circuito eléctrico a su vez es controlado por un pirómetro, que manda una señal a través de un termopar ubicado dentro de la cabina hacia un relevador de estado sólido con la finalidad de controlar la temperatura requerida.

ANTECEDENTES

Una mufla, en realidad es una cámara cerrada construida con material refractario. Consta de una puerta por la que se accede al interior de la cámara de cocción, en la que existe un pequeño orificio de observación. En el techo se ubica un agujero por donde salen los gases de la cámara. Las paredes de la misma están hechas de placas de materiales térmicos, planchas de de carborundo y/o manta de material aislante.

Los hornos alimentados con energía eléctrica son de un uso muy extendido por su comodidad y fácil manejo. En la actualidad con los sistemas de programación que se incorporan son muy útiles y fiables. En las cámaras de estos hornos van alojadas, en unos surcos o vías de las paredes, unas espirales de hilo conductor de energía eléctrica, que actúan de resistencia formadas por aleaciones de cromo-níquel y de otros metales cuya característica es la buena conductibilidad, según las temperaturas que se quiera alcanzar.

Hay que tener en cuenta que un Kilovatio hora desarrolla, aproximadamente, 850 Cal/kg. Aunque parezca que el uso de esta energía eléctrica resulta demasiado cara, si contamos todas las ventajas que puede proporcionarnos, todos estos inconvenientes se ven reducidos e incluso resultar ventajosos. Como norma general y guía hemos de decir que en hornos para temperaturas de 1000º a 1100º, con una capacidad de 0,25 a 1 m2, tienen una duración de caldeo de 7 a 12 horas. Para temperaturas mayores hasta 1450 º C se emplea la silita o similares (carburo de silicio).

La cochura eléctrica tiene lugar en aire puro, o sea, en atmósfera oxidante, aunque existen algún tipo de horno, especialmente los de silla y de hilo de níquel-cromo, que toleran se introduzcan en la cámara medios reductores con el fin de provocar una reducción de oxígeno y cambiar los efectos



colorantes de los distintos óxidos.

DESARROLLO

Dimensiones de la mufla:

Paredes frontal y trasera. 18 x 18 cm.

Paredes laterales, superior e inferior. 21 x 18 cm.

Ancho de las paredes.

Las paredes están formadas de 2 capas de material cerámico refractario con las siguientes especificaciones:

Con estos materiales se obtendrá una pared con un espesor de 3 pulgadas, además de llevar fibra cerámica tipo colchoneta en las paredes del gabinete.

Material Espesor (L) Conductividad térmica (k)

Primer material

Tabla de fibra cerámica refractaria

2 pulgadas

0.17 W/mK

Segundo material

Tabla de fibra cerámica refractaria

1 pulgada

0.17 W/mK

Tercer material Colchoneta de fibra cerámica refractaria

2 pulgadas 0.18 W/mK

Área de la mufla.

Es el área que constituye el espacio que será calentado por las resistencias eléctricas y almacenará la carga a calentar.

De acuerdo a las dimensiones antes mencionadas se tiene que esta área será de:

A = (0.18m x 0.18 m x 2) + (0.18 m x 0.21 m x 4) = 0.216 m2

Pérdidas en las paredes.



Resistencia térmica.

RT = L1/k1A + L2/k2A + L3/k3A

L1 = 2” = 0.0508 m.

L2 = 2” = 0.0508 m.

L3 = 1” = 0.0254 m.

K1 = 0.17 W/mK.

K2 = 0.28 W/mK.

K3 = 0.17 W/mK.

A = 0.216 m2

RT = 0.0508m/0.17W/mk + 0.0508m/0.28 W/mk + 0.0254m/0.17 W/mk

RT = 0.6296 K / W

Pérdidas en paredes planas.

Con esta fórmula se obtendrá la potencia que necesitarán disipar las resistencias eléctricas para obtener la temperatura deseada.

q = ∆T / RT

Tint = 1260° C

Text = 25° C

RT = 0.6296 K / W

q = 1260 – 25 K/ 0.6296 K /W = 1961.56 W

La potencia del horno será de 1961.56 Watts. Tomando en cuenta las pérdidas en las puertas del horno y para efecto de los cálculos se tomará como la potencia del horno con un valor de: 2000 Watts (2 KW).

CÁLCULO DE LA RESISTENCIA ELÉCTRICA.

Con la potencia obtenida anteriormente se puede calcular el valor de la resistencia necesario para el funcionamiento óptimo del horno, también se puede obtener un dato necesario que es la corriente con la que se alimentará el circuito eléctrico.



Mediante la ley de ohm tenemos que:

P = VI

De aquí podemos despejar I:

I = P / V

El circuito será alimentado con 120 V, entonces:

I = 2000W / 120 V = 16.66 Amp.

Con el valor de la corriente obtendremos el valor de la resistencia con:

R = V / I = 120 / 16.66 = 7.20 Ω

Para este horno utilizaremos un tipo de material especial para hornos de alta temperatura llamado NICROMO el cual es una aleación de níquel – cromo y está diseñado para trabajar con temperaturas de hasta 1200° C.

Es necesario conocer algunas propiedades del nicromo ya que tendremos que saber cuanto material será necesario utilizar para hacer las resistencias, estas propiedades son importantes porque cambian dependiendo del tipo de aleación con que se trabaje.

Propiedades del NICROMO.

TIPO DE ALEACIÓN Nicromo 80 – 20

CALIBRE 17 AWG ( 1.150 mm)

RESISTIVIDAD (ρ) 1.77 x 10-6 Ω m

COEFICIENTE DE RESISTIVIDAD Ct 1.045

Las resistencias que se utilizarán serán del tipo arrollado en espiral sobre tubos cerámicos.

Resistencia eléctrica a 20° C.

Este dato es importante porque con él conoceremos la resistencia por metro que existe en el nicromo.



R20 = ρ X L / A

R20 = 1.77x10-6 Ω m x 1 m / π(0.575x10-3 m) 2 = 1.7 Ω

Así tenemos que por cada metro habrá 1.7 Ω

Resistencia eléctrica a la temperatura de trabajo.

Esta resistencia será calculada con el coeficiente de resistividad, este coeficiente nos sirve para saber cuanto cambia la resistencia con los cambios de temperatura. El valor del coeficiente será de 1.045 a 1200° C tomado de tablas de coeficientes del nicromo.

RT = Ct x R20

RT = 1.045 x 1.7 Ω = 1.7765 Ω

Con esto tenemos que a la temperatura de trabajo la resistencia cambia a 1.7765 Ω por metro.

Ahora, con el valor obtenido de 7.2 Ω para el horno y el valor obtenido de 1.7765 Ω / m de la resistencia de trabajo, podemos saber cuanto material será necesario para hacer las resistencias:

L = R / RT

L = 7.2 Ω / 1.7765 Ω / m = 4.05 m.

CONCLUSIONES

El funcionamiento del equipo terminado cumple con los requerimientos necesarios para su utilización, en cuanto a especificaciones eléctricas, mecánicas y térmicas, apegándonos a las necesidades del Laboratorio de Tratamiento de Materiales del Departamento de Investigación y Proyectos de la Universidad de Guadalajara.

La finalidad del proyecto es la aplicación de un horno de bajo costo y de la misma calidad que un horno comercial para la realización de pruebas de laboratorio, con el fin de encontrar mejores materiales para las diferentes aplicaciones en que se puedan utilizar.

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS Frank P. Incropera, David P. DeWill, Fundamentos de Transferencia de Calor, Person Pentice Hall Yunus A. Cengel, Michael A. Boles, Termodinámica, Mc Graw Hill



Julio Astigarraga Urquiza, Hornos Industriales de resistencias, Mc Graw Hill

TITULO: HORNO ELÉCTRICO TIPO MUFLA PARA TRATAMIENTOS TÉRMICOS FUNCION: Pruebas de aceros en laboratorio CAMPO DE APLICACIÓN: Investigación de laboratorio CATEGORIA EN LA QUE PARTICIPA: PROYECTO DE INVESTIGACIÓN: (CIENTÍFICA), (TECNOLÓGICA) OBJETIVO GENERAL: Diseñar, calcular y construir un horno tipo mufla para una temperatura de operación de 1200 grados centígrados. OBJETIVOS ESPECIFICOS: 1.- Investigación de tipos de materiales y costos de los mismos 2.- Diseño, cálculo y construcción de la cabina del horno 3.- Diseño, cálculo y construcción de las resistencias 4.- Diseño, cálculo y construcción del circuito eléctrico 5.- Diseño, cálculo y construcción del gabinete

JUSTIFICACION: La construcción de un horno de bajo costo que cumpla con las especificaciones y necesidades requeridas por parte del Departamento de Tratamiento de Materiales de la Universidad de Guadalajara. DATOS DEL EQUIPO Y / O PROTOTIPO, NECESARIOS PARA SU INSTALACIÓN Y OPERACION:

120 16 1 1.8 1 VOLTAJE AMPERAJE FASES KW HP CONTACTOS

NO NO NO NO ESPECIFIQUE INTERNET AGUA DRENAJE GAS LP OTRO COMBUSTIBLE

DIMENSIONES (m) Y PESO (Kg.)

LARGO ANCHO ALTO PESO

Otros requerimientos: Especifique Fotos del proceso constructivo y pruebas



Debido a la necesidad de aplicación de tratamiento térmico, para la aleación H13, y otras, se inició la construcción de una mufla con capacidad a 1200°C, con control electrónico de temperatura, y termopar tipo K. Los elementos calefactores serán distribuidos en los costados de la mufla con el fin de lograr una mejor distribución de la temperatura sobre la zona a tratar térmicamente. Las resistencias serán de alambre NiCr80. Para el aislamiento térmico del mismo se utilizó fibra cerámica para soportar hasta 1200oC de temperatura. El horno cuenta en la parte posterior con una entrada para gas, y de esta manera, se está en la posibilidad de crear una atmósfera inerte dentro del mismo. En lasa siguientes imágenes se muestran algunas etapas de la construcción y prueba de este horno.

horno electrico para tratamiento termico

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