Metodología de diseño de hornos para tratamiento térmico de distensionado de grandes piezas ferrosas de minería

Abstract

El presente trabajo de título nace de la necesidad de sintetizar los principios fundamentales para el complejo proceso de diseño de hornos industriales. El principal objetivo del proyecto es desarrollar una metodología para el diseño básico de hornos para tratamiento térmico de distensionado según el código ASME VIII, UW-40. Los objetivos específicos son: i. Desarrollar una metodología para el diseño básico de la envolvente, ii. Establecer los criterios y tipos de diseño para el sistema de carga/descarga, iii. Determinar la potencia efectiva requerida para la selección de los quemadores y su ubicación, mediante simulaciones de movimiento de gases, y iv. Proponer un sistema de recuperación de calor desde los gases de escape. La metodología para desarrollar el proyecto consiste en el estudio y análisis de los temas relevantes para el diseño de un horno de tratamiento térmico-configuración, transferencia de calor, flujo de gases de combustión- para luego aplicar los conocimientos adquiridos a un caso de estudio (horno para 49 ton de capacidad de carga, de dimensiones interiores 3,86x3,86x3,86 m3). Los principales resultados del proyecto son los siguientes: i. El diseño adecuado de una envolvente requiere a lo menos 03 materiales: un material refractario, un aislante y uno estructural. Para el caso de estudio particular los espesores determinados son de 65 mm de ladrillo refractario GJM20, 500 mm de fibra de cerámica ITG y 6 mm de acero estructural ASTM A36, respectivamente; ii. Para una potencia térmica dada es preferible emplear varios quemadores, ubicados en la parte inferior del horno, en caras opuestas y evitar la superposición de llamas. Del balance térmico del caso de estudio se estima una potencia efectiva requerida de 1.922 kW y se selecciona 04 quemadores marca HWCT modelo H600 y, iii. Dada su naturaleza, los hornos a combustión presentan altas perdidas por gases de escape, otorgando oportunidades de implementación de sistemas de recuperación de calor. Para el caso en estudio se propone una capacidad de 10.000 l/día de ACS, con una inversión de unos 18.400.000 CLP. El análisis económico del sub proyecto muestra un periodo de recuperación de la inversión de 2 años y 5 meses y un VAN de 7.277.918 CLP, a 5 años, por lo que se concluye que su implementación es viable económicamente. La conclusión general del presente trabajo recalca que un sistema de recuperación de calor presenta ventajas relevantes. El caso de estudio muestra que sistemas que recuperan solo una fracción del calor disponible ya son viables económicamente, y, por ende, se considera la implementación de sistemas de recuperación de calor, en hornos a combustión existentes en la industria de tratamiento térmico, como una oportunidad atractiva y factible económicamente.