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Hornos Eléctricos

  • 1. Descripción

    Esquema de un horno con electrodos

    Los hornos eléctricos son equipos que operan a temperatura superior a la ambiental y que calientan piezas en su interior por acción directa o indirecta del flujo eléctrico, es decir, del movimiento de electrones en el seno de un material.

    Las partes básicas de un horno eléctrico son:

    • Cámara de calentamiento: es el espacio físico donde se coloca la pieza a calentar.
    • Elementos eléctricos: son numerosos y son los responsables del calentamiento de la pieza, basándose en diferentes principios físicos.
    • Revestimiento aislante: es necesario para minimizar las pérdidas de calor al ambiente.
  • 2. Conceptos básicos

    2.1 Fenómenos relacionados con el calentamiento eléctrico

    Efecto Joule. Los electrones que se desplazan en una corriente eléctrica van perdiendo energía en su recorrido, que se disipa en forma de calor. Esta disipación provoca un calentamiento del conductor, que se conoce como efecto Joule. Este calor generado es el responsable de calentar la pieza.

    Inducción. Si por una bobina eléctrica, que envuelve una pieza metálica, hacemos pasar una corriente alterna, se induce una fuerza electromotriz (tensión) en la pieza metálica. Esta fuerza electromotriz dará lugar a la generación de una corriente alterna de la misma frecuencia en la pieza metálica.

    Arco eléctrico. Se denomina arco eléctrico o también arco voltaico a la descarga eléctrica que se forma entre dos electrodos sometidos a una diferencia de potencial y colocados en el seno de un gas a baja presión. Durante el tiempo de la descarga se produce una luminosidad muy intensa y un gran desprendimiento de calor.

    Inercia Térmica. Es la propiedad que indica la cantidad de calor que puede conservar un cuerpo y la velocidad con que lo cede o absorbe del entorno. Depende de la masa del material, de su calor específico y de su conductividad térmica. Es grande en materiales densos, aluminosos o básicos.

    2.2 Formas de calentamiento en hornos eléctricos

    El calentamiento por energía eléctrica puede realizarse mediante las siguientes técnicas:

    1) Resistencias de calentamiento indirecto:

    • Pueden ser metálicas o no metálicas.
    • Se disponen en las paredes laterales, bóveda y/o solera unos conductores eléctricos a los que se aplica una tensión, operando como resistencias puras. De este modo, se calientan por efecto Joule y emiten calor a la pieza por radiación.
    • Las resistencias también se pueden disponer en el interior de un tubo radiante.

    2) Calentamiento por Inducción:

    • Se basa en el fenómeno de inducción de corriente alterna en una pieza metálica envuelta en una bobina.
    • El calentamiento de la pieza se debe al efecto Joule.

    3) Calentamiento por Arco Eléctrico y Arco de Electrodo Radiante

    • En el caso de arco eléctrico, el calor se desprende por paso de la corriente eléctrica entre los electrodos y la carga, alcanzándose temperaturas superiores a 3000 ºC.
    • En el horno de arco de electrodo radiante, el arco eléctrico salta entre dos electrodos dispuestos horizontalmente. La energía radiante se emite sobre la bóveda cilíndrica refractaria y sobre la carga.

    4) Calentamiento Directo por Resistencia

    • Consiste en la aplicación directa sobre la pieza de unas mordazas a las que se somete una tensión eléctrica adecuada, generándose calor por efecto Joule.

    5) Sales, Lechos Fluidificados

    • Un baño de sal fundida se comporta como un electrolito, permitiendo el paso de corriente eléctrica entre dos electrodos, y generándose calor por efecto Joule.
    • El horno de lecho fluidificado contiene un lecho de polvo de material refractario fundido en el que se sumergen las piezas metálicas, calentándose muy rápidamente por conducción.

    6) Otros procedimientos

    • Son más modernos e incluyen el calentamiento por plasma, haz de electrones, rayos láser, microondas, etc.

    2.3 Tipos de Hornos Eléctricos

    2.3.1 Hornos de Fusión y Mantenimiento

    Su función es la de fundir el material y mantenerlo en estado líquido. Hay varios tipos:

    1) Hornos de Arco Trifásico. En estos hornos se distinguen tres partes fundamentales:

    a) Parte mecánica: Consta de múltiples elementos:

    • Cuba: elemento fundamental soportado por la plataforma. Contiene el baño de metal fundido.
    • Anillos de bóveda: Refrigerados por agua.
    • Brazos portaelectrodos y columnas: Forman tres unidades móviles y están soportados por una superestructura.
    • Mecanismos de elevación y giro de bóveda, accionamiento de electrodos y basculación: Se accionan hidráulicamente y tienen diversas funciones.

    b) Parte eléctrica o subestación: comprende los siguientes elementos:

    • Seccionador de entrada.
    • Interruptor general.
    • Transformador de potencia, reductor de tensión: Es el elemento fundamental y está sometido a grandes esfuerzos electrodinámicos (casi continuos cortocircuitos entre electrodos y carga) por lo que debe estar construido para tales exigencias.
    • Paneles de mando y control.
    • Embarrado en baja tensión.
    • Cables refrigerados por agua.
    • Batería de condensadores: en hornos de alta potencia.

    c) Elementos auxiliares: los principales son el circuito hidráulico y el equipo de regulación. También existe el equipo de aspiración y depuración de humos, pero es casi independiente.

    2) Hornos de inducción: Se clasifican en hornos de canales y de crisol sin núcleo:

    a) Hornos de canales: están constituidos por un circuito magnético de chapa que contiene un arrollamiento primario normal y un secundario de una sola vuelta formada por el metal fundido contenido en un canal de material refractario.

    b) Hornos de Crisol sin núcleo: el horno propiamente dicho consiste simplemente en un revestimiento refractario, en forma de crisol, rodeado por una bobina a través de la cual se hace circular una corriente alterna de la frecuencia adecuada.

    • Las frecuencias aplicadas pueden variar entre 50Hz y más de 10.000Hz. Esta frecuencia es generada por los equipos eléctricos y debe ser controlada y mantenida y durante todo el proceso.
    • Las capacidades mínimas adoptadas por la mayoría de las firmas constructoras de hornos son las siguientes:
    Capacidades mínimas adoptadas por los constructores de hornos
    Frecuencia Fund. acero Cobre y latón Aluminio
    50Hz 750kg 500kg 250kg
    150Hz 250kg 250kg 100kg

    3) Hornos de Crisol. En estos hornos, el metal se funde en un crisol metálico o cerámico (dependiendo de la aplicación), calentado por resistencias eléctricas que lo rodean lateralmente.

    4) Hornos de Reverbero. Tienen forma de cuba rectangular, con las resistencias dispuestas en la bóveda, bien expuestas directamente o colocadas en el interior de tubos radiantes

    2.3.2 Hornos de Recalentamiento

    Su objetivo fundamental es el calentamiento de piezas para procesos tales como laminación, extrusión, forja, estampación y conformado.

    Se mantiene el estado sólido de las piezas, buscándose únicamente el ablandamiento de éstas para que sea más fácilmente maleable.

    Hay múltiples tipos, muchos de ellos comunes a los hornos de gas, como por ejemplo los hornos de mufla, de vigas galopantes, de solera giratoria etc.

    2.3.3 Hornos de Tratamientos Térmicos

    Se utilizan para conferir una característica especial a la pieza a tratar, como pueden ser los tratamientos térmicos superficiales de cementación o de carbonitruración, o que afecten a toda la pieza como el templado, recocido, envejecido, revenido etc.

    Su uso es muy común y están muy extendidos, existiendo numerosos tipos adecuados para cada operación:

    Intermitentes:

    • De mufla.
    • De pozo.
    • De retorta giratoria.
    • De solera móvil de carro
    • De circulación forzada de aire o gas protector
    • De campana

    Hornos continuos:

    • De solera de rodillos accionados.
    • De cinta transportadora de malla de alambre.
    • De solera giratoria.
    • De catenaria.
    • De banda flotante, etc.
  • 3. Componentes

    3.1 Cámara de Calentamiento

    Es el espacio físico donde se calienta la pieza.

    Puede adoptar muchas formas distintas dependiendo del tipo de horno eléctrico, pero en todos ellos se encuentra revestida por un aislante térmico.

    3.2 Elementos eléctricos

    Este término agrupa muchos elementos, entre los que destacan:

    Resistencias:

    Resistencias de calentamiento indirecto más utilizadas
      Composición (%) Temperatura máxima (ºC) Indicaciones
    METÁLICAS NORMALES NiCr de bajo contenido 20 Ni
    25 Cr
    600 Baja temperatura
    NiCr intermedio 60 Ni
    15 Cr
    1100 Atmósferas cementantes o reductoras
    NiCr alto 70-80 Ni
    30-20 Cr
    1.150
    1.200
    Alta resistencia a la oxidación en caliente
    Fe Cr Al 20-35 Cr
    2-6 Al
    1.350 Tenacidad y ductilidad
    NO METÁLICAS Carburo de silicio 99 CSi 1.500 Larga duración
    Grafito 99 C 2.900 Hornos de vacío
    ESPECIALES Molibdeno 100 Mo 1.900 Atmósfera protectora reductora
    Tántalo 100 Ta 2.200 Hornos de alto vacío
    Tungsteno 100 W 2.400 Hornos de vacío
    Bisiliciuro de molibdeno 95 MoSi2 1.700 Atmósferas reductoras a alta temperatura
    Cromita de lantano LaCr2O3 1.850 Industria cerámica técnica

    La tabla muestra un listado con las resistencias de calentamiento indirecto más comunes y algunas características que las hacen aptas para uno u otro proceso.

    Electrodos:

    Son necesarios en los hornos de arco eléctrico, y suelen estar construidos en grafito.

    3.3 Materiales Refractarios y Aislantes

    Su objetivo es aislar el interior de los hornos con un doble propósito:

    • Reducir las pérdidas de calor.
    • Conseguir unas condiciones ambientales en el exterior suficientemente aceptables.

    La capa interior del aislante térmico debe ser capaz de:

    • Soportar el ambiente interior (humos, aire en circulación, gases reductores, etc.). Resistencia térmica.
    • Contener sin reacción química, en términos generales, metales y no metales fundidos, a alta temperatura, etc. Resistencia química.

    Dependiendo de la temperatura máxima que deban soportar, tenemos:

    • Productos calorífugos (hasta 150 ºC). La humedad afecta mucho a sus propiedades aislantes. Son innumerables y poco especializados.
    • Productos aislantes (hasta 1000 ºC). Tienen baja conductividad térmica.
    • Productos refractarios (hasta 1500 ºC). No tienen un punto de fusión determinado, sino que funden en un rango de temperaturas (fusión pastosa).
    Ejemplos de materiales usados en aislamiento de hornos eléctricos
    Calorífugos Aislantes Refractarios Fibras
    Múltiples
    • Diatomita
    • Carbonato de magnesio
    • Lanas minerales
    • Versiculita
    • Arcilla y perlita expandida
    • Silicato cálcico
    • Arcillas refractarias
    • Silicatos (de aluminio y otros)
    • Hidratos y óxidos de aluminio
    • Óxidos (sílice, cromita, circonia, etc.)
    • Carbono y carburo de silicio
    • Otros
    Igual que en refractarios

     

  • 4. Ventajas e inconvenientes

    4.1 Ventajas

    La principal ventaja de este tipo de hornos frente a los hornos de gas es el mayor rendimiento energético que se consigue en los eléctricos, ya que la electricidad es una forma de energía de alta calidad.

    Los hornos eléctricos producen gases, pero no de combustión (por ejemplo, CO2 en la descarburización del acero), por lo que las emisiones son menos peligrosas para el medioambiente y los volúmenes mucho menores.

    Los hornos eléctricos permiten calentar partes de una pieza aisladamente, mediante inducción por ejemplo, mientras que en los hornos de combustión esto no es posible, y la pieza ha de entrar en el horno entera.

    4.2 Inconvenientes

    Los consumos energéticos varían mucho de un tipo de horno a otro, influyendo factores tales como el combustible o la morfología del horno.

  • 5. Aplicaciones

    Los hornos eléctricos tienen aplicación en muchos procesos industriales y sectores de la industria, siendo en muchos casos una opción alternativa a los hornos de combustión.

    Procesos industriales:
    • Fusión de materiales férricos. En España el 50 % de la producción de acero a partir de la fusión de chatarra se realiza en hornos de arco eléctrico, utilizándose también cubilotes y hornos de crisol sin núcleo y de canales.
    • Fusión de materiales no férricos y no metálicos. Producción de aleaciones de cobre y aluminio y de aleaciones de bajo punto de fusión en hornos de crisol.
    • Calentamiento de materiales. Para laminación y trefilado, extrusión, forja, estampación y conformado en caliente
    • Tratamiento térmico de metales y aleaciones. Para recocido, temple, revenido, normalizado, envejecimiento y otros procesos del acero, aluminio, magnesio, cobre, latón, bronce, etc.
    • Recubrimiento de piezas metálicas y no metálicas mediante galvanización, estañado, esmaltado a base de plásticos, de polvos metálicos o de pinturas y barnices.
    Sectores industriales:
    • Industria cerámica y del vidrio: para fabricación de productos cerámicos y tratamientos como el esmaltado. Esta industria es una gran consumidora de energía.
    • Industria alimentaria: en fabricación de pan y repostería industrial, secaderos en industria cárnica y agroalimentaria, tratamientos térmicos en industria láctea, etc.
    • Industria textil: para estampación térmica de prendas.
    • Industria de la forja y fabricación de muebles metálicos.
    • Industria química y metalúrgica: en prerreducción y reducción de minerales entre otras aplicaciones.

    Los hornos eléctricos son especialmente aptos para pequeñas cargas, por lo que su uso en industrias de pequeñas producciones y en el sector servicios está muy extendido:

    • Microfusión de piezas para la industria dental y joyería.
    • Sector sanitario: Incineradores de agujas hipodérmicas y desechos sanitarios.
    • Otros: Engloba una larga serie de aplicaciones muy específicas de menor interés.
  • 6. Medidas de eficiencia

    Todas las medidas tienen como objetivo reducir al mínimo los consumos específicos. Están enfocadas en distintos puntos:

    6.1 Aislamiento

    • Utilizar un buen material aislante, adecuado a las condiciones de operación que evite en gran medida las pérdidas de calor a través de las paredes del horno por conducción térmica.
    • Usar materiales de baja inercia térmica (ver Conceptos Básicos) porque garantizan menores pérdidas del calor almacenado en el revestimiento.
    • Reducir al máximo posible el número de aperturas del horno.
    • Operar con una ligera presión positiva cuando sea posible, para evitar infiltraciones de aire exterior.
    • Mantener abiertas las puertas el menor tiempo posible en las operaciones de carga y descarga.
    • Comprobar periódicamente su buen estado para evitar pérdidas innecesarias

    6.2 Regulación

    • Utilizar tiristores, que son unos dispositivos semiconductores de regulación que funcionan como interruptores electrónicos. Su utilización evita la instalación de turbinas de homogeneización, que aparte del coste económico que implican, también suponen un consumo energético.
    • Automatizar al máximo los procesos de calentamiento y enfriamiento.

    6.3 Organización y racionalización de la producción

    • Programar el trabajo del horno a fin de evitar periodos transitorios de calentamiento y enfriamiento.
    • Reducir la temperatura de mantenimiento del horno durante tiempos muertos.
    • Analizar los ciclos de trabajo de los hornos, y mantener en servicio los más eficaces.
    • Programar paradas de los hornos para efectuar un mantenimiento preventivo de todos sus elementos.
    • Comprobar que el ciclo de calentamiento se ajusta a las necesidades reales.
    • Planificar las cargas para aprovechar al máximo cada hornada.
    • Evitar que parte de la carga sobresalga del horno.
    • Utilizar la mínima ventilación del horno compatible con la seguridad.
    • Reducir al mínimo posible la temperatura de calentamiento del horno.
    • Utilizar los sistemas más eficientes a su máxima capacidad y los menos eficientes sólo cuando sea necesario.

    6.4 Recuperación de la energía

    • Ciertas partes de los hornos eléctricos (cables y tubos cortacorriente de los hornos de arco, indoctores, etc.) necesitan ser refrigeradas porque las altas temperaturas pueden dañarlos.
    • Es en estos puntos donde precisamente se da las mayores pérdidas de rendimiento energético de la potencia eléctrica.
    • Se debe emplear el calor absorbido por el agua de refrigeración de los elementos delicados del horno para la producción de agua caliente sanitaria o calefacción en los locales de la planta.

    Información complementaria: Ver Catálogo Hornos Eléctricos.

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