sistema de control de temperatura de un horno eléctrico didáctico

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SISTEMA DE CONTROL DE TEMPERATURA
DE UN HORNO ELÉCTRICO DIDÁCTICO PARA
SER UTILIZADO EN LA ASIGNATURA DE
CONTROL DIGITAL EN EL ÁREA DE
INGENIERÍA EN CONTROL DE LA
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ
DE CALDAS.
JUAN CARLOS MONROY COD. 20042083021 Y VÍCTOR GERARDO BARRAGÁN AGUIRRE COD. 20052283003
Tutor: Prof. Alfredo Chacón
I.
RESUMEN
A nivel industrial el control de procesos ha ganado cada
vez mas fuerza y hoy por hoy es una disciplina que necesita de
personas con un alto nivel de capacitación ya que se requiere
de conocimientos en los diversos campos de la ciencia, para
así poder comprender plenamente los problemas y por lo tanto
generar soluciones acertadas que beneficiaran a una empresa
y/o a la sociedad. :
De esta manera se pretende generar herramientas para
que la adquisición de los conocimientos por parte de los
estudiantes sea confiable ya que estas simularan entornos
reales. :
II.
PALABRAS CLAVE
control de procesos, temperatura, horno
III.
INTRODUCCIÓN
Los hornos tienen muchísimas aplicaciones en diferentes
sectores como por ejemplo en la industria: en el sector de los
alimentos, los aceros, los tratamientos térmicos, los plásticos;
en la medicina o simplemente en el hogar.:
Por ende son de vital importancia en el desarrollo de una
nación ya que forman parte fundamental en los procesos de
fabricación, conservación, limpieza, esterilización, etc. Pero es
importante recalcar que en este articulo se pretende mostrar
la importancia de un horno industrial a escala para el análisis
de las variables físicas involucradas en este sistema termodinámico y que a su vez puedan ser manipuladas para que se
optimice el objetivo final que para este caso es el control de
la variable de temperatura en un horno tipo industrial para el
calentamiento de pequeñas partes o componentes metálicos.:
IV.
MOTIVACIÓN
Este es un artículo que tiene como objeto motivar el
desarrollo de mecanismos con alto nivel tecnológico y a
costos mucho más bajos, ya que si bien estas herramientas de
por si existen por lo general son adquiridas por los centros
de formación técnica o universidades gracias al método de
importación. La idea es que en Colombia no haya una dependencia de tecnologías extranjeras si no que sea autosuficiente,
en el desarrollo de prototipos o de maquinaria, que supla las
necesidades de cualquier sector económico.:
V.
ANTECEDENTES
No se conoce la fecha exacta en que se descubrió la
técnica de fundir mineral de hierro para producir un metal
susceptible de ser utilizado. Los primeros útiles de hierro
descubiertos datan del año 3000 a. C. pero se sabe que antes
ya se empleaba este mineral para hacer adornos de hierro.:
Los griegos descubrieron hacia el 1000 a. C. una técnica
para endurecer las armas de hierro mediante un tratamiento
térmico. Todas las aleaciones de hierro fabricadas hasta el
siglo XIV d.c se clasifican en la actualidad como hierro forjado. Para obtener estas aleaciones, se calentaba en un horno
una masa de mineral de hierro y carbón vegetal. Mediante
este tratamiento se reducía el mineral a una masa esponjosa
de hierro llena de escoria formada por impurezas metálicas
y cenizas de carbón vegetal. Esta masa esponjosa se retiraba
mientras permanecía incandescente y se golpeaba con pesados
martillos para eliminar la escoria y darle una determinada
forma. El hierro que se producía en estas condiciones solía
tener un 3 % de partículas de escoria y un 0,1 % de otras
impurezas. En algunas ocasiones, y por error, solían producir
autentico acero en lugar de hierro forjado. Los artesanos del
hierro acabaron por aprender a fabricar acero, calentando
hierro forjado y carbón vegetal en un recipiente de arcilla
durante varios días, con lo que el hierro absorbía suficiente
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carbono para convertirse en acero. Después del siglo XIV se
aumento el tamaño de los hornos empleados para fundir. En
estos hornos, el mineral de hierro de la parte superior se
convertía en hierro metálico y a continuación absorbía mas
carbono debido a los gases que lo atravesaban. Como resultado daba arrabio, un metal que funde a temperatura menor
que el hierro y el acero. Posteriormente se refinaba el arrabio
para obtener acero. En la producción moderna de acero se
emplean altos hornos que son modelos perfeccionados de los
que se usaban antiguamente. El arrabio se refina mediante
chorros de aire. Este invento de debe a un británico llamado
Henry Bessemer, que en 1855 desarrollo este inventó. [1]:
VI.
VI-A.
por hora, de 200 a 600‘C, mantenida a 600‘C durante una
hora por cada 25mm de espesor de sección más una hora
y luego enfriada en el horno a 50‘C por hora por debajo
de los 200‘C, después de lo cual la fundición puede ser
enfriada al aire a temperatura ambiente. Esto es de suma
importancia para asegurar que la tasa de calentamiento
y enfriamiento sean lo suficientemente lentas para evitar
shock térmico y la formación de nuevas tensiones debidas
a altos gradientes de temperatura en la fundición. El
alivio de tensiones no es necesario para fundiciones
recocidas, pero puede ser requerido para fundiciones
perlíticas as-cast y para aquellas que han sido enfriadas
al aire durante el normalizado.
MARCO CONCEPTUAL
Tratamientos térmicos del hierro dúctil.
La primera etapa de la mayoría de los tratamientos
térmicos diseñados para cambiar la estructura y propiedades
del hierro dúctil consiste en calentar y mantener en una
temperatura entre 850-950 ‘C durante 1hs mas 1hs por cada
25 mm de espesor de sección, para homogeneizar el hierro.
Cuando se presentan carburos en la estructura la temperatura
debe ser aproximadamente 900-950 ‘C, lo cual descompone
los carburos previo a los siguientes pasos del tratamiento
térmico. El tiempo puede extenderse de 6-8 hs si se presentaran elementos estabilizantes de carburos. Para fundiciones
de forma compleja, donde pueden aparecer tensiones por un
calentamiento no uniforme, el calentamiento inicial hasta 600
‘C debe ser lento, preferentemente 50-100 ‘C/hs. Para prevenir
escamaduras y descarburización de la superficie durante esta
etapa del tratamiento, se recomienda que la temperatura en
horno no-oxidante sea mantenida usando un horno sellado;
puede ser requerida una atmósfera controlada. Deben tomarse
más cuidados en fundiciones susceptibles a distorsión y evitar
el apilamiento.:
Los tratamientos térmicos más importantes y sus propósitos
son::
Aliviamiento de tensiones, tratamiento a baja temperatura, para reducir o aliviar tensiones internas remanentes
después de la colada.
Recocido, para mejorar la ductilidad y tenacidad, para
reducir dureza y remover carburos.
Normalizado, para mejorar la resistencia con algo de
ductilidad.
Temple y revenido, para aumentar la dureza o mejorar la
resistencia y una más alta tensión de prueba (sigma 0.2).
Austemperizado, para producir estructuras bainíticas de
alta resistencia con algo de ductilidad y buena resistencia
al desgaste.
Endurecimiento superficial por inducción, para mejorar
resistencia al desgaste. Aliviamiento de tensiones: el
objeto de este tratamiento térmico es remover tensiones
residuales sin causar ningún cambio en la estructura y
propiedades. Altas tensiones pueden presentarse después
de la colada en fundiciones de hierro dúctil de forma
compleja y pueden ser sustancialmente removidas mediante un tratamiento térmico a aproximadamente 500600 ‘C. La fundición típicamente es calentada a 50‘C
RECOCIDO
El propósito principal del mismo es generar una estructura ferrítica y remover perlita y carburos, lográndose así la
máxima ductilidad y tenacidad. El recocido puede ser usado
para lograr propiedades específicas, como un 15 % o más de
elongación. El tratamiento puede tener variantes, pero los más
comunes son el enfriamiento interrumpido, enfriamiento lento
controlado y tratamiento en una sola etapa. :
Enfriamiento interrumpido: la primera etapa es homogeneizar el hierro como se ha descrito antes. Esto es seguido por un
enfriamiento hasta 680-700 ‘C y mantenido a esta temperatura
de 4-12 hs para desarrollar la ferrita. Cuanto mayor sea la
pureza del hierro, mas corto será el tiempo requerido. Las fundiciones de forma sencillas pueden ser enfriadas en horno por
debajo de los 650 ‘C y enfriadas al aire, pero las fundiciones
complejas que pueden desarrollar tensiones residuales deben
ser enfriadas en horno de acuerdo a las recomendaciones
mencionadas para el aliviamiento de tensiones. o Enfriamiento
lento controlado: la primera etapa es la homogenización como
se ha dicho antes; esto es seguido por un enfriamiento a
razón de 30-60 ‘C por hora desde los 800-650 ‘C. Hierros
de más baja pureza requieren de tasas de enfriamiento más
lentas. El enfriamiento a temperatura ambiente se lleva a
cabo como el método interrumpido. o Tratamiento de una
sola etapa: la fundición es calentada desde la temperatura
ambiente hasta los 680-700 ‘C, sin una austenización previa,
es entonces mantenida a esta temperatura por 2-16 hs para
que grafitice la perlita. El tiempo aumenta con la disminución
de la pureza del metal, y generalmente es mayor que para los
otros métodos debido a la falta de una homogenización previa.
El enfriamiento a temperatura ambiente se lleva a cabo como
en el método de enfriamiento interrumpido. Este tratamiento
se aplica solo para quitar la perlita en hierros con carburo
no eutéctico. Si el hierro contiene carburos debe usarse el
método del enfriamiento interrumpido o el del enfriamiento
lento controlado. :
NORMALIZADO
Consiste en calentar las fundiciones a alta temperatura
con lo cual éstas quedan completamente austenizadas, y
cualquier carburo descompuesto, seguido por un enfriamiento
al aire en una tasa que produce una matriz de fino grano
perlítico con partículas de ferrita y libre de otros productos
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de la transformación. El normalizado puede aplicarse para
conseguir resistencias de 700-900 Mpa, y para mejorar la relación entre el sigma 0.2 y la resistencia a la tracción. Un ciclo
típico es como el siguiente: El primer paso del tratamiento es
la homogenización. Las fundiciones son luego removidas del
horno y enfriadas al aire a temperatura ambiente. La tasa
de enfriamiento al aire a través de un rango de 780-650 ‘C
debe ser lo suficientemente rápido para obtener una matriz
completamente perlítica en la sección de la fundición que es
tratada. Esto puede requerir el uso de un soplador de aire
especialmente para secciones de mayor espesor. En algunos
casos las fundiciones son suspendidas individualmente, agitadas o sacudidas sobre una criba, pero no solo depositadas
sobre el piso ni en cestos u otros contenedores. Esto completa
el ciclo. Para lograr una estructura sustancialmente perlítica,
la matriz de hierro debe ser saturada en carbono a la
temperatura de austenizacion antes del enfriamiento al aire:
esto se logra instantáneamente si el hierro es sustancialmente
perlítico as-cast. Si el hierro contiene una matriz de ferrita ascast, se requiere un tiempo más largo a la misma temperatura
o el mismo tiempo a una temperatura más alta para lograr
la adecuada solución de carbono de los nódulos de grafito.
Como mayor sea la tasa de enfriamiento, más fina será la
perlita, la resistencia y la dureza aumentarán, y la elongación
puede disminuir. Al aumentar la temperatura de austenización,
la resistencia aumenta y disminuye la elongación, debido al
alto contenido de carbono de la matriz. Los elementos que
promueven la formación de perlita en la condición as-cast
son: Mn, Cu, Ni y Sn, que acortan el tiempo requerido en
el tratamiento y permiten obtener estructuras completamente
perlíticas en secciones de grandes espesores. En la figura
siguiente se muestra una típica estructura normalizada.:
TEMPLE Y REVENIDO
El hierro dúctil de alta resistencia, generalmente superior
a 700 Mpa y con una baja elongación, se obtiene calentando
hasta 875-925 ‘C, manteniendo esa temperatura por 2-4 hs o
más si se requiere eliminar carburos, apagando en un baño
de aceite para producir estructura de martensita, y luego
revenido a 400-600 ‘C para producir una matriz de estructura
de martensita revenida. Deben tomarse recaudos para evitar
fracturas complicadas en las fundiciones durante el apagado,
esto se logra apagando en aceite caliente a, por ejemplo 100
‘C, seguida por un enfriamiento final a temperatura ambiente.
Este paso también puede hacerse apagando en aceite caliente
a 200 ‘C y luego enfriando a temperatura ambiente, pero
en baño de agua para obtener la estructura y propiedades
deseadas. Para un buen temple, durante el apagado debe obtenerse una estructura completamente martensítica, y excepto
para secciones muy delgadas, esto requiere de aleación con
elementos que mejoran la templabilidad: Cu, Ni, Mn y Mo,
aumentan la templabilidad con creciente eficiencia. El Cu
puede ser usado con poca frecuencia en el hierro dúctil debido
a su limitada solubilidad. Aun cuando el silicio aumenta
la templabilidad en los aceros, tiene un efecto opuesto en
el hierro dúctil disminuyendo la solubilidad del carbono,
mientras que aumentando el contenido de carbono también
disminuye ligeramente la templabilidad por el aumento de la
cantidad de grafito en relación con el carbono en solución.
En la práctica, el aumento de la templabilidad se logra
por combinación de elementos aleantes. Las combinaciones
listadas en la tabla siguiente son ejemplos que muestran los
efectos del Mn, Ni y Mo, en el aumento de la templabilidad.:
Elementos aleantes usados % Max. diam.de barra a templar en aceite C Si Mn Ni Mo mm 3.4 2.0 0.3 —- —- 25 3.4
2.5 0.3 —- —- 28 3.4 2.0 0.3 1.0 —- 30 3.4 2.0 1.3 —- —38 3.4 2.0 0.3 —- 0.5 51 3.4 2.0 0.9 1.5 0.25 63:
El revenido debe hacerse en un horno con circulación
de aire como mínimo durante 4 hs, tiempo en el cual hay
una progresiva disminución de la resistencia y la dureza y un
aumento de la ductilidad. :
ENDURECIMIENTO SUPERFICIAL
Estos tratamientos consisten en endurecimiento por llama
o inducción, nitruración y refundido superficial por láser.
Endurecimiento por llama o inducción. Es generalmente empleado para producir una dura capa superficial sobre la
fundición. La llama o un serpentín especialmente formado
es pasado por la superficie de la fundición en una tasa que
hace subir la temperatura de la superficie a 850-950 ‘C a
una profundidad cercana a 2-4 mm. La llama o fuente de
inducción es seguida por un apagado con agua, produciendo
una capa martensítica con una dureza de 600-700 Hv. El
desarrollo de la máxima dureza depende del contenido de
carbono de la matriz, la cual se transforma a austenita una
vez calentado y a martensita durante el apagado. El tiempo
conferido normalmente no permite una adecuada solución
del carbono en las estructuras inicialmente ferríticas de la
matriz: por lo tanto es importante usar grados de hierro
completamente perlíticos para el endurecido por llama o
inducción. La profundidad de endurecido lograda puede ser
aumentada por aleación, como se indica continuación.:
Composición Dureza inicial HRC Dureza superficial Después del tratamiento. HRC Profundidad de la Capa endurecida
mm Fe-0.4Mn-0.07Ni- 0.05Mo-0.1Cu-... 60 62 1.5 Fe-0.32Mn0.75NI- 0.44Mo-0.56Cu-... 61 62.5 3.5:
El endurecimiento por llama e inducción se usa para
endurecer componentes que requieren una gran resistencia al
desgaste, tales como balancines, levas, laminadores y engranajes, y puede reducir la cantidad de desgaste por 5-6 veces.
Nitrurado: es un proceso que implica la difusión de nitrógeno
en la superficie a una temperatura de 550-600 ‘C. La fuente
más común del nitrógeno es el amoníaco, y el proceso produce
una capa superficial de 0.1 mm de profundidad con una
dureza de aproximadamente 1100 HV. La capa superficial
es normalmente blanca y uniforme en una micro estructura
atacada, pero las agujas de nitruro pueden encontrarse justo
debajo de esta. Algunos elementos aleantes pueden usarse
para aumentar la dureza. Se han logrado buenos resultados
con 0.5-1 % de Al, Ni y Mo. El nitrurado provee además de
una alta dureza una gran resistencia anti desgaste, mejora
la vida útil y la resistencia a la corrosión. Las aplicaciones
típicas son: en cilindros, cojinetes y pequeños ejes y árboles.
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La nitruración puede también ser llevada a cabo en baños
líquidos salinos basados en cianuro. Tales procesos son a
baja temperatura, por lo que disminuirá la profundidad. Este
proceso también puede realizarse en plasma, pero es muy
costoso. :
HORNOS ELÉCTRICOS
Producen temperaturas muy elevadas y son los mas indicados para la desulfuración y desfosforacion de la fundición
y para la obtención de aceros especiales, porque en ellos el
metal que se elabora se haya libre de todo cuerpo extraño
(aire, gas, carbón, etc.). Pueden usarse para el afinamiento
de la fundición cargándolos de trozos de hierro, virutas, etc...
Y haciendo luego la adicción de los elementos necesarios.
La potencia de los hornos eléctricos se expresa por los Kw
de corriente absorbida, que en los hornos de gran capacidad
sobrepasan el millar. La cantidad de calor que produce un Kwhora de corriente se obtiene por la formula Q=0,00024. 1000.
3600=864 calorías. Los hornos eléctricos pueden ser de resistencia, de arco y de inducción. Horno de resistencia: Se basa
en el principio de que un cuerpo conductor atravesado por la
corriente eléctrica se calienta hasta fundirse. Prácticamente
estos hornos (construidos con materiales de alta resistencia
eléctrica) se usan hoy mas bien para producir temperatura
hasta 1000° para los distintos tratamientos térmicos, y muy
pocos para fusión de acero. De arco voltaico: Es un flujo de
chispas entre dos conductores eléctricos aproximados, que da
una luz viví sima y una temperatura de 3000°. Un polo esta
constituido por electrodos de grafito o de carbón y el otro
es el mismo acero que se quiere fundir. En este sistema, que
es el mas empleado, la corriente pasa atreves del material
y se llama por esto arco directo, mientras que si e arco se
establece entre los extremos se llama arco indirecto.:
Existen y funcionan hornos de arco de varios tipos
(Stassano, Heroul, Girod, Fiat, etc.)Formados por un recipiente cilíndrico de chapas y perfilados de hierro revestido de
material refractario cubiertos de un cielo raza que los cierra
completamente. En la parte delantera hay una puerta para la
carga del material y el agujero de colada; en el cielo raso
se encuentran tres agujeros para el paso de los electrodos.
La base es curva y apoya sobre los rieles de manera que
se puede inclinar para verter la colada. Los hornos de arco
funcionan con un voltaje muy bajo (150 voltios) y fuerte
amperaje (2500 a 4000 amperios), y la regulación de los
electrodos de automática. De inducción: No es mas que un
gran transformador en el cual el circuito secundario esta
constituido por material a elaborar. En ellos la corriente de
la líneas que circula en las bobinas es de poca intensidad y de
gran voltaje, mientras que la corriente inducida en el circuito
secundario, formado por el material metálico colocado en
la solera o crisol del horno y es de poco voltaje y gran
intensidad. Es este fuerte amperaje lo que determina en el
horno este fuerte aumento de temperatura que funde el acero
colocado en el crisol. Para iniciar el trabajo en esta clase
de hornos hay que depositar en la solera una chapa bien
caliente sobre la cual se hace luego la carga del material a
tratar. Aunque mas costosos que los hornos a combustión, los
eléctricos son preferidos por la uniformidad de calentamiento
y por la pureza y homogeneidad de los aceros obtenidos. [2]:
VII.
DEFINICION DEL PROBLEMA
Desarrollar un horno eléctrico al cual se le llevara
a cabo un modelamiento matemático que cumpla con las
exigencias de una planta de estas características y en donde
los estudiantes de ingeniería en control puedan identificar
problemas relacionados con la temperatura y además puedan
generar soluciones de control ya que tendrán posibilidades
de cambiar los valores para así observar las variaciones y
determinar cual de dichos valores sea el mas adecuado:
VIII.
TRABAJOS REALIZADOS EN EL AREA
Son muchos los trabajos realizados en este campo, con
diferentes tipos de tecnologías; como ejemplo se tomo la
“implementación de un laboratorio de control de procesos vía
Internet”, publicado por la revista técnica de la Universidad
del Zulia.[3]:
Este sistema pretende funcionar como complemento al laboratorio tradicional de “sistemas de control” dentro del plan
de estudios de la facultad de ingeniería de la Universidad de
los Andes en Mérida, Venezuela; en este laboratorio se utilizan
técnicas de aprendizaje colaborativo a través de Internet por
medio de la herramienta de software llamada Labview que se
encargara de simular y controlar en tiempo real los procesos
que serán llevados a cabo en los equipos reales como son: el
computador personal, la interfaz de comunicación, el actuador
y el horno eléctrico. :
IX.
APLICACIONES
Las aplicaciones para un horno eléctrico industrial son
incontables, por eso es importante que los alumnos de la
Universidad Distrital, conozcan este tipo de sistemas ya que
en su vida laboral se verán muchas veces enfrentados a
estas aplicaciones. Por otro lado en cuanto al desarrollo y
comercialización de laboratorios para el aprendizaje es muy
atractivo el panorama ya que es posible que otras instituciones
se interesen por adquirir este tipo de tecnologías en procura
de una mejor capacitación de sus estudiantes.:
X.
TRABAJO FUTURO
Ya que el control de procesos es un campo muy amplio y
este sistema es limitado en su desarrollo lo ideal es que se siga
investigando sobre el tema para así poder mejorarlo puesto
que la posibilidad queda abierta para que se implementen
nuevas alternativas.:
XI.
CONCLUSIONES
Se debe pensar en que las tecnologías se pueden realizar
localmente para que haya una economía sostenible. El no
depender de otros países para la adquisición de herramientas
hará que el país sea competitivo y generara oportunidades de
empleo. Se propicia un ambiente científico, ya que obliga a
que la sociedad busque soluciones a sus problemas por medio
de la investigación. :
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R EFERENCIAS
[1] "historia de la metalurgia" http://www.arqhys.com/arquitectura/metalurgiahistoria.html
[2] Hornos
electricos
http://www.arqhys.com/arquitectura/electricoshornos.html
[3] Diseño e Implementación de un Laboratorio de Control a Distancia
http://www.iiisci.org/journal/CV$/risci/pdfs/P900754.pdf