Tuberias de succión de coque completo

UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA “ANTONIO JOSÉ DE SUCRE” VICERRECTORADO PUERTO ORDAZ DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA TRABAJO DE GRADO

Diseño de las tuberías del sistema de succión de las grúas multiusos NKM y ECL de los hornos de cocción de CVG CARBONORCA.

Br. GIL B. CÉSAR A. C.I.: 15.555.529

CIUDAD GUAYANA, SEPTIEMBRE 2007

UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA “ANTONIO JOSÉ DE SUCRE” VICERRECTORADO PUERTO ORDAZ DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA TRABAJO DE GRADO

Diseño de las tuberías del sistema de succión de las grúas multiusos NKM y ECL de los hornos de cocción de CVG CARBONORCA.

Br: Gil Bellorin, César Alexander Trabajo que se presenta ante el Departamento de Entrenamiento Industrial UNEXPO Puerto Ordaz para cumplir con el requisito para optar por el titulo de Ing. Mecánico. Tutor Académico: Ing. Mata, luís

CIUDAD GUAYANA, SEPTIEMBRE 2007

Diseño de las tuberías del sistema de succión de las grúas multiusos NKM y ECL de los hornos de cocción de CVG CARBONORCA.

UNIVERSIDAD EXPERIMENTAL POLITÉCNICA “ANTONIO JOSÉ DE SUCRE” VICERRECTORADO PUERTO ORDAZ DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA TRABAJO DE GRADO

Diseño de las tuberías del sistema de succión de las grúas multiusos NKM y ECL de los hornos de cocción de CVG CARBONORCA.

Br: Gil Bellorin, César Alexander

Ing. Quijada, Víctor Tutor Industrial

Ing. Mata, luís Tutor Académico

CIUDAD GUAYANA, SEPTIEMBRE DE 2007

INDICE RESUMEN ............................................................................................... 17 CAPITULO I............................................................................................. 20 EL PROBLEMA ....................................................................................... 20 1.1.- Variables de Entrada ................................................................ 25 1.2.- Variables de Salida ................................................................... 25 1.3.- Variable de Solución ................................................................. 26 1.4.- Delimitación .............................................................................. 26 1.5.- Justificación e importancia........................................................ 26 1.6.- OBJETIVOS ............................................................................. 27 1.6.1.- Objetivo General ................................................................ 27 1.6.2.- Objetivos Específicos ......................................................... 27 CAPITULO II............................................................................................ 28 ASPECTOS GENERALES DE LA EMPRESA........................................ 28 2.1.- Descripción de la empresa ....................................................... 28 2.2.- Misión de CARBONORCA ........................................................ 28 2.3.- Visión de CARBONORCA ........................................................ 28 2.4.- Política de Calidad .................................................................... 29 2.5.- Ubicación Geográfica ............................................................... 29 2.6.- Instalaciones de la Empresa ..................................................... 29 2.7.- Descripción de proceso productivo de C.V.G. CARBONORCA 32 2.7.1.- Descripción del Proceso Productivo de Molienda y Compactación, detallado por Cadenas de trabajo ........................ 32 2.7.2.- Hornos de Cocción............................................................. 35 2.7.2.1.- Insumos requeridos para el Proceso de Cocción de ánodos. ...................................................................................... 36 2.7.2.2.- Etapas del Proceso de Cocción de ánodos. ................ 36

2.7.3.- Descripción del producto final de la Planta de Hornos de Cocción. ........................................................................................ 39 2.8.- Organigrama General de la empresa C.V.G. CARBONORCA . 41 CAPITULO III........................................................................................... 42 MARCO TEÓRICO .................................................................................. 42 3.1.- Principios del Transporte Neumático ....................................... 42 3.2.- Descripción General ................................................................ 43 3.3.- Sistema al vacío ....................................................................... 43 3.4.- Cálculo de un sistema de Tuberías .......................................... 45 3.5.- Tipos de pérdidas ..................................................................... 45 3.5.1.- Debido al rozamiento del gas en el tubo (ΔP1) .................. 47 3.5.2.- Pérdidas secundarias (ΔP2) ............................................... 48 3.5.3.- Por aceleración del material (ΔP3) ..................................... 48 3.5.4.- Por el rozamiento del material sólido en la tubería (ΔP4) ... 49 3.5.5.- Por elevación del material (ΔP5) ........................................ 50 3.5.6.- En codos de la tubería (ΔP6) .............................................. 50 3.6.- Ciclones .................................................................................... 50 3.6.1.- Funcionamiento.................................................................. 51 3.6.2.- Tipos .................................................................................. 51 3.6.3.- Pérdidas en el Ciclón ......................................................... 53 3.7.- Filtro de Telas ........................................................................... 53 3.8.- Procedimiento del proceso que realiza el sistema de succión de las grúas multiusos NKM y ECL de CVG CARBONORCA. .............. 53 3.9.- Otros componentes que conforman las grúas multiusos de CVG Carbonorca ....................................................................................... 54 3.9.1.- Tolva de empaque ............................................................. 55 3.9.2.- Tubo de empaque .............................................................. 55 3.9.3.- Tubo de succión ................................................................. 55

3.9.4.- Intercambiador de calor ..................................................... 55 3.9.5.- Tolva filtro .......................................................................... 56 3.9.6.- El Compresor ........................ ¡Error! Marcador no definido. 3.9.7.- Válvula de seguridad.......................................................... 56 3.9.8.- Termostato: ........................................................................ 57 3.9.9.- Presóstato: ......................................................................... 57 3.9.10.- Válvula motorizada........................................................... 57 3.9.11.- Silencioso de entrada y de salida:.................................... 58 3.10.- UNIONES SOLDADAS ........................................................... 58 3.10.1.-

Soldadura por arco eléctrico ......................................... 59

3.10.2.- Los electrodos ................................................................. 61 3.10.2.1.- Propiedades mecánicas de los electrodos ........... 63 3.10.3.- Diseño y cálculo de uniones soldadas ................................. 64 3.10.3.1.- Cordones ...................................................................... 64 3.10.3.2.- Uniones a tope .............................................................. 65 3.10.3.3.- Uniones a filete. ............................................................ 66 3.10.4.- Soldaduras de filete sometidas a flexión. ............................ 68 3.10.5.- Coeficientes de seguridad ................................................... 69 CAPITULO IV .......................................................................................... 71 MARCO METODOLÓGICO..................................................................... 71 4.1.- Tipo de Investigación ................................................................ 71 4.2.- POBLACIÓN Y MUESTRA ....................................................... 72 4.3.- Técnicas y/o Instrumentos de Recolección de Datos ............... 72 4.3.1.- Observación Directa:.......................................................... 72 4.3.2.- Entrevista no Estructurada: ................................................ 72 4.4.- PROCEDIMIENTO ................................................................... 73

LISTA DE TABLAS

Tabla 2.1. Especificaciones Físicas Y Químicas De Los Ánodos Cocidos ................................................................................................................. 40 Tabla 3.1. Propiedades Mecánicas De Los Electrodos............................ 63 Tabla. 3.2. Diámetro Del Electrodo E Intensidad De Corriente ................ 63 Tabla 3.3 Esfuerzos Permitidos Por La Aisc ............................................ 69 Tabla 3.4 Casos Especiales (DIN 4100) .................................................. 70 Tabla 5.3 Densidad Real Y Densidad Aparente De Coque Metalúrgico .. 81 Tabla 5.3 Valores Del Estudio Realizado Al Material De Empaque ........ 82 Tabla 5.4 Valores De Ajustes De Presiones Y Temperaturas De La Grúa ECL .......................................................................................................... 83 Tabla 5.5 Pruebas Realizadas Al Sistema De Succión De La Grúa ECL 83

LISTA DE FIGURAS

Figura. 1.1. Vista De Las Secciones De La Nave II De Hornos De Cocción ................................................................................................................. 21 Figura. 1.2 Grúa Multiuso ECL................................................................. 22 Figura. 1.3 Grúa Multiuso NKM................................................................ 22 Figura 1.4 Formulación Gráfica Del Problema ......................................... 24 Figura. 2.1 Ubicación Geográfica De Carbonorca. .................................. 29 Figura. 2.2 Planta De Molienda Y Compactación .................................... 30 Figura. 2.3 Nave De Hornos Tipo Cerrado De Flujo Vertical ................... 30 Figura. 2.6 Planta De Tratamiento De Humos ......................................... 31 Figura. 2.4 Vista De Las Secciones De Los Hornos ................................ 31 Figura. 2.5 Vista De Las Fosas De Hornos De Cocción ......................... 31 Figura. 2.7.Vista De Las Secciones De La Planta De Hornos De Cocción ................................................................................................................. 36 Figura 3.1. Tipos De Ciclón ..................................................................... 52 Figura. 3.2 Tolva Filtro De Mangas. ......................................................... 56 Figura. 3.3 Soldadura Por Arco Eléctrico. .............................................. 60 Figura 3.4 Secciones Típicas De Los Cordones De Soldadura. ............. 64 Figura. 3.5 Biseles En La Soldadura...................................................... 65 Figura. 3.6 Esfuerzos En Una Soldadura A Tope ................................... 66 Figura. 3.7 Soldadura Del Tipo Filete ...................................................... 66 Figura. 3.8 Soldadura De Filete Sometida A Flexión ............................... 68 Figura 5.1. Esquema Representativo Del Sistema De Succión De La Grúa ECL. ......................................................................................................... 82 Figura 5.2 Vista De Planta De Los Ánodos Dentro De Una Sección .... 114

Figura. 5.3 Vista Lateral Ilustrativa De Los Ánodos 1500 Dentro De Una Sección .................................................................................................. 115 Figura 5.5 Vista De La Ubicación De La Pieza Respecto A La Tubería Interna .................................................................................................... 130 Figura 5.4 Pieza Tope Vinculada A La Tubería Interna ......................... 130 Figura 5.6 Conjunto Tubería Externa – Interna. 1 Tubería Interna. 2 Tubería Externa ..................................................................................... 130 Figura 5.7 Placa Circular Que Vincula La Tubería Con La Rotula ......... 131 Figura 5.8. Placa Refuerzo Para La Unión Entre Palca Circular Y Tubo Externo ......................................... ¡ERROR! MARCADOR NO DEFINIDO. Figura 5.13. Vista Frontal. Unión Mediante Soldadura De La Tubería Y La Placa Circular......................................................................................... 133 Figura 5.12 Vista Lateral. Unión Mediante Soldadura De La Tubería Y La Placa Circular......................................................................................... 133 Figura 5.14 Pieza De Sujeción De Las Guayas O Cadenas .................. 138 Figura 5.15 Ubicación De Las Fuerzas Sobre El Elemento ................... 139 Figura 5.16. Esfuerzos Principales Presentados Por El Análisis ........... 140 Figura 5.17 Deformaciones Presentadas Por La Pieza ......................... 140 Figura 5.18 Factor De Seguridad De La Pieza ...................................... 141 Figura 5.19 Ubicación De La Soldadura Para La Unión De La Pieza Y El Tubo ....................................................................................................... 141 Figura 5.20 Características Del Perno DIN 931 ..................................... 145 Figura 5.21 Característica De La Tuerca ............................................... 147 Figura 5.22 Característica De La Arandela ............................................ 148 Figura 5.23 Aplicación De La Fuerzas Para El Estudio De Aplastamiento. ............................................................................................................... 148 P Es La Proyección De Las Áreas Semicirculares................................. 148

Figura 5.24 Esfuerzos Equivalentes Presentados ................................. 150 Figura 5.25. Deformación Presentada En La Pieza ............................... 150 Figura 5.26 Factor De Seguridad De La Pieza ...................................... 151 Figura 5.27 Vista Tridimensional De La Campana O Cola De Pato....... 152 Figura 5.28 Zona De Aplicación De La Soldadura Para Placa Y El Tubo Interno .................................................................................................... 153 Figura 5.29. Sistema De Descarga De Polvillo Grúa ECL ..................... 161 Figura 5.28 Sistema De Descarga De Polvillo Grúa NKM ..................... 161 Figura 5.30 Tolva Del Sistema Actual De Descarga De Polvillo ............ 162 Figura 5.31 Conteiner Para Retener El Polvillo Descargado De La Grúa ............................................................................................................... 162 Figura 5.32 Dimensiones De La Tolva De Polvillo ................................. 165

UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA “ANTONIO JOSÉ DE SUCRE” VICERRECTORADO PUERTO ORDAZ DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA TRABAJO DE GRADO

ACTA DE EVALUACIÓN En mi carácter de tutor del Trabajo de Grado presentado por el Br.GIL B. César, portador de cédula de identidad número: 15.555.529. Para optar al grado de ingeniero en la Especialidad de Ingeniería Mecánica. Titulado: DISEÑO DE LAS TUBERÍAS DEL SISTEMA DE SUCCIÓN DE LAS GRÚAS MULTIUSOS NKM Y ECL DE LOS HORNOS DE COCCIÓN DE CVG

CARBONORCA,

considero

que

dicho

trabajo

reúne

los

requerimientos y méritos suficientes para ser sometido a la evaluación por parte del jurado examinador. En la ciudad de Puerto Ordaz a los veinte y ocho del mes de septiembre de dos mil siete.

______________________________ ING. LUIS MATA C.I.

UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA “ANTONIO JOSÉ DE SUCRE” VICERRECTORADO PUERTO ORDAZ DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA TRABAJO DE GRADO

ACTA DE APROBACIÓN Quienes suscriben, miembros del Jurado Evaluador designados por la Comisión de Estudios de Pregrado de la Universidad Nacional Experimental Politécnica “Antonio José De Sucre”, Vice-Rectorado Puerto Ordaz, para examinar el Trabajo de Grado presentado por la: Br. GIL B. CÉSAR, portador de cédula de identidad número: 15.555.529. Titulado: DISEÑO DE LAS TUBERÍAS DEL SISTEMA DE SUCCIÓN DE LAS GRÚAS MULTIUSOS NKM Y ECL DE LOS HORNOS DE COCCIÓN DE CVG CARBONORCA, el cual es presentado para optar al grado de académico de ingeniero en Ingeniería Mecánica, consideramos que dicho trabajo cumple con los requisitos exigidos para tal efecto y por la tanto lo declaramos: APROBADO. En la ciudad de Puerto Ordaz a los veinte y ocho días del mes de septiembre de dos mil siete.

_______________________ Presidente _______________________ Miembro Principal

_______________________ Miembro

DEDICATORIA

En primer lugar a DIOS por guiarme a cada instante y llevarme por el camino correcto para permitirme lograr todas las metas trazadas. A mis padres Gil Rodríguez, Hildebrando y Bellorin Marcano, Cruz a mis hermanas por su apoyo incondicional y por formar parte en mi desarrollo profesional como en lo ético y moral. A todas las personas que aunque físicamente no están siempre los recuerdos con mucho cariño y los extraños cada día. A todos mis familiares, compañeros y amigos

AGRADECIMIENTOS A DIOS por darme la fortaleza necesaria para vencer los obstáculos presentados durante mis estudios, así como su bendición que fue recibida todos los días de mi vida. A la Universidad Nacional Experimental Politécnica Antonio José De Sucre

"UNEXPO" por abrirme las puertas y permitirme encaminarme

como profesional en tan prestigiosa casa de estudio. A C.V.G CARBONORCA Y A LA LIC. SEEKATZ HORTENSIA por haberme brindado la oportunidad de realizar mi Trabajo de Grado. A los ingenieros Quijada Víctor (Tutor Industrial), Ing. Mata Luis (Tutor Académico) a Rodríguez Héctor, Rodríguez Nelson, Ing. Jesús Rangel, Ing. Olinto Vásquez y Rengifo Juan, John López

por su constante y

valioso apoyo para la realización del trabajo presentado. A Mis hermanas por el apoyo y el cariño brindado a lo largo de mi formación como profesional. A mis amigos Calderin María, Cortez Rafael, Carreño Karina, Palacios Leonardo, Víctor Baradat, Jesús Zambrano, Flores Adrian, Rivas Andreina, García Edison, Muñoz Pedro, César Manzo y Pedro Vásquez. A todas aquellas familias, que de una u otra manera me han brindaron su apoyo a lo largo de mi carrera como profesional: Flia. Gil Álvarez en especial a Orfelina Álvarez, Gil Marcano, Valbuena Sosa, Flores Rivero, Cortez Peña. A Yaquelin Carvajal, Betzael corvo y a mi ahijado Ramsés Corvo. A cuatro personas que aunque no estén a mi lado las considero muy especial por haberme regalado su amistad y muchos momentos importantes para mí: Elys Gabriela Rodríguez, Luquez Hirina, Gabriela

Espinoza y Alba Queralez. A Adriana Valbuena por haberme brindado su mano en el momento que más lo necesite gracias siempre serás especial para mí… Por último dejo a la persona con el cual he compartido buenos y malos momentos y lo considero como un hermano y la persona más especial a lo largo de mi carrera Franchi Miguel gracias primo A todos mil gracias......

GIL B., CÉSAR (2007). Diseño de las tuberías del sistema de succión de las grúas multiusos NKM y ECL de los hornos de cocción de CVG CARBONORCA. Trabajo de Grado. Universidad Nacional Experimental Politécnica “Antonio José de Sucre”. Vice-Rectorado Puerto Ordaz. Departamento de Ingeniería Mecánica. Tutor: Ing. Luis Mata.

RESUMEN

La empresa CVG CARBONORCA, tiene como principal función producir y comercializar ánodos, para abastecer el mercado nacional e internacional. Dentro de sus actividades diarias esta el proceso de cocción de ánodos, procedentes de la planta molienda, para convertirlos en electrodos positivos, aptos para ser usados en las celdas reductoras de Aluminio primario. Para cumplir con este proceso hornos de cocción cuenta con grúas multiusos NKM y ECL de diferentes tecnologías y que poseen 6 sistemas que permiten realizar las actividades necesarias para la cocción de los ánodos. Estos sistemas son: sistema de succión, manejo de ánodos, traslación puente, traslación carro, gancho de 25 ton., gancho de 5 ton. Para la presente investigación se desea unificar mediante un diseño al sistema de succión de ambas grúas que permita una mejora en cuanto a la adquisición de los repuestos, al manejo de un sólo repuesto en stock , que cubra las dos tecnologías, y la mejora del tipo de operación en cuanto a disponibilidad y tiempo.

Palabras Clave: Ánodo, Hornos, cocción, Grúas multiusos, tolva, succión.

INTRODUCCIÓN Para la obtención de los ánodos, CVG CARBONORCA cuenta con dos instalaciones importante como lo son: La Planta de Molienda y Compactación y Hornos de Cocción. La Planta de Molienda y Compactación es la encargada de procesar la materia prima necesaria para la fabricación de ánodos verdes (Coque, Alquitrán, Desechos Verdes y cabo), elementos indispensables para la producción de aluminio primario. En Hornos de cocción se realiza la cocción de los ánodos verdes fabricados en la planta de Molienda y Compactación, aquí los bloques anódicos son sometidos a un tratamiento térmico, con la finalidad de incrementar sus propiedades fisicoquímicas, es decir, alta conductividad eléctrica, densidad adecuada, alta resistencia mecánica, baja reactividad al aire y una configuración homogénea, que permitan caracterizarlos como electrodos positivos aptos para ser utilizados en las celdas de reducción de aluminio primario. Para realizar el proceso de cocción de ánodos las naves cuentan con 4 grúas multiusos de tecnologías diferentes, En la Nave 1 posee dos grúas NKM y en la nave 2 posee 2 ECL. Estas grúas desarrollan el mismo principio de funcionamiento y la misma utilidad dentro del proceso pero requieren de un plan de mantenimiento distintos ya que los componentes que las conforman son diferentes trayendo como consecuencia, para la gerencia de mantenimiento, la adquisición de repuestos diferentes que influyen en la disponibilidad y tiempo en el tipo de operación. Para disminuir esta problemática se pretende mediante un diseño unificar el sistema de succión de las grúas NKM y ECL, por lo tanto la gerencia de mantenimiento mediante el departamento de mantenimientos de hornos ha planteado el Diseño de las tuberías del sistema de succión de las

grúas multiusos NKM y ECL de los hornos de cocción de CVG CARBONORCA, con lo que se busca mejorar el tipo de operación del mantenimiento en cuanto a tiempo y disponibilidad, la adquisición de repuestos y a su vez contar con un solo repuesto en stock que cubra ambas tecnologías. La información del presente trabajo será presentada en el siguiente orden: El Capitulo I, específica el planteamiento del Problema, contiene Formulación del Problema, Justificación, Delimitación, Limitaciones, Objetivo General y los Objetivos Específicos de la Investigación. El Capitulo II, Marco Empresarial, específica las referencias de la empresa donde se llevó a cabo la investigación. El Capítulo III, Marco Teórico, con este capítulo se trata de aclarar los fundamentos

teóricos

que

contiene

el

trabajo

de

investigación

desarrollado. El Capítulo IV, corresponde al Marco Metodológico, esta contiene: Tipo de Estudio, Diseño de la Investigación, Población, Instrumentos de Recolección y el Procedimiento General. El Capitulo V, resultados obtenidos, contiene la metodología de cálculo propuesta para la estimación de los parámetros utilizados en el diseño del sistema de succión para las grúas NKM y ECL. Finalmente, se presentan las conclusiones, recomendaciones, la lista de referencias o bibliografía y Anexos

CAPITULO I EL PROBLEMA CVG CARBONORCA es una empresa centralizada en la producción de ánodos de carbón, con la finalidad de abastecer las empresas CVG ALCASA y CVG VENALUM, además de los nuevos proyectos de reducción de aluminio que se instalarían en la región Guayana. Para la obtención de los ánodos, CARBONORCA cuenta con dos instalaciones importante como lo son: La Planta de Molienda y Compactación y Hornos de Cocción. En las naves de cocción de la empresa CVG Carbonorca se lleva a cabo la cocción de los ánodos provenientes de la planta molienda, aquí los bloques anódicos son sometidos a un tratamiento térmico, con la finalidad de incrementar sus propiedades fisicoquímicas, tales como: conductividad eléctrica, densidad, resistencia mecánica, baja reactividad al aire y con una configuración homogénea, que permitirán convertirlos en electrodos positivos, aptos para ser usados en las celdas reductoras de Aluminio primario. Hornos de cocción cuenta con dos instalaciones denominadas naves de cocción, que disponen de hornos tipo cerrado de flujo vertical de tecnología RIEDHAMMER, cada una de las cuales posee una capacidad de instalación de un horno de 48 secciones y uno de 32 secciones. En la figura que se muestra a continuación (Fig. 1.1.) se observa una vista desde la grúa puente de la nave II de hornos de cocción de la empresa CVG CARBONORCA.

Figura. 1.1. Vista de las secciones de la nave II de Hornos de Cocción

En la actualidad sólo están operativos tres hornos, en la nave 1 de 48 secciones y en la nave 2 el de 48 secciones y 32 secciones, que trabajan a ciclos de 16 secciones cada uno, mientras que los hornos de 48 secciones están divididos en tres grupos de cocción, igualmente de 16 secciones. Un grupo de cocción constituye la unidad fundamental del proceso denominada fuego, el cual representa la división mínima en la que operativamente es posible dividir un horno. Cada fuego consta a su vez de cinco secciones de precalentamiento, tres secciones en fuego directo, dos secciones en enfriamiento con tapa, una sección en enfriamiento natural, dos secciones en enfriamiento forzado, una sección en descarga y mantenimiento, una sección en mantenimiento de refractarios y una sección cargada, lista para entrar en proceso. Para el desarrollo del proceso productivo, hornos de cocción cuenta con grúas multiusos ECL en la nave 1 y NKM en la nave 2 de tecnología francesa y holandesa respectivamente. En la figura 1.2 y 1.3 se pueden observar las características físicas de estas grúas.

Figura. 1.2 Grúa multiuso ECL

Figura. 1.3 Grúa multiuso NKM

Estas grúas se dividen en 6 sistemas como lo son: 1) Sistema de succión y empaque. 2) Sistema de manejo de ánodo. 3) Sistema de traslación puente. 4) Sistema de traslación carro. 5) Sistema gancho de 25 toneladas 6) Sistema gancho 5 toneladas. Las operaciones de estas grúas multiusos son: •

Introducir y sacar los ánodos de las fosas.

•

Traslado de ánodos.

•

Succión y descarga de coque.

•

Descarga de polvillo

•

Además disponen de polipastos de 5 ton y 25 ton para la elevación y traslado de algún otro componente, estructura o equipo dentro de las naves de cocción.

Dada la importancia de estas grúas dentro del proceso productivo, en las naves de hornos de cocción, se necesita de un mantenimiento de rigor para asegurar su buen funcionamiento y así permitir que las mismas realicen el trabajo de manera segura y eficiente. Para ello el departamento de mantenimiento de hornos bajo su filosofía de conservación y mejoramiento de los medios y bienes físicos de la planta y maquinarias en condiciones de operaciones, en un sistema productivo, procura mejorar día a día su plan de mantenimiento haciéndolo más eficiente y logrando así mayor aprovechamiento de la vida útil de los equipos instalados en esta área de la planta para beneficio de la empresa y sus trabajadores. Las grúas Multiusos, NKM y ECL, son equipos de tecnologías diferentes, pero poseen el mismo principio de funcionamiento dentro de las naves de hornos de cocción, por ello se requiere un plan de mantenimiento diferente de las mismas para qué asegure su operatividad. El departamento de mantenimiento hornos de cocción, en su papel de asesoramiento técnico a esta área de la empresa, y en búsqueda de mejoras se encuentra realizando los análisis para el diseño de las tuberías del sistema de succión, con las mismas especificaciones técnicas para ambas, que presentan estas grúas multiuso para lograr una mejora en cuanto a la adquisición de los repuestos, al manejo de un sólo repuesto en stock ,que cubra las dos tecnologías, y la mejora del tipo de operación en cuanto a disponibilidad y tiempo logrando con ello traerle beneficios, a la empresa y a sus trabajadores. Para la realización de este diseño se debe tomar base de las tuberías existentes en cada grúa que permita bajo estudios determinar la factibilidad del nuevo diseño en cuanto a eficiencia. Por lo tanto el estudio a realizar quiere dar respuesta a la siguiente

problemática: ¿Cuál es el diseño más adecuado de las tuberías de succión, empaque y descarga de polvillo de las grúas multiusos NKM y ECL ubicadas en hornos de cocción de CVG CARBONORCA? Al darle respuesta a este planteamiento se definirán propuestas concretas,

que

puedan

ser

desarrolladas

por

la

gerencia

de

mantenimiento tomando en cuenta la experiencia existente en planta.

Diseño de las tuberías de las grúas multiusos NKM y ECL

Documentación técnica y Antecedentes de las grúas NKM y ECL.

Propiedades físico- químicas del COQUE.

Análisis del sistema de succión de ambas grúas.

Diseño de las tuberías del sistema de succión de las grúas multiusos NKM y ECL de CVG Carbonorca

Análisis del nuevo diseño de las tuberías de succión, empaque, descarga de polvillo.

Disponibilidad de un solo repuesto en stock de las grúas multiusos NKM y ECL

Corregir efectos colaterales de funcionamiento presentes actualmente en sistemas de succión.

Beneficios a la empresa

Figura 1.4 Formulación Gráfica del Problema

A partir de la anterior definición y formulación gráfica del problema (Figura 1.4) se pueden identificar las siguientes variables:

1.1.- Variables de Entrada •

Documentación técnica y Antecedentes de las grúas NKM y ECL. Análisis e información del principio de funcionamiento del sistema de succión, componentes originales, existencia de alguna modificación y geometría actual de los componentes.

•

Propiedades física- químicas del coque metalúrgico. Densidad real, índice de molturabilidad, así como la composición química del Coque.

•

Análisis del sistema de succión actual de ambas grúas. Funcionamiento del sistema de succión actual de las grúas NKM y ECL.

•

Análisis del nuevo diseño de las tuberías de succión, empaque y descarga de polvillo. Modelo y configuraciones de las tuberías.

1.2.- Variables de Salida •

Diseño de las tuberías de las grúas multiusos NKM y ECL. Diseño de las tuberías del sistema de succión de las grúas NKM y ECL.

•

Disponibilidad de un sólo repuesto en stock de las grúas multiusos NKM y ECL. Disponibilidad del repuesto en almacén y tiempo de adquisición del mismo ajustado a la necesidad.

•

Corregir efectos colaterales de funcionamiento presentes actualmente en el sistema de succión. Con el nuevo diseño se pretende

también,

corregir

los

efectos

anormales

del

funcionamiento que presentan las grúas, con respecto a las tuberías, y día a día son expuestas por los operadores de las grúas. •

Beneficios a la Empresa (Incremento en la producción, mejoras en la ejecución del mantenimiento y operación de las grúas).

1.3.- Variable de Solución •

Ingeniería de las nuevas tuberías de succión, empaque y descarga de polvillo con recurso de la Gerencia de mantenimiento CVG Carbonorca.

1.4.- Delimitación El diseño de las tuberías del sistema de succión, se enfocara solo en las tuberías de succión, empaque y descarga de polvillo de las grúas multiusos NKM y ECL y el mismo será desarrollado en las naves 1 y 2 de hornos de cocción de la empresa CVG Carbonorca, ubicada en la zona industrial Matanzas de Puerto Ordaz bajo la supervisión del departamento de mantenimiento de hornos. Este proyecto tiene un tiempo estimado de realización de 24 semanas. 1.5.- Justificación e importancia El diseño de las tuberías de succión con iguales especificaciones técnicas en las grúas multiusos NKM y ECL serán las bases a partir de las cuales el departamento de mantenimiento de hornos tomarán decisiones importantes que les permita obtener una mejora en cuanto a la adquisición de repuestos, mejora del tipo de operación en cuanto a disponibilidad y tiempo y a su vez corregir los efectos anormales de operación que actualmente tienen las Grúas multiusos y los mismos son expuestas por los operadores garantizando así el funcionamiento óptimo del sistema de succión.

1.6.- OBJETIVOS 1.6.1.- Objetivo General •

Diseñar las tuberías del sistema de succión de las grúas multiusos NKM y ECL de los hornos de cocción de CVG CARBONORCA.

1.6.2.- Objetivos Específicos •

Analizar la documentación técnica de las grúas multiuso ECL y NKM.

•

Analizar el sistema de succión original, en ambas grúas y posibles modificaciones existentes en la actualidad.

•

Analizar el Sistema de Succión en los aspectos térmicos y estructurales al cual se ven sometidos las tuberías de succión, empaque y descarga de polvillo de las grúas Multiusos NKM y ECL durante el proceso de cocción de los ánodos.

•

Definir el diseño de las nuevas tuberías del sistema de succión de las grúas multiusos NKM y ECL bajo los requerimientos establecidos por el proceso de cocción.

•

Analizar las nuevas tuberías de succión, empaque y descarga de polvillo de las grúas multiusos ECL y NKM de hornos de cocción mediante un estudio flujo DINámico.

•

Elaboración de los planos de las nuevas tuberías del sistema de succión NKM y ECL de CVG Carbonorca.

•

Validación del diseño, de las tuberías del sistema de succión, de la empresa CVG Carbonorca.

CAPITULO II ASPECTOS GENERALES DE LA EMPRESA

2.1.- Descripción de la empresa C.V.G. Carbones del Orinoco C. A. (CARBONORCA), es una empresa del estado, tutelada por la Corporación Venezolana de Guayana (C.V.G.), la cual es concebida como un auténtico soporte de la industria del aluminio Nacional e Internacional, en cuanto a la fabricación de ánodos de carbón. Esta empresa nació mediante un convenio firmado el 19 de Junio de 1.987 entre la Corporación Venezolana de Guayana (C.V.G.), Venezolana del Aluminio (VENALUM) y Aluminios del Caroní S. A. (ALCASA), quedando registrada oficialmente el 6 de noviembre de 1.987, con un capital social de cien millones de bolívares y distribuido de la siguiente manera: Un 45% aportado por VENALUM, otro 45% por ALCASA y el otro 10% restante por la C.V.G. Sin embargo en agosto de 1.989 cuando C.V.G. CARBONORCA arranca con la producción de 140.000 toneladas (140.000 ton.) de ánodo cocido. 2.2.- Misión de CARBONORCA Producir y comercializar bloques de ánodos cocidos en términos de calidad, rentabilidad u oportunidad, tanto para el mercado nacional como el de exportación. 2.3.- Visión de CARBONORCA Empresa líder en producción de ánodos de carbón con un mercado global, explotando ventajas comparativas que permitan ofrecer su producto en condiciones competitivas, rentables y de calidad, oportunidad

y precio dentro del mercado de la Ley de Privatización. 2.4.- Política de Calidad En

C.V.G.

CARBONORCA,

nuestro

compromiso

es

producir

y

comercializar de manera rentable, ánodos de carbón para plantas reductoras de aluminio, satisfaciendo los requerimientos de nuestros clientes, mediante el mejoramiento continuo de la eficacia del Sistema de Gestión de Calidad. 2.5.- Ubicación Geográfica C.V.G. CARBONORCA, se encuentra ubicada en la ciudad de Puerto Ordaz, estado Bolívar, Zona Industrial Matanzas, en una parcela de 23 hectáreas en la Avenida Norte-Sur 7 del Municipio Autónomo Caroní. Norte: Fior de Venezuela; Sur: Equipetrol C. A., Este: ALCASA, Oeste: Av. Nro. 57.

Figura. 2.1 Ubicación geográfica de Carbonorca.

2.6.- Instalaciones de la Empresa Las Instalaciones existentes en C.V.G. CARBONORCA son: Una Planta de Molienda y Compactación con una capacidad de 140.000 toneladas por año.

Figura. 2.2 Plan nta de Molie enda y Compactación

•

Tres (3) ( hornos de cocción tipo cerrrado donde e los ánodos son coc cidos para mejorar m su us propieda ades mecá ánicas y de e conductivvidad eléc ctrica, descritos de la siguientes manera: dos d hornos HC 1.1 / HC 2.1 de d 48 seccio ones y un n horno HC H 1.2 de e 32 seccciones, le confieren una capaccidad conju unta de 194 4.800 tone eladas / año de ánodos cocidos s.

Figura. 2.3 Nave de e hornos tipo cerrado de flujo vertical

Figura. 2.4 Vista de las secciones de los hornos

Figura. 2.5 Vista de las fosas de Hornos de Cocción

Figura. 2.6 Planta de Tratamiento de Humos

Un almacén para ánodos verdes y cocidos. •

Planta de Tratamiento de humos (Sistema LURGI).

•

Un almacén general de suministros.

•

Planta de Compresores.

•

Sub-Estación de Gas Natural.

•

Sub-Estación Eléctrica

•

Planta de suministros de combustible

•

Área Administrativa

•

Área de servicios Médicos

•

Infraestructura de protección integral

•

Infraestructura de Operaciones

•

Infraestructura de servicios

Toda la infraestructura de operaciones y servicios permite soportar una producción de 550.000 toneladas / año de ánodos cocidos. 2.7.- Descripción de proceso productivo de C.V.G. CARBONORCA En el proceso de producción del aluminio, los ánodos constituyen uno de los principales insumos después de la alúmina y representan un componente en el orden de 17% de los costos de producción por cada tonelada de aluminio primario producido en las empresas reductoras del Aluminio. En líneas generales el proceso neurálgico de C.V.G. CARBONORCA es fabricar y vender ánodos los cuales produce siguiendo un escrupuloso proceso que inicia en el Subsistema de Molienda y Compactación, en donde tiene lugar la conminución y luego continúa en el Subsistema de Hornos de Cocción, como se muestra a continuación esquemáticamente:

2.7.1.-

Descripción

del

Proceso

Productivo

de

Molienda

y

Compactación, detallado por Cadenas de trabajo La Planta de Molienda y Compactación de C. V. G. CARBONORCA Se encuentra localizada en la parte norte de la parcela y es la encargada de procesar la materia prima necesaria para la fabricación de ánodos verdes (Coque, Alquitrán, Desechos Verdes y cabo), elementos indispensables para la producción de aluminio primario.

Producción de Ánodos Verdes: La Planta de Molienda y Compactación se encuentra estructurada por cadenas de funcionamiento que simplifican el proceso productivo en varias etapas: Cadena A, Cadena B, Cadena C, Cadena D, Cadena E, Cadena F, Cadena G, Cadena H, Cadena J, Cadena K, Cadena M, Cadena N, Cadena R. Estas cadenas en conjunto conforman el ciclo del proceso productivo, dentro de estas hay unas que son críticas y otras que no lo son, se les confiere esta condición ya que si una de estas cadenas se detiene, también se detiene el proceso productivo de ánodos verdes. 9 CADENA “A” Recepción y almacenamiento de Coque 9 CADENA “B” Transporte, trituración y almacenamiento de cabo 9 CADENA “C” Clasificación de material 9 CADENA “D” Transporte, clasificación y trituración de cabo 9 CADENA “E” Procesamiento de material medio y fino.

9 CADENA “F” Recepción y Procesamiento del alquitrán. 9 CADENA “G” Proceso de fusión de alquitrán. 9 CADENA “H” Sistemas de transferencia de calor. 9 CADENA “J” Sistema de dosificación, precalentamiento y mezclado de la materia prima. 9 CADENA “K” Fabricación del ánodo verde. 9 CADENA “R” Sistema de transporte, enfriamiento y precalentamiento de ánodos. 9 CADENA “M” Sistema de succión de polvillo. 9 CADENA “N” Sistema de limpieza de la planta.

2.7.2.- Hornos de Cocción Aquí se realiza la cocción de los ánodos verdes fabricados en la planta de Molienda y Compactación, cuando los bloques anódicos son sometidos a un tratamiento térmico, con la finalidad de incrementar sus propiedades fisicoquímicas, es decir, alta conductividad eléctrica, densidad adecuada, alta resistencia mecánica, baja reactividad al aire y una configuración homogénea, que permitan caracterizarlos como electrodos positivos aptos para ser utilizados en las celdas de reducción de aluminio primario. La planta cuenta con dos estructuras denominadas naves de cocción, que disponen de hornos tipo cerrado de flujo vertical de tecnología RIEDHAMMER, cada una de las cuales posee una capacidad de instalación de un horno de 48 secciones y uno de 32 secciones. En la actualidad sólo están operativos tres hornos, en la nave 1 el HC 1.1 de 48 secciones y en la nave 2 el HC 2.1 de 48 secciones y el HC 2.2 de 32 secciones, que trabajan a ciclos de 16 secciones cada uno, mientras que los hornos de

48 secciones están

divididos en tres grupos de

cocción, igualmente de 16 secciones. Un grupo de cocción constituye la unidad fundamental del proceso denominada fuego, el cual representa la división mínima en la que operativamente es posible dividir un horno. Cada fuego consta a su vez de cinco secciones de precalentamiento, tres secciones en fuego directo, dos secciones en enfriamiento con tapa, una sección en enfriamiento natural, dos secciones en enfriamiento forzado, una sección en descarga y mantenimiento, una sección en mantenimiento de refractarios y una sección cargada, lista para entrar en proceso.

Figura. 2.7. Vista de las secciones de la Planta de Hornos de Cocción

2.7.2.1.- Insumos requeridos para el Proceso de Cocción de ánodos. •

Coque metalúrgico: es obtenido a partir de la carbonización o

calcinación progresiva del carbón mineral en ausencia de oxígeno en hornos de cámara horizontal, a temperaturas entre 100 – 1250 ºC por un período de 18 horas, el cual es utilizado como material de empaque, con la finalidad de proporcionar una mayor transferencia de calor en la fosa, manteniendo equilibrio térmico en la salida de los gases de combustión y proteger al ánodo de la combustión con el aire existente en las secciones. •

Gas natural: se utiliza como medio de generación de calor. Este

aporta el 33 % del calor necesario para la cocción del ánodo. •

Fibra cerámica: Es utilizada como relleno en las juntas de expansión,

entre la cámara de combustión y la pared refractaria, además se utiliza como sello en las secciones del horno. •

Papel de empaque: Sirve para evitar la adherencia entre el piso de la

fosa y la primera capa de bloques anódicos.

2.7.2.2.- Etapas del Proceso de Cocción de ánodos. El proceso de cocción de ánodos verdes se lleva a cabo durante un período comprendido entre 19 y 28 días, estructurado en varias etapas,

que van desde el recibimiento del ánodo verde hasta el almacenamiento del ánodo cocido. La etapa previa al proceso de cocción es la carga y empaque de los ánodos verdes. Luego se rellenan los espacios vacíos entre las caras de los ánodos y las paredes de la fosa con coque metalúrgico, el cual evita que estos se quemen o deformen, facilitando de esta manera la transferencia de calor. En el proceso de cocción, el ánodo es sometido a una curva de temperatura

durante

un

tiempo

determinado,

procedimiento de mayor importancia, puesto

constituyendo

el

que de la aplicación

correcta de una curva de temperatura dependerá la calidad del producto (ánodo cocido). Las diferentes etapas que constituyen el proceso de cocción del ánodo verde en el horno son las siguientes: •

Precalentamiento

Comienza el tratamiento en donde se le coloca la tapa y el ventilador de transferencia a una sección y termina cuando la temperatura de la sección alcanza los 850 ºC. Los gases de la combustión, generados en las secciones de fuego directo por los puentes quemadores, pasan a través de las secciones de calentamiento y ceden el calor requerido para elevar gradualmente la temperatura. En esta etapa se generan los cambios más significativos

de

la

brea

de

alquitrán

y

se

genera

el

mayor

desprendimiento de sus compuestos volátiles. El primer fenómeno consiste en la pérdida de humedad de aproximadamente 1.3 % (12 Kg.), luego, cerca de los 250 º C el alquitrán comienza a experimentar el fenómeno de contracción y ablandamiento simultáneamente, lo que permite desplazar el aire presente en la masa de ánodo. A medida que aumenta la temperatura, comienza

el fenómeno de coquificación de

compuestos pesados, lo que mejora sus propiedades conductivas y su

resistencia mecánica. •

Fuego Directo:

Se colocan los puentes de quemadores a las tapas de las secciones con el fin de elevar la temperatura de 850 ºC a 1250 ºC , con un tiempo de permanencia de 60 horas aproximadamente (tiempo de temperatura constante). A temperaturas mayores de 1250 ºC, el ánodo aumenta su conductividad térmica, lo cual favorece su reactividad frente al oxígeno en celda. A estas temperaturas se pueden generar desprendimientos de azufre, compuestos nocivos para los refractarios. •

Enfriamiento:

Se produce una disminución gradual de la temperatura hasta llegar a un nivel óptimo para realizar una descarga sin riesgos de afectar la calidad del producto, para esto se cuenta con las siguientes etapas: 9 Enfriamiento con Tapa: Después de la cocción de los ánodos en una sección, se adelanta el puente de quemadores y comienza el proceso de enfriamiento gradual. Inicialmente debe realizarse sin quitar la tapa de la sección para evitar cambios bruscos en la temperatura. 9 Enfriamiento Natural: Cuando las secciones terminan los ciclos de enfriamiento con tapas, se quita ésta para que la sección cumpla un ciclo de enfriamiento natural (400 ºC). 9 Enfriamiento Forzado: A las secciones se le colocan unos ventiladores de tiro para extraerle el aire caliente y completar el enfriamiento hasta llegar a una temperatura de 150 ºC a 200 ºC.

Una vez concluido el proceso de cocción se procede a las etapas de desempaque y descarga; terminada la etapa de enfriamiento forzado, se retira la costra ó resto de coque quemado que queda en la capa más externa de los ánodos. Luego se succiona el coque de empaque que queda alrededor de ellos. Seguidamente se realiza la descarga y envío de los ánodos cocidos a los sitios de almacenamiento para su posterior revisión y distribución a las empresas reductoras de aluminio. Si se requiere la sección descarga se somete a mantenimiento refractario, antes de ser cargada nuevamente.

Todos los movimientos antes

mencionados (puentes de quemadores, ventiladores de tiro, carga, descarga, succión, etc.) son realizados con las grúas de uso múltiples de hornos de cocción.

2.7.3.- Descripción del producto final de la Planta de Hornos de Cocción. Los ánodos cocidos son productos terminales listos para ser distribuidos. Cabe destacar, que antes de ser distribuidos, los ánodos deben ser revisados e inspeccionados para asegurarle al destinatario una alta calidad del producto. Dichas revisiones califican al ánodo como aceptable ó no, según la presencia y ausencia de defectos de cocción tales como grietas, orificios deformados, concavidades

y quemado superficial ó

profundo. Las especificaciones que deben cumplir los ánodos cocidos son las siguientes:

TABLA 2.1. Especificaciones físicas y químicas de los ánodos cocidos PROPIEDADES FÍSICAS Densidad Real (g/cm3)

2,04 min. 3

Densidad Aparente (g/cm )

1,54 máx.

Res. Elec. Específica (μΩ m)

60 máx.

Resistencia a la Flexión (Mpa)

8,0 min.

Resistencia A la Compresión (Kg/cm2)

430 - 570

Permeabilidad al Aire (nPm)

2,0 máx.

Conductividad Térmica (W/mK)

4,0 máx.

PROPIEDADES QUÍMICAS Residuo Reactividad al CO2 (%)

84 min.

Polvo Reactividad al CO2 (%)

6,0 máx.

Pérdida Reactividad al CO2 (%)

6,0 – 12,0

Residuo Reactividad al Aire (%)

75,0 min.

Polvo Reactividad al Aire (%)

10,0 máx.

Pérdida Reactividad al Aire (%)

20,0 máx.

Ceniza (%)

0,50 máx.

Calcio Ca (%)

0,015 máx.

Hierro Fe (%)

0,070 máx.

Níquel Ni (%)

0.022 máx.

Silicio Si (%)

0,050 máx.

Sodio Na (%)

0,050 máx.

Vanadio V (%)

0,025 máx.

Azufre S (%)

2,80 máx.

2.8.- Organigrama General de la empresa C.V.G. CARBONORCA

JUNTA DIRECTIVA

PRESIDENCIA

CONSULTORÍA

CONTRALORÍA

JURÍDICA

INTERNA

GERENCIA

GERENCIA PLANIF.

GERENCIA

GERENCIA

ADM. Y FINANZAS

Y SISTEMAS

LOGÍSTICA

PERSONAL

GERENCIA GENERAL DE PLANTA

GERENCIA

GERENCIA

GERENCIA

TÉCNICA

PRODUCCIÓN

MANTENIMIENTO

CAPITULO III

MARCO TEÓRICO

3.1.- Principios del Transporte Neumático Ha habido un tremendo incremento en el uso y aplicación de los transportadores neumáticos desde mediados de 1.920. Desde su inicio en 1.866, cuando los ventiladores eran usados para activar un sistema de tubería, hasta el desarrollo de los sopladores de lóbulo de presión positiva a finales de siglo, su uso era limitado para el transporte de materiales livianos tales como aserrines y polvos. Con la llegada de los sopladores de presión positiva, ya que se disponía de ambos, de los vacíos y las presiones más altas, permitió el uso de tuberías más pequeñas y material mucho más denso en comparación con el aire, incrementando la velocidad de transporte y la cantidad de materiales transportados. En 1.919, se descubrió el arte de fluidificar materiales polvorientos con aire a alta presión y se produjo el bombeo de sólidos y el llenado de silos. Este desarrollo permitió el transporte a larga distancia con tuberías más pequeñas. Con la expansión de la industria y el incremento del trabajo, el manejo de materiales se convirtió justo antes en un factor económico, durante y después de la Segunda Guerra Mundial. La descarga de grano desde los barcos y la descarga de muchos químicos y granos desde ferrocarriles se convirtieron en los primeros en usar transportadores neumáticos. La fundación y la expansión de la Industria de plásticos conllevo a la contaminación y generación de polvo entre las etapas del proceso, significando un mayor requerimiento de los transportadores neumáticos. La contaminación era importante no solamente para esta industria sino

también para muchas otras. 3.2.- Descripción General Transporte Neumático El transporte neumático puede definirse como el arte de transportar los materiales a través de tuberías por una presión positiva o negativa de vapor o aire. También se describe como el manejo de aire en movimiento para lograr un trabajo. Este vapor de aire o aire en movimiento no es nada más que aire en movimiento. Cuando el aire esta en movimiento, se vuelve viento, y hace cosas tales como mover grandes terrones, empuja naves o incluso devasta millas de bosques. El aire tiene un peso de 0.075-lb/ft3 a 70°F (20 ºC) y a una presión absoluta de 14.7 psi. Como la presión se baja por debajo de la presión absoluta, siguiendo la ley de gases, el aire pierde el peso así como la viscosidad. Esto reduce la capacidad de material transportado a través de la tubería. Recíprocamente, si la presión en la tubería está sobre la presión absoluta de 14.7 psi, siguiendo la ley de gases, el aire es más pesado, así éste tiene mayor capacidad de transporte, permitiendo transportar más material.

3.3.- Sistema al vacío El sistema al vacío se usa cuando transporta de una multiplicidad de puntos de origen a un solo destino en la entrega. La entrada del material en una tubería que tiene una presión negativa (es decir, menos de 14.7 psig) es una cuestión relativamente simple, sin importar el arreglo de alimentación usado. Los materiales transportados incluyen pulverizado seco, aplastado granular, bajo ciertas condiciones, materiales que tienen un tamaño particular, tan grande como 2 in. Con el conocimiento de hoy, sistemas a aproximadamente 1500 pies de largo, han sido instalados y exitosamente operados.

El sistema de vacío, muy parecido a la aspiradora de casa, utiliza una succión de aire, una succión de material, o combinación de ambos, una línea de transporte de material, un separador de material del aire, y la planta de poder. Llevando de una multiplicidad u origen de puntos. El material a recoger, es surtido con el aire de la atmósfera y esta mezcla de aire y material se mueve a través de las tuberías rectas y codos. En él la parte final de la tubería la mezcla del material de aire entra a la separación del mismo. En este punto, el material es separado del aire. Primeramente el separador de material de aire es un ciclón receptor con una sección cónica suficiente para permitir al material descargar a través de la válvula de descarga destinada a la base de la salida del material en el botón. Cuando los materiales transportados son con menos polvo, un ciclón está en suficientes para separar el material del aire. Con los ciclones receptores teniendo eficiencias en el alcance de 90 a 95 por ciento, los polvos pasarán a través de los receptores y luego a la atmósfera. Si la contaminación de aire ligero junto con polvo puede ser tolerado, éste puede ser suficiente. Donde esta condición no puede ser tolerada, y la separación completa 100 por ciento de retención visible de polvo, se usa una combinación filtro receptora. El filtro receptor tendrá una multiplicidad de filtro sintético para retener las partículas finas. Las bolsas del filtro son limpiadas continuamente por cualquier reverso de aire a través de las bolsas, sacudido mecánico, o por una combinación de ambos. El elemento creador del vacío es un soplador rotativo usado como una bomba de vacío, usualmente conducida por un motor eléctrico a través de un sistema de transmisión por correa. Un silenciador adecuado debe ser instalado tan cerrado como sea posible para minimizar el nivel de ruido de la maquina. Desde la descarga del silenciador, luego el aire es disparado a la atmósfera.

3.4.- Cálculo de un sistema de Tuberías Cuando el aire se mueve en el interior de una tubería, encuentra resistencia debido a la fricción con las paredes del tubo y a las pérdidas Dinámicas, las pérdidas por fricción se deben al roce del aire contra las paredes del tubo y las pérdidas Dinámicas se originan por la turbulencia del aire, debido a cambios bruscos de dirección y velocidad. El Teorema de Bernoulli dice que la suma de las presiones estáticas y Dinámicas en un punto flujo arriba, es igual a la suma de las presiones estáticas y Dinámicas más las pérdidas por fricción y Dinámicas en un punto flujo abajo. El cálculo de un sistema de tuberías está basado en la determinación de las velocidades en los ramales, los diámetros y las pérdidas de presión del sistema. 3.5.- Tipos de pérdidas Las pérdidas en un sistema de extracción se pueden clasificar como: Pérdidas de presión debido al rozamiento del gas en el tubo, pérdidas secundarias, pérdidas por la aceleración del material, por el rozamiento del material sólido en la tubería, por elevación del material, en codos de la tubería. Además deben considerarse las pérdidas de presión por cada equipo colectores. Las partículas al entrar a la corriente de gas no tienen velocidad axial; pero al verse arrastradas se aceleran y aumentan su velocidad axial hasta un punto en que esta se mantiene constante y entonces se dice que se encentran en un estado de permanencia. Esta velocidad de las partículas “C” es, por lo general más baja que la velocidad del aire y la diferencia entre ambas varía según el granulado del material y la velocidad del aire. Con la formula siguiente se puede calcular la velocidad relativa entre el gas y la velocidad de las partículas como: W = W f (0,170 + 0,121 ⋅ V )

3.1

3.2

C = V −W Donde:

W = Velocidad relativa entre el gas y la velocidad de las partículas. Wf = Es la velocidad de caída de partículas esféricas de material sólido en aire en reposo. Puede obtenerse a partir de una gráfica en función del diámetro de la partícula y el peso específico del material. Otro valor importante para el cálculo de pérdidas en tuberías que se debe conocer son los siguientes: Número de Reynolds (Re): En el estudio del flujo de un fluido en un recipiente, la gravedad no afecta a la configuración del flujo. Además como no hay superficie libre del líquido, es obvio que la capilaridad no afecta en la práctica. Por lo tanto las fuerzas que actúan son la inercia y la fricción del fluido debido a la viscosidad. Considerando la relación de fuerzas inerciales a fuerzas viscosas, se obtiene un parámetro llamado el número de Reynolds; este parámetro es adimensional y para una tubería este es igual a:

Re =

D.V .ρ

μ

=

D.V

υ

Donde: D = (m)

Diámetro de la tubería

V = (m/s)

Velocidad del Flujo

ρ = (Kg./m3)

Densidad del fluido

μ = N.s/m2

Viscosidad del Fluido

ν = (m2/s)

Viscosidad Dinámica

3.3

Número de Froude (Fr): Es la relación que existe entre las fuerzas inerciales y de gravedad y se expresa de la siguiente manera:

Fr =

V

3.4

g ⋅d

Donde: V = (m/s)

Velocidad del Flujo

g = (m/s2)

Aceleración de Gravedad

d = (m)

Diámetro de la tubería

3.5.1.- Debido al rozamiento del gas en el tubo (ΔP1)

ΔP

A1 ⋅ P1 ⋅V1

A2 ⋅ P2 ⋅V2

Según la Ecuación de Bernoulli; en una tubería cerrada se pueden representar las proporciones de una corriente, en cualquier trecho de la misma, como lo muestra la siguiente ecuación:

P1 +

γ 1 .V12 2

= P2 +

γ 2 .V2 2

3.4

En el caso de fluidos reales aparece entre el medio que circula en la tubería y la superficie interior del tubo un rozamiento, y la pérdida de presión por rozamiento se calcula por la fórmula:

ΔP1 = λ1 ⋅

Δl V 2 ⋅ ρ aire ⋅ d 2⋅ g

3.5

Donde:

ΔP1 = Pérdida de presión en: (Kg/m2 ó mmH2O) λ1 = Coeficiente de rozamiento Δl = l2 – l1 = Longitud entre dos puntos de una tubería: (m) d = Diámetro de tubo: (m) V = Velocidad del gas: m/s ρ aire = Densidad del Fluido de Transporte (Aire): Kg. /m3

3.5.2.- Pérdidas secundarias (ΔP2) Estas son las pérdidas de presión en la corriente de gas por la resistencia que exponen los diferentes elementos de la instalación como: Válvulas, aumentos a disminución de secciones en las tuberías, codos, filtros etc. Se calculan por la formula general:

ΔP2 = ∑ Kri ⋅

V 2 ⋅ ρ aire 2⋅ g

3.6

3.5.3.- Por aceleración del material (ΔP3) La aceleración de las partículas de material sólido a transportar de una velocidad de comienzo de C = 0 hasta una velocidad de permanencia C da lugar a una pérdida de presión en el gas de transporte, que se puede calcular por la fórmula:

ΔP3 = μ ⋅

Donde:

ρ aire g

⋅V ⋅ C

3.7

μ = Carga de material ρ aire = Densidad del Fluido de Transporte (Aire): Kg/m3 g = Gravedad: (9,8 m/s2) V = Velocidad del gas: m/s C = Velocidad del producto: m/s

3.5.4.- Por el rozamiento del material sólido en la tubería (ΔP4) Para el cálculo de la pérdida de presión ΔP4 se utiliza una fórmula como la empleada en el caso del gas sin material sólido y el coeficiente de rozamiento se cambia por λ2 que tiene en cuenta la cantidad de material transportado.

ΔP4 = μ ⋅ λ2 ⋅

Δl V 2 ⋅ ρ aire ⋅ d 2⋅ g

3.8

El coeficiente de rozamiento es bastante difícil de determinar y la forma más segura de obtenerlo es por medio de mediciones en instalaciones de pruebas. A continuación se presenta una forma de obtenerlo:

⎛ V ⎞ 2⎜ ⎟ C −1⎠ ⎝ λ2 = Fr.F *

3.9

Donde:

Fr* = Fr =

Wf d⋅g V d⋅g

: Número de Froude del material (Coque) y

3.10

: Número de Froude para la corriente de gas

3.11

3.5.5.- Por elevación del material (ΔP5) Se calcula por la fórmula:

ΔP5 = μ ⋅

V ⋅ ρ aire ⋅ β ⋅ Δl1 C

3.12

Donde: μ = Carga de material: Kg product / Kg aire V = Velocidad del gas (aire) : m/s C = Velocidad del producto: m/s ρ aire = Densidad del Fluido de Transporte (Aire): Kg/m3 β = Sen (α). α = ángulo inclinación de la tubería. Δl1 = Longitud del tramo vertical o inclinado: m 3.5.6.- En codos de la tubería (ΔP6) ΔP6 = 0,35 ⋅ z ⋅ μ ⋅

ρ aire g

⋅V ⋅ C

3.13

Donde: z = Número de codos de 90º

3.6.- Ciclones Los ciclones son uno de los equipos más empleados dentro de las operaciones de separación de partículas sólidas de una corriente gaseosa, además de poder emplearse para separar sólidos de líquidos. Su éxito se debe en parte a que son equipos de una gran sencillez estructural debido a que no poseen partes móviles y a que apenas exigen mantenimiento. Además destaca el hecho de que, al hacer uso de fuerzas centrífugas en vez de gravitatorias, la velocidad de sedimentación de las partículas se incrementa en gran medida haciéndose más efectiva la

separación. 3.6.1.- Funcionamiento El gas se mueve en el interior del ciclón con una trayectoria de doble hélice. Inicialmente realiza una espiral hacia abajo, acercándose gradualmente a la parte central del separador, y a continuación se eleva y lo abandona a través de una salida central situada en la parte superior dejando atrás las partículas. Una vez que el gas penetra tangencialmente en el equipo se distinguen dos zonas de características distintas de movimiento: 1. En la zona próxima a la entrada del gas y en aquella más exterior del cilindro predomina la velocidad tangencial, la velocidad radial es centrípeta y la axial de sentido descendente. La presión es relativamente alta. 2. En la zona más interior del cilindro, correspondiente al núcleo del ciclón y con un diámetro aproximadamente igual a 0,4 veces el del conducto de salida del gas, el flujo es altamente turbulento y la presión baja. Se da el predominio de la velocidad axial con sentido ascendente.

3.6.2.- Tipos Los ciclones convencionales se pueden encontrar en una gran variedad de tamaños y la entrada al equipo puede ser bien rectangular o circular. Una forma de clasificar los distintos tipos se puede efectuar atendiendo a la manera en que se produce la carga y la descarga del equipo y otro modo sería en función de su eficacia De acuerdo a su disposición geométrica se distinguen los siguientes tipos

(a) Entrada tangencial y descarga axial. (b) Entrada tangencial y descarga periférica. (c) Entrada y descarga axiales. (d) Entrada axial y descarga periférica.

de separadores ciclónicos: Figura 3.1. Tipos de Ciclón

El principio de funcionamiento en el cual se basan estos tipos de ciclones es muy similar. a) Los ciclones de entrada tangencial y descarga axial: Representan el ciclón tradicional y aunque se pueden construir con diámetros más grandes, lo más frecuente es que éstos se encuentren entre los 600 y los 915 mm. b) En los ciclones con entrada tangencial y descarga periférica: El gas sufre un retroceso en el interior del equipo al igual que ocurre en un ciclón convencional. Sin embargo, presenta el inconveniente de que el polvo no es eliminado en su totalidad de la corriente gaseosa, aunque sí se produce una concentración del mismo. c) En los ciclones con entrada y descarga axial: La diferencia fundamental se encuentra en que los diámetros son de menores dimensiones (entre 25 y 305 mm), con lo que gracias a esta característica su eficiencia es mayor aunque su capacidad es menor.

d) Los ciclones de entrada axial y salida periférica: Proporcionan un flujo directo que es muy adecuado para conectarlos a fuentes de gran volumen, donde los cambios en la dirección del gas podrían ser un inconveniente.

3.6.3.- Pérdidas en el Ciclón

Según el Penny (1.999): ΔPciclón = 0,024 ⋅ ρ aire ⋅ V 2

3.14

3.7.- Filtro de Telas Una unidad de filtro de tela consiste de uno o más compartimientos aislados conteniendo hileras de bolsas de tela, en la forma de tubos redondos, planos o formados, o de cartuchos plisados. El gas cargado de partículas pasa generalmente a lo largo del área de las bolsas y luego radialmente a través de la tela. Las partículas son retenidas en la cara de las bolsas corriente arriba y el gas limpio es ventilado hacia la atmósfera. El filtro es operado cíclicamente, alternando entre períodos de filtrados relativamente largos y períodos cortos de limpieza. Durante la limpieza, el polvo que se ha acumulado sobre las bolsas es removido del área de la tela y depositado en una tolva para su disposición posterior.

3.8.- Procedimiento del proceso que realiza el sistema de succión de las grúas multiusos NKM y ECL de CVG CARBONORCA.

La grúa se dirige hacia el conteiner donde está depositado el material determinado coque y por medio del tubo de succión empieza a llenar la tolva principal, dicho material es arrastrado por una bomba de vacío y la cual es movida por un motor.

El coque pesado cae en la tolva principal y las partículas gruesas livianas son arrastradas a la tolva ciclón, después de una agitación desprende partículas, las livianas las cuales son arrastradas hacia las tolvas filtros, y son detenidas por las mangas filtro, dejando pasar el aire a través de ellas hacia los intercambiadores de calor para enfriar el aire que va limpio y frío hacia el ambiente pasando primero por el silenciador de entrada luego por la bomba de vacío y finalmente por el silenciado de salida. A medida que este sistema está trabajando la tolva principal de coque se va llenando hasta alcanzar un nivel llenado el cual será indicado por un indicador de tolva llena, mientras que la tolva ciclón y la tolva filtro están almacenando polvo desprendidos de coque y luego va ser expulsados por un sobre alimentador y que de eso expulsa el polvo y limpia mangas que hay interna en la tolva filtro. Luego que la tolva de coque llega a su nivel de llenado, el operador de grúa observa en la cabina la luz o bombillo que indica que la tolva de polvillo está llena en este al momento la tolva principal de coque el sistema de succión se apaga automáticamente impidiendo el exceso de llenado o la sobre carga de la misma. Cuando la grúa ya ha llenado completamente la tolva principal, el operador puede dirigirse hacia las fosas de los hornos para empacar el coque junto con los ánodos dentro de las fosas y darle su cocimiento final.

3.9.- Otros componentes que conforman las grúas multiusos de CVG Carbonorca Aparte de los componentes antes mencionados el sistema de succión está conformado por otros componentes los cuales se definirá su función a continuación:

3.9.1.- Tolva de empaque En esta tolva es donde se almacena el coque succionado en las fosas. 3.9.2.- Tubo de empaque Es aquel formado por un tubo telescópico la cual se maneja por dos polipastos con cadena en el caso de las NKM y por guayas en el caso de las ECL. Las partes primordiales del tubo de empaque son: •

Polipasto (PK 5) en el caso de las NKM: su utilización es importante, ya que con ellos se baja y sube el tubo a las fosas, en el tubo se utilizan dos polipastos uno en cada lado del tubo, y los polipastos son de cadenas.

•

Mecanismo de elevación de las tuberías para las ECL: Este mecanismo realiza la elevación de las tuberías mediante un motor que va enrollando mediante un tambor las guayas.

3.9.3.- Tubo de succión Es el que succiona el coque por medio de un ventilador aspirante hasta la tolva de almacenamiento. Este está formado por un tubo telescópico la cual se maneja por dos polipastos con cadena, en las NKM, y por medio de guayas en el caso de las ECL. 3.9.4.- Intercambiador de calor Este componente es el que permite que el aire caliente se enfrié antes de pasar a la tolva filtro, se enfría por medio de un ventilador. En intercambiador de la NKM posee un ventiladores en cambio en la ECL posee 2.

3.9.5.- Tolva filtro Es la que impide el pase de polvo a la bomba de vacío. La tolva filtro de está compuesta internamente por bolsas (mangas) de filtro colectora de polvo. Estas bolsas recogen el polvillo fino que viene de la tolva ciclón. Para que las bolsas se mantengan limpias hay tubos (tipo flautas) con varios orificios, cada orificio es cada manga, el compresor manda aire comprimido al tanque (capacidad de 10 bar) después de abrir el tanque distribuye el aire con presión a tubos (tipo flauta) para la limpieza de las mangas. Antes de llegar el aire a las tuberías, tienen una electro-válvula que activan las entradas de aire a las tuberías (flautas). A la entrada del sistema neumático, se consigue por ejemplo una presión de 10bar, la cual se puede medir en un manómetro. Luego viene conectada un presóstato, seguidamente una válvula solenoide que se activa con el Exhauster.

Figura. 3.2 Tolva filtro de mangas.

3.9.6.- Válvula de seguridad Dispositivo para la abertura y cierre del control de las Tuberías.

3.9.7.- Termostato: Instrumento de medición de temperatura del conjunto de tubería de la succión. 3.9.8.- Presóstato: Instrumento de medición de presión del conjunto de tuberías en las grúas 3.9.9.- Válvula motorizada Se componen de dos elementos básicos: cabezal servomotor y cuerpo de válvula del tipo apropiado a cada instalación (de asiento plano, pistón, compuerta, mariposa, etc.). El cabezal servomotor es un grupo moto reductor que transmite al eje de salida un par torsor elevado (de hasta 20 m.kp) y una marcha lenta (de 0,1 a 6 r.p.m.) para accionar el vástago de la válvula. Al igual que las válvulas electromagnéticas, las motorizadas pueden accionarse a distancia, manual o automáticamente. Características: El empleo de estas válvulas permite la regulación de caudales y, en consecuencia el mantenimiento de las variables controladas (temperatura, presión, humedad, etc.) en los valores deseados, resolviendo muchos problemas de regulación automática. Las válvulas motorizadas admiten presiones de trabajo hasta unos 16 kp/cm2 y temperaturas máximas de 120ºC .El tiempo de maniobra varía entre 30 segundos y 5 minutos, según los casos.

Aplicaciones: Estas válvulas son adecuadas para aperturas de paso parciales. Pueden aplicarse con cualquier tipo de fluido, dentro de las condiciones antes citadas: liquidas, gases, vapores, etc. Se emplean en los mismos tipos de instalaciones que las válvulas electromagnéticas. Hay válvulas motorizadas de tres vías para la regulación progresiva de mezclas de fluidos (agua caliente y fría, agua recalentada y vapor), que mantienen una cierta temperatura o concentración.

3.9.10.- Silencioso de entrada y de salida: Este componente es el encargado de reducir los ruidos emitidos por la bomba de vacio al instante de absorber y expulsar el aire.

3.10.- UNIONES SOLDADAS Puede definirse soldadura como el proceso mediante el cual, se unen dos o más piezas metálicas de composición similar aplicando gran cantidad de calor, con la aplicación de presión o sin ella y con adición de metal, aleación fundida o sin ella, de tal manera que se cree una unión intima entre las piezas a unir. Su principal ventaja es la estanqueidad de la unión, la resistencia mecánica, la resistencia anticorrosiva y la disminución de peso con relación a otros medios de unión. La soldadura oxiacetilénica denominada también autógena, es un proceso mediante el cual la generación del calor se obtiene a partir de la combustión de un gas (acetileno, hidrógeno, propano, butano, etc.) con el oxígeno en la boquilla (pico) de un soplete. La máxima temperatura que

se puede obtener, asciende a unos 3.200ºC utilizando acetileno (C2H2). Este tipo de soldadura requiere la utilización de fundentes, sustancias especiales que mejoran el proceso de soldadura, ya que disuelven las impurezas existentes en el baño generadoras de óxidos y forman una escoria fluida que sobrenada el metal fundido y lo aísla de la oxidación atmosférica. En la actualidad, este procedimiento ha quedado relegado a soldaduras de escasa importancia (latonería) y a nivel estructural no son utilizadas. Este tipo de soldadura, se utiliza para unir piezas de gran espesor como por ejemplo los ríeles de ferrocarril, árboles de transmisión, bancadas de motores, etc. Su ventaja estriba en que se obtiene de una sola pasada la soldadura en toda la sección. Las soldaduras denominadas blandas, reciben este nombre por cuanto las aleaciones que se emplean tienen una temperatura inferior a los 450º y su resistencia mecánica es muy baja, generalmente el metal base nunca llega a fundirse. Las más usadas son las de estaño-plomo, en las que el estaño es el elemento que se combina con los metales de las superficies a unir y facilita el mojado de las mismas. Algunos autores consideran como soldadura la unión de piezas mediante el uso de adhesivos especiales (resinas epóxicas, fenólicas etc.), sin embargo, es nuestro criterio que esas uniones son pegadas y no soldadas, por cuanto no existe esa mezcla de metales en las áreas de contacto.

3.10.1.-

Soldadura por arco eléctrico

Este procedimiento consiste en unir mediante la producción de calor

generado por un arco eléctrico, dos piezas metálicas de características mecánicas y metalúrgicas

similares, utilizando material de aporte

(electrodo) que al fundirse con el material base, forman una aleación (cordón) que mantiene unida a las piezas.

Electrodo Gases

Cordón

Arco eléctrico

Metal Fundido

Metal base

Tierra

Figura. 3.3 Soldadura por arco eléctrico.

El arco eléctrico que se forma entre el extremo del electrodo y el material base, alcanza temperaturas superiores a los 3.500°C, con lo cual se logra fundir el metal rápidamente en áreas muy pequeñas. En la figura 3.7 se muestra con bastante realidad lo que se observa en la soldadura. El flujo del arco se ve en el centro de la figura. Este es el arco eléctrico creado por la corriente que salta en el intervalo de aire entre la punta del electrodo y el material de trabajo. El arco funde el metal base y lo excava, el metal derretido forma una laguna o cráter y tiende a fluir alejándose del arco. A medida que se aleja el arco se enfría y solidifica formándose sobre su superficie una escoria que protege a la soldadura mientras se enfría. Este tipo de soldadura solo es conveniente para unir piezas de acero de bajo contenido en carbono. Soldaduras de aceros con porcentajes

mayores al 0,5% de carbono presentan zonas duras y frágiles capaces de fisurarse por contracción. Cuando se deba soldar aceros de alto contenido de carbono, es recomendable precalentarlos previamente por encima de los 330ºC y enfriarlos posteriormente muy despacio. 3.10.2.- Los electrodos Los electrodos son unas varillas metálicas que se utilizan para soldar, pueden ser desnudos cuando no tienen recubrimiento y revestidas cuando cuentan con recubrimiento. El revestimiento es una pasta a base de celulosa que contiene partículas metálicas idénticas a las de aquellas, se producen por extrusión y deben ser de metal análogo a los materiales que hay que soldar. Los electrodos revestidos son los que se utilizan generalmente en construcciones metálicas. El revestimiento se funde al generarse el arco produciendo gases que protegen a la soldadura del oxígeno y nitrógeno de la atmósfera. También

se

forman

escorias

que

sobrenadan

a

los

cordones,

protegiéndolo y evitando su enfriamiento rápido. Dependiendo de su revestimiento los electrodos se clasifican entre otros en: •

Celulósicos.

•

Oxidantes.

•

Ácidos.

•

De rutilo.

•

Básicos.

•

De Manganeso etc.

El revestimiento que cubre el electrodo tiene una gran importancia y cumple entre otras las siguientes funciones:

•

Facilitar el cebado, la estabilidad del arco y la penetración.

•

Evitar el cebado lateral cuando existen biseles profundos.

•

Formar alrededor del arco una atmósfera reductora que proteja al metal fundido contra la oxidación.

•

Formar escoria fluida que proporcione cordones parejos y de gran calidad.

•

Formar un cráter que estabilice y guíe la proyección del material de aportación, evitando los cortocircuitos.

•

Formar una escoria que produzca una envoltura protectora que impida la oxidación del cordón y que debido a su mala conductividad el calor limite la velocidad de enfriamiento.

Los electrodos con recubrimiento básico son los que proporcionan mejor acabado y calidad de las soldaduras aunque son difíciles de fundir. La AWS (Sociedad Americana de Soldadura) es la encargada de clasificar los electrodos, la nomenclatura para determinar los electrodos de acero dulce y los de acero de baja aleación es la siguiente: •

El prefijo “E” significa electrodo.

•

Las dos primeras cifras de un número de cuatro cifras o las tres primeras cifras de un número de cinco cifras designan la resistencia a la tracción.

•

La penúltima cifra indica la posición para soldar.

•

La última cifra no tiene significado si se la considera por sí sola. Pero las dos últimas cifras consideradas en conjunto indican la polaridad.

E60XX significa una resistencia a la tracción de 60 Kpsi. E601X significa para todas las posiciones. E6010 significa Corriente Continua, polo positivo.

Así pues, un electrodo E-6010 es aquel que tiene las siguientes características: Resistencia a la tracción 60 Kpsi, se puede usar en cualquier posición y suelda con Corriente Continua y Polo Positivo. En la Tabla 3.1 se dan los valores de resistencia mecánica de los electrodos con relación a los dos sistemas de unidades. 3.10.2.1.- Propiedades mecánicas de los electrodos Tabla 3.1. Propiedades mecánicas de los electrodos ELECTRODO AWS

RESISTENCIA ULTIMA

LIMITE DE FLUENCIA

Kpsi MPa

KPSS MPa

E60XX

62

427,868

50

345,058

E70XX

70

483,042

57

393,372

E80XX

80

552,034

67

462,364

E90XX

90

621,124

77

531,356

E100XX

100

690,116

87

600,348

E120XX

120

828,100

107 738,430

Fuente: Trabajo de ascenso de Ing. Herreras, Carlos En la Tabla 3.2 se dan los diámetros de los electrodos con relación a los espesores de las chapas a unir, así como a la intensidad de corriente necesaria. Tabla. 3.2. Diámetro del electrodo e intensidad de corriente ESPESOR DE LAS DIAMETRO DEL

INTENSIDAD DE

CHAPAS

ELECTRODO

CORRIENTE

(mm)

(MM)

(Amp)

2a4

2,5 a 3,0

60-100

4a6

3,0 a 4,0

100-150

6 a 10

4,0 a 5,0

150-200

> 10

6,0 a 8,0

200-400

Fuente: Trabajo de ascenso de Ing. Herreras, Carlos.

3.10.3.- Diseño y cálculo de uniones soldadas 3.10.3.1.- Cordones Se puede denominar cordón al elemento resistente de la soldadura que toma generalmente y en teoría una forma prismática de sección triangular cuando la soldadura se hace en ángulo. Se supone siempre que la sección transversal del cordón es un triángulo isósceles, con lo cual debe cumplirse que la relación existente entre la altura “a” del triángulo y la longitud “b” de los lados es: a = b cos 45° = 0,707 b No obstante en la práctica los cordones pueden ser convexos, cóncavos o reforzados (Figura 3.8).

a

a

a

b

b

b

c

Figura 3.4 Secciones típicas de los cordones de soldadura.

Es conveniente señalar que si el cordón no resulta un triángulo isósceles, en el cálculo se debe considerar siempre el espesor de la garganta

generada a partir del lado de menor dimensión. Por otra parte, si el ángulo que comprende el cordón es obtuso, el lado del ángulo recto equivalente Lmin es el que se obtiene levantando la normal al plano de la base partiendo del vértice.

3.10.3.2.- Uniones a tope Este tipo de unión se obtiene soldando directamente uno contra otro los elementos sin solape. Generalmente no es necesario efectuar biseles cuando los espesores de las planchas son pequeños. Para espesores medios en conveniente efectuar biseles en V. Si los espesores son grandes que requieran cordones gruesos, es conveniente utilizar biseles en forma de copa, de esta manera obtendremos economía en electrodos y a la vez eliminaremos tensiones excesivas.

e

Figura. 3.5 Biseles en la soldadura

El esfuerzo cortante producido en la unión (Figura 3.10) es:

τ = P e.l ≤ τ adm Donde:

3.15

τ = Esfuerzo Cortante producido por la carga P*. e = Espesor de las planchas. L = Longitud de la soldadura.

P*

e

P*

P*

P* L

Figura. 3.6 Esfuerzos en una soldadura a tope

3.10.3.3.- Uniones a filete. Consideramos soldaduras de filete o ángulo a las representadas en la figura 3.11 clasificándose de acuerdo con la dirección de la carga en: paralelas y transversales.

P* 45

67.5

P Figura. 3.7 Soldadura del tipo filete

Las secciones de cortante máximo en cada uno de estos casos son: 45° para cargas paralelas y 67 ½° para cargas transversales con lo cual se evidencia que la resistencia para cargas transversales es mayor. Sin embargo, la AISC permite tomar en ambos casos ángulos de cortante a 45°, en consecuencia, la ecuación de diseño para ambos casos será:

τ * = P 2a.l ≤ τ adm

3.16

o bien:

τ * = P l.b. cos ≤ τ adm

3.17

En las uniones a solape de planchas superpuestas, ocurre muy frecuentemente que las fuerzas actuantes no son colineales, y por ende las soldaduras estarán sometidas a flexión. Por lo tanto, el proyectista debe ser más conservador en el momento de elegir los esfuerzos de cálculo o seleccionar un nuevo tipo de junta preferiblemente a tope. Sobre la soldadura actúan dos tipos de esfuerzos: Uno de ellos cortante producido por la reacción de P* y otro normal producido por el par M* = P*.d. Evidentemente, estamos ante la presencia de una combinación de esfuerzos, por lo tanto, según la teoría del esfuerzo cortante máximo se tiene:

τ

* máx

2 * ⎡ ⎤ = ⎢τ * 2 + ⎛⎜ σ ⎞⎟ ⎥ 2 ⎝ ⎠ ⎦ ⎣

1/ 2

3.18

Donde:

τ* =

P P* P* τ* = = A 2.a.L 2 L.b. cos 45° , y

σ* =M

Ya

2

que: W = a.L

6

,

por

ser

*

W

= 3.P * .

dos

d a.L ,

cordones,

2

W = 2.a.L

2

6

= a.L

sustituyendo cada termino por su valor en (VI.4), se tiene que:

τ o bien:

* máx

( ) (

)

2 * ⎡ * 2 ⎤ =⎢P + 0,5. M ⎥⎦ A W ⎣

1

2

≤ τ adm

3.19

3

τ máx

)

(

2 2 ⎡ * ⎞⎟ ⎤ =⎢P + ⎛⎜1,5.P * . d a.L2 ⎠ ⎥⎦ ⎝ ⎣ a.L

1/ 2

≤ τ máx

3.20

3.10.4.- Soldaduras de filete sometidas a flexión.

La figura 3.12, representa un ejemplo clásico de soldadura de filete sometida a flexión. La fuerza P* origina un esfuerzo cortante debido a la reacción de ella sobre las soldaduras, y a su vez esfuerzos normales provenientes del momento flector. El esfuerzo cortante τ* originado por la reacción vale: *

τ* = P A

3.21

y el esfuerzo normal σ* tiene como valor: * σ * = M .c I X

d

3.22

L

P c

σ*

h

τ* Figura. 3.8 Soldadura de filete sometida a flexión

El esfuerzo cortante máximo valdrá:

τ máx O lo que es lo mismo:

( )

2 * ⎡ ⎤ = ⎢τ *2 + σ ⎥⎦ 2 ⎣

1/ 2

≤ τ máx

3.23

τ

* máx

( )

2 ⎡ * 2 ⎛ M * .c ⎞ ⎤ =⎢P +⎜ A 2.I X ⎟⎠ ⎥ ⎝ ⎣ ⎦

1/ 2

3.24

≤ τ adm

Donde: A = Área total de los cordones. c = Distancia desde el c.d.g. de los cordones al cordón más alejado. I = Momento de inercia de los cordones respecto al eje que pasa por el c.d.g. 3.10.5.- Coeficientes de seguridad La elección de los coeficientes de seguridad tiene como base el criterio del diseñador. Sin embargo, cada norma o reglamento especifica diferentes valores los cuales generalmente, han sido establecidos mediante aplicaciones prácticas y la experiencia. El código AISC establece criterios de seguridad basados en las resistencias de fluencia del material base; estos valores quedan reflejados en la Tabla 3.3. La Norma DIN 4100 establece las tensiones de trabajo admisibles para las diferentes uniones soldadas en la Tabla 3.4. Tabla 3.3 Esfuerzos permitidos por la AISC TIPO DE ESFUERZO TIPO DE CARGA JUNTA PERMISIBLE TRACCION

COEFICIENTE DE SEGURIDAD

0,60 σy

1,67

APLASTAMIENTO

TOPE

0,90 σy

1,11

FLEXION

TOPE

0,60 – 0,66 σy

1,52 – 1,67

COMPRESION

TOPE

0,60 σy

1,67

0,40 σy

1,44

CORTADURA

TOPE O FILETE

Fuente: Trabajo de ascenso de Ing. Herreras, Carlos.

Tabla 3.4 casos especiales (DIN 4100) TIPO DE UNION

A TOPE UNIONES EN ANGULO CORDONES FRONTALES UNIONES EN ANGULO CORDONES LATERALES

TENSIONES DE TRABAJO ADMISIBLES σadm del metal base 0,85 σadm del metal base 0,75 σadm del metal base

Fuente: Trabajo de ascenso de Ing. Herreras, Carlos.

CAPITULO IV MARCO METODOLÓGICO En este capítulo se describirá la metodología, es decir, los métodos, las técnicas, las tácticas, las estrategias y los procedimientos utilizados parar llevar a cabo la investigación y alcanzar los objetivos planteados.

4.1.- Tipo de Investigación La investigación se realizó bajo el concepto de proyecto Factible, debido a que se requería solucionar una problemática presentada en la empresa CVG CARBONORCA, mediante el diseño de las tuberías del sistema de succión de las grúas multiusos NKM y ECL ubicadas en las naves de cocción. Es una investigación de tipo aplicada, Narváez (1996) define como: desarrollar nuevas destrezas o estrategias para resolver problemas con aplicación a un sistema, aparato, ambiente de trabajo. Diseñar estrategias,

instrumentos,

herramientas

totalmente

prácticas

y

directamente relacionadas con una situación real en el ambiente de trabajo; los resultados han de evaluarse en términos de aplicabilidad local, no en los términos de validez universal. Es una investigación descriptiva: Narváez (1996) define como: Describir, registrar, analizar e interpretar la naturaleza actual, la composición o los procesos de los fenómenos, para presentar una interpretación correcta.

Es una investigación de tipo de campo: Narváez (1996) se realiza observando el grupo de fenómenos estudiados en su ambiente natural.

4.2.- POBLACIÓN Y MUESTRA La población tomada en cuenta para la realización de este proyecto es el departamento de mantenimiento de hornos así como el de planificación y producción, ya que en conjunto forman parte de las naves de cocción de CVG CARBONORCA; lugar donde las grúas efectúan sus funciones dentro del proceso de cocción de los ánodos. 4.3.- Técnicas y/o Instrumentos de Recolección de Datos Las técnicas utilizadas para recolectar datos relacionados con los objetos en estudio de esta investigación fueron: 4.3.1.- Observación Directa: Se utilizó con el fin de tener una visión más clara y precisa del sistema de succión de las grúas multiusos ECL y NKM así como el modo de operación de dichas grúas dentro del proceso productivo de la cocción de ánodos, y fue de gran ayuda para obtener las estrategias necesarias en realización de la investigación. 4.3.2.- Entrevista no Estructurada: Se entrevistó el personal de trabajo de mantenimiento de hornos de CVG CARBONORCA, para obtener conocimiento sobre la operación de las grúas enfocadas en el sistema de succión de las mismas. Tratando puntos como: Partes que constituyen el sistema de succión, condiciones de trabajo, práctica operativa, etc. Entre los instrumentos usados para la recolección de datos en la

elaboración del presente trabajo, tenemos: 9 Cámara digital: para captar los componentes que conforman al sistema de succión de las grúas NKM y ECL 9 Lápiz y papel: para asentar todos los datos e información suministrada en cada visita al área donde se realiza el proceso de cocción de los ánodos. 9 Computadora: para transcribir la información recolectada utilizando la herramienta de Microsoft® Excel, Microsoft® Office

Word

y

Autodesk

Inventor,

y

para

recopilar

información de Internet. 9 Instrumentos

de

seguridad:

Botas,

casco,

lentes

de

seguridad, protectores respiratorios y chaqueta.

4.4.- PROCEDIMIENTO

Fase I 9 Análisis detallado de las actividades de hornos de cocción. 9 Análisis de las variables del área (espacio disponible, espacio requerido, tiempo, velocidades, desplazamientos, cargas, material a succionar, etc.) Fase II 9 Recolección de Información bibliográfica, como planos, prácticas operativas y cualquier información útil y necesaria para el desarrollo del proyecto. 9 Desarrollo de la ingeniería conceptual (planteamiento de conceptos). 9 Selección del concepto. Fase III 9 Desarrollo de la ingeniería básica, en esta etapa se definen los criterios del diseño, se realizan los respectivos cálculos

elementales y básicos, para dar rumbo inicial al diseño. También se realizan los primeros análisis de los planos que permiten comprender de una mejor manera la situación y de este modo llegar a un nivel más completo de análisis del problema. 9 Se define de manera general las pautas y aspectos más relevantes del proyecto.

CAPITULO V Análisis y resultados 5.1.- Análisis del sistema de succión Las grúas NKM y ECL son de tecnología diferente pero poseen el mismo funcionamiento y utilidad dentro de las naves de cocción de ánodos de CVG CARBONORCA. Para el estudio realizado y posterior diseño se observo cómo están conformadas en la actualidad estas grúas constatando así que: Las grúas NKM y ECL poseen en cuanto al sistema de succión algunos componentes principales como lo son:

Tabla 5.1 Componentes principales de las grúas NKM y ECL.

Componentes Motor eléctrico (EXAHUSTER)

Aspirador de pistón rotativo ( EXHAUSTER)

NKM

ECL

Marca : SIEMENS

Leroy -Sommer

Marca: HARTMAN

Grupo HIBON

Tipo: 62P Ciclón

ECL Diam. Superior: 1000mm Diam. Inferior: 260 mm

NKM

Intercambiador

ERGE SPIRALE

Tubo de empaque Componentes

NKM

ECL ECL 1 Camisa: 500x420 mm Tubo 1: 218x218 mm

Tubo de Empaque

Telescópico 1:

Tubo 2: 260x243 mm

360x270 mm

Tubo 3: 300x260 mm

Telescópico 2: 330x245 mm

ECL 2 Tubo 1: 270x110 mm Tubo 2: 330x130 mm Tubo 3: 380x150 mm ECL 1 Válvula tipo cuchilla con motor

Válvula

Válvula de compuerta

reductor y tornillo sin fin.

corrediza

ECl 2 Válvula accionada por un cilindro Neumático

Tolva de almacenamiento

Cap. 30 m3

Cap. 30 m3

Tubo de succión Componentes

Tubo de Succión

NKM

ECL

Sección trasversal:

Sección trasversal:

Tubería interna:

Tubería interna:

350x130 mm

322x132 mm

Tubería Externa:

Tubería Externa:

378x 158 mm

346x 156 mm

Rótula.

Junta de Expansión bridada.

Campana

Elemento de articulación entre los tubos de succión y el reductor de velocidad del material hacia la tolva de almacenamiento

Reductor de velocidad antes de la tolva de almacenamiento

Caja de impacto

Cada grúa posee un codo de diferente configuración.

Componentes

NKM

ECL

Posee un telescópico

Tubo de descarga de polvillo

Θ = 250mm

Posee una manga

L = 1360 mm

Tolva descarga de polvillo

Cap. 4,8 m3

Cap. 4,8 m3

5.1.1.- El sistema de succión de las grúas NKM y ECL se dividen en: 1. Sistema de succión 2. Sistema de Empaque. 3. Sistema de descarga de polvillo 5.1.1.1.- Sistema de succión Este subsistema se encarga de succionar el material de coque de las fosas para realizar el ciclo del sistema de succión y llevarlo hacia una tolva de almacenamiento. Diferencia en el sistema se succión entre la NKM y ECL. NKM El sistema original se basa en dos tubos el primero llamado camisa y el segundo telescópico. La camisa mediante una brida es vinculada en una rotula para permitirle cierto grado de libertad al tubo y esta a su vez mediante bridas se vincula a una caja de impacto que permite reducir la velocidad y turbulencia del material de coque succionado antes de llegar a

la tolva de almacenamiento. El sistema de elevación de las tuberías es mediante cadenas. ECL El sistema original tiene el mismo principio de la NKM, con la diferencia de que la camisa está vinculada a una junta de expansión bridada para darle el grado de libertad en vez de una caja de impacto, estas grúas utilizan además codos que igualmente cumplen la misma función de reducir la velocidad y turbulencia del material antes de entrar a la tolva de almacenamiento. El sistema de elevación de las tuberías se realiza mediante guayas. Modificaciones respecto al modelo original de estas grúas: El material de construcción de las tuberías en un principio era de un acero al manganeso pero actualmente son fabricadas con un acero A-36. Las tuberías de succión en las grúas ECL1 y ECL2 poseen diferentes secciones trasversales, esto debido a que la primera fue repotenciada para aumentar su capacidad de succión. 5.1.1.2 Sistema de empaque Este sistema es el encargado de realizar el empaque en las fosas del material de coque para así asegurar en el proceso de cocción de ánodos una transferencia de calor uniforme en todo el cuerpo del ánodo y proporcionarle así todos los estándares de calidad requeridos. Diferencia en el sistema de empaque entre la NKM y ECL.

NKM El sistema original empieza con una válvula de compuerta corrediza bridada a la tolva de almacenamiento que permite el paso y/o la interrupción del material hacia las fosas. Para el transporte del material se utilizan tres tubos uno fijo y los restantes telescópicos. Este sistema permanece original hasta los momentos en la NKM 1 y 2. El material de construcción de los tubos es un acero especial al manganeso y el mismo no ha sido sustituido en el periodo de vida de la grúa. ECL El sistema original para este tipo de grúa lo posee en la actualidad la ECL 2 y consta de una válvula accionada por un cilindro neumático que permite el cierre y/o paso de material hacia las fosas. Posee tres tubos uno fijo y los restantes telescópicos y su elevación o suspensión se realiza mediante guayas accionadas por un motor y enrolladas en un tambor. Las grúas ECL1 debido a modificaciones para aumentar su capacidad de empaque difieren de las ECL 2 en la utilización de una válvula de tipo cuchilla que mediante un motor reductor, un tornillo sin fin y una plancha (cuchilla) permiten el cierre y/o paso de material. Otra modificación en esta grúa esta en los tubos, en la ECL 1 poseen una sección transversal diferentes al

sistema original (ECL 2) y a su vez

posee también una camisa. Las campanas o cola de patos son diferentes también productos de las modificaciones producto de lo anterior mencionado. 5.1.1.3 Sistema de descarga de polvillo Este sistema es el encargado de retener y descargar el polvillo de coque que se forma en la turbulencia del material succionado, por medio del ventilador de aspiración, y el cual es trasportado por las tuberías. Este polvillo a lo largo del sistema de succión debe ser separado del aire para

evitar que llegue al exhauster e impedir ocasionar daños internos a este equipo. Para lograr esta separación se dispone de un filtro de mangas que se encuentra ubicado en el ciclo antes del ventilador (Exhauster). El polvillo, retenido en las tolvas de las grúas, es descargado en la actualidad en tolvas ubicadas al final de las naves mediante un telescópico en el caso de las NKM y por medio de una manga instalada en la boquilla de la tubería en el caso de las ECL. En las NKM el sistema original poseía un fuelle que descendía hasta una tolva y evitaba el derramamiento de polvillo al ambiente. Hoy día el derrame de polvillo es inevitable siendo estas una de las causas por la cual se busca una nueva alternativa en el diseño de esta parte de la grúa. Las grúas ECL permanecen con el sistema original desde su instalación.

5.2.- Caracterización del material a recolectar 5.2.1.- Densidad del material Tabla 5.2 Densidad real y densidad aparente de Coque metalúrgico

Valor

Valor

Método de

min

máximo

ensayo

g/cc

1,9

-

ASTM D 2638-97

Kg/m3

900

-

-

Propiedad

Unidad

Densidad Real Densidad aparente

Fuente: Departamento de Laboratorio central de CVG Carbonorca.

Los últimos análisis del material de empaque realizado por el departamento de laboratorio de la empresa CVG CARBONORCA arrojaron los siguientes resultados reflejados en la Tabla 5.3

Tabla 5.3 Valores del estudio realizado al material de empaque Densidad a

Porcentaje Retenido (%)

granel

Dureza

19,0

16,0

12,5

9,50

4,75

2,00

0,85

PAN

g/cc

HGI

NKM-1

4,10

3,63

8,14

8,80

27,47

26,72

14,10

7,03

0,9

34

ECL -1

5,82

4,90

5,45

7,14

21,14

21,62

18,85

15,08

0,90

35

Coque

4,04

11,98

21,88

22,38

24,55

5,10

2,29

7,78

0,60

35

Mezcla

2,83

4,22

7,71

7,39

21,89

23,73

15,79

16,45

0,87

40

Fuente: Departamento de Laboratorio central de CVG Carbonorca.

Pruebas realizadas a las Grúas para conocer la presión en la entrada y a la salida de cada componente. Pruebas de estanqueidad realizadas a las Grúas

Bomba

Filtro

Tolva Filtro

Intercambiador de calor

Tolva

Figura 5.1. Esquema representativo del sistema de succión de la grúa ECL.

Esta prueba se realiza en las grúas para detectar alguna anomalía en el rendimiento de succión y la misma se lleva a cabo instalando puntos para la toma de presión. Como se puede observar en la figura las tomas están ubicadas en: 1. La salida de la Bomba de vacío, que a la vez seria la entrada del filtro manga TP1. 2. A la salida del filtro de manga, que a su vez seria a la entrada de la tolva filtro TP2.

3. A la salida de la tolva filtro, que a su vez seria la entrada del intercambiador de calor TP3. 4. A la salida del intercambiador, a su vez seria la entrada de la tolva ciclón TP4. 5. A la salida de la tolva ciclón TP5 La Tabla 5.4 muestra los valores de ajuste que deben presentar los puntos de presión instalados, en la Grúa multiuso ECL 1 Tabla 5.4 Valores de ajustes de presiones y temperaturas de la grúa ECL Puntos de Valores de ajustes de Valores medios de succión prueba

sensores

(mbar)

PSH = -400mbar

TP1

415/400

PSHH = -440mbar ΔP(TP1-TP2)= - 80mbar

TP2

260/350

TSH = 80 ºC

TP3

ΔP(TP2-TP3)= - 40mbar

195/228

TP4

TSH =190 ºC

164/198

TP5

-

-

Fuente: Departamento de instrumentación de CVG Carbonorca Estas mediciones que se presentan a continuación fueron tomadas para verificar la existencia de alguna anormalidad en el circuito de succión de la Grúa ECL 1

Tabla 5.5 Pruebas realizadas al sistema de succión de la Grúa ECL Fecha TP1 (mbar) TP2 (mbar) TP3(mbar) TP4 (mbar)

TP5(mbar)

20/03/06

200

140

120

120

120

21/06/04

400

350

228

213

198

04/06/04

415

200

195

180

164

Fuente: Departamento de instrumentación de CVG Carbonorca

5.3.- Determinación de la velocidad de transporte del material de coque mediante la succión. Del manual de Industrial ventilación, para polvos pesados se recomienda una velocidad de 22 m/s y de acuerdo al manual de Transporte de materiales por medios neumáticos, ver anexo 1, recomienda para diámetros de las partículas entre 15 – 80mm una velocidad de: V = 0,75 ρ mat

Esto ya que para el diseño se está considerando, como diámetro de la partícula, 19mm. Como el valor de densidad aparente del material a recoger es de 900 Kg/m3, ver Tabla 1.1, tenemos: V = 0,75 900 = 22,5 m

s

Se toma para el diseño una velocidad promedio de 23 m/s. 5.4.- Determinación del Flujo másico Antes de determinar el flujo másico, se realizó una prueba experimental del llenado de la tolva de coque, que posee una capacidad de 27.000kg, dando como resultado un tiempo de llenado de 80 min aproximadamente. Para la prueba se tomó la Grúa Multiuso NKM 2 logrando coordinar con el operador de la misma el vaciado total de la tolva y posteriormente su llenado que permitió obtener el valor antes mencionado. Para el diseño, se asumirá que la tolva de almacenamiento de coque es llenada en 1 ocasión por cada turno de trabajo, y que el tiempo de llenado es de 80 min aproximadamente en ambas grúas durante todo el turno de trabajo, por ende la cantidad recolectada será de:

cant.recolectado / turnos = 1x 27.000kg = 27.000kg / turnos

Ahora con la cantidad a recolectar y el tiempo necesario para efectuarlo de obtiene el flujo másico obteniendo un valor de:

GM =

1x 27.000 Kg = 5,6kg / s 4800s

Nota: Se debe aclarar que el llenado de la tolva no es continuo debido a que la grúa debe realizar otras actividades tales como: traslado de ánodo, empaque del material de coque, traslado de las tapas de los hornos entre otras que se efectúan en el proceso. 5.5.- Perdidas de las tuberías de succión existentes NKM y ECL En primer lugar se realizarán los cálculos para la Grúa multiuso NKM En área de la sección transversal de la tubería de succión interna es: 350

130

A = 0.35mx130m ⇒ A = 0.045 m 2 Ahora con la velocidad optima ya calculada y el área se obtiene el caudal Q1 = V ⋅ A ⇒ Q = 23m / s x0,045m 2 Q1 = 1.035

m3 s

5.5.1.- Cálculo de las Pérdidas de Presión en las Tuberías De lo conocido anteriormente como lo son, Sección transversal de la

tubería, caudal de aire a manejar y velocidad de transporte, se obtendrán valores necesarios ha medidas que se vayan determinando cada una de las pérdidas, por lo tanto tenemos: El flujo másico se tomara igual que el calculado para las nuevas tuberías y el cual tiene un valor de Gm = 5,6 kg

s

5.5.2.- Factor de Carga (μ)

Factor de carga (μ) en las Grúas NKM y ECl

μ=

Gm Q ⋅ ρ aire

ρ aire = 0,525

Kg/m3

Para La grúa NKM y ECL Gm= 5,60 Q= 1,04

Kg/s m3/s

μ = 10,31

5.5.3.- Velocidad relativa entre el aire y la velocidad de las partículas (w) Wf = 20 es obtenido del gráfico, ver anexo 3, con diámetro de la partícula = 19 mm y densidad del material = 900 Kg/m3.

Velocidad relativa entre el aire y la velocidad de las particulas (w).

w = w f ( 0 .170 + 0 .0121 ⋅ V ) Wf = 20 V =  23

m/s W =

8,97

m/s

5.5.4.- Velocidad de las partículas (C)

Velocidad de las partículas (C)

C =V − w V = 23 W = 8,97 C =

14,03

m/s m/s m/s

5.5.5.- Cálculo del Reynolds

Re =

V ⋅d

ν

V= velocidad en la tubería vertical.

υ = viscosidad cinemática del Aire. υ = 3,45 x10 −5 m 2 s D= diámetro. Como la tubería de succión tiene una sección transversal rectangular, se debe buscar un diámetro equivalente que proporcione el mismo valor del área de la sección transversal. Por lo tanto se hará el siguiente: Arect = bxh : Área para una sección rectangular.

Acirc =

π 4

.D 2 : Área para la sección circular.

Para hallar la equivalencia se debe igualar las áreas de sección rectangular con la circular y despejar el valor de D, por lo tanto se tiene que: bxh =

π 4

.D 2

⇒

D=

4

π

.(bxh )

⇒ D = 240,7 mm Con este valor del diámetro se procede a calcular el Reynolds dando como valor: Re = 1,6 E + 5

5.5.6.- Cálculo del coeficiente de rozamiento λ1 Con φint = 240.7 mm y seleccionando una tubería de Acero laminado con oxidación y un factor de rugosidad absoluta ε = 0,015cm nos queda:

ε D

= 6,23 x10 − 4

Del diagrama de Moody (Ver Anexo 4) con obtiene λ1 = 0,02

ε D

= 6,23 x10 − 4 y Re = 1,6 E + 5 se

5.6.- Pérdidas en el tramo a-b 5.6.1.- ΔP1: Debido al rozamiento del gas en el tubo Perdidas debido al rozamiento del gas en el tubo

Δ P1 = λ 1 Donde : Δl = d= λ  = V=

Δ l V 2 ⋅ ρ aire ⋅ d 2g

7,96 2,41E-01 0,020 23

m m m/s

ρaire = 0,525

kg/m3 m/s2

g = 9,8

ΔP1 = 9,37

Kg/m2 ó mmH2O

Δl = Longitud de La tubería.

V= velocidad promedio.

d = Diámetro equivalente de la

g = gravedad.

tubería.

ρ aire = Peso especifico del aire

λ = coeficiente de rozamiento. 5.6.2.- ΔP2: Por aceleración de las Partículas

Perdidas por aceleración de las Partículas

ΔP2 = μ μ= g= V= ρaire = C=

ΔP2 = 178,23

ρ aire ⋅ V ⋅ C

10,31 9,8 23 0,525 14,03

g m/s2 m/s kg/m3 m/s

Kg/m2 ó mmH2O

5.6.3.- ΔP3: Por rozamiento del material sólido en las tuberías Δl V 2 ρ aire ΔP3 = μ ⋅ λ 2 d 2g

Donde: Coeficiente de rozamiento λ2

λ2 =

(

)

2V

C −1 Fr ⋅ Fr *

Número de Froude (Fr*) y número de froude para una corrientte de gas (Fr).

Fr * = Wf = 20 d = 0,2407 g = 9,8

wf dg

m/s mm m/s

Fr* = 1,30E+01

Fr = V = 23

V dg

m/s Fr = 1,50E+01

Cálculo del coeficiente de rozamiento del gas en el tubo

λ2 = C = 14,03

(

2V

)

C −1 Fr ⋅ Fr *

m/s λ 2 = 0,018

Perdidas por rozamiento del material sólido en las tuberías.

Δl V 2 ρ aire ΔP3 = μ ⋅ λ 2 d 2g μ= Δl = d= λ2  = V= ρaire = g = ΔP3 = 1,63

10,31 7,96 2,86E-01 0,018 23 0,525 9,8

m m m/s kg/m3 m/s2

Kg/m2 ó mmH2O

5.6.4.- ΔP4: Por elevación del material

Perdidas por elevación del material sólido en las tuberías.

ΔP4 = μ ⋅ μ= Δl = V= aire = ρ C= β= ΔP4 = 70,63

V ρ aire ⋅ β ⋅ Δl1 C

10,31 7,96 23 0,525 14,03

m m/s kg/m3 m/s

1

Kg/m2 ó mmH2O

Las perdidas total en este tramo será de: ∆

9,37 ∆

178,23

1,63 ,

70,63

5.7.- Cálculos para las pérdidas de tubería en el tramo B-C. Ahora se procede a realizar los cálculos para el tramo B-C de la tubería de succión externa de la grúa multiuso NKM. El área de la sección transversal de esta tubería externa de succión es: 378

158

A = ( 0.378 x 0,158 )mm2 ⇒ A = 0.06 m 2 Asumiendo que al comienzo de este tramo posee la misma velocidad óptima ya calculada, se obtiene el caudal Q1 = V ⋅ A ⇒ Q = 23m / s x0,045m 2 Q1 = 1.38

m3 s

5.7.1.- Cálculo de las Pérdidas de Presión en las Tuberías De lo conocido anteriormente como lo son, Sección transversal de la tubería, caudal de aire a manejar y velocidad de transporte, se obtendrán valores necesarios ha medidas que se vayan determinando cada una de las pérdidas, por lo tanto tenemos: El flujo másico se tomará igual que el calculado para el tramo a-b y el cual tiene un valor de Gm = 5,6 kg

s

5.7.2.- Factor de Carga (μ)

Factor de carga (μ) en las Grúas NKM y ECl

μ=

Gm Q ⋅ ρ aire

ρ aire = 0,525

Kg/m3

Para La grúa NKM y ECL Gm= 5,60 Q= 1,38

Kg/s m3/s

μ = 7,73

5.7.3.- Velocidad relativa entre el aire y la velocidad de las partículas (w) Wf = 20 es obtenido del gráfico, ver anexo 3, con diámetro de la partícula = 19 mm y densidad del material = 900 Kg/m3.

Velocidad relativa entre el aire y la velocidad de las particulas (w).

w = w f ( 0 .170 + 0 .0121 ⋅ V ) Wf = 20 V =  23

m/s W =

8,97

m/s

5.7.4.- Velocidad de las partículas (C)

Velocidad de las partículas (C)

C =V − w V = 23 W = 8,97 C =

m/s m/s

14,03

m/s

5.7.5.- Cálculo del Reynolds

Re =

V ⋅d

ν

V= velocidad en la tubería vertical.

υ = viscosidad cinemática del Aire. υ = 3,45 x10 −5 m 2 s D= diámetro. Como la tubería de succión tiene una sección transversal rectangular, se debe buscar un diámetro equivalente que proporcione el mismo valor del área asumida. Por lo tanto se hará el siguiente: Arect = bxh : Área para una sección rectangular.

Acirc =

π 4

.D 2 : Área para la sección circular.

Para hallar la equivalencia se debe igualar las áreas de sección rectangular con la circular y despejar el valor de D, por lo tanto se tiene que: bxh =

π 4

.D 2

⇒

D=

4

π

⇒ D = 275,76mm

.(bxh )

Con este valor del diámetro se procede a calcular el Reynolds dando como valor: Re = 1,84 E + 5

5.7.6.- Cálculo del coeficiente de rozamiento λ1 Con φint = 275,76 mm y seleccionando una Acero aminado con oxidación y con un factor de rugosidad absoluta ε = 0,015cm nos queda: Del diagrama de Moody (Ver Anexo 4) con

ε D

ε D

= 5,44 x10 − 4

= 5,44 x10 − 4 y Re = 1,84 E + 5

se obtiene λ1 = 0,019 5.8.- Pérdidas en el tramo b-c 5.8.1.- ΔP1: Debido al rozamiento del gas en el tubo

Perdidas debido al rozamiento del gas en el tubo

Δ P1 = λ 1 Donde : Δl = d= λ  = V=

Δ l V 2 ⋅ ρ aire ⋅ d 2g

8,13 2,76E-01 0,019 23

ρaire = 0,525 g = 9,8

ΔP1 = 7,93

m m m/s kg/m3 m/s2 Kg/m2 ó mmH2O

Δl = Longitud de La tubería.

tubería.

d = Diámetro equivalente de la

λ = Coeficiente de rozamiento.

V= velocidad promedio.

ρ aire = Peso especifico del aire.

g = gravedad. 5.8.2.- ΔP2: Por aceleración de las Partículas

Perdidas por aceleración de las Partículas

Δ P2 = μ μ= g= V= ρaire = C=

ΔP2 = 133,63

ρ aire ⋅ V ⋅ C g

7,73 9,8 23 0,525 14,03

m/s2 m/s kg/m3 m/s

Kg/m2 ó mmH2O

5.8.3.- ΔP3: Por rozamiento del material sólido en las tuberías

ΔP3 = μ ⋅ λ 2

Δl V 2 ρ aire d 2g

Donde: Coeficiente de rozamiento λ2

λ2 =

(

2V

)

C −1 Fr ⋅ Fr *

Número de Froude (Fr*) y número de froude para una corrientte de gas (Fr).

Fr * = Wf = 20 d = 0,276 g = 9,8

wf dg

m/s mm m/s

Fr* = 1,22E+01

Fr = V = 23

V dg

m/s Fr = 1,40E+01

Cálculo del coeficiente de rozamiento del gas en el tubo

λ2 = C = 14,03

(

2V

)

C −1 Fr ⋅ Fr *

m/s λ 2 = 0,021

Perdidas por rozamiento del material sólido en las tuberías.

Δl V 2 ρ aire ΔP3 = μ ⋅ λ 2 d 2g μ= Δl = d= λ2  = V= ρaire = g = ΔP3 = 1,50

7,73 8,13 2,76E-01 0,021 23 0,525 9,8

m m m/s kg/m3 m/s2

Kg/m2 ó mmH2O

5.8.4.- ΔP4: Por elevación del material

Perdidas por elevación del material sólido en las tuberías.

ΔP4 = μ ⋅ μ= Δl = V= aire = ρ C= β= ΔP4 = 54,09

V ρ aire ⋅ β ⋅ Δl1 C

7,73 8,13 23 0,525 14,03

m m/s kg/m3 m/s

1

Kg/m2 ó mmH2O

Las perdidas total en este tramo será de: ∆

7,93 ∆

133,63

1,50

197,15

54,09

La Pérdidas que proporcionan la tubería interna y la externa, de la grúa multiuso NKM, es igual a: ∆

259,86 ∆

197,15 ,

5.9.- Perdidas en las tuberías de succión de la grúa ECL En área de la sección transversal de la tubería es: 322

132

A = (0.322x0,132)mm2 ⇒ A = 0.0425 m 2 Ahora con la velocidad optima ya calculada y el área se obtiene el caudal Q1 = V ⋅ A ⇒ Q = 23m / s x0,0425m 2 m3 Q1 = 0,98 s 5.9.1.- Cálculo de las Pérdidas de Presión en las Tuberías De lo conocido anteriormente como lo son, Sección transversal de la tubería, caudal de aire a manejar y velocidad de transporte, se obtendrán valores necesarios ha medidas que se vayan determinando cada una de las pérdidas, por lo tanto tenemos:

El flujo másico se tomará igual que el calculado y el cual tiene un valor de

Gm = 5,6 kg

s

5.9.2.- Factor de Carga (μ)

Factor de carga (μ) en las Grúas NKM y ECl

μ=

Gm Q ⋅ ρ aire

ρ aire = 0,525

Kg/m3

Para La grúa NKM y ECL Gm= 5,60 Q= 0,98

Kg/s m3/s

μ = 10,88

5.9.3.- Velocidad relativa entre el aire y la velocidad de las partículas (w) Wf = 20 es obtenido del gráfico, ver anexo 3, con diámetro de la partícula = 19 mm y densidad del material = 900 Kg/m3.

Velocidad relativa entre el aire y la velocidad de las particulas (w).

w = w f ( 0 .170 + 0 .0121 ⋅ V ) Wf = 20 V =  23

m/s W =

8,97

m/s

5.9.4.- Velocidad de las partículas (C)

Velocidad de las partículas (C)

C =V − w V = 23 W = 8,97 C =

m/s m/s

14,03

m/s

5.9.5.- Cálculo del Reynolds

Re =

V ⋅d

ν

V= velocidad en la tubería vertical.

υ = viscosidad cinemática del Aire. υ = 3,45 x10 −5 m 2 s D= diámetro. Como la tubería de succión tiene una sección transversal rectangular, se debe buscar un diámetro equivalente que proporcione el mismo valor del área sección transversal. Por lo tanto se hará el siguiente: Arect = bxh : Área para una sección rectangular.

Acirc =

π 4

.D 2 : Área para la sección circular.

Para hallar la equivalencia se debe igualar las áreas de sección rectangular con la circular y despejar el valor de D, por lo tanto se tiene que: bxh =

π 4

.D 2

⇒

D=

4

π

.(bxh )

⇒ D = 232,6mm Con este valor del diámetro se procede a calcular el Reynolds dando como valor: Re = 1,55 E + 5

5.9.6..- Cálculo del coeficiente de rozamiento λ1 Con φint = 232,6 mm y seleccionando una tubería de Acero laminado oxidado con un factor de rugosidad absoluta ε = 0,015cm nos queda:

ε D

= 6,45 x10 − 4

Del diagrama de Moody (Ver Anexo 4) con

ε D

= 6,45 x10 − 4 y Re = 1,55 E + 5

se obtiene λ1 = 0,018 5.10.- Pérdidas en el tramo a-b 5.10.1.- ΔP1: Debido al rozamiento del gas en el tubo Perdidas debido al rozamiento del gas en el tubo

Δ P1 = λ 1 Donde : Δl = d= λ  = V=

Δ l V 2 ⋅ ρ aire ⋅ d 2g

8,41 2,33E-01 0,018 23

ρaire = 0,52 g = 9,8

ΔP1 = 9,13

m m m/s kg/m3 m/s2 Kg/m2 ó mmH2O

Δl = Longitud de La tubería.

λ = Coeficiente de rozamiento.

d = Diámetro equivalente de la

V= velocidad promedio.

tubería.

g = gravedad.

ρ aire = Peso especifico del aire. 5.10.2.- ΔP2: Por aceleración de las Partículas

Perdidas por aceleración de las Partículas

ΔP2 = μ μ= g= V= ρaire = C=

ΔP2 = 188,08

ρ aire ⋅ V ⋅ C g

10,88 9,8 23 0,525 14,03

m/s2 m/s kg/m3 m/s

Kg/m2 ó mmH2O

5.10.3.- ΔP3: Por rozamiento del material sólido en las tuberías

ΔP3 = μ ⋅ λ 2

Δl V 2 ρ aire d 2g

Donde: Coeficiente de rozamiento λ2

λ2 =

(

2V

)

C −1 Fr ⋅ Fr *

Número de Froude (Fr*) y número de froude para una corrientte de gas (Fr).

Fr * = Wf = 20 d = 0,2326 g = 9,8

wf dg

m/s mm m/s

Fr* = 1,32E+01

Fr = V = 23

V dg

m/s Fr = 1,52E+01

Cálculo del coeficiente de rozamiento del gas en el tubo

λ2 = C = 14,03

(

2V

)

C −1 Fr ⋅ Fr *

m/s λ 2 = 0,017

Perdidas por rozamiento del material sólido en las tuberías.

Δl V 2 ρ aire ΔP3 = μ ⋅ λ 2 d 2g μ= Δl = d= λ2  = V= ρaire = g = ΔP3 = 1,82

10,88 8,41 2,33E-01 0,018 23 0,525 9,8

m m m/s kg/m3 m/s2

Kg/m2 ó mmH2O

5.10.4.- ΔP4: Por elevación del material

Perdidas por elevación del material sólido en las tuberías.

ΔP4 = μ ⋅ μ= Δl = V= aire = ρ C= β= ΔP4 = 78,75

V ρ aire ⋅ β ⋅ Δl1 C

10,88 8,41 23 0,525 14,03

m m/s kg/m3 m/s

1

Kg/m2 ó mmH2O

Las perdidas total en este tramo será de: ∆

9,13 ∆

188,08

1,82 ,

78,75

5.11.- Cálculos para tubería exterior de succión de la grúa multiuso ECL Ahora se procede a realizar los cálculos para el tramo B-C de la tubería de succión externa de la grúa multiuso ECL El área de la sección transversal de esta tubería externa de succión es: 346

156

A = ( 0.346 x 0,156 )mm2 ⇒ A = 0.054 m 2 Asumiendo que al comienzo de este tramo posee la misma velocidad óptima ya calculada, se obtiene el caudal Q1 = V ⋅ A ⇒ Q = 23m / s x0,054m 2 m3 Q1 = 1.242 s 5.11.1.- Cálculo de las Pérdidas de Presión en las Tuberías De lo conocido anteriormente como lo son, Sección transversal de la tubería, caudal de aire a manejar y velocidad de transporte, se obtendrán valores necesarios ha medidas que se vayan determinando cada una de las pérdidas, por lo tanto tenemos: El flujo másico se tomará igual que el calculado para el tramo a-b y el cual tiene un valor de Gm = 5,6 kg

s

5.11.2.- Factor de Carga (μ)

Factor de carga (μ) en las Grúas NKM y ECl

μ=

Gm Q ⋅ ρ aire

ρ aire = 0,525

Kg/m3

Para La grúa NKM y ECL Gm= 5,60 Q= 1,24

Kg/s m3/s

μ = 8,59

5.11.4.- Velocidad relativa entre el aire y la velocidad de las partículas (w) w = w f (0.170 + 0.0121 ⋅ V )

Wf = 20 es obtenido del gráfico, ver anexo 3, con diámetro de la partícula = 19 mm y densidad del material = 900 Kg/m3.

Velocidad relativa entre el aire y la velocidad de las particulas (w).

w = w f ( 0 .170 + 0 .0121 ⋅ V ) Wf = 20 V =  23

m/s W =

8,97

m/s

5.11.5.- Velocidad de las partículas (C)

Velocidad de las partículas (C)

C =V − w V = 23 W = 8,97 C =

m/s m/s

14,03

m/s

5.11.6.- Cálculo del Reynolds

Re =

V ⋅d

ν

V= velocidad en la tubería vertical.

υ = viscosidad cinemática del Aire. υ = 3,45 x10 −5 m 2 s D= diámetro. Como la tubería de succión tiene una sección transversal rectangular, se debe buscar un diámetro equivalente que proporcione el mismo valor del área de la sección transversal. Por lo tanto se hará el siguiente: Arect = bxh : Área para una sección rectangular.

Acirc =

π 4

.D 2 : Área para la sección circular.

Para hallar la equivalencia se debe igualar las áreas de sección rectangular con la circular y despejar el valor de D, por lo tanto se tiene que: bxh =

π 4

.D 2

⇒

D=

4

π

⇒ D = 262,15mm

.(bxh )

Con este valor del diámetro se procede a calcular el Reynolds dando como valor: Re = 1,75 E + 5

5.11.7.- Cálculo del coeficiente de rozamiento λ1 Con φint = 262,1 mm y seleccionando una tubería de hierro galvanizado con un factor de rugosidad absoluta ε = 0,015cm

ε D

nos queda:

= 5,74 x10 − 4

ε Del diagrama de Moody (Ver Anexo 4) con D

= 5,74 x10 − 4

y Re = 1,75 E + 5

se obtiene λ1 = 0,018 5.12.- Pérdidas en el tramo b-c 5.12.1.- ΔP1: Debido al rozamiento del gas en el tubo

Perdidas debido al rozamiento del gas en el tubo

Δ P1 = λ 1 Donde : Δl = d= λ  = V=

Δ l V 2 ⋅ ρ aire ⋅ d 2g

7,845 2,62E-01 0,018 23

ρaire = 0,525 g = 9,8

ΔP1 = 7,63

m m m/s kg/m3 m/s2 Kg/m2 ó mmH2O

Δl = Longitud de La tubería.

tubería.

d = Diámetro equivalente de la

λ = Coeficiente de rozamiento.

V= velocidad promedio.

ρ aire = Peso especifico del aire.

g = gravedad. 5.12.2.- ΔP2: Por aceleración de las Partículas

Perdidas por aceleración de las Partículas

Δ P2 = μ μ= g= V= ρaire = C=

ΔP2 = 148,50

ρ aire ⋅ V ⋅ C g

8,59 9,8 23 0,525 14,03

m/s2 m/s kg/m3 m/s

Kg/m2 ó mmH2O

5.12.3.- ΔP3: Por rozamiento del material sólido en las tuberías

ΔP3 = μ ⋅ λ 2

Δl V 2 ρ aire d 2g

Donde: Coeficiente de rozamiento λ2

λ2 =

(

2V

)

C −1 Fr ⋅ Fr *

Número de Froude (Fr*) y número de froude para una corrientte de gas (Fr).

Fr * = Wf = 20 d = 0,2621 g = 9,8

wf dg

m/s mm m/s

Fr* = 1,25E+01

Fr = V = 23

V dg

m/s Fr = 1,44E+01

Cálculo del coeficiente de rozamiento del gas en el tubo

λ2 = C = 14,03

(

2V

)

C −1 Fr ⋅ Fr *

m/s λ 2 = 0,020

Perdidas por rozamiento del material sólido en las tuberías.

Δl V 2 ρ aire ΔP3 = μ ⋅ λ 2 d 2g μ= Δl = d= λ2  = V= ρaire = g = ΔP3 = 1,54

8,59 7,845 2,76E-01 0,020 23 0,525 9,8

m m m/s kg/m3 m/s2

Kg/m2 ó mmH2O

5.12.4.- ΔP4: Por elevación del material

Perdidas por elevación del material sólido en las tuberías.

ΔP4 = μ ⋅ μ= Δl = V= aire = ρ C= β= ΔP4 = 137,20

V ρ aire ⋅ β ⋅ Δl1 C

8,89 7,845 23 1,2 14,03

m m/s kg/m3 m/s

1

Kg/m2 ó mmH2O

Las perdidas total en este tramo será de: ∆

7,63 ∆

148,50

1,53

294,86

137,20

La Pérdidas que proporcionan la tubería interna y la externa, de la grúa multiuso ECL, es igual a: ∆

277,78 ∆

294,86 ,

5.13.- Análisis de las nuevas tuberías de succión para ambas grúas 5.13.1.- Consideraciones a tomar para las dimensiones de la tubería de succión: Antes de asumir el área de la sección transversal de la tubería de succión, se toman ciertas consideraciones como lo son: 1. La succión se realiza en secciones que posee las siguientes dimensiones 4650x3800x1000 mm y el espacio de entrada de la tubería, hasta el fondo de estas, depende del tipo de ánodo a realizarle la cocción y la posición que adopta dentro de la fosa. 2. Las posiciones que adoptan los ánodos al ser introducidos, en las secciones de las fosas, dependen del tipo de ánodo a realizarle la cocción y son efectuadas siguiendo una práctica operativa.

Para mayor detalle ir a práctica operativa HOR-004 “Carga y empaque de ánodos verdes en la sección de hornos de cocción” de la empresa CVG CARBONORCA.

Al ser introducidos los ánodos 1500 la distancia crítica entre la pared del ánodo y la pared de la sección esta en el rango de: 0

181

Esta distancia se debe tomar en cuenta para dimensionar el ancho de la tubería, y asegurar así que la misma entre libremente en las secciones y efectué la succión del material sin ningún inconveniente. En la figura 5.3 y 5.4 se muestra un ejemplo de cómo son introducidos estos ánodos dentro de una sección. Los ánodos 1500 tienen un ancho (B) de 573 mm que al ser multiplicado por 6 arroja un valor de 382mm este valor es la suma de las distancias criticas de “A” y al cual se debe dividir en 2 para obtener el espacio entre el ánodo y la pared de la sección, por lo tanto el valor ( A) es 181mm.

A

B Figura 5.2 Vista de planta de los ánodos dentro de una sección

a

a

Figura. 5.3 Vista lateral ilustrativa de los Ánodos 1500 dentro de una sección

5.13.2.- Consideraciones para el área de la sección transversal y el Cálculo del Caudal (Q) Para obtener el valor del caudal se debe asumir un área de la sección transversal para la tubería de succión, tomando en cuenta las consideraciones anteriores: El área de la sección transversal para la tubería de succión se asume con las siguientes dimensiones 400x160mm 320

120

A = (0,320 x0.120)m 2 = 0,0544m 2

Ahora con la velocidad promedio de 23m/s y el área calculada se procede a hallar el caudal que tendrá la tubería de succión, por lo tanto tenemos que: Q1 = V ⋅ A ⇒ Q = 23m / s x0,0544m 2 Q1 = 1.25

m3 s

5.14.- Cálculo de las Pérdidas de Presión en las Tuberías De lo conocido anteriormente como lo son, Sección transversal de la tubería, caudal de aire a manejar y velocidad de transporte, iremos determinando valores necesarios a medidas que se vayan determinando cada una de las pérdidas, por lo tanto tenemos: 5.14.1.- Factor de Carga (μ)

Factor de carga (μ) en las Grúas NKM y ECl

μ=

Gm Q ⋅ ρ aire

ρ aire = 0,525

Kg/m3

Para La grúa NKM y ECL Gm= 5,60 Q= 1,25

Kg/s m3/s

μ = 8,53

5.14.2.- Velocidad relativa entre el aire y la velocidad de las partículas (w) Wf = 20 es obtenido del gráfico, ver anexo 3, con diámetro de la partícula

= 19 mm y densidad del material = 900 Kg/m3.

Velocidad relativa entre el aire y la velocidad de las particulas (w).

w = w f ( 0 .170 + 0 .0121 ⋅ V ) Wf = 20 V =  23

m/s W =

8,97

m/s

5.14.3.- Velocidad de las partículas (C)

Velocidad de las partículas (C)

C =V − w V = 23 W = 8,97 C =

m/s m/s

14,03

m/s

5.14.4.- Cálculo del Reynolds

Re =

V ⋅d

ν

V= velocidad en la tubería vertical.

υ = viscosidad cinemática del Aire. υ = 3,45 x10 −5 m 2 s D= diámetro. Como la tubería de succión se está diseñando para tener una sección transversal rectangular, se debe buscar un diámetro equivalente que proporcione el mismo valor del área asumida. Por lo tanto se hará el

siguiente análisis: Arect = bxh : Área para una sección rectangular.

Acirc =

π 4

.D 2 : Área para la sección circular.

Para hallar la equivalencia se debe igualar las áreas de sección rectangular con la circular y despejar el valor de D, por lo tanto se tiene que: bxh =

π 4

.D 2 ⇒ D =

4

.(bxh )

π

⇒ D = 263,18mm

Con este valor del diámetro se procede a calcular el Reynolds dando como valor: Re = 1,7 E + 5

5.14.5.- Cálculo del coeficiente de rozamiento λ1 Con φint = 263,18 mm y seleccionando una Acero laminado nuevo con un factor de rugosidad absoluta ε = 0,005cm nos queda:

ε D

= 1,9 x10 − 4

Del diagrama de Moody (Ver Anexo 4) con obtiene λ1 = 0,015

ε D

= 1,75 x10 − 4 y Re = 1,9 E + 5 se

5.15.- Pérdidas en el tramo a-b 5.15.1.- ΔP1: Debido al rozamiento del gas en el tubo Perdidas debido al rozamiento del gas en el tubo

Δ P1 = λ 1 Donde : Δl = d= λ  = V=

Δ l V 2 ⋅ ρ aire ⋅ d 2g

7,8 2,63E-01 0,015 23

ρaire = 0,525 g = 9,8

ΔP1 = 6,30

m m m/s kg/m3 m/s2 Kg/m2 ó mmH2O

Δl = Longitud de La tubería.

V= velocidad promedio.

d = Diámetro equivalente de la

g = gravedad.

tubería.

ρ aire = Peso especifico del aire a

λ = coeficiente de rozamiento

400 ºC.

5.15.2- ΔP2: Por aceleración de las Partículas Perdidas por aceleración de las Partículas

ΔP2 = μ μ= g= V= ρaire = C=

ΔP2 = 147,46

8,53 9,8 23 0,525 14,03

ρ aire ⋅ V ⋅ C g m/s2 m/s kg/m3 m/s

Kg/m2 ó mmH2O

5.15.3.- ΔP3: Por rozamiento del material sólido en las tuberías Δl V 2 ρ aire ΔP3 = μ ⋅ λ 2 d 2g

Donde: Coeficiente de rozamiento λ2

λ2 =

(

)

2V

C −1 Fr ⋅ Fr *

Número de Froude (Fr*) y número de froude para una corrientte de gas (Fr).

Fr * = Wf = 20 d = 2,63E-01 g = 9,8

wf dg

m/s mm m/s

Fr* = 1,25E+01

Fr = V = 23

V dg

m/s Fr = 1,43E+01

Cálculo del coeficiente de rozamiento del gas en el tubo

λ2 = C = 13,59

(

)

2V

C −1 Fr ⋅ Fr *

m/s λ 2 = 0,020

Perdidas por rozamiento del material sólido en las tuberías.

ΔP3 = μ ⋅ λ 2 μ= Δl = d= λ  = V= ρaire = g = ΔP3 = 1,59

Δl V 2 ρ aire d 2g

8,53 7,8 2,63E-01 0,020 23 0,525 9,8

m m m/s kg/m3 m/s2

Kg/m2 ó mmH2O

5.15.4.- ΔP4: Por elevación del material

Perdidas por elevación del material sólido en las tuberías.

ΔP4 = μ ⋅ μ= Δl = V= ρaire = C= β=

V ρ aire ⋅ β ⋅ Δl1 C

8,53 7,8 23 0,525 14,03

m m/s kg/m3 m/s

1

ΔP4 = 57,26

Kg/m2 ó mmH2O

∆

147,46

6,30 ∆

1,59

57,26

212,61

5.16..- Perdidas para el tramo b-c Este tramo de B-C pertenece a La tubería externa fijada. Para la tubería externa

la

sección

transversal

tiene

las

siguientes

dimensiones

424x184mm 350

170

A = (0,350 x0.170)m 2 = 0,0595m 2

Con la velocidad promedio y el área calculada se procede a hallar el

caudal que tendrá la tubería de succión, por lo tanto tenemos que:

Q1 = V ⋅ A ⇒ Q = 23m / s x0,0595m 2

Q1 = 1.37

m3 s

5.16.1.- Determinación del Flujo másico El flujo másico ya fue calculado en el caso anterior de la tubería interna y su valor es el siguiente: GM = 5,6 kg / s

5.16.2.- Cálculo de las Pérdidas de Presión en las Tuberías De lo conocido anteriormente como lo son, Sección transversal de la tubería, caudal de aire a manejar y velocidad de transporte, iremos determinando valores necesarios a medidas que se vayan determinando cada una de las pérdidas, por lo tanto tenemos: 5.16.3.- Factor de Carga (μ)

Factor de carga (μ) en las Grúas NKM y ECl

μ=

Gm Q ⋅ ρ aire

ρ aire = 0,525

Para La grúa NKM y ECL Gm= 5,60 Q= 1,37

Kg/s m3/s

μ = 7,79

Kg/m3

5.16.4.- Velocidad relativa entre el aire y la velocidad de las partículas (w) Wf = 20 es obtenido del gráfico, ver anexo 3, con diámetro de la partícula = 19 mm y densidad del material = 900 Kg/m3.

Velocidad relativa entre el aire y la velocidad de las particulas (w).

w = w f ( 0 .170 + 0 .0121 ⋅ V ) Wf = 20 V =  23

m/s W =

8,97

m/s

5.16.5.- Velocidad de las partículas (C)

Velocidad de las partículas (C)

C =V − w V = 23 W = 8,97 C =

m/s m/s

14,03

m/s

5.16.6.- Cálculo del Reynolds Re =

V ⋅d

ν

V= velocidad en la tubería vertical.

υ = viscosidad cinemática del Aire. υ = 3,45 x10 −5 m 2 s D= diámetro.

Como la tubería de succión se está diseñando para tener una sección transversal rectangular, se debe buscar un diámetro equivalente que proporcione el mismo valor del área asumida. Por lo tanto se hará el siguiente análisis: Arect = bxh : Área para una sección rectangular.

Acirc =

π 4

.D 2 : Área para la sección circular.

Para hallar la equivalencia se debe igualar las áreas de sección rectangular con la circular y despejar el valor de D, por lo tanto se tiene que: bxh =

π 4

.D 2 ⇒ D =

4

π

.(bxh )

⇒ D = 275,24 mm Con este valor del diámetro se procede a calcular el Reynolds dando como valor: Re = 1,8 E + 5

5.16.7.- Cálculo del coeficiente de rozamiento λ1 Con φint = 275,24 mm y seleccionando una tubería de Acero con un factor de rugosidad absoluta ε = 0,005 cm nos queda:

ε D

= 1,82 x10 − 4

Del diagrama de Moody (Ver Anexo 4) con obtiene λ1 = 0,018

ε D

= 1,82 x10 − 4 y Re = 1,8 E + 5 se

5.17.- Pérdidas en el tramo b-c 5.17.1.- ΔP1: Debido al rozamiento del gas en el tubo Perdidas debido al rozamiento del gas en el tubo

Δ P1 = λ 1 Donde : Δl = d= λ  = V=

Δ l V 2 ⋅ ρ aire ⋅ d 2g

8,4 2,75E-01 0,018 23

ρaire = 0,525 g = 9,8

Δ P1 = 7,78

m m m/s kg/m3 m/s2 Kg/m2 ó mmH2O

Δl = Longitud de La tubería.

V= velocidad promedio.

d = Diámetro equivalente de la

g = gravedad.

tubería.

ρ aire = Peso especifico del aire.

λ = coeficiente de rozamiento 5.17.2.- ΔP2: Por aceleración de las Partículas Perdidas por aceleración de las Partículas

ΔP2 = μ μ= g= V= ρaire = C=

ΔP2 = 134,67

7,79 9,8 23 0,525 14,03

ρ aire ⋅ V ⋅ C g m/s2 m/s kg/m3 m/s

Kg/m2 ó mmH2O

5.17.3.- ΔP3: Por rozamiento del material sólido en las tuberías Δl V 2 ρ aire ΔP3 = μ ⋅ λ 2 d 2g

Donde: Coeficiente de rozamiento λ2

(

)

2V

C −1 Fr ⋅ Fr *

λ2 =

Número de Froude (Fr*) y número de froude para una corrientte de gas (Fr).

Fr * = Wf = 20 d = 2,75E-01 g = 9,8

wf dg

m/s mm m/s

Fr* = 1,22E+01

Fr = V = 23

V dg

m/s Fr = 1,40E+01

Cálculo del coeficiente de rozamiento del gas en el tubo

λ2 = C = 13,59

(

2V

)

C −1 Fr ⋅ Fr *

m/s λ 2 = 0,021

Perdidas por rozamiento del material sólido en las tuberías.

ΔP3 = μ ⋅ λ 2 μ= Δl = d= λ  = V= ρaire = g = ΔP3 = 1,87

Δl V 2 ρ aire d 2g

7,79 8,4 2,75E-01 0,025 23 0,525 9,8

m m m/s kg/m3 m/s2

Kg/m2 ó mmH2O

5.17.4.- ΔP4: Por elevación del material

Perdidas por elevación del material sólido en las tuberías.

ΔP4 = μ ⋅ μ= Δl = V= ρaire = C= β=

V ρ aire ⋅ β ⋅ Δl1 C

7,79 8,4 23 0,525 14,03

m m/s kg/m3 m/s

1

ΔP4 = 56,32

Kg/m2 ó mmH2O

∆

134,67

7,78 ∆

1,87

200,643

56,32

Las pérdidas totales entre el tramo a-b y b-c es: ∆

,

Esta pérdida total al ser su sumada con las pérdidas en cada tramo del sistema de succión se puede verificar si el compresor cumple con los requerimientos exigidos por la operación 5.17.5.- Perdidas en el sistema de succión. 413,253

415

350

228

198

,

mm

o kg/m2

La capacidad del compresor o bomba exhauster es de 4486,75 kg/m2 440milibars Como se observa el compresor cumple con lo requerido por el sistema.

5.18.- Diseño de la tubería de succión Estos tubos tendrán como función succionar coque en el proceso de cocción de los ánodos. Una tubería estará fija y otra móvil llamada telescópica. 5.18.1.- Diseño de la pieza para ajuste entre tubería externa y la tubería interna. La función de esta pieza es evitar las perdidas pronunciadas entre la tubería externa e interna y a su vez de guía en el desplazamiento de tubería interna en su dirección vertical, para efectuar la succión de coque, esta pieza está vinculada a la tubería interna mediante soldadura.

Figura 5.4 Pieza tope vinculada a la tubería interna

Figura 5.5 Vista de la ubicación de la pieza respecto a la tubería interna

1

2

Figura 5.6 Conjunto Tubería Externa – interna. 1 Tubería interna. 2 Tubería Externa

Cono bridado de boquilla rectangular. Este elemento esta unido mediante soldadura a la tubería externa o camisa y posee esta configuración para lograr una disminución en la velocidad en la turbulencia de material antes de entrar a la caja de impacto y posteriormente a la Tolva de almacenamiento.

Figura 5.7 Cono bridado de boquilla rectangular.

Las dimensiones de la brida soldada al tubo será la siguiente: Diámetro: 550 mm Agujeros: 16 θ 23 mm Para más detalles ver plano. 5.18.2.- Sistema de sujeción de la tubería con la caja de impacto en el caso de las NKM o en el codo en caso de la ECL. La grúa NKM utilizan para la vinculación de la tubería con la caja de impacto un elemento llamado Rotula ver figura 5.10, este permite que el cuerpo del tubo tenga cierto grado de libertad y no sea totalmente rígido y lo ayude a absorber a su vez impactos. En el caso de la ECL este sistema utiliza una junta de expansión bridada, ver figura 5.11, que permite cumplir la función de la rótula utilizada en la NKM. Para lograr la unificación de los dos sistema se utilizará es necesario retirar la brida de la junta de expansión que utilizan las grúas ECL y

colocar una brida que sea del mismo diámetro de la brida de unión con la rótula.

Figura 5.9 Brida para el codo de la grúa ECL

1

1

Figura 5.10 Sistema de vinculación Grúa NKM. 1) Rotula

Figura 5.11 sistema de vinculación Grúa ECL. 1) Junta de expansión bridada.

Las dimensiones de esta nueva brida será de: Diámetro: 680 mm 16 Agujeros de 22,5 mm a 180 centímetros del centro Para mayores detalles ver plano.

5.18.3- Cálculo de soldadura entre la tubería y la brida

Soldadura

W

d

F Figura 5.12 Vista lateral. Unión mediante soldadura de la tubería y la placa circular

Figura 5.13. Vista frontal. Unión mediante soldadura de la tubería y la placa circular.

W: Peso del perfil tubular rectangular. F: Fuerza producida por cualquier choque o colisión de las tuberías durante el proceso. d : Distancia de aplicación de la fuerza respecto a la soldadura estudiada. a : Longitud del cordón de soldadura. b : Longitud del cordón de soldadura. a soldadura está sometida a esfuerzos de tracción y a cizalladura debido a la carga W y a P respectivamente.

5.18.3.1- Centro de gravedad de la soldadura.

R CG

5.21.3.4.- Área de la garganta: Por Tablas apéndice se tiene que el área de la garganta de la soldadura es: 1,414 1,414. . 225. 999,5. 5.21.3.5.- Segundo momento polar de inercia: . 3,58 10 Inercia es: 0,707. . . 2,53 10 5.18.3.4.- Distancia existente más alejada desde el centro de gravedad hasta el punto estudiado (C). 225 Electrodo: Denominación: E80XX, recomendado por CONDUVEN en su catalogo para el material ASTM A-500 Esfuerzo de fluencia:

5633

200

5.18.3.5.- Esfuerzo de corte producto de la fuerza de

,

,

. .

, .

2

5.18.3.6.- Momento flector máximo Se considera como una viga en voladizo y empotrada a uno de los extremos y sobre la misma actúa una fuerza ubicada 1600cm con respeto a la zona de aplicación de la soldadura, por lo tanto se tiene que:

á

Por Tablas, ver anexos, para este caso se tiene que:

á

200

á

á

1600

320.000

5.18.3.7.- Esfuerzo normal producto del momento flector:

320.000 2,53 10 284,58

22,5

5.18.3.8.- Teoría de esfuerzos cortante máximo:

á

284,58 2

á

Asumiendo un

1

á

2 2

á

se tiene: 142,3

Por Tablas, ver anexos, tenemos que para corte el 0,4 1971,6

142,3

1971,6

Cumple!

5.18.3.9.- Cálculo de la soldadura a tracción. El peso aproximado del conjunto de la tubería de succión es: 1092,15 kg. Para efectos del diseño se utiliza 1200kg, por lo tanto;

τ

P A

99,95.

τ

1200 kg 99,95. h

Por lo tanto, 1200 kgf 99,95 x 1 cm

τ

τ

12

kgf cm

Comparando este esfuerzo máximo con el esfuerzo admisible a tracción del material tenemos que 0,6 0,6 5633

3379,8 , por lo tanto se puede observar que: 12

12

3379,8

Esto indica que la soldadura no fallará a tracción.

5.19.- Diseño de la pieza de sujeción para el sistema de elevación, con las guayas o cadena, de las tuberías.

Figura 5.14 Pieza de sujeción de las guayas o cadenas

La pieza mostrada en la fig.5.14 tiene como función la sujeción de las cadenas o guayas utilizadas por las grúas para realizar la elevación o descenso de las tuberías durante el proceso de succión de coque. Esta pieza está unida a la tubería mediante soldadura y la misma posee un perno para asegurar la vinculación con la respectivas guayas o cadenas Como se observa en la figura la tubería debe poseer dos de estas piezas para realizar su tarea. Las fuerzas que deben soportare en el caso cuando se use cadenas será igual al peso ponderado de la tubería interna más la campana o cola de pato y el cual tienen un valor de: Peso de la tubería= 374 kg Peso de la campana = 20,5 kg Peso total = 394,1 se tomará 400 kg para efecto de los cálculos Peso ponderado por 1,5 = 600kg Debido a lo complejo de la pieza se estudiará de la manera siguiente: En primer caso se realizará el diseño suponiendo que para la vinculación se utilizan cadenas y más adelante se estudiará el caso cuando se utilicen

las guayas. 5.19.1.- Caso 1 Cadenas 5.19.1.1 Análisis de esfuerzos y deformación de la pieza en software de elementos finitos. Las fuerzas dadas al programa están ubicadas en la parte azul mostradas en la figura 5.15 y tiene un valor de 150 kgf, esto ya que el peso total de 600kgf es dividido en 2, que es la cantidad de piezas que absorben esta fuerza y nuevamente dividida en 2 ya que dichas fuerza actúan sobre dos áreas (las azules mostradas)

Figura 5.15 Ubicación de las fuerzas sobre el elemento

5.19.1.2.- Resultados del análisis 5.19.1.2.1 Esfuerzo principal:

Figura 5.16. Esfuerzos principales presentados por el análisis

En la figura 5.16 se puede observar a diferentes tonalidades los esfuerzos que presenta la pieza. El mayor esfuerzo es de 26,326 MPa que al ser comparado con el esfuerzo de fluencia del material ASTM A-36 de 249,9 MPa (2550kg/cm2) se concluye que la pieza no fallará cuando actúa en ella una fuerza máxima de 150 kgf (1470N). 5.19.1.2.2.- Deformación:

Figura 5.17 Deformaciones presentadas por la pieza

Luego de aplica una fuerza de 150 kgf (1470N) los resultados obtenidos

para la deformación están mostrados en la figura 5.17. Siendo el mayor igual a 0,273mm ubicada en la parte roja. 5.19.1.2.3 Factor de seguridad:

Figura 5.18 Factor de seguridad de la pieza

El factor de seguridad mínimo, ver figura 5.18, arrojado por el análisis es de 7,86 lo cual nos indica que la pieza no fallará y su diseño es bastante adecuado. 5.19.2.- Diseño de la soldadura para unir la pieza, para el sistema de elevación, y el tubo interno.

Figura 5.19 Ubicación de la soldadura para la unión de la pieza y el tubo

La soldadura será aplicada a lo largo de la pieza como se muestra en la

figura 5.19. Esta soldadura estará sometida a corte y a flexión por ende el estudio se centrara en estos tipos de fallas. 5.19.2.1- Centro de gravedad de la soldadura. 70

50 b

d X Y 35 25

5.19.2.2.- Área de la garganta: Por Tablas apéndice se tiene que el área de la garganta de la soldadura es: 1,414 0,17. 5.19.2.3.- Segundo momento polar de inercia:

6

3

26,54 Inercia es: 0,707. .

6

18,76.

3

5.19.2.4.- Distancia existente más alejada desde el centro de gravedad hasta el punto estudiado (C). 43,01 Electrodo: Denominación: E80XX 5633

Esfuerzo de fluencia:

5.19.2.5.- Esfuerzo de corte producto de la fuerza de

,

250

,

14,73

Nota: El peso de la pieza es de aproximadamente 1,5 kg el cual se puede despreciar debido a la diferencia con la fuerza de 250kg. 5.19.2.6.- Momento flector máximo Se considera como una viga en voladizo y empotrada a uno de los extremos, por lo tanto se tiene que:

á

L

Por Tablas de apéndices, para este caso:

á

250

á

4,6

1150

á

5.19.2.7.- Esfuerzo normal producto del momento flector:

1150 18,76

4,3

263,6

5.19.2.8.- Teoría de esfuerzos cortante:

á

Asumiendo un

á

2

á

263,6 2

14,73

0,5

se tiene:

á

265,24 5.19.2.9.- Por Tablas tenemos que para corte el 0,4 2253,2

265,24

2253,2 Cumple!

5.19.3.- Selección de los pernos para la vinculación de la pieza y el tubo de succión interno Debido a las dimensiones de la pieza para vincular las guayas y las cadenas el perno elegido será un DIN 931 con las siguientes especificaciones tomadas del catalogo FACTOR mostrado en la figura 5.20.

5.19.3.1.- Tornillo de cabeza Hexagonal parcialmente roscado

Figura 5.20 Características del Perno DIN 931

Norma: DIN 931 Rosca: M12 Grado: 8,8 B: 30mm K: 7,5mm S: 18 según norma ISO Grado: 8.8 El perno será estudia a cizalladura para observar su comportamiento

dentro del diseño. Cálculo a Cizalladura para pasador con sección transversal mostrada en la f igura.

T máx

F = A

Medidas de las seccion transversal

A=

F

300

(Kgf)

F

2940

(N)

1,2

cm

d(diametro) =

0,012

π .d 2

F= 2940

4

A = 1,1E-04 Tmáx = 2,6E+01 Tipo de material

Sy = 540

Coef iciente de seguridad

m

N m^2

MPa

= DIN 931/8,8

MPa

N = 20,8

L d Fc

Fc

5.19.3.2.- Calculo de la flecha: Debido a la posición del perno y a las fuerzas ejercidas sobre él se deberá calcular la deformación que sufre, por ende se debe hallar el valor de la flecha y ser comparado con el criterio expuesto por Decker.

Cálculo de la f lecha máxima

L = 2,5

(Cm)

E = 2,10E+06

Kg/cm^2

I = 0,1017876

Cm^4

P.l4 fmáx = 384.EI

fmáx = 5,71E-05

Comparación con criterio del decker

fadm = 0,000875

fmáx ≤ 0,00035L

Cumple!

5.19.3.3.- Selección de la tuerca:

Figura 5.21 Característica de la tuerca

Tuerca Hexagonal de seguridad DIN 980 V Rosca M12 y Grado 8 S: 18mm h : 12mm

Cm

5.19.3.4.- Selección de la Arandela:

Figura 5.22 Característica de la arandela

Arandela helicoidal de presión DIN 7980 M12 d1: 12,2 mm d2: 18 mm s: 2 mm 5.19.3.5.- Calculo por aplastamiento entre el perno para las guaya y la pieza de sujeción.

Figura 5.23 Aplicación de la fuerzas para el estudio de aplastamiento. P es la proyección de las áreas semicirculares.

Área: Área de un rectángulo: Base x Altura, por ende;

Ancho

A

π. R x Ancho m

La fuerza que actúa sobre cada área tiene un valor de 1470 N.

Cálculo resistivo en aplastamiento.

σ aplast =

F a.b

d = 0,06 r = 3,0E‐04 F = 1472

Area  = 1,2E‐05 σmáx = σmáx =

m^2

a(m)  = b(m)  =

1,2E+08 N/m^2 1,2E+02 MPa

Tipo de material

= ASTM A-36

σadm = 2550

kg/cm^2

σadm = 2,5E+02

Pa

Coef iciente de seguridad

N =

σ Admsible σ aplast

N= 2,0

m m N 9,4E‐04 0,0125

5.19.3.6.- Caso II Sujeción mediante guayas. Análisis de esfuerzos deformación en software de diferencia finita. 5.19.3.6.1.- Esfuerzo equivalente:

Figura 5.24 Esfuerzos equivalentes presentados

En la figura 5.24. Se observa que la mayor concentración de esfuerzos está en la zona roja de la misma y tiene un valor máximo de 6,569 MPa. Este esfuerzo al ser comparado con el esfuerzo de fluencia del material ASTM A-36 se puede concluir que la pieza no fallará cuando se le aplique una fuerza de 1470 N. 5.19.3.6.2.- Deformación:

Figura 5.25. Deformación presentada en la pieza

La mayor deformación de la pieza es de 0,139 mm siendo bastante aceptable y se encuentra ubicada en la zona de color rojo mostrada en la figura 5.25. La zona de color azul es aquella que permanece unida a la tubería por medio de soldadura y por ende presente la no movilidad del elemento en ese extremo.

5.19.3.6.3.- Factor de seguridad:

Figura 5.26 Factor de seguridad de la pieza

En este análisis el factor de seguridad minino es de 15, ver figura 5.26, valor que asegura que la pieza no fallará cuando se le es aplicada una fuerza de 1470 N brindando confiabilidad al diseño.

5.20.- Cálculo de la campana o cola de pato:

Figura 5.27 Vista tridimensional de la Campana o Cola de pato

Los cálculos representados anteriormente fueron realizados en el software “Programa para el cálculo de campanas de extracción localizada” diseñado por Daniel Febres y Benjamín García y el mismo fue suministrado por el Ing. Luis Mata

La pérdida total es aproximadamente 27,0551mmcda (

.

)

Para mayor detalle de la campana o cola de pato ver planos 5.20.1.- Soldadura en las planchas de unión con la cola de pato La soldadura que unirá a las planchas que conforman la cola de pato será bajo la norma AISC que nos dice que:

Soldadura

Figura 5.28 Zona de aplicación de la soldadura para placa y el tubo interno

5.20.1.2.- Centro de gravedad de la soldadura de la placa solidaria al tubo interno. 100

10 Y

X

b d 0,83 50

5.20.1.3.- Área de la garganta: Por Tablas apéndice se tiene que el área de la garganta de la soldadura es: 1,414 2 0,12. 5.20.1.4.- Segundo momento polar de inercia:

12

6

133.33 Inercia es: 0,707. .

12

6

94,27. 5.20.1.5.- Distancia existente más alejada desde el centro de gravedad hasta el punto estudiado (C).

9,21

Electrodo: Denominación: E80XX 5633

Esfuerzo de fluencia:

5.20.1.6.- Esfuerzo de corte producto de la fuerza de

,

200

,

11,79

Nota: El peso de la pieza es de aproximadamente 0,695 kgf el cual se puede despreciar debido a la diferencia con la fuerza de 200kgf. 5.20.1.7.- Momento flector máximo Se considera como una viga en voladizo y empotrada a uno de los extremos, por lo tanto se tiene que:

á

Por Tablas para este caso: á

200

á

á

1800

9

5.20.1.8.- Esfuerzo normal producto del momento flector:

1800 94,27

9,21

175,86

5.20.1.9.- Teoría de esfuerzos cortante: á

á

Asumiendo un

0,5

á

2 175,86 2

11,79 á

se tiene: 125,46

Por Tablas tenemos que para corte el 0,4 2253,2 125,46

2253,2 Cumple!

5.20.2.- Selección de los pernos, tuerca y arandela para vincular a la Cola de pato o campana con la tubería interna Estos pernos se encuentran sometidos a tracción y a cizalladura producto del peso de la campana más el peso del postizo y a cualquier fuerza debido a cualquier golpe horizontal que sufra la tubería al momento de realizar la succión.

Para dimensiones ver anexo Norma DIN 931/8,8 Rosca M10 P = 1,5 s = 18 mm k = 6,4 mm b = 26 mm Grado 8,8 5.20.3.- Cálculo resistivo del Perno a Tracción

Calculos a tracción del perno con la seccion transversal mostrada en la figura.

St

P = A

P P

3920

Kgf N

d d

1 0,01

cm m

A=

7,9E-05

m^2

St =

49,9

MPa

Medidas de las seccion transversal

Tipo de material

Sy = Coef iciente de seguridad

S Y >> S tracción

400

= DIN 931/8,8

540

MPa

N =

10,8

se cumple

Ft

d

5.20.4.- Cálculo resistivo a cizalladura La fuerza para el cálculo es la misma utilizada para la soldadura en la parte superior para unir a la tubería externa con la brida y es 200 kg. Cálculo a Cizalladura para pasador con sección transversal mostrada en la f igura.

F A

T máx =

Medidas de las seccion transversal

A=

F = 200

Kgf

F = 1960

N

d(diametro) =

π .d 2

1,0

cm

0,01

m

F= 1960

4

A = 7,9E-05 Tmáx = 2,5E+01 Tipo de material

Sy = 540

Coef iciente de seguridad

N m^2

MPa

= DIN 931/8,8

MPa

N = 21,6

L d Fc

Fc

En la figura 5.29 se pude apreciar la nueva tubería de succión y sus detalles

Selección de la Arandela: DIN 1441 ST/HV 100 d1: 11mm d2: 20mm S: 2,5mm Selección de la tuerca: Tuerca hexagonal de seguridad total DIN 980 V/8 P: 1,5 mm S: 16 mm H: 10 mm Para mayores detalles ver anexo

La figura 5.29 muestra el conjunto de la nueva tubería de succión, observándose los detalles más importantes.

Figura 5.29 Conjunto tubería de succión y detalles.

5.21.- Diseño de los tubos y estructuras para la descarga de polvillo En las figuras 5.28 y 5.29 se observan las variantes existentes entre el sistema de descarga de polvillo actual de la grúa NKM y ECL. En las NKM posee un tubo telescópico y en la ECL posee una manga para realizar la operación. El polvillo es descargado en una tolva como se muestra en la figura 5.30 y el cual, para el nuevo sistema, será sustituido por un conteiner, esto con la finalidad de reducir el derrame de polvillo al ambiente que se presenta actualmente.

Manga Figura 5.28 Sistema de descarga de polvillo grúa NKM

Figura 5.29. Sistema de descarga de polvillo grúa ECL

Para el nuevo diseño se realizará la adaptación de tuberías circulares y en el extremo libre de las mismas y se colocará mangueras flexibles de diámetro acorde al de dichas tuberías. Las mangueras flexibles son fabricadas por la empresa GUMIS bajo las especificaciones dadas.

Figura 5.30 Tolva del sistema actual de descarga de polvillo

5.21.1.- Conteiner de retención del polvillo La manguera flexible, antes mencionada, será vinculada en una estructura y mediante tubería conducirá el polvillo hacia un conteiner. Este conteiner tendrá las siguientes características ver figura 5.31.

1

3

2

4

Figura 5.31 Conteiner para retener el polvillo descargado de la grúa

Donde: 1. Tapa del conteiner. 2. Guía de la tapa para las uñas del montacargas. 3. Guía del conteiner para las uñas del montacargas. 4. Conteiner. Las planchas, tubería y perfiles utilizados para la construcción del conteiner son adquiridos en la Empresa H-WELLE de Puerto Ordaz con un material ASTM A-36 como se puede observar en los anexos. 5.21.1.1- Planchas utilizadas para el conteiner 4 planchas de 1800x1200x10 2 Planchas de 1200x1200x10 4 Ángulos para refuerzos de los laterales del conteiner. Longitud: 1100mm Ancho: 75 mm 2 Ángulos para la tapa de Longitud: 1200 mm Ancho: 75 mm 1 Angulo para la tapa de Longitud: 1680 mm Ancho: 75 mm Para mayores detalles de planchas y ángulos ver anexo y planos

5.21.1.2.- Dimensiones del Conteiner Largo: 1800 mm Ancho: 1200 mm Alto: 1200 mm 5.21.1.3.- Capacidad de retención de polvillo del Conteiner V

1,8x1,2x1,2 m ,

5.21.1.4.- Peso del conteiner (sin polvillo) Bajo el programa Autodesk inventor 11 el peso de la estructura del conteiner es aproximadamente:

5.21.1.5.- Peso de la cantidad de polvillo máximo que se puede retener en el conteiner. La densidad es conocida mediante la solicitud al departamento de laboratorio central de la empresa CVG Carbonorca arrojando resultado de

Ver anexo Como se sabe: Por ende

2,6

810 2106 , 5.21.1.6.- Peso conteiner más polvillo 1135

2106

3295 , 5.21.1.7.- Volumen de la tolva de polvillo de la grúa.

Figura 5.32 Dimensiones de la tolva de polvillo

2

11

22

11

55,4

D

28 + 52 + 11 = 91 cm 91 – 27,7 = 63,3 cm

127

63,3

110 91

130

1,0472 110,09 91 ,

91 91 27,7

130 27,7

3382018,74 1333745,45

Volumen total de la tolva de polvillo

Para efecto de la descarga de polvillo se utilizará una relación de 1 a 1, como mínimo, entre descarga y llenado del conteiner. Esto quiere decir que la tolva de polvillo al ser vaciada debe descargase en su totalidad en el conteiner. Para cumplir con esta condición se debe fabricar dos conteiner por cada

sistema de descarga. Esto ya que cada conteiner posee una capacidad de 2,6 m3 y con esa cantidad se superaría la capacidad de la tolva de 4,8 m3 de polvillo garantizando la relación 1 a 1. Nota: No se realiza el diseño con un sólo conteiner, ya que el dimensionamiento del mismo ocasionaría problemas al operador del montacargas ya que afectaría su visibilidad y manipulación.

5.21.1.8.- Soldadura para el Conteiner La soldadura aplicada a los conteiner se realiza con un electrodo con denominación AWS E7024 recomendado por la Empresa AGA en su catalogo Electrodos y soldadura. Para mayor información ver anexos El espesor de filete se toma bajo la norma AISC que recomienda textualmente que: “Cuando los bordes tengan más de 6mm, podrá tomarse como espesor de filete el espesor del borde menos 1,5” El espesor de las planchas para el conteiner es de 10 mm, por ende siguiendo la recomendación anterior el cordón de soldadura tendrá un espesor de 8,5 mm. 5.21.2.- Tubería de descarga de polvillo vinculada mediante brida a la grúa Para la tubería de descarga de polvillo se sustituirá la tubería telescópica en el caso de la NKM y la manga en el caso de la ECL por una tubería soldada a una brida como se muestra en la figura 5.33

Figura 5.33 tubería para descarga de polvillo

5.21.3.- Características de la tubería Material: ASTM A-500 Diámetro: 8 5/8” (219,1mm) Longitud: Dependerá de la grúa ya que se debe asegurar que la distancia de la boquilla del tubo respecto al piso sea mínimo 2260 mm esto con la finalidad de evitar alguna colisión de la tubería con los componentes que conforman al horno. Longitud para la NKM: Longitud para la ECL: 300 mm. Para mayor detalle ver planos

5.21.3.1- Características de la Brida Escriba aquí la ecuación.

5.21.3.2- Soldadura de la tubería con la brida

Soldadura

Figura 5.34 Vista frontal de la soldadura

La soldadura en este caso se ve sometida a tracción debido al peso de la tubería mas el peso de la manguera y a corte debió a cualquier fuerza que se ejerza sobre la tubería como por ejemplo un golpe contra una estructura por descuido del operador de grúa etc. 5.21.3.3.- Centro de gravedad de la soldadura

CG

5.21.3.4.- Área de la garganta: Por Tablas apéndice se tiene que el área de la garganta de la soldadura es: 1,414 1,414. . 220. 977,29.

5.21.3.5.- Segundo momento polar de inercia: . 3,35 10 Inercia es: 0,707. . . 2,37 10 5.21.3.6.- Distancia existente más alejada desde el centro de gravedad hasta el punto estudiado (C). 220 Electrodo: Denominación: E80XX Esfuerzo de fluencia:

5633

300

5.21.3.7.- Esfuerzo de corte producto de la fuerza de

,

,

. .

.

3,07

5.21.3.8.- Momento flector máximo Se considera como una viga en voladizo y empotrada a uno de los extremos, por lo tanto se tiene que:

P

á

Por Tablas, ver anexos, para este caso se tiene que:

á á

á

300

50

15.000

5.21.3.9.- Esfuerzo normal producto del momento flector:

15000 2,37 10

20

12,658

5.21.3.9.- Teoría de esfuerzos cortante máximo: á

á

Asumiendo un

0,5

á

2 12,658 2

se tiene: 14,07

3,07 á

Por Tablas, ver anexo, tenemos que para corte el 0,4 2253,2 14,07

2253,2 Cumple!

5.21.4.- Partes que conforman el conjunto de descarga de polvillo

1

2

4 3

5 Figura 5.35 Conjunto para descarga de polvillo

1. Tubería de descarga vinculada a las grúas.

2. Tubería para el transporte del polvillo al conteiner. 3. Pantalón o “Y” de distribución del polvillo a los conteiner. 4. Agarres para el Big Bag. 5. Conteiner. Nota para completar el conjunto se colocarán Mangueras flexibles no representadas en la figura anterior.

5.21.4.1.- Brida Para vincular al tubo de transporte de polvillo con El Pantalón Diámetro de la brida: 300mm Diámetro menor de la brida: 219,5 mm Agujeros: 8x θ14 5.21.4.2.- Pantalón o “Y” de distribución de polvillo a los conteiner

Válvula Automática

Brida

Figura 5.36 Sistema de distribución para la descarga de polvillo.

5.21.4.3.- Estudio resistivo de los PERNOS para la brida En total se colocarán 8 pernos como se muestra en la figura. Los pernos se encuentran sometidos a tracción y los mismos soportan una carga de 84kg que vienen distribuidos entre el peso del pantalón, de los agarres para big bag, el peso de las mangueras flexibles a colocar y la válvula automática. Para efectos de diseño se tomará una carga de 120kg. Esta cantidad al ser dividida por 8 se obtiene un valor aproximado de la fuerza que debe resistir cada perno por ende se tiene que: 120 8

15

Calculos a tracción del perno con la seccion transversal mostrada en la figura.

St

P = A

P P

147

(Kgf) (N)

d d

1,4 0,014

cm m

A=

1,5E-04

m^2

St =

1,0

MPa

Medidas de las seccion transversal

Tipo de material

Sy =

Coef iciente de seguridad

S Y >> S tracción

15

= DIN 931/8,8

540

MPa

N =

565,5

se cumple

Ft

d

5.21.4.4.- Selección de la tuerca: Tuerca Hexagonal de seguridad DIN 980 V Rosca M14 y Grado 8 S: 22mm h: 14mm 5.21.4.5.- Selección de la Arandela Arandela helicoidal de presión. M12 d1: 14,2 mm d2: 21.1 mm s: 3 mm Para mayores detalles de las tuercas y arandelas ver apéndices

5.21.4.6.- Sistema de agarres para el Big Bag

Soldadura

Figura 5.37 Sistema de agarres para el big bag

Como se observa en la figura 5.37 este elemento será fabricado con cabillas dobladas y de diámetro θ1/2” unido todo el conjunto por medio de soldadura. La ubicación de este elemento con respecto al suelo es de 1832 aproximadamente permitiendo esto un buen agarre de las bolsas en comparación con lo que exista actualmente en molienda para un sistema

de descarga de polvillo. Para mayores detalles de este sistema ver plano.

5.21.4.7.- Soldadura para el sistema de agarre del Big Bag

5.21.3.3.- Centro de gravedad de la soldadura

CG

5.21.3.4.- Área de la garganta: Por Tablas apéndice se tiene que el área de la garganta de la soldadura es: 1,414 1,414. . 12,7. 56,42. 5.21.3.5.- Segundo momento polar de inercia: . 2 Inercia es: 0,707. . . 1,41

5.21.3.6.- Distancia existente más alejada desde el centro de gravedad hasta el punto estudiado (C). 220 Electrodo: Denominación: E70XX 4929

Esfuerzo de fluencia:

5.21.3.7.- Esfuerzo de corte producto de la fuerza Estos agarres no soportaran un peso significativo solo se utilizaran para abrir las bolsas para depositar el polvillo de coque. Para el diseño se asumirá una fuerza de 50 kg esto para prever alguna anomalía dentro del proceso de descarga de polvillo que pueda afectar a este elemento. 50

,

,

. . ,

.

8,86

5.21.3.8.- Momento flector máximo Se considera como una viga en voladizo y empotrada a uno de los extremos, por lo tanto se tiene que: P

á

Por Tablas, ver anexos, para este caso se tiene que:

á

50

á

30

1500

á

5.21.3.9.- Esfuerzo normal producto del momento flector:

1500 1,41

1,27

1351,06

5.21.3.9.- Teoría de esfuerzos cortante máximo: á

á

Asumiendo un

0,5

á

2 1351,06 2

8,86 á

se tiene: 1351,76

Por Tablas, ver anexo, tenemos que para corte el 0,4 1971,6 1351,76

1971,6 Cumple!

Por ende una soldadura con un cordón de 0,5 cm y un electrodo de denominación E 70xx se asegura la unión de los brazos del sistema de agarre de las bolsas para la descarga del polvillo. Por último la soldadura del sistema de las garras con el tubo del pantalón se realiza también con un cordón de 0,5 cm y un electrodo de denominación E 70XX. 5.21.4.8.- Válvula Automática Esta válvula tendrá como función interrumpir el paso de polvillo por medio de la tubería hacia los conteiners. Su funcionamiento se basa en un cilindro neumático que al ser accionado proporciona el movimiento a una plancha (1) para abrir o cerrar la válvula estando la misma guiada por dos planchas (2) que se encuentran separadas a su vez por planchas (3) que cumplen la función de guías o carril de desplazamiento. En la siguiente figura 5.38 se observa las características de esta válvula y la misma está conformada por:

Plancha 2

Plancha 1 Plancha 3 Figura 5.38 Válvula Automática

1. Un cilindro neumático encargado de abrir y cerrar la válvula. 2. Planchas con las siguientes formas.

Figura 5.39 Planchas que conforman la válvula automática

Para mayores detalles ver planos 5.21.4.9.- Selección de pernos para la válvula automática Estos pernos se encuentran sometidos a tracción debido al peso del conjunto que se encuentra unido a la parte inferior de la válvula. El peso aproximadamente es de 120 kg distribuidos entre el pantalón, los agarres para el big bag, la plancha inferior de la válvula, las mangueras flexibles. Para efectos del diseño se pondera esta fuerza a 200 kg

5.21.4.9.1.- Cálculos resistivos de los pernos Calculos a tracción del perno con la seccion transversal mostrada en la figura.

St

P = A

P P

117,6

(Kgf) (N)

d d

1,4 0,014

cm m

A=

1,5E-04

m^2

St =

0,8

MPa

Medidas de las seccion transversal

Tipo de material

Sy =

Coef iciente de seguridad

S Y >> S tracción

12

= DIN 931/8,8

540

MPa

N =

706,9

se cumple

Ft

d

La fuerza utilizada en el cálculo anterior se obtiene al dividir la carga a la cual está sometido el conjunto entre el número de pernos utilizados. Por lo tanto cada perno debe resistir una fuerza de:

200 17

11,65

12

Cálculo a Cizalladura para pasador con sección transversal mostrada en la f igura.

F A

T máx =

Medidas de las seccion transversal

A=

F = 15

Kgf

F = 147

N

d(diametro) =

π .d 2

1,4

cm

0,014

m

F= 147

4

A = 1,5E-04 Tmáx = 9,5E-01 Tipo de material

m^2

MPa = DIN 931/8,8

Sy = 540

Coef iciente de seguridad

N

MPa

N = 565,5

L d Fc

Este cálculo se realiza para estudiar el comportamiento de los pernos cuando se somete a una fuerza trasversal debido a un golpe o cualquier otro evento no esperado. Al igual que el caso anterior cada perno resiste una fuerza de: 250 17

14,75

15

Los altos coeficientes de seguridad reflejan que los pernos utilizados no fallarán cuando sean sometidos a las respectivas fuerzas y en los casos presentados.

5.21.4.9.2.- Selección de las tuercas para la válvula automática Tuerca Hexagonal DIN 955 Rosca M14 y Grado 5 M: 11mm S: 22mm 5.21.4.9.3.- Selección de la Arandela para la válvula automática Arandela helicoidal de presión. DIN 126 M14 grado ST/HV100 d1: 15,5 mm d2: 28 mm S: 2,5 mm Para mayores detalles de las tuercas y arandelas ver apéndices 5.21.4.10.-

Selección

del

cilindro

Neumático

para

la

Válvula

Automática.

Figura 40 Cilindro Neumático

La descripción del Cilindro Neumático a utilizar para la válvula Automática será:

Cilindro Neumático PARKER Envelope Pressure 250 Psi AIR Modelo: 0250CBB2 AR 14mc Serie: 2A 5.21.4.10.1.- Elemento para vincular al cilindro neumático

Figura 5.41 Elemento para vincular al cilindro neumático

Este elemento tendrá como función asegurar la vinculación del cilindro neumático utilizado en la válvula automática. Para mayores detalles ver planos.

5.21.4.10.2.- Pieza para vincular la plancha deslizante de la válvula y el cilindro neumático. Esta pieza tiene como función vincular la plancha deslizante de la válvula y el cilindro neumático para producir el movimiento de cierre y el paso de polvillo.

Figura 5.42 Pieza para vincular la plancha deslizante de la válvula y el cilindro neumático

Estudio del ángulo de incidencia del polvillo con respecto a la superficie de deslizamiento.

60º 30º

Figura 5.43 Ángulo de incidencia en el pantalón.

Se debe asegurar que a un ángulo de 30º el material de polvillo sea capaz de deslizar o vencer la fricción existente entre la tubería y dicho material. Para ello se realiza un estudio del ángulo de incidencia de este material. El ángulo de incidencia no es más que aquella inclinación donde el cuerpo, en este caso polvillo, comienza a deslizar. Para ello se debe hacer los siguientes análisis:

Diagrama de cuerpo libre entre polvillo y la superficie de la tubería:

Y X

N

fr

Px θº

Py P

Figura 5.44 Diagrama de cuerpo libre del polvillo sobre la superficie de deslizamiento.

Sumatoria de fuerzas: Sumatorias en X: ∑F ∑F . . sin

III

. . cos

IV

f

P N

m. a I

P

0 II

Sustituyendo III en I tenemos: ∑F

f

m. g. senθ

m. a V

Despejando de II a N e introduciendo en valor de . . cos Donde VI En V se obtiene:

.

VI

N

f Pero f

.

senθ

m. a VII

por lo tanto: .

N tan θ

m. a

tan θ

m. a

tan θ

m. a N

VIII

Asumiendo que el cuerpo no desliza se anularía el factor del lado derecho de la ecuación ya que a

0 y se concluye que: IX

Esta ecuación nos indica, que para mantener la condición de no deslizamiento la tangente del ángulo

debe ser igual a el coeficiente de

fricción ( estatico). Ahora para que deslice el cuerpo sobre la superficie en el caso mostrado la fuerza X . . sin

.

. . sin . . cos XI Esta ecuación indica que, para que exista deslizamiento entre el material y la superficie, la tangente del ángulo

debe ser mayor que el coeficiente

de fricción. Para obtener el coeficiente de fricción se debe realizar una prueba

experimental, para ello se toma una plancha de acero de 300 mm de largo y 200 mm de ancho facilitado en el taller central de la empresa. La prueba consiste en colocar sobre la plancha, en posición horizontal, el polvillo tomado como muestra (ver figura ) e ir inclinado dicha plancha. Al instante que el polvillo comienza a deslizar se toma el valor o altura con respecto a piso. Placa

Polvillo 240 mm

X mm

θ Figura. Esquema de la prueba experimental para el ángulo de deslizamiento del polvillo y el coeficiente de fricción

Esta prueba se lleva a cabo en cuatro oportunidades tomando un valor de altura promedio al cual el polvillo desliza. En la tabla se muestran estos valores: Tabla Valores de alturas al cual desliza el polvillo.

Nº de pruebas Valores de altura respecto al suelo (mm) 1

115

2

125

3

120

4

120

El valor promedio es de 120 mm. Para conocer el ángulo θ al cual el polvillo desliza se utiliza la relación de Pitágoras por ende: sin

sin

0,5 y θ 30

sin

0,5

Ahora como tan

tan 30

0,577 el coeficiente de fricción estático

entre el polvillo y la plancha de acero es

0,577.

El coeficiente dinámico es 25% el coeficiente estático1 entonces: 0,25 0,577 0,14 En conclusión el polvillo desliza a 30º y posee un coeficiente de fricción de 0,14 5.21.5.- Plataforma industrial para la descarga de polvillo

2

1

4

3

5

Figura 5.43 Plataforma para la descarga de polvillo.

Debido al espacio para la ubicación de los conteiners para la descarga de polvillo es necesario que se diseñe una plataforma como la mostrada en 1

Véase Ferdinand P. Beer y E. Russell Johnsston. Jr. Mecánica vectorial para ingenieros Cuarta edición. México 1985 pág. 292

la figura 5.43 que permita al personal de hornos realizar la conexión de la manguera flexible entre la grúa y la tubería de transporte de polvillo hacia los conteiners. 5.21.5.1.- Normas de seguridad a la cual se debe regir la plataforma. •

La altura mínima de las barandas debe estar comprendida en un rango de 1000 a 1200 mm.

•

Debe poseer un refuerzo horizontal a 450mm respecto a la rejilla o piso de la plataforma.

•

La rejilla a colocar debe ser antiresbalante.

5.21.5.2.- Selección de la rejilla electroforjadas Estas rejillas son utilizadas en gran número de aplicaciones tales como: pisos y plataformas industriales, peldaños de seguridad, rejillas de sumidero, rejas y cerramientos de seguridad. Del catálogo de la empresa H-WELLE se selecciona una rejilla electroforjadas tipo G1 de 0,91m x 3,05 m con pletina de 63,5 de alto y 4,8 de ancho. Para mayor detalle ver anexos La plataforma está conformada también por: Ver Figura 5.43 1. 4 Ángulos de 75x7 mm y de largo 1200mm. 2. 3 Perfiles circulares de 2” (50,8mm). (2) de 1123 mm y (1) de 898 mm 3. 4 Ángulos de 75x7 mm. (2) de 892 mm y (2) de 1160 de largo 4. 2 Planchas de 1154x60x5 mm 5. 2 Ángulos para realizar el refuerzo de la estructura.

5.21.5.3.- Soldadura para la plataforma Industrial Las soldaduras para la estructura serán

5.22.- Sistema de Empaque La función de este sistema es realizar el empaque de la fosa al instante de efectuarse la cocción del ánodo para asegurar así una transferencia de calor uniforme en todo el cuerpo del mismo y obtener un ánodo con todos los estándares de calidad requeridos. Las grúas, tanto NKM como ECL, en el sistema de succión posee una tolva de almacenamiento donde se va depositando el coque succionado de las fosas y el cual posteriormente se utiliza como material de empaque. Las grúas ECL y NKM poseen sistemas de empaque diferente, En las figuras 5.43, 5.44 y 5.45 se puede observar tal diferencia.

Figura 5.43 Sistema de

Figura 5.44 Sistema de

empaque grúa ECL 1

empaque grúa ECL 2

Figura 5.45. Sistema de empaque grúa NKM 1 y 2

Como se observan en las imágenes anteriores y debidas a modificaciones en este sistema, la grúa ECL 1 difiere de la ECL 2 y por ser fabricantes diferentes las grúas NKM también. La ECL 1 posee actualmente una válvula tipo cuchilla que permite la

interrupción y/o el paso de material de empaque hacia las fosas. La ECL 2 posee el sistema original de estas grúas teniendo una válvula accionada por un cilindro neumático. La NKM 1 y 2 poseen una válvula de compuerta corrediza que cumple la misma función de las ECL. Para el rediseño, de este subsistema, se requiere unificar las tuberías de empaque. Por tal motivo se debe tomar en cuenta la eficiencia que han brindado estos sistemas en las grúas a lo largo del tiempo de operación dentro de la empresa. Mediante entrevistas realizadas a los trabajadores del departamento de mantenimiento de horno, el sistema de empaque que presentan las grúas NKM son más eficientes, esto debido a que posee un mecanismo más sencillo que el utilizado por la ECL 1 y 2 y a su vez son menos frecuentes los mantenimientos que se le efectúan. Por tal motivo para el rediseño se adaptará el sistema de empaque de las grúas NKM a las grúas ECL. Para realizar esto se debe modificar el sistema desde la boca de la tolva colocando en la misma válvula de compuerta corrediza y adaptándola a las tuberías diseñadas. 5.22.1.- Dimensiones de las tuberías de empaque actuales de las grúas NKM y ECL.

•

ECL 1 Camisa: 500x420 mm Tubo 1: 218x218 mm Tubo 2: 260x243 mm Tubo 3: 300x260 mm

•

ECL 2 Tubo 1: 270x110 mm Tubo 2: 330x130 mm

Tubo 3: 380x150 mm •

NKM Telescópico 1: 360x270 mm Telescópico 2: 330x245 mm

5.22.3.- Material de las Tuberías de empaque Las tuberías de empaque en ambas grúas están conformadas de un acero especial al manganeso.

5.22.2.- Consideraciones para el diseño del sistema de empaque en las grúas NKM y ECL. •

Altura desde la brida de la tolva de almacenamiento hasta el suelo.

NKM: 5.890 mm ECL: 6.360 mm •

Distancia de la boquilla del tubo de empaque hasta el suelo.

NKM: 2.250 mm ECL: 2.100 mm •

Espacio aproximado que ocupa la válvula de compuerta corrediza a utilizar.

Alto: 290 mm Largo: 730 mm

Ancho: 610 mm. •

•

Descripciones de las bridas de la válvula de compuerta corrediza

Brida superior

Brida inferior

θ int = 220 mm

θ int = 200 mm

θ ext = 340 mm

θ ext = 340mm

Espesor = 22 mm

Espesor = 20 mm

Agujeros = 8x θ17 mm

Agujeros = 8x θ18 mm

Descripciones de las bridas en las tolvas de almacenamiento de la ECL y NKM:

Brida de la NKM θ = 382 mm Espesor = 30 mm Agujeros = 11x θ Brida de la ECL Θ =700mm Espesor = 30 mm Agujeros = 12 •

Distancia respecto al suelo de la Cabina de la grúa ECL

ECL: 2215 mm

Anexos

Anexo 1 Velocidades óptimas de captura.

Anexo 2 Relación de velocidades para diferentes materiales

Anexo 3 Velocidad de caída de partículas esféricas de material solido en aire en reposo.

Anexo 4 Diagrama de Moody

Anexo 5 Selección de ángulos

Anexos 6 Tubos estructurales Eco Sección circular

Anexos 7 Tubos estructurales Eco Sección Rectangular.

Anexo 8 Selección de rejilla electroforjadas

Anexos 9 Productos planos planchas o chapas gruesas.

ANEXO 10 Propiedades a la flexión de la soldadura a filete

ANEXO 11 Continuación Propiedades a la flexión de la soldadura a filete.

Anexo 12. Especificación técnica Material. Lamina Antidesgaste al manganeso. SUMINDU

Anexos 13 Medidas en stock de las Laminas Antidesgaste de SUMINDU.

Anexos 12 Cotización de tuberías circular y rectangular de la empresa UNICON C.A

BIBLOGRAFIA Shigley, Joseph E. Mischke, charles R. DISEÑO EN INGENIERIA

MECÁNICA. MEXICO. McGraw-Hill. 2002. Decker, Heinz y Kart: ELEMENTOS DE MAQUINAS. Ediciones URMO S.A. BILBAO ESPAÑA. Ing. Julio Santos. TRANSPORTE DE MATERIAL POR MEDIOS NEUMÁTICOS. Adiestramiento técnico. Ing. Carlos Herrera. Trabajo de ascenso INTRODUCCION AL DISEÑO MECANICO. UNEXPO. Rosa de Narváez, R. ORIENTACIÓNES PRACTICAS PARA LA ELABORACIÓN DE INFORMAES DE INVESTIGACIÓN. Ediciones UNEXPO. Puerto Ordaz Venezuela 1997