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Factores básicos para el diseño de cadenas
Son tres los factores básicos para el diseño de una cadena.
1.
Área superficial vs. Peso: Idealmente se busca conseguir la mayor área
superficial para una mayor transferencia de calor, con el mínimo peso posible. Al
evaluar, se debe calcular la relación área superficial / peso y determinar así las
diferentes geometrías de la cadena seleccionada.
2.
Resistencia: Las cadenas de los hornos son sometidas a exigentes condiciones
de trabajo constantemente para que la masa formada en el horno pueda pasar a
través de ellas. Si un horno gira a 60 RPH, en un año la cadena estará sometida más
de medio millón de veces a esta carga. La resistencia de las cadenas depende
directamente del diámetro del material y la geometría de la cadena.
3.
Adherencia del material: La función primaria de las cadenas es transferir el
calor recolectado del quemador a la masa de cemento que pasa por el horno. Al
presentar adherencia permanente de este material en la superficie de la cadena, se
reduce la capacidad de transferencia de calor. Adicionalmente, si se presenta esta
adherencia también se restringirá el flujo de calor del sistema de cadenas. Las
secciones que poseen superficies cóncavas, semiplanas y planas tienden a presentar
este problema. Las cadenas de sección redonda presentan una autolimpieza más
efectiva.
Selección del material
La selección del material para un área determinada de un horno debe ser:
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•
•
Lo suficientemente resistente para no deformarse a la temperatura del horno.
Lo suficientemente dúctil para no romperse ni quebrarse en un manejo a baja
temperatura.
Resistente a la pérdida de metal debido a oxidación, corrosión y abrasión en la
superficie.
Los elementos de aleación de los aceros proveen ciertas cualidades a las cadenas:
•
•
•
•
CARBÓN: Mientras mayor sea el porcentaje, el acero tendrá mayor resistencia
y mayor desplazamiento molecular.
CROMO: Aumenta la resistencia a la oxidación. Combinado con el carbón
mejora la resistencia mecánica a altas temperaturas, y con el níquel forma una
estructura dura (austenítica). Provee la formación de óxido de cromo en la
superficie, aumentando a la oxidación y abrasión.
NÍQUEL: Promueve la formación de una microestructura austenítica muy dura,
e incrementa la resistencia mecánica a altas temperaturas. También disminuye
el desplazamiento molecular.
Combinados los elementos anteriores y algunos otros más, se obtienen
diferentes propiedades y características en los aceros inoxidables resistentes al
•
•
calor, es decir, si la estructura de éste es ferrítica o austenítica. La diferencia
esencial entre ellas es el arreglo de los átomos. Algunas otras diferencias son:
Austenítica: No magnética; tiende a ser fuerte; Excelente resistencia en
caliente.
Ferrítica: Magnética; tiende a ser frágil; Pobre resistencia en caliente.
Fase Sigma
Al elevar la temperatura de un acero inoxidable con un alto contenido de cromo, se
presenta un compuesto intermetálico de hierro y cromo, el cual es muy duro y frágil a
temperatura ambiente. La formación de ese compuesto depende de:
•
•
Tiempo y temperatura.
Balance químico de la aleación.
La fase sigma tiende a crearse entre los 600º C y 900º C, formándose más rápido
cerca de los 900º C. se localiza en las fronteras del grano, básicamente destruyendo la
"pega" que mantiene la estructura compacta. Cada vez que se presenta incremento de
fase sigma, el metal se vuelve menos dúctil, reduciendo la resistencia al impacto a baja
temperatura. Existen dos métodos para disminuir la fase sigma:
•
•
Balancear químicamente la aleación, de manera que se desfavorezca la
formación de fase sigma.
Seleccionar aleaciones que no presenten fase sigma en el rango de
temperatura a trabajar.
Oxidación Por Sulfidación
El ataque por sulfidación deteriora los límites del grano debido a la combinación de
sulfuros con níquel, en aleaciones de alto níquel. Este tipo de ataque puede ser
encontrado en los sistemas de combustión de aceites combustibles o carbón con alto
contenido de azufre.
Se debe tener cuidado al diferenciar la oxidación por sulfidación, puesto que algunas
veces aleaciones con alto contenido de carbono, sometidas a altas temperaturas,
pueden presentar disolución de este, formando carburos eutécticos en los límites de
grano donde se forma también la oxidación, aún en ausencia de sulfuros. En la
mayoría de los casos la resistencia a la sulfidación es mejorada incrementando el
contenido de cromo, aluminio y silicio, o disminuyendo el níquel.
BASIC FACTORS FOR CHAIN DESIGNING
Considering that link chains for rotary kilns are a very critical issue that represents a
high percentage of the maintenance cost, there are three basic factors for Chain
Designing.
Surface area versus Weight: Used when the requirement is to obtain greater surface
area for increased heat transfer, with the minimum weight possible. When designing,
the factor (surface area)/(weight) must be calculated to determine different
geometries for the selected chain.
Resistance: Chains in kilns are constantly put to test due to the mass being formed
going through them. Depending on the size of the rotary kiln, and the density of the
chain system, the weight of the mass passing through the chain can be as much as
500 kg (1000 lbs). If a kiln rotates at 60 RPH (Revolutions per Hour), in one year the
chain will be put under load more than half million times. The durability of the chains
directly depends on the diameter of the material and the geometry of the chain.
Adhesion of the material: The main function of the chains is to transfer the collected
heat of the burner to the cement mass that goes through the kiln. When the material
presents a permanent adhesion to the surface of the chain, the heat transference
capacity is reduced. Additionally, if this adhesion appears it will also restrict the heat
flow of the chain system. The sections that have concave, semiflat and flat surfaces
tend to present this problem. The chains with round section have shown a more
effective auto-cleaning behavior.
Material Selection
The selection of the material for a determined area of a rotary kiln must be:
Resistant enough not to be deformed at the rotary kiln temperature.
Ductile
enough
not
to
be
broken
in
low
temperature
handlings.
Resistant to the loss of metal due to oxidation, corrosion or abrasion in the surface.
The alloy elements of the steel provide certain qualities to the chains:
CARBON: With higher percentages, the steel will have greater durability and greater
molecular displacement.
CHROMIUM: Increases the oxidation resistance. Combined with the carbon it improves
the mechanical durability at high temperatures, and with nickel it creates a hard
structure (austenitic structure). Chromium provides the formation of chromium oxide in
the
surface,
increasing
the
oxidation
and
abrasion
resistance.
NICKEL: Promotes the configuration of a very hard austenitic microstructure, and
increases the mechanical resistance to high temperatures. It diminishes the molecular
displacement.
After combining the previous elements and some others, different properties and
characteristics are obtained in the heat resistant stainless steel, that is, either a ferritic
or an austenitic structure is obtained. The essential difference among them is the
atoms layout. Some other differences are:
Austenitic: A nonmagnetic material; tends to be strong; excellent heat resistance.
Ferritic: A magnetic material; tends to be fragile; poor heat resistance.
Sigma Phase
When elevating the temperature of a high chromium content stainless steel, a metalto-metal compound of iron and chromium appears, which is very hard and fragile at
room temperature. The formation of this compound depends on:
Time
and
temperature.
Chemical
balance
of
the
alloy.
The sigma phase tends to be created between 600º C and 900º C, having a higher
formation speed near 900º C. It is located in the grain limits, basically destroying the
link that maintains the structure compact. Whenever there is an increase of the sigma
phase appearance, the metal becomes less ductile, reducing the impact resistance at
low temperatures. There are two methods to reduce the sigma phase:
Chemically balance the alloy, so that it is detrimental to the sigma phase formation.
Select alloys that do not present sigma phase at the working temperature levels.
Oxidation By Sulphitation
The attack by sulphitation deteriorates the grain limits due to the sulfide combination
with nickel in high nickel alloys. This kind of attack can be found in systems with
petroleum fuels combustion or coals with high sulfur contents.
Attention must be paid when differentiating the oxidation by sulphitation, since some
times alloys with high contents of carbon, when subjected to high temperatures can
present carbides dissolution, forming eutectic carbides in the grain limits where the
oxidation also appears, yet in sulfide absence. In most of the cases the sulphitation
resistance is improved by increasing the chromium, aluminum and silicon content, or
dropping off the nickel content.