INSTITUTO TECNOLÓGICO DE COSTA RICA

ESCUELA DE CIENCIA E INGENIERÍA DE MATERIALES

Curso: Tópicos de Procesos Industriales

Diseño de Horno para soldadura brazing

Integrantes:

Profesor: Ing. Mario Conejo

II Semestre

14/11/13

Escuela Acreditada por el Canadian Engineering Accreditation Board (CEAB)

Objetivo General

Diseñar un horno para soldadura brazing que satisfaga la potencia requerida por el proceso al menor costo posible.

Objetivos Específicos

Determinar la Potencia requerida para el proceso productivo

Determinar el calor perdido en el proceso productivo

Determinar la viabilidad de utilización de un horno de combustión

Determinar la viabilidad de utilización de un horno de resistencias

Realizar una comparación ingenieril entre los dos sistemas

Determinar los costos iniciales y mensuales para cada proceso.

Resumen

El proyecto consiste en el diseño de un horno para soldadura brazing, en la cual

se requiere un horno continuo y de baja temperatura. El horno fue diseñado para

cumplir con una producción de 100 kg/h, con un costo de 87 000 colones

mensuales, funcionando con electricidad. El sistema de suministro de calor fue

seleccionado por una mayor viabilidad económica, y dicho sistema es de

calefacción por resistencias.

El horno diseñado contempla las diversas consideraciones requeridas a fin de

optimizar el sistema en relación beneficio/costo, tomando en cuenta tanto los

costos de los materiales aislantes como los beneficios de los mismos al minimizar

las pérdidas de calor. Además se aplica un factor de seguridad a fin de asegurar

las condiciones de proceso se satisfagan y también se pueda, en dado caso,

producir un calentamiento en otro tipo de piezas con mayor volumen y otras

condiciones de proceso.

Antecedentes

Este proyecto se realiza bajo la necesidad de hornos para este tipo de

aplicaciones, la soldadura brazing es un proceso de soldadura poco desarrollado

en el país, sin embargo es un proceso muy competitivo con otro tipo de uniones

soldadas, dicho proceso provee una unión eficaz y presenta varias ventajas como

una muy baja deformación, unión de materiales disimiles, simplificar la operación

mecánica introduciendo la unión de piezas pequeñas.

Con un horno especialmente diseñado para tal fin se aumenta la competitividad de

dicho proceso, generando otra alternativa viable para uso de la industria nacional

en soldaduras y de paso ante la creciente demanda del proceso, el horno

presentado a continuación puede ser vendido como un horno especializado y de

paso generar una oportunidad de negocio para los integrantes de este proyecto.

Para el diseño del horno se toman diferentes consideraciones:

Al ser un horno de baja temperatura de operación (300ºC) se debe tener un mecanismo de homogenización de la temperatura en el sistema, pues a estas temperaturas es difícil poseer una temperatura constante en todo el volumen interno del horno a causa de la lenta transferencia de calor, pues la conductividad del aire es muy baja 0,0454 W/m.K además la transferencia de calor por radiación a esas temperaturas se toman como despreciable, puesto que es necesario una transferencia de calor por convección forzada. Para ello se utilizó un ventilador para hornos de convección, las características son las siguientes y seleccionado en relación con el volumen de aire dentro del horno:

Fig. 1 Ventiladores para hornos de convección.

Se selecciona el tipo 1, pues para requerir una velocidad estimada para una obtener un coeficiente de transferencia de calor por convección con las condiciones del horno se requieren 2500rpm

Se tomó como referencia una pieza de cobre, para la cual se selecciona una soldadura adecuada al material,

Fig. 2 Características de la soldadura seleccionada

Fig. 3 Pieza de referencia para el proceso

El requerimiento energético se debe aplicar a la unión, para que se realice correctamente el proceso de soldadura, sin embargo la aplicación de temperatura sólo a dicha zona es irreal, por lo que se aplica una cantidad de calor para que toda la pieza llegue a la temperatura de proceso (300ºC). Además se utiliza una banda con dimensiones de 30x300cm donde se colocarán 5 piezas por fila en la banda, en relación a lo anterior con un área interna del horno de 30x50cm se tiene que en el horno continuamente estarán 50 piezas.

Para la construcción del horno se necesitan diversos materiales:

o Ladrillos: los cuales se seleccionaron en relación a los requerimientos del proceso, por lo cual con unos ladrillos de uso común con un precio de 235 colones por ladrillo.

o Lana mineral: se requiere pues las pérdidas de calor solo utilizando los ladrillos son importantes, además el ahorro energético brindado

por la combinación de elementos lana- ladrillo refractario resulta más económico en ahorro energético que un ladrillo refractario. El precio de cada metro cuadrado es de 25 000 colones.

o Carcasa Acero Inoxidable: se recubre con una carcasa de acero inoxidable que se utiliza para la protección de los ladrillos y el sistema en general, se toma un espesor de 6mm. Para la compra es necesario adquirir 2 láminas de ¼’’.

Los hornos para soldadura brazing en muchos casos

Marco Teórico:

Existen en la industria una amplísima variedad de componentes o piezas de

formas tales que no pueden hacerse de una sola vez, sino que se componen de

dos o varias partes fabricadas separadamente y que luego deben unirse en forma

permanente, sólida y económica.

Las partes son en general de hierro bajo la forma de chapa estampada, partes

torneadas y trozos de caños preformados que deben unirse firmemente a veces

asegurando estanqueidad.

Si se descarta la posibilidad de un proceso de soldado artesanal, sólo pueden

unirse utilizando la soldadura de un metal en horno, proceso conocido como

solbrazado (en inglés: brazing).

Brazing es la soldadura de partes metálicas mediante otro metal fundido, por

capilaridad, proceso adecuado para grandes producciones por ser económico, de

excelente terminación y alta resistencia.

Las piezas a soldar deben previamente fijarse entre sí, mediante clavado,

solapado, encastrado o punteado. Lo indispensable para sostenerse en posición

relativa mientras dure su pasaje por el horno.

El aporte del metal a fundir puede hacerse de varias maneras a saber:

1) colocando entre las piezas a unir arandelas de forma adecuada de lámina

2) rodeando las uniones con un anillo de alambre

3) mediante el uso de pasta.

Las piezas son luego colocadas y pasadas por un horno en el cual es común,

aunque no siempre necesario,  reemplazar el aire por una atmósfera protectora

adecuada y sometidas a la temperatura de fusión del metal que funcionará como

soldadura, sin embargo también hay otras condiciones en las que no es necesario

el requerimiento de atmosfera protectora en el horno.

La soldadura brazing utiliza para la unión un metal de relleno con una temperatura

de fusión inferior a la de los metales que se deben unir, que no intervienen en el

proceso de soldadura.

En el proceso de la soldadura fuerte (o "brazing") la temperatura de fusión del

metal de relleno está por encima de los 450° C, habitualmente entre 600° y 800°C.

Hablamos de soldadura blanda cuando se unen dos metales con un metal de

rellano cuya temperatura de fusión está por debajo de los 450° C, normalmente

entre los 200° y los 400° C.

Cada vez que hay que unir dos metales iguales o distintos, habría que someterlos

a un proceso de soldadura bien sea fuerte o blanda para:

crear una unión permanente y de alta resistencia

simplificar la operación mecánica, introduciendo la unión de piezas

pequeñas.

adoptar técnicas de producción sencillas, siempre compatibles con las

exigencias de la producción en cadena

Para la selección del material de aporte se debe tomar el cuenta los metales a

soldar, en principio, hoy en día se pueden soldar fuertemente todos los metales

más importantes que aparecen en la industria, aunque a veces se presentan

algunas dificultades. El hierro dulce y aleado ligeramente, así como el acero, el

cobre, el níquel y sus aleaciones se dejan soldar fuertemente y sin ninguna

dificultad. Sin embargo, les recomendamos nos consulten para poder hacer las

pruebas correspondientes en caso de que lo deseen. Por el contrario, piezas

acabadas con aleaciones que se volatilicen con la baja temperatura o que apenas

se dejen reducir como zinc, plomo, aluminio, etc. presentan dificultades

Desarrollo

Conclusiones

Se diseñó un horno que cumple con la potencia requerida para el proceso de soldadura brazing al menor costo.

Se seleccionó el horno de resistencias, por ser el sistema que brinda la potencia requerida con un menor costo del proceso.

Se determinó que para las condiciones propuestas, el horno de combustión requiere un precalentamiento de gases o un sistema de aire enriquecido, por lo cual no tiene viabilidad para el proceso.

Se realizó el plano respectivo del horno diseñado

Incropera F. Fundamentos de transferencia de calor, 4ª ed. Prentice Hall, Mèxico 1999.