SOBRESOLERAS PUENTE ALIGERADAS

INFLUENCIA EN EL COMPORTAMIENTO DE LA VAGONETA

En las prestaciones de una vagoneta para la cocción de material cerámico, las características y en consecuencia el comportamiento de las sobresoleras juegan un papel de vital importancia. Además, en el caso particular de las instalaciones donde el secado del material se realiza sobre la vagoneta, esto es doblemente importante.
Las sobresoleras, piezas pasafuego o pies de encañe, es el único elemento, a parte del aire, en contacto con las piezas a fabricar durante el proceso de cocción. Por lo tanto, el comportamiento de estas piezas durante los procesos de calentamiento y enfriamiento a través del horno tienen una enorme influencia sobre el calentamiento, cocción y enfriamiento del material en contacto directo con ellas.

Otra de las funciones de las sobresoleras, además de la de soporte de la carga, es la de proveer un paso de aire por debajo de la carga. Para una cocción óptima, se requiere un buen equilibrio de este flujo con los que a su vez pasan entre el material y la bóveda en la parte superior, y entre el material y las paredes del horno en los laterales. Unos flujos correctamente equilibrados permiten una cocción más uniforme del material y por tanto menores roturas y mayores posibilidades de reducir el ciclo en el horno.
En las instalaciones donde se carga el material en verde directamente sobre la vagoneta, el comportamiento de las sobresoleras influye además en el proceso de secado. En concreto, en el momento de la carga del material sobre la vagoneta es conveniente
que las sobresoleras no estén demasiado calientes. Si la temperatura es excesiva, frecuentemente en verano o cuando se carga la vagoneta poco tiempo después de su salida del horno, se produce un secado prematuro de las primeras capas de material que
ocasiona roturas en el material a secar. En este artículo nos vamos a centrar en mostrar el último desarrollo de Forgestal/ Refractarios Campo en sobresoleras y sus ventajas respecto a los diseños clásicos en ciertas aplicaciones.

NUEVO DISEÑO DE SOBRESOLERA
Forgestal-Campo ha diseñado una sobresolera aligerada (U 200102335(9)), basada en su conocido diseño de puente isorresistente inventado y fabricado por primera vez en 1994.
En este diseño concurren tres factores que influyen decisivamente en las prestaciones de la sobresolera:

  • Más superficie expuesta a la acción del aire que mejora sustancialmente el intercambio de calor de la pieza con éste.

  • Menos masa a calentar y a enfriar.

  • Menos grosor de las paredes.

Estas tres características juegan todas en el mismo sentido de ofrecer poca resistencia al cambio de temperaturas. Esto se traduce en la práctica en que:

  • La sobresolera sigue más fielmente la temperatura del horno, con menores retrasos debido a su inercia térmica.

  • La sobresolera sale del horno a una temperatura más baja.

  • El calor retenido en las sobresoleras a la salida del horno es inferior no sólo debido a su menor temperatura sino también a su
    menor masa.

  • Fuera del horno, el enfriamiento de la sobresolera es también más rápido.

  • La temperatura de la pieza en el momento de la carga de material es inferior. Este aspecto es muy importante en instalaciones de carga en verde.

Este comportamiento hace que estas piezas sean especialmente interesantes en las siguientes aplicaciones:

  • Instalaciones de carga directa sobre vagoneta. Como se ha comentado, en estos casos conviene que las sobresoleras no estén muy calientes en el momento de cargar el material, para evitar que el secado prematuro de las primeras capas ocasione roturas en el material.

  • Fabricación de material con poca densidad de carga (material hueco) donde se necesita que las sobresoleras "sigan" la curva del horno tan rápidamente como lo hace el material encañado y de esta forma evitar roturas en las primeras capas. Esto es especialmente importante en encañes con el material hueco "de canto" donde la primera capa supone un porcentaje considerable de la producción.

  • En general en ciclos rápidos donde las sobresoleras tradicionales supongan un freno al calentamiento/enfriamiento de las primeras capas de material situado en contacto con las sobresoleras o cerca de ellas.

SIMULACIÓN POR ELEMENTOS FINITOS
Para mostrar gráficamente el comportamiento de la pieza, se ha hecho un análisis por el método de elementos finitos de tres soluciones alternativas para cocción de material hueco:

  • una con una sobresolera aligerada, otra con la misma pieza maciza y una tercera con una sobresolera pequeña.


El material a cocer es Carrobrick. La sección analizada, correspondería a una sección teórica en el centro de la mesa de encañe. donde la influencia del lateral de la vagoneta y de la cara en contacto con la cámara de combustión es negligible.
Se ha simulado la zona de enfriamiento rápido entre 950ºC hasta 650ºC. El cálculo se inicia en un momento donde se supone que tanto el material como las sobresoleras están a 950ºC.
A continuación se simula el paso de una corriente de aire a través del material y de las sobresoleras. Para cada conducto por donde puede pasar el aire a través, se calcula una velocidad de aire. Es decir, suponiendo una pérdida de carga constante para
todos los conductos, obtenemos las diferentes sobresoleras velocidades; para los conductos de mayor sección como por ejemplo debajo de las sobresoleras, la velocidad será mucho mayor que en los pequeños huecos de la sobresolera o del Carrobrick.
Por último, a partir de la velocidad del aire y de las temperaturas se calculan los coeficientes de convección de las superficies de cada conducto. El coeficiente de convección nos da una medida del calor que se transmite entre un cuerpo y, en este caso, el
aire que lo está enfriando.

Con estos datos. el análisis con elementos finitos nos muestra la evolución de las temperaturas de los diferentes puntos a lo largo del tiempo. La escala de colores indica la temperatura en ºC. Los colores cálidos representan temperaturas altas y los colores
fríos las bajas. Hay que tener en cuenta que en las distintas figuras, los mismos colores no se corresponden con las mismas temperaturas.

Para analizar los resultados, el aspecto donde hay que centrar la atención es en las diferencias de temperatura que se producen en el Carrobrick que está en contacto con la sobresolera. Las diferencias de temperatura dentro de la misma pieza ocasionan
dilataciones térmicas también diferentes que producen tensiones internas. Si estas tensiones son superiores a la resistencia del material éste se rompe. Es importante observar que la temperatura de la pared del Carrobric en contacto con la sobresolera, prácticamente tiene la misma temperatura que ésta.
En el estado 1 puede verse el inicio del proceso donde todo el material está a la temperatura inicial.
Al cabo de un cierto tiempo, como se muestra en los estados 2, 3 y 4, las partes con paredes más finas se enfrían con mucha rapidez mientras que las partes más macizas retienen el calor durante mucho más tiempo.
En el estado 5 se observa como a partir de la segunda capa, todo el material está a la misma temperatura. Sin embargo, como puede apreciarse en la ampliación por zonas del estado 5, las temperaturas de la parte del Carrobric en contacto con la sobresolera son muy diferentes dependiendo de cada solución.
En el primer caso, la sobresolera aligerada ha permitido tener toda la pieza de la primera capa a la misma temperatura. Sin embargo en el segundo y sobretodo en el tercer caso, hay una diferencia notable de temperaturas entre la parte inferior y superior del Carrobrick.
El análisis nos muestra, por tanto, que la primera solución tiene un comportamiento claramente superior a las otras dos estudiadas. ya que se enfría a una velocidad más próxima al material, ocasionando menos tensiones en la primera capa.
Conviene tener en cuenta, sin embargo, que debido a las simplificaciones que se han tenido que considerar para realizar el cálculo teórico, los resultados obtenidos no son directamente extrapolables a la realidad, pero en cambio nos dan una información muy útil para comparaciones entre soluciones alternativas.

Detalle del

estado 5

Estado 1

Estado 2

Estado 3

Estado 4

Estado 5

CONCLUSIÓN

Las sobresoleras aligeradas ofrecen ventajas sustanciales en el caso de fabricación de materiales huecos o en ciclos rápidos, y en sistemas de encañe en verde. Estas ventajas se concretan en una respuesta más rápida a los cambios de temperatura del horno
evitando las roturas en las primeras capas de material y en el ahorro de energía por el menor calor retenido en las sobresoleras a la salida del horno.
En el caso de instalaciones con carga en verde sobre vagoneta, las ventajas se centran en disponer de unas sobresoleras más frías en el momento de la carga del material.
Estas ventajas se han constatado en casos reales, algunos de ellos con resultados espectaculares de reducción de roturas en secado y cocción.

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