Este documento trata sobre los fundamentos de los hornos rotatorios. Primero, describe la evolución del diseño de los hornos influenciada por el aumento de la velocidad de producción. Luego, explica los efectos mecánicos como la expansión térmica, deformación plástica y elástica en los hornos. Finalmente, presenta diferentes diseños de llantas y estaciones de soporte de los hornos, así como el empuje axial inducido por la inclinación del horno.

1. Fundamentos sobre Hornos

2. Agenda
 Evolución del Diseño
 Efectos Mecánicos sobre Hornos
 Expansión Térmica
 Deformación Plástica
 Deformación Elástica
 Diferentes Diseños de Hornos
 Llantas de Horno
 Rodillos de Soporte
 Empuje Axial de Horno

3. Evolución del Diseño de Horno
 El diseño del horno ha sido principalmente influenciado por el
incremento en la velocidad de producción.
Ejemplo:
Planta Longitud
de horno
(m)
Diámetro de
horno (m)
Velocidad
(rpm)
Velocidad de
Producción
(t/d)
Dundee 1 140 5 / 4.6 1 – 1.5 1’500
Clarksville 232 6.9 / 6.4 / 7.6 1 – 1.5 4’000
Altkirch 68 4 2-2.5 1’250
Chekka 65 5.2 3.5 - 4 5’800
Portland 78 5.2 3.5 - 4 5’400
St Genevieve 90 6.6 3.5 - 4 12’000

4. Diseño Antiguo de Horno “Húmedo” (1948)

5. Diseño Antiguo de Horno “Húmedo”

6. Diseño Nuevo de Horno “Seco”
FLS Horno de dos
Estaciones
Llantas
tangenciales
suspendidas
Conducidos
sobre Rodillos el
Horno Auto
alineamiento
soporte de
horno

7. Las Diferentes Zonas en el Horno Rotatorio
16M
o3
recom
endado
Zona de enfriamiento (0 –
1 horno d)
 Cristalización de fases de
clinker a 1200 hasta 1100
°C
 Abrasión por polvo de
clinker y ataque de álcali
 Choque térmico y altas
fuerzas mecánicas
Zona de sinterización (3 – 5 horno d)
 Formación de alita entre 1300 y 1450
°C y revestimiento estable
 Sobre calentamiento, infiltración por
clinker fundido y sulfatos de álcali
Zona inferior de transición (1 – 2 diámetros de
horno)
 Enfriamiento de clinker de 1400 °C a 1200 °C
 Choque térmico, clinker fundido y sulfatos de álcali
Zona de Seguridad
 Altas variaciones de temperaturas
 Primera formación de fundiciones
eutécticas
 Ataque álcali e infiltración
Zona de calcinación (4 – 6 diámetros
de horno)
 Calcinación de materias primas entre
700 y 1000 °C
 Abrasión moderada, ataque álcali y
variaciones de temperatura
Zona de precalentamiento
 Calentamiento y deshidratación
de materias primas hasta 700 °C
 Abrasión por materia prima
 Aislamiento para proteger el
accionamiento del horno
Zona superior de transición (2 – 4 diámetros de
horno)
 Formación de revestimiento inestable hasta 1300 °C
 Más altas cargas térmicas y choque térmico

8. Fatiga de
Carcasa del
horno
Migración
de llanta
Ovalidad
Alineación
de Ejes del
HornoInclinación
del Eje del
Rodillo
Cigüeñal del
Horno
Carga
Térmica
Anillo
Retención
Nose
Ring
Visión General del Horno (Tópicos Cubiertos)
Inclinaciones
de EjeAccionamiento
del Horno
Perfil de
Deformación
de Carcasa

9. Efectos Mecánicos en Hornos
1. Expansión Térmica:
Cambio en dimensión de un material
como resultado de un cambio de
temperatura
2. Deformación Plástica:
Cambio en dimensiones de un objeto
baja carga que no es recuperado
cuando se retira la carga
3. Deformación Elástica:
La deformación en un material bajo
tensión que se recupera al retirarse la
tensión

10. Expansión Térmica (reversible)
 Expansión térmica de la
carcasa
 Distribución desigual de
temperatura en la
carcasa
 Elongación del Horno
 Aumento de diámetro
 Cigüeñal
La Carcasa del Horno se expande de acuerdo al
coeficiente de expansión térmica (El proceso es
reversible)

11. Perfil de Temperatura
Basics On Kilns
Temperatura
∆T Refractario
∆T Carcasa
∆T llanta
∆T Refractario
∆T Carcasa
∆T llanta

12. Expansión Térmica (reversible)
∆D Diferencia de diámetro [mm]
D1 Diámetro original [mm]
α Coeficiente de expansión [1/°C]
∆ϑ Diferencia de temperatura [ °C ]
Horno con Ø4.5m y 20°C
¿Cuál es la diferencia de diámetro a 300°C ?
Ejemplo:
ϑα ∆••=∆ 1DD
mmD 14280000011.04500 =••=∆

13. Sección de Llanta Flotante en Operación Normal
Vista Longitudinal:
Refractario
Carcasa
Llanta
Zapatas
Espacio
(en la parte
superior)
Contacto

14. Llanta del Horno sin espacio (llanta
metida)
La llanta obstaculiza la
expansión térmica de la
carcasa
No Movimiento
Relativo

15. Carcasa Constreñida del Horno
Deformación Plástica Permanente de
la Carcasa
La expansión térmica del horno
fue restringida por la llanta

16. Diferencia de Temperatura LLanta / Carcasa
1
2
4
3
Diferencia de
Temperatura
Holgura
 Calentar el horno es la fase más crítica
para la holgura
 Respetar el Tiempo recomendado de
Pre Calentamiento (típicamente 24h)
1
2
3
4
Carcasa
llanta
Temperatura
Tiempo
horas

17. Fijación Tangencial de Engranaje en Circunferencia
Placa
Tangencial
Clavija
Reborde de engranaje
en forma de T
Fijación por Soldadura

18. Fijación de Engranaje en Circunferencia de Placa en
Resorte
Corona
Placas de resorte

19. Deformación Plástica (irreversible)
 Punto caliente
 Alto gradiente en
temperatura de la
carcasa
 Pérdida de rotación en
condición caliente
 Punto caliente
 Expansión térmica
detenida por la llanta
 Cambio de micro
estructura
 Cigüeñal
 Sin redondez
 Carcasa estrangulada
La Carcasa del Horno operado por encima de las
capacidades térmicas y mecánicas pierde su
forma original (σ>límite elástico)

20. Deformación Plástica
Propiedades del Acero (S235 JRG2)
0
50
100
150
200
250
20 100 200 300 350 400 450 500 550 600
Temperatura [°C]
LímiteElástico[N/mm2]
Fuerza de Rotura
Módulo de Elasticidad
Las propiedades mecánicas se reducen por un
aumento de temperatura

21. Deformación Plástica (irreversible)
Ejemplo Práctico:
Deformación Térmica
(luego del enfriamiento)Punto Caliente
horno
La carcasa del horno se encoge en el área del
punto caliente luego del enfriamiento

22. Deformación de la carcasa del Horno (Punto Caliente)

23. Deformación de la carcasa del Horno (e.g. luego del
Punto Caliente)
Bild
Regla
Regla

24. Medición de Deformación de la Carcasa del Horno
Horno con
deformación de
carcasa en el
área medida
Máx.-Mín.>25mm
Pos 1
view from outlet (rotation anticlockwise)
-100
-90
-80
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16

25. Deformación de Carcasa del horno
(Punto Caliente)
con mortero
Relleno
máx..8mm

26. Deformación de Carcasa del Horno
(Punto Caliente)
máx..8mm
Relleno
con mortero

27. Movimiento Relativo de los Ladrillos
Micro-Espacio entre
ladrillos y Carcasa
Antes de la Rotación Después de la Rotación
“Marcas” en Carcasa
y ladrillos
Nota: La estrecha instalación de los
ladrillos reduce el movimiento relativo

28. Deformación de la carcasa del Horno
(Punto Caliente)
Nota: Las deformaciones locales de la carcasa
reducen drásticamente la vida útil del ladrillo en el
caso del movimiento relativo del ladrillo
max.8mm
Mortar joint
max. 1-1,5mm with mortar
FilledJunta de mortero Relleno con
mortero

29. Deformación Elástica (dinámica)
 Alta holgura de llanta
 Ladrillos Pesados
 Alta costra
 Espesor reducido de la
carcasa
 Desalineación de
rodillos
 Excesiva holgura de la
llanta
 Alta Combadura
 Alto Doblado
 Alta Ovalidad
La carcasa del Horno se deforma por su peso por
fuerzas desde los rodillos (σ<<límite elástico)

30. Deformación Elástica (reversible)
Ejemplo Práctico:
Deformación Elástica
(debido al peso)
Tensión
kiln
El horno se dobla debido al peso propio
Compresión
horno

31. Deformación Elástica (reversible)
Tensiones dinámicas:
Cambia de compresión a tensión con
cada revolución del horno
kilnhorno

32. Deformación Elástica (reversible)
Desalineación vertical : Máx. 3…5 mm
Tensión
kiln
El horno se dobla debido a su peso propio y a la
desalineación
Compresión
horno

33. Deformación Elástica (reversible)
Desalineación horizontal : Máx. 3 mm
Tensión
kiln
La carcasa del horno se dobla debido a la
desalineación
Compresión
horno

34. Deformación Elástica (reversible)
Aliñe el horno lo
mejor posible
Reporte de Medición del Eje
del Horno

35. Cálculo de la Tensión de Doblado del Horno (Enfriador
Planetario)
Enfriador
Refractario + Material + Carcasa
Corona
Empuje axial
Límite:
25 N/mm2
Deflexión
Tensión normal de flexión De tensión De compresión
Longitud de Viga Ubicación

36. Fracturas en Carcasa debidas a una estación de rodillo
muy lenta (debajo)

37. Deformación de Carcasa
Ladrillos
Sueltos
Ladrillos
Apretados

38. Llanta Flotante y Acanalada
Llanta flotante de horno
Llanta acanalada de horno

39. Diferentes Diseños en Hornos
 Llantas
 Llanta Flotante
(también llamada: Llanta Suelta o Migratoria)
 Llanta Fija
(también llamada: Llanta Suspendida Tangencial o
Acanalada)
 Estaciones de Rodillo de Apoyo
 Apoyo Rígido
 Apoyo Semi Rígido
 Apoyo de Auto Alineación

40. Llanta Flotante
Bloque Guía
Laina
Seguro no giratorio
Bloque de
Empuje
Zapata
Anillo de
Empuje
Bloque de
Retención
Llanta

41. Llanta Acanalada (Diseño Polysius)
LlantaPlaca de Puente
Bloque X
Cuña
Dispositivo de Tensión
Bloque de Empuje
Canal de Llanta

42. Sección de Llanta Acanalada

43. Bloque X con fisuras
Cracks
Tope axial de llanta
Dispositivo de tensionamiento de cuña
Cuña
Placa flotante de soporte
Bloque X
Fracturas
Tope axial para placa
flotante de soporte

44. Llanta Acanalada (Diseño FLSmidth)

45. Sección de Llanta Acanalada

46. Llantas Segmentadas
Sólo para aplicaciones especiales, si no hay acceso para una llanta tradicional

47. Soporte Rígido
Nota:
La desalineación de los
rodillos o temblor de la
llanta produce carga en
el borde

48. Soporte Semi-rígido (FLS)
Elementos
Elásticos
Alguna desalineación de
los rodillos o temblor de
la llanta puede ser
absorbido
 el contacto
permanece

49. Soporte de Auto Alineación (FLS)
Basics On Kilns
Cojinete de
Rótula
Toda la desalineación de los
rodillos o el temblor de la llanta
puede ser absorbida
 el contacto permanece
 distribución uniforme de carga

50. Soporte de Auto Alineamiento
(con accionamiento) (Polysius)
Toda la desalineación de los rodillos
o el temblor de la llanta pueden ser
absorbidos
 el contacto permanece
 distribución uniforme de carga
Cojinete de
Rótula
Accionamiento
de Horno

51. Empuje Axial de horno
El peso del horno induce una fuerza axial hacia abajo debido a la inclinación del horno
Q: peso total del horno
A: empuje total A = sin α x Q
α: inclinación 2 - 6 % = (0.02 a 0.06) x Q
Peso típico de un horno
2000 – 4000 tona lada

52. Empuje Axial del Horno
Calcular la fuerza hacia abajo inducida por el peso debida a
la inclinación del horno
 Q = 1200 t para L=68 m y ∅=4.2 m
 A empuje total A = sin α x Q
 α inclinación 3.5 % A = 0.035 x 1200 = 42 t
Ejercicio: Determinar la
carga total de empuje A
para un horno con
L=185m, ∅=5 m y una
pendiente de 3%
A=117 tons

53. Distribución de Empuje Axial del Horno (Balance)
A = AT + AR1 + AR2 +AR3
AT
AR1R
AR1L
AR2R
AR2L
AR3R
AR3L
A
Regla General:
Rodillo de Empuje Hidráulico:
40% tomado por Rodillo de Empuje (AT)
60% dividido entre los Rodillos de
Soporte (AR)
Rodillo de Empuje Fijo:
100% dividido entre los Rodillos de
Soporte (AR)

54. Métodos para controlar el empuje axial
Rodillo de Empuje
Fijo
Rodillo de Empuje
Hidráulico
DistribucióndeCarga:
Empuje+Rodillos
radiales
SinDistribuciónde
Carga:sóloporrodillos
deEmpuje
DistribucióndeCarga:
Entrerodillosradiales
A = AT
A = AT+ AR1 + AR2 +AR3A = AR1 + AR2 +AR3
A = Carga Axial Total (Empuje)
AT = Carga en Rodillo de Empuje
ARX = Empuje en Rodillos por
torcedura

55. Torcedura de rodillo & Rodillos de Empuje Fijo
El horno puede moverse entre 2 rodillos de empuje fijo, los
cuales sirven como limitadores.
 Los rodillos se tuercen para balancear el empuje del horno
 La variación del coeficiente de fricción permite al horno moverse
en intervalos hacia abajo y hacia arriba (por lubricación de
grafito)
Ángulo de
Torcedura:
β ≥ 1.4 min.
= 0.04% =
0.4mm/m
llanta
ROTACIÓN ROTACIÓN
EMPUJE
RODILLO

56. Torcedura de rodillo & rodillos de empuje hidráulico
El horno se moverá de acuerdo con el movimiento de
los rodillos de empuje (hacia abajo 4…8h, hacia arriba
12…24h)
 Los rodillos de empuje no están diseñados para tomar
todo el peso axial del horno (típicamente 40…60%)
 Todos los rodillos deberían tomar ligeramente alguna
carga axial del horno
 Por lo menos a NINGÚN rodillo se le permite empujar el
horno hacia abajo
 Los rodillos tienen que ser
lubricados con grafito