1. 1
UNIVERSIDAD TÉCNICA DE ORURO
FACULTAD NACIONAL DE INGENIERÍA
INGENIERÍA MECÁNICA Y ELECTROMECÁNICA
TRABAJO DE GRADUACIÓN
“DISEÑO DE UN HORNO ELÉCTRICO POR ARCO
CON CAPACIDAD DE 500 kg. PARA EL TALLER
DE FUNDICIÓN DE INGENIERÍA MECÁNICA Y
ELECTROMECÁNICA”
AUTOR:
JHONNY FREDDY COPA ROQUE
TUTOR:
ING. OLKER MALDONADO URIA
ORURO, 2009

2. 2
UNIVERSIDAD TÉCNICA DE ORURO
FACULTAD NACIONAL DE INGENIERÍA
CARRERA DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELECTROMECÁNICA
DISEÑO DE UN HORNO ELÉCTRICO POR ARCO CON
CAPACIDAD DE 500 kg. PARA EL TALLER DE
FUNDICIÓN DE INGENIERÍA MECÁNICA Y
ELECTROMECÁNICA
PROYECTO DE GRADO SOMETIDO A LA UNIVERSIDAD TÉCNICA DE ORURO
PARA LA OBTENCIÓN DEL GRADO DE LICENCIADO EN INGENIERÍA
ELECTROMECÁNICA.
AUTOR:
JHONNY FREDDY COPA ROQUE
TUTOR:
ING. OLKER MALDONADO URÍA
TRIBUNALES:
ING. RAÚL MAMANI GONZALES
ING. BENIGNO RÍOS CONDORI
ING. EDGAR FREDDY CRUZ PÉREZ
ORURO, JUNIO DE 2009

3. 3
DEDICATORIA
A Dios por ser mi constante guía.
A mis padres y hermanos por su apoyo incansable.
A mi esposa Sandra y a mí querida hijita Madai por su
constante colaboración y comprensión. Quienes a
través del tiempo supieron inculcarme que con estudio
y sacrificio pueden lograrse muchas cosas en la vida.

4. 4
AGRADECIMIENTOS
La conclusión del presente trabajo implica deuda de
gratitud con muchas personas e instituciones, cuya
cooperación han contribuido grandemente a este
proyecto.
En principio expreso mis mas sinceros agradecimientos
a toda la planta docente de la carrera de INGENIERÍA
MECÁNICA ELECTROMECÁNICA, INGENIERÍA ELÉCTRICA e
INGENIERÍA INDUSTRIAL, mas toda la planta docente del
CICLO BÁSICO, por darme la formación académica
adecuada, sin la cual hubiera sido imposible la buena
ejecución del presente proyecto.
De igual manera quiero hacer llegar un agradecimiento
profundo al Ing. Olker Maldonado Uría por su
colaboración desinteresada, siendo para mí una gran
satisfacción el haber trabajado bajo su tutoría y
poder contribuir al constante crecimiento de la
carrera.
Asimismo a mis compañeros y amigos que me colaboraron
en la realización de este proyecto; a todos ellos,
muchas gracias.

5. 5
CONTENIDO
Pag.
CAPÍTULO I INTRODUCCIÓN
1.1 ANTECEDENTES 1
1.1.1 PRODUCCIÓN DEL HIERRO Y ACERO 1
1.2 PROBLEMATIZACIÓN 4
1.3 OBJETIVOS 6
1.3.1 OBJETIVO GENERAL 6
1.3.2 OBJETIVO ESPECÍFICO 6
1.4 JUSTIFICACIÓN 6
1.5 MARCO METODOLÓGICO 7
CAPÍTULO II PROCESOS DE FUNDICIÓN
2.1 MARCO TEÓRICO 8
2.1.1 HORNOS ELÉCTRICOS 8
2.1.2 HISTORIA 8
2.2 CARACTERÍSTICAS DE LOS HORNOS ELÉCTRICOS 10
2.2.1 HORNO DE RESISTENCIA 10
2.2.2 DE ARCO VOLTAICO 10
2.2.3 DE INDUCCIÓN 11
2.3 CARACTERÍSTICAS DE LOS ACEROS 14
2.4 ESTRUCTURA GENERAL DE UN HORNO POR ARCO 17
2.4.1 PARTE MECÁNICA 18
2.4.2 PARTE ELÉCTRICA 18
2.4.3 ELEMENTOS COMPLEMENTARIOS 19
CAPÍTULO III SISTEMA ELÉCTRICO
3.1 ARCO ELÉCTRICO 20
3.2 APLICACIONES DEL ARCO ELÉCTRICO 21
3.3 APLICACIONES EN HORNOS ELÉCTRICOS DE ARCO 21
3.4 SISTEMA ELÉCTRICO DEL HORNO POR ARCO 21
3.5 EFECTOS ELÉCTRICOS SOBRE LA LÍNEA DE SUMINISTRO 24

6. 6
3.5.1 GENERALIDADES 24
3.5.2 PARÁMETROS ELÉCTRICOS DE OPERACIÓN 24
3.5.3 PRODUCTIVIDAD Y CONSUMO DE ENERGÍA 25
3.5.4 REDUCCIÓN DE LOS CONSUMOS DE ELECTRODOS 27
3.5.5 AUMENTO DE LA PRODUCTIVIDAD DE LOS HORNOS
DE ARCO A TRAVES DEL AUMENTO DE LA TENSIÓN
SECUNDARIA DE LOS TRANSFORMADORES 28
3.5.6 FLICKER PROVOCADO POR LOS HORNOS DE ARCO 29
3.5.7 FUERZAS ELECTRODINÁMICAS PROVOCADAS POR LAS
CORRIENTES QUE CIRCULAN POR LOS BRAZOS Y
ELECTRODOS 30
3.5.8 ROTACIÓN DE FASES Y APRIETE DE LOS ELECTRODOS 31
3.5.9 DESGASTE DE REFRACTARIOS 31
3.5.10 OPERACIÓN EN EL PERÍODO DE ESCORIA ESPUMOSA
CON ALTOS FACTORES DE POTENCIA (COS FI) 32
3.5.11 ESPECIFICACIÓN DE TRANSFORMADORES Y REACTORES 33
3.5.12 CORRECCIÓN DEL FACTOR DE POTENCIA – BANCOS DE
CAPACITORES 33
3.5.13 ARMÓNICAS Y FILTROS DE ARMÓNICAS 34
3.5.14 SOBRETENSIONES 35
3.5.15 PROTECCIÓN CONTRA SOBRECORRIENTE 36
3.6 ELECTRODOS 37
3.6.1 EL CARBONO 37
3.6.2 CARACTERÍSTICAS SECUNDARIAS 37
3.6.3 APLICACIONES 38
3.6.4 HISTORIA 39
3.6.5 ABUNDANCIA Y OBTENCIÓN 40
3.6.6 PRECAUCIONES 40
3.6.7 ELECTRODO DE CARBÓN O GRAFITO 41
3.6.8 COMPOSICIÓN DE LOS ELECTRODOS 42
3.6.9 APLICACIONES PRINCIPALES 42
3.6.10 USOS 42
3.7 MEDIDAS DE AHORRO GENERALES 43

7. 7
3.8 MEDIDAS ADICIONALES PARA HORNOS DE ARCO ELÉCTRICO 44
CAPÍTULO IV ESTRUCTURA MECÁNICA
4.1 HORNOS DE ARCO ELÉCTRICO 45
4.2 ESTRUCTURA 46
4.3 OPERACIÓN DEL HORNO 47
4.4 EJEMPLO DE UN HORNO PARA COLADA CONTÍNUA 48
4.5 BALANCE ENERGÉTICO 49
4.5.1 GENERALIDADES 49
4.5.2 COMPONENTES BÁSICOS DEL BALANCE ENERGÉTICO 50
4.5.3 BALANCE ENERGÉTICO EN FUNCIONAMIENTO ESTABLE 52
4.5.4 BALANCE ENERGÉTICO EN FUNCIONAMIENTO REAL 54
4.6 LADRILLOS REFRACTARIOS 55
4.6.1 LADRILLOS REFRACTARIOS CON ALTO CONTENIDO
EN ALUMINA 55
4.6.2 LADRILLOS REFRACTARIOS CON ALTO CONTENIDO
DE SÍLICE 55
4.7 CARACTERÍSTICAS DE LOS LADRILLOS REFRACTARIOS 56
4.8 MANTENIMIENTOS EN HORNOS 57
4.8.1 PREVENTIVO 58
4.8.2 PREDICTIVO 59
4.8.3 FALLAS FRECUENTES 60
4.9 NORMAS PARA HORNOS 60
4.9.1 REGULACIONES PARA ACTIVIDADES PELIGROSAS 61
4.9.2 UBICACIÓN Y CONSTRUCCIÓN 61
4.9.3 CONTROLES DE SEGURIDAD 62
4.9.4 CONTROL DE FUEGO 62
4.9.5 NORMAS A NIVEL INTERNACIONAL 62
4.10 NUEVAS TECNOLOGÍAS 63
4.10.1 SENSORES Y CONTROL DE PROCESOS 63
4.10.2 MATERIALES AVANZADOS PARA TEMPERATURAS ALTAS 63
4.10.3 SISTEMAS DE GENERACIÓN DE CALOR 64

8. 8
4.10.4 SISTEMAS DE CONTENCIÓN DE CALOR 64
4.10.5 SISTEMAS DE RECUPERACIÓN DE CALOR 65
4.10.6 SISTEMAS DE CONTROL DE EMISIONES 65
4.10.7 ENTRADAS AUXILIARES 65
CAPÍTULO V CONSUMO ESPECÍFICO DE ELECTRODOS EN
HORNOS ELÉCTRICOS DE ARCO – CORRELACIÓN
CON LOS FACTORES DE OPERACIÓN
5.1 INTRODUCCIÓN 67
5.2 CONSUMO DE PUNTA Qt (kg/h)Y CONSUMO LINEAL Lc (cm/h) 68
5.3 CONSUMO TOTAL DE ELECTRODOS, Qt (kg/h) 69
5.4 CONSUMO ESPECÍFICO DE ELECTRODOS, Qs(kg/t) 71
5.5 APLICACIÓN PRÁCTICA DE LA FÓRMULA DE Qs (kg/t) 72
5.6 RELACIÓN “CONSUMO DE ELECTRODOS/CONSUMO DE ENERGÍA” 73
5.7 CONICIDAD DE LOS ELECTRODOS – DESGASTE LATERAL 73
5.8 APLICACIÓN PRÁCTICA DE LA FÓRMULA COMPLETA DEL CONSUMO
ESPECÍFICO DE ELECTRODOS Qs (kg/t) 75
5.9 CONCLUSIONES – FACTORES QUE AFECTAN EL CONSUMO
ESPECÍFICO DE ELECTRODOS 77
5.10 PARÁMETROS ELÉCTRICOS DE OPERACIÓN DEL PROYECTO 77
CAPÍTULO VI INGENIERÍA DEL PROYECTO
6.1 DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD 80
6.1.1 FÓRMULAS A UTILIZAR 80
6.1.2 CÁLCULO DEL VOLUMEN Y PESO MATERIAL A FUNDIR 81
6.2 DIMENSIONES DE LA ESTRUCTURA 81
6.2.1 DIÁMETRO DEL BAÑO (METAL LÍQUIDO) 81
6.2.2 ALTURA DE LA CUBA O CÁMARA DE REACCIÓN 81
6.2.3 ESPESOR DE LA PLANCHA 82
6.2.4 FLECHA DE LA BÓVEDA, TECHO O TAPA Dr (De 15%) 82
6.3 ESPESOR LADRILLO REFRACTARIO (SECTOR CILINDRO) 82
6.3.1 CALCULANDO EL RADIO EXTERIOR 83
6.3.2 CALCULANDO ÁREAS INTERNA Y EXTERNA DE LAS
PAREDES DEL HORNO 83

9. 9
6.3.3 CÁLCULO ÁREA MEDIA LOGARÍTMICA 83
6.3.4 DETERMINACIÓN COEFICIENTE DE CONDUCTIVIDAD
(LADRILLO) 84
6.4 CÁLCULO ESPESOR PAREDES (SECTOR SEMIESFERA INFERIOR) 84
6.4.1 CÁLCULO EXTERIOR SEMIESFERA INFERIOR 85
6.4.2 CALCULANDO LAS ÁREAS INTERNA Y EXTERNA
DE LAS PAREDES DEL HORNO 85
6.4.3 CÁLCULO DEL ÁREA MEDIA LOGARÍTMICA 85
6.4.4 CÁLCULO DEL COEFICIENTE DE CONDUCTIVIDAD
NECESARIA DEL LADRILLO EN LA PARTE DE LA
SEMIESFERA 86
6.5 CÁLCULO ESPESOR REFRACTARIO (SECTOR TECHO O BÓVEDA) 86
6.5.1 CALCULANDO LAS ÁREAS INTERNA Y EXTERNA
TECHO O BÓVEDA 87
6.5.2 CÁLCULO DEL ÁREA MEDIA LOGARÍTMICA 87
6.5.3 CÁLCULO COEFICIENTE DE CONDUCTIVIDAD
NECESARIA DEL TECHO O BÓVEDA 87
6.6 CÁLCULO DE LA PRODUCTIVIDAD Y CONSUMO DE ENERGÍA 88
6.7 DISPOSICIÓN DE ELECTRODOS 88
6.8 DIMENSIONADO PORTAELECTRODOS 90
6.8.1 CÁLCULO ÁREA DE LA JUNTA COBRE (PORTAELECTRODO)
Y ELECTRODO (CARBÓN GRAFITO) 90
6.8.2 CÁLCULO DEL ÁREA DE LA JUNTA 90
6.8.3 CÁLCULO PERÍMETRO DEL ELECTRODO 90
6.8.4 CÁLCULO ALTURA DEL PORTAELECTRODO 91
6.8.5 CÁLCULO ESPESOR DEL PORTAELECTRODOS 91
6.9 CÁLCULO DEL ENGRANE DE VOLTEO 93
6.9.1 PARA EL ENGRANE DE VOLTEO 1 95
6.9.2 PARA EL ENGRANE DE VOLTEO 2 97
6.10 COEFICIENTE DE DEFORMACIÓN DEL PORTAELECTRODOS 98
6.11 CÁLCULO DE LOS TRANSFORMADORES 100
6.12 CÁLCULO DEL SISTEMA DE REFRIGERACIÓN 103
6.13 CÁLCULO DEL CONSUMO ESPECÍFICO DE ELECTRODOS 107

10. 1 0
CAPÍTULO VII ESTUDIO ECONÓMICO
7.1 GENERALIDADES 113
7.2 COSTO DEL PROYECTO 113
7.2.1 MATERIALES E INSUMOS 113
7.2.2 MANO DE OBRA 114
7.2.3 EQUIPO Y MAQUINARIA 114
7.2.3.1 DESGASTE DE HERRAMIENTA 114
7.2.3.2 IMPUESTOS DE LEY (IT e IVA) 114
7.2.4 GASTOS GENERALES 115
7.3 ANÁLISIS DE PRECIOS UNITARIOS 115
CAPÍTULO VIII CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
BIBLIOGRAFÍA 133
PLANOS
ANEXO A TABLAS Y CUADROS DE CONSUMO DE ELECTRODOS
ANEXO B CATÁLOGO DE ACEROS MEPSA
ANEXO B CATÁLOGO DE LADRILLOS Y CASTABLES REPSA
LISTA DE FIGURAS
Pag.
Fig. 1.1.- Proceso de obtención del arrabio. 1
Fig. 1.2.- Forma física a) Magnetita
b) Hematites roja
c) Hematites parda 3
Fig. 1.3.- Proceso Industrial del Mutún
(Fuente: EL DEBER). 7
Fig. 2.1.- Taller de fundición con dos
hornos de arco eléctrico. 8
Fig. 2.2.- Arco Eléctrico en un horno. 11
Fig. 2.3.- Horno de Inducción. 12
Fig. 2.4.- Esquema de un Horno Eléctrico de inducción. 12
Fig. 2.5.- Simbología utilizada en un horno de Inducción. 13

11. 1 1
Fig. 2.6.- Estructura de Horno eléctrico por arco. 18
Fig. 3.1.- Forma de un Arco Eléctrico. 20
Fig. 3.2.- Esquema eléctrico básico. 22
Fig. 3.3.- Esquema eléctrico de la subestación del horno. 23
Fig. 3.4.- Circuito equivalente. 24
Fig. 3.5.- Electrodos de grafito y accesorios. 42
Fig. 4.1.- Partes de un horno eléctrico por arco. 46
Fig. 4.2.- Horno para colada continua. 48
Fig. 5.1.- Consumo Lineal 69
Fig. 5.2.- Consumo Total 70
Fig. 5.3.- Consumo por oxidación lateral. 74
Fig. 6.1.- Esquema de cálculo de la capacidad. 80
Fig. 6.2.- Dimensiones del horno. 81
Fig. 6.3.- Mampostería cilindro. 82
Fig. 6.4.- Mampostería semiesfera. 84
Fig. 6.5.- Dimensiones de parte inferior del horno. 84
Fig. 6.6.- Dimensiones de la bóveda o tapa del horno. 86
Fig. 6.7.- Disposición geométrica de los electrodos. 89
Fig. 6.8.- Área de contacto cobre – grafito. 90
Fig. 6.9.- Dimensiones del portaelectrodo. 91
Fig. 6.10.- Forma del portaelectrodo. 91
Fig. 6.11.- Área del portaelectrodo. 92
Fig. 6.12.- Disposición de las cargas. 93
Fig. 6.13.- Diagrama de esfuerzos cortantes. 95
Fig. 6.14.- Diagrama de momentos flectores. 95
Fig. 6.15.- Diagrama de fuerzas en el engrane 1. 95
Fig. 6.16.- Diagrama de fuerzas en el engrane 2. 97
Fig. 6.17.- Diámetros del portaelectrodo. 98
Fig. 6.18.- Circuito propuesto. 133
Fig. 6.19.- Forma de los electrodos. 140

12. 1 2
Fig. 6.20.- Características y altura del horno eléctrico. 141
LISTA DE TABLAS
Pag.
Cuadro 1.1.- Minerales de hierro. 2
Cuadro 2.1.- Propiedades de los materiales. 17
Cuadro 3.1.- Datos del Grafito 37
Cuadro 4.1.- Valores típicos de conductividad térmica (λ) 57
CUADRO 6.1.- Tensiones a la flexión admisibles
σadm en (N/mm2) 98
CUADRO 6.2.- Características eléctricas del horno. 101
CUADRO 6.3.- Datos técnicos transformador de baja. 134
CUADRO 6.4.- Datos técnicos transformador de alta. 135

13. 1 3
SIMBOLOGÍA
V : Tensión de arco.
P : Potencia de arco.
b: Distancia entre la faz del electrodo.
RI: Índice de erosión de refractarios.
Qt : Consumo de punta de electrodos (kg/h).
Qs : Consumo específico de electrodos (kg/t).
Lc : Consumo lineal de electrodos (cm/h).
Ws: Peso específico del grafito (kg/cm3).
Secc: Sección del electrodo (cm2).
I: Corriente o amperaje (A).
D: Diámetro del electrodo en pulgadas.
Wh: Consumo específico de energía eléctrica (t/h).
X: Reactancia operacional del horno (Ohm).
Tan fi: Tangente del ángulo fi.
K: Calidad de los electrodos.
qee: Consumo de energía eléctrica.
Kox: Factor proporcional a la intensidad de oxidación.
Tox: Tiempo de exposición a la oxidación (h).
H: Distancia bóveda – baño (m).
Tint: Temperatura interior (ºK).
Text: Temperatura exterior (ºK).
Pacero: Peso del acero (kg) o (t).
Vacero: Volumen del acero (m3).
ρacero: Densidad del acero (kg/m3).
s: Diámetro del segmento esférico (m).
h: Altura segmento esférico (m).
r: Radio segmento esférico (m).
Dbaño: Diámetro del baño (m).
Dinterior: Diámetro interior (m).
Hbaño: Altura baño (m).
H1 : Altura de la cuba o cámara de reacción (m).
Htotal: Altura total del horno (m).
Dr : Flecha de la bóveda (m).
Db : Diámetro de la bóveda (m).
Hr : Altura de la bóveda (m).
rint: Radio interior (m).
rext: Radio exterior (m).
eladrillo: Espesor ladrillo (m).
eplancha: Espesor plancha (m).
Enecesaria: Energía para una tonelada de acero (kWh/t).
Qe : Energía necesaria (kWh).
Qn : Energía neta para la fundición (W).
Aext: Área externa cilindro (m2).
Aint: Área interna cilindro (m2).
Am : Área media logarítmica cilindro (m2).
Kladrillo: Conductividad térmica ladrillo cilindro (W/m ºK).
Sint: Diámetro semiesfera interior (m).
Sext: Diámetro semiesfera exterior (m).
Hsemiesfera: Altura semiesfera (m).
Ktladrillo: Conductividad térmica ladrillo tapa (W/m ºK).
Atext: Área externa techo (m2).
Atint: Área interna techo (m2).

14. 1 4
Atm: Área media logarítmica techo (m2).
: Rendimiento (%).
Dreac: Diámetro zona de reacción (m).
Dal electrodo: Diámetro al electrodo (m).
Delectrodo: Diámetro del electrodo (mm).
dc : Densidad de corriente por el electrodo (A/cm2).
ρc : Densidad de corriente junta cobre-electrodo (A/mm2).
Ajunta: Área junta cobre-electrodo (mm2).
Hpe: Altura portaelectrodo (mm).
Pefectivo: Perímetro efectivo portaelectrodo (mm).
Eléctrica: Densidad eléctrica (A/mm2).
e: Espesor portaelectrodo (mm).
ereal: Espesor real portaelectrodo (mm).
R1 = Wr1: Reacción 1 engrane de volteo (kN).
R2 = Wr2: Reacción 2 engrane de volteo (kN).
Wt1: Reacción tangencial 1 engrane de volteo (kN).
Wt2: Reacción tangencial 2 engrane de volteo (kN).
W1 y W2: Carga total 1 y 2 engrane de volteo (kN).
Tp1 y Tp2: Par torsión 1 y 2 engrane de volteo (Nm).
Pd: Paso diametral (mm-1).
z: Número de dientes del engrane de volteo.
N1 y N2: Potencia de accionamiento 1 y 2 engrane de volteo (kW).
n: Velocidad de rotación (rpm).
Vr: Velocidad de desplazamiento (m/seg).
σb1 y σb2: Tensión a la flexión admisible (N/mm2).
B: Ancho de la cara del diente (mm).
Ao : Área inicial portaelectrodo (mm2).
Af : Área final portaelectrodo (mm2).
αCu: Coeficiente de dilatación lineal del cobre (1/ºC).
∆t: Diferencia de temperaturas (ºC o ºK).
εp : Coeficiente de deformación del portaelectrodo.
σCu: Resistencia a la tracción del cobre (N/mm2).
Ecu: Módulo de elasticidad del cobre (N/mm2).
Pmax: Presión máxima del perno (N/mm2).
Fmax: Fuerza máxima del perno (N/mm2).
Aperno: Área del perno (mm2).
#perno: Número de pernos.
IBH: Corriente de baja del horno (A).
UBH: Tensión de baja del horno (V).
STB: Potencia aparente transformador de baja (KVA).
IAH: Corriente de alta del horno (A).
UAH: Tensión de alta del horno (V).
STA: Potencia aparente transformador de alta (KVA).
Nu: Número de Nusselt.
Pr: Número de Prandt.
Gr: Número de Grashof.

15. 1 5
RESUMEN
El tema que trata el presente trabajo de investigación:
“DISEÑO DE UN HORNO ELÉCTRICO POR ARCO CON CAPACIDAD DE 500 kg
PARA EL TALLER DE FUNDICIÓN DE INGENIERÍA MECÁNICA Y
ELECTROMECÁNICA”, abarca en principio en el capítulo 1 a
realizar una justificación del porque la propuesta presentada.
En el capítulo 2, se describen algunos hornos eléctricos
utilizados para la fusión y características de algunos
materiales que son posibles de fundir.
En el capítulo 3, se hace una descripción del sistema
eléctrico que tiene un horno eléctrico por arco, definiendo en
principio algunos fenómenos y características de los
componentes eléctricos como por ejemplo los electrodos
utilizados.
En el capítulo 4, describe la estructura mecánica del horno
eléctrico por arco. En realidad se hace una descripción de los
ladrillos refractarios una parte esencial del horno.
En el capítulo 5, se hace descripción de un estudio acerca de
un componente importante, como es el desgaste de los
electrodos a causa de su operación. De la misma forma se tiene
una aplicación práctica de estas relaciones de una fundición
con un horno de estas características ubicadas en la ciudad de
Oruro.
En el capítulo 6, se realiza cálculos y dimensionamiento de
los componentes tanto mecánicos como eléctricos, para
posterior plasmarlos en planos.
En el capítulo 7, se hace un estudio económico tomando en
cuenta la estructura mecánica, el sistema eléctrico propuesto
y el costo total.
Para culminar en la parte de anexos se incorpora cuadros de
los que se extrajo información, catálogos de aceros y
ladrillos refractarios.
Jhonny Freddy Copa Roque

16. 1 6
CAPÍTULO I
INTRODUCCIÓN
1.1 ANTECEDENTES
1.1.1 PRODUCCIÓN DEL HIERRO Y EL ACERO
El diagrama general de la fusión primaria del hierro integra a
la mayoría de las actividades que se desarrollan en el proceso
productivo. No se debe olvidar que los diagramas de flujo son
una de las herramientas utilizadas por los ingenieros y que de
ngenieros
manera automática los deben aplicar o elaborar.
Fig. 1.1. Proceso de obtención del arrabio.
1.1.-
El consumo mundial de productos de acero acabados en 2005
registró un aumento de aproximadamente un 6% y supera
actualmente los mil millones de toneladas. La evolución del
consumo aparente resulta sumamente dispar entre las
principales regiones geográficas. El consumo aparente,
excluida China, experimentó una caída del 1,0% debida,
fundamentalmente, a la notable disminución observada en Europa
y Norteamérica. China, por el contrario, registró un

17. 1 7
incremento del consumo aparente del 23% y representa en la
actualidad prácticamente un 32% de la demanda mundial de
acero. En Europa y Norteamérica, tras un año 2004 marcado por
un significativo aumento de los stocks motivado por las
previsiones de incremento de precios, el 2005 se caracterizó
por un fenómeno de reducción de stocks, registrándose la
siguiente evolución: -6% en Europa, -7% en Norteamérica, 0,0%
en Sudamérica, +5% en CEI, +5% en Asia (excluida China), +3%
en Oriente Medio (Fuente: Wikipedia, la enciclopedia libre).
La producción mundial de acero bruto en 2005 ascendió a
1.129,4 millones de toneladas, lo que supone un incremento del
5,9% con respecto a 2004. Esa evolución resultó dispar en las
diferentes regiones geográficas. El aumento registrado se debe
fundamentalmente a las empresas siderúrgicas chinas, cuya
producción se incrementó en un 24,6%, situándose en 349,4
millones de toneladas, lo que representa el 31% de la
producción mundial, frente al 26,3% en 2004. Se observó
asimismo un incremento, aunque más moderado, en India
(+16,7%). Asia produce actualmente la mitad del acero mundial,
a pesar de que la contribución japonesa se ha mantenido
estable. Paralelamente, el volumen de producción de las
empresas siderúrgicas europeas y norteamericanas se redujo en
un 3,6% y un 5,3% respectivamente (Fuente: Wikipedia, la
enciclopedia libre). Los procesos para la obtención de hierro
fueron conocidos desde el año 1200 a.C. Los principales
minerales de los que se extrae el hierro son:
Cuadro 1.1.- Minerales de hierro.
Hematita (mena roja) 70% de hierro
Magnetita (mena negra) 72.4% de hierro
Siderita (mena café pobre) 48.3% de hierro
Limonita (mena café) 60-65% de hierro

18. 1 8
La mena café es la mejor para la producción de hierro, existen
grandes yacimientos de este mineral en Estados Unidos y en
Suecia. En todo el mundo se pueden encontrar grandes
cantidades de pirita, pero no es utilizable por su gran
contenido de azufre.
a b c
Fig. 1.2.- Forma Física: a) Magnetita, b) Hematites Roja,
c) Limonita o Hematites Parda.
Para la producción de hierro y acero son necesarios cuatro
elementos fundamentales:
1. Mineral de hierro
2. Coque
3. Piedra caliza
4. Aire
Los tres primeros se extraen de minas y son transportados y
preparados antes de que se introduzcan al sistema en el que se
producirá el arrabio.
El arrabio es un hierro de poca calidad, su contenido de
carbono no está controlado y la cantidad de azufre rebasa los
mínimos permitidos en los hierros comerciales. Sin embargo es
el producto de un proceso conocido como la fusión primaria del
hierro y del cual todos los hierros y aceros comerciales
proceden.
A la caliza, el coque y el mineral de hierro se les prepara
antes de introducirse al alto horno para que tengan la
calidad, el tamaño y la temperatura adecuada, esto se logra

19. 1 9
por medio del lavado, triturado y cribado de los tres
materiales.
En nuestro país actualmente se tienen industrias que realizan
este trabajo, sin embargo la producción de acero es
insuficiente ante la creciente demanda de repuestos de grandes
empresas transnacionales como los son INTI RAYMI y SAN
CRISTOBAL, solo mencionar algunos ejemplos. Las empresas
nacionales dedicadas al rubro de la fundición utilizan métodos
que en su mayoría son por procesos de fusión por inducción,
entre estas se citan: Industrias Eduardo, Fundición Chavarria,
Tecno Acero entre otras. Y métodos de fusión por arco
eléctrico los utilizan: Fundición Aceros Tesa, Fundición
Taurus y Fundición Catavi (otrora parte de la COMIBOL, que
actualmente está paralizada).
De la misma manera en los últimos tiempos en nuestro país se
ha descubierto un gran potencial siderúrgico (YACIMIENTO DEL
MUTÚN), con una reserva importante de hierro con una pureza
(riqueza) promedio del 50 %, que es la materia base de las
diferentes aleaciones de acero. La empresa que realiza los
trabajos de montaje de la planta (JINDALL STEEL), realizará
los trabajos de transformación del mineral de hierro en acero
(perfiles, planchones, palanquilla y fierro de construcción).
Dentro de todo este proceso dicha empresa utilizará un horno
eléctrico por arco para transformar los pellets de hierro en
acero para su posterior obtención de los productos
anteriormente mencionados, mediante un proceso denominado
colada continua.
1.2 PROBLEMATIZACIÓN
¿Cuál es la problemática?
La problemática que se pretende resolver es, la necesidad de
formar recursos humanos en la carrera de Ingeniería Mecánica y
Electromecánica, capacitados en el área de la fundición del

20. 2 0
acero. Y como carrera con acreditación al MERCOSUR es
necesario tener un equipamiento para satisfacer esta
necesidad.
¿Por qué un horno eléctrico por arco?
En primer término un proceso de fusión mediante este tipo de
horno, nos permite fundir aceros de diferentes variedades e
incluso algunas aleaciones. Este proceso también permite
obtener elevadas temperaturas suficientes para la fundición
del acero y otras aleaciones especiales.
¿Cuál es la aplicación de la fundición en el desarrollo de los
países?
Es sumamente elevada la importancia de la producción de piezas
fundidas, casi todas las máquinas y aparatos tienen piezas de
fundición. No hay rama en la construcción de maquinaria, la
industria de fabricación de aparatos y en la misma
construcción, donde no se utilicen piezas fundidas. La
fundición es uno de los métodos mas viejos utilizados aún en
la antigüedad para producir artículos de metal, inicialmente
se cobre y bronce, luego de hierro colado y mas tarde de acero
y otras aleaciones. El rápido desarrollo de la tecnología
plantea ante la producción de piezas fundidas el problema de
la satisfacción de las demandas de las diferentes ramas de la
industria en piezas fundidas y elevación constante de su
producción. Es por esa razón que se han desarrollado métodos
de fundición con el fin de obtener piezas fundidas de diversas
características, como por ejemplo los aceros en sus diferentes
variedades, que en hornos que utilizan combustibles es muy
difícil su obtención y además el costo que representa, así
como su impacto ambiental y regular distribución.

21. 2 1
1.3 OBJETIVOS
1.3.1 OBJETIVO GENERAL
• Proponer el diseño de este horno tomando en cuenta que
esto incluye la estructura metálica (parte mecánica) y su
mando respectivo (sistema eléctrico), con una capacidad
de 500 kg.
1.3.2 OBJETIVO ESPECÍFICO
• Determinar y obtener información de las variables que
permiten el funcionamiento de estos hornos.
• Hacer el estudio de las ventajas y desventajas que este
tipo de horno tiene respecto a los otros.
• Determinar el tamaño y la capacidad adecuada tomando en
cuenta el estudio en el consumo eléctrico.
• Analizar algunos fenómenos relacionados con su
funcionamiento.
1.4 JUSTIFICACIÓN
En nuestra carrera se tiene dos materias relacionadas con esta
área que son MEC–2239 “Mecánica de Fabricación” y MEC-2243
“Procesos de Manufactura”, que en su parte de taller no se
cuenta con materiales y equipos adecuados relacionado con el
actual avance siderúrgico en el mundo y en particular Bolivia.
Por lo tanto el presente trabajo pretende proponer un
equipamiento significativo de nuestro taller para así formar
en un futuro cercano profesionales con sólidos conocimientos
en esta área.
Es de conocimiento nacional e internacional que Bolivia posee
un yacimiento rico en hierro con una reserva que dentro los
próximos 40 años solo se explotará el 2% de toda esta riqueza
(Fuente: Matutino EL DEBER 2005).

22. 2 2
Fig. 1.3.- Proceso Industrial del Mutún (Fuente: EL DEBER).
1.5 MARCO METODOLÓGICO
Este tema de investigación es bastante amplio porque en forma
general abarca muchas áreas relacionadas a la INGENIERÍA
MECÁNICA Y ELÉCTRICA en particular, pero se va a requerir
otras que darán su aporte significativo. Se utilizará algunos
cuadros estadísticos comparando variables de funcionamiento.
Se hará cálculos de las partes críticas eléctricas y
mecánicas, utilizando para ello softwares de respaldo y
dibujo.

23. 2 3
CAPÍTULO II
PROCESOS DE FUNDICIÓN
2.1 MARCO TEÓRICO
2.1.1 HORNOS ELÉCTRICOS
Un horno de arco eléctrico (siglas en inglés: EAF “Electric
Arc Furnace”) es un horno que se calienta por medio de un arco
eléctrico. Los tamaños de un horno de arco eléctrico van desde
la tonelada de capacidad (utilizado en fundiciones) hasta las
400 toneladas de capacidad utilizada en la industria
metalúrgica. Además, existen hornos de laboratorio que tienen
una capacidad de apenas doce gramos. La temperatura en el
interior de un horno de arco eléctrico puede alcanzar los 1800
grados celsius (ºC).
2.1.2 HISTORIA
Fig. 2.1.- Taller de fundición con dos hornos de arco eléctrico.
El primer horno eléctrico de arco fue desarrollado por el
francés Paul Héroult, con una planta comercial establecida en
EE.UU. en 1907. En principio, el acero obtenido en horno por
arco eléctrico era un producto especial para la fabricación de
máquinas herramienta y de acero para resortes. También se
utilizaron para preparar carburo de calcio para lámparas.
En el siglo XIX, el horno de arco eléctrico se empezó a
emplear en la fundición de hierro. Sir Humphry Davy llevó a
cabo una demostración experimental del horno en 1810; el

24. 2 4
método de soldadura por arco eléctrico fue investigado por
Pepys en 1815; Pinchon intentó crear un horno electrotérmico
en 1853; y, en 1878 - 79, Sir William Siemens patentó el horno
de arco eléctrico. El horno eléctrico de Stassano era un horno
de arco que rotaba para mezclar la colada.
Los hornos de arco eléctrico fueron utilizados en la Segunda
Guerra Mundial para la producción de aleaciones de acero, fue
después cuando la fabricación de acero por este método comenzó
a expandirse. El bajo coste en relación a su capacidad de
producción permitió establecerse nuevas acerías en Europa en
la postguerra, y también permitió competir en bajo coste con
los grandes fabricantes de Estados Unidos, tales como
Bethlehem Steel y U.S. Steel, con productos de viguería,
embarrados, cables y laminados para el mercado estadounidense.
Cuando Nucor, que ahora es uno de los mayores productores de
acero de los Estados Unidos, decidió entrar en el mercado de
aceros alargados en 1969, comenzaron con una acería pequeña,
en cuyo interior se encontraba el horno de arco eléctrico, y
que pronto le siguieron otros fabricantes. Mientras Nucor
crecía rápidamente a lo largo de la costa este de los Estados
Unidos, las empresas que le seguían con operaciones
mercantiles localizadas para aceros alargados y viguería,
donde el uso del horno de arco eléctrico permitía flexibilidad
en las plantas de producción, adaptándose a la demanda local.
Este mismo patrón fue seguido en otros países, en donde el
horno de arco eléctrico se utilizaba principalmente para
producción de viguería.
En 1987, la compañía Nucor tomó la decisión de expandir su
negocio en el mercado de productos laminados, utilizando para
ello el horno de arco eléctrico. El hecho de que un horno de
arco eléctrico use acero procedente de chatarra como materia
prima tiene un impacto en la calidad de un producto laminado,
debido al control de calidad limitado sobre las impurezas que
contienen un acero procedente de chatarra.

25. 2 5
2.2 CARACTERÍSTICAS DE LOS HORNOS ELÉCTRICOS
Producen temperaturas muy elevadas y son los más indicados
para la desulfuración y desfosforación de la fundición y para
la obtención de aceros especiales, porque en ellos el metal
que se elabora se halla ya libre de todo cuerpo extraño (aire,
gas, carbón, etc.).
Pueden usarse para el afinamiento de la fundición cargándolos
de trozos de hierro, virutas, etc. Y haciendo luego la
adicción de los elementos necesarios. La potencia de los
hornos eléctricos se expresa por los kilovatios (kW) de
corriente absorbida, que en los hornos de gran capacidad
sobrepasan el millar. La cantidad de calor que produce un kWh
se obtiene por la fórmula:
Los hornos eléctricos pueden ser de resistencia, de arco y de
inducción.
2.2.1 HORNO DE RESISTENCIA
Se basa en el principio de que un cuerpo conductor atravesado
por la corriente eléctrica se calienta hasta fundirse.
Prácticamente estos hornos (construidos con materiales de alta
resistencia eléctrica) se usan hoy mas bien para producir
temperatura hasta 1000 °C para los distintos tratamientos
térmicos, y muy pocos para fusión de acero.
2.2.2 DE ARCO VOLTAICO
Es un flujo de chispas entre dos conductores eléctricos
aproximados, que da una luz vivísima y una temperatura de
3000°C. Un polo esta constituido por electrodos de grafito o
de carbón y el otro es el mismo acero que se quiere fundir.

26. 2 6
Fig. 2.2.- Arco Eléctrico en un horno.
En este sistema, que es el más empleado, la corriente pasa a
través del material y se llama por esto arco directo, mientras
que si el arco se establece entre los extremos se llama arco
indirecto.
Existen y funcionan hornos por arco de varios tipos (Stassano,
Heroul, Girod, Fiat, etc.) formados por un recipiente
cilíndrico de chapas y perfilados de hierro revestido de
material refractario cubiertos de un cielo raso que los cierra
completamente. En la parte delantera hay una puerta para la
carga del material y el agujero de colada; en el cielo raso se
encuentran tres agujeros para el paso de los electrodos. La
base es curva y apoya sobre los rieles de manera que se puede
inclinar para verter la colada. Los hornos de arco funcionan
con un voltaje muy bajo (150 voltios) y fuerte amperaje (1500
a 4000 amperios), y la regulación de los electrodos es
automática.
2.2.3 DE INDUCCIÓN
No es mas que un gran transformador en el cual el circuito
secundario esta constituido por material a elaborar. En ellos
la corriente de las líneas que circula en las bobinas es de
poca intensidad y de gran voltaje, mientras que la corriente
inducida en el circuito secundario, formado por el material
metálico colocado en la solera o crisol del horno y es de poco

27. 2 7
voltaje y gran intensidad. Es este fuerte amperaje lo que
determina en el horno este aumento de temperatura que funde el
acero colocado en el crisol.
Fig. 2.3.- Horno de Inducción.
Para iniciar el trabajo en esta clase de hornos hay que
depositar en la solera una chapa bien caliente sobre la cual
se hace luego la carga del material a tratar. Aunque mas
costosos que los hornos a combustión, los eléctricos son
preferidos por la uniformidad de calentamiento y por la pureza
y homogeneidad de los aceros obtenidos.
Fig. 2.4.- Esquema de un Horno Eléctrico de inducción.
El funcionamiento del Horno de inducción es el siguiente:
1. Por medio del control de velocidad se hace funcionar el
motor para proporcionarle energía mecánica al alternador
de alta frecuencia.

28. 2 8
2. El alternador de alta frecuencia proporciona la energía
alterna utilizada por el horno de inducción, esta energía
pasa a través de un banco de capacitores automáticos para
poder regular el factor de potencia.
3. Un sensor de temperatura registra la temperatura del
horno, la señal es transmitida a un indicador de
temperatura y a su vez a un controlador o variador de
velocidad.
4. El variador de velocidad regula las revoluciones por
minuto, al hacer esto esta variando la frecuencia del
alternador.
Los hornos de inducción utilizan un tipo de simbología que
mostramos a continuación:
Fig. 2.5.- Simbología utilizada en un horno de Inducción.
Ventajas y Desventajas del horno de Inducción
• Los hornos son siempre rebatibles mecánica o
hidráulicamente, y llevan el perno de rotación bajo la
piquera de colada.
• Los hornos emplean corriente monofásica si son de poca
capacidad, y corriente trifásica, con más canales, si son
grandes.
• El factor de potencia es, aproximadamente 0,70 lo que
obliga, en la mayoría de los casos, a acoplar uno o más
condensadores para aumentarlo a 0,80.

29. 2 9
• Las pérdidas de material por oxidación son mínimas y el
funcionamiento resulta económico.
• Su producción es de gran calidad, con oxidaciones muy
reducidas y análisis constantes.
• Se obtiene también la supresión de los electrodos, una
economía en los gastos de funcionamiento y un menor
consumo de corriente eléctrica.
• Los gastos de instalación son muy elevados. Se emplean
particularmente en las fundiciones de aceros aleados
especiales o de aleaciones de hierro colado y en menor
escala en las fundiciones de hierro colado gris.
• Son menos riesgosos para la planta.
• No hacen ruido.
• No son construidos en el país.
2.3 CARACTERÍSTICAS DE LOS ACEROS
Aunque es difícil establecer las propiedades físicas y
mecánicas del acero debido a que estas varían con los ajustes
en su composición y los diversos tratamientos térmicos,
químicos o mecánicos, con los que pueden conseguirse aceros
con combinaciones de características adecuadas para infinidad
de aplicaciones, se pueden citar algunas propiedades
genéricas:
• Su densidad media es de 7850 kg/m3.
• En función de la temperatura el acero se puede
contraer, dilatar o fundir.
• El punto de fusión del acero depende del tipo de
aleación. El de su componente principal, el hierro
es de alrededor de 1510 ºC, sin embargo el acero
presenta frecuentemente temperaturas de fusión de
alrededor de 1375 ºC (2500 ºF). Por otra parte el
acero rápido funde a 1650ºC
• Su punto de ebullición es de alrededor de 3000 ºC
(5400 ºF).

30. 3 0
• Es un material muy tenaz, especialmente en alguna de
las aleaciones usadas para fabricar herramientas.
• Relativamente dúctil. Con él se obtienen hilos
delgados llamados alambres.
• Es maleable. Se pueden obtener láminas delgadas
llamadas hojalata. La hojalata es una lámina de
acero, de entre 0,5 y 0,12 mm de espesor,
recubierta, generalmente de forma electrolítica, por
estaño.
• Permite una buena mecanización en máquinas
herramientas antes de recibir un tratamiento
térmico.
• Algunas composiciones y formas del acero mantienen
mayor memoria, y se deforman al sobrepasar su límite
elástico.
La fusión consiste en hacer pasar los metales y sus aleaciones
del estado sólido al estado líquido, generando determinada
cantidad de calor, bien definida y característica para cada
metal o aleación. Dependiendo de su contenido en carbono se
clasifican en:
• Acero bajo en carbono: menos del 0,25% de C en peso. Son
blandos pero dúctiles. Se utilizan en vehículos,
tuberías, elementos estructurales, etc. También existen
los aceros de alta resistencia y baja aleación, que
contienen otros elementos aleados hasta un 10% en peso;
tienen una mayor resistencia mecánica y pueden ser
trabajados fácilmente.
• Acero medio en carbono: entre 0,25% y 0,6% de C en peso.
Para mejorar sus propiedades son tratados térmicamente.
Son más resistentes que los aceros bajos en carbono, pero
menos dúctiles; se emplean en piezas de ingeniería que
requieren una alta resistencia mecánica y al desgaste.
• Acero alto en carbono: entre 0,60% y 1,4% de C en peso.
Son aún más resistentes, pero también menos dúctiles. Se

31. 3 1
añaden otros elementos para que formen carburos, por
ejemplo, con wolframio se forma el carburo de wolframio,
estos carburos son muy duros. Estos aceros se emplean
principalmente en herramientas.
• También existe otra clasificación de los aceros al
carbono (sin alear) según su contenido en carbono:
o Los aceros hipoeutectoides, cuyo contenido en
carbono a temperatura eutectoide (727°C) oscila
entre 0.02% y 0,77%.
o Los aceros eutectoides cuyo contenido en carbono es
de 0,77%.
o Los aceros hipereutectoides con contenidos en
carbono de 0,77% a 2,11%
• Aceros inoxidables: uno de los inconvenientes del hierro
es que se oxida con facilidad. Hay una serie de aceros a
los que se les añaden otros elementos aleantes
(principalmente cromo) para que sean más resistentes a la
corrosión, se llaman aceros inoxidables.
• Fundición: cuando el contenido en carbono es superior a
un 2,11% en peso, la aleación se denomina fundición.
Generalmente tienen entre un 3% y un 4,5% de C en peso.
Hay distintos tipos de fundiciones (gris, esferoidal,
blanca y maleable); según el tipo se utilizan para
distintas aplicaciones: en motores, válvulas, engranajes,
etc.
Como se comprende fácilmente, después de que ha alcanzado la
temperatura o punto de fusión es necesario aplicar más calor
para poder transformar el metal o la aleación de sólido a
líquido. Durante este periodo la temperatura no aumenta y la
cantidad de calor generada destinada solamente a disgregar el
estado sólido, se llama calor latente de fusión. Sí cuando
toda la masa es líquida, se continúa generando calor, la
temperatura vuelve a aumentar y el metal se recalienta.

32. 3 2
La siguiente tabla indica los puntos de fusión, calores
específicos medios y calores latentes de fusión de algunos de
los metales y aleaciones más corrientes empleados en
fundición.
Cuadro 2.1: Propiedades de los materiales
Fuente: Obtenido de "http://es.wikipedia.org/wiki/Acero"
Metal Temperatura Calor Calor Calor
ó de fusión específico específico latente de
0
aleación C del sólido del líquido fusión
Estaño 232 0.056 0.061 14
Plomo 327 0.031 0.04 6
Zinc 420 0.094 0.121 28
Magnesio 650 0.25 ----- 72
Aluminio 657 0.23 0.39 85
Latón 900 0.092 ----- ----
Bronce 900 a 960 0.09 ----- ----
Cobre 1083 0.094 0.156 43
Fundición 1200 0.16 0.20 70
gris
Fundición 1100 0.16 ---- ----
blanca
Acero 1400 0.12 ---- 50
Níquel 1455 0.11 ---- 58
2.4 ESTRUCTURA GENERAL DE UN HORNO POR ARCO
Se utilizan, principalmente, para la fabricación de acero a
partir de chatarra y/o prerreducidos. En un horno eléctrico de
arco se pueden distinguir 3 partes fundamentales:

33. 3 3
Fig. 2.6.- Estructura de Horno Eléctrico por arco.
2.4.1 PARTE MECÁNICA
Compuesta de:
- Cuba.
- Anillos de bóveda.
- Plataforma.
- Mecanismo de basculación.
- Brazos portaelectrodos y columnas.
- Mecanismo de accionamiento de electrodos.
- Superestructura.
- Vigas de suspensión de bóveda.
- Mecanismo de elevación y giro de bóveda.
2.4.2 PARTE ELÉCTRICA
Compuesta de:
- Seccionador de entrada.
- Interruptor general.
- Transformador de potencia, (reductor de tensión).
- Paneles de mando y control.

34. 3 4
- Embarrado secundario.
- Batería de condensadores.
2.4.3 ELEMENTOS COMPLEMENTARIOS
- Circuito hidráulico.
- Equipo de regulación.
Por lo regular son hornos que sólo se cargan con chatarra de
acero de alta calidad. Son utilizados para la fusión de aceros
para herramientas, de alta calidad, de resistencia a la
temperatura o inoxidables. Considerando que estos hornos son
para la producción de aceros de alta calidad siempre están
recubiertos con ladrillos de la línea básica.
Existen hornos de arco eléctrico que pueden contener hasta 270
toneladas de material fundido. Para fundir 115 toneladas se
requieren aproximadamente tres horas y 50000 kWh. También en
estos hornos se inyecta oxígeno puro por medio de una lanza.
Los hornos de arco eléctrico funcionan con tres electrodos de
grafito los que pueden llegar a tener 760 mm de diámetro y
longitud de hasta 12 m. La mayoría operan a 150 V y la
corriente eléctrica es de 12000 A. Estos equipos tienen un
crisol o cuerpo de placa de acero forrado con refractario y su
bóveda es de refractario también sostenida por un cincho de
acero, por lo regular enfriado con agua. Para la carga del
horno los electrodos y la bóveda se mueven dejando descubierto
al crisol, en el que se deposita la carga por medio de un
puente grúa. Estos equipos son los más utilizados en
industrias de tamaño mediano y pequeño, en donde la producción
del acero es para un fin determinado, como varilla corrugada,
aleaciones especiales, etc.

35. 3 5
CAPÍTULO III
SISTEMA ELÉCTRICO
3.1. ARCO ELÉCTRICO
Fig. 3.1.- Forma de un Arco Eléctrico.
En electricidad se denomina arco eléctrico o también arco
voltaico a la descarga eléctrica que se forma entre dos
electrodos sometidos a una diferencia de potencial y colocados
en el seno de una atmósfera gaseosa enrarecida, normalmente a
baja presión, o al aire libre. Fue descubierto y demostrado
por primera vez por el químico británico Humphry Davy en 1800.
Para iniciar un arco se ponen en contacto, brevemente, los
extremos de dos electrodos, usualmente en forma de lápiz, por
lo general de grafito, y se hace pasar una corriente intensa a
través de ellos. Esta corriente provoca un gran calentamiento
en el punto de contacto, que al separarse los electrodos, se
forma entre ellos una descarga luminosa similar a una llama.
En un arco abierto al aire a presión normal el electrodo
alcanza una temperatura de 3500 ºC. Durante el tiempo de la
descarga se produce una luminosidad muy intensa y un gran
desprendimiento de calor. Ambos fenómenos, en caso de ser
accidentales, pueden ser sumamente destructivos, como ocurre
con la perforación de aisladores en las líneas de transporte

36. 3 6
de energía eléctrica o de los aislantes de conductores y otros
elementos eléctricos o electrónicos.
3.2 APLICACIONES DEL ARCO ELÉCTRICO
El arco eléctrico utilizado de forma controlada se ha empleado
como fuente de luz, antes de la invención de la lámpara
incandescente e incluso después, en la industria
cinematográfica para conseguir fuertes intensidades luminosas
en la filmación de películas así como en los proyectores de
las salas de cine. Los efectos caloríficos del arco eléctrico
se continúan utilizando en la industria para la soldadura de
metales y otros procedimientos metalúrgicos. En este último
tipo de aplicaciones el intenso calor generado por el arco
eléctrico suele utilizarse en hornos especiales para fundir
materiales refractarios. En este tipo de hornos pueden
alcanzarse fácilmente temperaturas del orden de los 3500 ºC.
La ventaja especial de este procedimiento es una completa
independencia a la hora de elegir los productos a aplicar
(chatarra, esponja de hierro, arrabio así como otro tipo de
aleación).
3.3 APLICACIONES EN HORNOS ELÉCTRICOS DE ARCO
La energía eléctrica también es muy utilizada para la
producción de calor por medio del arco voltaico en los hornos
de fundición, es posible fundir a partir de chatarra de
hierro, de cobre o de otros metales, de difícil fusibilidad en
hornos de reducción de óxidos metálicos (en estos últimos los
electrodos penetran en la masa constituida por los óxidos
metálicos a reducir).
3.4 SISTEMA ELÉCTRICO DEL HORNO POR ARCO
En general, los hornos de arco se conectan a una línea
eléctrica de 6.9 a 40 kV. Existen instalaciones conectadas
directamente a una tensión de 130 kV e incluso 220 kV, pero lo

37. 3 7
mas frecuente es disponer un transformador escalón para pasar
de la línea de alta tensión (130 o 220 kV) a la tensión de
entrada a la subestación del horno, tal como se muestra en la
figura.
Fig.3.2.- Esquema eléctrico básico.
Dentro de una subestación propia de horno los elementos
principales son:
- Los seccionadores de entrada con fusibles, (1) para
la instalación eléctrica del horno y (2) para la
puesta a tierra de la línea de entrada.
- El interruptor general (3), de diseño específico para
hornos de arco, que permite un alto número de
maniobras de desconexión del horno en carga. Los dos
tipos más utilizados son el interruptor de vacío y el
de aire comprimido, quedando para bajas potencias el
interruptor magnético al aire.
- El transformador de horno (4) para reducir la tensión
de entrada (10 a 40 kV y muy frecuentemente 30 kV) a

38. 3 8
las tensiones requeridas para el funcionamiento del
horno.
Son frecuentes algunos casos:
- El sistema de protección (5) con pararrayos auto
valvulares de ZnO.
- El equipo de filtrado de armónicos y de corrección
del flicker, cuando la capacidad de la línea no es
suficiente.
Fig. 3.3.- Esquema eléctrico de la subestación del horno.
A ambos lados del interruptor general (3) se disponen los
transformadores de medida de tensión (6) e intensidad (7) en
alta tensión. Asimismo en el lado secundario del transformador
principal (4) se disponen los transformadores reductores de

39. 3 9
tensión y de medida de intensidad (8), cuyas señales van al
panel de control y al equipo de regulación de electrodos.
Por las intensidades muy altas del circuito secundario a
tensiones del orden de 1000 V y las elevadas tensiones del
primario del transformador (normalmente 10 a 40 kV pero
pudiendo llegar en ocasiones a 110 – 220 kV), y cableado
correspondientes para asegurar un funcionamiento continuo, en
muchos casos de 24 horas/día, 7 días/semana.
3.5 EFECTOS ELÉCTRICOS SOBRE LA LÍNEA DE SUMINISTRO
3.5.1 GENERALIDADES
La alimentación eléctrica de un horno de arco de alta potencia
sufre unas variaciones en la potencia demandada que pueden ser
elevadas, sobre todo en la primera parte de la fusión. La
tensión en el arco no es sinusoidal, sino rectangular, lo que
introduce armónicos en el circuito. Asimismo, la intensidad en
el circuito secundario tampoco es exactamente sinusoidal
aunque la desviación es pequeña. Finalmente, se pueden
producir en el circuito de alta tensión puntas de tensión en
determinadas circunstancias que aconsejan la instalación de
limitadores de tensión adecuados.
3.5.2 PARÁMETROS ELÉCTRICOS DE OPERACIÓN
El circuito equivalente del horno de arco es muy simple:
Fig. 3.4.- Circuito equivalente.
X es la reactancia del circuito, V es la tensión en vacío, Va
es la tensión de arco e I es la corriente. El arco es

40. 4 0
resistivo, por tanto, la corriente está en fase con la tensión
de arco. La tensión de arco es definida por la longitud del
arco. Las principales correlaciones entre los parámetros son
(para un circuito monofásico):
Puede ser incluida la resistencia de pérdidas del circuito
para calcular el rendimiento eléctrico del horno.
Una pequeña complicación es el hecho de la reactancia del
circuito variar en función de la etapa de operación y del
coseno fi. Por ese motivo, para hacer los cálculos de los
parámetros operacionales del horno generalmente es necesario
partir de un determinado coseno fi y, para cada etapa de
operación, afectar a la reactancia del correspondiente factor
operacional (que puede variar entre 1,05 e 1,45
aproximadamente).
3.5.3 PRODUCTIVIDAD Y CONSUMO DE ENERGÍA
Para producir una tonelada de acero es necesaria una cantidad
de energía que depende del tipo de carga metálica, del tipo de
producto, de la temperatura final, del tipo y cantidad de
escoria y de otros factores. Si el horno es mal operado, con
elevados tiempos de paradas, con frecuentes aperturas de la
bóveda o con tiempos de afine muy dilatados, los consumos de
energía por tonelada aumentan.

41. 4 1
Sin embargo, de un modo general, para producción de acero, en
condiciones normales, se espera que el horno consuma
aproximadamente 550 kWh por tonelada de acero
Una porción de esa energía es normalmente producida por medios
químicos, generalmente inyectando oxígeno, mas la principal
parte es suministrada por el arco eléctrico. Como ejemplo,
puede ser considerado un horno que opere consumiendo 30 Nm³ de
oxígeno por tonelada de acero producida.
En este caso, la energía suministrada por la combustión del
carbono será igual a:
Y, para completar la producción de una tonelada de acero serán
necesarios:
Que serán provistos por el arco eléctrico. La producción
horaria del horno será proporcional a la potencia activa (kW)
e inversamente proporcional al consumo específico de energía
eléctrica.
En el ejemplo anterior, si la potencia activa fuese de 44500
kW, la productividad sería:

42. 4 2
Si el horno tuviese una capacidad de 100 toneladas, el tiempo
de horno conectado (power on) sería de:
Y, si los tiempos de parada por colada fuesen de 0,25 h, el
tiempo total para producir las 100 toneladas (tiempo tap to
tap) sería de 1,25 horas, la productividad real sería:
Y, la producción en el período de 24 horas sería:
El consumo específico de energía depende fuertemente del tipo
de carga. Los hornos que utilizan carga de prerreducidos,
además de calentar la carga hasta la temperatura de sangrado
(1620 a 1735 ºC) precisan proveer la energía necesaria para
reducir porcentajes de óxido de hierro que pueden variar entre
5 y 10 %. La energía necesaria para reducir una tonelada de
óxido de hierro es muy elevada y, por ese motivo, el consumo
específico de energía operando con carga de prerreducidos
puede ser 50 a 100 kWh/t superior al de una carga de chatarra.
No obstante, los hornos que operan con alto porcentaje de
prerreducidos consiguen actualmente niveles muy elevados de
productividad debido a la excelente escoria espumosa, que
permite la utilización de elevados niveles de potencia por
tonelada, y a los bajos tiempos muertos.
3.5.4 REDUCCIÓN DE LOS CONSUMOS DE ELECTRODOS
El consumo de electrodos es el índice operacional que posee la
mayor dependencia con los parámetros eléctricos de operación.
Hasta los años 80, el consumo específico de electrodos de un

43. 4 3
horno de fusión era de 4 a 6 kilogramos de grafito por
tonelada de acero producida. Al final de los años 90, los
consumos eran del orden de 1,5 kg/t.
La reducción de los consumos de electrodos fue conseguida
principalmente a través del aumento de las relaciones
tensión/corriente. Los transformadores de los hornos fueron
modificados para operar con tensiones más elevadas y, para
mantener los bajos cosenos fi, necesarios para estabilizar el
arco en la fusión de chatarra, fueron instalados reactores en
serie. En el caso de los hornos que operan con carga continua
de prerreducidos o, en general, en hornos que operan con buena
escoria espumosa, la reducción de los consumos puede ser
obtenida operando con altas tensiones y alto coseno fi, sin
necesidad de reactores.
3.5.5 AUMENTO DE LA PRODUCTIVIDAD DE LOS HORNOS DE
ARCO A TRAVÉS DEL AUMENTO DE LA TENSIÓN
SECUNDARIA DE LOS TRANSFORMADORES
La ventaja de la operación con tensiones más elevadas ya era
defendida en el inicio de los años 80. Infelizmente, hasta el
final de esa década, pocos hornos habían sido modificados. En
Brasil se tuvo la oportunidad de realizar el proyecto del
aumento de las tensiones y potencias de los hornos de la
Siderúrgica Barra Mansa en 1988, modificando los
transformadores de 24 MVA - 415 V para 30 MVA - 830 V
Posteriormente, en los años 90, realizaron una gran cantidad
de repotenciaciones en diversos hornos del Brasil y de otros
países.
Las tensiones más elevadas permiten la operación con potencias
más altas sin necesidad de modificar el circuito secundario
del horno (barras, cables flexibles, buses, garras
portaelectrodos y electrodos). La inversión se paga en pocos
meses con la reducción de los consumos de electrodos. Para

44. 4 4
estabilizar el arco en la fusión es necesario aumentar la
reactancia del circuito, instalando reactores serie.
En el pasado, la operación con tensiones y potencias
específicas elevadas no era posible por causa del elevado
desgaste de refractarios que provocaba. Al final de los años
70, las paredes y bóvedas refrigeradas con agua permitieron
incrementar un poco las potencias y las tensiones. El
principal impulso para operar con altas tensiones y potencias
fue dado por el desarrollo de las escorias espumosas que
blindan el arco, protegiendo las paredes, lo cual ocurrió al
final de los años 80. Actualmente son utilizadas tensiones de
900 V y potencias de 45 MW en hornos de apenas 40 toneladas.
En los hornos de gran capacidad, que actualmente operan con
tensiones de 900 a 1300 V, todavía hay margen para aumentar
las tensiones hasta 2000 V o más (en hornos de 150 a 250
toneladas que operan con carga continua de prerreducidos),
disminuir los consumos de electrodos para menos de 1 kg/t y
aumentar la productividad hasta 250 t/h.
3.5.6 FLICKER PROVOCADO POR LOS HORNOS DE ARCO
Las variaciones de la longitud del arco provocan fluctuaciones
de tensión que se propagan por el circuito de alimentación
hasta llegar a los usuarios de baja tensión. Infelizmente, la
frecuencia de esas fluctuaciones coincide con la frecuencia de
fluctuación de la iluminación que es detectada por el ojo
humano (1 a 15 Hz, aproximadamente), provocando un cierta
incomodidad a los consumidores residenciales. Actualmente, el
nivel de flicker es medido por instrumentos calibrados de
acuerdo con los estudios de la UIE (Unión Internacional de
Electrotermia) realizados a partir de 1980 y posteriormente
adoptados por la norma IEC 868. La unidad de medición es el
Pst y, de acuerdo con las recomendaciones iniciales, un valor
de Pst igual o superior a 1 pu provocaría niveles de
perturbación considerados inadmisibles. El valor de Pst de

45. 4 5
referencia sería el medido en la Alta Tensión, en el llamado
punto común de acoplamiento con los otros consumidores. Sin
embargo, mediciones de campo realizadas posteriormente
mostraron que entre la alta tensión y la baja tensión ocurre
una atenuación natural del flicker, que, en ciertos casos,
puede llegar a 50 %, concluyéndose que para que el usuario
residencial, conectado en la baja tensión, observe un efecto
similar a 1 pu, el valor de Pst provocado por el horno sobre
la AT debería alcanzar valores muy superiores a 1 pu (2 pu, en
el caso de la atenuación de 50 %).
Los niveles de flicker son proporcionales a la relación entre
la potencia del horno y la potencia de cortocircuito del punto
común de acoplamiento con los otros consumidores. Por ese
motivo, la forma más directa de disminuir los niveles de
flicker es el aumento de la potencia de cortocircuito de la
red de alimentación o la reducción de la potencia del horno.
La primera, normalmente no puede ser realizada o exige
inversiones muy elevadas y, la segunda reduce la productividad
del horno. Actualmente, para reducir el flicker algunas
empresas recomiendan los compensadores shunt (SVC), los
cuales, utilizando bancos de capacitores fijos y reactancias
controladas por semiconductores, inyectan en la red cantidades
de energía reactiva de igual amplitud y signo opuesto a las
variaciones de reactivo demandadas por el horno.
Estos dispositivos, en general, son de elevado precio y baja
eficacia en la reducción del flicker.
3.5.7 FUERZAS ELECTRODINÁMICAS PROVOCADAS POR LAS
CORRIENTES QUE CIRCULAN POR LOS BRAZOS Y
ELECTRODOS
Las corrientes que circulan por los conductores del horno
provocan campos magnéticos variables creando fuerzas que
pueden llegar a quebrar los electrodos. Adicionalmente, las
fluctuaciones en baja frecuencia de la corriente provocan

46. 4 6
vibraciones en brazos y columnas del horno. Las fuerzas son
proporcionales a las corrientes de pico al cuadrado e
inversamente proporcionales a las distancias entre electrodos.
Por ese motivo, en algunos casos, después de la reducción de
los diámetros primitivos, realizada con la intención de
disminuir el índice de erosión del arco sobre los
refractarios, ocurrieron aumentos de las vibraciones en brazos
y quiebras de electrodos. Por otro lado, como la máxima
corriente depende de la tensión y es inversa de la reactancia,
en ciertos casos en los cuales fue aumentada la tensión sin el
adecuado aumento de la reactancia ocurrieron fallas
semejantes.
3.5.8 ROTACIÓN DE FASES Y APRIETE DE LOS ELECTRODOS
Este tal vez sea el más conocido efecto de los parámetros
eléctricos del horno. En general, las empresas que proveen
electrodos y asistencia técnica saben que la rotación de fases
debe ser antihoraria para que el momento de torsión sobre los
electrodos sea tal que provoque el ajuste de los mismos. Una
secuencia de fases en el sentido horario provoca aflojamiento
de los electrodos y, eventualmente, la caída de columnas.
El problema es que muchas veces se confunde la secuencia de
fases de alimentación (R, S, T) con la secuencia de fases
física (electrodos 1,2 y 3), que es la que realmente interesa,
llegándose a conclusiones equivocadas.
3.5.9 DESGASTE DE REFRACTARIOS
La erosión provocada por el arco sobre los refractarios fue
objeto de profundos estudios en los años 60 y 70 cuando
todavía no se disponía de paneles refrigerados ni de escorias
espumosas. W. Schwabe definió la expresión que permite evaluar
el grado de erosión provocado por el arco sobre las paredes
del horno. Actualmente, la preocupación con los refractarios
es menor, pero, de cualquier forma, el índice de erosión de

47. 4 7
refractarios continua siendo una herramienta útil para definir
el probable desgaste de refractarios cuando la escoria
espumosa no es adecuada o durante los períodos de final de
fusión cuando la chatarra ya está fundida y todavía no existe
escoria espumosa.
El índice de erosión de refractarios de Schwabe puede ser
resumido de la siguiente forma:
Donde V es la tensión del arco, P es la potencia del arco y
b es la distancia entre la faz del electrodo y la pared del
horno. Los factores que provocan aumento del desgaste del
refractario son los mismos que disminuyen el consumo de
electrodos.
3.5.10 OPERACIÓN EN EL PERÍODO DE ESCORIA ESPUMOSA
CON ALTOS FACTORES DE POTENCIA (COS FI)
Los aumentos de tensión realizados en los años 90 obligaron a
instalar reactores para mantener los cosenos fi en valores
inferiores a 0,80 durante el período de fusión. Sin embargo,
especialmente en los hornos que operan con carga continua o,
en general, en los hornos que operan con una buena escoria
espumosa, comprobamos que es posible operar con cosenos fi
próximo de 1 sin que ocurran inestabilidades del arco o
aumentos del factor de reactancia operacional. La operación
con altos cosenos fi permite la obtención de potencias activas
más altas sin necesidad de aumentar la potencia aparente
nominal de los transformadores, posibilitando nuevos aumentos
de productividad con reducción de los consumos de electrodos.
Para poder aumentar el coseno fi en este período es necesario
cortocircuitar los reactores.

48. 4 8
3.5.11 ESPECIFICACIÓN DE TRANSFORMADORES Y REACTORES
Para determinadas capacidades de los hornos y para los niveles
de producción previstos son definidos los parámetros
eléctricos de operación: potencia activa promedio, tensión
secundaria y coseno fi. Una vez conocidos estos parámetros es
posible especificar el transformador. Para poder calcular la
reactancia del reactor serie, se calcula primero la reactancia
que el circuito debe poseer y se compara con la reactancia
existente en el circuito. Para operar en la condición de alto
coseno fi durante el periodo de escoria espumosa es necesario
prever una forma de cortocircuitar el reactor o de conmutar
sus taps con carga. Una vez definidas las principales
características del transformador y del reactor es necesario
verificar los aspectos del proyecto eléctrico del
transformador: tipo de conmutación, faja de tensiones máxima a
mínima, tensión primaria más adecuada, clase de tensión, tipo
de enfriamiento, tipo constructivo del transformador, ensayos,
protecciones, accesorios, etc.
3.5.12 CORRECCIÓN DEL FACTOR DE POTENCIA - BANCOS DE
CAPACITORES
Dependiendo del punto de conexión a la red eléctrica y de la
reglamentación vigente puede ser necesario mantener niveles de
coseno fi superiores a 0,85, 0,92, 0,95 o, hasta 0,98, en
períodos de medición mensuales u horarios. Como el horno, al
menos durante el período de fusión, opera con cosenos fi
inferior a los límites, se hace necesario compensar la energía
reactiva para elevar el coseno fi en el punto de conexión con
la empresa suministradora de energía.
La forma más simple y económica de compensar los reactivos es
la instalación de bancos de capacitores fijos. El cálculo de
la potencia de los capacitores es bastante simple cuando el
coseno fi de operación es conocido. Al proyectar los bancos de

49. 4 9
capacitores hay que tomar la precaución de verificar la
frecuencia de resonancia paralelo de los capacitores con la
red, incluyendo el transformador reductor y, en el caso de
ocurrir una resonancia en alguna de las principales
frecuencias armónicas generadas por el horno (2a, 3a, 4a, e
5a) debe ser modificada la potencia del banco para desplazar
la frecuencia de resonancia. Después de definida la potencia
efectiva y la reactancia del banco, deben ser calculadas las
tensiones de servicio permanente y los aumentos de tensión
provocados por las armónicas generadas por el horno para poder
definir la tensión nominal y la potencia nominal del banco.
3.5.13 ARMÓNICAS Y FILTROS DE ARMÓNICAS
La principal perturbación provocada por el horno de arco son
las fluctuaciones de tensión de frecuencia inferior a la
industrial (flicker). No obstante, el horno de arco genera
también corrientes armónicas (frecuencias múltiplos de la
fundamental) que a su vez causan distorsiones de la onda de
tensión de la red. El horno de arco genera una gama bastante
ancha de frecuencias armónicas, siendo las de mayor amplitud
la 3a, la 2a, la 5a y la 4a, en ese orden. Más, los valores
promedio de las amplitudes de las corrientes armónicas de los
hornos son relativamente bajos, en comparación con los
generados por los convertidores que usan tiristores. En la
práctica, algunos pocos semiciclos de la corriente muestran
porcentajes elevados de distorsión, pero, en promedio, éstos
no pasan de 5 % para las principales armónicas.
La necesidad de filtros de armónicas depende básicamente de la
obligatoriedad de cumplir normas más o menos exigentes sobre
distorsión de tensión. De un punto de vista práctico, es
posible, en gran parte de los casos, instalar los bancos de
capacitores sin filtros, desde que se tome la precaución de
desplazar la frecuencia de resonancia paralelo de las
principales frecuencias armónicas. La necesidad de instalar

50. 5 0
filtros de armónicas es inevitable cuando existen
compensadores estáticos (SVC), ya que estos al poseer
dispositivos de estado sólido controlados por la variación del
ángulo de disparo provocan elevados niveles de armónicas.
De cualquier forma, en muchos proyectos se decide instalar
filtros de armónicas en la subestación para garantizar que no
ocurran amplificaciones muy elevadas de las tensiones y de las
corrientes de los bancos de capacitores. Una buena solución
puede ser la instalación de filtros de 3a armónica
(sintonizados en aproximadamente 2,9 x fundamental). El
proyecto de los filtros debe tomar en consideración la
sobretensión de régimen permanente provocada por los
inductores sobre los capacitores, además de las sobretensiones
provocadas por las armónicas, las sobretensiones de
energización de los capacitores y los impulsos de tensión
provocados por las corrientes de inrush de los transformadores
del horno. En el caso de los filtros de 2a armónica, este
último tipo de sobretensión es crítica y obliga a
sobredimensionar los bancos de capacitores, encareciendo el
proyecto.
3.5.14 SOBRETENSIONES
El circuito de alimentación de los hornos de arco es similar a
cualquier otro circuito de alimentación industrial. Una
peculiaridad de este circuito es el elevado número de
maniobras del transformador del horno (generalmente conectado
en 13,8 kV, 23 kV o 33 kV, mas también, en ciertos casos, en
46 kV, 69 kV y hasta 120 kV), que puede llegar a 100 por día.
Otra característica es la existencia de bancos de capacitores
de alta potencia. Para maniobrar el horno, son utilizados
actualmente interruptores de vacío. Las principales
protecciones contra las sobretensiones de maniobra son los
supresores de impulsos de maniobra, más conocidos como
pararrayos (o apartarrayos) ya que son los mismos dispositivos

51. 5 1
utilizados para proteger contra descargas atmosféricas. Estos
supresores, a partir de 1980 aproximadamente, pasaron a ser
fabricados con óxidos metálicos, como el óxido de zinc. En el
caso de un transformador instalado, por ejemplo, en 24 kV, el
nivel de aislación del mismo debe ser adecuado para soportar
tensiones de impulso de hasta 150 kV y los pararrayos, para
ese nivel de tensión, normalmente actúan con aproximadamente
60 kV. Para los transformadores de horno se recomienda
instalar los pararrayos no sólo entre fase y tierra mas
también entre fases. En el caso de los disyuntores de vacío,
existe un fenómeno conocido como múltiples reigniciones que
eventualmente (difícilmente) podría provocar sobretensiones de
alta frecuencia que podrían averiar al transformador,
especialmente cuando existen capacitores de "surge" en el
primario del transformador y capacitores de corrección del
factor de potencia en la subestación principal. Para proteger
contra este tipo improbable de sobretensión, un fabricante de
disyuntores de vacío recomienda los circuitos de protección
RC, conectados entre fase y tierra. Otro tipo de sobretensión
bastante común es el "restrike" que ocurre durante la
desconexión de los bancos de capacitores, cuando los
interruptores no son adecuados o están con defectos. Estas
sobretensiones son de alta energía y normalmente provocan
fallas en los pararrayos.
3.5.15 PROTECCIONES CONTRA SOBRECORRIENTE
El ajuste de las protecciones de sobrecorriente de los hornos
de arco debe seguir algunos criterios diferenciados. En la
operación normal del horno ocurren cortocircuitos entre los
electrodos y la chatarra que pueden provocar corrientes
superiores al doble de la nominal del transformador durante
pocos segundos. Si los relés de sobrecorriente son ajustados
en la forma convencional, actuando rápidamente para corrientes
inferiores a las de los cortocircuitos normales de la
operación del horno, ocurrirán frecuentes actuaciones del relé

52. 5 2
que perjudicarán la operación del horno. Por otro lado, es
conveniente que si la duración de esas sobrecorriente es
superior a algunos segundos, los relés actúen. También sería
deseable que los relés actuasen instantáneamente al ocurrir un
cortocircuito en las barras de salida del transformador y,
ciertamente, deben actuar instantáneamente en el caso de un
cortocircuito en la tensión primaria.
3.6 ELECTRODOS
3.6.1 EL CARBONO
El carbono es un elemento químico de número atómico 6 y
símbolo C. Es sólido a temperatura ambiente. Dependiendo de
las condiciones de formación, puede encontrarse en la
naturaleza en distintas formas alotrópicas, carbono amorfo y
cristalino en forma de grafito o diamante. Es el pilar básico
de la química orgánica; se conocen cerca de 10 millones de
compuestos de carbono, y forma parte de todos los seres vivos
conocidos.
Cuadro 3.1.- Datos del Grafito
INFORMACIÓN DIVERSA DEL GRAFITO
ELECTRONEGATIVIDAD 2,55 (Pauling)
2,5 (Allred y Rochiw)
CALOR ESPECÍFICO 710,6 J/(kg × K) (grafito);
518,3 J/(kg × K) (diamante)
CONDUCTIVIDAD 3 106 –1 × m–1 (grafito, dirección paralela a los planos);
ELÉCTRICA
5 × 102 -1 × m–1 (dirección perpendicular)
CONDUCTIVIDAD 19,6 W/(cm × K) (grafito, dirección paralela a los planos);
TÉRMICA 0,06 W/(cm × K) (dirección perpendicular);
23,2 W/(cm × K) (diamante)
3.6.2 CARACTERÍSTICAS SECUNDARIAS
El carbono es un elemento notable por varias razones. Sus
formas alotrópicas incluyen, sorprendentemente, una de las

53. 5 3
sustancias más blandas (el grafito) y la más dura (el
diamante) y, desde el punto de vista económico, uno de los
materiales más baratos (carbón) y uno de los más caros
(diamante). Más aún, presenta una gran afinidad para enlazarse
químicamente con otros átomos pequeños, incluyendo otros
átomos de carbono con los que puede formar largas cadenas, y
su pequeño radio atómico le permite formar enlaces múltiples.
Así, con el oxígeno forma el dióxido de carbono, vital para el
crecimiento de las plantas; con el hidrógeno forma numerosos
compuestos denominados genéricamente hidrocarburos, esenciales
para la industria y el transporte en la forma de combustibles
fósiles; y combinado con oxígeno e hidrógeno forma gran
variedad de compuestos como, por ejemplo, los ácidos grasos,
esenciales para la vida, y los ésteres que dan sabor a las
frutas; además es vector, a través del ciclo carbono-
nitrógeno, de parte de la energía producida por el Sol.
3.6.3 APLICACIONES
El principal uso industrial del carbono es como componente de
hidrocarburos, especialmente los combustibles fósiles
(petróleo y gas natural). Del primero se obtienen, por
destilación en las refinerías, gasolinas, keroseno y aceites,
siendo además la materia prima empleada en la obtención de
plásticos. El segundo se está imponiendo como fuente de
energía por su combustión más limpia. Otros usos son:
• El isótopo carbono 14, descubierto el 27 de febrero de
1940, se usa en la datación radiométrica.
• El grafito se combina con arcilla para fabricar las minas
de los lápices. Además se utiliza como aditivo en
lubricantes. Las pinturas antirradar utilizadas en el
camuflaje de vehículos y aviones militares están basadas
igualmente en el grafito, intercalando otros compuestos
químicos entre sus capas. Es negro y blando. Sus átomos
están distribuidos en capas paralelas muy separadas entre

54. 5 4
sí. Se forma a menos presión que el diamante. Aunque
parezca difícil de creer, un diamante y la mina de un
lapicero tienen la misma composición química: carbono.
• El diamante es transparente y muy duro. En su formación,
cada átomo de carbono está unido de forma compacta a
otros cuatro átomos. Se originan con temperaturas y
presiones altas en el interior de la tierra. Se emplea
para la construcción de joyas y como material de corte
aprovechando su dureza.
• Como elemento de aleación principal de los aceros.
• En varillas de protección de reactores nucleares.
• Las pastillas de carbón se emplean en medicina para
absorber las toxinas del sistema digestivo y como remedio
de la flatulencia.
• El carbón activado se emplea en sistemas de filtrado y
purificación de agua.
• El carbón amorfo ("hollín") se añade a la goma para
mejorar sus propiedades mecánicas. Además se emplea en la
formación de electrodos (ejemplo el de las baterías).
Obtenido por sublimación del grafito, es fuente de los
fulerenos que pueden ser extraídos con disolventes
orgánicos.
• Las fibras de carbón (obtenido generalmente por
termólisis de fibras de poliacrilato) se añaden a resinas
de poliéster, donde mejoran mucho la resistencia mecánica
sin aumentar el peso, obteniéndose los materiales
denominados fibras de carbono.
• Las propiedades químicas y estructurales de los
fulerenos, en la forma de nanotubos, prometen usos
futuros en el incipiente campo de la nanotecnología.
3.6.4 HISTORIA
El carbón (del latín carbo-onis, "carbón") fue descubierto en
la prehistoria y ya era conocido en la antigüedad en la que se
manufacturaba mediante la combustión incompleta de materiales

55. 5 5
orgánicos. Los últimos alótropos conocidos, los fulerenos,
fueron descubiertos como subproducto en experimentos
realizados con haces moleculares en la década de los 80.
3.6.5 ABUNDANCIA Y OBTENCIÓN
El carbono no se creó durante el Big Bang porque hubiera
necesitado la triple colisión de partículas alfa (núcleos
atómicos de helio) y el Universo se expandió y enfrió
demasiado rápido para que la probabilidad de que ello
aconteciera fuera significativa. Donde sí ocurre este proceso
es en el interior de las estrellas en la fase RH (Rama
Horizontal) donde este elemento es abundante, encontrándose
además en otros cuerpos celestes como los cometas y en las
atmósferas de los planetas. Algunos meteoritos contiene
diamantes microscópicos que se formaron cuando el Sistema
Solar era aún un disco protoplanetario.
En combinaciones con otros elementos, el carbono se encuentra
en la atmósfera terrestre y disuelto en el agua, y acompañado
de menores cantidades de calcio, magnesio y hierro forma
enormes masas rocosas (caliza, dolomita, mármol, etc.).
El grafito se encuentra en grandes cantidades en Estados
Unidos, Rusia, México, Groenlandia e India.
Los diamantes naturales se encuentran asociados a rocas
volcánicas (kimberlita y lamproita). Los mayores depósitos de
diamantes se encuentran en el África (Sudáfrica, Namibia,
Botswana, República del Congo y Sierra Leona). Existen además
depósitos importantes en Canadá, Rusia, Brasil y Australia.
3.6.6 PRECAUCIONES
Los compuestos de carbono tienen un amplio rango de toxicidad.
El monóxido de carbono, presente en los gases de escape de los
motores de combustión y el cianuro (CN) son extremadamente
tóxicas para los mamíferos, entre ellos las personas. Los