Estudio de los costos del calentamiento por inducción con respecto a otros sistemas

Para efectuar un estudio comparativo del costo del calentamiento por inducción con respecto a otros sistemas de calentamiento, hay que tener cuenta una serie de factores.

FORJA

Para efectuar un estudio comparativo del costo del calentamiento por inducción con respecto a otros sistemas de calentamiento, hay que tener cuenta una serie de factores como son:

  • Costo de la energía consumida por pieza calentada.
  • Costo de la mano de obra.
  • Pérdidas de material.
  • Vida de las matrices.
  • Costo de mantenimiento.
  • Gastos de implantación.
  • Ahorro en ART.

Vamos a analizar detenidamente cada uno de estos componentes del costo.

Costo de la energía consumida por pieza calentada.

En el caso del calentamiento completo de tochos, es normal considerar que la producción de acero a 1150 ºC es del orden de 2,5 Kg. de material caliente por cada KW de potencia de salida del generador. Considerando que rendimiento de la instalación del orden del 94%, obtenemos que por cada Kg. de material caliente debemos consumir a la red de suministro 0,43 KW/h.
Es necesario resaltar que, con el calentamiento por inducción, ‚este costo de energía que hemos obtenido es el único que interviene. Por el contrario, cuando se compara el calentamiento por inducción con otros sistemas de calentamiento, como por ejemplo, un horno de gas, hay que tener en cuenta también que:
- En un generador de inducción se consume energía el éctrica cuando se calientan las piezas, pero no hay tiempos de precalentamiento. Por el contrario, en un horno convencional, hay que comenzar a calentar antes de que se le cargue de piezas para atemperar toda la cámara del horno, y esto es también un importante consumo de combustible y mano de obra.
- En caso de paradas, cambio de matrices, averías en las prensas, etc.., el horno convencional continua consumiendo energía mientras que el generador de inducción deja de consumir en el mismo momento en que no se extraen m s piezas.
La comparación entre el calentamiento por inducción y los hornos convencionales arroja siempre resultados favorables para el calentamiento por inducción. Generalmente existen diferencias tan espectaculares que se llega hasta un 65% de economía utilizando un generador de inducción.

Costo de la mano de obra

Una de las características más destacadas del calentamiento por inducción es precisamente la facilidad con que es posible conseguir la automatización completa del proceso, la cual conduce, como es lógico, a un ahorro importante en la mano de obra y un aumento de la producción.
En una instalación de estampación de cabezas de tornillos funcionando en un sistema semiautom ático, con colocación manual del tornillo en la prensa, se consiguen producciones del orden de 1.200 tornillos/hora, justamente el doble de la producción que se obtenía antes de la introducción del generador de inducción, y con la mitad del personal. La repercusión del coste de la mano de obra por pieza calentada es, en consecuencia, la cuarta parte con el calentamiento por inducción.
No es posible dar unas cifras concretas del ahorro de mano de obra con la utilización de un generador de inducción, punto que depende de cada caso concreto. En general podremos afirmar que el costo de la mano de obra con una instalación de calentamiento por inducción es de menos de la mitad que con los sistemas tradicionales. Tampoco se paga suplemento por calor ías.

Pérdidas de material

Las pérdidas del material en una instalación cualquiera de calentamiento son debidas básicamente a dos causas:
- Las pérdidas al fuego propiamente dichas
- Las creces que hay que dar a las piezas para la estampación.
Las pérdidas al fuego dependen de la temperatura de calentamiento, de la superficie exterior de las piezas y del tiempo de calentamiento. La superficie exterior de las piezas es una caracter ística propia de la pieza de que se trate y por lo tanto, es una constante para cualquier tipo de calentamiento.
Ahora bien, debido a la influencia de los otros dos factores, es posible obtener importantes economías con la utilizaci ón del calentamiento por inducción.
La temperatura de las piezas puede ser controlada con mucha más exactitud con un generador de inducción que con cualquier otro sistema, y por lo tanto, es posible limitarla al justo valor necesario y como consecuencia reducir las pérdidas de material.
Pero el factor más importante de reducción de pérdidas es el tiempo de calentamiento.
El tiempo que media entre la introducción de una pieza en el inductor de calentamiento y su expulsión a la temperatura de forja, depende de su diámetro y es en general del orden de algunos segundos mientras que en un horno convencional este tiempo es de, al menos, 15 minutos. Por ejemplo, en una pieza de 30 mm de di metro, el tiempo de permanencia en el inductor para conseguir la homogeneización de la temperatura es solamente de 45 segundos. Utilizando la figura sig. que nos gráfica las pérdidas de material (en gr./dm2) según el tiempo de calentamiento a la temperatura de 1200øC las pérdidas serían de 2,8 gr/dm2 mientras que, en el horno convencional, con un tiempo de 15 minutos las pérdidas serían de acuerdo con dicha tabla de 18 gr/dm2 o sea un 600% más elevadas.
El tiempo en que la pieza está sometida a la acción del calentamiento por inducción es un factor muy importante, si queremos conseguir un calentamiento homogéneo de toda la sección de la pieza es necesario que la pieza esté calentándose el tiempo suficiente para que se produzca una transmisión de calor hacia el interior de la pieza. Cuanto menos sea la diferencia de temperatura admisible entre la superficie y el centro de la pieza, mayor deber ser el tiempo de calentamiento.

Costo de la mano de obra

El gráfico es válido para piezas de sección redonda, para el caso de sección cuadrada se debe hacer un ajuste de d = 1,13b siendo b el lado del cuadrado y d el Ø equivalente.
Para una producción de 1000 piezas/hora, las pérdidas de material son, en el caso de calentamiento por inducción, P = 1000x0,71x2,8 = 2000 gr. por hora, y con un horno convencional 1000x0,71x18 = 12.780 gr./hora.
El ahorro de material con el calentamiento por inducción es: 12,780 - 2,00 = 10.780 kg./hora.
Las creces que se dan para la estampación pueden ser menores cuando las piezas se calientan por inducción que el caso de un horno convencional.
Con un generador de inducción es posible de limitar exactamente la zona calentada con lo que la matriz puede ajustarse con mucha menor tolerancia que en el caso de calentamiento con un horno convencional.
Los materiales buenos conductores del calor necesitan tiempos de calentamiento muy inferiores a los del acero.
Si se trata de calentar una pieza de acero de 50 mm de diámetro, el tiempo mínimo necesario será, según el gráfico, de 100 seg. Si la pieza es un taco que va a calentarse en un inductor de túnel, el tiempo mínimo desde la entrada en el túnel hasta la salida a 1.200 °C tendrá que ser de 100 segundos.
Normalmente las cadencias de producción en la forja son del orden de 300-600 piezas por hora, lo que quiere decir que cada 12-6 segundos hay que entregar una pieza caliente. Si tienen que estar 100 segundos en el inductor, este tendrá que tener una longitud igual a 16-8 veces la longitud de la pieza.

Vida de las matrices

La vida de las matrices utilizadas con piezas que han sido calentadas por inducción es sensiblemente superior a la que tiene si las piezas se calientan por otros medios.
Este alargamiento de la vida útil obedece primero al estado de la superficie de las piezas que en el calentamiento por inducción tienen mucha menos oxidación superficial que con otros sistemas debido a la menor duración del calentamiento. Una superficie más limpia es naturalmente menos abrasiva y, por lo tanto, el desgaste de los troqueles es menor.
Por otra parte, la regularidad en la temperatura de las piezas calentadas por inducción evita el riesgo de roturas en los troqueles por piezas demasiado frías. La duración de las matrices es 4 veces mayor.

Costo de mantenimiento

Los gastos de mantenimiento de una instalación de calentamiento por inducción son, en general, muy reducidos ya que no hay gastos de fumistería.

Gastos de implantación

Una instalación de calentamiento por inducción tan solo precisa para su implantación 3 cables de energía eléctrica y tierra. La limpieza absoluta del sistema de calentamiento por inducción, su ausencia de humos y su nulo desprendimiento de olor hacen innecesarias instalaciones de ventilación, enfriamiento, etc.. Por el contrario, con el uso de los hornos convencionales, debido al calor y humo que despiden, es necesario tomar medidas en cuanto a ventilación y acondicionamiento del puesto de trabajo que, además de encarecer la instalación, suponen un costo de mantenimiento permanente.

COSTE ECONÓMICO DEL CALENTAMIENTO

Las pérdidas de material al fuego (producción de cascarilla) son importantes en los hornos, mientras que son mucho más reducidas en los equipos de inducción.
Valores del 2% de pérdidas son habituales en los hornos , siendo de 0,5% en el caso de equipos de inducción.
La cascarilla además tiene efecto abrasivo sobre los moldes reduciendo su vida a la mitad.