Por Alejandro Cuevas

 

4.18 - Prácticas y Hornos de Fusión

Fundentes y Formadores de Escoria

 

Además del metal o aleación a fundir, los hornos se cargan también con otros materiales como fundentes y formadores de escoria.

Los fundentes son compuestos orgánicos que se utilizan para refinar el metal fundido, esto al eliminar gases disueltos así como impurezas. Dependiendo del metal con que se esté trabajando, los fundentes tendrán diferentes funciones.

Ejemplos de fundentes:

  • Aluminio: Cloruros, fluoruros y boratos de aluminio, de calcio, magnesio, potasio y sodio.
  • Magnesio: Composición de cloruro de magnesio, cloruro de potasio, cloruro de bario y fluoruro de calcio.
  • Aleaciones de Cobre:
    • Fundentes oxidantes: oxido cúprico, bióxido de manganeso.
    • Fundentes de cobertura neutra: bórax, acido bórico, vidrio
    • Fundentes reductores: grafito o carbón vegetal
    • Fundentes para el molde para fundiciones semicontinuas: evitan la oxidación y mejoran la lubricación.
  • Aleaciones de Zinc: Cloruros de zinc, potasio y sodio.
  • Hierro Fundido: carbonato de sodio y fluoruro de calcio.

 

La superficie del material fundido está expuesta a la atmósfera, por lo que puede contaminarse al reaccionar con ésta. Para aislarlo, se mezcla el material con compuestos que forman escoria, lo que compone una capa protectora.

Para aceros fundidos, la escoria incluye CaO, SiO2, MnO y FeO.

 

 

Adición de Elementos Aleantes

 

La adición de elementos aleantes tiene dos aristas.

  1. Si el elemento aleante tiene un punto de fusión lo suficientemente bajo, se agrega en forma pura (ej. Al, Cu) para obtener la composición deseada.
  2. Si el elemento aleante tiene un punto de fusión muy elevado, se agrega a partir de aleaciones maestras, las cuales tienen un menor punto de fusión y permiten agregar el elemento a la aleación que se está preparando. (ej. Aleaciones de Titanio).

 

Hornos de arco eléctrico (Electric Arc Furnace)

 

Se utilizan para la fundición de aleaciones con alto punto de fusión.

Consiste en un recipiente hecho o cubierto con material refractario, tanto su interior como la tapa (techo), la cual generalmente se puede abrir para facilitar la carga de material.

Generalmente el techo incluye tres electrodos de carbono (pueden ir también en las paredes), operando a alta tensión en un sistema trifásico. La distancia entre los electrodos y el metal es controlada automáticamente y determina la potencia a utilizar.

Comúnmente estos hornos tienen compuertas para adicionar elementos aleantes, extraer gases, sacar la escoria, etc.

La ventaja de estos hornos es la rapidez para derretir el metal, la alta temperatura que se alcanza y un buen control de la aleación.

 

 

Figura 2: Esquema de un Horno de Arco Eléctrico

Figura 3: Horno de Arco Eléctrico

  

 

 

Hornos de Inducción (Induction Furnace)

 

Horno de Inducción sin núcleo (Coreless Induction Furnace)

 

El calor es generado por el campo magnético resultante de una bobina que rodea al crisol. Generalmente se utiliza un voltaje de alta frecuencia para activar la bobina, de esta manera se obtiene una gran potencia con poca turbulencia en el campo.

Cuando el metal está fundido, la interacción del campo magnético con las corrientes eléctricas producen un efecto de agitación en el material (se revuelve). Este efecto es importante ya que ayuda lógicamente a la mezcla de aleaciones, así como a homogenizar la temperatura en todo el volumen. Un exceso de agitación puede aumentar la presencia de gases en la mezcla, así como su oxidación.

Se utiliza comúnmente para aceros de toda calidad, así como para aleaciones no ferrosas. Es ideal para re-fundir y alear, ya que se tiene un gran control sobre la temperatura y la química de la mezcla.

 

Figura 4: Esquema Horno de Inducción Sin Núcleo

 

Horno de núcleo o de canal (Channel Induction Furnaces)

 

El horno de canal consiste en un cascarón de acero recubierto con material refractario, el cual contiene el metal fundido. Adherido al cascarón, se encuentra una unidad de inducción que corresponde a la componente fundidora del horno, esta unidad va unida por una garganta o canal. La localización de las bobinas de inducción permite que el calor generado por el campo magnético, y su dirección, hagan circular el material a la sección principal del horno, esta circulación favorece además la agitación de la mezcla.

Ver Figura 5: Horno de Núcleo.

 

Es comúnmente utilizado para fundir aleaciones con bajo punto de fusión, o para mantener o sobrecalentar aleaciones (mejorando la fluidez) con un punto de fusión más alto. Estos hornos se pueden utilizar para contener metal fundido en situaciones de baja demanda en los hornos de inducción sin núcleo, reduciendo así costos de fundición al evitar altas cargas correspondientes a momentos de alta demanda.

 

Figura 5: Horno de Núcleo

 

Horno de Crisol (Crucible Furnace)

 

Es una de las unidades más antiguas y simples utilizadas en fundición. El horno utiliza un crisol de material refractario que contiene el metal a fundir. El metal es calentado mediante conducción de calor a través de las paredes del crisol, calor que puede provenir de distintas fuentes. Típicamente los combustibles son carbón, petróleo, gas o electricidad. Se utiliza comúnmente este sistema para pequeñas cantidades de aleaciones con bajo punto de fusión.

Es un sistema económico y viable para pequeñas fundiciones.

 

Figura 6: Fundición de Oro en Crisol de Grafito

Figura 7: Crisol

 

 

Hornos de Cubilote ó Cúpula (Cupola Furnace)

 

Por mucho tiempo este fue el principal método utilizado en fundiciones de hierro. Tiene características únicas que masificaron su uso en fundición de hierro.

 

  1. Es un método que puede funcionar continuamente à alta producción.
  2. Alta velocidad de fusión.
  3. Costos de operación relativamente bajos.
  4. Facilidad de operación.

 

Últimamente está siendo reemplazado por hornos de inducción, debido a un control más preciso y menores niveles de emisión por parte de este último.

 

La cúpula consiste en un armazón de acero, recubierto en su interior por ladrillo o material refractario. La carga se introduce al horno a través de una apertura aproximadamente al centro del cañón vertical, carga que consiste en capas alternadas del metal a fundir, coque y cal. El combustible (coque) es quemado en aire que es introducido al cañón. Los gases calientes generados en la parte inferior del cañón ascienden y pre-calientan la carga que ingresa al horno.

 

Diámetros internos típicos para estos hornos son 450[mm] a 2000[mm], que pueden ser operados a distintas razones metal/combustible, entregando tazas de fundido de 1 a 30 toneladas por hora.

Figura 8: Horno de Cúpula

Figura 9: Vista en corte de un horno de cúpula

Un ciclo típico de operación consiste en cerrar las compuertas y preparar el fondo del hogar de la cúpula. El fondo generalmente está hecho de arena de fundición con pendiente hacia el agujero de extracción. Se inicia el fuego en el hogar utilizando algún combustible como madera liviana, luego se agrega coque sobre el fuego el cual enciende al aumentar la circulación de aire por las toberas que se encuentran en la parte inferior. Una vez que el coque se ha encendido y se tiene la altura requerida, se ingresan al horno capas alternadas de metal y coque hasta que se llega al nivel de la puerta de carga. En general el metal utilizado es hierro, acero y material de reciclaje (aceros).

 

Una corriente de aire se introduce por la parte inferior, generando la combustión del coque y produciendo el calor necesario para fundir el metal, el cual se recolecta en el fondo del horno por donde luego es extraído. A medida que el metal y el combustible son consumidos, se rellena el hogar del horno, generando así un proceso de fundición continua.

 

En la Figura 10, se puede ver el diagrama de proceso de la fabricación de tuberías para producción de nieve artificial (ver aquí). Se puede apreciar el uso de un horno de cúpula para la producción continua, así como un proceso centrífugo para la producción de las cañerías.

 

Figura 10: Fundición de Cañerías para fabricación de nieve