Por Alejandro Cuevas
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.
- 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.
- 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.
- Es un
método que puede funcionar continuamente à alta producción.
- Alta
velocidad de fusión.
- Costos de
operación relativamente bajos.
- 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