Tipos DE Horno PARA Fundicion DE Metales PDF

Preview

Summary

Download Tipos DE Horno PARA Fundicion DE Metales PDF

Description

TIPOS DE HORNOS PARA LA FUSIÓN DE METALES

FACULTAD DE IGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA METALÚRGICA

INFORME DE FUNDICIÓN

Dirigido a: ING. RAFAÉL BOTÍA

UNIVERSIDAD PEDAGÓGICA Y TECNOLÓGICA DE COLOMBIA SEDE TUNJA 2017- I

TABLA DE CONTENIDO

1. Introducción 2. Objetivos. 3. Procedimiento y metodología. 4. Marco teórico. 5. Cuestionario. 6. Análisis. 7. Conclusiones. 8. Bibliografía.

INTRODUCCIÓN

La fusión de los metales y aleaciones tiene lugar en hornos adecuados a cada clase de metal y aleación, el tamaño o cantidad de piezas a moldear y también a la importancia del taller donde se realiza la fundición. En estos hornos no solo se realiza la simple fusión de los metales y aleaciones como parte una operación previa para el moldeo de una pieza, sino que en general se realiza un ajuste de la composición del material, cuando no, una verdadera fabricación del mismo como ocurre con las fundiciones de hierro. Para una correcta y eficiente realización de los procesos de fusión de los metales es deber del fundidor estar totalmente familiarizado y capacitado tanto de las operaciones necesarias que deben llevarse a cabo como también de los factores y elementos que intervienen en la fusión. Todo lo anterior, a escala industrial debe de estar apoyado de un laboratorio de ensayos rápidos para determinar en qué estado, condiciones y qué composiciones tiene el metal líquido que se está trabajando con el fin de que este cumpla con las necesidades y especificaciones requeridas. La fundición es un proceso de manufactura en donde se desea que un metal de interés sufra un cambio de estado de solido a liquido mediante la aplicación de altas temperaturas ligeramente más altas que el punto de fusión del mismo, en algún tipo de horno. Esto con el fin de colar el metal liquido en un molde previamente elaborado para obtener, una vez solidificado y enfriado el metal, una pieza determinada generalmente muy compleja para ser elaborada por otro proceso de manufactura. Como se decía anteriormente, la fusión puede ser llevada a cabo en distintos tipos de hornos, cada uno de estos es adecuado para determinados metales o aleaciones. Existen diversas formas de clasificar un horno de fusión pero usualmente suele hacerse teniendo en cuenta el medio de calentamiento, combustible utilizado o también si la carga de metal liquido este en contacto o no con el combustible, en donde este último, modifica la composición del metal o aleación en proceso de manufactura. Dentro de las características que debe tener un metal o aleación para la fundición se encuentran una baja temperatura de fusión, un bajo calor latente de fusión, una baja tensión superficial una alta colabilidad y una alta densidad esto con el fin de maximizar los beneficios a la hora de fundir un metal haciendo más eficiente la operación de los hornos, reduciendo el consumo de combustible y

materias primas o simplemente reducir el tiempo y energía necesaria para el proceso que se traduce en economía. Dentro de los hornos más utilizados industrialmente para la fusión de metales o aleaciones se encuentran el cubilote, los hornos eléctricos, los hornos de crisol y los hornos de reverbero. Los hornos rotatorios son considerados hornos de reverbero perfeccionados y, a pesar de que son usados ampliamente en fundición, también son usados en procesos de calcinación y tostación de menas. Los hornos de crisol se dividen en basculantes y fijos, los hornos eléctricos se dividen en hornos de arco, hornos de inducción y hornos de resistencia. Algunos tipos de hornos son exclusivos para el trabajo de fundiciones como es el caso del cubilote en donde únicamente es posible obtener fundición de hierro. Otros tipos de horno tienen la facilidad de fundir fundiciones no ferrosas como el aluminio, cobre, magnesio y aleaciones como latón, bronce, etc. Industrialmente, existen ciertos hornos complementarios para la elaboración de acero a partir de fundición de hierro mediante insuflación de aire a la carga metálica con el fin de descarburar y obtener la composición típica de los aceros. Esta es la función de los hornos convertidores Bessemer y Thomas. El tema de este informe hace referencia a los tipos de hornos existentes en la industria para realizar fundiciones de metales y aleaciones, teniendo en cuenta los aspectos importantes y características propias de cada horno como lo son el tipo de combustible utilizado, partes del horno, medio de calentamiento, materiales de fabricación y modo de uso. Este informe es elaborado con el fin de profundizar a cerca de los tipos de hornos utilizados para la fusión de metales o aleaciones, también, conocer las particularidades y características de cada horno con el objetivo de manejar la información recaudada objetiva y profesionalmente a la hora se hacer frente a una situación real de los procesos de fundición presentes en la industria. Puede considerarse como limitación de esta actividad el hecho de que la universidad no posea todos los tipos de hornos usados comúnmente en la industria como también el conocimiento empírico de la operación de los mismos la cual, vendrá representada y complementada en futuros informes de carácter práctico.

OBJETIVOS

1. Objetivo general. 1.1.

Conocer los diferentes tipos de hornos y reactores de fusión de metales que se usan en la industria tanto para ferrosos como para no ferrosos para la fabricación de piezas vía fundición.

2. Objetivos específicos. 2.1.

Desarrollar el conocimiento teórico de los procesos de fusión de metales y aleaciones familiarizándose con el manejo de los hornos existentes tanto en su funcionamiento como en sus propiedades.

2.2.

Aplicar técnicas de preparación de las materias primas e insumos utilizados en los diferentes hornos.

2.3.

Aplicar las normas de seguridad y salud en el trabajo así como también ser consiente del control ambiental que se tiene que tener en cuenta en los procesos de fundición en cada horno.

3. PROCEDIMIENTO Y METODOLOGÍA

Se realizó un recorrido ilustrativo y descriptivo a través de las instalaciones de los laboratorios de metalurgia en la UPTC conociendo los distintos tipos de hornos con los que cuenta la universidad y con los que se realizan las operaciones de fundición a nivel micro con fines académicos y de investigación. Se realizó la introducción de cada tipo de horno como también una ilustración de las partes que componían cada uno, las funciones, el tipo de carga, insumos y materias primas que se necesitan para el proceso de fusión, funcionamiento del horno y su operación y también los cuidados y advertencias que se deben tener tras hacer uso de cada horno. Se conoció la historia del horno de foso como también su alta aplicación debido a las altas temperaturas que alcanza sin necesidad de aplicar altas tecnologías a su operación. También se presentó el horno cubilote con sus partes enfatizando a la vez la importancia que conllevan las cargas tanto de insumos como de metal para que la fundición que se desea obtener sea precisa y que el funcionamiento y desempeño del cubilote sea el ideal. Seguidamente se ilustró e funcionamiento del horno de inducción como también la aplicabilidad y cuidados que deben tenerse a la hora de su uso. El horno de crisol basculante es uno de los más utilizados para la fusión de metales no férreos, también se realizó la debida inducción acerca de las propiedades y consideraciones importantes de este horno practico. Luego, fue el turno del horno de arco donde se describió la forma en que se alcanzaban altas temperaturas mediante un arco eléctrico entre los electrodos de grafitos ubicados en la cámara de carga de metal. Este arco algunas veces entraba en contacto con el metal y otras veces no, esto producía un rápido calentamiento de la carga provocando su fusión. Por último se realizó la descripción del horno rotatorio enfatizando en su carga, funcionalidad para fundiciones y calcinaciones y la implementación del sistema rotatorio que brinda ciertos beneficios adicionales a la hora de utilizar de mejor forma la temperatura para fundir el metal de interés.

4. MARCO TEÓRICO

4.1 ¿Qué es la fundición? La fundición de metales es el proceso de fabricación de piezas mediante el colado del material derretido en un molde. Los mismos que son elaborados en arena y arcilla debido a la abundancia de este material y también a la resistencia que tiene al calor, permitiendo además que los gases se liberen al ambiente y que el metal no salga. La fundición se lo puede realizar de muchas maneras, pero todas obedecen al principio anteriormente descrito, el proceso comienza con la elaboración del modelo que es la pieza que se desea reproducir, usualmente es hecha en madera o yeso, pero cuando la producción es en masa se la maquina en metales “blandos “como el aluminio, es evidente que debe ser ligeramente más grande que la pieza que se desea fabricar ya que existe contracciones del metal cuando se enfría, son necesarias las previsiones para evacuación de gases, usualmente conocidos como venteos. Luego se procede a la fabricación de la matriz de arena o molde la cual se comienza compactando la arena alrededor del modelo, cuando se requiere fabricar una pieza que es hueca se debe provisionar un “macho” que es un elemento sólido colocado en la matriz para que allí no ingrese el metal fundido, es importante anotar que siempre se está trabajando se lo hace en negativo, es decir donde no se requiere metal se coloca el macho y donde si se lo requiere se lo coloca el modelo que evidentemente deberá ser extraído previo al colado desde la Fundición, es usual también que se coloquen modelos de cera , la cual se derrite conforme ingresa el metal ocupando su lugar para ulteriormente enfriarse. Una vez retirado el modelo y las dos partes del molde, es frecuente esta geometría para poder retirar el modelo, se procede al colado que no es otra cosa, que el vertido de metal líquido la matriz que se ha construido, luego viene el enfriado que debe ser controlado para que no aparezcan grietas ni tensiones en la pieza formada. El desmolde viene a continuación, el cual se desarrolla con la rotura del molde y el reciclaje de la arena, la pieza se presenta burda por lo cual se suele someter a un proceso de desbarbado y pulido. Procesos ligados a la fundición son los encargados de complementar las tareas de esta, o simplemente liberar metales de interés de las especies mineralógicas. Ejemplos de ello son:

4.2 Fundentes En el proceso de fundición se usan los fundentes con varios propósitos, los principales son catalizar las reacciones deseadas o que se unan químicamente a las impurezas o productos de reacción no deseados para facilitar su eliminación. El óxido de calcio, en forma de caliza, se usa a menudo con este propósito, ya que puede reaccionar con el dióxido de carbono y el dióxido de azufre, producidos durante la calcinación y la reducción manteniéndolos fuera del ambiente de reacción. Los fundentes y la escoria pueden proporcionar un servicio secundario adicional después de que se haya completado la etapa de reducción, recubrir con una capa fundida el metal purificado para evitar que entre en contacto con el oxígeno, que al estar todavía tan caliente se oxidaría rápidamente. En la fundición del hierro se emplea la caliza al cargar el horno como fuente adicional de monóxido de carbono y como sustancia fundente. Este material se combina con la sílice presente en el mineral (que no se funde a las temperaturas del horno) para formar silicato de calcio, de mayor punto de fusión. Sin la caliza se formaría silicato de hierro, con lo que se perdería hierro metálico. El silicato de calcio y otras impurezas forman una escoria que flota sobre el metal fundido en la parte inferior del horno. Finalmente, y como objeto principal de la práctica, los hornos son un elemento de suma importancia, pues definen que proceso y material, somos capaces de hacer y de fundir.

4.3 Alto horno Un alto horno es un horno especial en el que tienen lugar la fusión de los minerales de hierro y la transformación química en un metal rico en hierro llamado arrabio. Está constituido por dos troncos en forma de cono unidos por sus bases mayores. Mide de 20 a 30 metros de alto y de 4 a 9 metros de diámetro; su capacidad de producción puede variar entre 500 y 1500 toneladas diarias.

Fig 1. Alto horno y sus partes

4.4 Horno Bessemer La idea es eliminar las impurezas del arrabio líquido y reducir su contenido de carbono mediante la inyección de aire en un “convertidor”; de arrabio en acero. El sistema Bessemer permite convertir el hierro en acero mediante un proceso de descarburación gracias a la introducción de chorros de aire caliente. Este sistema logró mejorar la calidad y la producción del producto consumiendo menos mineral y utilizando además un tipo de mineral no fosfato extraído de las propias minas.

Fig. 2. Horno Bessemer

4.5 Horno de oxígeno Procedimiento Básico de Oxígeno Es un desarrollo del proceso Bessemer, el primer método por el cual se produjeron toneladas de acero en gran escala. El proceso Bessemer se basa en soplado de aire por agujeros en el fondo del convertidor para hacerlo circular en la carga fundida del Arrabio. La oxidación de

las impurezas suministra no sólo bastante calor para mantener fundida la carga, si no también lo suficiente para mantener un equilibrio químico favorable. Este método se conoce también como L-D, ya que se deriva de las ciudades Linz y Donowitg en Australia, donde su utilizo primeramente. El horno es un recipiente cilíndrico de cerca de 9 mts., de altura y un diámetro de 5.5 mts. 4.6 Horno de hogar abierto El horno de hogar abierto, es uno de los más populares procesos de fabricación del acero, actualmente produce 35 Tg anuales. Cada horno contiene de 9.9 a 54 Mg de metal en un depósito poco profundo que es calentado por una flama de gas, brea o aceite que pasa sobre la carga. El horno mencionado es de reverbero porque la poca altitud del horno refleja el calor en toda la parte baja del crisol. Es regenerativo porque las cámaras de ambos lados del horno, son capaces de calentar gases por combustión en turno, permitiendo que el aire y combustible entren al horno para elevar la temperatura, asegurando un incremento en la eficiencia de combustión y en la temperatura. Las cámaras regenerativas a la derecha o izquierda, son calentadas alternativamente, así que, mientras un grupo se utiliza para elevar la temperatura del aire y combustible, el otro está siendo calentado en las cámaras. El horno de hogar abierto puede ser de material básico o ácido, aunque en la práctica el 9O% son hornos de hogar abierto básicos. En la unidad básica, se puede controlar o eliminar fósforo, azufre, silicio, manganeso y carbono, el hogar es forrado con magnesita. En el horno de hogar abierto ácido, se puede controlar o eliminar únicamente silicio, manganeso y carbono y tiene un recubrimiento ácido de ladrillo o arena cuyo principal ingrediente es la sílice.

Fig. 3. Horno de hogar abierto y sus partes

4.7 Horno de arco eléctrico Un horno de arco eléctrico es aquel horno, que como su nombre lo dice, se calienta a través de un arco eléctrico. Es el más versátil de todos los hornos para

fabricar acero. No solo puede proporcionar temperaturas hasta 1930 C, sino que también puede controlarse eléctricamente con un alto grado de precisión. Debido a que no emplea combustible alguno, no se introduce ningún tipo de impurezas. El resultado es un acero de lo más limpio.

Fig. 4. Horno de arco eléctrico

4.8 Hornos de inducción Para hablar de hornos de inducción, hay que remontarse a los años 50s, cuando la industria de la fundición se da cuenta de las ventajas económicas de los sistemas eléctricos frente a la producción con otras clases de hornos. A mediados de los 70s, se convierten en la mejor opción para fundir materiales ferrosos y no ferrosos y en los 80s surgen unidades de alta potencia y frecuencia que demuestran mayor eficiencia y productividad. En primer lugar, conviene recordar que la inducción es un método de calentamiento sin contacto ni llama, que puede poner al rojo vivo, en segundos, una sección determinada de una barra metálica con gran precisión. La fusión por inducción es un proceso donde un metal es fundido en el crisol de un horno por efecto de una corriente alterna. El calentamiento por inducción se emplea industrialmente para múltiples aplicaciones como tratamientos térmicos, principalmente temple, revenido y normalizado por inducción; generación de plasma; procesos de unión como braseado y soldadura, forja y, por supuesto, fundición por inducción.

Fig. 5. Horno de inducción

4.9 Horno de foso Este tipo de hornos tienen la ventaja de ser altamente productivos ya que la temperatura de operación se distribuye en forma muy uniforme logrando operar a diversas temperaturas con poca pérdida de calor. Se puede utilizar una atmósfera controlada que puede proteger contra la oxidación y la descarburación en caso necesario o puede ser utilizado sin atmósfera para otras operaciones. Las temperaturas de operación están entre 150-1,050°C. Por su tamaño y características, estos hornos se utilizan para procesar piezas largas en posición vertical o piezas a granel en grandes cantidades.

Fig. 6. Horno de foso

4.10

Horno de cuba o cubilote

Un cubilote es un horno vertical para refundir los lingotes de hierro que se obtienen en los altos hornos, chatarra reutilizada, alimentadores y bebederos de piezas fundidas anteriormente, principalmente se usa para fundir fundición gris y con la ayuda de metales añadidos al momento del sangrado denominados inoculantes se puede obtener fundición nodular, eventualmente se usa también para aleaciones de cobre pero el uso no es muy difundido. Del material líquido vaciado en moldes apropiados se podrá fabricar directamente piezas de maquinaria y objetos de hierro fundido. El cubilote es básicamente un tubo vertical que sirve de soporte al refractario que lo recubre interiormente. Se han dado casos de cubilotes hechos hasta de cilindros vacíos de aceite apilados uno encima del otro y recubiertos de arcilla que sea refractaria, lógicamente los lotes de producción serán para uso eventual o en zonas aisladas. Comercialmente los cubilotes oscilan entre los 450 mm (18") de diámetro interior con producciones de algunos cientos de kilos hora de fundición gris hasta unidades de más de 2 m de diámetro interno (80") con producción de varias toneladas por hora. Al cubilote lo rodea un anillo cerrado de mayor diámetro denominado caja de viento donde se sopla aire externo con una cierta presión que estará en función del diámetro y altura del cubilote llegando desde los 400 mm de columna de agua de presión estática hasta más de 1200 mm de la misma. El cubilote consume en términos generales el mismo peso en aire que el del metal que logra fundir y la

relación de metal a carbón que son cargados por la boca de carga alternativamente puede oscilar entre una parte de carbón por seis de metal hasta una de carbón por diez de metal, dependiendo de las características del carbón, de las dimensiones del cubilote y del diseño de las toberas de soplado. Existen cubilotes que aprovechan los gases de escape para precalentar el aire de soplado y los resultados han sido variados desde unidades que logran gran eficiencia térmica precalentando hasta los +525 °C el aire de soplado hasta unidades cuyos costos de operación y mantenimiento del sistema de precalentamiento suben tanto que hacen que el sistema no sea rentable. El cubilote es el único horno de fusión secundaria, no siderúrgico, que tiene al metal y al combustible en contacto directo por lo que logra altos grados de eficiencia térmica. El combustible más usado es el coque de carbón, el carbón mineral y el carbón vegetal obteniéndose con este último hierro fundido de muy bajo contenido de azufre, la implicancia de tipo ecológico hace que esto solo sea posible actualmente con carbón obtenido de bosques cultivados. Actualmente h...