Hornos introducción



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HORNOS


Introducción

Los hornos de fusión de las funderías modernas se describen los tipos principales, agrupándolos en: hornos de crisol, eléctricos, rotativos, de reverbero, convertidores y cubilotes. En algunos casos se puede emplear un mismo tipo de horno tanto para aleaciones férreas como no férreas. En los casos en que es conveniente, se señalan las aplicaciones particulares de los hornos descritos.



Hornos de crisol

El proceso de fundir los metales en crisol es uno de los más antiguos y sencillos. Se emplea todavía mucho en la funderías modernas, y probablemente se seguirá usando porque el costo inicial es barato y el metal se funde fuera del contacto con el combustible. Los hornos de crisol suelen dividirse en tres clases, según el procedimiento empleado para colar el caldo contenido en los crisoles. En los hornos de crisol propiamente dichos, los crisoles están totalmente dentro de la cámara del horno y se extraen de ella para coser el metal. En los hornos de crisol fijo no basculables (hornos estáticos de crisol fijo) existe un solo crisol fijo al horno y que sobresale de la cámara de calefacción, por lo que los gases de combustión no pueden tener ningún contacto con el caldo: como no es posible bascularlos para colar, su contenido de caldo solo puede pasarse a los moldes sacándolo del crisol del horno con una cuchara. Los hornos basculables de crisol fijo son análogos a los anteriores, pero toda la estructura del horno puede inclinarse para colar el caldo por vertido en cucharas o directamente a los moldes; el eje de rotación del horno puede ser central o transversal a la piquera de colada y situada precisamente en el pico de ésta; en este último caso el contenido del crisol del horno se vierte íntegramente en la cuchara sin mover ésta. O bien directamente en los moldes.

Los hornos calentados por gas o aceite son más fáciles de controlar y funden más rápidamente que los otros, pero imponen condiciones más duras a los crisoles y los refractarios. Los crisoles son de capacidad variable, pueden contener hasta aproximadamente 160 Kg. de acero, aunque son más corrientes las capacidades de 49 a 90 Kg.: para latones, la capacidad suele ser de 70 Kg. Los crisoles grandes exigen algún mecanismo de elevación que permita sacarlos del horno, mientras los más pequeños pueden ser manejados con tenazas por uno o dos hombres. En algunos casos se han usado en estos hornos crisoles de hasta 180 Kg. de capacidad; la ventaja que se les admite es que hay menos perturbaciones y menos salpicaduras del caldo cuando se le transfiere desde la unidad de fusión hasta los moldes.

Hornos de crisol fijo no basculables

Ya hemos señalado que en estos el crisol está fijo al horno, sus bordes salen fuera de la cámara de caldeo y no hay posibilidad de3 contacto con los gases de combustión.

Dibujo

Como no pueden bascularse para verter el contenido del crisol, es necesario extraer el caldo con una cuchara; son adecuados cuando se necesita tomar pequeñas cantidades de metal a intervalos frecuentes, como, p.ej., cuando se cuela en coquillas. Pueden emplearse como hornos de espera con la sola misión de mantener el metal en estado líquido, pero en algunos casos también se efectúa en ellos la fusión. Su rendimiento térmico es más bajo para la fusión, sobre todo cuando se trabaja a temperaturas altas, pero representan una verdadera unidad de fusión, de no mucha capacidad, que sirve para una gran variedad de trabajos.



Hornos basculables (de crisol fijo)

También hemos indicado anteriormente que estos hornos son análogos a los del tipo anterior, pero con la diferencia de que la estructura total del horno puede inclinarse alrededor de un eje horizontal para efectuar la colada sin tener que recurrir a la extracción del caldo del crisol mediante cucharas introducidas en él. Lo mismo que los hornos de foso se pueden calentar con coque, con gas o con aceite. El horno no es más que una carcasa de acero suave revestida con materiales refractarios, en forma de ladrillos o apisonados



Tipo de horno

Rendimiento térmico

Horno de crisol de foso, calentado con coque, tiro natural.

Horno de crisol basculadle, calentado con coque, tiro forzado.

Horno de crisol basculadle, calentado con aceite o gas.


3 a 7 %

8 a 13 %


7 a 18 %



  • Hornos eléctricos

Los hornos eléctricos se emplean cada vez más para fundir los metales y en los últimos años han aparecido tipos nuevos y perfeccionados. Hay, sin embargo que hacerse cargo de su importancia relativa por lo que describiremos los diversos tipos en el orden de su importancia industrial. Los hornos eléctricos de fusión se clasifican en tres grupos fundamentales: 1) Hornos de acero; 2) Hornos de inducción, y 3) hornos de resistencia.

  • Hornos de inducción

Las muchas variantes existentes de hornos de inducción no es posible en la actualidad clasificarlos rígidamente por la frecuencia de la corriente usada. Los hornos que trabajan a frecuencias superiores a los 500 ciclos por segundo tienen un baño en forma de crisol cilíndrico y no llevan un núcleo de hierro. Estos hornos se llaman corrientemente hornos de inducción sin núcleo. En los últimos años se han construido muchos hornos de este tipo que trabajan a 50 ciclos por segundo, es decir, la frecuencia normal de las redes de suministro. Los primitivos hornos de inducción tenían un canal de fusión que formaba el secundario en cortocircuito de un transformador; estos se pueden denominar hornos de inducción de canal.

Hornos rotativos.

Un horno rotativo se compone de una envuelta cilíndrica de acero, revestido con material refractario, y que puede girar u oscilar lentamente alrededor de su eje principal. El horno suele terminar por sus extremos en troncos de cono; en uno de ellos está el quemador y en el otro la salida para los gases quemados, que frecuentemente pasan a un sistema de recuperación para precalentar el aire empleado en la combustión. El combustible puede ser gas, aceite o carbón pulverizado, y el aire se suministra mediante un ventilador o máquina soplante. En los hornos pequeños la rotación se puede dar a mano, pero la mayoría están montados sobre rodillos y se les hace girar por un dispositivo de cadena o de fricción. La elevada temperatura de la llama funde y sobrecalienta la carga y lleva una temperatura superior al refractario, que cede su calor a la superficie inferior del metal cuando al girar el horno se pone en contacto con ella. Este efecto acorta el tiempo de fusión y ayuda a salvar el efecto de aislante térmico den la capa de escoria. Se puede fundir en condiciones neutras, oxidantes o reductoras.

La capacidad de un horno rotatorio puede variar mucho. Para latones y bronces oscila entre unos 50 Kg. Y 5 Ton. Y normalmente son de 50 Kg. A 2 Ton. Para la fundición de hierro, y en algunos casos acero, las capacidades pueden ser mucho mayores( el nuevo horno alemán “rotor”, instalado en overhausen, es una unidad de 60 Ton, y la planta está prevista para 100 Ton, pero se trata de hornos especiales para fabricación de acero y no para el trabajo rutinario de fundería). RL metal puede sangrarse por un agujero de colada único situado en la pared del cilindro, que se mantiene taponado con refractario mientras el horno gira. Las unidades grandes tienen un control para que el flujo sea uniforme durante la colada

Hornos de cubilote

Este es un tipo de horno cilíndrico vertical de aproximadamente 6 metros de alto, el cual lleva los metales en el colocados, hasta el estado líquido y permite su colado, puede ser utilizado para la fabricación de casi todas las aleaciones de Hierro, tiene ventilación forzada por toberas ubicadas en la parte inferior del mismo.

El material se distribuye en forma de capas de aproximadamente 30 o 40 cm en su interior, alternado con carbón el cual permite que el proceso sea continuo.

Este tipo de horno está recubierto de material refractario en su interior, el cual debe ser inspeccionado antes de cada carga ya que debido a la temperatura que se evidencia en su interior (aprox. 1500 C) podría perforar la estructura tubular y caer sobre los operarios que se encuentran realizando el proceso de colado en la base del horno.

Este material refractario esta usualmente constituido por ladrillos refractario que como tales tiene caras lisas, y son muy resistentes a la temperatura y la abrasión, su precio suele ser superior a 10 veces el del ladrillo convencional, se los suele clasificar según su composición en 4 grandes grupos; Los ácidos aquellos que contiene arcilla, sílice y sulfato de aluminio, suelen ser más baratos que el resto y mientras más sílice son más resistentes al metal. La segunda clasificación la hace aquellos denominados como Básicos constituidos por Oxido de Manganeso son más resistentes que los anteriores, pero más costosos, tenemos también los neutros que son elaborados por elementos neutros como la magnesia. Y aquellos denominados especiales constituidos por carburos y circonio útiles por su capacidad de lubricación, eventualmente se colocan elementos cerámicos en todas estas mezclas con el objetivo de mejorar aún más la resistencia mecánica y térmica del conjunto.

Es usual que el colado se realice en moldes de arena en la base del mismo, 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 esta 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, es usual también que se coloquen modelos de cera , la cual se derrite conforme ingresa el metal ocupando su lugar para ulteriormente enfriarse.

El personal asignado a este proceso es muy experimentado y debe tener las protecciones respectivas.

En el país la utilización de cubilotes está orientada a la fabricación fundamentalmente de piezas para alcantarillado (rejillas, tapas de revisión), herramientas manuales para el área de la construcción y elementos de bronce, usualmente su instalación se encuentra complementado con un taller de maquinas herramientas para dar el acabado a las piezas por el producidas. 

El alto horno es la instalación industrial donde se transforma o trabaja el mineral de hierro.

Un alto horno típico está formado por una cápsula cilíndrica de acero de unos 30 m de alto forrada con un material no metálico y resistente al calor, como asbesto o ladrillos refractarios. El diámetro de la cápsula disminuye hacia arriba y hacia abajo, y es máximo en un punto situado aproximadamente a una cuarta parte de su altura total.

La parte inferior del horno está dotada de varias aberturas tubulares llamadas toberas, por donde se fuerza el paso del aire que enciende el coque.

Cerca del fondo se encuentra un orificio por el que fluye el arrabio cuando se sangra (o vacía) el alto horno. Encima de ese orificio, pero debajo de las toberas, hay otro agujero para retirar la escoria.

La parte superior del horno contiene respiraderos para los gases de escape, y un par de tolvas redondas, cerradas por válvulas en forma de campana, por las que se introduce el mineral de hierro, el coque y la caliza.

Una vez obtenido el arrabio líquido, se puede introducir en distintos tipos de coladura para obtener unos materiales determinados: la colada convencional, de la que se obtienen productos acabados; la colada continua, de la que se obtienen trenes de laminación y, finalmente, la colada sobre lingoteras, de la que lógicamente se obtienen lingotes.

El coque es un combustible sólido formado por la destilación de carbón bituminoso calentado a temperaturas de 500 a 1100 °C sin contacto con el aire. El proceso de destilación implica que el carbón se limpia de alquitrán, gases y agua. Este combustible o residuo se compone en 90 a 95% de carbono. Nitrógeno, oxígeno, azufré e hidrogeno están presentes en cantidades menores.1 Es poroso y de color negro a gris metálico. El coque se utiliza en grandes cantidades en altos hornos para la elaboración de hierro aprovechando la siguiente reacción química

Camisa exterior: consta de varios anillos de chapa de 10 milímetros de espesor, remachados entre sí, hasta llegar a una altura de 5 veces su diámetro. Este cilindro descansa sobre cuatro columnas de fundición de hierro, que a su vez apoyan sobre una plancha nivelada en el suelo.

Revestimiento interior: esta formado por una o dos hileras de ladrillos refractarios que alcanzan de 15 a 25 centímetros según el diámetro del cilindro. Estos ladrillos tienen forma radial y se recubren con una malta refractaria bien diluida y pueden durar de 4 a 6 meses.

Cámara de viento: anillo de chapa que rodea el cubilote  distribuyendo por medio de las toberas el aire insuflado que recibe el ventilador. Estas toberas tienen un determinado declive que les impide obstruirse y además evita que el aire tenga posibilidad de subir a la zona de fusión, una vez dentro del horno.

Base del cubilote: por lo general está provista de bisagras para poder realizar el vacío del horno por volteo del mismo, después de las coladas. Es una plancha gruesa sobre la cual se apisonan unos 30 cm de tierra refractaria con pendiente hacia la salida.

Ventilador: es centrífugo para dar una presión de aire constante, pues, cuando aumenta la resistencia por la entrada del aire por las toberas, disminuye por sí mismo el volumen del aire aspirado, y por el contrario, si la resistencia disminuye, el ventilador aspira mayor cantidad de aire. Por esto la regulación del aire es automática y se necesitan válvulas de seguridad.

Luego entre el ventilador y la cámara de viento se coloca un tubo de Pitot para medir la cantidad de aire y un manómetro diferencial que mide la presión.

Carga del cubilote: se puede hacer a mano desde la plataforma de la boca de carga o mecánicamente por medio de montacargas que se deslizan por un plano inclinado.

La proporción que debe existir entre las distintas partes puede relacionarse con el diámetro del crisol. Por ejemplo el diámetro de la cuba debe ser 1.25 veces el diámetro del crisol; también la altura del horno se relaciona con el diámetro mencionado, en donde esta debe ser 5 a 6 veces el valor del diámetro del crisol. Y, por último, el diámetro de la boca de descarga debe ser aproximadamente 1.15 veces más grande que el crisol.

Zonas de un cubilote

Zona de preparación o precalentamiento; en esta se aprovecha el calor de la combinación para quitar la humedad y aumentar la porosidad de los elementos a introducir.

Zona de fusión; es en la que los materiales pasan del estado sólido al estado liquido, goteando dicho liquido sobre el crisol.

La forma de esta zona es tronco cónico y su posición no es fija, pues depende de la primera carga de coque y del desplazamiento de  las cargas; en general comienza 50 cm más arriba de las toberas y tiene un espesor de 30 cm aproximadamente.

Zona de combustión; está a la altura de la cámara de viento en donde el aire, activando al máximo la combustión hace quemar completamente el coque, produciendo las escorias y acabando con la fusión del material férreo.



Crisol; aquí se agrupa el material fundido hasta la altura del escariador; en los cubilotes de ante-crisol, la fundición se recoge a medida que se produce.


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