HORNOS DE FUSION

HORNOS DE FUSION

ELECTRICOS

INDUCCION

ARCO

RESISTENCIA

DE CANAL

SIN NUCLEO

DIRECTO

INDIRECTO

CRISOL

PUSH - OUT

A COMBUSTIBLE

CUBILOTE (CARBÓN, LEÑA)

CRISOL

(MORGAN)

(PETRÓLEO - GAS)

HORNO INDUCCIÓN de CANAL

HORNO INDUCCIÓN SIN NUCLEO (CORELESS)

Fondo refractario

Chatarra y Metal Líquido

Bobina inductora

Refractario de trabajo

Apisonable

Piquera

HORNO INDUCCIÓN EXTRAIBLE(PUSH-OUT)

Cilindros Hidráulicos de

elevación

Crisoles sueltos Bobina de InducciónBobina de Inducción

HORNO DE ARCO DIRECTO

HORNO DE ARCO DIRECTO

Cuchara

Horno volteado para colar

Piquera

Electrodos de grafito

Conexión de potencia Eléctrica

Puerta de carga y

escoriado

Escoria

Metal

Crisol

03 ElectricArcWork_Ok.rm

HORNO DE ARCO INDIRECTO

Electrodos

Abertura para carga

Piquera

Carcaza

HORNO DE RESISTENCIA

HORNO DE CUBILOTE (CUPOLA)

Chatarra,Caliza,Coke

Salida de Gases

Anillo de Viento

Flujo de Aire

Ductos de aire a

toberas

Mirillas y Toberas

Solera

Salida de Metal

Tapón de Arcilla

Puerta del fondo para mantención

Arena

Metal

Escoria

Tobera

Tapón

Salida de escoria

Flujo de Aire

Carcaza de Acero

Ladrillos Refractarios

Puerta de Carga

Carga descendiendo por

gravedad

Gases Calientes

Zona de Fusión

Cama de Coke incandescente

Puerta del Fondo

Cama de Arena

Orificio de Colada del Fierro

Piquera de FierroTobera

Ducto de viento

Recubrimiento Refractario

Chimenea

Anillo de Viento Solera

Piso de Carga

Rieles del carro de carguío

Ladrillos Refractarios

Puerta de carga

HORNO DE CRISOL

VALORES ENERGETICOS HORNOS DE FUSION

CAPACIDADES HORNOS ARCO DIRECTO

Capacidades de Hornos de Arco Directo

16.2

27.0

41.0

63.0

81.0

108.0

135.0

8.13.61.00.0

20.0

40.0

60.0

80.0

100.0

120.0

140.0

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0Diámetro interior de la carcaza (mt)

Ton

elad

as n

CONSUMO ELECTRICO HORNOS ARCO DIRECTO

0

5,000

10,000

15,000

20,000

25,000

30,000

35,000

40,000

45,000

50,000

0.0 20.0 40.0 60.0 80.0 100.0 120.0 140.0

Capacidad del Horno (Ton)

(KV

A)

PRODUCTIVIDAD HORNOS INDUCCION SIN NUCLEO ( Kgs / hr )

CARACTERISTICAS HORNOS DE CRISOL

14001150720Temperatura de colada (ºC)

10095776838271612191276Consumo de Petróleo (lt)

1301251151057055454040353025Tiempo fusión (minutos)

1801601501409575706555454035Tiempo 1ª fusión (minutos)

24016080553002001207090603522Capacidad (Kg)

Fierro FundidoBRONCESALUMINIO

ALEACIÓN LÍQUIDA

DEBE CUMPLIR LAS SIGUIENTES CONDICIONES:

� Temperatura adecuada para colar;

� Composición química especificada;

� No contener elementos indeseables;

� Cantidad adecuada a la colada;

� Disponibilidad en momento previsto.

1.- TEMPERATURA ADECUADA PARA COLAR

Deberá estar claramente definida en el programa de producción y dependerá de:

� Tipo de aleación.� Espesor y tamaño de las piezas.� Cantidad de moldes por cuchara.� Tecnología disponible.

Es fundamental su control mediante pirómetros de inmersión y su registro para ulteriores análisis de defectos y mejoramiento de procesos .

1.1.-TEMPERATURA MUY ALTA EN EL HORNO

� Alto consumo energético.

� Pérdidas de elementos por oxidación en horno.

� Mayor gasto de refractarios en horno y cuchara.

� Mayor tiempo de espera en cuchara para vaciar al molde.

� Alta probabilidad de oxidación en cuchara.

� Menor control de la escoria por exceso de fluidez .

1.2.- TEMPERATURA MUY BAJA EN EL HORNO

� Riesgo de no tener la temperatura adecuada en el molde, sobretodo al final de la colada o en los últimos moldes en caso de fundirse varios.- Esto se agrava en caso de cuchara no suficientemente caliente.

� Mayor gasto por limpieza y mantención de cucharas.

1.3.-TEMPERATURA MUY ALTA EN EL MOLDE

� Ingreso de escoria líquida al molde� Mayor probabilidad de rechupes por mayor

contracción en estado líquido .� Estructura de colada más basta, con mayores

segregaciones (variaciones de composición y fases en la pieza)

� Mayor tamaño de grano austenítico , lo que implica mayor fragilidad.

� Mayor erosión en canales y molde. � Defectos en las piezas por sinterización de la

arena, rechupes y grietas en puntos calientes, etc.

� Pérdida total del molde y pieza por llenado incompleto;

� Defectos en las piezas por llenado incompleto, arrugas, uniones frías, etc.

1.4.-TEMPERATURA MUY BAJA EN EL MOLDE

2.- COMPOSICIÓN QUÍMICA ESPECIFICADA

Se logra mediante:

� Selección de la chatarra.

� Adición de ferro-aleaciones, cupro-aleaciones o sales.

� Adición de elementos puros.

Fundamental: Preparación de Carga con chatarra limpia de composición lo más cercana a la final especificada.

Controlada por Análisis Químico durante la colada y/o en piezas fundidas.

PREPARACIÓN DE LA CARGA

� Retornos de la misma aleación, o cercana, con el mínimo de arena (SÍLICE →→→→ ÁCIDA ).

� Chatarra limpia : Pintura, Plásticos, Gomas, Grasas, Aceites →→→→ Humos, gases (Hidrógeno) y explosiones.

� Todo debe estar libre de humedad →→→→ Hidrógeno yexplosiones.

� Ordenamiento en capacho según tamaño y densidad para optimizar marcha del horno.

3.- NO CONTENER ELEMENTOS INDESEABLES

La eliminación o control bajo los máximos permitidos de estos elementos se logra mediante:

� OXIDACIÓN →→→→ elementos oxidables;

� REDUCCIÓN →→→→ Oxígeno, Hidrógeno;

� CAPTACIÓN por la escoria (P, S y óxidos);

� BARRIDO (gases).

� DILUCIÓN →→→→ Elementos valiosos.

ADICIONES ESPECIALES.-

Se agregan con variados fines:

� Oxido de Sodio, Carburo de Calcio: en la cuchara, para bajar el S en los fierros fundidos o arrabio.

� Si Ca (siliciuro de Ca)en el horno y/o cuchara, para aceros →→→→ desoxida y controla forma de inclusiones.

� Inoculantesen el molde, Fe Si, Ni Si, Si-Mn-Zr, Ca-Mn-Si, en fierros fundidos, para promover la grafitización y evitar el “blanqueado”.

ADICIONES ESPECIALES (Cont.)

� Nodulizantesen base a Mg, Ce, Si en los

fierros fundidos. Se agregan en la cuchara para

cambiar la forma del grafito libre, formando nódulos en vez de láminas y producir la Fundición Nodular.

ADICIONES ESPECIALES (Cont.)

�Aleaciones de Aluminio:adiciones de < 0.2% Ti, 0.002% B, para afinar el grano.

�Al-Mg: adiciones de C para afino de grano.

�Al-Si:adición de Na: aumenta la ductibilidad

por precipitación de Al3Si en TT.

ADICIONES ESPECIALES (Cont.)

� Aleaciones de Mg:adición de Zr para afino de grano.

� Cuando el elemento a agregar tiene un punto de fusión mayor que la aleación, se adiciona como un compuesto del elemento (p. ej. Cloruro de Titanio)

HORNO ARCO ELÉCTRICO EAF = Electric Arc Furnace

Puerta

sangría

escoria

Escoria

Electrodos

de grafito

Piquera,

sangría

metalMetal

Lanza

Inyeccion

Carbón

Lanza

soplado

oxígeno

TIPOS DE OPERACIÓN

Según la naturaleza química del refractario con que esté recubierto el EAF, existen dos maneras de operarlo:

� MARCHA ÁCIDA � Refractarios y escoria de comportamiento ácido.

� MARCHA BÁSICA � Refractarios y escoria de comportamiento básico.

Los refractarios de alta alúmina sirven para ambas aplicaciones, pues tienen comportamiento anfótero (los dos comportamientos)

MARCHA ÁCIDA� Refractarios y escorias ácidas → alto SiO2, bajo CaO y MgO.

� Fácil eliminación de gases einclusiones.

� Fácil control de % C.

� P y S No se pueden controlar,salvo por control de la chatarra.

RefractariosÁCIDOS

� SiO2 SILICE

� Al2O3 ALUMINA

� ARCILLAS REFRACTARIAS

MARCHA BÁSICA

� Se puede eliminar el P y S.

� Refractarios y escorias básicas →→→→ Alto CaO y MgO.

� El proceso de colada consta de un primer período oxidante y un segundo período de refino.

Refractarios BÁSICOS

� MgOMAGNESITA

� Cr2O3

CROMITA� Al2O3

ALUMINA

Se realiza la fusiSe realiza la fusióón bajo n bajo escoria bescoria báásicasica altamente oxidante altamente oxidante →→ elimina elelimina el P, luego se bota y se fabrica una segunda P, luego se bota y se fabrica una segunda escoria bescoria báásica reductora sica reductora →→ se elimina else elimina el S.S.

ELIMINACIÓN DEL FÓSFOROEscorias básicas y oxidantes (alto CaO, MgO, FeO y

bajo SiO2), temperatura bajo 1.540 ºC y bajo contenido de Silicio en el baño, según:

El fosfato tricálcico (3CaO.P2O5) se va a la escoria y forma una película líquida, la que debe ser removida fuera del horno.

Si el contenido de FeO en la escoria es bajo y la temperatura es alta, el Fósforo se reduce y vuelve al baño.

Si es muy elevado el contenido de CaO → Escoria viscosa → agregar Fluorita → mejora fluidez.

5Fe OP · 3CaO 3CaO 5FeO 2P52

+→++

ELIMINACIÓN DE AZUFRE

� Escorias básicas y reductoras (alto CaO, MgO y bajo FeO)

� Alta temperatura� Bajo contenido de oxígeno

CaO + FeS → FeO + CaS

Este sulfuro de Calcio queda atrapado en la escoria.

REVESTIMIENTO DE UN EAFCubierta

enfriada

por agua

Ladrillos

de Sílice

Ladrillos

de Sílice

Ladrillos

de Arcilla

Mortero

de Sílice

Ladrillos de

alta Alúmina

Electrodos de grafito

Ladrillos

Magnesita/Cromita

Apisonable alto

en MagnesitaRevestimiento Acido Revestimiento Básico

Ladrillos de

Magnesita

ESQUEMA GENERAL PROCESO FUSIÓN

ALEACIALEACIÓÓN LN LÍÍQUIDAQUIDAControlada en :Controlada en :

�� CANTIDADCANTIDAD�� DISPONIBILIDADDISPONIBILIDAD�� TEMPERATURATEMPERATURA

�� COMPOSICICOMPOSICIÓÓN QUN QUÍÍMICAMICA

��PROCEDIMIENTOS PROCEDIMIENTOS ADECUADOSADECUADOS

��PERSONAL CALIFICADOPERSONAL CALIFICADO��CONTROLESCONTROLES

��PLANIFICACIPLANIFICACIÓÓNN��MANTENCIÒNMANTENCIÒN

��CALORCALOR��GASESGASES

��ESCORIAESCORIA��PARTPARTÍÍCULASCULAS

�� ENERGENERGÍÍA ELA ELÉÉCTRICACTRICA�� OXOXÍÍGENOGENO

�� AGUAAGUA

��CHATARRA CHATARRA ��FERROALEACIONESFERROALEACIONES

��ESCORIANTESESCORIANTES

ETAPAS DEL PROCESO

1. Carguío2. Fusión3. Escoriantes4. Soplado5. Vaciado a Cuchara

1.- CARGUÍO

Mediante un capacho con retornos, chatarra y fundentes, cargados en forma ordenada según tamaño y densidad para:

�Asegurar rápida formación de poza líquida;

�Proteger paredes y techo de radiación del arco;

�Evitar fracturas de electrodos por atrapamiento en cavidades o impactos de trozos grandes.

Tamaño de capachos adecuado para minimizar cantidad de recargas →→→→ menor tiempo muerto de fusión →→→→ mayor rendimiento de horno.

CARGUÍO

Chatarra Gruesa

Chatarra Mediana

Chatarra Delgada

Cordel

Rotura de electrodosRotura de electrodos

Carga inicial

Recarga

2.- FUSIÓN 1

1) Partida con voltaje intermedio hasta que electrodos penetren la carga →→→→ Arco inestable con fuertes fluctuaciones de corriente →→→→ Rápido movimiento de electrodos.

2) Penetrada la carga →→→→ Aumento de voltaje →→→→ Arco más largo (paredes y techo más protegidos de radiación por la carga).

3) Al formarse la poza líquida y aumentar temperatura de atmósfera interior →→→→ Arco largo y estable →→→→Mejor transferencia de energía entre electrodo y chatarra.

2.- FUSIÓN 24) Suficiente chatarra fundida → Repetir proceso

para recarga.5) Con toda la chatarra fundida

• Baño plano y limpio → Fuerte exposición a radiación de techo y paredes

• Por ello se debe: � Reducir Voltaje� Fabricar Escoria Protectora� Control de temperatura.� Control de Composición Química.

6) La protección de la escoria optimiza transferencia de potencia y es baño está listo para siguiente etapa.

ESCORIA, SOPLADO E INYECCION

ESCORIA

Lanza

Inyeccion

Carbón

Lanza

soplado

oxígeno

3.- ESCORIA� La escoria es fundamental para:

� Protección de paredes y techo de la radiación del arco.

� Optimiza transferencia de energía al baño.� Permite refinar el baño al atrapar los óxidos y

sulfuros de elementos indeseables y dejarlos fuera.� Impide formación de Nitrógeno al aislar el arco del

aire.

� Comportamiento químico debe ser compatible con el del Revestimiento.

4.- SOPLADO (REFINO)

�REFINO: Remoción de elementos indeseables:Fósforo, Azufre, Aluminio, Silicio, Manganeso, Carbono, Nitrógeno, Hidrógeno.

�Según Oxígeno disponible: Aire, óxidos de la chatarra → Soplado con lanza.

�El oxígeno forma óxidos de esos elementos, los quedan atrapados en la escoria o se van en los gases.

�La oxidación aporta calor (energía) al baño y aumenta su temperatura.

5.- VACIADO� Una vez ajustada la Composición Química, dada

la temperatura de vaciado y eliminada la

escoria.

� Vaciado a cuchara limpia y precalentada a la

mayor temperatura posible.

� Se agrega desoxidantes → Aluminio, Si-Ca.

� Escoriado y eventualmente, nueva escoria de

protección.

�Metal listo para ser colado al molde.

PROBLEMÁTICA AMBIENTAL

En la industria de Fundición es importante conocer los problemas ambientales que son adyacentes en sus procesos productivos. Estos problemas o aspectos ambientales son importantes de controlar en cualquier industria.

Para lograr esto es necesario conocer los generadores de contaminación, de todo tipo en el proceso de Fundición

Dentro del sector de fundiciones se pueden distinguir los siguientes problemas en orden de mayor a menor Importancia

- Emisiones a la atmósferaLa emisión de gases y material particulado a la atmósfera puede producir alteraciones en el suelo y la vegetación circundante, alteraciones de la infraestructura aledaña y toxicidad en los seres humanos.

- Residuos SólidosSi los residuos sólidos no son dispuestos en rellenos adecuados estos pueden

afectar al suelo y a las napas subterráneas.

- RuidosEl impacto sobre la comunidad depende de la localización de la empresa, de la infraestructura y de las medidas que se adoptan para reducir los niveles.

- Residuos LíquidosEl efecto que producen, en forma global, pasa desapercibido debido a la contaminación de otras fuentes

Contaminantes.

Fuentes de Contaminantes.

Contaminantes según Proceso.

Emisiones a la Atmósfera.Emisiones Controladas

� Se originan en focos estacionarios y pueden ser reducidas mediante sistemas de limpieza de gases.

Emisiones Fugitivas� Se generan principalmente por que no se posee adecuados sistemas

de captación o no se encuentran en buen estado de mantención

Las emisiones del proceso de fundición en hornos son principalmente material particulado , monóxido de carbono, compuestos orgánicos volátiles, óxidos de azufre, óxidos nitrosos y pequeñas cantidades de clorhidratos y fluoruros

Las emisiones a la atmósfera dependen básicamente de los hornos utilizados y de los metales que se van a fundir

Las mayores concentraciones de emisiones en hornos ocurren cuando las tapas o puertas son abiertas para cargar, recargar, alear, inyectar oxigeno, remover la escoria y al colar.

Forma de Contaminantes

� Partículas Pequeñas masas discretas, como polvo, humos, cenizas.

� Gases como combustible no quemado (humos negros).

� Partículas sólidas sobre 44 um, cae rápidamente.

� Partículas finas 2 a 44 um, se mantiene mayor tiempo en suspensión.

� Óxidos Metálicos , sub-microscópicos, aun mayor tiempo en suspensión que los finos.

Residuos Sólidos.� Los principales residuos sólidos generados son

las arenas de descarte, escoria, escombros (virutas y chatarras) y polvos retenidos en las mangas.

� Además que en la industria no-ferrosa se pueden generar residuos peligrosos contaminados con plomo, cobre, níquel y zinc, provenientes principalmente de la escoria.

Residuos Líquidos.

� Los procesos que principalmente generan estos residuos son� Fabricación de Moldes (Aglomerantes)� Enfriamiento de moldes y piezas� Enfriamiento del horno

� A menos que la empresa contenga procesos de tratamientos térmicos o baños químicos, los riles son de bajo grado de contaminación por lo que simplemente se pueden arrojar al sistema de alcantarillado

Contaminación Acústica.-� Otro tipo de contaminación son los ruidos

que se generan casi a todo lo largo del proceso de fundición.

Prevención de la Contaminación.Control de Procesos, Eficiencia y prevención de la contaminación.

� Proceso de manipulación de materias primasClasificación de materias primasAlmacenamiento ordenado

� Proceso de preparación de moldes y almasLimpieza del LugarAutomatización del procesoCaptación de emisiones fugitivas (sistemas colectores)

� Proceso de carga del hornoLimpieza de la chatarraApertura del horno por cortos períodos de tiempo

� Proceso de fundición y fusión de metalesCaptación de HumosPrecalentamiento de la chatarraSistemas de recirculación de aire(hornos con proceso de combustión)Sistemas recuperadores de calor

Tecnologías de Producción Limpia.� Tecnologías limpias propiamente en general.-

- Implementación de hornos pequeños de alta eficiencia

- Implementación de hornos de inducción

� Tecnologías limpias para hornos de arco eléctrico- Sistemas recuperadores de calor

- Atmósferas inertes- Escorias espumosas

� Tecnologías limpias para hornos con proceso de combustión- Cambio a gas natural

- Sistemas de recirculación de gases

Muchas veces no es necesario introducir nuevas tecnologías, un sistema de gestión ambiental o un plan minimizador de residuos pueden ser capaces de lograr los resultados que se esperan.

Sistema de gestión ambiental (ISO 14.001)� Desarrollo de política ambiental� Planificación� Implementación y operación� Verificación y acción correctiva� Revisión de la gerencia y mejoramiento continuo

Minimización de residuos� Concientización y participación de los trabajadores� Mejora en los procedimientos de operación� Capacitación de los trabajadores� Mejoras en la programación de los procesos

Control de Contaminantes.Tratamientos de efluentes líquidos

� Separación de sólidos y líquidos, mediante sedimentación o flotación

� Deshidratación para reducir la humedad contenida en los sólidos

Eliminación y Disposición de Residuos Sólidos� Reciclaje de arena, algunas escorias, montantes, canales

de alimentación y rebabas� Análisis químico para saber donde se pueden botar los

residuos o si es que necesitan algún tipo de tratamientoTratamientos de Gases

� Absorción� Adsorción� Incineración� Condensación

Tratamiento Gases y particuladoLos tratamientos mas usados son los siguientes:

� Absorción: mezcla gases con liquido, SO2 en este caso para la formación de Ácido sulfúrico

� Adsorción: Retención partículas, lo comúnmente usado son filtros de carbón activado

� Incineración: Quema de gases remanentes, combustible no quemado.

� Condensación: Gases clasificados y recolectados por este mecanismo.

Tratamiento Material Particulado.

Sistemas Tratamiento de Polvos.

Equipos Utilizados

� Ciclones y separadoresinerciales: para partículas de tamaño medio y grueso.

� Lavadores (Scrubbers): para partículas inferiores a 5um.

� Filtro de Mangas: mayor uso a buena eficiencia y bajo costo.

� Precipitadores electrostáticos:alta eficiencia remueve partículas 1 -10 um

Legislación y Regulación Ambiental.En Chile existen leyes que regulan la

industria en términos de:

� Localización� Emisiones atmosféricas� Descargas Liquidas� Residuos Sólidos� Ruido� Seguridad y Salud ocupacional

Industria Inofensiva.

En términos ambientales, para ser una empresa inofensiva, se debe:

�Ruidos: Cumplir con las disposiciones del Decreto 286 de Minsal de 1994.

�Radiaciones: Cumplir con las disposiciones del Decreto 133 de Minsal de 1984.

�Vibraciones: No debe ser perceptible por vecinos inmediatos.

�Olores: Cumplir con las disposiciones del Decreto 144 de Minsal de 1961 y con el Art. 17 de Resolución N⁰1215 de Minsal 1978.

�Disposición de residuos sólidos: Declarar disposición de residuos sólidos.