Hornos fundidores de aluminio para la fundición a presión

Ingeniero Klaus Malpohl, Director de Desarrollo, StrikoWestofen GmbH
Ingeniero Rudolf Hillen, Desarrollo Tecnología de Fundición, StrikoWestofen GmbH

Factores de costo en la empresa de fundición
El presupuesto de una fundición se ve enormemente influenciado de acuerdo al uso que se le da. Los metales no férreos son costosos; una pérdida mayor de metal representa una carga de gastos importante. En lo concerniente al aluminio, una pérdida del 1 % en una planta con productividad anual de 5.000 toneladas, representa más de 100.000 Euros. Si a este monto se lo divide en un 50 %, representa 2.500 toneladas. En relación a 1 kg de peso de piezas, la pérdida ocasiona un gasto de entre 5 y 10 centavos de Euro, sumas que no deben perderse de vista.
También en lo que se refiere al consumo energético hay diferencias enormes entre los distintos procesos de fundición, en los cuales no sólo es importante el rendimiento de las instalaciones, sino más bien cada uno de los factores del consumo total, energías de soporte inclusive. Los costos del mantenimiento y de las piezas de recambio también deben ser reflexionados, al igual como la simplicidad o complejidad en el manejo de las instalaciones. Ventajoso resulta el empleo de un sistema de carga, ya que el contenido completo de los contenedores se realiza mediante una construcción auxiliar mecánica sin necesidad de tener que ser introducido en forma manual.
Otro aspecto fundamental es la calidad del metal suministrado por los modos de fusión y de mantenimiento, condición indispensable para la fabricación de piezas adecuadas. En la fundición, los métodos de control de calidad del metal son escasos, ya que la misma es difícil de registrarse y de documentarse, sin olvidar que tampoco existen criterios generales de apreciación válidos aplicables a nivel mundial. Por eso mismo resulta sustancial, poder reproducir de manera exacta los procesos ya comprobados y garantizar una calidad alta y constante de colada. Imprescindibles son el control del material a su entrega, la fundición "sutil" del material primario, su tratamiento adecuado y, por último, el cuidado de los dispositivos de fundición y de mantenimiento.
A la pregunta "¿Cuál es la forma correcta de fundir y mantener aluminio en una fundición a presión?" no existe una respuesta generalizada. Fundamentalmente, se recomienda la separación consecuente de la fundición y del mantenimiento. En la fundición, el metal se fluidifica ­típicamente en forma de lingotes- y el material de retorno se refunde (mazarotas, rebosaderos y piezas defectuosas). La mezcla del material nuevo con el de retorno disminuye los riesgos de formación de gérmenes en el congelamiento. Otras actividades son el tratamiento del metal y el almacenaje de la masa fundida preparada a temperatura de consigna. En la industria de la fundición existe la premisa: "Combustible funde, electricidad mantiene". Esta regla hace referencia al precio más económico del gas natural y del petróleo en relación al de la electricidad, como así también a la mayor necesidad de calor al fundir aluminio. La imagen 1 muestra la demanda de calor en el calentamiento, la fundición y el sobrecalentamiento de metales puros. En la imagen 2 puede apreciarse que, de la energía total empleada para aluminio no aleado, un 58 % es para el calentamiento hasta alcanzar la temperatura de fundición y un 34 % para la fundición en sí. El porcentaje de energía necesaria para el sobrecalentamiento a temperatura de colada es, en comparación, reducido.

Imagen 1 Contenido de calor específico de aleaciones no férreas (las imagenes se encuentran en la revista impresa. Se pueden leer también en le PDF que se encuentra en el sitio internet de FUNDIDORES. Es la revista de Septiembre 2010.
Imagen 2 Demanda de calor para calentamiento, fundición y sobrecalentamiento de aluminio puro

Como alternativa a la fundición de lingotes, es posible también ­en caso de extracciones en gran volumen y escasa distancia a una central de refundición­ una entrega de metal líquido que pueda almacenarse en un horno de mantenimiento. En este caso, lo único que debe hacer el dispositivo de fundición es procesar el material de retorno resultante. Se recomienda refundir el mismo y observar su mixtura con el metal líquido suministrado. Como se mencionó anteriormente, las ventajas de este proceso no son sólo de índole económica: experiencias prácticas comprueban mejores propiedades de colada en tales fundiciones. El metal líquido, pobre en gérmenes, se mezcla con la fundición, rica en gérmenes, del material de retorno e influye positivamente el congelamiento en la fundición a presión. Gracias a este tipo de conducción de masa fundida se ha podido alcanzar una reducción notable en los desechos.
En fundiciones a presión de aluminio se utilizan, predominantemente para la fusión de material de bloque (lingotes) y material de retorno, hornos de crisol y de cuba.
Hornos de crisol
Las ventajas de los hornos de crisol son el manejo y el mantenimiento sencillo, como así también los reducidos costos de inversión. Con este concepto, la empresa de fundición puede asimismo fundir cargas pequeñas con aleaciones distintas. Prácticamente no existen restricciones en lo referido a aleaciones. La colada se puede tratar directamente en el crisol y, de ser necesario, se la puede cambiar en forma fácil y rápida.
Los hornos de crisol empleados en empresas de fundición a presión de aluminio como agregado de fusión poseen en general una capacidad de hasta 1.000 kg, con dispositivo de vuelco también hasta de 1.500 kg. Los volúmenes de colada alcanzan hasta unos 250 kg Al/h con calentamiento eléctrico y hasta unos 400 kg Al/h con un modelo de calentamiento a combustible.

Imagen 3 Construcción esquemática de un horno de crisol a gas
Imagen 4 Horno de crisol eléctrico de StrikoWestofen GmbH con dispositivo de vuelco
La imagen 3 muestra el principio de un horno de crisol a gas. Gracias al escape lateral de los gases de combustión, las emisiones contaminantes en el área de trabajo se reducen a un mínimo. El crisol posee una tapa pivotante para el ahorro de energía en el mantenimiento de calor o para la minimización de pérdida de radiación por la superficie del baño. Aún suelen encontrarse hornos de crisol con chimena sobre el borde del mismo, en los cuales los gases se extraen a través de una campana. Los gases de combustión, al entrar en contacto con la colada, influyen de modo negativo la calidad de esta última, además que la contaminación en el área de trabajo aumenta.
La imagen 4 muestra un horno de crisol eléctrico con dispositivo de vuelco y agregado hidráulico. El termoelemento, con tubo de protección de grafito, para la medición y el reglaje de la temperatura de fundición (se observa en la imagen 4, parte superior derecha), se encuentra ubicado en el baño. Este sistema también es habitual en un modelo de horno a combustible.
En el caso de tratarse de una instalación a combustible, el consumo de energía por tonelada de materia a fundir no sólo depende del modelo del horno o de la dimensión del crisol. Un papel preponderante desempeña la adaptación exacta del crisol al tamaño de la cámara del horno, el ajuste correcto de los quemadores como así también el estado en el que se encuentra el crisol. Con quemadores de aire frío y de acuerdo a la dimensión del crisol, se necesitan entre 130 y 150 m_ de gas para fundir 1 t de aluminio a una temperatura de 720° C. La misma tarea en un horno de crisol eléctrico requiere unos 400 kWh. En la práctica, además de estos valores para la fundición continua, es de primordial importancia el tiempo de duración del fundido de una carga completa de crisol. Así, la duración de fundido en un crisol a gas de 350 kg de capacidad, precalentado y con 20 % de metal líquido, supone unos 85 minutos. En un crisol de 800 kg se necesitan 130 minutos, apenas algo más. Por el contrario, de utilizarse un crisol en frío, el tiempo necesario hasta el fundido puede incrementarse hasta en un 50 %. Los hornos eléctricos requieren el doble de tiempo para el fundido en comparación a los hornos a gas.
Los hornos de crisol no se justifican para cantidades elevadas de producción. Los motivos principales son el alto consumo de energía y la operación manual. El cargado a mano ocasiona gastos laborales importantes. Además, sólo se debe recargar metal seco; el metal húmedo puede producir expulsiones, de alto riesgo para el personal.
Hornos de cuba

Imagen 5 Extracción de metal de un horno de cuba con dispositivo de vuelco de StrikoWestofen GmbH
Los hornos de cuba se emplean en empresas de fundición a presión con grandes demandas de calidad de metal, volumen de fundición y rentabilidad (Imagen 5). Los volúmenes comienzan en unos 300 kg/h y llegan, en pasos de 500 o 1.000 kg/h, hasta los 7.000 kg/h. En combinación con el rendimiento de fundición, se disponen en el mismo agregado capacidades de mantenimiento de 500 kg a 20.000 kg. Fundamentalmente, el volumen de fundición y de mantenimiento puede combinarse independientemente y adaptarse a todos los requisitos de la empresa. La pauta: la dimensión del baño de mantenimiento (en kg) debe comportar como mínimo la misma o el doble de la capacidad de fundición (en kg/h).
Los criterios más importantes en la evaluación de un horno de cuba son:
Buena calidad de metal, escasa absorción de gas y reducido porcentaje de impurezas en la colada
Merma mínima (pérdida reducida de metal por oxidación en la atmósfera del horno)
Alto rendimiento térmico y bajo consumo de energía por tonelada fundida de metal
Temperatura constante de colada
Operación sencilla y segura del sistema de carga y de extracción de colada
Buen acceso al interior del horno. Esto contribuye a la disminución de pérdidas de metal al raspar la colada, además de facilitar la limpieza del horno (removido de pegotes en el refractario)
Mantenimiento reducido y larga vida del material refractario
Alto grado de automatización del horno, por ejemplo, mediante la instalación de un sistema de carga automático como así también de un control automático de quemadores, de ajuste de la temperatura de baño y de control de la temperatura
Clara visualización del estado de la instalación, además de protocolización y documentación completas y comprensibles
Cumplimiento de las normas ambientales y de protección laboral en lo referido a contaminación acústica, emisión de gases tóxicos y concentración de sustancias nocivas en el puesto de trabajo


Imagen 6 El principio técnico de contracorriente de calor del horno de cuba garantiza un consumo óptimo de energía y una elevada calidad de metal
En la imagen 6 puede observarse el esquema de la estructura de un horno de cuba a combustible. Gracias a la geometría exclusiva de la cuba y a la tecnología de quemadores especialmente adaptada, las fases de precalentamiento, fundición y licuefacción se combinan en la cuba de fundición. La materia prima se introduce en frío en la parte superior de la cuba y, a medida que desciende por la misma, se calienta. A los gases de combustión ascendentes del proceso de fundición en la mesa de fusión se les extrae calor, por lo que el horno de cuba trabaja en lo que se refiere a técnica calorífica con un principio favorable de contracorriente. La transferencia de calor se lleva a cabo por convección, lo que garantiza el intercambio calorífico a partir de temperaturas bajas. Al llegar a la mesa de fusión al pie de la cuba, el material se habrá calentado y el proceso de fusión podrá llevarse a cabo de forma rápida. El tiempo de permanencia del metal en la zona de alta temperatura resulta mínimo gracias a la utilización reducida de gases de combustión, lo que favorece la reducción de la merma. No hay peligro de explosiones por material húmedo. El metal fundido pasa libre de turbulencias y con pocas escorias desde la mesa de fusión al baño de mantenimiento, en donde se conserva caliente a la temperatura de colada exacta escogida. En instalaciones de mayor volumen, generalmente se realiza la extracción de metal por medio del dispositivo de vuelco hidráulico del horno (Imagen 5); en el caso de unidades menores, se realiza con una vávula de extracción de colada (Imagen 7).

Imagen 7 Carga sencilla del horno de cuba; extracción de metal con válvula de colada; StrikoWestofen GmbH
Las instalaciones presentan un alto grado de automatización. El momento de carga puede determinarse por medio del control de llenado (láser) del material en la cuba o, indirectamente, mediante el análisis de la temperatura de los gases de combustión. Sólo tiene que introducirse el material (lingotes y material de retorno) al sistema de carga, lo cual se lleva a cabo de forma manual en un carro o por medio de un montacargas directamente en el mismo sistema de carga. El proceso arranca automáticamente según la demanda del control del horno.
La estructura del horno con instalación especial de quemadores, tanto para la cuba de fundición o de mantenimiento, garantiza una entrega continua de metal con una tolerancia de temperatura de ± 5° C, además de posibilitar un suministro flexible de la planta de fundición como condición importante para una plena utilización de las máquinas.
El concepto de doble cámara con una mesa de fusión y un baño de mantenimiento separado produce una alta calidad del metal extraido. La colada sólo muestra una concentración mínima de impurezas insolubles y/o suspendidas y el contenido de hidrógeno se encuentra por debajo del equilibrio de solución. Típicas aleaciones de fundido a presión, tales como 226, 230, 231 y 239, pueden ser coladas en los mencionados hornos de cuba con alto rendimiento del metal y a plena satisfacción metalúrgica de la empresa. Este tipo de instalación representa en muchas plantas el artefacto ideal. Por el contrario, no es recomendable el fundido de material de retorno extremadamente fino, como es el caso de las virutas (rebabas). Tampoco se aconseja la utilización del sistema de doble cámara, cuando se trata de extracciones pequeñas de metal con cantidades por debajo de los 150 kg/h o en el caso de recambios frecuentes de aleación, en especial entre aleaciones cupríferas y libres de cobre; esto podría resultar rentable sólo en forma limitada.


Imagen 8 Horno de cuba con cámara externa lateral para extracción de metal líquido por medio, por ejemplo, de un cucharón
Estos hornos de cuba pueden construirse con una o dos cámaras externas de extracción de metal (Imagen 8). Tales instalaciones se utilizan acopladas a una unidad de fabricación. El metal se extrae de la cámara con un cucharón y se lleva a la cámara de fundición. El material de retorno resultante de la unidad de fabricación se reintroduce directamente en el horno. Para muchos productos en serie, la calidad de metal generada es suficiente, sin necesidad de mayores tratamientos de colada. Estas unidades de fabricación resultan sumamente rentables.

Rendimiento del metal
Como se ha mencionado anteriormente, la pérdida de metal (merma) en el proceso de colada de alumino representa un factor de improductividad económica para la empresa de fundición. Contrariamente, un rendimiento elevado de metal produce un efecto positivo en el lapso de "Return of Investment" de la instalación y se convierte en un criterio decisivo a la hora de inversión.
El equivalente económico de una pérdida de metal del 1 % representa, en un volumen de fundición de 1 t/h en una planta de 3 turnos, unos 100.000 ¤/año. Las condiciones de este cálculo se basan en un precio de material de retorno de aluminio de 2.000 ¤/t y un período de fundición anual de 5.000 h.
Para ofrecerles a las empresas de fundición datos adecuados del aprovechamiento del metal en una instalación StrikoMelter® y para el asesoramiento correcto del cliente, StrikoWestofen ha efectuado un estudio, en el cual han sido medidas de forma exacta todas las corrientes de entrada y de salida de material del horno. El objetivo de este estudio fue obtener resultados reproducibles para un alto rendimiento de metal, lograr una revisión completa del mismo y así conseguir una base de cálculo para la inversión.
El estudio realizado en una empresa de fundición de un cliente de StrikoWestofen GmbH trajo como resultado los datos indicados en la Tabla 1. Hay que notar que las pérdidas de metal no fueron diagnosticadas a partir de la medición de las escorias extraidas, sino que resultan de la diferencia entre el peso de entrada y el peso de salida del metal. Al compararse con la cantidad de escoria, se observa un aumento insignificante del material, debido a la oxidación del metal durante el proceso de fusión. Como conclusión, en el estudio se alcanzó un análisis cerrado y completo del metal.
Tabla 1: Rendimiento de metal de un horno de cuba de StrikoWestofen GmbH
Condiciones
Tipo de horno Horno de cuba
Aleación 231D (AlSi12Cu1, aleación primaria)
Temperatura de colada 730° C
Material de lingotes 6 kg
Material de retorno 0,5 ­ 1,5 kg de máquinas de fundición a presión, en trozos, limpio
Uso de sal < 0,1 Ma.-% del contenido del baño
Pesaje de peso entrada y de salida durante varios turnos
Rendimiento de metal
100 % material de lingotes 99,75 %
50 % lingotes, 50 % retornos 99,4 %
100 % retornos 99,0 %

Los resultados del estudio sólo representan valores de referencia para aleaciones estándar. En la práctica, hay ocasiones en que pueden aparecer resultados algo diferentes como por ejemplo, cuando no es posible trabajar de modo ininterrumpido o si la calidad del material de retorno se reduce por impurezas o alto porcentaje de laminillas. La extracción meticulosa de escorias del metal sobre la mesa de fusión desempeña un papel importantísimo. El análisis protocalario de turnos mostró un decrecimiento de hasta 0,5 % del rendimiento del metal comparado con la medición de referencia. En el caso de lingotes puros, la disparidad se muestra, tendencialmente, algo menor; con porcentaje elevado de material de retorno, algo más alto.
Consumo energético y potencial económico
El consumo energético de los hornos de cuba depende enormemente de los diferentes conceptos de hornos que se encuentran en el mercado. En estudios independientes se los sitúa entre 580 y 900 kWh/t de aluminio [1]. En general, el consumo de energía depende del tamaño del horno, la temperatura de colada en el baño como así también del material a utilizar (aleación, tamaño). En el caso del StrikoMelter® con cuba ETAMAX® mencionado anteriormente, StrikoWestofen garantiza un consumo en marcha permanente de 600 kWh/t a temperatura de fusión de 720° C. Esto se aplica a la utilización de lingotes y material de retorno en trozos.
Para la reducción del consumo de energía en los hornos de cuba, las medidas a continuación deberían estar presentes o, de ser necesario, ponerse en práctica :
Buen aprovechamiento del horno; de ser posible, modo de funcionamiento continuo
Adaptación del tamaño de la cuba al material de carga. De ser necesario, deberá agrandarse la cuba
Automatización de la carga
Instalación de un láser en la cuba para el control del nivel de llenado y para la optimización del momento de carga
Montaje de una tapa de cuba
Control de la presión del horno (de ser necesario)
Evaluación de los datos de funcionamiento
Capacitación del personal
Es recomendable un funcionamiento continuo, puesto que cada interrupción ocasiona un pérdida de calor. Además, con cada detención, el metal fundido se congela, con lo que la energía perdida deberá volverse a suministrar al poner de nuevo en marcha la producción. Este doble proceso de fusión produce oxidación intensa y formación de escorias, lo cual influye de manera negativa la calidad del metal. Como consecuencia de las fluctuaciones en las cantidades de extracción durante la fusión, no siempre es posible alcanzar el rendimiento óptimo del horno. En el caso de un aprovechamiento reducido, debería utilizarse al máximo la cantidad de baño disponible, a la cual se le podrá extraer el metal líquido necesario mientras el modo de fundición se encuentra interrumpido. El horno trabaja durante este período exclusivamente en modo de mantenimiento; la pérdida de calor puede reducirse cerrando la tapa de la cuba. Recién cuando la cámara de baño se vacía en un 50 %, podrá recomenzarse con un nuevo proceso de fundición que, según la dimensión del baño, podrá durar varias horas.
El precalentamiento del metal es otro factor importante en la utilización de energía. El espectro del consumo energético de los diferentes tipos de horno que aparece en la prensa especializada, conocido bajo el nombre general de "Hornos de cuba", tiene fundamentalmente su origen en diferencias geométricas de cuba y, como consiguiente, en los efectos que se producen en la misma durante el precalentamiento del metal. Un horno de cuba eficiente presenta un área de trabajo "fría", en la cual se introduce la materia prima, seguida por una cuba "caliente" para el precalentamiento del metal y la "zona de fusión", en donde debería lograrse una alta densidad de energía. Otra condición fundamental para el apovechamiento de calor es el llenado elevado y homogéneo de la cuba con alta concentración de material.


Imagen 9 Unidad de transporte horizontal como almacenador de contenedores para carga automatizada
La carga de la cuba se realiza con el dispositivo elevador/de vuelco comprobados. La misma debería llevarse a cabo, básicamente, de forma automática e iniciarse por medio de una señal que registre de manera segura el progreso de la fundición. Para mantener siempre la cuba bien llena, es posible efectuar un muestreo con láser de la sección transversal de la cuba desde una posición adecuada ubicada por debajo del sistema de carga. Si el sensor señaliza que la cuba está vacía en este sector, el control del horno arrancará automáticamente el proceso de carga. El barrido del láser detecta así inmediatamente el nivel de llenado en la cuba y facilita el recargado lo más rápido posible, independientemente de forma, tamaño y concentración de la materia a llenar. Gacias a ello, el principio de la cuba se aprovecha óptimamente y el rendimiento energético mejora si se lo compara con la utilización de procesos indirectos como, por ejemplo, una medición de la temperatura del horno o vía control del tiempo. En modo de fusión normal, la unidad de transporte horizontal del sistema de carga (ver imagen 9) ocasiona un nuevo incremento en el aprovechamieno de la cuba. El sistema de carga y el horno están sincronizados entre sí de manera tal, que los lingotes y el material de retorno son encauzados automáticamente. El agobio físico del personal de manejo se reduce a un mínimo, el cual podrá disponerse para otras tareas. Además, este tipo de automatización aumenta la productividad laboral.
A menudo se interpreta la temperatura de la superficie del horno como medida para el desperdicio de radiación. Sin embargo, este enfoque desatiende las pérdidas por puertas y carga, que tampoco deben olvidarse. Todos estos malgastes influyen negativamente en el rendimiento del horno. A causa de puertas que no cierran correctamente, el calor se pierde por convección. Si para cargar deben abrirse las puertas del área caliente de la cámara de fusión, esto producirá además una enorme pérdida de calor suplementaria. Por el contrario, los hornos de fundición, en los cuales el metal se carga desde la parte superior -área fría de la cuba-, no ocasionan, prácticamente, desperdicios de calor al momento de cargar. Al fin de cuenta, es sólo el rendimiento general el que representa la medida para el consumo energético del horno, el cual resulta de la multiplicación del aprovechamiento de la técnica de calefacción con la del horno. Un horno de cuba eficiente consigue aquí un grado de rendimiento de más del 50 %.
Calidad de metal
Mientras que en el pasado las fundiciones a presión producían primordialmente artículos en masa, hoy en día elaboran también piezas con exigencia de alta calidad en respuesta al progreso en el perfeccionamiento de aleaciones y técnicas de fundición para piezas dúctiles, soldables y tratables con calor; ejemplo de ello son las partes de aluminio para carrocerías y para tren delantero en la industria automotriz.
Óxido y porosidades son fallas típicas en las piezas fundidas, que se atribuyen a la calidad deficiente de la colada. Su tratamiento por medio de gases de limpieza ha dado buenos resultados. A menudo, este proceso se lleva a cabo en una estación impeler durante el transporte del metal, en las calderas de transporte, desde el horno de fusión al horno de dosificación u horno cazuela. Si se es posible prescindir de este paso, se podrá economizar energía, puesto que el metal se enfría durante el tratamiento en la estación impeler. Bajo esta luz, la calidad de la colada gana en significado: si la masa fundida posee suficiente pureza es posible, al prescindir del tratamiento, descender la temperatura del baño de fusión.

Imagen 10 Cortes transversales de 3 pruebas de densidad bajo vacío demuestran la diferencia de la porosidad con valores ID distintos
Un proceso sencillo, rápido y práctico para evaluar la pureza de la colada es la prueba de densidad bajo vacío (Imagen 10). Este procedimiento suministra el índice de densidad (ID) de la masa fundida. Esta combinación de factores permite deducir tanto el contenido de hidrógeno como el de la segregación de la masa fundida y demuestra con ello el potencial de la colada para piezas falladas. A mayor índice de densidad, mayor peligro de porosidad en la pieza fundida.
El grado de pureza de colada lograble depende de los procesos de fundición y mantenimiento, además del estado de la materia prima. La calidad de la pieza fundida tiene su comienzo en el horno de fundición. El índice de densidad de colada que se logra generalmente con aleaciones estándar de alumino-silicio en un horno de cuba doble cámara tipo StrikoMelter®, oscila entre 4 y 8 %. De este modo, la colada producida se adecua en muchos casos al proceso de fundición a presión sin necesidad de tratamientos suplementarios. Gracias a la separación consecuente de las áreas de fundición y de mantenimiento, es posible alcanzar un metal de alta calidad a pesar de la inserción de uno de baja. La dimensión del baño de mantenimiento, en especial la limitación de su profundidad a menos de 600 mm, como así también el acondicionamiento térmico homogéneo por medio de quemadores regulables, son factores primordiales en el logro de una alta calidad de metal. Una elevada capacidad de baño trae aparejada también una duración de reposo de colada suficiente, lo cual favorece positivamente su pureza.
Mediciones en un horno StrikoMelter® muestran resultados óptimos en el proceso de fundición. Aquí fueron determinados en las calderas de transporte, directamente luego de la colada, índices de densidad (ID) entre 4 y 5 %. La temperatura de colada comportó en este caso 740° C. Un índice de densidad semejante es, en general, más que suficiente para transportar inmediatamente la colada sin necesidad de tratamiento con gas de limpieza al horno cazuela o de dosificación.

Imagen 11 Las piedras de desgasificación ubicadas en el piso de la cámara de mantenimiento permiten el mejoramiento de la calidad del metal mediante la limpieza con gas
De ser necesaria una excelente calidad de las piezas fundidas, como es en el caso de la fabricación de unidades dúctiles de exigencia máxima, el tratamiento de colada puede comenzarse con ayuda de piedras de desgasificación directamente en el baño de mantenimiento del horno de fundición (Imagen 11). El objetivo principal de la limpieza con gas inerte (nitrógeno o argón) es la purificación previa de colada, comparado con el tratamiento de reposo, con una desgasificación más rápida y homogénea. Esta última reduce además el consumo de energía en el mantenimiento. Por el contrario, no es aconsejable limpiar con piedras de desgasificación en el piso de una cámara de mantenimiento cuando el horno trabaja carga por carga o cuando la cámara se vacía en gran parte. Hay que agregar además que, con temperaturas de fusión de 800° C o más ­dependiendo de ciertos elementos aleatorios-, podría producirse una infiltración de colada en la piedra desgasificadora, lo que reduciría la efectividad de la limpieza o incrementaría el consumo de gas.


Imagen 12 Curva del índice de densidad de la colada en el baño con duración creciente de gasificación por piedra de limpieza
La imagen 12 expone el curso del índice de densidad de la colada en el baño de mantenimiento de un horno de cuba doble cámara luego del arranque del insuflado de gas inerte por medio de las piedras de limpieza. El índice de densidad baja continuamente luego de un tiempo de retardo. Como se trabajó con una temperatura reducida de fusión de 700° C y la colada era pobre en demás impurezas óxidas y sólidas, fue posible alcanzar un excelente índice final de densidad por debajo de 1,5 %.
Horno de virutas (rebabas)
Muchas empresas de fundición han realizado en los últimos años grandes inversiones en el reacondicionamiento de piezas fundidas. Esto fue y sigue siendo una reacción, principalmente, a los requerimientos de la industria automotriz, la cual demanda piezas fundidas lo más trabajadas posible. Esto ha ocasionado en algunas plantas de fundición que la cantidad de virutas (rebabas) aumente de forma considerable, lo cual abre las puertas para un reciclaje interno de las mismas como alternativa atractiva y económica a su venta a empresas externas de reciclaje o plantas metalúrgicas secundarias.
Por lo general, el agregado para fundir virutas (rebabas) es calificado por las empresas de fundición como punto primordial bajo el aspecto del rendimiento de metal, ya que las ventajas económicas que trae aparejado un aprovechamiento mayor acorta drásticamente el lapso de amortización de la instalación. Aquí hay que tomar en cuenta que tanto la aleación como la forma y consistencia de las virutas (rebabas) influyen en el rendimiento del metal. A mayor porcentaje fino en la carga y a menor espesor de las virutas (rebabas), peor el rendimiento del metal. Un sistema técnico reflexionado para la fundición de virutas (rebabas) comprende el análisis de estas características críticas del recargado.
Para la refundición de virutas (rebabas) en el horno de fusión es necesario integrar una instalación de tratamiento de las mismas, la cual las suministra, dentro de lo posible, secas. Humedad reduce no sólo el rendimiento de metal, sino que provoca también la formación de humo y hollín que deberán ser, a su vez, depurados.


Imagen 13 Agregado de cámaras múltiples con cámara exerna lateral para la fusión rápida de virutas (rebabas)
Imagen 14 Durante la refundición de virutas (rebabas), la bomba de circulación y el bloque refractario se encargan del alto rendimiento de metal
Imagen 15 Reducida formación de escoria gracias a un proceso técnico maduro para la refundición de virutas (rebabas)

Principialmente, las virutas (rebabas) pueden también refundirse en hornos de crisol de inducción. Su movimiento intenso de baño con componentes verticales sumerge las virutas (rebabas) rápidamente en la superficie del baño. Ésta es una condición indispensable para una merma reducida. Como alternativa, se han desarrollado hornos a gas de cámaras múltiples, en los cuales la cámara de mantenimiento ha sido ampliada con una cámara externa lateral para la introducción de virutas (rebabas). La imagen 13 muestra un sistema con bomba de circulación y un bloque refractario especial para su fusión. Bloque refractario y bomba forman una unidad técnica de proceso. La bomba absorbe el metal de la cámara de mantenimiento del horno y lo presiona en el bloque (Imagen 14). La bomba, montada en vigas metálicas, puede ser extraida fácilmente de la colada para trabajos de manutención o de limpieza. En el bloque se genera un remolino que, analógicamente con las virutas (rebabas) dosificadas en la fusión por inmersión, las sumerge de forma rápida en la superficie de baño y las funde bajo cierre hermético de aire. La circulación del metal causa una veloz homogeneización térmica y química de colada. Como resultado del movimiento continuo de masa fundida, el consumo energético para el calentamiento de la colada al valor de consigna se reduce y la temperatura se mantiene constante. Con este sistema se logra un aprovechamiento de metal de más del 98 %. Estos valores se fundan en mediciones minuciosas de eficacia llevadas a cabo en diversos hornos de virutas (rebabas). Las mismas ­se trataba principalmente de virutas (rebabas) de torsión- se adecuaban bien a la aleación (forma y consistencia). Al término del viaje de fusión, se encontró apenas, una cantidad mínima de escoria en la superficie de baño (Imagen 15), la cual pudo ser retirada sin inconvenientes desde la puerta de limpieza. Al metal restante se le echa un poco de sal de escoria para secarlo y se lo retira posteriormente sobre el umbral del horno.


Imagen 16 Melter combinado para lingotes y material de retorno, además de virutas (rebabas)
Hornos avanzados de cámaras múltiples permiten la fusión de virutas (rebabas) en combinación con la fundición de lingotes y material de retorno, por ejemplo, un horno de cuba con cámara suplementaria para virutas (rebabas) (Imagen 16). Las ventajas de este horno combinado radican en el consumo energético mínimo y en la posibilidad de producción en espacio reducido. Si se trata de virutas (rebabas) húmedas o de aleaciones diferentes, la mezcla de ambas coladas en una misma cámara de mantenimiento provocará desventajas, puesto que la calidad de metal se verá perjudicada. En este caso se recomienda fundir las virutas por separado.

Administración del horno
Los precios de los últimos años de la materia prima han ido aumentando de manera constante y, probablemente, la cuenca actual no será de larga duración. Esto atañe no sólo a los metales sino también a la energía. La escasez de estos recursos como así también la demanda creciente provocará la agudización, a largo plazo, de la situación económica. La única forma de encarar esta circunstancia radica en un aumento de la poductividad de la materia prima y de la energía. Para la empresa de la fundición, esto significa un buen aprovechamiento del metal y una reducción del consumo energético.
El conocimiento del consumo de recursos de la instalación de fundición es indispensable para su buena administración. El sistema de control del horno suministra para ello un registro de datos. Tanto la marcha como el aprovechamiento se protocolan de la misma manera que el consumo de metal y de energía. A la gestión empresarial le corresponde la tarea de evaluar los datos de proceso.


Imagen 17 Control moderno de horno con dispositivo de manejo y registro de datos procesuales
Imagen 18 Gráfica de alta resolución que permite una representación esquemática de horno y de datos procesuales
Imagen 19 Ejemplo para un protocolo de turno con todos los datos relevantes además de los consumos de energía

Controles modernos de horno registran, visualizan y archivan datos procesuales relevantes. El dispositivo de manejo representa el intermediario entre el hombre y la máquina (Imagen 17). El control se realiza mediante menú y submenús. Los datos procesuales actuales se tornan razonables y autoexplicativos mediante imágenes en pantalla a color (Imagen 18). El estado del horno y demás protocolos de turno actuales pueden llamarse con sólo apretar un botón (Imagen 19). Una vez los datos protocolizados, se archivan en un medio de almacenamiento extraíble, que puede retirase del hardware e introducirse en una PC del cliente. Como alternativa, también se pueden transmitir los protocolos vía ethernet desde el nivel de campo al nivel de gestión. Una gestión eficiente del horno no significa una saturación de datos, sino una representación esquemática comparativa de los datos procesuales. Es por ello que la evaluación de los mismos se lleva a cabo mediante un simple programa de cálculo. La aplicación, especialmente programada para tal fin, la suministra el fabricante de hornos. El estándar mínimo de los protocolos suponen tipos y tiempos de funcionamiento, además de cursos de temperatura y archivos de mensajes, los cuales son importantísimos para la garantía de la calidad. Si la instalación posee células de pesaje, podrá hacerse un listado de las cantidades de carga y extracción, inclusive la de limpieza. Los datos se concluyen con la evaluación del consumo de combustible. Así pues, un protocolo completo contiene los consumos energéticos promedio, los consumos en los diferentes modos de funcionamiento y los consumos de energía específicos concernientes a la potencia de fundición. Para garantizar una sinopsis sencilla, es posible presentar tanto un protocolo de turno como una evaluación según días, semanas, meses o años. Deseos individuales del cliente pueden ser tenidos en cuenta.
De esta forma, la dirección de la empresa dispone de una herramienta eficaz para registrar el consumo de recursos y compararlo con datos anteriores. Este conocimiento permite conclusiones sobre el funcionamiento y el estado del horno para encarar medidas organizadoras o técnicas de mejoramiento que posibiliten el mejor aprovechamiento de los recursos disponibles y logren el aumento de la productividad.