MANUAL DE OPERACIÓN DE HORNO DE INDUCCIÓN
PREPARACIÓN DE ACEROS AL CARBONO.
El objetivo principal de la fusión en un horno de inducción debiera ser conseguir un metal líquido a la temperatura de colada, con composición conocida, en el mínimo tiempo posible y metalúrgicamente apto. La gran mayoría de los operadores de hornos de inducción se fijan sólo en el primer objetivo, es decir llegar a la temperatura, y con la ayuda del espectrómetro, ajustar la composición química del metal pensando que que la tarea tarea está cumplida. cumplida. Ya explicaremos explicaremos que se debe debe poner atención atención a los los otros factores factores para efectivamente efectivamente conseguir conseguir un un metal que que sea apto para ser vaciado, vaciado, que muestre muestre un patrón patrón de solidificación adecuado, y dé como resultado piezas sanas y con propiedades aceptables al uso normal de ingeniería.
PREPARACIÓN DE CHATARRA Lo primero que debemos advertir al operador es que sólo algunas chatarras son aptas para refundir en horno de inducción. En la elección de chatarras debemos privilegiar lo siguiente:
Trozos gruesos de chatarra. Los trozos gruesos generan mayor eficiencia electromagnética para el calentamiento, por lo tanto permiten aplicar mayor potencia por unidad de tiempo a la carga, y fundir más rápido. Al fundir a mayor velocidad, se disminuyen las pérdidas por oxidación y se aumenta la eficiencia energética, ahorrando energía y tiempos de producción. Al mismo tiempo se disminuyen los tiempos de corrección de composición. siempre es práctico práctico ni posible, posible, pero el el fundidor debe debe estar dispuesto dispuesto Composición química conocida. No siempre a gastar un poco más de dinero en la adquisición de chatarra clasificada, de composición química conocida, sabiendo que ese gasto inicial le será recompensado con creces en los ahorros posteriores, y en la calidad del metal a obtener. Limpieza de la chatarra. Se debe advertir que en instalaciones pequeñas, que son precarias respecto a las posibilidades de manejo de chatarra, la chatarra que proviene de estructuras heterogéneas representa una complicación práctica. En primer lugar se debe invertir muchas Horas –Hombre e insumos para cortarla en trozos adecuados, en una tarea de difícil control cuantitativo sobre el personal, y que ocupa un espacio físico escaso. Las pinturas que normalmente llevan generan enormes cantidades de humos y contaminan la colada con Plomo y adicionalmente gasean el metal. Estos costos indirectos distraen los recursos de su objetivo esencial que consiste en generar Kilos de metal en piezas, y si bien la gente está muy ocupada, esa actividad no se traduce en ingresos para el negocio. Clasificación de retornos. Uno de las causas importantes de la obtención involuntaria de coladas fuera de composición química es la adición de retornos equivocadamente clasificados a una nueva colada, por ello un esfuerzo en el correcto marcaje y almacenamiento de retornos será siempre bien recompensado en términos de eficiencia de la instalación y evitación de rechazos.
Racionalidad de compras. En el caso de los materiales de baja a media aleación tales como los aceros al Carbono, se debe privilegiar la compra de pocos tipos de chatarra de acero sin alear, a partir de los cuales se puedan conseguir mediante aleación una amplia gama de composiciones químicas, en vez de tener muchos tipos de materiales en almacenaje. Por el contrario, cuando se necesite un material más aleado, se usarán los retornos de aceros con mayor rango de aleación, y se ajustarán mediante dilución/adición de ferroaleaciones. Costos reales versus costo directo. El criterio normal de compra indica que la chatarra debiera adquirise al mínimo precio posible, si tiene la composición química adecuada. Si se evalúa el costo indirecto de manipulación, trozado, selección, velocidad de fusión, coto de energía, generación de gases y humos, riesgo de contaminación del metal, tiempo de ajuste de composición química de las coladas y pureza metalúrgica del metal, nos damos cuenta que vale la pena pagar un sobreprecio importante por la chatarra de calidad.
ALMACENAJE DE CHATARRA. Precauciones Importantes: La chatarra debe siempre almacenarse en lugares secos y cubiertos, por lo que es conveniente proveer de espacio cubierto para este propósito La chatarra debe almacenarse perfectamente clasificada y rotulada con un sistema de códigos basados en símbolos y colores, en tambores y recipientes de tamaño conveniente. El recipiente debe ser apilable y de un tamaño que permita transportar hasta las inmediaciones del horno por medio de un montacarga.
PROCESO DE CARGA. El proceso de carga tiene muchos detalles prácticos que es conveniente comprender para obtener un buen metal como resultado final.
Empaquetamiento. La carga al horno comienza colocando pedazos gruesos de chatarra o retornos de composición química concida en el fondo del crisol, de tal manera que se empaqueten lo mejor posible y dejen muy poco espacio vacío. Esto favorece la eficiencia electromagnética y permite aumentar la potencia efectiva aplicada a la carga. El resto de la carga se agrega dejando para el final las latas, varillas y piezas de forma irregular, que pueden atraparse y obstruir el descenso de la carga a medida que la fusión se produce. Orden de carga. En el caso de los aceros al carbono el orden de carga recomendado es el siguiente: Chatarra gruesa y retornos gruesos. Para asegurar alta aplicación de potencia.
Chatarra delgada. Una vez que se produce baño líquido a través de inmersión, así se evita al formación excesiva de óxido por exposición del caldo al aire a alta temperatura. Ferrosilicio. Se agrega para mantener desoxidado el metal, durante la colada y principalmente desde que se produce metal líquido. Normalmente esto no agrega Silicio al metal, sino que se usa para eliminar el Oxígeno disuelto en el baño como Óxido de Hierro (FeO), y genera como producto escoria de Sílice (SiO2). Esta operación de desoxidado también puede realizarse con SiCa. Ferromanganeso. Si se agrega antes que el Ferrosilicio, sólo sirve para desoxidar, y se pierde como escoria a través de oxidación. es fácil demostrar que si se agrega Ferromanganeso a un baño pobre en Silicio, la absorción de Manganeso por el baño es menor y de gran variabilidad, dando como resultado pérdidas por oxidación, y generando una escoria corrosiva, que desgasta el refractario aceleradamente. Otras ferroaleaciones. Especial cuidado con las ferroaleaciones de alto valor, tales como el Ferromolibdeno, que deben aplicarse a un baño bien desoxidado para mejorar la eficiencia de absorción del metal. En este caso se debe preferir la inmersión de las colpas de ferroaleación. Grafito. Para ajustar la composición y aumentar la eficiencia de la absorción por el metal líquido se debe aplicar a temperaturas sobre 1550ºC. Siempre se debe agregar a un metal desoxidado. Metales puros. Normalmente se aplican al final, una vez que se conoce la composición química del primer análisis. En el caso del Níquel y el Cobre tienen aprovechamiento cercano al 100%. Ferrosilicio. Para ajustar composición y desoxidar el baño antes de colar. El prensado. Si se dispone sólo de chatarra delgada, se debe privilegiar a alguna forma de compactación y prensado y la provisión de cubos de chatarra que sean fáciles de agregar al horno, y que permitan aumentar la densidad de la chatarra,mejorando así la eficiencia energética. Las ferroaleaciones. Nunca se insiste bastante en el orden y clasificación de los materiales y ferroaleaciones. Cualquier equivocación puede significar coladas perdidas o lingoteadas. Para evitar las pérdidas, el operador está obligado a tener rotulados los tarros y pesar cuidadosamente las cargas para ser añadidas.
LA FUSIÓN. Por la elevada potencia eléctrica aplicada y por la naturaleza compleja de las reacciones físicas y químicas que ocurren durante el proceso de calentamiento y fusión, se deben tomar varios resguardos para asegurar un buen metal fundido, que a su vez de origen a piezas fundidas de calidad. Existe una correspondencia muy exacta entre los criterios de elección de la chatarra y el orden de carga con la obtención de un buen ciclo de calentamiento, como veremos a continuación:
Aplicación de potencia. Se debe asegurar que el horno trabaje con un ciclo de carga que se acerque mucho a una aplicación de potencia máxima en todo momento. En el apartado 3. se habló de lo importante que es un buen empaquetamiento para conseguir que el flujo magnético aplicado al crisol se convierta en flujo de corriente eléctrica que genere efecto joule y calor en la carga. Eso significa que el horno no se debe usar para secar, precalentar o mantener chatarra, siendo estas actividades prohibitivas respecto a costos y nocivas para la calidad del metal fundido. Relación de Carga/Potencia. Desde el punto de vista del diseño de una instalación de fusión para aceros, se debe vigilar que la relación de Carga máxima a Potencia máxima aplicada sea a lo más de 2,5 (Kg/KwH). Esto significa que en una instalación con inversor (fuente de poder) de 400 KwH, se debiera
limitar el tamaño de la cuba máxima no sea superior a 1.000 Kg. Si se excede esta capacidad de la cuba, se tienen varios efectos indeseados, entre los cuales los más importantes son: Coladas de duración excesiva. Elevado consumo energético en Kwh/kg. Poca agitación del baño. Elevadas pérdidas de elementos por oxidación. Dificultades para ajustar la composición. Desoxidación. En horno de inducción se privilegia la fusión del metal en un baño desoxidado, lo que significa aplicar permanentemente ya sea SiCa o Ferrosilicio para mantener el baño con bajos contenidos de Oxígeno disuelto. Esto es especialmente crítico cuando se forma metal líquido, que tiene una mayor reactividad y avidez de Oxígeno. Esta desoxidación también busca evitar la “quema” de elementos tales como el Manganeso y Carbono, y la formación de escorias reactivas que degradan el refractario del horno. Temperatura máxima. El ciclo térmico debe evitar sobrepasar la temperatura máxima recomendada. Esto ocurre cuando se dispone de un horno de elevada potencia específica, y el operador calienta excesivamente el metal “para tener tiempo” y facilidad de manejar el metal fundido. Esto se convierte en una desventaja, ya que el ciclo de calentamiento es muy parecido a la curva superior (en azul) en la gráfica de la Figura 1. Este ciclo de calentamiento tiene varias limitaciones: Duración excesiva de la colada, resintiendo la productividad de la instalación en número de coladas por turno. Absorción de gases y oxidación del metal a alta temperatura Desgaste excesivo del refractario del horno. Pérdidas de aleantes por oxidación a alta temperatura
Por ello, la práctica recomendada es más parecida a la curva inferior (en rojo), en donde se evitan los inconvenientes mencionados.
Figura 1: Ciclo de Calentamiento
5.- AJUSTE DE COMPOSICIÓN. El cumplimiento de las especificaciones técnicas del metal, obliga a registrar la composición química de la colada y asegurarse que se enmarque dentro de los requisitos de la norma que se use como referencia. Para ello es indispensable contar con un espectrómetro que permita medir primero y verificar la composición química del metal una vez que ha sido ajustada. También se requiere un conocimiento práctico del operador que permita operar esta máquina de manera confiable. Un set de estándares calibrados de composición similar a la que se está fabricando sirve de referencia rápida en caso de duda respecto al resultado del análisis en el momento de la colada. Es muy importante que el espectrómetro esté calibrado y con mantención periódica, para que se convierta en un real apoyo y una herramienta que dé seguridad y aporte certezas al operario, y no sume incertidumbres ni equivocaciones. Gran parte del objetivo de un sistema de carga y fusión debe ser conseguir un metal de composición química lo más parecido a la composición final, en el mínimo tiempo y que por lo tanto sea necesario realizar el mínimo de ajustes para llegar a rango. Siempre el objetivo es llegar por debajo de la composición química en cada uno de los elementos, ya que los excesos en el rango de un elemento son difíciles de trabajar por dilución. Sobre este punto se debe mencionar que las fundiciones tienen sus tablas de preparación de coladas, normalmente en hojas de cálculo, que dan pautas de carga y la secuencia de aportes de los ingredientes para conseguir un metal de composición cercana al objetivo, y que ya consideran las pérdidas en la carga
inicial. Estas pautas deben revisarse permanentemente para ajustarlas y afinarlas, con el objetivo de mejorar la calidad de las piezas a producir.
6. CARBONO Y SILICIO. 6.1. El Carbono. En general, en las fundiciones rara vez se funden y vacian aceros con menos de 0,25% de Carbono. Esto porque las normas más importantes de aceros fundidos corrientes (ASTM A27 y ASTM A148) no restringen la composición química a un rango, en vez de ello exigen el cumplimiento de las propiedades mecánicas de cada clase. Por lo anterior, se evita la complicación de fundir un acero con bajo rango de Carbono (tipo 1020), que presenta facilidad para formar escoria que es difícil de separar del metal. Este acero de muy bajo Carbono demanda una mayor temperatura de colada y dificultad para llenar los moldes por su fluidez restringida. Como la elongación en el ensayo de tracción es la propiedad que normalmente es más dificil de conseguir, tampoco se aumenta esta composición de Carbono hacia arriba de 0,35%, salvo que el requerimiento del cliente o de la Norma expresamente lo indique. Al aumentar el contenido de Carbono más alla de 0,35% produce un aumento de la dureza y resistencia mecánica del acero después de normalizado, pero disminuye abruptamente la tenacidad de éste, medida como elongación en el ensayo de tracción. El balance de estos requerimientos contradictorios conduce a un acero de bajo Carbono tipo 1030. 6.2. El Silicio. En el caso de aceros al carbono, algunos fundidores toman como referencia las composiciones de los aceros SAE o AISI, y las replican en la fusión. Por lo tanto se funde chatarra de acero y se trata de obtener el rango de composición química que la norma de aceros forjados indica, lo que conduce a un importante y típico error por desconocimiento que significa pérdida de calidad del metal. Este error se produce al tomar el rango de Silicio de estos aceros forjados como referencia (0,15 a 0,35%). Lo correcto en el caso de los aceros fundidos es aumentar el contenido de Silicio final en la composición química a rangos hasta de 0,60% para conseguir una adecuada desoxidación y fluidez del metal. No considerar esta diferencia entre los aceros forjados y sus equivalentes fundidos conduce a un metal de fluidez disminuida, con mayor contenido de oxígeno disuelto, lo que a su vez produce mayor contenido de inclusiones en la pieza fundida, haciendo a la vez difícil el cumplimiento de los rangos de propiedades mecánicas exigidas. Este aumento de contenido de Silicio se realiza agregando deliberadamente Ferrosilicio 75% en la etapa final de la fusión previa a la colada y verificando este contenido en la medición espectrométrica. 7.- LA COLADA. La colada es la culminación de todo el proceso que condujo desde la chatarra hasta el metal líquido de composición conocida y verificada. Para que todo el trabajo previo tenga sentido, se deben tomar en cuenta algunos aspectos críticos en su realización que nos ayuden a traspasar la calidad obtenida a las piezas fundidas, y no desperdiciarla por un manejo deficiente del metal en esta etapa del proceso. Los aspectos a cuidar más importantes son: 7.1. La temperatura del metal en la cuchara. Esta temperatura depende del tamaño de las piezas y del metal a vaciar. Como base de temperatura en acero bajo (0,30% Carbono) se considera 1.600ºC, variando hasta 1680ºC para piezas delgadas o ligeras y 1.560ºC para piezas gruesas de gran peso. En el caso de aceros de mayor contenido de Carbono, la temperatura de colada es menor. Es práctico usar como base de cálculo para la temperatura en que la solidificación comienza la siguiente ecuación dependiendo del contenido de elementos aleantes que tenga el acero: T Liquidus (ºC) = 1537 - 73x(%C) - 14x(%Si) - 4x(%Mn) - 5x(%Mo) - 3,5x(%Ni) - 1,5x(%Cr) - 45x(%S) - 30x(%P)
Como ejemplo: Un acero de la siguiente composición: 0,32C; 1,0Mn; 0,60Si; 0,30Cr; 0,40Mo; 1,2Ni; 0,040P; 0,040S tiene una temperatura de líquidus de 1494ºC, lo que hace recomendable vaciar al molde en un rango que va desde 1584ºC (las piezas de espesores mas gruesos y mayor peso) hasta 1654ºC (las piezas más delgadas y de menor peso). Esta ecuación es válida para aceros de baja y media aleación desde 0,25 a 0,50% de Carbono. 7.2. La desoxidación. Es una práctica indispensable en el vaciado desde el horno a la cuchara. Consiste en la adición de estrellas de Aluminio (0.20%) o SiCa (Calcio Silicio) a la cuchara de metal, para arrastar y condensar el óxido que se forma en el vaciado, arrastrar la escoria hacia la superficie del líquido y atrapar partículas de óxidos metalicos que se forman en el baño con la turbulencia propia del vaciado. 7.3. La turbulencia. Recordemos que el acero fundido tiene elevada densidad. Al caer desde el horno hasta la cuchara, o al trasvasijarse entre cucharas, este adquiere gran velocidad en la caìda. Al chocar un metal denso a gran velocidad contra las paredes de un recipiente, el flujo de caida cambia bruscamente de dirección, revolviéndose y haciéndose por ello turbulento. Mientras mayor sea la altura de la caida, mayor será la velocidad del metal al chocar contra las paredes de la cuchara, y más energía habrá para producir esta turbulencia. El problema se produce por la absorción de gases que sufre el metal en los vórtices de este chorro caótico. De los gases que se pueden absorber, el principal es el Oxígeno, aunque no el único. La absorción de Oxígeno por el metal fundido es un efecto nocivo casi inevitable del traspaso de metal en el ciclo Horno-cuchara-moldes, que la desoxidación a veces no logra compensar completamente, generando metal "sucio" por la presencia de micropartículas de óxido atrapadas en el baño. Los elementos más reactivos (Manganeso, Silicio, Vanadio, Hierro y Cromo) se oxidan, quedando estas partículas dispersas en el metal que se solidifica, deteriorando los valores de las propiedades mecánicas del acero. 7.4. La altura del vaciado. Este es un factor que rara vez se toma en cuenta en las fundiciones, y que es extremadamente importante para evitar el efecto perjudicial de la turbulencia. Se debe tomar en cuenta que la energía cinética del metal está dada por la energía absorbida en la caída libre que se transforma en movimiento. v= Siendo v = velocidad en el punto mas bajo de la caída en (m/s) g = la aceleración de gravedad (9.8 m/s2) h = la altura de caída en metros Para evitar este efecto, que pasa inadvertido muchas veces, se deben tomar precauciones simples, que facilitan la mejor limpieza del metal: Ajustar la altura de la cuchara para evitar diferencia de altura excesiva. Colocar la cuchara con leve inclinación hacia la boca del horno. Tomar las mismas precauciones para vaciar a los moldes. Ajustar el sistema de vaciado para frenar la velocidad de entrada excesiva hacia los moldes.
7.5. Absorción de gases en el molde. Para evitar que el metal se gasee en el molde, se deben tomar las siguientes medidas: Cuidar el secado de los moldes. En el caso de los moldes ligados con resinas, asegurar el tiempo de cura (deseable 24 horas mínimo) Adecuadas salidas de gases. Cuidar el porcentaje de resina que se está adicionando, al ser alto, habrá muchos gases generados durante el vaciado al molde. Evitar almas atrapadas. Cuando eso sea inevitable, asegurar salida de los gases desde el molde al exterior, y asegurar los sellos de las almas en las portadas. Privilegiar el vaciado sifoneado
Incorporar filtros en los moldes cada vez que se pueda. Colocar los pesos en los moldes de tal manera que faciliten el acercamiento de las cucharas. Diseñar los sistemas de alimentación para evitar cambios bruscos de sección.
