ALTERNATIVAS PARA LA OBTENCIÓN DE METAL LÍQUIDO: CUBILOTE, HORNO DE INDUCCIÓN Y HORNO ELECTRICO DE ARCO Jorge MADIAS metallon, 9 de Julio 428, B2900HGJ San Nicolás, Pcia. de Buenos Aires
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RESUMEN Una empresa que se instala o que desea ampliar su capacidad de producción, debe analizar las diversas alternativas tecnológicas disponibles en el mercado actual, para la obtención de metal líquido. Esta evaluación debería hacerse con la mayor objetividad posible. Entran en consideración aspectos como la carga metálica, la disponibilidad y precio de coque y energía eléctrica, los consumos específicos y costos de los diversos consumibles, la capacidad y el ritmo de producción requeridos, los materiales a producir, las necesidades de mano de obra en cantidad y calidad, y los aspectos de seguridad y medio ambiente. Cada alternativa presenta determinadas ventajas y desventajas desde los puntos de vista técnico y económico. Mientras el horno de cubilote es una máquina de fundir de alta eficiencia térmica que acepta una gran variedad de materiales de carga y con los controles adecuados puede obtener un amplio espectro de composiciones químicas, requiere sin embargo un cierto nivel de inversión para evitar problemas ambientales. Los hornos de inducción presentan ventajas en cuanto a su versatilidad respecto a los materiales que es posible obtener, pero tienen ciertas restricciones en cuanto a la carga metálica y en cuanto al costo operativo, para cubas de gran capacidad. Los hornos eléctricos de arco, a su vez, presentan ventajas en cuanto a la adaptación a una variada gama de tipos de carga metálica pero utilizan electrodos de alto costo y presentan costos elevados para producciones pequeñas. Un análisis objetivo de todas las variables involucradas debería ser útil para conducir a una decisión técnica y económicamente acertada.
1. INTRODUCCION Se procura comparar en este trabajo las diferentes unidades de fusión que producen fundiciones ferrosas, desde diversos puntos de vista, sin pretender establecer un criterio único, válido para todas las situaciones. Se analizan en primer lugar algunos ejemplos de comparaciones que se han presentado en congresos y publicaciones, tanto respecto a las tendencias como a las ventajas y desventajas de cada unidad. Posteriormente se analizan algunos ítems que deberían ser tenidos en cuenta en una comparación económica. Tópico: PROCESOS DE FABRICACION
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2. TENDENCIAS La cuestión ambiental ha hecho que, primero en los países más desarrollados y luego en el resto, haya habido un retroceso de los hornos de cubilote de viento frío, a favor de los hornos de inducción. En las tablas 1 y 2 se presenta, a título de ejemplo, una estadística de la evolución en Francia, tanto en unidades de fusión, como en cuanto a los tonelajes producidos, a lo largo de cuatro años, para fundición gris, nodular y maleable. Fundición gris
cubilote viento frío cubilote viento caliente horno de arco horno de inducción horno rotativo total
1999 56
2002 36
Fundición nodular 1999 2002 0 0
Fundición maleable 1999 2002 0 1
1999 56
2002 37
8
6
4
3
0
0
12
9
0
0
2
2
0
0
2
2
82
79
38
Total
9
9
7
4
0
0
16
13
73
89
13
40
0
11
168
140
Tabla 1. Tipo de horno, cantidad y materiales producidos par cada una, en 1999 y 2002, en Francia [1].
cubilote viento frío cubilote viento caliente horno de arco horno de inducción horno rotativo total
Fundición gris
Fundición nodular 2002 8675
Fundición maleable 1999 2002 7600 1
1999 426400
2002 298661
1999 6610
315800
263445
205000
0
Total 1999 440610
2002 307336
197914
0
0
520800
461359
193
72737
0
0
86940
72930
294435
235211
18801
471120
548447
7110
5106
2100
3432
0
92
9210
8630
73
89
13
40
0
11
168
140
Tabla 2. Tipo de horno y tonelaje producido por cada uno según el material, en 1999 y 2002 en Francia [1]. Tópico: PROCESOS DE FABRICACION
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En un estudio comparativo desarrollado por un proveedor de cubilotes, para una producción de 40 t/h de metal líquido para fundición nodular, en un cubilote y un horno de inducción sin núcleo, de media frecuencia, con costos de materiales y mano de obra del medio oeste de Estados Unidos, en el año 2001, la comparación, en términos de costo de metal fundido por t, favorecía al cubilote [2] (ver tabla 3). Item Carga metálica Aditivos Energía de fusión Mano de obra Refractarios Disposición de desechos Mantenimiento Nave y otros Total
Cubilote (USD/t) 135,44 9,29 23,42 3,98 1,76 1,48 6,40 10 191,77
Horno de inducción (USD/t) 151,73 12,98 29,58 4,52 3,07 0,51 4,40 10 216,79
Tabla 3. Comparación de costo de metal líquido por t en cubilote y horno de inducción de media frecuencia sin núcleo, para una producción de 40 t/h, y costos del medio oeste de Estados Unidos, en el año 2002, según [2]. Otro estudio, llevado a cabo poco tiempo antes por John Deere cuando tenía que tomar una decisión de reemplazar una planta obsoleta, basada en hornos de arco, dio en cambio resultado favorable a los hornos de inducción (tabla 4) [3], con el horno eléctrico de arco como la alternativa más cara, y el cubilote en una posición intermedia. En la tabla 4 se presentan los ahorros calculados para la operación con hornos de inducción, comparada con los hornos de arco Ítem Energía de fusión Demanda de energía Electrodos Carga metálica Mano de obra (producción) Refractarios Mantenimiento (material y mano de obra) Control de polución Disposición de desechos Total
Ahorro (USD/t metal líquido) 2,70 -3,34 33,35 -20,22 5,36 1,02 18,03 4,82 0,90 42,82
Tabla 4. Ahorros por t de metal líquido para la fusión en horno de inducción, comparada con la fusión en horno eléctrico [3]. Tópico: PROCESOS DE FABRICACION
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Un estudio realziado en Francia, comparaba año a año los costos de producción del metal líquido, para un cubilote de viento frío, uno de viento caliente y un horno de inducción. En 1997 el cubilote de viento frío era el que proporcionaba un metal líquido más barato, a razón de 236,34 €/t, y el horno de inducción el más caro, a razón de 264,96 €/t. En 2003 el horno que proporcionaba el metal más barato era el de inducción, a 252,42 €/t, con poca diferencia sobre el de viento caliente, 253,37. En 2005, el cubilote de viento caliente pasó a ser el más económico, con un costo de 294,96 €/t [4]. Como puede verse por los ejemplos presentados, en términos generales se puede hablar de una tendencia general al reemplazo de hornos de cubilote a viento frío por hornos de inducción, particularmente en producciones menores a 10 t/h, pero el aspecto económico merece ser analizado en detalle caso por caso. En los párrafos siguientes se discuten algunos aspectos a tener en cuenta al realizar la evaluación.
3. ASPECTOS ESPECÍFICOS Carga metálica. En lo que hace a las dimensiones, obviamente dependen de las dimensiones de los hornos. En términos generales, los hornos de inducción exigen una chatarra mejor dimensionada que los cubilotes y los hornos eléctricos de arco. Estos últimos pueden fundir prácticamente todo tipo y tamaño de chatarra. Durante la fusión en el cubilote, tienen lugar reacciones de oxidación y reducción dentro y por encima de la zona de fusión. Esto permite el uso de chatarra de baja calidad, altamente oxidada. Los hornos de inducción son más sensibles a la calidad de la chatarra y a la presencia de contaminantes. Esto incide en el costo de la carga metálica. No hay atmósfera reductora y no cabe esperar que haya reducción del óxido de hierro. Esto tiene una influencia sobre el rendimiento metálico, debido a la pérdida de hierro en la escoria. La chatarra de acero galvanizada, que es un porcentaje cada vez mayor de la chatarra de acero total, es procesada sin inconvenientes en el horno de arco, donde la mayor parte el cinc se incorpora a los humos. En el horno de cubilote, las condiciones imperantes dentro del horno hacen que el cinc recircule y provoque inconvenientes de formación de adherencias. En el horno de inducción la presencia de cinc se suele asociar con la penetración del material refractario, con los consiguientes riesgos. Por estas razones en Europa y en Japón se está realizando comercialmente la extracción del cinc de la chatarra galvanizada destinada a las fundiciones.
Tópico: PROCESOS DE FABRICACION
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La carga directa de virutas, importante para las empresas que mecanizan las piezas que funden, se realiza con cierta facilidad en los hornos eléctricos de arco [3]. En el caso de los cubilotes, se requiere el briqueteado [4]. Para la carga directa de grandes proporciones de viruta se han desarrollado en la década del 80 los cubilotes a plasma [5], figura 1.
Figura 1. Cubilote con antorcha de plasma [5], para carga de virutas.
En el caso de carga con alto porcentaje de chatarra de acero, en el horno de inducción o en el horno eléctrico de arco será necesario utilizar un recarburante de alto costo, tal como grafito natural, en tanto que en el cubilote el metal se recarbura por absorción de carbono del coque. Refractarios. Está bastante extendida en el mundo, en cubilotes de gran tamaño, la operación sin refractarios, que en la Argentina se ha aplicado al menos en una planta. También es usual que en los hornos eléctricos más modernos y de mayor tamaño el revestimiento refractario se limite a la solera y llegue solamente hasta la línea de escoria, siendo reemplazado en la parte superior del horno por paneles refrigerados; también la bóveda puede ser una construcción refrigerada, con la excepción del delta de electrodos. Estas prácticas no son posibles en los hornos de inducción, donde el revestimiento además de contener el metal debe evitar la infiltración hacia la bobina inductora refrigerada. Tópico: PROCESOS DE FABRICACION
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Electrodos. Obviamente este insumo incide exclusivamente en el costo del horno eléctrico de arco. Los consumos para los tamaños de horno y condiciones operativas vigentes en las fundiciones pueden estar en el orden de los 5 kg/t. El costo de los electrodos por t de acero es importante y puede incidir decisivamente en los costos de fusión, como se veía en la tabla 4. Materiales. El cubilote ácido con viento frío se adapta bien a la obtención de fundición gris. Con variaciones en la carga y operación adecuada, se pueden obtener diversos tipos de fundiciones, incluyendo fundiciones aleadas, por adición en el horno y/o en la cuchara. La producción de fundición nodular, aunque posible, requiere de materias primas y prácticas operativas específicas, y procesamiento aguas abajo, que incide sobre los costos. Los hornos eléctricos de arco pueden producir tanto fundición gris como nodular pero en general trabajan mejor para la producción de acero fundido. Pueden realizarse en el horno ajustes de composición importantes, y tareas metalúrgicas como la defosforación y la desulfuración, aunque hay limitaciones en los hornos con revestimiento ácido. Los hornos de inducción son versátiles en cuanto a los materiales que están en condiciones de producir, y este es uno de los factores que han incidido fuertemente en su expansión. Medio ambiente. Existe hoy tecnología suficiente como para que cualquiera de los tres tipos de horno sea relativamente inocuo para el medio ambiente. El costo es más elevado para el cubilote, cuya emisión específica es la mayor de los tres, debido a que la energía para fundir el metal se obtiene a partir de la generación de gas por la vía de la combustión del coque en el interior del horno, generando CO y CO2. Los hornos eléctricos de arco, sobre todo cuando se utiliza oxígeno para aportar energía química a la fusión, generan también un importante volumen de gases y polvos.
4. CONCLUSIONES Se verifica una tendencia al reemplazo de los cubilotes con viento frío por los hornos de inducción, impulsado por las presiones ambientales y por la mayor versatilidad de estos últimos en cuanto a los materiales que pueden producir. Sin embargo, las variaciones en los costos de las materias primas y la energía, los cambios tecnológicos y las condiciones específicas de cada instalación, hacen que sea necesario analizar las diversas alternativas con la mayor objetividad antes de tomar decisiones, cuando se debe modernizar una instalación o equipar una planta nueva.
Tópico: PROCESOS DE FABRICACION
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REFERENCIAS 1. Frot, D.; Lepetre, P.; “How to sell more pig ion to foundries?”, Presentation at IPIS 2004. 2. Bohm, M.; “Cupola vs. Electric: A Battle for Melting Efficiency”. Modern Casting July 2002. 3. Ulfers, H.M.; Christoffersen, R.; Weaver, R.; “John Deere Foundry Meltshop Revitalization Project”. 2000 Electric Furnace Conference Proceedings, pp. 243-258. 4. Godinot, P.; “Evolución de los procesos de fusión en las fundiciones de hierro”. X Encuentro Internacional de Cubilotes Modernos, Santander, España, 2004. 5. M.R. Valentini, comunicación privada, Julio 2008. 6. Katz, S.; Kruger, G.; Hoffman, H.; “Cupola alloy recovery with briquetted cast iron borings as a component of the metallic charge”. One Hundred First Annual Meeting of the American Foundrymen's Society, Rosemont; IL; Seattle, WA; USA; 3-4 Sept. 1996; 20-23 Apr. 1997. pp. 19-22, 1998. 7. Gary, J.; Fry, C.; Chaput, W.; Darr, M.; Dighe, S.V.; “Plasma cupola operations at General Motors foundry”. One Hundred Second Annual Meeting of the American Foundrymen's Society; Atlanta, GA; USA; 10-13 May 1998. pp. 553-558. 1998
Copyright ©2010 Jorge Madías: El autor delega a CIFRA los derechos para reproducir este documento para los fines del Congreso ya sea que este artículo se publique de forma completa, abreviada o editada en la página web del congreso, en un CD o en un documento impreso de las ponencias del Congreso Latinoamericano de Fundición – COLFUN´10 u otros medios de publicación y distribución producidos por CIFRA.
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