TABLA DE CONTENIDO

1. Introducción

2. Objetivos

3. Diseño y operación

4. Aspecto metalúrgico

4.1 Carburación

4.2 Desulfuración

5. Refractarios

5.1 Tipos de refractarios

6. Características de la escoria

7. Comparación del cubilote ácido y el básico

8. Ventajas y desventajas

9. Aplicaciones

10. Bibliografía

PROCESOS DE FUNDICIONINGENIERÍA METALÚRGICA Y CIENCIA DE MATERIALES

1. INTRODUCCIÓN

El diseño, operación y control que se va estudiar es el cubilote con refractario básico de viento frio, la operación de este horno tiene como principal objetivo la producción de hierros de azufre de bajo y alto carbono.

En el proceso de evolución de este horno se han variado sus dimensiones, su altura y también se ha combinado o alternado su funcionamiento al introducir el cubilote de viento caliente, variando su rendimiento térmico y sus requerimientos energéticos.

Este horno es capaz de reducir azufre hasta niveles extremadamente bajos y puede aumentar en gran medida el carbono total en comparación con el cubilote tradicional. La desulfuración de este cubilote depende del tipo de refractario que se utilice, como las propiedades de la escoria, su volumen y basicidad.

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2. OBJETIVOS

1) Conocer el diseño, operación y control del cubilote con revestimiento básico.

2) Identificar los tipos de refractarios utilizados en el revestimiento del cubilote.

3) Comparar el funcionamiento del cubilote tradicional y el cubilote de revestimiento básico.

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3. DISEÑO Y OPERACIÓN

Se diferencia al cubilote ácido en que el crisol es más grande, tiene una distancia mayor entre el orificio de escoria y las toberas, no debe ser inferior a 350 mm. Esto lleva a modificar ligeramente las dimensiones del crisol, mientras que en el cubilote de revestimiento ácido esta distancia es de 200 mm.

4. ASPECTO METALÚRGICO

En la fusión del cubilote se producen reacciones que modifican la composición de la fundición y se presentan fenómenos de carburación y sulfuración.

4.1 DESULFURACIÓN

El cubilote básico es capaz de reducir azufre hasta niveles extremadamente bajos y produce un gran aumento en el carbono total. La desulfuración efectiva en el cubilote requiere un gran volumen de escoria altamente básica. Además la escoria debe ser fluida y altamente reductora por naturaleza.

La reducción del azufre tiene lugar de acuerdo con la siguiente ecuación:

FeS + CaO + C = Fe + CaS + CO

La reacción de reducción del azufre se lleva a cabo por la combinación del azufre en el hierro y el calcio presente en la escoria como cal (CaO) para producir hierro mas CO y el sulfuro de calcio (CaS) formado se elimina en la escoria.

Si no se mantienen unas condiciones fuertemente reductoras, la escoria puede contener un alto porcentaje de FeO, que al reaccionar con CaS produce azufre en el hierro, evitando así la reducción efectiva del azufre, a su vez un aumento de oxido de hierro (FeO) en la escoria disminuye la desulfuración, como lo indica la siguiente ecuación:

CaS + 2FeO = CaO.FeO + FeS

La fuerza desulfurante de la escoria disminuye, si aumenta su contenido de oxido de hierro (FeO).

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4.2 CARBURACIÓN

Es un proceso endotérmico el cual se presenta en zonas en donde la entalpia es alta, es decir la carburación aumenta a medida que aumenta la temperatura de la fundición líquida.

El grado de carburación que presenta la fundición depende también de la basicidad de la escoria, si la escoria es muy básica mayor será la carburación, al igual que si disminuye el porcentaje de azufre en la escoria.

5. REFRACTARIOS

El revestimiento refractario del cubilote, en su calidad y preparación, influye de una manera muy considerable y decisiva sobre las condiciones térmicas y químicas del cubilote, y en consecuencia, también sobre la calidad del hierro fundido, ya que la calidad y la uniformidad son necesarias en este revestimiento, para proteger los componentes estructurales del horno, para asegurar un trabajo de dimensiones consistentes, y para ayudar a un descenso suave de la carga con una mínima contaminación del hierro fundido.

Según las distintas zonas del cubilote, el revestimiento está sometido a esfuerzos mecánicos, químicos y térmicos muy variables durante el proceso.

En la zona de fusión y combustión, que es la más expuesta, la temperatura alcanza a veces los 1800ºC, mientras en la parte alta del cubilote, esta temperatura desciende rápidamente, por lo que en la zona de fusión y combustión aumenta el desgaste del revestimiento o refractario debido a la presión y fricción que ejerce la columna de carga. En la parte inferior del cubilote (crisol), la temperatura es menor y más regular que en la zona de fusión, y existe un poco de desgaste por fricción, además el revestimiento es atacado en esta zona de manera considerable por las reacciones químicas del hierro líquido y de la escoria.

Por tanto, un revestimiento de buena calidad, debe responder a las siguientes exigencias:

Resistir temperaturas hasta 1800 ºC, sin fundirse ni ablandarse Tener la dureza necesaria para resistir perfectamente la presión mecánica y fricción

de la columna de carga. Ofrecer una superficie lisa y compacta para resistir el mayor tiempo posible a la

corrosión producida por el hierro líquido y la escoria.

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5.1 TIPOS DE REFRACTARIOS

Con objetivo de que el horno de cubilote pueda contener el calor y los productos fundidos, deberá estar provisto de un revestimiento refractario conveniente. La calidad y la uniformidad son necesarias, para ayudar a un descenso suave de la carga con una mínima contaminación del hierro fundido, así mismo obtener escorias de basicidad apropiada, siendo necesario el uso de estos refractarios básicos o neutros, o combinaciones de los dos, el tipo de refractario básico depende de factores como:

El grado de basicidad deseado en la escoria

Duración de la hornada

Temperaturas de operación y otros.

Se han empleado los siguientes refractarios para el crisol y zona de fusión del cubilote, con diferentes grados de éxito:

Ladrillo de cromo-magnesita Ladrillo de magnesita, de diversos tipos Gránulos de magnesita apisonados en el lugar Gránulos de magnesita aplicados con pistola de aire Ladrillos de dolimíta estabilizados Mezclas dolomíticas apisonadas en el lugar con un pison de madera Mezclas dolomíticas aplicadas con pistola de aire

Refractarios de magnesita: estos refractarios en forma de ladrillos o monolíticos (gránulos), se usan generalmente mucho en la zona de fusión, en donde se encuentran en contacto con las escorias básicas.

Refractarios de Dolomita: Es una solución de solida de carbonato de calcio y de magnesio de composición CaO.MgO o en otras combinaciones, generalmente usado en revestimientos monolíticos aplicados con pistola o en forma de ladrillos, para servicio en la zona de fusión del cubilote.

Refractarios de cromo: se producen partiendo de mineral natural de cromo, y al igual que la magnesita , pueden ser hechos con cocimientos o como ladrillos aglomerados químicamente, a estos últimos se le adicionan algunas cantidades MgO, el ladrillo de cromo es neutro y no reacciona con refractarios de sílice, magnesita, alúmina a temperaturas moderadamente altas. Por esta razón sirve como separador entre dos refractarios que estuviesen en contacto.

Los costos de los refractarios, empleando los materiales mencionados arriba, son entre dos y cinco veces más altos que los de refractarios ácidos.

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Particularmente el uso de refractarios dolomíticos en el crisol y zona de fusión tiene alguna ventaja sobre los refractarios de magnesita. Debido a que los típicos ladrillos dolomíticos suministran tanto CaO como MgO, mientras que los refractarios de magnesita suministran solamente MgO.

Siendo El MgO es mucho menos efectivo para eliminar el azufre que el CaO, y, por consiguiente, las dolomías producen escorias con mejor poder desulfurante que las escorias de igual basicidad producidas por los refractarios de magnesita.´

6. CARACTERISTICAS DE LA ESCORIA

Las escorias obtenidas en el cubilote básico deben cumplir las siguientes características:

Alta basicidad Bajo porcentaje de FeO Buena fluidez Debe fundirse a altas temperaturas Ser fuertemente reductoras Gran volumen de escoria

La “basicidad” de la escoria ha sido definida como la relación:

BASICIDAD=CaO + MgOSiO2 + Al2O3

Cuando esta relación es igual a la unidad, se dice que la escoria es neutra; cuando la relación es menor que la unidad, se dice que la escoria es ácida; y cuando la relación es mayor que la unidad, se dice que la escoria es básica.

Para cumplir los requerimientos anteriores es necesario emplear una cantidad adecuada de piedra caliza o dolomítica, junto con un fluidificante tal como espato flúor, en otras palabras se usara una mayor cantidad de fundente respecto al cubilote ácido. También Pueden ser mantenidos bajos porcentajes de FeO en la escoria, temperaturas de fusión elevada, y condiciones fuertemente reductoras, por medio del empleo de combinaciones de suficiente coque, y por medio de agentes reductores especiales, tales como carburo de calcio en piedra incluido en la carga del cubilote.

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7. Comparación entre el cubilote básico y acido

Una comparación interesante entre un cubilote ácido con insuflación de aire frío y enfriamiento por agua, y un cubilote básico con insuflación de aire caliente.

Materiales Acido Básico Acido % Básico %Acero, kg 318 318 C cargado 2.48 2.18Colado de auto, kg

272 590 C Sangrado 3.34 3.52

Lingote, kg 318 No C absorbido 0.86 1.34Coque kg 136 136 S cargado 0.061 0.092

Dolomía kg 50 50 S sangrado 0.135 0.119Temp. Del aire,ºC

Amb. 427 S absorbido 0.074 0.027

8. VENTAJAS Y DESVENTAJAS

VENTAJAS:

Habilidad de usar carga de bajo costo para producir fundición gris u otras bases de fundiciones, que requieran bajo fósforo o bajo azufre con variación de los rangos de carbono total.

Pueden emplearse porcentajes elevados de chatarra comprada y colada o chatarra de fábrica, sin peligro de producir fundiciones con azufre excesivamente alto.

La carburación del metal fundido es mayor.

Las fundiciones obtenidas tiene un alto grado de desulfuración, con una gran probabilidad de eliminar la necesidad de volver a desulfurar el metal después que este ha sido fundido.

El análisis del metal es más difícil de controlar en cubilotes básicos que en ácidos, por eso solamente es recomendable usarlo cuando se tiene una gran precisión y experiencia, puesto que muchas de las reacciones del cubilote depende de la escoria, y los factores que la afectan requieren un mejor control, como en la precisión del pesaje y cargado del fundente y cualquier tipo de ingrediente, así mismo el consumo del refractario , la carga uniforme y mínima de tierra o suciedad en la chatarra; siendo necesario mantener proporciones adecuadas para estos factores, y así obtener un mejor control de la escoria.

DESVENTAJAS:

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Pérdidas de silicio son mayores que en el cubilote ácido donde se pueden esperar perdidas del 10-20%, mientras que en el cubilote básico las pérdidas están en el rango de 30-40% con una instalación de soplo caliente, en operación de soplo frío las pérdidas son aproximadamente del 60%. Las pérdidas de silicio dependen de la basicidad de la escoria mantenidas en operación. Mientras la basicidad de la escoria sea más alta, las pérdidas de silicio son mayores.

Costos del material fundente, exceden los usados en operación en cubilote ácido. Mayor carga de flux, caliza, y sílice.

COSTOS

Los costos de refractarios asociados con la operación en cubilote básico puede variar de 2 a 3 veces del usado en cubilote ácido, esto principalmente debido al alto costo del tipo de refractario usado en esta operación.

Operación básica existe una reducción apreciable en el costo de la carga del metal, puesto que ha sido posible sustituir la chatarra de colado, procedente de automóviles en lugar de lingote de maleable más caro que aquella. Con práctica ácida la carga del cubilote consiste en 40-60% lingote de arrabio, resto de chatarra de hierro colado; mientras, cubilote básico, 10% acero y resto de chatarra de hierro colado. Chatarra de hierro colado es menos costosa que lingote de arrabio.

Operación básica requiere de un aumento de la carga de fundentes, especialmente de caliza, con respecto a operación acida.

9. APLICACIONES

Hierros de bajo azufre y alto carbono Hierro en los que el choque de calor tiene influencia en su vida útil. Piezas de hierro nodular. Producción de hierros de grafito esferoidal, los cuales necesitan bajo contenido

de azufre y fósforo junto con alto carbono. Se emplean en la fabricación de acero cuando hay que eliminar fósforo y

azufre, y suelen recomendarse para los aceros muy aleados, como los inoxidables y al manganeso.

10. BIBLIOGRAFIA

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AFS. Transactions, procedings of the Sixty –third, annual meeting, 1959.

Arnaldo Alonso Baquero, Diseño operación y control del cubilote, ediciones uis, 2000.

AMERICAN FUNDRYMEN`S SOCIETY. Cupola Handbook. 4a. Des Plaines. Illinois: A.F.S., 1975. p. 497- 520.