HORNOS DE CUBILOTE

FERNANDO PONCENOVENO SEMESTRE

HORNOS DE CUBILOTEEl diagrama general de la fusión primaria del hierro integra a la mayoría de las actividades que se desarrollan en el proceso productivo. No se debe olvidar que los diagramas de flujo son una de las herramientas más utilizadas por los ingenieros industriales y que de manera automática los deben utilizar o elaborar.

HORNOS DE CUBILOTEExisten muchos elementos químicos que dan las características de ingeniería a las aleaciones ferrosas, sin embargo hay algunos que se destacan por sus efectos muy definidos, a continuación se presentan algunos de estos elementos.

Carbono. Arriba del 4% baja la calidad del hierro, sin embargo se puede decir que es el elemento que da la dureza al hierro y por medio de sus diferentes formas en las que se presenta, se pueden definir varias propiedades de las aleaciones y su grado de maquinabilidad. Con base a la cantidad de carbono en el hierro las aleaciones se pueden definir o clasificar como se observó en los temas anteriores.

Silicio. Este elemento hasta un 3.25% es un ablandador del hierro y es el elemento predominante en la determinación de las cantidades de carbono en las aleaciones de hierro. El silicio arriba de 3.25% actúa como endurecedor. Las fundiciones con bajo contenido de silicio responden mejor a los tratamientos térmicos.

Manganeso. Es un elemento que cuando se agrega a la fundición arriba del 0.5% sirve para eliminar al azufre del hierro. Como la mezcla producto del azufre y el manganeso tiene baja densidad flota y se elimina en forma de escoria. También aumenta la fluidez, resistencia y dureza del hierro.Azufre. No sirve de nada en el hierro, debe ser eliminado y controlado.Fósforo. Es un elemento que aumenta la fluidez del metal fundido y reduce la temperatura de fusión.

HORNOS DE CUBILOTEReducción directa del mineral del hierroPara la producción del hierro también se puede utilizar el método de reducción directa, el que emplea agentes reactivos reductores como gas natural, coque, aceite combustible, monóxido de carbono, hidrógeno o grafito. El procedimiento consiste en triturar la mena de hierro y pasarla por un reactor con los agentes reductores, con lo que algunos elementos no convenientes para la fusión del hierro son eliminados. El producto del sistema de reducción directa es el hierro esponja que consiste en unos pelets de mineral de hierro los que pueden ser utilizados directamente para la producción de hierro con características controladas.

HORNOS DE CUBILOTE

Son equipos muy económicos y de poco mantenimiento, se utilizan para hacer fundición de hierros colados. Consisten en un tubo de más de 4 metros de longitud y pueden tener desde 0.8 a 1.4 m de diámetro, se cargan por la parte superior con camas de chatarra de hierro, coque y piedra caliza. Para la combustión del coque se inyecta aire con unos ventiladores de alta presión, este accede al interior por unas toberas ubicadas en la parte inferior del horno. También estos hornos se pueden cargar con pelets de mineral de hierro o pedacería de arrabio sólido.

Por cada kilogramo de coque que se consume en el horno, se procesan de 8 a 10 kilogramos de hierro y por cada tonelada de hierro fundido se requieren 40kg de piedra caliza y 5.78 metros cúbicos de aire a 100 kPa a 15.5°C. Los hornos de cubilote pueden producir colados de hasta 20 toneladas cada tres horas. Este tipo de equipo es muy parecido al alto horno, sólo sus dimensiones disminuyen notablememnte. El mayor problema de estos hornos es que sus equipos para el control de emisiones contaminantes es más costoso que el propio horno, por ello no se controlan sus emisiones de polvo y por lo tanto no se autoriza su operación.

HORNOS DE CUBILOTE

HORNOS DE CUBILOTE

A pesar de que la primera patente de lo que se considera el cubilote moderno cumplió en 1994 doscientos años de ser otorgada a John Wilkinson (Inglaterra), se puede decir que el cubilote mantiene su diseño fundamental hasta nuestros días. Naturalmente, ha sufrido variaciones estructurales, se le han incorporado aditamentos, se han rediseñado algunas de sus partes, particularmente el sistema de toberas, pero su concepción inicial de horno tubular, en posición vertical, con la entrada de la carga metálica por la parte superior y un contacto directo entre el combustible sólido y dicha carga metálica, se ha mantenido inalterable.

HORNOS DE CUBILOTEEsto se debe a una causa fundamental: el cubilote posee una eficiencia de fusión alta en comparación con los demás hornos empleados con el mismo fin. Esto se explica, porque en este tipo de horno la carga metálica a fundir (arrabio, chatarra de acero, ferroaleaciones, rechazos de la producción, etc.), está en contacto directo con el combustible sólido (coque), que se emplea para su fusión. Esta eficiencia de fusión se entiende como la relación que existe entre el calor potencial que hay en el hierro fundido que sale del cubilote y el total del calor que entra al proceso (combustión de coque, procesos de oxidación de índole exotérmica y calor sensible en el aire que se sopla dentro del horno). Así, por ejemplo, en condiciones favorables de eficiencia (empleando soplo caliente), se pueden alcanzar valores algo superiores al 40 %. En cambio, en condiciones muy desfavorables (soplo frío, revestimiento del horno en mal estado, mala operación del horno, etc.), este valor puede descender hasta 30 % o más. Sin embargo, la eficiencia de la combustión en este tipo de horno no sobrepasa el 60 al 70 %, lo cual es un valor bajo en comparación con los demás hornos que queman combustible.

HORNOS DE CUBILOTE

Esto se debe a una causa fundamental: el cubilote posee una eficiencia de fusión alta en comparación con los demás hornos empleados con el mismo fin. Esto se explica, porque en este tipo de horno la carga metálica a fundir (arrabio, chatarra de acero, ferroaleaciones, rechazos de la producción, etc.), está en contacto directo con el combustible sólido (coque), que se emplea para su fusión. Esta eficiencia de fusión se entiende como la relación que existe entre el calor potencial que hay en el hierro fundido que sale del cubilote y el total del calor que entra al proceso (combustión de coque, procesos de oxidación de índole exotérmica y calor sensible en el aire que se sopla dentro del horno).

HORNOS DE CUBILOTE

Así, por ejemplo, en condiciones favorables de eficiencia (empleando soplo caliente), se pueden alcanzar valores algo superiores al 40 %. En cambio, en condiciones muy desfavorables (soplo frío, revestimiento del horno en mal estado, mala operación del horno, etc.), este valor puede descender hasta 30 % o más. Sin embargo, la eficiencia de la combustión en este tipo de horno no sobrepasa el 60 al 70 %, lo cual es un valor bajo en comparación con los demás hornos que queman combustible. Esto se debe, principalmente, a que no se puede hacer un uso total del contenido calórico del coque sin interferir en los requerimientos metalúrgicos del proceso, en tanto, el coque y sus gases de combustión son elementos activos en dicho proceso.

HORNOS DE CUBILOTE

Por todo lo expresado hasta aquí, es que se ha afirmado que operar bien un cubilote no es tanto controlar un proceso metalúrgico, como dirigir una combustión. Por ese motivo, todo lo concerniente a las características del combustible empleado, así como el volumen y presión del aire que se introduce en el horno (sin olvidar la humedad relativa), posee una importancia primordial para la buena marcha del mismo. Paralelo a esto, el horno debe poseer determinadas relaciones entre sus parámetros de diseño, de manera tal que el proceso de combustión que se produzca dentro de él permita obtener un hierro fundido a la temperatura requerida

HORNOS DE CUBILOTEEstructura y funcionamiento del horno de cubilote.

El cubilote está constituido por las siguientes partes

1.- Envoltura cilíndrica de chapa de acero soldada. 2.- Revestimiento interno de material refractario (entre este y la envoltura se deja una capa intermedia de unos 2 cm, rellena de arena seca, para permitir las dilataciones radiales y axiales de refractario).

3.-Chimenea y su correspondiente cobertura. Algunas veces se añade apagachispas.

4.- Boca de carga: pequeña y provista de una plancha inclinada para la introducción de las cargas cuando se realizan a mano, más amplia si se hace mecánicamente.

HORNOS DE CUBILOTEEstructura y funcionamiento del horno de cubilote.5.-Cámara de aire anular, de plancha delgada, que circunda del todo o en parte la envoltura y dentro de la cual, pasa aire o viento (enviado por una máquina soplante) para la combustión del coque. 6.- Toberas, de hierro colado o chapas de acero, en forma de caja horadada y adaptada al revestimiento para conducir el aire al interior del cubilote. En la parte correspondiente de cada tobera, la pared exterior está agujereada y provista de portillos con mirillas (de mica o cristal) para vigilar la combustión. 7.- Piquera de escoria. Abertura dispuesta a unos 15 o 20 cm aproximadamente por debajo del plano de toberas, inclinada de 30 a 40º, respecto a la horizontal, para facilitar la salida de la escoria.

HORNOS DE CUBILOTEEstructura y funcionamiento del horno de cubilote.8.- Puerta lateral de encendido y limpieza. Antes de cerrarla, al comienzo de la fusión, hay que rehacer el murete que completa el revestimiento. 9.- Canal de colada, de plancha de hierro, revestido de masa refractaria. Mantiene la misma inclinación de la solera (10º), para hacer caer el hierro fundido en el caldero de colada. 10.- Solera a fondo de cubilote. Consiste en arena de moldeo apisonada e inclinada 10º hacia la piquera de sangría del horno. Plancha base de envoltura cilíndrica; de hierro colado o chapa fuerte. En su centro hay una abertura del diámetro de la solera, que puede cerrarse con un portillo de descarga de uno o dos batientes que se abren hacia abajo por medio de un cerrojo, de una palanca o quitando el puntal. A través de ella se descarga el contenido de coque de la cama, al final de la operación del horno.

HORNOS DE CUBILOTEEstructura y funcionamiento del horno de cubilote.8.- Puerta lateral de encendido y limpieza. Antes de cerrarla, al comienzo de la fusión, hay que rehacer el murete que completa el revestimiento. 9.- Canal de colada, de plancha de hierro, revestido de masa refractaria. Mantiene la misma inclinación de la solera (10º), para hacer caer el hierro fundido en el caldero de colada. 10.- Solera a fondo de cubilote. Consiste en arena de moldeo apisonada e inclinada 10º hacia la piquera de sangría del horno. Plancha base de envoltura cilíndrica; de hierro colado o chapa fuerte. En su centro hay una abertura del diámetro de la solera, que puede cerrarse con un portillo de descarga de uno o dos batientes que se abren hacia abajo por medio de un cerrojo, de una palanca o quitando el puntal. A través de ella se descarga el contenido de coque de la cama, al final de la operación del horno.

HORNOS DE CUBILOTEEstructura y funcionamiento del horno de cubilote.11.- Columnas de apoyo: casi siempre son cuatro, de hierro fundido y son sostenidas a su vez por unos cimientos de ladrillos de hormigón. 12.-Crisol: es la parte inferior del cubilote comprendido entre la solera y el plano de las toberas. Se estima que el metal ocupa en él, el 46 % del volumen. El 54 % restante está ocupado por coque incandescente.

HORNOS DE CUBILOTEHorno de aire o crisol

Es el proceso más antiguo que existe en la fundición, también se le conoce como horno de aire. Este equipo se integra por un crisol de arcilla y grafito, los que son extremadamente frágiles, los crisoles se colocan dentro de un confinamiento que puede contener algún combustible sólido como carbón o los productos de la combustión. Los crisoles son muy poco utilizados en la actualidad excepto para la fusión de metales no ferrosos, su capacidad fluctúa entre los 50 y 100 kg.

HORNOS DE CUBILOTEHorno de aire o crisol

HORNOS DE CUBILOTEHorno de aire o crisol