Del Horno al Molde: La Precisión de la Fundición de Metales

Del horno de fundición al molde

Las fundiciones son dramáticas. Hornos enormes, brillando con calor, transforman trozos de metal en líquidos ardientes y fluidos. Cuando están listos, su contenido se vierte en cucharones de espera entre una lluvia de chispas. Los trabajadores guían el flujo de metal del horno al molde detrás de escudos térmicos, protegiéndose contra los peligros de la temperatura y los materiales. El suelo de la fundición es donde el diseño se vuelve real, en un proceso extraordinario que crea objetos cotidianos. Las innovaciones en la creación y mantenimiento de las temperaturas requeridas para diferentes aleaciones son parte de la evolución de la metalurgia. El trabajo de fundir y verter metal parece sacado de los libros de historia, pero es donde ocurre parte de la ciencia más interesante.

La fabricación de metal fundido depende de hornos que puedan calentarse lo suficiente para llevar los metales a estado líquido. Las primeras fundiciones de minerales en la historia humana fueron plomo y estaño: estos metales blandos pueden fundirse en el calor de un fogón. Para crear metales más fuertes, los metalurgistas necesitaban algo más que llama de leña.

Alto calor y avance humano

La Edad del Bronce dependía de la resistencia del cobre. El cobre pudo haberse fundido accidentalmente en un horno de cerámica, que funciona al menos 200 °C más caliente que una fogata. La falta de registros escritos de esa época dificulta estar seguros. Durante la Edad del Bronce, se usaron hornos tipo horno para extraer varios componentes elementales de la roca que se fundían a diferentes temperaturas, siendo el cobre el premio más alto para hacer buen latón y bronce.

Hay evidencia de humanos usando hierro antes de la Edad del Hierro. Sin embargo, estos artículos estaban hechos de hierro trabajado que literalmente había caído del cielo: el hierro meteórico está en una forma relativamente pura comparado con el hierro terrestre. Podía calentarse y trabajarse tal como se encontraba. La verdadera Edad del Hierro comenzó, sin embargo, cuando la gente descubrió cómo extraer hierro útil de los minerales, y eso requiere fundición a estados blandos, similares al caramelo, casi líquidos o líquidos. Este avance llegó a diferentes partes del globo en diferentes momentos, pero involucró la invención de hornos de bloomery y una construcción lenta del conocimiento de la metalurgia ferrosa. Los hornos de bloomery permiten que el hierro esté lo suficientemente caliente para ser trabajado hacia la pureza, en lugar de llevar el metal al estado fundido, pero ayudaron con el lento descubrimiento de la química del hierro. Una cosa es fundir hierro: para hacer un metal fuerte y usable se necesita la adición correcta de carbono, y los hornos de bloomery dependían de combustible de carbono. Cuando los hornos se calentaron lo suficiente para fundir hierro, los metalurgistas también necesitaron desarrollar su comprensión de los fundentes, que son aditivos usados para ayudar a purificar el metal final previniendo la formación de óxidos.

Los avances traídos por la combinación innovadora de horno y química han continuado a lo largo de la historia humana. El avance metalúrgico obviamente introdujo las Edades del Bronce y del Hierro basándose en sus nombres. La Revolución Industrial nos introdujo en la Edad del Acero. El motor de combustión, los ferrocarriles y las prácticas de construcción modernas no serían posibles sin un avance importante llamado el proceso Bessemer, que burbujea oxígeno a través de acero fundido permitiendo temperaturas más altas y tiempos de producción más rápidos, permitiendo la producción en masa de acero de calidad.

Fundición vs. Fundición de mineral (Smelting)

La fundición de mineral (smelting) es el proceso de remover un elemento metálico de minerales extraídos. La mayoría de los metales se encuentran como vetas en rocas, o como parte de otros elementos. La fundición de mineral es el primer paso de extracción. La fundición (melting) es lo que se hace con aleaciones metálicas o metales puros. La chatarra se funde, el mineral se funde (smelting). El arrabio son los lingotes de hierro en bruto creados a partir de la fundición de mineral de hierro.

Hornos de cubilote (Blast furnaces)

Los hornos de cubilote, que son hornos muy altos inyectados con gases a presión, se usan para la fundición de mineral. Los hornos de cubilote producen principalmente lingotes de una aleación intermedia, como arrabio. Estos lingotes se envían luego a fundiciones involucradas en la fabricación.

Las fundiciones de fabricación toman aleaciones y aditivos y los funden para hacer grados específicos de metal fundido en otros tipos de hornos de fundición.

Tipos de hornos de fundición de fundición

Tradicionalmente, los hornos de crisol y cubilote eran las formas más comunes de forjar metales para fundición; en la actualidad, los hornos de arco eléctrico e inducción son comunes.

Hornos de crisol

Los hornos de crisol son la forma más básica de horno de metal. Un crisol es un recipiente hecho de material que puede manejar temperaturas increíblemente altas, a menudo hecho de cerámica u otro material refractario. Se coloca en la fuente de calor como una olla podría sentarse en un fuego. El crisol se llena, o carga, con metal y aditivos. En la era moderna, los hornos de crisol siguen en uso por joyeros, aficionados de patio trasero, algunas fundiciones no ferrosas y fundiciones que hacen trabajos de lotes muy pequeños. Los crisoles pueden variar desde una taza muy pequeña donde los metales se funden con soplete, como podría hacerse en un joyero, hasta grandes recipientes que contienen 23 kg de material. Los crisoles más grandes a menudo se ponen dentro de un horno tipo horno y pueden sacarse para verter, o tener material sacado con cucharón de la parte superior.

Hornos cubilote

Los hornos cubilote son largos, tipo chimenea, y llenos de coque de carbón y otros aditivos. El combustible dentro del cubilote se enciende, y cuando el horno está lo suficientemente caliente, se añade arrabio y chatarra de hierro directamente. El proceso de fundir el hierro alrededor del coque y aditivos añade carbono y otros elementos y produce diferentes grados de hierro y acero. Los hornos cubilote ya no se usan usualmente en producción, ya que los métodos de arco eléctrico e inducción son más eficientes para producir el calor necesario. Sin embargo, hay algunos lugares donde la tradición mantiene los hornos cubilote funcionando, como en este video de Da Shu Hua, donde trabajadores de fundición china lanzan hierro fundido contra una pared para crear chispas dramáticas para dar la bienvenida al Año Nuevo.

Hornos de arco eléctrico

(EAF) entraron en uso a finales del siglo XIX. Electrodos hacen pasar corriente eléctrica a través del metal dentro del horno, lo cual es más efectivo que agregar calor externo al fundir grandes volúmenes a la vez. Un EAF grande usado en producción de acero puede contener hasta 363 toneladas. Una "carga" de este acero a menudo está hecha de hierro pesado como losas y vigas, chatarra triturada de autos y otro reciclaje, y lingotes de arrabio de un fundidor de mineral.

Después de llenar el tanque, los electrodos se colocan en el metal, y un arco de electricidad pasa entre ellos. A medida que el metal comienza a fundirse, los electrodos pueden empujarse más dentro de la mezcla o separarse para crear un arco mayor. Calor y oxígeno pueden añadirse para acelerar el proceso. A medida que el metal fundido comienza a formarse, el voltaje puede subirse, ya que la escoria creada sobre el metal actúa como una manta protectora para el techo y otros componentes del EAF.

Cuando todo está fundido, todo el horno se inclina, para descargar el metal líquido a un cucharón abajo. A veces, los propios cucharones pueden ser hornos EAF más pequeños, encargados de mantener el metal caliente antes de verter.

Hornos de inducción

Trabajan con campos magnéticos en lugar de arcos eléctricos. El metal se carga en un crisol rodeado por un potente electroimán hecho de cobre bobinado. Cuando el horno de inducción se enciende, la bobina crea un campo magnético que invierte rápidamente mediante la introducción de una corriente alterna. A medida que el metal se funde, el electroimán crea corrientes de Foucault dentro del líquido que auto-agitan el material. El calor en un horno de inducción es creado por la excitación de las moléculas en el propio hierro, lo que significa que lo que entra en el crisol es exactamente lo que sale: no hay adición de oxígeno u otros gases al sistema. Esto significa menos variables para controlar durante la fundición, pero también significa que un horno de inducción no puede usarse para refinar acero. Lo que entra, sale. Como un horno EAF, los hornos de inducción a menudo descargan inclinándose hacia cucharones abajo.

Los hornos de inducción son muy comunes y son simples de operar cuando se les da entrada de alta calidad. Los modelos comunes pueden producir 59 toneladas de acero en cada carga.

Todos los hornos en el suelo de la fundición enfrentan un enemigo fatal: el vapor. El agua, incluso en pequeñas cantidades, puede causar salpicaduras o explosiones, por lo que toda la chatarra y ferroaleaciones, así como cada herramienta usada en producción, deben estar secas antes de usar. La chatarra metálica no debe tener áreas cerradas en las que el agua o vapor puedan haber quedado atrapados. Incluso las herramientas usadas por los trabajadores de la fundición deben estar libres de condensación o humedad. Muchas fundiciones tienen un horno de secado para asegurar que la chatarra y las herramientas estén completamente secas antes de que algo toque el horno de fundición.

Cucharones de fundición

Después de que el metal se funde, debe introducirse en el molde. En fundiciones más pequeñas, esto puede ocurrir todo en una etapa: un crisol basculante o extraíble puede llevar el metal del horno a la arena. Sin embargo, esto es impráctico cuando un horno contiene muchas toneladas de metal. Típicamente, en la fabricación ferrosa, los cucharones transfieren porciones más pequeñas de la fundición desde el horno principal.

En estos sistemas, un cucharón puede llevar el metal directamente al molde. Sin embargo, un cucharón de transferencia podría llevar el líquido a un tanque de retención o horno secundario. Los cucharones de tratamiento son otro tipo disponible, usados para dividir la fundición en porciones, como un panadero podría separar una masa base para usarla como base para otras recetas. Por ejemplo, el hierro fundido líquido puede tener agentes añadidos en el cucharón de tratamiento para hacer que el carbono dentro sea esférico en forma, en lugar de escamoso, creando un metal más maleable llamado hierro dúctil.

Los cucharones pueden ser muy pequeños y levantados por trabajadores de fundición o pueden contener muchas toneladas de metal y necesitar soporte mecánico. Los cucharones más grandes se mueven a través de una fundición por coche-cucharón o por grúa aérea o sistema de vía.

Los cucharones de todo tipo están diseñados para proteger al trabajador de salpicaduras, llamas o chispas al verter. Algunos cucharones vierten sobre el labio superior, o un pico de vertido, y necesitan inclinarse: estos a menudo tienen engranajes que permiten al trabajador de fundición controlar cuidadosamente la tasa de vertido. Otros cucharones tienen su pico de vertido en el fondo del cubo y el vertido se controla quitando y poniendo un tapón.

Mezcla de aleaciones

Las aleaciones metálicas están hechas de mezclas de elementos estandarizadas por una fórmula que especifica los porcentajes de cada tipo así como los pasos tomados en su fabricación. Los hornos de fundición y los cucharones de tratamiento de una fundición son donde se crean estos tipos de aleaciones para fundiciones.

Las fundiciones a menudo se especializan en aleaciones ferrosas, que contienen hierro, o aleaciones no ferrosas específicas, como metales preciosos, basados en cobre, o basados en aluminio.

Las aleaciones ferrosas se dividen en hierro y acero. Las aleaciones de hierro fundido incluyen hierro gris, que incluye silicio, y hierro dúctil, que tiene un tipo de carbono esférico. Los grados de acero fundido se definen por porcentajes de carbono y otros aditivos en la mezcla. El acero inoxidable es un acero que incluye cromo, para ayudar a prevenir el óxido mediante pasivación.

Las aleaciones no ferrosas incluyen todos los demás metales, por lo que no es sorprendente que haya una mayor especialización en fundiciones no ferrosas. Algunos lugares se especializan en zinc, algunos en aluminio; otros trabajan principalmente con aleaciones basadas en cobre como latón y bronce. Sin embargo, hay cruce. Si una fundición particular trabaja con tanto bronce como aluminio, por ejemplo, probablemente se especializará en ciertos grados de cada uno.

Sea cuales sean las aleaciones con las que trabaje una fundición, la premisa de hacer metal fundido y fundirlo en vacíos para darle forma es la misma. Una idea se vuelve real en el momento en que el metal fluye en un molde.