Horno Cubilote (Cupola Furnace): Diseño, Operación, Ventajas y Aplicaciones en Fundición

El horno cubilote (cupola furnace) es dispositivo de fusión para fundir hierro fundido, hierro Ni-resist, y algunos bronces; usado en fundiciones. Puede hacerse de cualquier tamaño; tamaño medido en diámetros: 1.5 a 13 pies. Forma cilíndrica; equipo dispuesto verticalmente con puertas que se abren hacia abajo y afuera para descargar fondo.

Parte superior abierta o con campana para escape de gases o evitar entrada de lluvia. Puede tener campana para controlar emisión de gases y atraerlos al dispositivo para enfriar y remover material particulado.

Carcasa de acero con revestimiento de ladrillo refractario y material refractario plástico. Mezcla arcilla-arena como fondo; revestimiento temporal. Carbón puede mezclarse con arcilla: al calentar, carbón se descompone y enlace se vuelve friable → fácil apertura de dos orificios. Fondo del revestimiento comprimido contra puertas de fondo. Camisas de refrigeración en algunos cubilotes para mantener paredes frías; inyección de oxígeno para que coque arda más caliente.

Horno Cubilote

Principio

Funciona por principio simple: combustión de coque genera dióxido de carbono y calor → funde el hierro. Hierro fundido drena hacia abajo.

Posteriormente, CO₂ se reduce parcialmente, consumiendo energía y coque con monóxido de carbono; CO₂ y coque suministrado en equilibrio de reacción → posible mostrar ratio de combustión definido para utilización energía térmica de combustión de coque.

Finalmente, alta concentración de CO en gas de escape, extraíble del horno.

Construcción

Construido como carcasa cilíndrica vertical hueca de acero, revestida interiormente con material refractario. Generalmente soportado sobre 4 patas de fundición gris montadas en base de hormigón.

Fondo cerrado por dos puertas de fundición gris articuladas a placa base. Caja de viento (wind box) de fundición rodea exterior del fondo. Conectada a tubería de soplado (blast pipe). Aire (oxígeno para quemar combustible) forzado a través del cubilote por soplador. Parte superior protegida por malla y coronada por arrestador de chispas cónico, permite ventilación libre de gases residuales y desvía chispas/polvo al interior.

Operación

Básicamente consiste en:

1. Tras construir cubilote, asegurar secado completo antes de encender. Escoria alrededor de toberas (tuyeres) de corridas previas limpiada.
2. Parte rota reparada con mezcla arena sílice y arcilla refractaria. Sobre zona quemada, capa de material refractario ~6 pulgadas o más, apisonada en fondo inclinado hacia orificio de vaciado para mejor flujo de metal fundido.
3. Orificio de ~30 mm y orificio de vaciado ~25 mm.
4. Fuego de leña encendido. Cuando arde bien, coque vertido desde arriba. Asegurar que coque arda. Cama de coque ~40 pulgadas junto a arena.
5. Soplado de aire encendido a tasa menor que normal para provocar coque. Varilla medidora indica altura de cama de coque. ~3 horas de encendido antes de requerir metal fundido.
6. Carga alimentada al cubilote. Factores como composición afectan estructura final de hierro gris. Composición: 10% acero, 50% chatarra hierro gris, 3% caliza como fundente.
7. Capas alternadas de estos constituyentes. Además de caliza, fluorita y ceniza de soda como fundentes. Función: remover impurezas del hierro y proteger de oxidación.
8. Tras carga completa, reposo ~1 hora. Aire soplado cerrado; hierro se impregna (soaking).
9. Fin del soaking: aire soplado abierto. Apertura superior cerrada hasta que metal funda. Metal suficiente recolectado. Contenido de carga desciende conforme funde.
10. Tasa de carga = tasa de fusión. Horno mantenido lleno durante toda la fundición.
11. Alimentación y aire detenidos cuando no se requiere más fusión. Placa base abre al quitar apoyo. Escoria depositada removida. Cubilote funciona continuo; periodo fusión no excede 4 horas通常, pero puede operar >10 horas.

Ventajas

• Bajo coste de construcción.
• Bajo coste de mantenimiento.
• Bajo coste de operación.
• Operadores muy calificados no requeridos.
• Simple construcción.
• Simple operación.
• Composición de fusión controlable.
• Poca superficie requerida.

Desventajas

Con larga lista de ventajas, también tiene limitaciones:

• Difícil mantener temperatura en horno cubilote.
• Elementos metálicos se convierten en óxidos no aptos para fundición.

Aplicación

Ampliamente usado como unidad de fusión para hierro fundido. Características que lo hacen método primario en fundiciones:

• Único método continuo en operación.
• Alta tasa de fusión.
• Fácil operación. Costes operativos comparativamente muy bajos vs otros métodos.

Aunque con tan buenos factores, uso de cubilote declina y se opta por fusión por inducción eléctrica.

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