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Ingeniería de Materiales Hornos I221

HORNOS DE REFINACIÓN. Horno (Convertidor) Bessemer Externamente tiene forma de pera, y al interior está forrado con material refractario, el cual puede ser de línea básica o ácida. El convertidor se carga con chatarra fría y arrabio fundido, posteriormente se le inyecta aire a alta presión, lo cual eleva su temperatura por arriba del punto de fusión, dando como resultado que las impurezas presentes, tales como el magnesio, silicio y el carbono, sean eliminadas, obteniendo así acero de buena calidad. Horno de oxígeno básico (BOF) Es un horno muy parecido al Bessemer, pero a este en lugar de inyectarle aire, se le inyecta oxígeno a presión, con lo que se eleva mucho más la temperatura que en el Bessemer, en un tiempo muy reducido. Oxida el magnesio, silicio, carbono, fósforo y algunos sulfuros. El nombre del horno se debe a que tiene un recubrimiento de refractario de línea básica y a la inyección del oxígeno. La carga del horno está constituida por 75% de arrabio procedente del alto horno y el resto es chatarra y cal. La temperatura de operación del horno es superior a los 1650 °C y es considerado como el sistema más eficiente para la producción de acero de alta calidad. Este horno también fue inventado por Sir Henry Bessemer a mediados de 1800, pero como la producción del oxígeno era costosa en esa época, inició con la inyección de aire. Horno de hogar abierto Es uno de los hornos más populares en los procesos de producción del acero. Un horno de este tipo puede contener entre 10 y 540 toneladas de metal en su interior. Tiene un fondo poco profundo y la flama es dirigida directamente sobre la carga, por lo que es considerado como un horno de reverbero. Su combustible puede ser gas natural, combustoleo o diesel; Por lo regular estos hornos tienen conductos laterales que además de permitir expulsar los gases, sirven para precalentar el aire y el combustible; por lo que se les considera también como hornos regenerativos. Los recubrimientos de los hornos de hogar abierto por lo regular son de línea básica sin embargo existen también los de línea ácida (ladrillos con sílice y paredes de arcilla). Las ventajas de una línea de refractario básica, sobre una ácida son que con la primera se pueden controlar o eliminar el fósforo, el azufre, el silicio, el magnesio y el carbono y con la línea ácida sólo se puede controlar al carbono. El costo de la línea básica es mayor que el de la ácida. Los hornos de hogar abierto son cargados Oros

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con arrabio o con chatarra de acero. El arrabio puede llegar fundido o en estado sólido. La primera carga del horno tarda 10 h en ser fundida y estar lista para ser colada, pero si se agrega oxígeno se logra tener resultados en menos de 7 h, además de que se ahorra el 25 % de combustible.

Horno de arco eléctrico Son hornos que por lo regular sólo se cargan con chatarra de acero de buena calidad. Son utilizados para la fundición de aceros aleados, tal como para herramienta o inoxidables. Considerando que estos hornos son para la producción de aceros de alta calidad siempre están recubiertos con ladrillos de línea básica. Existen hornos de arco eléctrico que pueden contener hasta 270 toneladas de material fundido. Para fundir 115 toneladas se requieren aproximadamente tres horas y 50,000 Kwh. de potencia. En estos, también ocasionalmente se inyecta oxígeno, para aumentar su eficiencia. En los hornos que funcionan con tres electrodos de grafito, estos pueden llegar a tener 760 mm de diámetro y una longitud de hasta 12 m. La mayoría operan a 40 v y la corriente eléctrica es de 12,000 A. Estos equipos tienen un crisol de placa de acero forrado con refractario y su bóveda también es de refractario, por lo regular es enfriado con agua. Para la carga del horno los electrodos y la bóveda se mueven dejando descubierto al crisol, en el que se deposita la carga por medio de una grúa. Antiguamente se tenían dos tipos de hornos eléctricos: a. Horno de arco indirecto: En el cual los electrodos están por encima del metal (sin tocarlo), por lo que al generarse el arco, el material era calentado por radiación. b. Horno de arco directo: Los electrodos si están en contacto con el material a fundir, por lo que la elevación de la temperatura en el metal, se debe el paso directo de la corriente eléctrica por el mismo. Los hornos de arco directo son los únicos de ese tipo, que en la actualidad producen acero refinado de manera económica.

Horno de inducción Utilizan una corriente inducida de alta frecuencia (aproximadamente 1000Hz) que circula por una bobina enfriada por agua, que rodea a un crisol en el que se calienta una carga metálica mediante corrientes rotacionales inducidas magnéticamente. El campo magnético generado por la bobina induce corrientes rotacionales en el metal contenido en el crisol donde se funde la carga. Estos hornos se cargan con piezas sólidas de metal, chatarra de alta calidad o virutas metálicas. Los hornos de inducción tienen una serie de ventajas, la principal de las cuales es la velocidad con la que puede fundirse el metal, el tiempo de fusión toma entre 50 y 90 min. fundiendo cargas de hasta 3.6 toneladas. Se pueden obtener aceros de alta calidad. Oros

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Cuando la frecuencia de la corriente es relativamente baja, las corrientes de remolino inducidas ejercen una acción de agitación sobre el metal fundido. Como las frecuencias más altas son más eficaces para calentar, algunos hornos de inducción disponen de dos bobinas, una para corriente de alta frecuencia y otra para corriente de baja frecuencia. Los primeros hornos de inducción empleaban frecuencias de entre 60 y 60 000 Hz, pero algunos hornos actuales están diseñados para emplear frecuencias de 1 millón de Hz o más.

Horno de crisol Este equipo cuenta con un crisol de arcilla y grafito, el cual por su naturaleza cerámica es frágil; los crisoles se colocan dentro de un confinamiento provisto de paredes refractarias, separadas lo suficiente del crisol, como para permitir que los productos de la combustión de carbón, gas o diesel, generen una turbulencia alrededor del crisol. Exteriormente deben disponer de un blindaje rígido para proteger a todo el conjunto. Es el proceso más antiguo que existe en la fundición y son utilizados en la actualidad principalmente para la fusión de metales no ferrosos.

Hornos al vacío o con atmósfera especial Los metales fundidos tienden a absorber gases, debido a la humedad en el horno y en la atmósfera o al atrapar hidrocarburos de la combustión. La capacidad de reaccionar con el oxigeno (oxidación) del metal expuesto a la atmósfera del horno, crece con el aumento de la temperatura. Atmósfera Oxígeno Bióxido de carbono Vapor de agua

Efecto Causa herrumbre, corroe y llena de escamas la mayoría de las superficies metálicas, altera el tamaño de grano y evita que la superficie pueda reducirse. Escama o descarboniza el acero combinado con monóxido de carbono. Oxida al hierro y al acero, da una apariencia azulada a los aceros al enfriarse

Para algunos metales es permisible una capa de escoria o espuma acumulada sobre el metal fundido, para protegerlo de la excesiva oxidación, además frecuentemente se añaden provocadores de escoria. En el caso del aluminio, esta escoria es perjudicial principalmente durante el colado y deberá tenerse especial cuidado en evitar su entrada al molde. Para metales reactivos con los gases presentes en la fundición, deben ser encerrados en una cámara el horno y molde, empleando vacío o atmósfera especial. El tipo de bombas de vacío con un inyector de vapor tipo vénturi, pueden reducir la presión a la equivalente para soportar 0.01 mm de mercurio, que es comparada a la condición atmosférica de poco más o menos 760 mm de mercurio. El colado y fusión en vacío mejora la resistencia a la tensión y fatiga en muchos metales. Algunos metales como el titanio, deben ser fundidos en vacío. Algunos metales, particularmente el aluminio y el magnesio, casi siempre se desgasifican después de fundidos haciéndoles pasar a través del metal en estado líquido, un gas inerte como el nitrógeno o el argón. El acero se puede desgasificar con monóxido de carbono. Oros

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Horno de cubilote Son equipos muy económicos y de poco mantenimiento, se utilizan para la fundición de hierros colados. Están formados de una estructura tubular similar al alto horno, pero mucho más pequeña. 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 ventiladores centrífugos, por toberas ubicadas en la parte inferior del horno. También se pueden cargar con mineral de hierro o trozos 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 40 kg de piedra caliza y 5.78 metros cúbicos de aire a 100 kPa y 15.5 °C. Los hornos de cubilote pueden medir hasta aproximadamente 4 metros de altura y tener desde 0.8 a 1.4 m de diámetro. Cubilotes especiales 1. Cubilotes de revestimiento básico, generalmente de dolomita o magnesita. Ventajas: Llegar a temperaturas altas (1700° C). Posibilidad de cargar hasta 100 % de chatarra de acero para hacer fundiciones de níquel o al cromo níquel. Posibilidad de utilizar mayor cantidad de fundentes para desulfurar. Desventajas: Mayor consumo de coque y fundente. Mayor pérdida de silicio por oxidación. 2. Cubilotes de aire caliente. Ventajas. Aumento de la producción horaria en un 20%. Aumento de la temperatura en la zona de combustión (1750° C). Disminución del consumo de coque hasta un30%. Reducción del contenido de azufre en la fundición. Mejor funcionamiento del cubilote con menor tiempo de fusión. 3. Cubilotes con antecrisol. Ventajas: posibilidad de obtener fundiciones de composición uniforme, exacta y dosificada según las necesidades. Facilita la desulfuración y eliminación de escoria. Evita que la fundición resulte contaminada por el coque del cubilote. (Se adaptan a la fabricación de fundiciones de grafito esferoidal por adición de Ni o Mg. a la fundición líquida).

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