Parte de un curso de Tecnología de la Fundición, orientado a fundiciones de acero, fundición gris y fundición nodular. Se analizan las ventajas y desventajas de los hornos de inducción, cubilotes y hornos de arco y la evolución reciente de estos equipamientos

1. Curso TECNOLOGÍA
DE LA FUNDICIÓN
Instructores: Ings. Jorge Madias y Marcelo Valentini
Hotel Howard Johnson 9 de Julio, Buenos Aires, 16 y 17 de abril de 2015

2. Tecnología de la fundición
 Contenido
 Introducción
 Diseño y modelación
 Arenas de moldeo
 Moldeo
 Fusión
 Tratamiento y colada
 Calidad y defectos
2

3. Materias primas
Fusión
Composición química
Desulfuración
Fusión3

4. Materias primas
4
 Retornos nodular
 Retornos gris
 Chatarra de acero
 Lingote de arrabio
 Chatarra de fundición
 Ferroaleaciones
 Recarburante
 Desulfurante
 Nodulizante
 Inoculante

5. Materias primas
5
 Retornos nodular y gris
 Costo similar al de las piezas (excepto la limpieza)
 Valor mucho menor: promedio ponderado de los precios de
los contenidos (chatarra de acero, lingote, ferroaleaciones,
inoculante)
 La diferencia entre el valor y el costo se carga al cliente, de
ahí la importancia de tener un rendimiento metálico alto
 Calidad: excelente
 Separar los grados aleados, si los hay, es simple
 No se justifica económicamente usar retorno de fundición
nodular para fundición gris; no reemplaza el efecto de
herencia que posee el lingote de fundición

6. Materias primas
6
 Chatarra de acero
 Tiene buen precio y calidad siempre que
 No varíe de una partida a otra
 No contenga elementos que interfieran con la
esferoidización del grafito (ejemplo, plomo) o que causen
formación de carburos (ejemplo, cromo)
 Tenga manganeso relativamente bajo
 Haya un suministro continuado
 Al comparar con el costo del lingote hay que incluir el
costo de recarburar

7. Materias primas
7
 Chatarra

8. Materias primas
8
 Chatarra
 Conclusiones de un estudio detallado de la influencia de los distintos tipos de
chatarra
 Se puede hacer fundición nodular con carga metálica de hasta 50 % de chatarras de
acero comerciales.
 Es necesario disponer de una estimación de los elementos químicos presentes en las
chatarras de acero disponibles y conocer sus implicaciones metalúrgicas
 El elemento de aleación más importante aportado por las chatarras de acero es el
manganeso. Se puede emplear hasta el 0,80% como promotor de perlita sin que se
presente formación de carburos asociados a la presencia de manganeso en la matriz
metálica
 No hay una influencia del tipo de chatarra con respecto a la formación de carburos,
siempre que la inoculación esté bien hecha
 El uso de chatarras que aportan cobre, cromo y vanadio aumenta la carga de rotura y
el límite elástico de las aleaciones fabricadas y disminuye el alargamiento

9. Materias primas
9
 Lingote de arrabio
 A diferencia de la fundición gris, que se beneficia de que
haya algo de lingote en la carga para la formación de
grafito del tipo A, la fundición nodular no requiere de
arrabio para ese propósito
 La cantidad de arrabio a cargar está determinada por el
control de la composición química
 Para nodular debe ser
 alto en C (>4%)
 bajo en Si (<1%, y en ciertos casos <0,5%)
 Bajo Mn para diluir el Mn de la chatarra de acero (y otros
elementos)

10. Materias primas
10
 Lingote de arrabio
 Especificación (ejemplo)
Tipo C (%) Si (%) Mn (%) P (%) S (%)
Economia 3,50-4,50 0,50
máx.
0,50 0,050 0,015
Elen 3,50-4,50 0,50
máx.
0,35 0,035 0,015
Ema 3,50-4,50 0,50
máx.
0,35 0,030 0,015
Efigênia 3,50-4,50 0,50
máx.
0,25 0,025 0,015
Eva 3,50-4,50 0,50
máx.
0,25 0,020 0,015

11. Materias primas
11
 Chatarra de fundición nodular
 sólo si se sabe que es 100% nodular
 Ferroaleaciones:
 de composición conocida
 libre de elementos dañinos (Cr, B, etc.)
 Composición certifica por el proveedor

12. Materias primas
12
 Recarburantes
 Son más importantes cuando se usa más chatarra de acero
 Cenizas < 2%
 Azufre < 1% (ideal 0,3 % máximo)
 Tamaño 1,5 a 10 mm, dependiendo del tipo de agitado
disponible
 Tipos:
 Grafito natural
 Grafito sintético
 Coque de petróleo calcinado
 En la fabricación de fundición gris o nodular en cubilote, aún
con alto porcentaje de chatarra de acero, la recarburación
se produce en el horno, en contacto con la cama de coque

13. Materias primas
13
 Desulfurantes
 Carburo de calcio (CaC2)
 Por debajo de malla 20
 Carbonato de sodio (Na2CO3)
 En polvo
 FeSiMg
 Lo mismo que para nodulizar (limitado por el aporte de
silicio y el costo)

14. Materias primas
14
 Nodulizante
 FeSiMgCe
 Mg puro
 Inoculante
 FeSi
 FeSiBa
 FeSiZr

15. Materias primas
15
 Consumos - Argentina
Unidad 2008 2009 2010 2011 2012
Arrabio t 28000 27000 18000 20000 2000
Chatarra t 200000 190000 146000 160000 156000
Ferroaleaciones
Energía eléctrica MW 197 140 150 160 163
Gas natural m3 42500 30000 33000 34000 32800
Coque t 25000 16000 16500 17500 11500

16. Fusión
16
 Horno de inducción
 Horno de cubilote
 Horno eléctrico de arco

17. Fusión
17
 Horno de inducción
 La carga metálica o parte de ella
está rodeada por una bobina
conductora de electricidad a través
de la cual pasa corriente eléctrica
alterna
 Esta corriente crea un campo
magnético que genera corrientes
parásitas en el metal cargado
 Por la resistencia, parte de la
energía eléctrica representada por
las corrientes parásitas se
transforma en calor, elevando la
temperatura de la carga
 Lo más usual es utilizar la
frecuencia de red (en Argentina 60
Herz)
 Video

18. Fusión
18
 Horno de inducción
 Hay dos tipos: sin núcleo
y con canal
 Predomina el sin núcleo
 Con canal: sólo
fundiciones que funden
en cubilote y tratan el
metal en el horno con
canal (proceso dúplex)

19. Fusión
19
 Horno de inducción
 Consumo de energía para fusión de carga fría y calentamiento hasta
1480 oC en el orden de los 500 KWh/t
 Buena eficiencia térmica para calentar metal líquido (65%, versus 5%
del cubilote y 20% del horno de arco)
 Un aumento de 60 oC en la temperatura de 1 t consume 13-15 kWh
 Por eso hay consumo mínimo cuando se cuela sólo el 20% del metal que
está en el horno y se vuelve a recargar
 Secuencia de carga con pie líquido
 Recarburante, chatarra de acero, retorno y lingote
 Secuencia de carga fría
 Bloque prefundido de 20% de la carga total
 Recarburante, chatarra de acero liviana, chatarra de acero pesada, lingote

20. Fusión
20
 Horno de inducción
 Precalentamiento con gas
 Llevando la carga a 540-870 oC, se pueden ahorrar 100 a
150 kWh/t y aumentar la velocidad de fusión 20-25%
 Alta velocidad de fusión: dos crisoles con una unidad
de potencia
 Está casi todo el tiempo conectado
 El tiempo de horno desconectado para extracción de
escoria, sangrado y carga puede ser el 30% del total

21. Fusión
21
 Horno de inducción
 Refractarios
 Sílice apisonada con una
«formaleta» de acero
 La «formaleta» se puede
fundir con la carga o
extraer y reutilizar

22. Fusión
22
 Horno de inducción
 Refractarios

23. Fusión
23
 Horno de inducción
 Fortalezas
 No requiere coque ni electrodos
 Se puede producir un amplio abanico de materiales
 Control fácil y rápido de la temperatura del metal líquido
 Ajuste fácil de la composición química
 Velocidad de fusión variable con facilidad
 Buena performance ambiental, sin necesidad de alta
inversión en equipamiento

24. Fusión
24
 Horno de inducción
 Debilidades
 Limitaciones en los materiales que se pueden cargar
 Limitaciones en la realización de tareas metalúrgicas que
requieren de la interacción de la escoria con el metal
líquido
 Defosforación
 Desulfuración

25. Fusión
25
 Horno de inducción
 Tendencias recientes
 Alta potencia
 Automatización
 Empieza a aplicarse
 Extracción de humos
 Sistema de extracción del
revestimiento
 Retroescoriado
 Robot para muestreo y
otras operaciones

26. Fusión
26
 Horno de cubilote
 Permite obtener un metal base útil, siempre que se
hagan los controles necesarios
 Dos hornos del mismo diseño operados de la misma
forma puede proporcionar metales de diferentes
características
 La calidad del metal de un horno dado puede variar
en el tiempo
 Video

27. Fusión
27
 Horno de cubilote
 Fortalezas
 Eficiencia térmica, en unidades grandes
 Aceptación de una gran variedad de materiales de carga
 Menor sensibilidad al nivel de oxidación de la chatarra
 Variantes de diseño
 Viento caliente: Bajo costo de fusión para grandes
producciones

28. Fusión
28
 Horno de cubilote
 Variables
 Altura de cama
 Caudal de aire soplado
 Humedad del aire soplado
 Temperatura del aire soplado
 Relación coque-aire soplado
 Relación coque-carga metálica
 Humedad del coque
 Calidad y tamaño del coque
 Construcción del horno
 Revestimiento
 Carga metálica
 Calidad y cantidad de los componentes no metálicos de la carga
 Composición de la escoria
 Desescoriado

29. Fusión
29
 Horno de cubilote
 Tipos
 Con o sin refractarios
 Con escoria ácida o básica
 Soplo frío o caliente
 Escoreo frontal o trasero
 Con o sin enriquecimiento del aire con oxígeno

30. Fusión
30
 Horno de cubilote
 El factor determinante de la calidad del metal es el
tipo de escoria
 Basicidad: (%CaO + %MgO)/SiO2
 Basicidad<1: escoria ácida; >1 escoria básica
 A mayor basicidad, menor contenido de azufre y
mayor contenido de carbono

31. Fusión
31
 Horno de cubilote
 Influencia de la escoria y la temperatura de sangrado
en los tenores de carbono y azufre

32. Fusión
32
 Horno de cubilote
 Debilidades
 Alta generación de gas
 Para tener una performance ambiental adecuada, hace
falta una inversión importante
 Es conveniente tener equipamiento aguas abajo (proceso
Duplex)
 Control de temperatura y composición química más complejo

33. Fusión
33
 Horno de cubilote
 Tendencias recientes
 Extracción de humos por debajo de la carga
 Viento caliente
 Equipamiento para tratamiento de los gases
 Cuba sin revestimiento (hornos grandes)
 Alto nivel de automatización

34. Fusión
34
 Horno de cubilote

35. Fusión
35
 Comparación (ejemplo)
Planta nueva; 40 t/h; 16 h diarias; 4000 h/año. Cubilote de viento caliente; horno de
inducción sin núcleo de media frecuencia. Estudio de Kuttner, 2001. Costos en EEUU

36. Fusión
36
 Tendencias (fundición nodular y fundición gris)
 Argentina (Ricardo Velázquez, La industria de la Fundición en Argentina)
 1980 20% inducción, 80% cubilote
 2010 80% inducción, 20% cubilote
 Brasil (Roberto de Deus)
 2010 70% inducción, 30% cubilote

37. Fusión
37
 Tendencias
 Reemplazo de hornos de cubilote de viento frío por
hornos de inducción
 El cubilote de viento caliente, como unidad de fusión
primaria, mantiene ventajas para grandes
producciones (100-200 t/día)
 El horno eléctrico de arco sobrevive en los casos en que
está disponible, porque es un equipo ya amortizado
que tiene bajo costo de mantenimiento y no tiene
problemas ambientales importantes

38. Composición química
38
 La definición más importante es la de los contenidos
de carbono y de silicio
 Se definen en función de
 Espesor de pared mínimo y máximo de la pieza
 Matriz deseada
 Para una pieza dada
 Si se desea matriz ferrítica: carbono más bajo y silicio
más alto
 Piezas finas
 Mayor contenido de carbono y de silicio

39. Composición química
39
Espesor de pared (mm) Matriz deseada, en bruto de colada
Mínimo Máximo Predominio de perlita Predominio de ferrita
Carbono (%) Silicio (%) Carbono (%) Silicio (%)
3,2 3,2 4,00 3,75 3,95 4,00
6,3 3,70 3,75 3,65 4,00
12,7 3,50 3,75 3,35 4,00
25,4 3,20 3,75 3,15 4,00
50,8 3,05 3,75 3,00 4,00
101,6 o más 3,00 3,75 2,95 4,00
6,3 6,3 3,90 3,25 3,75 3,75
12,7 3,70 3,25 3,55 3,75
25,4 3,40 3,25 3,25 3,75
50,8 3,25 3,25 3,10 3,75
101,6 o más 3,20 3,25 3,05 3,75

40. Composición química
40
Espesor de pared (mm) Matriz deseada, en bruto de colada
Mínimo Máximo Predominio de perlita Predominio de ferrita
Carbono (%) Silicio (%) Carbono (%) Silicio (%)
12,7 12,7 3,85 2,75 3,70 3,25
25,4 3,55 2,75 3,40 3,25
50,8 3,40 2,75 3,25 3,25
101,6 o más 3,35 2,75 3,20 3,25
25,4 25,4 3,60 2,50 3,50 3,00
50,8 3,45 2,50 3,35 3,00
101,6 o más 3,40 2,50 3,30 3,00
50,8 50,8 3,60 2,10 3,40 2,75
101,6 o más 3,55 2,10 3,35 2,75
101,6 3,60 2,00 3,40 2,50

41. Composición química
41
 Manganeso
 Durante la solidificación, se segrega a los bordes de la
célula eutéctica
 Allí puede formar carburo de manganeso, muy estable
y difícil de descomponer aún con un recocido a alta
temperatura
 Además incrementa el contenido de perlita
 Cuando se puede usar más silicio, se puede tolerar más
manganeso
 La chatarra de acero aporta manganeso

42. Composición química
42
 Manganeso
 Segregación en el borde de la célula eutéctica, con
formación de carburo
Ferrita
Perlita
Carburos
Grafito

43. Composición química
 Mn: Influencia sobre la
microestructura
 Mn: tolerancia en
función del Si
43

44. Desulfuración
44
 Para poder obtener fundición nodular la desulfuración
hasta 0,02% S es un requisito básico
 Los nodulizantes pueden utilizarse para esto, pero si el
contenido de azufre es alto (por ejemplo, >0,04%)
conviene hacer una desulfuración previa
 Porque el costo es elevado
 Porque se incorpora silicio al metal
 El metal de cubilote ácido requiere desulfuración
 Con carburo de calcio: 1 a 2% por cada 0,1% a bajar
 Puede hacerse en un antecrisol con revestimiento básico
 Desulfuración externa: para 3 a 5 t (en cantidades menores se
pierde mucha temperatura), con agitado mecánico o gaseoso

45. Ejercicio
45
 Utilizando la planilla de cálculo de carga,
preparar cargas con contenido creciente de
chatarra de acero y verificar los cambios que
ocurrirían en la composición del metal líquido

46. Ejercicio
46
 Porqué el horno de inducción se convirtió en la
herramienta preferida para la preparación de
metal líquido en las fundiciones pequeñas y
medianas?

47. Ejercicio
47
 Analizar el equipamiento de fusión de las empresas
presentes

48. Lecturas adicionales
 Madías, J.; «Alternativas para la obtención de metal
líquido: cubilote, horno de inducción y horno de arco».
COLFUN, Buenos Aires, Argentina, octubre de 2010
(presentación)
 Asenjo, I.; Larrañaga, P.; Garay, J.; Sertucha, J..;
«Influencia de la composición química de diferentes
chatarras de acero sobre las propiedades mecánicas de
la fundición con grafito esferoidal». Revista de
Metalurgia del CENIM, Julio-Agosto 2011, pp. 307-318
 Martín, A.; Madias, J.; «Influencia de las propiedades del
coque sobre los parámetros metalúrgicos y el consumo de
coque en el horno de cubilote». COLFUN 3, Tandil,
Argentina, noviembre 2007
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