Hornos de Inducción - Revista Metal Actual

Comments

Transcription

Hornos de Inducción - Revista Metal Actual
MAQUINARIA
26
Foto: Cortesía: Inductotherm Corp
Hornos de Inducción:
Producción Limpia y Eficiente
Federico Botero*
Ingeniero de Ventas Inductotherm Corp.
Estos
sistemas
cuentan con
capacidades
desde 3.0
Oz, hasta
320 Ton.
La fusión por inducción
es un proceso donde
un metal es fundido
en el crisol de un
horno por efecto de
una corriente alterna.
Es una tecnología
extremadamente
rápida, limpia y
uniforme, que permite
omitir la fase de
purificación necesaria
con otros métodos.
Desde las comunidades neolíticas quienes forjaron cuchillos y utensilios de cobre, pasando por la cultura china
que fabricó los primeros hornos, hasta llegar al primer
proceso industrial de fundición en Inglaterra, en el siglo
XVIII, la historia de la fundición es prueba indiscutible
del continuo afán del hombre y la sociedad por buscar
su propio desarrollo y evolución.
Hoy por hoy, el resultado de este largo recorrido es el
concepto de modernos sistemas autónomos de producción en serie, que aportan a la industria ventajas
como la disminución de costos, optimización de materia
prima e implementación de métodos de producción más
seguros, eficientes y amigables con el medio ambiente,
entre otras ventajas. En pocas palabras, actualmente la
tecnología para fundir metal es, sin duda, más versátil,
segura y productiva.
WWW.METALACTUAL.COM
MAQUINARIA
En primer lugar, conviene recordar
que la inducción es un método de
calentamiento sin contacto ni llama,
que puede poner al rojo vivo, en
segundos, una sección determinada
de una barra metálica con gran precisión. El calentamiento por inducción se emplea industrialmente para
múltiples aplicaciones como tratamientos térmicos, principalmente
temple, revenido y normalizado por
inducción; generación de plasma;
procesos de unión como braseado
y soldadura, forja y, por supuesto,
fundición por inducción.
de inducción modernos tienen avanzadas características tecnológicas y
ergonómicas, lo cual no sólo hacen
los lugares de trabajo más seguros,
sino que además aumentan la productividad y logran un proceso de
fusión más rápido y más cómodo.
Los Hornos
Para hablar de hornos de inducción,
hay que remontarse a los años 50s,
cuando la industria de la fundición
se da cuenta de las ventajas económicas de los sistemas eléctricos
frente a la producción con otras
clases de hornos. A mediados de los
Foto: Cortesía: Inductotherm Corp.
La fundición por inducción es extremadamente rápida, limpia y uniforme; cuando se realiza correctamente, es tan limpia que permite omitir
la fase de purificación necesaria con
otros métodos. El calor uniforme
inducido en el metal también contribuye a un resultado final de alta
calidad, ya que los sistemas y hornos
Convertidor alimentado con tensión en serie
Cortesía: Inductotherm Corp.
De hecho, los avances más destacados están presentes en los hornos,
que son la columna vertebral de todo
sistema de fundición. Precisamente,
el objetivo del siguiente artículo es
mostrar y describir en detalle una
de las tecnologías más modernas y
útiles en este campo: los hornos de
inducción.
Los hornos de inducción están provistos de
sistemas de basculamiento hidráulico protegidos
de la suciedad y las salpicaduras de metal para
proveer un vaciado suave y controlado.
WWW.METALACTUAL.COM
Con este tipo
de circuito
se requiere
menos KVA,
además
es de alta
eficiencia
y tiene un
factor de
potencia alto
a cualquier
nivel de kw.
70s, se convierten en la mejor opción
para fundir materiales ferrosos y no
ferrosos y en los 80s surgen unidades
de alta potencia y frecuencia que
demuestran mayor eficiencia y productividad. Convirtiéndose así, en la
manera preferida de fundir metales.
Básicamente, los hornos de inducción son equipos eléctricos que
utilizan una corriente inducida para
fundir la carga (material). Es decir,
consisten en una unidad de potencia
o inversor que inyecta corriente de
frecuencia alterna y variable a una
bobina, la cual contiene una sección
de cobre reforzado y alta conductividad maquinada en forma helicoidal;
la corriente que pasa por la bobina
forma un campo electromagnético.
La fuerza y magnitud de este campo
varía en función de la potencia y
corriente que pasa a través de la
bobina y su número de espiras.
La energía calorífica se logra por
efecto la corriente alterna y el campo electromagnético que generan
corrientes secundarias en la carga; el
crisol es cargado con material, que
puede ser chatarra, lingotes, retornos,
virutas u otros. Cuando el metal es
cargado en el horno, el campo electromagnético penetra la carga y le
induce la corriente que lo funde; una
vez la carga esta fundida, el campo y
la corriente inducida agitan el metal,
la agitación es producto de la frecuencia suministrada por la unidad de
potencia, la geometría de la bobina,
densidad, permeabilidad magnética y
resistencia del metal fundido.
27
MAQUINARIA
El rango de capacidades de los hornos
de inducción abarca desde menos de
1 kilogramo, hasta 320 toneladas y
son utilizados para fundir toda clase
de metales ferrosos y no ferrosos,
incluso metales preciosos.
El rango de frecuencias de operación
de los hornos de inducción va desde
la frecuencia de red (50 o 60 Hz) hasta los 10 KHz, en función del metal
que se quiere fundir, la capacidad
del horno y la unidad del inversor.
Frecuencias menores generan más
turbulencias en el metal y reducen
la potencia que puede aplicarse al
metal fundido.
Tipos
Existen dos tipos básicos de hornos
de inducción: el horno sin núcleo,
de alta frecuencia, el cual consta en
un crisol totalmente rodeado de una
bobina de cobre, enfriada por agua,
a través de la cual pasa la corriente
que genera el campo magnético,
lo que calienta el crisol y funde el
metal en su interior.
Estos hornos se emplean prácticamente con todas las aleaciones
ordinarias, su temperatura máxima
sólo está limitada por el refractario
y la eficacia del aislamiento frente
a las pérdidas del calor. Los sistemas
de alta frecuencia facilitan un buen
control de la temperatura y la composición, cuentan con capacidades
desde 3.0 onzas, para fundir oro,
hasta 320 toneladas, para galvanización de zinc, y su gran ventaja es que
no contaminan y producen un metal
muy puro. Dado que se presenta
una fuerte acción de agitación electromagnética durante la calefacción
por inducción, este tipo de horno
tiene excelentes características de
mezcla para aleaciones y para agregar nuevas cargas de metal.
El otro tipo, llamados horno de
núcleo o de canal, de baja frecuencia
(60 Hz), estos equipos tienen una
bobina que rodea una pequeña porción de la unidad; es decir, la bobina
o bobinas hace las veces de primaria
y el bucle, o movimiento cerrado del
propio metal fundido, de secundario;
Horno de inducción sin núcleo
(Componentes)
A. Paneles: Están construidos
de acero resistente para
proteger la bobina durante la
operación de horneo.
B. Casco de protección:
Sirve como una barrera
impenetrable entre el metal
salpicado y la bobina.
C. Tapas aisladas que minimizan
la pérdida de calor.
D. Anillo recolector de humo:
Especialmente diseñado para
eliminar humo nocivo y humo
durante el ciclo de fundición.
E. Espiras macizas: Optimizan el
rendimiento en la fundición.
F. Yugos magnéticos: Reducen
el calor excesivo.
Cortesía: Inductotherm Corp.
28
G. Espacios entre las espiras:
Optimizan eficiencia eléctrica
y reducen humedad.
H. Parte inferior abierta: Ayuda
a reducir humedad y ventilar.
I. Bobinas de enfriamiento:
Amplían la vida del
recubrimiento
J. Formas refractarias.
K. Detección de fugas con polo a tierra para mayor seguridad.
L. Tubería adecuada para su aplicación.
M. Aislamiento de alta temperatura. Barrera de aislamiento eléctrico y térmico.
Velocidades de fusión (kg / hr) *
Rangos de
las unidades
Acero
Hierro
Bronce
de potencia @ 1.650 °C @ 1.480 °C @ 1.1175 °C
15
13
17
22
20
18
22
32
35
38
44
60
50
68
75
122
75
100
110
180
125
185
205
350
150
225
245
430
200
315
345
610
250
430
475
815
300
530
590
1.000
350
624
680
1.179
400
450
500
600
750
1.000
726
816
907
1088
1430
1900
816
907
998
1202
1575
2100
1383
1542
1723
2063
2720
3625
**Dimensiones
(mm)
762-711-1829
762-711-1829
762-711-1829
1676-762-1829
1676-762-1829
1676-762-1829
1829-762-1829
1829-762-1829
1829-762-1829
1829-762-1829
1000/500 Hz
200 Hz
2540-915-1981 2794-1067-2032
2540-915-1981 2794-1067-2032
2540-915-1981 2794-1067-2032
2540-915-1981 2794-1067-2032
2540-915-1981 2794-1067-2032
3150-1065-2030
2590-1065-2030
* Basado en un horno de tamaño nominal, para la segunda colada, cuando el revestimiento esté caliente,
la carga es densa y las barras operan adecuadamente. Bajo ninguna circunstancia requiere tener material
fundido en el horno para ponerlo en marcha. Para otros metales multiplique la velocidad de fusión para acero
por los siguientes números: Aluminio - 1,0; Oro - 5,0; Plata de 2.85. Las velocidades fusión en operaciones al
vacío normalmente son del 5% – 10% más lento. ** Las dimensiones pueden cambiar. *** Sistema de agua
con intercambiador de calor interno y sistemas de agua, sin intercambiador de calor interno.
Fuente: Cortesía: Inductotherm Corp.
MAQUINARIA
como el secundario, tiene una sola espira, éste se induce
a sí mismo una corriente eléctrica de baja tensión y gran
amperaje que produce el calor necesario para fundir.
• Operación amigable con el medio ambiente, quizás una
de sus mayores fortalezas. Reduce además requerimientos para la recolección del polvo resultante.
Lo que quiere decir que para iniciar el funcionamiento de
un horno de inducción de baja frecuencia debe emplearse
un poco de metal fundido, de modo que forme el secundario. En estos equipos la velocidad de calentamiento es
muy elevada y la temperatura se controla fácilmente, lo
que hace que dichos hornos sean muy útiles y se empleen
ampliamente en el mundo, aunque poco en Colombia.
• Costos de operación más bajos en diferentes aspectos
como la materia prima (refractario, electrodos, consumibles etc.) y mano de obra.
Se utiliza comúnmente en fundidoras no ferrosas y es
particularmente adecuado para sobrecalentar (calentamientos por encima de la temperatura normal de
fundición para mejorar la fluidez), mantenimiento (que
lo hace adecuado para aplicaciones de fundición por inyección en matriz), y duplexado (uso de dos hornos para,
por ejemplo, fundir el metal en un y transferirlo al otro).
• Bajo porcentaje de desperdicio por oxidación.
• Cargas eléctricas estables y por consiguiente una menor
variación de voltaje.
• Mayor control de temperatura por medio de sistemas
electrónicos.
• Alta tasa de fusión gracias a un mayor factor de potencia, lo cual deriva en mayor producción y utilización del
equipo.
Ventajas de la Fusión por Inducción
• Mejores condiciones laborales en aspectos como la
disminución de la intensidad de ruido, calor, y mayor
seguridad.
El resultado del proceso de fusión por inducción, implica
una amplia gama de ventajas para la industria de la
fundición tales como:
• Agitación natural del material de fundición, que ayuda
a controlar el proceso de aleación y por consiguiente un
producto de mejor calidad.
29
MAQUINARIA
A su vez, vale la pena nombrar los
limitantes de estos sistemas, para
hacer una comparación simple con
otras tecnologías.
ofrecidas por este sistema y comenzaron su implementación. En la
actualidad, alrededor de 70 empresas
cuentan con este tipo de hornos.
• Dificultad para refinar ciertas aleaciones de acero debido a la imposibilidad de agregar oxigeno al
proceso.
Si se le pregunta los industriales por
qué eligieron la fusión por inducción,
se identifica un punto en común:
mayor productividad, representada
en tasa de fusión, lo cual ofrece
posibilidades que tal vez al utilizar
otros sistemas serían complicadas
de contemplar. El simple hecho de
poder fundir diferentes materiales
ferrosos y no ferrosos, permite diversificar la producción y deriva en
la prestación de un servicio integral
que amplía el negocio.
• Inversión de capital relativamente
alto, comparado con sistemas más
sencillos.
• La chatarra utilizada debe ser seleccionada, debido principalmente
a que durante el proceso de fusión
por inducción el material conserva
en un alto porcentaje sus características químicas.
En Colombia
La fusión por inducción se ha convertido en una de las mejores opciones
para la industria, y Colombia no ha
sido la excepción. Al país, a principios de los años 80s, comenzaron a
llegar los primeros hornos de inducción importados por empresas como
la Casa de la Moneda del Banco de
la República, Fundicol, Fundiciones
Universo, Acerías de los Andes y
Fundicom, entre otras.
Con el paso de los años, otras compañías se dieron cuenta de las ventajas
Al respecto, Rigoberto Cañón, director de manufactura de Fudicom
S.A, empresa que tomó la decisión
de cambiar su antigua tecnología
de cubilote por la fusión por inducción, explicó que unas de las
razones del cambio fueron: la baja
contaminación que genera el horno
de inducción, el buen control en
composiciones y temperatura.
Según Cañón, los costos de funcionamiento e insumos, como el
refractario, con respecto al sistema
anterior, disminuyeron en 30 por
ciento. Las pérdidas por oxidación
en los hornos de inducción son del 3
por ciento, mientras igual factor en
Fotos: Cortesía: Inductotherm Corp.
30
En los hornos eléctricos de inducción, el
calor se genera por corrientes inducidas
por una corriente alterna. La mayoría
de sistemas de carga se hacen en forma
manual lo implica un alto riesgo, por
ello las fundiciones han cambiado a
sistemas mecanizados automáticos.
el sistema de cubilote ascendía al 10
por ciento.
Lo anterior muestra un gran avance
en cuanto a cantidad de hornos instalados en Colombia. Sin embargo,
aún hay mucho trabajo por hacer, en
Elección de un Horno de
Inducción
A la hora de elegir un horno de inducción
adecuado a las necesidades del usuario,
conviene evaluar detalladamente entre otros
los siguientes aspectos:
Costos:
Precio por Kw/h de la zona donde será
instalado el horno.
El precio por kilo de las piezas que serán
producidas.
Todos los costos asociados con la producción total.
Producción:
Horas trabajadas al día.
Días trabajados al mes.
Necesidad de kilos fundidos por hora
teniendo en cuenta la cantidad de metal
perdido en los sistemas de alimentación
y por rechazos.
Tamaño de la pieza más grande y la más
pequeña que serán fundidas y su respectivo porcentaje dentro de la producción
total.
Características, calidad y porcentaje de
material de carga que será fundido (chatarra, lingotes, retornos u otros).
El proceso que será utilizado, ya sea
solamente fusión, sostenimiento, calentamiento o la combinación de dichos
procesos.
Los tipos de aleaciones que se van a
producir.
Temperatura del metal cuando se bascula
del horno a la cuchara.
Temperatura a la que se cuelan las piezas.
Tiempo que se demora el metal en la cuchara hasta llegar a los moldes.
Cantidad de veces que se bascula el
horno para llenar los moldes, antes de
reiniciar el proceso de carga.
Total de tiempos inactivos representados
en carga, escorificación, análisis químico,
calentamiento y basculamiento.
WWW.METALACTUAL.COM
especial, es sumamente importante impulsar la asesoría
técnica y capacitación en cuanto a metodologías opcionales de producción, sistemas de gestión, organización y
valoración de residuos. Afortunadamente, la legislación
específica para el control de emisiones perjudiciales viene tomado relevancia y motiva al cambio la mentalidad
de los industriales.
Actualmente, existen empresas que se encargan de gestionar los trámites correspondientes a la implementacion
de dichos aspectos y, adicionalmente, ofrecen apoyo en
la consecución de recursos a través de entidades como el
Centro Nacional de Producción más Limpia y el Instituto
Federal Suizo para la Investigación y la Prueba de Materiales (EMPA), quienes ofrecen líneas de crédito para
inversiones de reconversión industrial que tengan un
impacto positivo en el medio ambiente.
Para acceder a estos nuevos sistemas limpios y productivos de fundición, existe también la opción del leasing
y financiación por medio de entidades bancarias nacionales e internacionales, las cuales cuentan con créditos
específicos para dicho fin.
En conclusión, los hornos de inducción se muestran
como una solución viable; si realmente se quiere llegar
a una producción limpia y eficiente, el camino está
trazado; existen diferentes medios para conseguir su
implementación, simplemente conviene superar la
resistencia al cambio y arriesgarse a ser más eficiente y
menos contaminante.
Autor
* Federico Botero. Ingeniero de Ventas. Inductotherm Corp.
[email protected]
Fuentes
• Antonio Klein Neto. Gerente Comercial, Inductotherm Group Brasil
LTDA., [email protected]
• Jairo Rodríguez. Gerente Industrial Technologies S.A. (Representantes
de Inductotherm en Colombia), [email protected]
• Rigoberto Cañón. Director de manufactura de Fudicom S.A.,
[email protected]
• Pablo Andrés Bruce. Corrección de estilo y redacción.
• Fishman, Oleg S., Inductotherm Corp., “Fundamentals of Metal Movement in Induction Furnaces” (Mayo, 2000)
• Howarth, D., John Hall & Son (Oldham) Ltd. UK, and POWELL, J, British
Columbia Industrial Relations Association, “Using a Large Single-Unit
Medium frequency Furnace in a Jobbing Foundry” (Marzo, 1990)
• Canadian Electrical Association, “Fonderie Grand’ Mêre Ltêe” (Junio,
1990)
• International Finance Corporation, World Bank Group “Environmental,
Health, and Safety Guidelines for Foundries” (Abril, 2007)
• Svoboda, Dr. John M., Process Metallurgy International Inc., GRIFFITH,
Lowell E., Griffith and Associates Inc., “Comparison of Direct Arc and
Induction Melting for New Foundry Operations” (Abril, 1997).
WWW.METALACTUAL.COM