El material de carga es el mayor coste variable en la fusión por inducción, y la variable que más influye directamente en la velocidad de fusión, el consumo de energía y la calidad del metal. Un programa de carga bien gestionado puede reducir el consumo de energía entre un 10 % y un 15 % y mejorar la velocidad de fusión en una cantidad similar, en comparación con utilizar cualquier material de desecho disponible.
MONTE INTELLIGENCE ofrece recomendaciones sobre materiales de carga como parte de su suministro para hornos de inducción. Este artículo aborda los principios de selección, preparación y gestión de la carga para la fusión por inducción de hierro y acero.
El material de carga para la fusión por inducción se divide en varias categorías: materiales devueltos por la fundición (compuertas, mazarotas y piezas fundidas de desecho de la propia fundición), chatarra de acero comprada (de chatarreros, generalmente clasificada por grado), arrabio (hierro virgen procedente de alto horno o reducción directa) y adiciones de aleación (ferroaleaciones, carburantes y otros materiales añadidos para ajustar la composición química).
La carga ideal es una mezcla que proporciona la composición química deseada con una corrección mínima, se funde uniformemente sin formar puentes y tiene el menor costo por tonelada de metal líquido. Lograr este ideal requiere equilibrar las propiedades metalúrgicas y el costo de cada componente de la carga.
La distribución del tamaño de la carga es crucial para la eficiencia de fusión en hornos de inducción. El mecanismo de calentamiento por inducción —corrientes parásitas generadas por el campo magnético alterno— penetra en la carga hasta una profundidad denominada profundidad de referencia, que depende de la frecuencia y de las propiedades eléctricas del material de la carga. Para el hierro a 1000 Hz, la profundidad de referencia es de aproximadamente 7 mm. El calentamiento se produce principalmente en esta capa superficial, y el calor se conduce posteriormente hacia el interior.
Una carga compuesta por piezas grandes y sólidas —por ejemplo, punzonados de acero de 200 mm de diámetro— se calienta únicamente en un radio de 7 mm desde la superficie hasta que el calor se transmite al centro. La superficie puede fundirse mientras el centro aún está frío, lo que provoca la formación de puentes, donde una pieza parcialmente fundida forma un arco en el horno que impide que el resto de la carga se funda. Una carga con una variedad de tamaños —desde chatarra triturada de 10 mm hasta chatarra pesada de 150 mm— se distribuye de forma más uniforme en el horno y se funde con mayor eficiencia, ya que las piezas más pequeñas rellenan los huecos entre las más grandes y aumentan la relación efectiva superficie-volumen.
La limpieza de la carga es fundamental para la calidad del metal y la vida útil del revestimiento del horno. El óxido (óxido de hierro) aumenta el volumen de escoria, consume energía (la reducción de Fe₂O₃ a Fe requiere carbono y energía) y ataca el revestimiento de sílice (el FeO es un fundente para refractarios de sílice, lo que reduce la vida útil del revestimiento). El aceite y la grasa en la carga producen humo durante la fusión —un problema ambiental y de emisiones— y pueden introducir hidrógeno en el metal, causando porosidad en las piezas fundidas. La arena y la suciedad en la carga aumentan el volumen de escoria sin aportar metal recuperable.
El precalentamiento de la carga es una técnica utilizada en hornos de inducción de gran tamaño (de más de 5 toneladas) para mejorar la eficiencia. Precalentar la carga a 400-600 °C antes de la carga elimina la humedad (evitando el riesgo de explosiones de vapor si la carga húmeda entra en contacto con el baño fundido), quema el aceite y los contaminantes orgánicos (reduciendo el humo y la absorción de hidrógeno) y disminuye la energía eléctrica requerida en el horno (el precalentador utiliza gas natural, más económico, en lugar de electricidad). Un precalentador de carga puede reducir el coste total de fusión entre un 5 % y un 10 %, dependiendo de los precios relativos del gas natural y la electricidad.
La secuencia de carga afecta la velocidad de fusión y la seguridad. La primera carga en un horno frío debe consistir en piezas pequeñas que se adhieran bien a las paredes y proporcionen un buen acoplamiento a la serpentina; se calientan más rápido y ayudan a que el revestimiento del horno alcance la temperatura de manera uniforme. Una vez que se forma una capa de metal líquido, se pueden añadir piezas más grandes, ya que el metal líquido a su alrededor mejora el acoplamiento. La carga final debe dejar suficiente espacio libre (la distancia desde la superficie del metal fundido hasta la parte superior del crisol) para la agitación y la adición de elementos de aleación.
El problema de la formación de puentes es común en todos los hornos de fusión por inducción. Un fragmento de la carga forma un puente entre el diámetro del horno y el metal fundido, impidiendo que la carga superior descienda. El metal fundido inferior continúa calentándose y puede alcanzar temperaturas tan elevadas que dañan el revestimiento refractario. Para evitar la formación de puentes, es necesario dimensionar correctamente la carga (ninguna pieza debe ser mayor que aproximadamente un tercio del diámetro del horno), cargarla con cuidado (no introducir una sola pieza grande de forma plana) y supervisar atentamente el ciclo de fusión.
Para las fundiciones que funden varias aleaciones, la contaminación cruzada entre ellas representa un riesgo para la calidad. Un horno que acaba de fundir hierro dúctil (que contiene magnesio) y que luego se carga con chatarra de hierro gris (que no debería contener magnesio) puede producir piezas fundidas defectuosas si el revestimiento retiene magnesio del calentamiento anterior. La solución consiste en utilizar hornos específicos para cada familia de aleaciones o en una limpieza exhaustiva del horno entre los cambios de aleación, incluyendo el raspado del revestimiento para eliminar el metal y la escoria adheridos.
MONTE INTELLIGENCE ofrece servicios de consultoría sobre materiales de carga como parte de nuestros proyectos de hornos de inducción, incluyendo la especificación de chatarra, la optimización de la mezcla de carga y la integración del precalentador.
Para obtener recomendaciones sobre materiales de carga para su fundición, póngase en contacto con helenxu@cnlymonte.com.
