Descripción del proceso
Descripción de los residuos
El tamaño de las empresas dedicadas a la fundición de metales va desde pequeños talleres hasta grandes plantas manufactureras que producen miles de toneladas de piezas fundidas cada día. La generación de residuos está directamente relacionada con el tipo de material usado (hierro fundido, acero, bronce o aluminio) y depende del tipo de moldes y machos usados, así como de la tecnología empleada. Los residuos de las operaciones de fundición en arena son inherentemente mayores que los de operaciones con moldes permanentes o matrices. Por lo tanto, esta guía se centra en las fundiciones en arena. El cuadro 1 presenta los residuos generados como resultado de los procesos de fundición de metales.
Elaboración de moldes y machos
Fusión
Colada
Limpieza
Revestimiento
El proceso de fundición en arena (Figura 2) empieza con la elaboración del patrón. Un patrón es un modelo especialmente hecho de un componente que va a ser producido. Se coloca arena alrededor del patrón para hacer un molde. Los moldes generalmente se elaborar en dos mitades de tal manera que el patrón pueda ser retirado fácilmente. Cuando se vuelven a ensamblar las dos mitades, queda una cavidad dentro del molde con la forma del patrón.
Los machos se hacen de arena y un aglomerante; deben ser lo suficientemente resistentes para insertarlos en un molde. Los machos dan forma a las superficies interiores de una pieza moldeada que no pueden ser formadas por la superficie de la cavidad del molde. El fabricante de patrones entrega cajas de machos que son llenadas con arena especialmente aglomerada para producir machos con dimensiones precisas. Los machos se colocan en el molde y éste se cierra. A continuación, se vierte metal fundido en la cavidad del molde y se le deja solidificarse dentro del espacio definido por el molde de arena y los machos.
Elaboración de moldes y machos
Los moldes usados en la fundición en arena consisten de un material particularmente
refractario (arena) aglomerado de tal manera que mantenga su forma durante la colada.
El tipo más común de elaboración de moldes es con arena verde. La arena verde
normalmente está compuesta de arena, arcilla, material carbonoso y agua. La arena
constituye el 85 a 95% de la mezcla de arena verde. Con frecuencia, la arena es
sílice, pero también se usa olivino y zircón. Aproximadamente 4 a 10% de la mezcla
es arcilla.
La arcilla actúa como aglomerante, suministrando resistencia y plasticidad. Los
materiales carbonosos pueden constituir hasta un 2 a 10% de la mezcla de arena
verde. Estos se añaden al molde para suministrar una atmósfera reductora y una
película de gas durante la colada con el fin de evitar la oxidación del metal.
Algunos de los materiales más carbonosos incluyen el carbón de mar (un carbón
bituminoso finamente molido) y productos de petróleo. Puede añadirse otros
materiales carbonosos como cereal (molido
con almidón) y celulosa (harina de madera) para controlar los defectos por
la expansión de la arena. El agua activa la aglomeración de la arcilla y generalmente
se la agrega en porcentajes pequeños (2 a 5%).
Las arenas de los machos consisten de mezclas de arena con pequeños porcentajes
de aglomerante, se utilizan para producir las cavidades internas de una pieza
fundida. Los machos deben ser resistentes, duros y colapsables. Con frecuencia,
los machos deben ser retirados de una pieza fundida a través de un pequeño
orificio y, por lo tanto, la arena debe colapsar después de que la pieza fundida
se solidifica.
La arena del macho generalmente es sílice. También se usa olivino o zircón cuando
las especificaciones requieren arenas para macho con mayor punto de fusión o mayor
densidad. Los materiales aglomerantes que mantienen unidos los granos de arena
varían considerablemente en su composición y en sus propiedades de aglomeración.
Son comunes los aglomerantes de aceite y los sintéticos. Los aglomerantes de
aceite son combinaciones de aceite vegetal o animal y petroquímicos. Los
aglomerantes típicos de resina
sintética incluyen resinas fenólicas, de fenol-formaldehido, formaldehido de úrea,
formaldehido de úrea/alcohol furfurílico, isocianato fenólico e isocianato alquídico.
Frecuentemente se usan aglomerantes de resinas químicas para los machos de fundición
y en menor medida para moldes de fundición. Los aglomerantes químicos brindan una
mayor productividad, un mejor control de las dimensiones y una mejor calidad de
la superficie de la pieza fundida. Existe una amplia variedad de aglomerantes,
entre ellos:
Los niveles de catalizadores ácidos varía entre 20 a 50% del
peso del aglomerante.
Las fundiciones de precisión con frecuencia usan el proceso de fundición a la cera
perdida para hacer los moldes. En este proceso, los moldes se hacen construyendo
una cáscara compuesta de capas alternativas de suspensiones refractarias y estucos,
como sílice fundida, alrededor de un patrón de cera. Las cáscaras de cerámica se
colocan al fuego para remover el patrón de cera y precalentar las cáscaras para
la colada.
Otro proceso de elaboración de moldes en arena que está encontrando aceptación
comercial utiliza un patrón de espuma de poliestireno embutido en arena tradicional
suelta sin aglomerante. El patrón de espuma dejado en el molde de arena es
descompuesto por el metal fundido, por lo tanto el proceso es llamado "moldeo
con patrón evaporante" o "proceso de espuma perdida".
Fusión
Los procesos de fundición comienzan con la fusión del metal para verterlo en los
moldes. Para fundir el metal se utilizan hornos de manga, eléctricos, de arco,
de inducción, de solera (de reverberación) y de crisol.
El horno de manga (patentado en 1749) es el tipo de horno más antiguo usando en
la industria de la fundición y todavía se usa para producir hierro fundido. Es
un horno de cuba cilíndrica fija, en el cual se cargan por la parte superior capas
alternadas de chatarra y ferroaleaciones, junto con coque y piedra caliza o dolomita.
El metal es fundido mediante contacto directo con un flujo a contracorriente de
gases calientes provenientes de la combustión del coque. El metal fundido se
acumula en el pozo donde es descargado mediante recolecciones intermitentes o
mediante un flujo continuo.
Los hornos de manga convencionales están revestidos con material refractario para
proteger a la cáscara de la abrasión, el calor y la oxidación. El espesor del revestimiento
va de 4.5 a 12 pulgadas. El revestimiento usado más comúnmente es arcilla, ladrillos o
bloques refractarios. A medida que el calor aumenta, el revestimiento refractario en
la zona de fusión se fluidifica por la alta temperatura y la
atmósfera oxidante y se convierte en parte de la escoria del horno.
Un horno de manga generalmente está equipado con un sistema de control de emisiones
. Los dos tipos más comunes de recolección de emisiones son los lavadores húmedos
de gas de alta energía y la cámara de bolsas seca. Como combustible se utiliza coque
de alta calidad para fundición. La cantidad de coque en la carga generalmente está
dentro del rango de 8 a 16% de la carga de metal. La combustión del coque se intensifica
suministrando aire enriquecido con oxígeno a través de toberas.
Los hornos eléctricos son usados principalmente por grandes fundiciones y plantas
siderúrgicas. Se suministra calor mediante un arco eléctrico formado en base a
tres electrodos de carbón o grafito. El horno es revestido con refractarios que
se deterioran durante el proceso de fusión, lo que genera escoria. Se forman capas
de escoria protectora en el horno mediante la adición intencional de sílice y cal.
Puede añadirse fundentes como fluoruro de calcio para hacer que la escoria sea más
fluida y más fácil
de retirar. La escoria protege al metal derretido del aire y extrae ciertas impurezas.
La escoria retirada puede ser peligrosa, dependiendo de las aleaciones que se han fundido.
Se añaden a la carga del horno residuos de metal, devoluciones de los talleres (como
tubos verticales, puertas y escoria de fundición), escoria rica en carbono y cal o
piedra caliza. El equipo de recolección de polvo y humos controla las emisiones al
aire del horno de arco eléctrico.
Los hornos de inducción se han convertido gradualmente en los hornos más usados para
la fundición de hierro y, crecientemente, para aleaciones no ferrosas. Estos hornos
tienen un excelente control metalúrgico y están relati- vamente libres de contaminación.
Los hornos de inducción están disponibles en capacidades que van desde unas cuantas libras
hasta 75 toneladas. Los hornos de inducción sin núcleo tienen una capacidad típica de 5
toneladas a 10 toneladas. En un horno sin núcleo, el crisol está
completamente rodeado por una bobina de cobre refrigerada con agua. En los hornos de canal, la
bobina rodea a un inductor. Algunas unidades de canal grandes tienen capacidades por encima
de las 200 toneladas. Los hornos de inducción de canal se usan comúnmente como hornos de
conservación.
Los hornos de inducción son hornos eléctricos de corriente alterna. El conductor
principal es una bobina, que genera una corriente secundaria mediante inducción
electromagnética. La sílice (SiO2), que está clasificada como un ácido, la alúmina
(Al2O3), clasificada como neutra y la magnesia (MgO), clasificada como material básico,
se usan generalmente como refractarios. La sílice se usa frecuentemente en la fundición
de hierro debido a su bajo costo y porque no reacciona fácilmente con la escoria ácida
producida cuando se funde hierro con alto contenido de silicio.
Los hornos de reverbero y de crisol son usados ampliamente para la fundición en
lotes de metales no ferrosos como aluminio, cobre, zinc y magnesio. En un horno
de crisol, el metal fundido es mantenido en una estructura con forma de marmita
(crisol). Los calentadores eléctricos o a combustible fuera de esta estructura
generan el calor que pasa a través de ella hasta el metal fundido. En muchas operaciones
de fundición de metal, se acumula escoria en el revestimiento de la superficie metálica,
mientras
que en el fondo se acumulan lodo pesado no fundido. Ambos reducen la vida útil del
crisol y deben ser retirados para ser reciclados o tratados como residuos.
Colada
Una vez que el metal fundido ha sido tratado para conseguir las propiedades deseadas,
es transferido al área de colada en cucharas revestidas con refractarios. Se retira
la escoria de la superficie del baño y se vierte el metal en moldes. Cuando el metal
vertido se ha solidificado y enfriado, se saca la pieza fundida fuera del molde y se
retiran los tubos verticales y las puertas. Los humos provenientes del metal en el
área de colada normalmente son extraídos hacia un dispositivo de recolección de polvo
, como una cámara de bolsas.
Limpieza
Después del enfriamiento, se retiran los tubos verticales y los burletes de la
pieza fundida utilizando sierras de banda, discos de corte abrasivos o dispositivos
de corte con arco. La rebaba en la junta se retira con cinceladores. El contorneado
de las áreas de corte y de la junta se hace con esmeriladora. La pieza fundida puede
ser reparada mediante soldadura para eliminar defectos.
Después de la limpieza mecánica, la pieza fundida es limpiada a chorro para retirar
la arena, rebabas metálicas u óxido. En la limpieza a chorro, se lanzan a alta
velocidad partículas abrasivas, generalmente perdigones o arenisca de acero, sobre
la superficie de la pieza fundida para retirar los contaminantes presentes en la
superficie. En el caso de piezas de aluminio, el proceso brinda un acabado cosmético
uniforme, además de limpiar la pieza de trabajo.
Para limpiar piezas de fierro, generalmente se usa perdigones de acero y algunas
veces una combinación de perdi- gones y arenisca. En el pasado, se usaba abrasivos
maleables y de arenisca de hierro templado. Las piezas de aluminio generalmente
son limpiadas con chorro de arena usando arena resistente a la abrasión o escoria
chancada.
Los componentes de las piezas fundidas que requieren características superficiales
especiales (como resistencia al deterioro o una apariencia atractiva) pueden ser
revestidos. Las operaciones de limpieza química y revestimiento pueden realizarse
en la fundición, pero con frecuencia son realizadas fuera, en firmas especializas en
operaciones de revestimiento. El prerequisito más importante de cualquier proceso
de revestimiento es la limpieza de la superficie. La elección del proceso de limpieza
depende
no sólo del tipo de suciedad que tiene que ser removida sino también de las características
de la cubierta que se va aplicar; generalmente, las operaciones de revestimiento incluyen
el electroenchapado, el revestimiento duro, la inmersión en caliente, el rociado térmico,
la difusión, la conversión, el enlozado y el revestimiento con resina orgánica seca o
fundida. El proceso de limpieza debe dejar la superficie en una condición que sea compatible
con el proceso de revestimiento. Por ejemplo, si una pieza
fundida va a ser tratada con fosfato y luego pintada, todo el aceite y las escamas
de óxido deben ser retirados porque inhiben un buen fosfatado. Si las piezas van a
ser tratadas térmicamente antes de ser revestidas, la elección de las condiciones de
tratamiento térmico pueden influir en las propiedades del revestimiento,
particularmente un revestimiento de conversión o metálico. En la mayoría de
casos, las piezas deben ser tratadas térmicamente en una atmósfera que no sea
oxidante.
Los baños de sales fundidas, los ácidos limpiadores, las soluciones alcalinas, los
solventes orgánicos y los emulsificadores son los materiales básicos usados en las
operaciones de limpieza. Los baños de sales fundidas pueden usarse para limpiar
pasajes interiores complejos en las piezas fundidas. En un proceso de limpieza
electrolítica, con sales fundidas, el potencial del electrodo se cambia de tal
manera que el baño de sal sea alternativamente oxidante y reductor. Las escamas
y el grafito son removidos
fácilmente con baños reductores y oxidantes respectivamente. Los baños con sales
fundidas limpian más rápidamente que otros métodos no mecánicos, pero las piezas
fundidas pueden quebrarse si están todavía calientes cuando se les enjuaga para
retirar los residuos de sal.
Generalmente se limpian las piezas en un baño ácido antes del revestimiento por
inmersión en caliente o del electroenchapado. Debe evitarse una limpieza excesiva
porque puede formarse en la superficie una mancha de grafito. Debido a que el
fierro fundido contiene silicio, también se puede formar una película de sílice
en la superficie a consecuencia de un tratamiento excesivo. Se puede evitar
esta película agregando ácido fluorhídrico al baño limpiador.
La limpieza química se diferencia del decapado en que los limpiadores químicos
atacan sólo a los contaminantes superficiales no al substrato de hierro. Muchos
limpiadores químicos son fórmulas patentadas, pero en general son soluciones
alcalinas, solventes orgánicos o emulsificantes. Los limpiadores alcalinos
deben penetrar a través de los contaminantes y humedecer la superficie para
ser efectivos. Los solventes orgánicos comúnmente usados en el pasado
(nafta, benceno, metanol, tolueno y tetracloruro
de carbono) han sido reemplazados en gran medida por solventes clorados, como los
usados para el desengrasado a vapor. Los solventes remueven eficazmente los
lubricantes, aceites de corte y refrigerantes, pero son ineficaces contra los
óxidos y las sales. Los emulsificantes son solventes combinados con surfactantes:
dispersan los contaminantes y sólidos mediante la emulsificación. Los limpiadores
por emulsión son más eficaces contra aceites pesados, grasas, lodos y sólidos
atrapados en películas de
hidrocarburos. Son relativamente ineficaces contra sólidos adherentes, como el
caso de las escamas de óxido.
Después de una limpieza húmeda, se usa un enjuague alcalino para limpiar la pieza
fundida y evitar el herrumbre a corto plazo. A continuación se puede realizar un
tratamiento con aceites minerales, solventes combinados con inhibidores y formadores
de películas, emulsiones de revestimientos a base de petróleo y agua, así como ceras.
Revestimiento
Las piezas fundidas son revestidas usando soluciones de enchapado, baños de metales
fundidos, aleaciones, metales en polvo, metales volatilizados o sales de metales,
revestimientos de fosfatos, porcelana y revestimiento orgánicos.
Las piezas fabricadas por fundiciones usualmente generan los siguientes residuos:
Arena usada
La mayoría de fundiciones reutilizan cierta porción de la arena usada para la
fabricación de machos y moldes; en muchos casos, se reutiliza la mayor parte
de la arena. La arena verde es reutilizada repetidamente. A medida que se
reutiliza la arena, se forman acumulaciones de finos, por lo que una cierta
cantidad de la arena del sistema debe ser retirada regularmente para mantener
las propiedades deseadas de la arena. La arena retirada, junto con la arena
perdida por fugas y durante el desmoldeo se
convierte en residuos de arena. La Figura 3 ilustra las fuentes principales
de residuos de arena.
El polvo y el lodo generado por la arena de los moldes con frecuencia se recolectan
como parte de un sistema de control de la contaminación del aire ubicado sobre
los lugares donde se realizan las operaciones de moldeo y desmoldeo. También
pueden existir residuos en la forma de grandes aglomeraciones que son retiradas
mediante tamices del sistema de reciclaje de arena para fabricación de moldes o
en la forma de arena retirada al limpiar las piezas fundidas.
Los aglomerantes de arena de los machos se degradan parcial o completamente al
ser expuestos al calor del metal fundido durante la operación de vaciado. Una
vez suelta, la arena cuyo aglomerante se ha degradado completamente con frecuencia
se mezcla con arena de moldeo para su reciclaje o es reciclada hacia el proceso de
fabricación de machos. Los residuos de machos están conformados por arena parcialmente
descompuesta, retirada durante el desmoldeo. Ellos contienen aglomerantes degradados solo parcialmente
rcialmente. Los residuos de machos pueden ser aplastados y reciclados a la línea de
arena para elaboración de moldes o pueden ser llevados a un relleno sanitario junto
con los machos rotos o que no cumplen las especificaciones y los residuos obtenidos
al barrer el cuarto de machos. Los residuos de arena de moldes y de machos representan
del 66 al 88% del total de residuos generados por las fundiciones de hierro.
Las fundiciones de bronce pueden generar residuos peligroso y contaminados con
plomo, cobre, níquel y zinc, con frecuencia en elevadas concentraciones totales
y extraíbles. Algunos procesos de fabricación de machos usan sustancias
fuertemente ácidas para el lavado de los gases de escape del proceso de
fabricación de machos. En el proceso de cura con radical libre, los aglomemerantes
de epoxi-acrílico son curados usando hidroperóxido orgánico y SO2 en gas.
Una unidad de lavado absorbe el SO2 gaseoso.
Una solución de 5 a 10% de hidróxido de sodio a un pH de 8 a 14 neutraliza el
SO2 e impide que el subproducto (sulfito de sodio) se precipite fuera de la
solución. Generalmente, los lodos con pH controlado se descargan en el sistema
de alcantarillado como residuos no peligrosos. De no ser adecuadamente
tratados, los residuos pueden ser clasificados como residuos corrosivos
peligrosos.
Residuos de fundición a la cera perdida
Las cáscaras de fundición a la cera perdida sólo pueden ser usadas una vez y su
disposición se realiza en rellenos sanitarios como residuos no peligrosos a
menos de que existan en las cáscaras condensados de metales pesados de las
aleaciones. Las ceras que son retiradas de las cáscaras de fundición a la
cera perdida pueden ser recicladas en las mazarotas y los burletes de cera
para su reutilización o pueden ser enviadas a la línea de reciclaje de cera
para su recuperación.
Residuos de limpieza
Los residuos de limpieza que finalmente se descargan en rellenos sanitarios
incluyen ruedas de molienda usadas, perdigones usados, residuos encontrados
al barrer el piso y polvo de los recolectores de polvo de la limpieza del
cuarto. Estos residuos pueden ser peligrosos si contienen niveles excesivos
de metales pesados tóxicos.
Residuos del recolector de polvo y del lavador de gas
Durante el proceso de fusión, un pequeño porcentaje de la carga se convierte en
polvo o en humos recolectados por las cámaras de bolsas o por los lavadores
de gas. En las fundiciones de acero, este polvo contiene diferentes cantidades
de zinc, plomo, níquel, cadmio y cromo. El polvo del acero al carbono tiende
a tener altos niveles de zinc y plomo como resultado del uso de escoria galvanizada,
mientras que el polvo del acero inoxidable tiene altos contenidos de níquel y
cromo. El polvo asociado con
la producción de metal no ferroso puede contener cobre, aluminio, plomo, estaño
y zinc. El polvo de acero puede ser encapsulado y descargado en un relleno
sanitario autorizado, si bien con frecuencia el polvo no ferroso es enviado a
un reciclador para la recuperación de metal.
Residuos de escoria
La escoria es una masa vidriosa, relativamente inerte, con una estructura química
compleja. Esta compuesta de óxidos metálicos del proceso de fusión, refractarios
fundidos, arena, cenizas de coque (si se utiliza coque) y otros materiales.
La escoria puede ser acondicionada usando fundentes para facilitar su retiro
del horno.
Puede producirse escoria peligrosa en las operaciones de fusión si los materiales
cargados contienen cantidades importantes de metales tóxicos como plomo, cadmio
y cromo.
Para reducir el contenido de azufre en el hierro, algunas fundiciones usan la
desulfurización con carburo de calcio en la producción de hierro dúctil. La
escoria generada por la desulfurización con carburo de calcio puede ser clasificada
como un residuo reactivo.
Residuos diversos
La mayoría de fundiciones generan residuos diversos que varían grandemente en
su composición, pero que constituyen sólo un pequeño porcentaje del total de
residuos. Estos residuos incluyen mate- riales de soldadura, aceites residuales
de montacargas y dispositivos hidráulicos, cilindros de aglomerantes vacíos y
cal del lavador de gas.
Descripción de los residuos
Arena usada
Residuos de fundición a la cera perdida
Residuos de limpieza
Residuos del recolector de polvo y del lavador de gas
Residuos de escoria
Residuos diversos
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