Desarrollo de tecnología y equipos para unidades de refinado y desgasificación en línea de fundición de aluminio

11 de abril Desarrollo de tecnología y equipos de refinado y desgasificación en línea para el aluminio fundido

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Resumen: El proceso de desgasificación en línea (unidad de desgasificación) y, de acuerdo con las características de varios tipos de procesos y equipos de desgasificación en línea del aluminio y las aleaciones de aluminio que se utilizan habitualmente en la actualidad, se describen en detalle el desgasificador tipo caja, el desgasificador tipo canaleta y el desgasificador al vacío. Se analizan las características estructurales y otras particularidades destacadas de estos desgasificadores en línea típicos para aluminio y aleaciones de aluminio, y se presentan los nuevos avances en materia de desgasificación en línea. unidad de desgasificación La tecnología de desgasificación por ultrasonidos y la evaluación exhaustiva de estos desgasificadores en línea típicos para aluminio y aleaciones de aluminio, así como sus ventajas e inconvenientes en el taller de fundición de aluminio, ayudarán a elegir el proceso y el equipo de desgasificación adecuados para mejorar la calidad del aluminio y las aleaciones de aluminio.

Palabras clave: fundido de aluminio; proceso de desgasificación y refinado en línea; ventajas e inconvenientes
Hay muchos factores que influyen en la calidad del aluminio y sus aleaciones, entre los cuales el contenido de hidrógeno, las inclusiones y la concentración de metales alcalinos en el aluminio fundido son los más importantes para la calidad de las aleaciones de aluminio. Los principales fabricantes e instituciones de investigación, tanto nacionales como internacionales, han invertido muchos recursos en investigar cómo reducir el contenido de hidrógeno y de inclusiones en el aluminio fundido, y han aparecido en el mercado numerosos procesos y equipos nuevos.
1. Proceso de desgasificación en línea
El proceso de desgasificación en línea puede dividirse, a grandes rasgos, en el método de inyección de gas, el método de refinado al vacío y el método de refinado por ultrasonidos. Este artículo se centra en el método de inyección de gas.
1.1 Principio del método de soplado de gas
El método de inyección de gas, también conocido como método de flotación, consiste principalmente en generar numerosas burbujas minúsculas tras inyectar gas inerte en el aluminio fundido. La presión inicial del hidrógeno en la burbuja es cero, y existe una diferencia de presión del hidrógeno en la interfaz entre la burbuja y el aluminio fundido, de modo que el hidrógeno disuelto en el aluminio fundido es aspirado continuamente hacia el interior de la burbuja. Este proceso de succión continúa hasta que la presión del hidrógeno en la burbuja y en el aluminio fundido se igualan, momento en el que se detiene. Una vez que las burbujas han salido a la superficie, el hidrógeno que contienen se escapa y se libera a la atmósfera.
En la figura 1 se muestra el diagrama esquemático del principio de eliminación del hidrógeno.

Diagrama esquemático del principio de eliminación del hidrógeno

Además, cuando las burbujas atraviesan el metal fundido, entran en contacto con las inclusiones de óxido presentes en él, y dichas inclusiones se adsorben en la superficie de las burbujas y flotan hasta la superficie del metal fundido junto con las burbujas, para ser eliminadas. En la figura 2 se muestra un diagrama esquemático de la eliminación de las inclusiones.
Por lo tanto, el proceso de ascenso de las burbujas no solo permite eliminar el hidrógeno, con lo que se consigue el efecto de desgasificación, sino que también permite eliminar las inclusiones de oxidación, con lo que se consigue el efecto de refinado.

Diagrama esquemático del principio de eliminación de inclusiones

1.2 Método de alimentación con gas inerte
En el método de inyección de gas, la forma de introducir gas inerte en el aluminio fundido influye enormemente en el resultado de la desgasificación y el refinado. En la actualidad, existen tres métodos de uso habitual para introducir gas inerte en el aluminio fundido en las plantas de fundición, a saber: los tubos de desgasificación, los ladrillos de ventilación y los unidades de desgasificación, tal y como se muestra en la figura 3.

Método de alimentación con gas inerte

El método más sencillo de la técnica de soplado de gas consiste en introducir un tubo de refinado (normalmente un tubo de acero esmaltado) en el aluminio fundido y, a continuación, hacer pasar un gas inerte. Este método de desgasificación de un solo orificio y un solo tubo tiene un efecto de desgasificación deficiente. También hay algunas fábricas de fundición que instalan ladrillos porosos en el fondo del horno. El gas inerte atraviesa los ladrillos porosos formando múltiples burbujas. En comparación con el método de soplado de un solo orificio, el efecto de desgasificación y refinado del método de soplado poroso es ligeramente mejor; sin embargo, los ladrillos presentan desventajas como la facilidad de obstrucción, las fugas de aluminio líquido, la dificultad de mantenimiento, un fuerte agitado de la superficie del líquido y una mayor formación de escoria.
A medida que se ha ido profundizando en la investigación, han ido surgiendo sucesivamente diversos métodos de desgasificación rotativa. El principio básico consiste en pulverizar gas inerte en el aluminio fundido a través de un rotor giratorio para formar un gran número de pequeñas burbujas dispersas, llevando así a cabo el tratamiento de desgasificación y refinado. Para mejorar la eficiencia de la desgasificación, el número de burbujas de gas inerte debe ser lo más elevado posible, el diámetro de las mismas debe ser pequeño, el tiempo de permanencia de las burbujas de gas inerte en el aluminio fundido debe ser prolongado y la superficie del aluminio fundido debe ser lo más estable posible.
Para alcanzar el objetivo anterior, cada fabricante de desgasificadores presenta sus propias características en el diseño del rotor o la barra giratoria, el revestimiento interior de la cámara y el método de sellado de la misma, lo que da lugar a los diversos tipos de desgasificadores que se encuentran actualmente en el mercado. Según el proceso de desgasificación y las características estructurales del desgasificador, este puede clasificarse a grandes rasgos en desgasificador de tipo caja, desgasificador de tipo canal, desgasificador al vacío y desgasificador ultrasónico.
Según estadísticas incompletas, el 99% de los desgasificadores en línea actualmente disponibles en el mercado son desgasificadores rotativos de tipo caja. Entre los desgasificadores de tipo caja se incluyen los modelos SNIF e ILDU de PYROTEK (Estados Unidos), los desgasificadores Reveot de Apogee (Estados Unidos), los desgasificadores APLUR de Novelis (Francia), los desgasificadores Fujiko GBF de Japón y los desgasificadores de Mitsui (Japón). El desgasificador TKR y el desgasificador 622 de Alcoa (Alcoa) son los más habituales; el desgasificador de tipo canal es el modelo ACD más habitual, fabricado por la empresa canadiense STAS; el desgasificador al vacío es el Hycast, fabricado por Hydro. El I-60Sir es el más habitual.
En los últimos años, la empresa estadounidense Southwire Co., Ltd. (Southwire) ha desarrollado un nuevo desgasificador ultrasónico.
2. En línea unidad de desgasificación
2.1 Desgasificador de caja
En la figura 4 se muestra la estructura del desgasificador tipo caja SNIF fabricado por American Pilotec.

Diagrama esquemático de la estructura del desgasificador SNIF

El aluminio fundido fluye hacia la caja desgasificadora y permanece en el revestimiento refractario. La caja cuenta con un calentador para mantener el aluminio fundido en estado líquido. Una vez que el rotor giratorio pulveriza el gas inerte, este se fragmenta en innumerables burbujas pequeñas debido a la alta velocidad de rotación del rotor, y las burbujas pequeñas se difunden y ascienden en el aluminio líquido, eliminando así el hidrógeno. Durante el proceso de ascenso de las pequeñas burbujas, debido al efecto de la tensión superficial, una parte de las inclusiones se separará del aluminio fundido y subirá a la superficie del líquido, formando una espuma que elimina las inclusiones del aluminio fundido; al mismo tiempo, gracias a la agitación del rotor, la composición de la aleación de aluminio líquido resulta más uniforme.
La característica más destacada del desgasificador tipo caja es su estructura compuesta por un estator de grafito y un rotor de grafito. El estator de grafito no gira en el aluminio fundido y actúa como capa protectora exterior del conjunto del rotor de grafito. Las varillas de grafito y los rotores de grafito se ensamblan para agitar el aluminio fundido. El gas inerte pasa a través del espacio entre el estator y la varilla de grafito y se pulveriza en el aluminio fundido desde el borde inferior del estator y la ranura situada en el borde superior del rotor de grafito. En la figura 5 se muestra el modo de circulación del aluminio fundido con varillas y rotores de grafito del sistema SNIF.

Modo de circulación de líquido con varilla/rotor giratorio de aluminio SNIF

Gracias a la fuerza de cizallamiento del rotor de grafito, el aluminio fundido circula hacia abajo, contrarrestando así la influencia de la flotabilidad natural, de modo que las burbujas de aire expulsadas del rotor y del estator se inyectan radialmente y se dispersan de manera uniforme en el aluminio fundido para lograr el mejor efecto de desgasificación y refinado. En otra serie de desgasificadores tipo caja ILDU fabricados por la empresa estadounidense Parrotec, la característica más destacada es la barra giratoria o rotor (véase la figura 6).

ILDU Varilla/Rotor

El material de la barra giratoria/rotor es el nuevo BTS. En la actualidad, los materiales de los rotores de otros desgasificadores suelen ser grafito, carburo de silicio y nitruro de silicio. El grafito se quema y se oxida fácilmente a altas temperaturas (alrededor de 750 °C), lo que provoca fracturas o desprendimientos, contaminando así el aluminio fundido; el rotor de carburo de silicio fundido no es resistente al choque térmico y se rompe fácilmente ante un enfriamiento rápido o un choque térmico; el coste de la barra giratoria o el rotor de nitruro de silicio es demasiado elevado. Sin embargo, el interior del rotor BST está fabricado con grafito y el exterior está sinterizado con material refractario, lo que permite superar las deficiencias de los tres materiales mencionados anteriormente. Según las estadísticas, su vida útil supera el año en las líneas de colada continua y laminación.
Las ventajas evidentes del desgasificador tipo caja son las siguientes: 1) Aumenta el tiempo de permanencia de las burbujas, mejorando así el efecto de desgasificación y refinado; 2) Mantiene la temperatura del aluminio fundido en la caja igual o superior a la temperatura de colada, lo que reduce la temperatura del horno de mantenimiento; 3) Reduce la variación de la temperatura de colada. La desventaja es que el espacio de instalación necesario para el dispositivo es relativamente grande.
2.2 Desgasificador de tipo canal
El desgasificador de tipo canal utiliza el rotor y la varilla para hacer girar el desgasificador y refinarlo. La principal diferencia estructural entre el desgasificador de tipo canal y el de tipo caja radica en que la superficie interior del desgasificador de tipo canal queda a ras con la superficie interior del canal de la línea de producción de fundición, lo que permite que el desgasificador no presente residuos de aluminio. En la figura 7 se muestra el esquema de la estructura del desgasificador de tipo canal.

Diagrama esquemático de la unidad de desgasificación de tipo canaleta

Diagrama esquemático de la unidad de desgasificación tipo canaleta

La tapa de sellado y el depósito de desgasificación del desgasificador de tipo canal forman un espacio relativamente estanco. Al iniciar la colada, el aluminio fundido entra en el depósito de desgasificación mediante un flujo sumergido. Cuando el nivel del aluminio fundido en el depósito de desgasificación supera los 200 mm, el rotor comienza a agitar el aluminio fundido e inyecta gas inerte en él para desgasificarlo y refinarlo dentro del depósito. En comparación con el desgasificador tradicional de tipo caja, el desgasificador de tipo canal presenta las ventajas de no dejar residuos de aluminio y ocupar poco espacio. Sus desventajas también son evidentes: debido a que la profundidad del aluminio líquido en el desgasificador tipo canal es menor, el tiempo de permanencia de las burbujas en el aluminio líquido es más corto, por lo que su efecto de desgasificación es ligeramente inferior al del desgasificador tipo caja. Dado que no dispone de sistema de calentamiento, la temperatura del aluminio fundido disminuirá (normalmente entre 10 y 35 °C) al pasar por el unidad de desgasificación, lo que afectará al proceso de fundición posterior.
La velocidad de la varilla o rotor de grafito del desgasificador de tipo canal es muy elevada (>1000 r/min), por lo que la vida útil de la varilla o rotor de grafito es corta y se genera más escoria. Dado que las burbujas permanecen en el aluminio fundido durante poco tiempo, lo que afecta al efecto de desgasificación, el operario suele contrarrestar este efecto adverso aumentando el caudal de gas inerte, lo que conlleva un elevado consumo de dicho gas.

(filtro cerámico poroso)
2.3 Desgasificador al vacío
La estructura del desgasificador al vacío es similar a la del desgasificador de tipo canal, que se divide en dos partes: la unidad de desgasificación y la cámara de desgasificación al vacío (véase la figura 8).

unidad de desgasificación al vacío

La cámara de desgasificación al vacío puede dividirse en de una sola cámara, de doble cámara y de múltiples cámaras, según el caudal de aluminio líquido. La diferencia entre los desgasificadores de tipo caja y de tipo canal es que el rotor de grafito del desgasificador al vacío está instalado en la parte inferior de la cámara de desgasificación. La parte inferior de la cámara de desgasificación está provista de ranuras para que la cámara de desgasificación al vacío se comunique con la unidad de desgasificación (véase la figura 9). Cuando el aluminio fundido fluye a través de la unidad de desgasificación, la cámara de desgasificación genera una presión negativa gracias a la acción de una bomba de vacío u otros métodos, lo que aumenta el nivel del aluminio fundido en la cámara de desgasificación al vacío. Una vez que el nivel del aluminio fundido alcanza una determinada altura, el rotor de grafito comienza a girar e inyecta gas inerte para desgasificar y refinar el aluminio fundido. Cuando finaliza el desgasificado, se libera la presión negativa de la cámara de vacío y el nivel del aluminio fundido en la cámara de vacío desciende hasta igualarse al nivel de la unidad de desgasificación.

La estructura interna de la cámara de desgasificación al vacío

El desgasificador al vacío presenta las ventajas de no dejar residuos de aluminio y ocupar poco espacio. Además, dado que el aluminio líquido se desgasifica y se agita en condiciones de vacío, se producen menos óxidos y el aluminio líquido queda relativamente limpio. Desventajas del desgasificador al vacío: 1) Altos requisitos de limpieza del aluminio líquido; 2) Dado que el rotor de grafito está instalado en la parte inferior y es allí donde se acumula más escoria del aluminio líquido, el rotor de grafito se desgasta con facilidad. En la actualidad, los desgasificadores al vacío no se utilizan de forma generalizada en el mercado.
2.4 Desgasificador ultrasónico
El desgasificador ultrasónico es un nuevo tipo de desgasificador desarrollado con éxito por South Line Co., Ltd. en Estados Unidos. El desgasificador ultrasónico se diferencia del desgasificador tradicional de rotor giratorio; su estructura incluye un transmisor ultrasónico y una sonda ultrasónica (véase la figura 10).