Sistema de desgasificación para aluminio

23 de noviembre Sistema de desgasificación para aluminio

Sistema de desgasificación para aluminio

El sistema de desgasificación para aluminio se basa en el principio de que el hidrógeno gaseoso disuelto se desplaza desde una zona de alta concentración (en la masa fundida) hacia una zona de baja concentración (en el gas inerte). El hidrógeno gaseoso se dispersa en el metal fundido del mismo modo que lo haría si se liberara en cualquier espacio cerrado. De este modo, se mantiene una concentración constante en toda la masa fundida. El hidrógeno gaseoso puede migrar en el metal líquido casi tan rápido como lo hace en el aire. Por lo tanto, no es necesario que cada onza de metal entre en contacto con el gas inerte. La eficiencia de la desgasificación del aluminio viene determinada por dos factores: la velocidad de transferencia a través de la interfaz metal/gas y la superficie total disponible para la transferencia.

Sistema de desgasificación para aluminio se hacían pasar gases especiales (cloro, freón o SF₆) a través del metal para acelerar la transferencia de hidrógeno a través de la interfaz metal-gas, formando grandes burbujas. La eliminación de hidrógeno tenía un límite práctico en los días húmedos, ya que, al romper las grandes burbujas la superficie, se creaba una mayor superficie de metal que, a su vez, absorbía más hidrógeno de la atmósfera húmeda.

El cloro fue inicialmente el gas elegido, pero debido a su naturaleza peligrosa, la mayoría de las fundiciones pasaron a utilizar otros gases. Sin embargo, muchas fundiciones no han tenido en cuenta los materiales peligrosos que se liberan al descomponerse cualquier gas especial que se utilice.

El sistema de desgasificación para el aluminio funciona según el principio de aumentar la superficie de contacto del gas inerte expuesto al metal. Cuanto mayor es la superficie de contacto, mayor es la velocidad de transferencia del metal al gas inerte. Cuanto menor es el tamaño de las burbujas para un volumen determinado de gas, mayor es la superficie de contacto. Por ejemplo, una burbuja de gas de 1” de diámetro tiene una superficie de 6 pulgadas cuadradas. Si esa misma burbuja se divide en burbujas de 1/16” de diámetro, la superficie aumenta a 96 pulgadas cuadradas. En otras palabras, si se utiliza el mismo volumen de gas y el diámetro de las burbujas se reduce a 1/16 del diámetro original, la superficie total se multiplica por 16. Las burbujas más pequeñas perturban menos la superficie del metal fundido, lo que reduce la absorción adicional de hidrógeno procedente de atmósferas húmedas.

Qué hace realmente un sistema de desgasificación con el aluminio fundido

El aluminio en estado líquido absorbe hidrógeno de la humedad de la atmósfera, del material de carga húmedo, de los subproductos de la combustión e incluso de los aceites y grasas que quedan en la chatarra. La solubilidad del hidrógeno en el aluminio líquido es mucho mayor que en el aluminio sólido, lo que significa que, a medida que el metal se enfría y se solidifica, el exceso de hidrógeno no tiene otro lugar adonde ir que a los huecos microscópicos del interior de la pieza fundida. Esas cavidades se manifiestan posteriormente como porosidad, y la porosidad es la principal causa por la que las piezas de fundición son rechazadas en la inspección por rayos X o fallan bajo carga.

Una unidad de desgasificación resuelve este problema haciendo pasar un gas de purga a través de la masa fundida. El gas de purga tiene una presión parcial de hidrógeno prácticamente nula, por lo que el hidrógeno disuelto en el aluminio se difunde hacia las burbujas y sale con ellas. Cuanto más pequeñas y numerosas sean las burbujas, mayor será la superficie disponible para esa difusión, razón por la cual el diseño del rotor y la dispersión de las burbujas son mucho más importantes que el caudal de gas sin tratar.

Hemos visto cómo algunos operadores dan por sentado que basta con aumentar el caudal de gas para resolver todos los problemas. Pero no es así. A partir de cierto punto, las burbujas grandes atraviesan el material fundido demasiado rápido como para absorber el hidrógeno de forma eficaz, y se desperdicia gas inerte sin que mejore la calidad del material fundido. Ese es un error que corregimos constantemente cuando revisamos las configuraciones de los clientes.

Por qué la eliminación del hidrógeno por sí sola no lo explica todo

La mayoría de las unidades modernas de desgasificación rotativa también eliminan las inclusiones no metálicas, como óxidos, espinelas y carburos. Las burbujas de gas ascendentes actúan como diminutos dispositivos de flotación, arrastrando las inclusiones hacia arriba hasta la capa de escoria, donde pueden ser retiradas. Esta doble función es la razón por la que una unidad rotativa, combinada con un filtro de espuma cerámica en la fase posterior del proceso, se ha convertido prácticamente en una práctica habitual en cualquier fundición que produzca componentes para la industria automovilística o aeroespacial.

Cómo llega el hidrógeno al aluminio en primer lugar

Hemos elaborado esta tabla tras años de realizar controles del contenido de hidrógeno en diferentes configuraciones de planta. La tendencia es constante: la humedad de la chatarra y la atmósfera del horno son los principales responsables de la absorción de hidrógeno, y ningún proceso de desgasificación posterior compensa por completo una manipulación descuidada de la masa fundida en las fases previas. Un desgasificador es una herramienta de corrección, no un sustituto de unas buenas prácticas de fundición.

Principales tipos de sistemas de desgasificación del aluminio

No existe una única tecnología de desgasificación universal. Los diferentes volúmenes de producción, tipos de aleación y niveles presupuestarios requieren equipos distintos.

Unidades de desgasificación con impulsor rotativo

Esta es la tecnología predominante en las operaciones de fundición a presión, fundición en arena y fundición en molde permanente. Un eje accionado por motor, con un rotor de grafito o CFC (compuesto de fibra de carbono), gira en el fondo de un recipiente de tratamiento o directamente en el horno de mantenimiento, fragmentando el gas de purga entrante en miles de finas burbujas. La velocidad del rotor suele oscilar entre 400 y 600 rpm, dependiendo de la geometría del rotor y del volumen de la masa fundida.

Sistemas de lanzas y tapones porosos

Los tapones porosos instalados en la base de una cuchara o de un horno liberan gas en forma de finas burbujas sin necesidad de piezas móviles. Las lanzas son aún más sencillas: se trata, básicamente, de un tubo recubierto de material refractario que se sumerge en la masa fundida para liberar gas desde el fondo. Ambos métodos son más económicos inicialmente, pero suelen ser menos eficientes que las unidades rotativas, ya que la dispersión de las burbujas es más difícil de controlar sin cizallamiento mecánico.

Unidades de desgasificación en línea para la colada continua

Las unidades en línea se colocan directamente en la canaleta o el canal metálico que alimenta una línea de colada continua o un proceso de colada por enfriamiento directo (DC). Están diseñadas para un rendimiento constante, en lugar de un tratamiento por lotes, y utilizan múltiples rotores o cámaras para tratar el metal mientras fluye, en lugar de cuando se encuentra en reposo.

Incluimos aquí el desgasificado al vacío para completar la información, pero rara vez se utiliza para las aleaciones de aluminio estándar, ya que la relación coste-beneficio no resulta rentable salvo en la producción de lingotes para el sector aeroespacial o de defensa, donde se exigen especificaciones muy elevadas.

Las unidades rotativas de desgasificación en detalle: componentes y funcionamiento

Un desgasificador rotativo parece sencillo a simple vista —un motor situado sobre un eje—, pero la ingeniería que hay detrás determina si funcionará bien durante seis meses o seis años.

El rotor y el eje

Antes, los rotores eran casi exclusivamente de grafito, y el grafito sigue siendo habitual por razones de coste. Los rotores y ejes de CFC duran considerablemente más, resisten mejor los choques térmicos y mantienen su geometría durante más tiempo bajo rotación continua, lo que garantiza una dispersión uniforme de las burbujas a lo largo de la vida útil del componente. En operaciones de alto rendimiento, hemos tenido que sustituir los ejes de grafito cada tres o cuatro semanas, mientras que un eje de CFC bien especificado, en el mismo entorno, suele durar entre dos y tres meses antes de tener que ser sustituido.

El sistema de motor y transmisión

Los variadores de frecuencia (VFD) permiten a los operarios ajustar la velocidad del rotor en función del volumen de fundido y del tipo de aleación, en lugar de funcionar a una velocidad fija independientemente del tamaño del lote. Esto por sí solo puede reducir el consumo de gas entre un 15 y un 20%, ya que los operarios dejan de purgar en exceso los lotes pequeños.

Suministro de gas y control de caudal

El nitrógeno es el gas de purga por defecto para las aleaciones de aluminio de uso general, ya que es económico y se puede obtener fácilmente mediante generadores in situ o en tanques a granel. El argón se utiliza cuando se necesita una eliminación de hidrógeno ligeramente superior, ya que su menor conductividad térmica y su diferente comportamiento de las burbujas pueden mejorar el tiempo de contacto en determinados sistemas de aleaciones. Las mezclas de argón y cloro eran habituales hace décadas por sus propiedades de eliminación de inclusiones, pero la normativa medioambiental y de seguridad laboral ha llevado a la mayoría de las operaciones a abandonar las mezclas a base de cloro en favor de fundentes sin cloro combinados con desgasificación mecánica rotativa.

Recipiente refractario o cámara de tratamiento

En el caso de las unidades que funcionan fuera del horno principal, la cuba de tratamiento debe contar con un revestimiento refractario apto para ciclos térmicos repetidos. Una elección inadecuada del material refractario constituye un punto de fallo que a menudo se subestima; hemos visto cómo algunas cubas se agrietaban en cuestión de semanas porque las especificaciones del revestimiento no se ajustaban a la frecuencia real de los ciclos de la operación.

Cómo comprobar si la desgasificación funciona realmente

Comprar el equipo es solo la mitad del trabajo. Saber si funciona correctamente es igual de importante, y ahí es donde muchas plantas se quedan cortas.

Prueba de presión reducida (RPT)

El RPT sigue siendo el método más utilizado en planta. Una muestra de metal se solidifica a presión atmosférica reducida, lo que acentúa cualquier porosidad y permite que esta sea visible y medible mediante la comparación de densidades o la clasificación visual con respecto a estándares de referencia. Es un método económico y rápido que ofrece a los operarios una valoración aproximada, pero útil, de la calidad de la fundición.

Primera prueba de burbujas y unidades AlSCAN / LAIS

Instrumentos como el AlSCAN o el LAIS proporcionan una lectura del contenido real de hidrógeno en mililitros por cada 100 gramos de aluminio en tan solo unos minutos, lo que resulta mucho más preciso que el RPT. Recomendamos estos instrumentos para cualquier operación de fabricación de piezas estructurales o críticas para la seguridad, ya que los resultados del RPT pueden verse influidos por la velocidad de enfriamiento de la muestra y la interpretación del operador, algo que no ocurre con las lecturas de estos instrumentos.

Los niveles de hidrógeno deseados suelen situarse por debajo de 0,15 a 0,20 ml/100 g en el caso de las piezas de fundición de alta integridad, aunque la cifra exacta depende del tipo de aleación, el espesor de la pared y los requisitos de uso final. Cualquier valor superior a 0,3 ml/100 g en una pieza crítica se considera, por lo general, una señal de alerta.

Cómo elegir el sistema de desgasificación adecuado para tu negocio

Los responsables de compras y los ingenieros de planta nos preguntan constantemente qué sistema deben adquirir, y la respuesta sincera es que depende del volumen de producción, la composición de la aleación, la superficie disponible y la configuración actual del horno, por lo que no existe una única respuesta “óptima”.

Preguntas que conviene plantearse antes de comprar

• ¿Cuál es el rendimiento diario de fusión en kilogramos o toneladas métricas, y en qué medida varía según la temporada?
• ¿Procesas el metal en un horno de mantenimiento estático, en una cuchara de transferencia o en un canal de flujo continuo?
• ¿Qué grados de aleación se procesan en la línea de producción? ¿Hay alguno que tenga especificaciones de hidrógeno inusualmente estrictas?
• ¿Cuál es vuestra tasa actual de desechos o productos rechazados debida a la porosidad, y a cuánto ascendería anualmente el ahorro que supondría una reducción de 1%?
• ¿Dispone de espacio y de las conexiones de servicios (gas inerte a presión, suministro eléctrico, agua de refrigeración para el motor) necesarias para una instalación permanente?
• ¿Qué conocimientos tiene su equipo de mantenimiento sobre equipos rotativos, componentes de grafito y CFC, y trabajos con materiales refractarios?

Adaptación del sistema a la escala de producción

Problemas operativos habituales y cómo los hemos resuelto

Todas las plantas a las que hemos asesorado acaban enfrentándose a una serie de problemas similares, y la mayoría de ellos se deben a un descuido en el mantenimiento o a ajustes incorrectos de los procesos, más que a defectos en los equipos.

Desgaste excesivo del rotor

El desgaste de los rotores a un ritmo superior al esperado suele deberse a que la velocidad del rotor es demasiado alta para la viscosidad de la aleación, o a que el material del rotor no se adapta al rango de temperaturas de funcionamiento. Cambiar de grafito a CFC, o simplemente reducir las revoluciones por minuto en 10-15%, suele alargar notablemente la vida útil sin perjudicar el rendimiento de desgasificación.

Lecturas de hidrógeno inconsistentes entre lotes

Esto casi siempre se debe a un caudal de gas irregular o a un rotor que se ha desgastado de forma desigual, lo que provoca una dispersión desigual de las burbujas. Hemos descubierto que más de un problema de calidad “misterioso” se debía a un medidor de caudal que había perdido la calibración meses antes y que nadie había detectado.

Acumulación de escoria y pérdida de metal

Las velocidades excesivas del rotor o un tiempo de tratamiento demasiado largo pueden agitar la superficie de la masa fundida hasta el punto de generar más escoria de la necesaria, lo que supone una pérdida de metal y un trabajo adicional de limpieza. Reducir ligeramente el tiempo de tratamiento, asegurándose de que se siguen cumpliendo los objetivos de hidrógeno, suele resolver este problema sin sacrificar la calidad.

Grietas en el revestimiento refractario del recipiente de tratamiento

Los ciclos térmicos entre lotes, especialmente en operaciones que se realizan de forma intermitente en lugar de continua, someten a gran esfuerzo a los revestimientos refractarios. Precalentar el recipiente antes de cada ciclo y evitar cambios bruscos de temperatura prolonga considerablemente la vida útil de los materiales refractarios.

Prácticas de mantenimiento que prolongan la vida útil de una unidad de desgasificación

Consideramos que la planificación del mantenimiento es tan importante como las especificaciones iniciales del equipo, ya que incluso la mejor unidad rotativa rinde muy por debajo de lo esperado si no se sigue un programa de mantenimiento adecuado.

Las operaciones que funcionan en tres turnos, los siete días de la semana, necesitan, obviamente, intervalos de inspección más frecuentes que una planta que funciona en un solo turno con un volumen de producción menor. Ajustamos estos intervalos para nuestros clientes basándonos en las horas de uso reales registradas por el sistema de control, en lugar de solo en el tiempo calendario, lo que suele ser una medida más fiel del desgaste de los componentes.

Consideraciones sobre los costes y la rentabilidad de la inversión

A los responsables de compras les importa el precio inicial, pero la cifra más relevante es el coste por tonelada de metal tratado a lo largo de la vida útil del equipo.

Desglose de los costes de capital y de explotación

Una unidad básica de un solo rotor con controles manuales suele tener un coste inicial menor que un sistema en línea de varios rotores, controlado por un variador de frecuencia (VFD) e integrado con un controlador lógico programable (PLC), pero el ahorro en los costes de funcionamiento derivado de una mayor eficiencia en el consumo de gas y una mayor vida útil de los rotores de la unidad de especificaciones superiores suele compensar esa diferencia en un plazo de entre 18 y 30 meses en operaciones de volumen medio-alto.

La reducción de la tasa de rechazos como verdadero motor del retorno de la inversión

El principal argumento económico para modernizar los equipos de desgasificación no suele ser el ahorro en gas o en rotores, sino la reducción de los desechos. Si los rechazos relacionados con la porosidad bajan de 41 TP3T a 1,51 TP3T en una planta que produce varios cientos de toneladas al mes, el valor de ese ahorro por sí solo suele superar el coste total del equipo en el primer año. Siempre recomendamos que las decisiones de compra se basen, en primer lugar, en la mejora de la tasa de rechazos y, en segundo lugar, en el ahorro en consumibles.

Seguridad y cumplimiento de la normativa medioambiental

La manipulación de gases inertes y reactivos en un entorno de fundición conlleva un riesgo real que no debe pasarse por alto a la hora de seleccionar los equipos.

Riesgo de asfixia por gases inertes

El nitrógeno y el argón no son tóxicos, pero desplazan el oxígeno en espacios cerrados. Cualquier foso, zanja o sótano situado cerca de una estación de desgasificación debe contar con un sistema de control de oxígeno y una ventilación adecuada, e insistimos en que esto forme parte de cualquier lista de comprobación de instalación, por muy rutinaria que parezca la operación.

Tendencia normativa a abandonar el cloro

Las prácticas de desgasificación más antiguas, basadas en el cloro gaseoso o en pastillas de hexacloroetano, han caído en desuso en la mayoría de los mercados regulados debido a los límites de exposición de los trabajadores y a la normativa sobre emisiones. La desgasificación rotativa con nitrógeno y argón, combinada con un fundente adecuado, se ha convertido en la alternativa aceptada, y la mayoría de los fabricantes de equipos ya no diseñan nuevas unidades teniendo en cuenta en absoluto la compatibilidad con el cloro.

Ruido y factores ergonómicos

Los motores rotativos y el flujo de gas pueden suponer una exposición significativa al ruido a lo largo de un turno de ocho horas. Es recomendable confirmar con el proveedor del equipo, antes de la instalación y no después, los requisitos de protección auditiva y el diseño del cerramiento alrededor de la estación de tratamiento.

Hacia dónde se dirige la tecnología de desgasificación del aluminio

Hemos sido testigos de un cambio significativo en la tecnología durante la última década, y hay algunas tendencias que conviene destacar para cualquiera que esté planeando la adquisición de equipos con un horizonte temporal de entre cinco y diez años.

Integración de sensores y monitorización del hidrógeno en tiempo real

Los sistemas más modernos combinan cada vez más la unidad de desgasificación con sensores de hidrógeno en línea que envían datos directamente al sistema de control de la planta, lo que permite ajustar automáticamente el caudal de gas y la velocidad del rotor, en lugar de depender de comprobaciones manuales periódicas del RPT. De este modo, se cierra el ciclo entre la medición y la corrección de una forma que los sistemas manuales simplemente no pueden igualar.

La adopción de componentes CFC sigue aumentando

Dado que los precios del CFC han bajado con respecto a hace una década, cada vez más empresas de tamaño medio que antes se decantaban por el grafito por motivos de coste están cambiando de material, impulsadas por el cálculo del coste total de propiedad y no solo por el precio inicial.

Eficiencia energética: presión

Ante el aumento de los costes energéticos en muchas regiones, los motores accionados por variadores de frecuencia (VFD) y los perfiles de flujo de gas optimizados se están adoptando no solo por motivos de calidad, sino porque reducen de forma cuantificable el consumo de electricidad y gas por tonelada tratada, lo cual cobra cada vez más importancia a medida que aumentan los costes de los servicios públicos.

Preguntas frecuentes

¿Cuál es la función principal de un sistema de desgasificación en la fundición de aluminio?
Elimina el hidrógeno gaseoso disuelto del aluminio fundido antes de la fundición, lo que evita los defectos de porosidad que debilitan las piezas fundidas y provocan su rechazo durante el control de calidad.

¿Qué gas se suele utilizar en la desgasificación del aluminio?
El nitrógeno es la opción más habitual debido a su coste y disponibilidad, mientras que el argón se utiliza en aplicaciones que requieren una eliminación del hidrógeno ligeramente superior o que presentan requisitos específicos en cuanto al manejo de aleaciones.

¿Con qué frecuencia deben sustituirse el rotor y el eje de un desgasificador rotativo?
Los componentes de grafito suelen tener que sustituirse cada tres o seis semanas en operaciones de alto rendimiento, mientras que los rotores y ejes de CFC suelen durar entre dos y tres meses, o incluso más, en condiciones similares.

¿Puede la desgasificación por sí sola garantizar que las piezas fundidas no presenten porosidad?
No. La desgasificación soluciona la porosidad relacionada con el hidrógeno, pero la porosidad por contracción debida a un diseño deficiente de los conductos de colada o de la solidificación requiere correcciones específicas del proceso en el diseño del molde o la matriz.

¿Qué nivel de contenido de hidrógeno se considera aceptable para las piezas de fundición estructurales?
La mayoría de las aplicaciones estructurales tienen como objetivo valores inferiores a 0,15-0,20 ml/100 g, aunque los umbrales exactos varían en función de las especificaciones de la aleación y de los requisitos de carga del uso final.

¿Es mejor la desgasificación al vacío que la desgasificación con impulsor rotativo?
La desgasificación al vacío permite una mayor eficiencia en la eliminación de hidrógeno, pero conlleva unos costes de inversión y de explotación considerablemente más elevados, lo que hace que resulte viable principalmente para la producción de aleaciones especiales o de grado aeroespacial.

¿Cuánto dura un ciclo típico de tratamiento de desgasificación?
El tratamiento por lotes en un horno de retención suele durar entre 5 y 15 minutos, dependiendo del volumen de fundición, la velocidad del rotor y el nivel de hidrógeno deseado, mientras que los sistemas en línea tratan el metal de forma continua a medida que fluye.

¿El desgasificado elimina las inclusiones no metálicas además del hidrógeno?
Sí, las burbujas de gas ascendentes transportan inclusiones, como los óxidos, hacia la superficie de la masa fundida, donde se acumulan en la capa de escoria y pueden eliminarse mediante desnatado, lo que convierte a la desgasificación en una etapa de limpieza de la masa fundida con doble finalidad.

¿A qué se deben las variaciones en los resultados de la desgasificación entre lotes?
Las causas más habituales son los medidores de caudal de gas sin calibrar, el desgaste irregular del rotor, que afecta a la dispersión de las burbujas, y la falta de uniformidad en el tiempo de tratamiento entre los distintos operarios o turnos.

¿Se sigue utilizando el cloro gaseoso en los procesos modernos de desgasificación del aluminio?
Es poco habitual en los mercados regulados. La normativa medioambiental y de seguridad laboral ha sustituido en gran medida la desgasificación con cloro por sistemas rotativos de nitrógeno o argón, combinados con agentes fundentes adecuados.