Desgasificación del aluminio

21 de marzo Desgasificación del aluminio

Desgasificación del aluminio

La máquina de desgasificación de aluminio AdTech Online se instala entre el horno y la máquina de colada para eliminar el hidrógeno y otros residuos del aluminio fundido y sus aleaciones que afectan a su calidad y a sus propiedades mecánicas.

En el control de la desgasificación del aluminio, la fundición del metal debe cumplir dos requisitos
1. Evitar y reducir al mínimo la entrada de hidrógeno en la masa fundida.
2. Eliminación previa del hidrógeno. La desgasificación del aluminio se centrará en la medición y la eliminación de este gas, que suele introducirse en la masa fundida mediante un desgasificador rotativo.
Cuando las burbujas de gas de purga se introducen en la masa fundida, absorben hidrógeno a medida que flotan en la superficie.
En el mejor de los casos, estas burbujas saturadas de hidrógeno salen del material fundido y reducen el contenido de hidrógeno.
En este caso, desde un punto de vista termodinámico, la eficiencia del proceso es de 100%, pero a medida que disminuye el contenido de gas en la masa fundida, la presión de equilibrio del hidrógeno en la burbuja también disminuye, por lo que debe aumentar la cantidad de gas de purga necesaria para eliminar el hidrógeno residual.

Rendimiento de desgasificación del aluminio:
1. El desgasificador en línea de agua para aluminio procesa principalmente el aluminio fundido que contiene una cierta cantidad de hidrógeno y otros residuos (metales alcalinos, inclusiones de escoria), los cuales se eliminan tras ser tratados por el equipo de desgasificación.
2. El principio del tratamiento es la flotación por gas.

El máquina de desgasificación de aluminio presenta las siguientes características: ahorro energético y reducción de la temperatura ambiente, calefacción y control rápido de la temperatura en tiempo real, larga vida útil, mantenimiento sencillo, amplio rango de potencia ajustable, además de ser práctico y fiable.
El horno de mantenimiento de aleación de aluminio «Flawless» está diseñado con una estructura «Flawless». El baño de fusión está fabricado con materiales importados de alta calidad para colada y rejuntado. Es de aluminio antiadherente y no se adhieren escorias. Se calienta directamente mediante energía eléctrica, lo que lo hace limpio y respetuoso con el medio ambiente. Es más rápido que el calentamiento por transmisión indirecta y ahorra electricidad. La tapa del horno de calentamiento se abre y se cierra neumáticamente.
Mantenimiento de la escoria limpia, control de la temperatura, precisión térmica, protección del termopar para aluminio líquido mediante nitruro de silicio, sin hierro, larga vida útil, seguro y fiable, con protección contra el sobrecalentamiento, la sobrecarga y el exceso de temperatura, lo que garantiza plenamente la seguridad de los equipos y del funcionamiento.

El principio de funcionamiento del dispositivo consiste en que el rotor, al girar durante el proceso, rompe el gas inerte (argón o nitrógeno) inyectado en el baño de aluminio, convirtiéndolo en una gran cantidad de burbujas dispersas que se distribuyen por todo el aluminio fundido; las burbujas permanecen en la masa fundida debido a la diferencia de presión parcial del gas y a la adsorción superficial.
El principio consiste en absorber el hidrógeno presente en el baño de fusión, adsorber la escoria oxidada y expulsarla de la superficie del baño a medida que la burbuja asciende, de modo que el baño quede purificado; dado que las burbujas están finamente dispersas, se mezclan uniformemente con el baño en rotación y, a continuación, giran describiendo una espiral lenta.
Al salir, no forma un flujo de aire continuo al entrar en contacto con el material fundido, lo que mejora significativamente el efecto de purificación. Tanto el argón como el nitrógeno pueden utilizarse como solución de desgasificación para el aluminio. La pureza del gas inerte debe ser superior al 99,95%.

¿Qué ocurre en el interior del aluminio fundido antes de la desgasificación?

El aluminio en estado líquido se comporta como una esponja para el hidrógeno. A 660 °C, el aluminio fundido puede retener aproximadamente 0,69 ml de hidrógeno por cada 100 gramos de metal, mientras que el aluminio sólido a temperatura ambiente solo retiene entre 0,03 y 0,05 ml por cada 100 g. Esa enorme caída de la solubilidad, cercana a una diferencia de 20 veces, significa que el hidrógeno disuelto durante la fusión no tiene prácticamente ningún sitio adonde ir, salvo salir por la superficie o quedar atrapado en el interior de la pieza fundida en forma de burbujas.

¿De dónde procede el hidrógeno en primer lugar? La humedad es la principal culpable. El aire húmedo del taller reacciona con la superficie del aluminio, el vapor de agua se descompone en hidrógeno y oxígeno, y el hidrógeno se disuelve directamente en la masa fundida. A ello contribuyen los residuos húmedos o aceitosos, los revestimientos refractarios húmedos de los hornos y las cucharas de colada, e incluso la condensación en las herramientas de carga. Hemos visto cómo las fundiciones situadas en regiones costeras y húmedas se enfrentan a problemas de absorción de hidrógeno que nunca se dan en plantas del interior más secas que trabajan con aleaciones idénticas, lo que da una idea de lo importante que es la humedad ambiental.

Las películas de óxido complican aún más las cosas. El aluminio forma una fina capa de óxido casi al instante al entrar en contacto con el aire, y esa capa puede introducirse en la masa fundida durante el vertido o la agitación, creando cavidades en las que se acumula el hidrógeno. Por eso, la desgasificación y la eliminación de inclusiones suelen tratarse conjuntamente, en lugar de como operaciones separadas.

¿Por qué el hidrógeno causa tantos problemas en las piezas de fundición de aluminio?

Cuando el aluminio fundido se enfría y se solidifica, el hidrógeno disuelto no tiene dónde quedarse. Se separa de la solución y forma diminutas burbujas de gas, lo que denominamos microporosidad, o huecos más grandes en casos graves. Estos defectos debilitan la pieza fundida desde el interior.

Una pieza que parece perfecta al salir del molde puede no superar una inspección por rayos X o una prueba de presión horas más tarde, cuando se detecta porosidad. Según nuestra experiencia en el apoyo a operaciones de fundición a presión y por gravedad, los rechazos relacionados con el hidrógeno son uno de los problemas de calidad más costosos, ya que el defecto es invisible hasta una fase posterior del proceso, a veces cuando ya se han incurrido en gastos de mecanizado.

Máquina de desgasificación en línea de aluminio AdTech

¿Cuáles son los métodos probados para eliminar el hidrógeno del aluminio fundido?

No existe una única forma correcta de desgasificar el aluminio. El método adecuado depende del tamaño del lote, del tipo de aleación, del presupuesto y de cuán estricta deba ser la tolerancia de porosidad.

La desgasificación rotativa se ha convertido en el método estándar del sector por una buena razón. El rotor giratorio divide el gas entrante en miles de pequeñas burbujas, en lugar de unas pocas grandes, y unas burbujas más pequeñas significan una mayor superficie de contacto para que el hidrógeno se difunda a medida que asciende a través de la masa fundida. El desgasificado con lanza, por el contrario, produce burbujas más grandes que ascienden rápidamente y no proporcionan al hidrógeno el tiempo de contacto suficiente para que se elimine de forma eficiente.

Sistemas rotativos de desgasificación: ¿cómo funcionan realmente?

Una unidad de desgasificación rotativa consta de tres componentes principales: un motor, un eje giratorio y un cabezal de rotor de grafito o CFC (compuesto de fibra de carbono) sumergido en la masa fundida. El gas inerte fluye por el eje hueco y sale a través de pequeños orificios del rotor. A medida que el rotor gira, desmenuza el gas en una fina nube de burbujas que se dispersa por el crisol o el baño del horno.

La velocidad del rotor es más importante de lo que la mayoría de los operarios creen. Si se hace girar demasiado lento, la dispersión de las burbujas es deficiente, lo que deja zonas muertas en las que el hidrógeno apenas se mueve. Si se hace girar demasiado rápido, se empieza a arrastrar el óxido superficial hacia el interior de la masa fundida mediante la formación de vórtices, lo que genera nuevos problemas de inclusiones justo cuando se está intentando resolver un problema de gas. Por lo general, recomendamos comenzar en torno a las 400 rpm para crisoles más pequeños (menos de 500 kg) y aumentar la velocidad hasta alcanzar entre 500 y 550 rpm para hornos de mayor volumen, para luego realizar un ajuste fino en función del comportamiento de los vórtices que se observe.

La vida útil del rotor es un factor de coste a tener muy en cuenta. Los rotores de grafito son más baratos inicialmente, pero se desgastan más rápido en entornos de funcionamiento continuo, por lo que a menudo hay que sustituirlos cada 4 u 8 semanas en plantas de alto rendimiento. Los rotores de CFC cuestan más al principio, pero pueden durar entre tres y cinco veces más, lo que suele convertirlos en la mejor opción en términos de coste total para las fundiciones que funcionan en varios turnos.

Parámetros típicos de desgasificación rotativa

Estas cifras varían en función de la familia de aleaciones, el contenido inicial de hidrógeno y la geometría del horno, por lo que deben considerarse puntos de partida y no reglas fijas. Siempre recomendamos a los clientes que realicen una prueba a presión reducida antes de fijar el tiempo de ciclo definitivo, en lugar de limitarse a copiar una cifra de una ficha técnica.

¿Qué gas debes utilizar: nitrógeno, argón o una mezcla con cloro?

La elección del gas influye tanto en el rendimiento de la desgasificación como en el coste de funcionamiento, y las diferencias son mayores de lo que muchos compradores esperan.

El nitrógeno es el elemento fundamental en las aleaciones estándar para fundición de aluminio, ya que es económico y cumple su función en la mayoría de las condiciones. El argón se convierte en la mejor opción cuando el contenido de magnesio supera aproximadamente el 3-4%, ya que el nitrógeno puede formar nitruro de magnesio en determinadas condiciones, lo que genera un tipo diferente de problema de inclusiones. Las mezclas que contienen cloro mejoran simultáneamente la desgasificación y la eliminación de inclusiones, pero los requisitos de gestión de los humos y las preocupaciones por la seguridad de los trabajadores han hecho que la mayoría de las instalaciones modernas con las que trabajamos las hayan descartado por completo o las utilicen únicamente en campanas extractoras sometidas a un control estricto.

¿Cómo se comprueban y verifican los resultados del desgasificado en el taller?

No se puede gestionar lo que no se mide, y el contenido de hidrógeno es invisible a simple vista. En el sector predominan dos métodos de análisis.

Prueba de presión reducida (RPT): Una pequeña muestra de metal fundido se solidifica dentro de una cámara de vacío a baja presión, normalmente entre 80 y 100 milibares absolutos. Al reducirse la presión, el hidrógeno disuelto se expande y forma porosidad visible en la muestra a medida que se enfría. A continuación, los operarios comparan la densidad de la muestra con la de una referencia totalmente densa, o bien evalúan visualmente la superficie de fractura comparándola con fotografías de referencia. Este ensayo es económico, rápido (entre 10 y 15 minutos, incluido el enfriamiento) y no requiere instrumentación costosa, por lo que sigue siendo el método más utilizado en las plantas de producción.

Índice de densidad: Calculado a partir de la muestra RPT mediante la fórmula:

Índice de densidad (%) = [(densidad de la muestra solidificada a presión normal menos la densidad a presión reducida) dividida por la densidad a presión normal] multiplicada por 100

Un índice de densidad inferior a 3% suele indicar una buena desgasificación, mientras que cualquier valor superior a 5-7% indica un problema que requiere atención inmediata antes de continuar con el vertido.

Sondas electrónicas de hidrógeno (como los sensores de inmersión utilizados en sistemas de monitorización en tiempo real) proporcionan una lectura directa en ml/100 g en menos de un minuto y no requieren la solidificación de la muestra. Su coste es considerablemente superior al de los equipos RPT, pero resultan rentables en operaciones de gran volumen en las que esperar 15 minutos entre comprobaciones ralentiza las decisiones de producción. En nuestras conversaciones con los equipos de compras, el método de sonda suele imponerse cuando el volumen diario de fundido supera unas pocas toneladas, simplemente porque el ahorro en mano de obra y la mayor rapidez en la retroalimentación compensan el mayor coste de los instrumentos en el plazo de uno o dos años.

¿Qué deben tener en cuenta los compradores a la hora de adquirir equipos de desgasificación?

Aquí es donde los requisitos técnicos se enfrentan a la realidad presupuestaria, y es la sección sobre la que más nos preguntan los responsables de compras, que no son necesariamente metalúrgicos.

El precio de los equipos varía considerablemente en función del nivel de automatización y la capacidad. Las unidades rotativas manuales básicas para fundiciones pequeñas pueden costar desde unos pocos miles de dólares, mientras que los sistemas totalmente automatizados y programables con registro de datos para operaciones a gran escala pueden alcanzar cifras de cinco dígitos o más una vez que se añaden múltiples estaciones de tratamiento. Por lo general, aconsejamos a los compradores que calculen el coste total de propiedad, incluyendo la sustitución del rotor y del eje a lo largo de un periodo de dos años, en lugar de limitarse a comparar los precios de etiqueta, ya que una unidad más barata con componentes que se desgastan rápidamente puede acabar saliendo más cara a largo plazo.

Las condiciones de garantía y la disponibilidad de piezas de recambio merecen la misma atención. Una unidad de desgasificación que permanezca inactiva durante dos semanas a la espera de un eje de rotor de recambio procedente del extranjero puede suponer para una fundición unas pérdidas de producción mucho mayores que el precio de compra original de la máquina.

Errores habituales que observamos en las operaciones de desgasificación del aluminio

Tras haber analizado innumerables configuraciones de fundiciones a lo largo de los años, hay ciertos errores que se repiten una y otra vez, independientemente del tamaño de la empresa o de la región.

Cómo tratar un rotor frío. La inmersión directa de un rotor a temperatura ambiente en el metal fundido provoca un choque térmico, lo que hace que los rotores de grafito se agrieten prematuramente y también puede enfriar la masa fundida de forma localizada, lo que da lugar a un tratamiento desigual. El precalentamiento del rotor antes de su inmersión resuelve este problema en la mayoría de los casos.

Realizar el ciclo durante demasiado tiempo o a una velocidad excesiva con el objetivo de “desgasificar en exceso”.” Una velocidad excesiva del rotor genera un vórtice que arrastra el óxido de la superficie hacia el baño, y un tiempo de tratamiento excesivo puede, de hecho, reintroducir hidrógeno si la atmósfera del taller es húmeda y el tratamiento se prolonga más de lo necesario. Existe un punto óptimo, y suele ser más breve de lo que suponen los operarios.

Se omite el paso de la prueba. Algunas empresas más pequeñas realizan el desgasificado con un temporizador fijo sin llegar a realizar nunca una comprobación RPT ni con sonda de hidrógeno, lo que significa que no tienen pruebas reales de que el proceso funcione. Hemos visitado talleres convencidos de que su proceso de desgasificado funcionaba correctamente, solo para descubrir, al realizar las pruebas, que las lecturas del índice de densidad superaban los 8%.

Utilizar conductos de gas contaminados o húmedos. Una línea de suministro de nitrógeno o argón que contenga humedad frustra el objetivo de todo el proceso, ya que se está inyectando precisamente lo que se pretende eliminar.

No tener en cuenta la humedad de los materiales refractarios del horno y la cuchara de colada tras el recubrimiento o la reparación. El material refractario nuevo requiere un programa de secado adecuado; si se omite, se introduce una nueva fuente de humedad justo en el punto de contacto con el material fundido.

¿Qué papel desempeña la desgasificación en el proceso general de tratamiento de la masa fundida?

La desgasificación rara vez se produce de forma aislada. Una secuencia de tratamiento de la masa fundida bien gestionada suele seguir este orden: fundente para eliminar inclusiones no metálicas y limpiar la superficie de la masa fundida, desgasificación para eliminar el hidrógeno disuelto, refinamiento de grano (a menudo con aleaciones maestras de titanio y boro) para controlar la estructura de solidificación, y filtración final mediante filtros de espuma cerámica justo antes de la colada para retener cualquier partícula de óxido restante.

Saltarse pasos o realizarlos fuera de orden compromete todo el proceso. Por ejemplo, realizar la desgasificación antes de aplicar el fundente supone volver a introducir inclusiones en una masa fundida que acabas de intentar limpiar. Recomendamos abordar esto como un único proceso integrado con una secuencia documentada, en lugar de como una lista de comprobación en la que se omiten pasos debido a la presión del tiempo.

Preguntas frecuentes

1. ¿Cuánto tiempo dura realmente la desgasificación del aluminio?
La mayoría de los ciclos de desgasificación rotativa duran entre 8 y 20 minutos, dependiendo del volumen de la masa fundida y del contenido inicial de hidrógeno. Los crisoles más pequeños, de menos de 300 kg, suelen completar el proceso en menos de 10 minutos, mientras que los hornos de gran volumen pueden necesitar 20 minutos o más para un tratamiento completo.

2. ¿Se puede desgasificar en exceso el aluminio?
Sí. Si el rotor gira demasiado rápido o durante demasiado tiempo, la película de óxido puede introducirse en la masa fundida debido al movimiento vorticial, y una exposición prolongada al aire húmedo del taller durante un ciclo excesivamente largo puede reintroducir parcialmente hidrógeno. Existe un límite práctico más allá del cual el tiempo adicional deja de ser beneficioso y empieza a ser perjudicial.

3. ¿Cuál es el nivel de hidrógeno aceptable para la mayoría de las piezas de fundición de aluminio?
Las piezas de fundición para uso industrial general suelen tener un valor inferior a 0,2 ml/100 g, mientras que los componentes aeroespaciales y de automoción de alta integridad suelen requerir un valor inferior a entre 0,1 y 0,15 ml/100 g. Los requisitos de las especificaciones varían según la aleación y la aplicación, por lo que siempre debes consultar la norma aplicable a tu pieza concreta.

4. ¿Qué es mejor para la desgasificación: el nitrógeno o el argón?
El nitrógeno funciona bien con la mayoría de las aleaciones de fundición estándar y es más económico. El argón es el gas preferido para aleaciones con mayor contenido en magnesio y para aplicaciones que exigen la máxima pureza posible, ya que es totalmente inerte y no interactúa con los elementos reactivos de la aleación.

5. ¿Cuál es la diferencia entre la desgasificación rotativa y la desgasificación con lanza?
La desgasificación rotativa utiliza un rotor giratorio para crear burbujas finas y bien distribuidas por toda la masa fundida, lo que permite una reducción del hidrógeno del 60 al 80%. La desgasificación por lanza inyecta gas a través de un tubo fijo, lo que produce burbujas más grandes que ascienden más rápido y eliminan menos hidrógeno, normalmente entre el 30 y el 50%.

6. ¿Cómo puedo saber si mi fundido de aluminio necesita desgasificación?
Realiza una prueba de presión reducida o utiliza una sonda de hidrógeno. Si observas porosidad en las radiografías, fallos por fugas en piezas sometidas a pruebas de presión o descensos inexplicables en las propiedades mecánicas, el contenido de hidrógeno es uno de los primeros aspectos que debes comprobar.

7. ¿Se siguen utilizando hoy en día las pastillas desgasificantes (hexacloroetano)?
Algunas empresas más pequeñas o antiguas siguen utilizándolos, pero en muchas regiones se ha restringido su uso debido a la generación de humos tóxicos. En las fundiciones modernas, la desgasificación rotativa con gas inerte ha sustituido en gran medida al fundente en pastillas.

8. ¿Con qué frecuencia hay que cambiar el rotor?
Los rotores de grafito, en operaciones de funcionamiento continuo, suelen durar entre 4 y 8 semanas antes de que el desgaste afecte a la calidad de la dispersión de las burbujas. Los rotores de CFC pueden durar entre tres y cinco veces más, aunque la cifra exacta depende de la temperatura de fusión, la aleación y el ciclo de trabajo.

9. ¿El desgasificado elimina tanto las inclusiones como el hidrógeno?
La desgasificación rotativa elimina algunas inclusiones, ya que las burbujas ascienden y arrastran las partículas hacia la superficie, pero no sustituye a un fundente y una filtración adecuados. Considera la desgasificación y la eliminación de inclusiones como pasos complementarios, no intercambiables.

10. ¿Qué tamaño de unidad de desgasificación necesito para mi caldera?
Adapta el tamaño del rotor, la potencia del motor y el caudal de gas a tu volumen de fusión habitual. Una unidad dimensionada para lotes de 500 kg no rendirá lo suficiente en un horno de 2 toneladas, y sobredimensionar el equipo para lotes pequeños supone un desperdicio de gas y aumenta el riesgo de retención de óxidos debido al exceso de turbulencia. Consultar con el proveedor basándose en las dimensiones reales de su horno proporciona un dimensionamiento más fiable que las tablas genéricas.

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