¿Que son los hornos de cubilote?
Los hornos de cubilote se definen como un horno cilíndrico vertical
para fundir lingotes de hierro gris, siendo un proceso de fusión más
económico si el horno funciona continuamente.
El horno de cubilote su nombre proviene de la palabra cupa que
significa cuba; es un horno cilíndrico compuesto de una capa
exterior de acero y una capa interior de ladrillos. Los mismos
pueden variar en su tamaño desde sólo 1 pie (30 cm) de diámetro
hasta más de 10 pies (3 metros).
El Cubilote es el único horno de
fusión
secundaria,
no
siderúrgico, que tiene al metal y
al combustible en contacto directo por lo que
logra altos grados de eficiencia térmica; usando
coque de carbón, carbón mineral y carbón
vegetal.
Actualmente hay una empresa inglesa que ha
desarrollado un cubilote que no usa carbón y lo
reemplaza por quemadores de gas natural con la
adición de unas bolas cerámicas dentro del horno para permitir el paso de los gases
de combustión.
Los Cubilotes son:
❖ Los únicos Hornos de Fundición en los cuales la salida de metal puede ser
continua.
❖ De alta producción horaria.
❖ De relativo bajo costo de operación.
❖ Sencillos de operar.
Como es que se constituye un horno cubilote
El cubilote descansa sobre una placa circular que es soportada arriba del piso
mediante cuatro columnas separadas convenientemente para que las puertas
abisagradas puedan caer libremente.
Estando en operación, estas puertas se giran hasta una posición horizontal y se
mantienen en su lugar por medio de una estaca vertical.
La puerta de carga está localizada más o menos a la mitad de la cubierta vertical y
la parte superior del cubilote queda abierta, a excepción de una pantalla de metal o
para chispas.
Las aberturas para introducir el aire a la cama de coque se conocen como toberas.
Alrededor del cubilote y en la zona de las toberas, se encuentra una caja, para el
suministro del aire, opuestas a cada tobera se encuentran unas pequeñas ventanas
cubiertas con mica de tal forma que puedan inspeccionarse las condiciones dentro
del cubilote.
El aire, suministrado por un ventilador centrífugo entra por un lado de la caja.
Opuesto al vertedero de colada, se encuentra otro vertedor para la escoria, en la
parte de atrás del cubilote.
Esta abertura está colocada debajo de las toberas para evitar un posible
enfriamiento de la escoria, provocado por la corriente de aire.
Partes del horno cubilote:
Camisa exterior: consta de varios anillos de chapa de 10 milímetros de
espesor remachados entre sí, hasta llegar a una altura de 5 veces su
diámetro. Este cilindro descansa sobre cuatro columnas de fundición de
hierro, que a su vez apoyan sobre una plancha nivelada en el suelo.
Revestimiento interior: Esta formada por una o dos hileras de ladrillos
refractarios que alcanzan de 15 a 25 centímetros según el diámetro de
cilindro. Estos ladrillos tienen forma radial y se recubren con una malta
refractaria bien diluida y pueden durar de 4 a 6 meses.
Caja o cámara de viento: Es un anillo de chapa que rodea el cubilote
distribuyendo por medio de las toberas el aire insuflado que recibe el
ventilador. Estas toberas tienen un determinado declive que les impide
obstruirse y además evita que el aire tenga posibilidad de subir a la zona de
fusión, una vez dentro del horno.
Base de cubilote: Por lo general esta provista de bisagras para poder
realizar el vació del horno por volteo del mismo, después de la colada. Es
una plancha gruesa sobre la cual se apisonan unos 30 cm de tierra refractaria
con pendiente hacia la salida.
Ventilador: Es el centrifugado para dar una presión de aire constante, pues
cuando aumenta la resistencia por la entrada del aire por las toberas,
disminuye por si mismo el volumen del aire aspirado y por el contrario, si la
resistencia disminuye el ventilador aspira mayor cantidad de aire. Por esto la
regulación del aire es automática y se necesitan válvulas de seguridad.
Carga del cubilote: Se puede hacer a mano desde la plataforma de la boca
de carga o magnéticamente que se deslizan por un plano inclinado.
Sin embargo, estos hornos se han ido sustituyendo por Hornos de Inducción, los
cuales permiten un mejor control del análisis químico y temperatura del metal y,
sobre todo, son menos contaminantes.
Horno Cubilote
Referencias
➢ http://recursosbiblio.url.edu.gt/Libros/2013/cmI/10-Hornos_industriales.pdf
➢ https://www.slideshare.net/staticfactory/iii-metales-ferrosos
➢ https://www.insertec-store.es/blog/horno-cubilote/
El componente fundamental de las cerámicas vítreas al igual que en las escorias,
es la sílice (SiO₂), la subunidad de la sílice es el tetraedro SiO₄-4,
El silicio Si-4 se encuentra covalentemente
enlazado a cuatro átomos de oxígeno.
Se ha dicho que los óxidos capaces de
formar vidrios (formadores de red) son;
SiO₂, B₂O₃, GeO₂, P₂O₅ y V₂O₅. El más
usado es el SiO₂.
Los óxidos básicos como; CaO, MgO, Na₂O
y K₂O que son capaces de romper la red del
vidrio (modificadores). Los iones de oxígeno
de estos óxidos entran en la red de SiO₂ en
los puntos de unión de los tetraedros, dejando iones de oxígeno con un electrón
desapareado.
Un Tercer tipo de óxidos que no son capaces de formar vidrios por sí solos pero que
pueden incorporarse a una red vítrea ya existente son los denominados en
cerámicos; intermediarios.
Entre ellos se encuentran el Al₂O₃. PbO, TiO₂, ZnO. El más común encotrado en la
carga del AH, es el Al₂O₃
Algunos de los grupos de (SiO4)-4 pueden ser remplazados por grupos (AlO4)-4,
aunque, puesto que la valencia del Al es +3 hacen falta iones alcalinos(como los de
CaO o MgO) que suministren la carga positiva necesaria para mantener la
neutralidad.
En la actualidad, se manejan en esencia dos teorías para el estudio de la estructura
de las escorias líquidas, estos son la teoría iónica y molecular:
En donde la primera es estudiada inicialmente por M.F Temkin y otros, las escorias
líquidas se consideran como soluciones iónicas, es decir, que los componentes
individuales se encuentran electrolíticamente disociadas.
Desde el punto vista de la conductividad eléctrica, se pueden clasificar en tres
grupos: moleculares, iónicos y electrónicos.
Estos tres grupos de líquidos en un momento dado pueden comportarse tanto en
forma iónica como electrónica.
Se sabe que las escorias líquidas son soluciones iónicas y al solidificarse muestran
una estructura cristalina bien definida, donde los cationes y aniones presentes
guardan una posición regular, lo cual origina una gran consistencia en el estado
sólido y a altas temperaturas. Sin embargo, al estado líquido esta consistencia
(fuerzas de atracción y repulsión), se debilitan ocasionando que los iones tengan un
mayor movimiento, aunque la estructura original no se altera en forma clara.
Una evidencia de que las escorias son soluciones iónicas, es que durante la
electrólisis de las mismas se deposita en el cátodo el metal puro en cuestión.
Las propiedades de cada catión o anión en las escorias líquidas, está definida por
el potencial iónico, el cual se relaciona entre la carga y el radio del ión dado. I=Q/r
Q, es la carga eléctrica del ion o el número de valencia y r, el radio atómico del ión
en A°.
Lo anterior significa que el potencial iónico I, aumenta con la disminución del radio
y con el aumento de valencia del ion.
Los iones con mayor tendencia a polarizar son aquellos que tienen sus electrones
más débilmente ligados a su núcleo.
Así la capacidad de polarización de los cationes aumenta conforme aumenta su
potencial iónico I, y cuando mayor es el tamaño del anión.
Se sabe que la capacidad de polarización de los cationes depende de su
configuración electrónica, por lo que, los cationes del grupo de metales alcalinos o
alcalinotérreos se caracterizan por una menor capacidad de polarización que los
cationes de los metales de transición en las escorias líquidas.
Los cationes más importantes que se encuentran presentes en las escorias se
clasifican en dos grupos:
1.
Cationes con un radio iónico grande y valencia pequeña:
Ca⁺², Mg⁺², Fe⁺², Ca⁺², Na⁺¹, K⁺¹ …
2. Cationes con radio iónico pequeño y valencia grande:
Si⁺⁴, P⁺⁵, Al⁺³..
Y la reacción entre un ácido y una base, o entre cationes y aniones anteriores, se
representa iónicamente como:
SiO₃¯² (ácido) + O¯² (base)→ SiO₄¯⁴
Que en forma molecular se representaría como:
SiO₂ + 2CaO → 2CaO.SiO₂.
Teoría molecular
Se sabe que todas las escorias son silicatos desde el punto vista químico.
Sin embargo, es posible solamente determinar los contenidos en forma simple de
las sustancias que forman la escoria sin que se tenga ninguna información sobre
sus enlaces químicos.
La teoría molecular sobre la estructura de las escorias líquidas, se apoya en la
composición química y mineralógica de las escorias sólidas y se fundamenta sobre
las siguientes bases:
1.
Las escorias líquidas son soluciones de óxidos básicos, ácidos y anfóteros
que interaccionan entre sí formando compuestos complejos (tabla 1 y 2).
2.
Los óxidos que forman compuestos complejos(óxidos ligados), no participan
en las reacciones químicas, es decir, los óxidos libres son los que únicamente
pueden reaccionar.
3.
La concentración de los óxidos ligados y de los libres, se rige por los
conceptos de equilibrio químico, ya sea para formación o disociación de un
compuesto complejo, por ejemplo:
CaO+SiO₂→CaO∙SiO₂
2FeO+ SiO₂ →2FeO∙SiO₂
o
4. La concentración de equilibrio como función de la temperatura, se expresa
directamente por los % en peso o fracciones molares de los óxidos
correspondientes, ej para las reacciones anteriores:
Kc=[CaO∙SiO₂ ]/ [CaO] [SiO₂ ]
y
Kc= [FeO∙SiO₂]²/ [FeO]²∙[SiO₂]
Se sabe que con el aumento de la T, aumenta el grado de disociación y con él la
concentración de los óxidos libres, por lo que Kc aumenta también.
En base a la teoría molecular en escorias liquidas, se forman primeramente
compuestos entre óxidos más básicos y más ácidos.
El CaO, es de los óxidos el más básico y el SiO₂ de los más ácidos.
Por esta razón, en las escorias de AH., preferentemente existen los silicatos de
calcio, los cuales se pueden formar de acuerdo a la siguiente reacción:
2FeO∙SiO₂ +2CaO → 2CaO∙SiO₂ +2FeO.
Como resultado del desplazamiento del FeO por el CaO, el cual es más básico, se
libera el FeO. Existe un gran número de compuestos que pueden formarse mediante
reacciones similares en escorias liquidas.
Teoría iónica de las escorias
Un cierto número de experiencias conducen a pensar que las moléculas de una
escoria o de una sal fundida están disociadas en iones positivos y negativos:
citemos la existencia de una conductividad eléctrica, la electrólisis de las sales
fundidas, el descenso del punto de fusión de un solvente en función de la fracción
molar del soluto, el débil incremento de entropía durante la fusión de las sales para
las que la existencia de una unión iónica es conocida al estado sólido.
En consecuencia, una escoria es un sistema compuesto de un conjunto de aniones
(PO4)3-, (SiO4)4-, (AlO3)3-, (O)2- y de un conjunto de cationes Ca2+, Fe2+, Fe3+,
Mn2+,
Estos dos conjuntos están perfectamente imbricados el uno en el otro de tal modo
que un ión de un signo está rodeado de iones del signo contrario.
Obviamente, no pueden ser considerados independientemente uno del otro, pues
la condición de neutralidad debe ser respetada: veremos más adelante que
coeficientes de actividad correspondientes a iones positivos dependen de
fracciones iónicas de compuestos negativos.
Remarquemos que hemos aceptado al hacer esta síntesis dos hipótesis
simplificadoras:
a)
Todos los conjuntos están ionizados y no subsisten moléculas enteras.
b)
Los iones existen bien en la forma indicada y no existe pulverización de los
grupos (SiO4)4- ó (PO4)3Estas suposiciones son normalmente admitidas por todos los autores cuando las
escorias contienen una cantidad suficiente de CaO – FeO ó MgO para que puedan
ser clasificadas de básicas.
La teoría molecular considera que los compuestos que se encuentran en estado
líquido son iguales al del estado sólido, sin embargo esto no es posible, por lo cual
se considera que ésta teoría no es completamente válida para explicar la estructura
interna de las escorias líquidas
A pesar de lo anterior, ésta teoría explica muchos fenómenos metalúrgicos en forma
simple y sencilla, por lo que, en la actualidad tiene muchas aplicaciones.
Basicidad.
Con el fin de conocer el grado de basicidad o acidez de una escoria, se elige el
concepto de Basicidad B. A pesar de que el concepto de basicidad no es una
cantidad o magnitud fisicoquímica, permite determinar en forma aceptable el
carácter de cualquier escoria.
En la práctica de aceración la basicidad se expresa por una relación simple, esto
es: 𝐵 =
[%𝐶𝑎𝑂]
[%𝑆𝑖𝑂2 ]
Y en escorias con elevado contenido de P₂O₅, es
[%𝐶𝑎𝑂]
𝐵 = [%𝑆𝑖𝑂 ] + [%𝑃2 𝑂5 ] o 𝐵 =
[%𝐶𝑎𝑂]−1.8[%𝑃2 𝑂5 ]
2
[%𝑆𝑖𝑂2 ]
Existen otras expresiones para determinar la basicidad y su aplicación está
supeditada al tipo de proceso, por ejemplo:
•
La basicidad ternaria o cuaternaria en el AH.
En general las escoria con B<1.5, se consideran escorias ácidas, con B= 1.5 2.50
como escorias medianamente básicas y finalmente con B>2.5, escorias fuertemente
básicas.
Con la teoría iónica no se refuta la existencia de óxidos combinados y libres. La
existencia de los iones sólo significa que las partículas más simples en las escorias
no son moléculas neutras, sino iones cargados.
Muchas deducciones cualitativas acerca de carácter de interacción en las masas
fundidas son iguales de acuerdo con ambas teorías. Sin embargo, la teoría iónica
ofrece una representación más correcta de la estructura de la escoria y permite
hallar las correlaciones cuantitativas entre las concentraciones de los óxidos
combinados y libres.