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Metalurgia

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Metalurgia y Tecnología Mecánica

Jorge Alberto Rodríguez García

Conferencia No. 6
Tema 2: Producción de Piezas Fundidas
Título:

El Cubilote

Sumario: 2.3 Cubilote. Estructura y funcionamiento.
2.4 Medios de protección y medidas de seguridad.
Objetivo
Estudiar la estructura y funcionamiento del horno de Cubilote y las medidas de
seguridad y medios de protección a emplear en el trabajo de estos equipos.
Bibliografía

Amstead B.H., Otswald Ph.F. y Begeman M.L. Procesos de Manufactura. Versión
SI (Básico). CECSA. Mexico. 1994

Malishev A. Nikolaiev G. y Shuvalov Y. Tecnología de los Metales. MIR. Moscú.
1994

Textos Auxiliares:

Doyle Lawrence E. Materiales y Procesos de Manufactura para Ingenieros.
Prentice Hall. Mexico. 1988.

Askeland D. R. Ciencia e Ingeniería de los Materiales. Grupo Editorial
Iberoamérica. México. 1987

Textos Complementarios:

Piredda C. M. V. Soldadura eléctrica Manual. Limusa Noriega, Mexico, 1991.

Pregunta de control a los estudiantes
Diferencias entre hierro fundido y acero
Rememoración
En la actividad anterior se estudiaron los diferentes tipos de aleaciones que se pueden
obtener.
Motivación
- ¿Qué diferencia existe entre el hierro fundido y el arrabio?

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Desarrollo
2.3 Cubilote. Estructura y funcionamiento.
Agregado de fusión para obtener el hierro gris:

Figura 2.3: Horno de cubilote con antecrisol para obtener hierro fundido

Cubilote
Un cubilote es un horno cilíndrico vertical utilizado para fundir solamente hierro.
Aunque otros hornos sean capaces de fundir hierro, el tonelaje más grande de
hierro se funde en hornos de cubilote.
Construcción del Cubilote
El cubilote consiste en una carcaza (cubierta) de acero cilíndrica, recubierta con
un material refractario tal como ladrillos de arcilla.
La altura y el diámetro del cubilote dependerá de diferentes factores tales como:
tipo de carga, producción por hora, si tiene o no enfriamiento, si utiliza aire
caliente, tipo de hierro a obtener, etc. En la Tabla 2 se muestran algunas medidas
típicas.
Capacidad de Fusión
Diámetro Interior o de
Altura
Puerta de carga
Recubrimiento
Por hora
Por Lote
(pies)
(pulgadas)
(pulgadas)
(toneladas)
(toneladas)
18
6a7
15 por 18
1/2 a 3/4
1a2
20
7a8
18 por 20
1/3 a 1
2a3
24
8a9
20 por 24
1a2
3a5
30
9 a 12
24 por 24
2a5
4 a 10
40
12 a 15
30 por 36
4a8
8 a 20
60
15 a 18
30 por 40
6 a 14
15 a 40
60
16 a 20
30 por 45
8 a 16
25 a 60

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Tabla 2. Medidas Típicas de los Hornos de Cubilote
El cubilote está abierto en su parte inferior y superior,.
En la parte inferior del cubilote, se encuentran las puertas soportadas con
bisagras, para que después del término de la fusión, el contenido dejado dentro
del cubilote pueda sacarse abriendo las puertas embisagradas.
Una mezcla de arena y arcilla refractarias gruesas se apisonan levemente sobre
las puertas inferiores del cubilote. La arena se apisona de una manera inclinada
para permitir el flujo de metal fundido fácilmente a través del pico de sangrado.
Opuesto al pico de sangrado y un poco más arriba está el agujero de la escoria a
través del cual se elimina la escoria.
Ligeramente arriba de agujero de escoria está la caja de viento y las toberas. Las
toberas son pequeñas aberturas (cubiertas por la caja de viento) a través de las
cuales el aire a presión es forzado dentro del horno desde la caja de viento, a
través de un tubo que proviene del equipo de soplado (turbosoplador).
En el extremo superior de la carcaza, se encuentra una puerta de carga a través
de la cual la carga se alimenta en el cubilote.
Zonas del Cubilote
Crisol
El crisol es la zona situada entre la cama de arena apisonada y justo debajo del
agujero de la escoria. El metal fundido ocupa esta zona.
Zona de la Combustión
La zona de la combustión o la zona oxidante se sitúa normalmente 15 a 30 cm del
borde inferior de las toberas. Es en esta zona en donde ocurre la combustión
rápida del coque debido a cuál se genera mucho calor en el horno. La combustión
es rápida debido al soplo de aire a través de las toberas.
La oxidación del manganeso y del silicio generan más calor. Las reacciones que
ocurren en esta zona son:
C + O2 (del aire)

CO2 + calor

2Mn + O2

2MnO + calor

Si + O2

SiO2 + calor

La temperatura en esta zona varía desde 1550 °C a 1850 °C.
Zona de Reducción
La zona de reducción o zona de protección está la localizada desde la parte
superior de la zona de combustión hasta la parte superior de la crga del horno. En
esta zona, algo del gas CO 2 caliente se mueve hacia arriba a través del coque
caliente reduciéndolo a CO. En otras palabras, la reducción de CO 2 al CO ocurre
en esta zona. Debido a la atmósfera reductora, la carga se protege contra la
oxidación. La reacción que ocurre en esta zona es:

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CO2 + C (coque)

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2CO - calor

Debido a la reducción, la temperatura se reduce Hasta alrededor de 1200 °C en
esta zona.
Zona de Fusión
Es la zona localizada justo arriba de la cama de coque hasta la parte superior del
metal (hierro). El metal comienza a fundirse en esta zona y gotea a través de la
cama de coque hasta la zona del crisol. El hierro fundido que pasa a través de la
zona de reducción absorbe carbono y la reacción está dada por:
3Fe + 2CO

Fe3C + CO2

Zona de Precalentamiento
Es la zona ocupada desde la superficie superior de la zona de fusión hasta la
puerta de carga. Los gases calientes que se elevan desde las zonas de
combustión y de reducción ceden su calor a la carga que desciende. Así, la carga
se precalienta antes de descender.
Funcionamiento del Cubilote
Iniciando la Fusión en el Cubilote
Inicialmente, se colocan pedazos de madera suaves y secos en la parte inferior de
la cama de arena, después de lo cual el coque se carga hasta el nivel de las
toberas. La madera se encienden a través del pico de sangrado y el aire suficiente
pasa a través de las toberas para la combustión apropiada del coque.
Carga del Cubilote
La carga utilizada en el cubilote consiste en capas alternas de coque, fundente y
de metal (hierro y acero). Estos tres componentes se cargan continuamente al
cubilote. La relación hierro-coque mas frecuentemente utilizada e 8:1. El fundente
puede ser piedra caliza (CaC0 3), espato flúor, carbonato de sodio o carburo de
calcio. La piedra caliza es el fundente comúnmente empleado. El peso total del
fundente será aproximadamente 1/5 del peso de la carga del coque.
Fusión en el Cubilote
El cubilote funciona por principio contra corriente. Pues conforme se realiza la
combustión, los materiales de la carga (coque, fundente y metal) bajarán, mientras
que los gases calientes debido a la combustión subirán. El intercambio de calor
ocurre entre los gases calientes que suben y la carga que baja, de tal modo que
funden el metal. El metal líquido cae, mientras que el coque flota para sobre él.
El fundente también se funde y reacciona con las impurezas del metal fundido
formando la escoria. La escoria flota sobre la superficie del metal fundido de tal
modo que previene la oxidación del metal.
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Escorificación y Sangrado del Cubilote
Cuando se ha colectado el suficiente metal líquido en el crisol, se abre el agujero
de la escoria y la escoria que flota sobre la superficie del metal fundido se saca y
se tapa. Inmediatamente el agujero de sangrado el cual fue cerrado con un tapón
(un tapón de arcilla) se abre y el metal líquido se recoge en una olla o cuchara de
vaciado. El agujero de sangrado se cierra nuevamente con un tapón.
El metal líquido de la cuchara se vacía en los moldes.
Tirado del Cubilote
Cuando la fusión se ha terminado y no se requiere más de líquido, se detiene la
carga del cubilote. Los soportes debajo de la puerta inferior se golpean y se abre
la puerta inferior permitiendo que el contenido del cubilote caiga. La carga no
fundida se recoge y se utiliza en la fusión siguiente.
Nota: La operación de “tirar” el fondo del cubilote es muy peligrosa y tiene que ser
hecha por una persona entrenada.
Cuestionario.1. ¿Cuáles son las aleaciones ferrosas y por qué se designan así?
2. Explica en detalle cuál es la designación numérica de los aceros al carbono,
de baja aleación y aleados de acuerdo a SAE-AISI.
3. Explica en detalle cuál es la designación numérica de los hierros de
acuerdo a ASTM y SAE.
4. Dibuja los diferentes tipos de grafito que se pueden presentar en un hierro
gris.
5. Con tus palabras, indica el proceso de fusión del hierro gris en un horno de
cubilote.
6. Describe con detalle las diferentes fases que se pueden encontrar en un
hierro.
7. ¿Qué tipos de tratamiento térmico se realizan en los diferentes tipos de
hierros?
8. ¿Cuál es la diferencia entre un hierro perlítico y un ferrítico?
9. ¿Qué tipo de dureza se realiza en las probetas de hierro y por qué?
10. ¿Qué elementos de aleación son promotores de la perlita?
11. ¿Qué es una ferroaleación?

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12. ¿Qué es la inoculación?
13. ¿Qué características (propiedades) presentan los diferentes tipos de
hierros?

Los cubilotes son hornos de forma cilíndrica vertical que tienen una envoltura
formada por una chapa de acero recubierta por el interior con una capa de
material refractario de unos 25 cm. de espesor. El horno se sustenta sobre unos
pilares que se denominan pies de sostén.
En el fondo llevan unas compuertas que van a abrirse después de las coladas y
por ellas se arrojan al exterior las escorias que se van acumulando.
En el frente y cerca del fondo tienen un agujero denominado piquera de colada
para la extracción del metal fundido. Ese agujero da a un canal de chapa
recubierto también con material refractario que conduce el metal líquido a las
cucharas de colada o al antecrisol.
En la parte posterior del horno hay otro agujero, denominado piquera de escoria o
escorial, por el que también se extraen las escorias.
Por encima del plano de la piquera de escorias está el plano de toberas, que es
por donde va a entrar el aire para facilitar la combustión. Las toberas están
separadas unas de otras regularmente y se sitúan alrededor de todo el cubilote. A
veces puede haber dos planos de toberas dispuestos de tal manera, que el aire
puede entrar al cubilote por un plano, por el otro o por los dos. Este sistema de
doble plano es muy aconsejable, ya que las toberas suelen obstruirse con cierta
facilidad.
Por encima del plano de toberas se encuentra la caja de viento, que es un sistema
propio de ventiladores de tipo centrífugo encargados de proporcionar el caudal de
aire necesario a cada tobera.
Por encima hay una plataforma con una puerta de carga llamada tragante, por
donde suministramos al horno todo lo necesario, es decir, la carga de metal y
coque que a su vez tendrá una mezcla de fundentes (CaCO 3).
En la parte superior nos encontramos una cámara de forma cilíndrica llamada
cámara de chispas que suele tener un sombrerete. Esta cámara trata de evitar que
salgan partículas sólidas e incandescentes que son arrastradas por los gases al
exterior.
El tamaño de los cubilotes puede variar y, dependiendo de él, está su capacidad
de producción:
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P = 6D2
Donde D = diámetro interior (m) y P = producción (Tm/h).
Estos hornos van refrigerados por agua y es necesaria para evitar el desgaste del
material refractario.
La aportación de viento caliente se hace utilizando parte de los gases de la
combustión para, una vez que pasan por los ventiladores, ser insuflados
nuevamente a una temperatura en torno a los 400º C. Esto conlleva una serie de
ventajas que son: facilitar la combustión; ahorro de combustible (que puede ser de
calidad inferior); pueden conseguirse temperaturas más altas.
El antecrisol es la zona donde se van vertiendo las coladas. Estos antecrisoles
pueden ser fijos o móviles e, incluso, basculantes. Están construidos en chapa de
acero recubierta en su interior por material refractario.
1.1.- ENCENDIDO DEL CUBILOTE
Para encender el cubilote se utiliza coque metalúrgico. El proceso de encendido
es el siguiente:
·

Se cierran las compuertas de limpieza y se abren las demás.

·

Se coloca la leña en el fondo y, cuando el fuego es sólido, se echa ⅓
del coque.

·

Cuando el color del fuego es rojo cereza, se echa otro ⅓ del coque.

·

Cuando el fuego vuelve a ser de color rojo cereza se le adiciona otro
⅓ del coque.

·

Una vez encendido el coque, se cierran las piqueras y se mira la
carga por si hay que adicionar algo.

1.2.- CARGA DEL CUBILOTE
La carga del cubilote no es homogénea, sino que puede tener diversos
componentes (chatarra, arrabios,…). La carga de coque depende de la carga
metálica, puesto que cada metal necesita más o menos coque. El tamaño de las
piezas debe ser, como mucho, ⅓ del diámetro del cubilote. Hay que tener en
cuenta que la cantidad de caliza también depende de la cantidad de carga
metálica.
1.3.- MARCHA DEL CUBILOTE

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A medida que se vayan haciendo sangrías tendremos que ir recargando el horno.
Estas quedan espaciadas en torno a una hora y serán más o menos grandes en
función de las necesidades. Una vez que no se necesita el horno, no se apaga,
sino que se deja mantenido. En el caso en que no se prevean más necesidades
próximas, se procede a apagarlo.
Cuando se apaga el horno hay que realizar ciertas operaciones:
·

Eliminar los residuos

·

Regar con agua

·

Separar el coque que no se haya quemado

1.4.- ZONAS DEL CUBILOTE
De arriba abajo:
·

Zona de deshidratación: temperatura baja (< 500º C), la carga se va
deshidratando e incrementa su temperatura pero no ocurren
transformaciones mayores.

·

Zona de fusión: aquí la temperatura está en torno a los 1200 – 1500º
C. El coque está totalmente incandescente y el metal empieza a fundir.

·

Zona de combustión: la temperatura de esta zona se encuentra por
encima de los 1500º C. El coque se quema totalmente. Es una zona de
máxima temperatura.

·

Zona de crisol: es la parte más baja, donde se recibe el metal
fundido en la zona superior.

1.5.- FUNCIONAMIENTO DEL CUBILOTE
Como consecuencia del calor producido por la combustión del coque y el oxígeno
del aire se produce dióxido de carbono: C + O 2 → CO2.
El dióxido de carbono que sube de la zona de combustión se encuentra con el
coque encendido en la zona de fusión y se reduce según la reacción: CO 2 + C →
2CO.
A la vez que esta reacción, se dan también otras como son la oxidación del silicio
y el manganeso e, incluso, de partes del hierro. Estos óxidos de hierro y magnesio
reaccionan con la sílice, produciendo silicatos, que, a su vez, reaccionan con la cal
y, en cierto modo, van a ser responsables del control adecuado de la fusión y la
desulfuración del metal.
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2.4 Medios de protección y medidas de seguridad.
NTRODUCCION
En la industria metalúrgica, uno de los primeros pasos de la fundición es la fusión
y colada. La fusión y colada es la técnica consistente en verter metal fundido en un
molde para su solidificación. Se define fundición de metales como el proceso
mediante el cual, la materia prima es llevada desde un estado sólido a un estado
líquido, por el aporte de una fuente de calor. Normalmente son añadidos
elementos aleantes que cambian la composición química del metal, dándole
nuevas propiedades mecánicas. El metal líquido es vertido, (“colado”) en moldes.
Una vez enfriado el metal, la pieza fundida es extraída del molde y limpiada. El
hierro obtenido, será utilizado como materia prima.
MATERIAS PRIMAS E INSUMOS
Se considera como materia prima para fundición a aquellos metales que son
ingresados al equipo en el cual se van a fundir, además de los materiales
empleados para la elaboración de moldes.
Fundición ferrosa: Son materias primas de este proceso todo tipo de piezas de
hierro en desuso, ¨chatarra¨ y también aquellos desechos de la propia fundición.
Fundición no ferrosa: Se consideran materias primas además de la chatarra y de
los metales básicos, las aleaciones del material principal a fundir (bronce, cobre,
aluminio, etc.), generalmente suministrada en lingotes de elevada pureza.
PROCESO PRODUCTIVO DE FUNDICIÓN
El proceso de fundición se inicia con la carga al horno de las materias primas
(chatarras ferrosas o no ferrosas y los materiales aleantes), donde luego se
calientan hasta su punto de fundición, en un horno de fundición especial.
Una vez logrado el material requerido en su forma líquida, se procede a separar la
escoria del metal e introducirlo dentro del molde, este proceso es conocido como
“colada” o llenado de moldes. Enfriado el producto, se procede a eliminar aquellas
partes que no forman parte de la pieza en sí (canales de alimentación, montantes,
rebabas, etc.).
RIESGOS IMPLICADOS EN EL PROCESO DE FUNDICION
Desarrollamos algunos de los riesgos implicados en el proceso y cuales son las
medidas de higiene y seguridad para la prevención de riesgos.

Caída de objetos pesados, (fundamentalmente la materia prima cargada en
el horno.
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Calor: Las enfermedades por estrés térmico, constituyen un riesgo debido a
la radiación infrarroja procedente de los hornos y el metal en proceso de
fusión.

Quemaduras por proyección del metal fundido.

Caídas a diferente nivel.

Intoxicación de monóxido de carbono.

Sobreesfuerzos por levantamiento de cargas.

Desprendimiento de vapores durante la colada.

Riegos químicos: Durante la fusión y refinación puede producirse
exposición a variedad de polvos, humos, gases y otras sustancias químicas
peligrosas, en especial la trituración de mineral pueden provocar altos
niveles de exposición al sílice y a polvos metálicos tóxicos (que contengan
plomo, arsénico y cadmio).

MEDIDAS PREVENTIVAS DE HIGIENE Y SEGURIDAD

Orden y limpieza en las áreas de trabajo: Contribuir a que el puesto de
trabajo se encuentre libre de suciedad, sustancias resbaladizas o residuos y
bien ordenado. Es sabido que para la fusión y refinado del metal, los hornos
son cargados por su parte superior con coque, piedra caliza y chatarra de
hierro o acero. Para reducir el riesgo de caída de objetos pesados debido a
la irregularidad de la carga, la limpieza y supervisión de los montones de
materia prima son medidas fundamentales.

Al reducir la chatarra a un tamaño manejable para la carga del horno y las
tolvas, suelen utilizarse mazas y grúas con grandes electroimanes. Para
reducir el riesgo de proyección de fragmentos, es necesaria una correcta
protección de la cabina grúa y capacitación de los operadores en materia
de Higiene y Seguridad en el Trabajo.

Ante el peligro de intoxicación por monóxido de carbono, se dispondrá de
un equipo de respiración y reanimación, y los operarios conocerán las
instrucciones para su manejo. Asimismo se limitarán los tiempos de
exposición.

Los trabajadores deben tomar rigurosas medidas de protección personal:
Uso de guantes, cascos, pantallas faciales con cristales filtrantes
normalizados.

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El deslumbramiento y la radiación infrarroja producidos por los hornos y el
metal en proceso de fusión, provocan lesiones oculares. Deben usarse
gafas seleccionadas por un experto en higiene y seguridad en el trabajo y
su montura debe ser ajustada, también se usarán protectores faciales.

Los niveles de radiación infrarroja también pueden ocasionar quemaduras
en la piel, a menos que se utilicen ropas protectoras a dichas radiaciones y
resistentes a las quemaduras.

Los niveles de ruido producidos por la trituración del mineral, los
ventiladores de descarga de gas y los hornos eléctricos de alta potencia,
pueden provocar riesgo de pérdida auditiva. Si no es posible confinar o
aislar la fuente de ruido, deben usarse protectores auditivos. Se debe
implementar un programa de conservación auditiva que incluya pruebas
audiométricas y capacitación del personal.

La elevación y manipulación manual de materiales puede ocasionar
lesiones de espalda y de las extremidades superiores. Los medios de
elevación mecánicos y una capacitación adecuada acerca de los métodos
ergonómicos de levantamiento de cargas y de elevación son necesarios en
la reducción de estos riesgos.
LESIONES GENERADAS POR ACCIDENTES DE TRABAJO
La industria de fundición y refinación, presenta un alto índice de lesiones
por accidentes de trabajo. Entre las causas más frecuentes se encuentran:

Salpicaduras y derrames de metal fundido y escoria que provoca
quemaduras.

Explosiones de gas por contacto de metal fundido con agua.

Choque con equipos móviles, locomotoras y vagonetas en movimiento,
grúas móviles y otros.

Caída de objetos pesados.

Caídas de altura (por ejemplo, al acceder a la cabina de una grúa).

Lesiones por resbalar o tropezar con obstáculos en el suelo y las pasarelas.

PRECAUCIONES FUNDAMENTALES DE ESTOS RIESGOS:

Capacitación al personal en materia de Higiene y Seguridad y prevención
de riesgos.

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Uso de equipos de protección personal, (cascos, calzado de seguridad,
guantes de trabajo y ropas protectoras.

Almacenamiento correcto de materiales y materias primas.

Programa de conservación y mantenimiento de equipos.

Normas de prevención de transito interno para el equipo móvil, definición y
trazado de rutas de circulación.

Implementar un sistema eficiente de aviso y señalización.

Implementar un programa de protección control de riesgos genéralas y
específicos.

Resumen
En esta clase estudiamos el horno de cubilote y las medidas de seguridad para
operar estos
Orientaciones al estudio individual
Según la bibliografía orientada, realizar el estudio independiente de la clase de
hoy
Motivación a la próxima actividad
Se inicia un nuevo tema soldarura

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