Hornos de Inducción:

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1 26 MAQUINARIA Foto: Cortesía: Inductotherm Corp Hornos de Inducción: Producción Limpia y Eficiente Federico Botero* Ingeniero de Ventas Inductotherm Corp. Estos sistemas cuentan con capacidades desde 3.0 Oz, hasta 320 Ton. La fusión por inducción es un proceso donde un metal es fundido en el crisol de un horno por efecto de una corriente alterna. Es una tecnología extremadamente rápida, limpia y uniforme, que permite omitir la fase de purificación necesaria con otros métodos. Desde las comunidades neolíticas quienes forjaron cuchillos y utensilios de cobre, pasando por la cultura china que fabricó los primeros hornos, hasta llegar al primer proceso industrial de fundición en Inglaterra, en el siglo XVIII, la historia de la fundición es prueba indiscutible del continuo afán del hombre y la sociedad por buscar su propio desarrollo y evolución. Hoy por hoy, el resultado de este largo recorrido es el concepto de modernos sistemas autónomos de producción en serie, que aportan a la industria ventajas como la disminución de costos, optimización de materia prima e implementación de métodos de producción más seguros, eficientes y amigables con el medio ambiente, entre otras ventajas. En pocas palabras, actualmente la tecnología para fundir metal es, sin duda, más versátil, segura y productiva.

2 MAQUINARIA 27 De hecho, los avances más destacados están presentes en los hornos, que son la columna vertebral de todo sistema de fundición. Precisamente, el objetivo del siguiente artículo es mostrar y describir en detalle una de las tecnologías más modernas y útiles en este campo: los hornos de inducción. En primer lugar, conviene recordar que la inducción es un método de calentamiento sin contacto ni llama, que puede poner al rojo vivo, en segundos, una sección determinada de una barra metálica con gran precisión. El calentamiento por inducción se emplea industrialmente para múltiples aplicaciones como tratamientos térmicos, principalmente temple, revenido y normalizado por inducción; generación de plasma; procesos de unión como braseado y soldadura, forja y, por supuesto, fundición por inducción. La fundición por inducción es extremadamente rápida, limpia y uniforme; cuando se realiza correctamente, es tan limpia que permite omitir la fase de purificación necesaria con otros métodos. El calor uniforme inducido en el metal también contribuye a un resultado final de alta calidad, ya que los sistemas y hornos Foto: Cortesía: Inductotherm Corp. de inducción modernos tienen avanzadas características tecnológicas y ergonómicas, lo cual no sólo hacen los lugares de trabajo más seguros, sino que además aumentan la productividad y logran un proceso de fusión más rápido y más cómodo. Los Hornos Para hablar de hornos de inducción, hay que remontarse a los años 50s, cuando la industria de la fundición se da cuenta de las ventajas económicas de los sistemas eléctricos frente a la producción con otras clases de hornos. A mediados de los Los hornos de inducción están provistos de sistemas de basculamiento hidráulico protegidos de la suciedad y las salpicaduras de metal para proveer un vaciado suave y controlado. Cortesía: Inductotherm Corp. Convertidor alimentado con tensión en serie Con este tipo de circuito se requiere menos KVA, además es de alta eficiencia y tiene un factor de potencia alto a cualquier nivel de kw. 70s, se convierten en la mejor opción para fundir materiales ferrosos y no ferrosos y en los 80s surgen unidades de alta potencia y frecuencia que demuestran mayor eficiencia y productividad. Convirtiéndose así, en la manera preferida de fundir metales. Básicamente, los hornos de inducción son equipos eléctricos que utilizan una corriente inducida para fundir la carga (material). Es decir, consisten en una unidad de potencia o inversor que inyecta corriente de frecuencia alterna y variable a una bobina, la cual contiene una sección de cobre reforzado y alta conductividad maquinada en forma helicoidal; la corriente que pasa por la bobina forma un campo electromagnético. La fuerza y magnitud de este campo varía en función de la potencia y corriente que pasa a través de la bobina y su número de espiras. La energía calorífica se logra por efecto la corriente alterna y el campo electromagnético que generan corrientes secundarias en la carga; el crisol es cargado con material, que puede ser chatarra, lingotes, retornos, virutas u otros. Cuando el metal es cargado en el horno, el campo electromagnético penetra la carga y le induce la corriente que lo funde; una vez la carga esta fundida, el campo y la corriente inducida agitan el metal, la agitación es producto de la frecuencia suministrada por la unidad de potencia, la geometría de la bobina, densidad, permeabilidad magnética y resistencia del metal fundido.

3 28 MAQUINARIA El rango de capacidades de los hornos de inducción abarca desde menos de 1 kilogramo, hasta 320 toneladas y son utilizados para fundir toda clase de metales ferrosos y no ferrosos, incluso metales preciosos. El rango de frecuencias de operación de los hornos de inducción va desde la frecuencia de red (50 o 60 Hz) hasta los 10 KHz, en función del metal que se quiere fundir, la capacidad del horno y la unidad del inversor. Frecuencias menores generan más turbulencias en el metal y reducen la potencia que puede aplicarse al metal fundido. Tipos Existen dos tipos básicos de hornos de inducción: el horno sin núcleo, de alta frecuencia, el cual consta en un crisol totalmente rodeado de una bobina de cobre, enfriada por agua, a través de la cual pasa la corriente que genera el campo magnético, lo que calienta el crisol y funde el metal en su interior. Estos hornos se emplean prácticamente con todas las aleaciones ordinarias, su temperatura máxima sólo está limitada por el refractario y la eficacia del aislamiento frente a las pérdidas del calor. Los sistemas de alta frecuencia facilitan un buen control de la temperatura y la composición, cuentan con capacidades desde 3.0 onzas, para fundir oro, hasta 320 toneladas, para galvanización de zinc, y su gran ventaja es que no contaminan y producen un metal muy puro. Dado que se presenta una fuerte acción de agitación electromagnética durante la calefacción por inducción, este tipo de horno tiene excelentes características de mezcla para aleaciones y para agregar nuevas cargas de metal. El otro tipo, llamados horno de núcleo o de canal, de baja frecuencia (60 Hz), estos equipos tienen una bobina que rodea una pequeña porción de la unidad; es decir, la bobina o bobinas hace las veces de primaria y el bucle, o movimiento cerrado del propio metal fundido, de secundario; A. Paneles: Están construidos de acero resistente para proteger la bobina durante la operación de horneo. Rangos de las unidades de potencia Velocidades de fusión (kg / hr) * C Horno de inducción sin núcleo (Componentes) B. Casco de protección: Sirve como una barrera impenetrable entre el metal salpicado y la bobina. C. Tapas aisladas que minimizan la pérdida de calor. D. Anillo recolector de humo: Especialmente diseñado para eliminar humo nocivo y humo durante el ciclo de fundición. E. Espiras macizas: Optimizan el rendimiento en la fundición. F. Yugos magnéticos: Reducen el calor excesivo. G. Espacios entre las espiras: Optimizan eficiencia eléctrica y reducen humedad. H. Parte inferior abierta: Ayuda a reducir humedad y ventilar. I. Bobinas de enfriamiento: Amplían la vida del recubrimiento J. Formas refractarias. K. Detección de fugas con polo a tierra para mayor seguridad. L. Tubería adecuada para su aplicación. M. Aislamiento de alta temperatura. Barrera de aislamiento eléctrico y térmico C C **Dimensiones (mm) /500 Hz 200 Hz * Basado en un horno de tamaño nominal, para la segunda colada, cuando el revestimiento esté caliente, la carga es densa y las barras operan adecuadamente. Bajo ninguna circunstancia requiere tener material fundido en el horno para ponerlo en marcha. Para otros metales multiplique la velocidad de fusión para acero por los siguientes números: Aluminio - 1,0; Oro - 5,0; Plata de Las velocidades fusión en operaciones al vacío normalmente son del 5% 10% más lento. ** Las dimensiones pueden cambiar. *** Sistema de agua con intercambiador de calor interno y sistemas de agua, sin intercambiador de calor interno. Fuente: Cortesía: Inductotherm Corp. Cortesía: Inductotherm Corp.

4 MAQUINARIA 29 como el secundario, tiene una sola espira, éste se induce a sí mismo una corriente eléctrica de baja tensión y gran amperaje que produce el calor necesario para fundir. Lo que quiere decir que para iniciar el funcionamiento de un horno de inducción de baja frecuencia debe emplearse un poco de metal fundido, de modo que forme el secundario. En estos equipos la velocidad de calentamiento es muy elevada y la temperatura se controla fácilmente, lo que hace que dichos hornos sean muy útiles y se empleen ampliamente en el mundo, aunque poco en Colombia. Se utiliza comúnmente en fundidoras no ferrosas y es particularmente adecuado para sobrecalentar (calentamientos por encima de la temperatura normal de fundición para mejorar la fluidez), mantenimiento (que lo hace adecuado para aplicaciones de fundición por inyección en matriz), y duplexado (uso de dos hornos para, por ejemplo, fundir el metal en un y transferirlo al otro). Ventajas de la Fusión por Inducción El resultado del proceso de fusión por inducción, implica una amplia gama de ventajas para la industria de la fundición tales como: Operación amigable con el medio ambiente, quizás una de sus mayores fortalezas. Reduce además requerimientos para la recolección del polvo resultante. Costos de operación más bajos en diferentes aspectos como la materia prima (refractario, electrodos, consumibles etc.) y mano de obra. Bajo porcentaje de desperdicio por oxidación. Cargas eléctricas estables y por consiguiente una menor variación de voltaje. Mayor control de temperatura por medio de sistemas electrónicos. Alta tasa de fusión gracias a un mayor factor de potencia, lo cual deriva en mayor producción y utilización del equipo. Mejores condiciones laborales en aspectos como la disminución de la intensidad de ruido, calor, y mayor seguridad. Agitación natural del material de fundición, que ayuda a controlar el proceso de aleación y por consiguiente un producto de mejor calidad.

5 30 MAQUINARIA A su vez, vale la pena nombrar los limitantes de estos sistemas, para hacer una comparación simple con otras tecnologías. Dificultad para refinar ciertas aleaciones de acero debido a la imposibilidad de agregar oxigeno al proceso. Inversión de capital relativamente alto, comparado con sistemas más sencillos. La chatarra utilizada debe ser seleccionada, debido principalmente a que durante el proceso de fusión por inducción el material conserva en un alto porcentaje sus características químicas. En Colombia La fusión por inducción se ha convertido en una de las mejores opciones para la industria, y Colombia no ha sido la excepción. Al país, a principios de los años 80s, comenzaron a llegar los primeros hornos de inducción importados por empresas como la Casa de la Moneda del Banco de la República, Fundicol, Fundiciones Universo, Acerías de los Andes y Fundicom, entre otras. Con el paso de los años, otras compañías se dieron cuenta de las ventajas ofrecidas por este sistema y comenzaron su implementación. En la actualidad, alrededor de 70 empresas cuentan con este tipo de hornos. Si se le pregunta los industriales por qué eligieron la fusión por inducción, se identifica un punto en común: mayor productividad, representada en tasa de fusión, lo cual ofrece posibilidades que tal vez al utilizar otros sistemas serían complicadas de contemplar. El simple hecho de poder fundir diferentes materiales ferrosos y no ferrosos, permite diversificar la producción y deriva en la prestación de un servicio integral que amplía el negocio. Al respecto, Rigoberto Cañón, director de manufactura de Fudicom S.A, empresa que tomó la decisión de cambiar su antigua tecnología de cubilote por la fusión por inducción, explicó que unas de las razones del cambio fueron: la baja contaminación que genera el horno de inducción, el buen control en composiciones y temperatura. Según Cañón, los costos de funcionamiento e insumos, como el refractario, con respecto al sistema anterior, disminuyeron en 30 por ciento. Las pérdidas por oxidación en los hornos de inducción son del 3 por ciento, mientras igual factor en En los hornos eléctricos de inducción, el calor se genera por corrientes inducidas por una corriente alterna. La mayoría de sistemas de carga se hacen en forma manual lo implica un alto riesgo, por ello las fundiciones han cambiado a sistemas mecanizados automáticos. Fotos: Cortesía: Inductotherm Corp. el sistema de cubilote ascendía al 10 por ciento. Lo anterior muestra un gran avance en cuanto a cantidad de hornos instalados en Colombia. Sin embargo, aún hay mucho trabajo por hacer, en Elección de un Horno de Inducción A la hora de elegir un horno de inducción adecuado a las necesidades del usuario, conviene evaluar detalladamente entre otros los siguientes aspectos: Costos: Precio por Kw/h de la zona donde será instalado el horno. El precio por kilo de las piezas que serán producidas. Todos los costos asociados con la producción total. Producción: Horas trabajadas al día. Días trabajados al mes. Necesidad de kilos fundidos por hora teniendo en cuenta la cantidad de metal perdido en los sistemas de alimentación y por rechazos. Tamaño de la pieza más grande y la más pequeña que serán fundidas y su respectivo porcentaje dentro de la producción total. Características, calidad y porcentaje de material de carga que será fundido (chatarra, lingotes, retornos u otros). El proceso que será utilizado, ya sea solamente fusión, sostenimiento, calentamiento o la combinación de dichos procesos. Los tipos de aleaciones que se van a producir. Temperatura del metal cuando se bascula del horno a la cuchara. Temperatura a la que se cuelan las piezas. Tiempo que se demora el metal en la cuchara hasta llegar a los moldes. Cantidad de veces que se bascula el horno para llenar los moldes, antes de reiniciar el proceso de carga. Total de tiempos inactivos representados en carga, escorificación, análisis químico, calentamiento y basculamiento.

6 especial, es sumamente importante impulsar la asesoría técnica y capacitación en cuanto a metodologías opcionales de producción, sistemas de gestión, organización y valoración de residuos. Afortunadamente, la legislación específica para el control de emisiones perjudiciales viene tomado relevancia y motiva al cambio la mentalidad de los industriales. Actualmente, existen empresas que se encargan de gestionar los trámites correspondientes a la implementacion de dichos aspectos y, adicionalmente, ofrecen apoyo en la consecución de recursos a través de entidades como el Centro Nacional de Producción más Limpia y el Instituto Federal Suizo para la Investigación y la Prueba de Materiales (EMPA), quienes ofrecen líneas de crédito para inversiones de reconversión industrial que tengan un impacto positivo en el medio ambiente. Para acceder a estos nuevos sistemas limpios y productivos de fundición, existe también la opción del leasing y financiación por medio de entidades bancarias nacionales e internacionales, las cuales cuentan con créditos específicos para dicho fin. En conclusión, los hornos de inducción se muestran como una solución viable; si realmente se quiere llegar a una producción limpia y eficiente, el camino está trazado; existen diferentes medios para conseguir su implementación, simplemente conviene superar la resistencia al cambio y arriesgarse a ser más eficiente y menos contaminante. Autor * Federico Botero. Ingeniero de Ventas. Inductotherm Corp. Fuentes Antonio Klein Neto. Gerente Comercial, Inductotherm Group Brasil LTDA., Jairo Rodríguez. Gerente Industrial Technologies S.A. (Representantes de Inductotherm en Colombia), Rigoberto Cañón. Director de manufactura de Fudicom S.A., Pablo Andrés Bruce. Corrección de estilo y redacción. Fishman, Oleg S., Inductotherm Corp., Fundamentals of Metal Movement in Induction Furnaces (Mayo, 2000) Howarth, D., John Hall & Son (Oldham) Ltd. UK, and POWELL, J, British Columbia Industrial Relations Association, Using a Large Single-Unit Medium frequency Furnace in a Jobbing Foundry (Marzo, 1990) Canadian Electrical Association, Fonderie Grand Mêre Ltêe (Junio, 1990) International Finance Corporation, World Bank Group Environmental, Health, and Safety Guidelines for Foundries (Abril, 2007) Svoboda, Dr. John M., Process Metallurgy International Inc., GRIFFITH, Lowell E., Griffith and Associates Inc., Comparison of Direct Arc and Induction Melting for New Foundry Operations (Abril, 1997).

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