Horno de Fusión por Inducción al Vacío

2.1, Horno de fusión por inducción al vacío 

El horno de fusión por inducción al vacío se utiliza para fundir metales mediante inducción electromagnética al vacío. Un horno de inducción contiene un crisol revestido de material refractario rodeado por una bobina de inducción situada dentro de una cámara de vacío. Los metales y aleaciones que tienen una gran afinidad por el oxígeno y el nitrógeno suelen fundirse en un horno de inducción al vacío para evitar la contaminación con estos gases.

El gran avance de la máquina de fundición por inducción al vacío se produjo a principios del siglo XX y ha seguido avanzando desde entonces. La inducción al vacío es indispensable en la fabricación de metales y aleaciones porque el horno de fusión por inducción al vacío tiene las siguientes características:

• Es flexible para la fusión debido al pequeño tamaño de los lotes
• Tiene un bajo nivel de contaminación ambiental
• La temperatura de fusión puede controlarse fácilmente
• Fácil de manejar
• Capaz de fundir metales a alta temperatura
• Capaz de reducir la pérdida de metales y aleaciones
• Capaz de fundir metales de alta calidad
• Capaz de aprovechar todo el calor para fundir dentro de la cámara de vacío
• Capaz de eliminar el gas en los metales
• Tiene un control de la composición química y del proceso

Podemos describir el horno de inducción de vacío como un crisol de fusión dentro de una carcasa de acero que está conectada a un sistema de vacío de alta velocidad. El corazón del horno es el crisol, con bobinas de calentamiento y enfriamiento y revestimiento refractario. El calentamiento del horno se realiza mediante corriente eléctrica que pasa a través de un conjunto de bobinas de inducción. Las bobinas están hechas de tubos de cobre que se enfrían con agua que fluye a través de los tubos.

El paso de la corriente a través de las bobinas crea un campo magnético que induce una corriente en la carga del interior del refractario. Cuando el calentamiento del material de carga es suficiente para que la carga se haya fundido por completo, estos campos magnéticos provocan la agitación de la carga líquida.

Las características que se encuentran en la mayoría de los hornos de fusión por inducción en vacío son: cámaras de colada, paneles de control, mecanismos de inclinación y vertido, instalaciones de sujeción de moldes para procesamiento automatizado y semiautomatizado, crisol, etc.

Además de fundir una amplia gama de metales, un horno de fusión por inducción al vacío también puede utilizarse para:

• Refinado de metales y aleaciones de alta pureza
• Electrodos para refundición
• Varilla de aleación maestra para procesos como la fundición a la cera perdida
• Fundición de componentes de automoción, construcción, militares y aeroespaciales.

La fusión por inducción al vacío se desarrolló inicialmente como un método para refinar aleaciones como el níquel y el cobalto. En la actualidad, el horno se utiliza más ampliamente para otros metales. Muchos de estos metales ofrecen un alto nivel de limpieza y una variedad de propiedades que les permiten ser utilizados en numerosos procesos de fabricación, como la fusión de metales para las industrias aeroespacial y nuclear. Si bien los hornos de fusión por inducción al vacío pueden haberse desarrollado para crear superaleaciones, también se pueden utilizar para acero inoxidable y una gran variedad de otros metales.

El proceso de fusión con una máquina de colada al vacío: Es importante tener en cuenta que un horno de fusión por inducción al vacío proporciona un proceso de fusión sin contacto, es decir, el metal fundido no tiene contacto directo con la bobina de calentamiento, lo que hace que el metal fundido no tenga contaminación. Ya sea que necesite fundir unos pocos gramos de metal en pequeños crisoles o varios kilogramos de metales en grandes hornos, el proceso de fusión es el mismo.

El proceso de fusión utilizando un horno de inducción al vacío.

En este proceso metalúrgico, el metal se funde mediante inducción electromagnética bajo vacío. Se utilizan corrientes de Foucault eléctricas para hacer posible el proceso de fusión, lo cual no es posible mediante otros procesos de fusión. Esto se debe a que ciertos metales y aleaciones se combinan altamente con hidrógeno y nitrógeno, por lo que no pueden fundirse en el aire.

Dentro de la cámara de vacío, hay un horno de inducción que contiene un crisol revestido con material refractario, rodeado por una bobina de inducción. El horno es hermético al aire y tiene la capacidad de soportar el vacío necesario para el procesamiento. Los metales utilizados en la fusión por inducción al vacío tienen puntos de fusión de hasta 1800 grados Celsius.

2.2, Horno de arco al vacío

El horno de arco al vacío es un horno eléctrico que calienta directamente el metal de fusión en un horno de vacío. En otras palabras, un horno de arco al vacío es un horno que utiliza electrodos consumibles para fundir bajo vacío a una velocidad cuidadosamente controlada utilizando el calor generado por un arco eléctrico formado entre el electrodo y el lingote. La exposición del metal fundido a la baja presión del vacío reduce la cantidad de gases disueltos, como oxígeno, nitrógeno e hidrógeno, en el lingote.

El calentamiento del mineral de metal o la chatarra se realiza mediante un arco eléctrico. Los hornos metalúrgicos pueden calentarse con diferentes fuentes de calor, pero a diferencia del horno de inducción, el horno de arco al vacío calienta directamente el metal cargado mediante el arco eléctrico y la corriente eléctrica que atraviesa el material cargado desde los terminales del horno.

El gas en el horno se reduce debido al vapor de metal fundido que forma el arco, principalmente para corriente continua. El arco eléctrico del horno se divide según si el electrodo se consume en el proceso de fusión, dividiéndose en un horno de consumo propio y un horno de fusión no consumible. La mayoría de las aplicaciones industriales del horno de arco al vacío son hornos de consumo propio. Los hornos de arco al vacío se utilizan para fundir acero especial, metales activos y refractarios como el titanio.

El calor eléctrico del arco puede considerarse como resistencia de arco. La estabilidad del arco (resistencia de arco) es una condición necesaria para la producción normal del horno. La fusión por arco se utiliza para fundir metales y formar aleaciones.

El proceso de fusión de un horno de arco al vacío: El proceso de fusión comienza a baja tensión (arco corto) entre los electrodos y la chatarra. La chatarra se carga en cestas, luego se lleva la cesta de chatarra a la fundición. El techo del horno se gira hacia fuera y se carga la chatarra en el horno. La fusión comienza después de que el techo se vuelve a colocar sobre el horno.

Los electrodos se bajan sobre la chatarra, se forma un arco y luego los electrodos se colocan para perforar la capa de fragmentos en la parte superior del horno. Una vez calentado, comienza el proceso de fusión. Los electrodos se bajan hacia la chatarra para producir el arco en condiciones de baja tensión. Una vez que se forma el arco, se aumenta la tensión para acelerar el proceso de fusión.

Un horno de arco al vacío se aplica en: superaleaciones para la industria aeroespacial, fusión de metales reactivos para las industrias aeroespacial, química, del petróleo y electrónica. Cobre y aleaciones de cobre para interruptores de alta tensión, aceros para matrices, aceros para herramientas para fresas, brocas, etc.

2.3, Horno de fusión por haz de electrones

Un horno de fusión por haz de electrones se distingue por su capacidad de refinamiento superior y ofrece un alto grado de flexibilidad en la fuente de calor y la distribución de energía. Es decir, el horno de fusión por haz de electrones utiliza un haz de electrones de alta energía dentro de un vacío como medio para transferir calor al metal que se está fundiendo.

Por lo tanto, es ideal para la fusión y refinamiento de metales y aleaciones bajo alto vacío en moldes de cobre enfriados por agua, libres de cerámica. El proceso de haz de electrones se utiliza para la producción de metales refractarios y reactivos como el tantalio, titanio, niobio, tungsteno y sus aleaciones. El horno de haz de electrones utiliza un cátodo caliente para la producción de electrones y alto voltaje para fundir metales a alta velocidad. El horno de haz de electrones realiza la misma función que el horno de arco eléctrico.

El horno de fusión por haz de electrones juega un papel importante en la fabricación de materiales de pulverización ultra puros y aleaciones para la industria electrónica y en el reciclaje de chatarra de titanio.

Cómo ocurre el proceso de fusión por haz de electrones: Las pistolas de haz de electrones representan fuentes de calor de alta potencia que pueden superar en su punto de impacto las temperaturas de fusión y evaporación de todos los metales.

Mediante la deflexión magnética y el escaneo rápido a altas frecuencias, el haz de electrones puede dirigirse de manera efectiva hacia objetivos de múltiples formas. Por lo tanto, se convierte en la fuente de calor más flexible en la tecnología de remelting.

El haz de electrones impacta el objetivo con densidades de potencia típicas de 100 W/cm2. Dependiendo de las propiedades del metal que se está fundiendo, la eficiencia de transferencia de energía oscila entre aproximadamente el 50% y el 80%.

Dado que la fusión por haz de electrones es un método de calentamiento superficial, produce solo una capa superficial de fusión a velocidades aceptables, lo que afecta positivamente la estructura del lingote en cuanto a porosidad, segregación, etc.

La exposición de la superficie del baño de metal sobrecalentado al entorno de alto vacío en niveles de 1-0,0001 Pa resulta en una excelente desgasificación del metal fundido.

Los componentes metálicos y no metálicos con presiones de vapor superiores a las del material base se evaporan selectivamente, generando así la alta pureza deseada del material del lingote.

El escaneo rápido del punto de impacto del haz a lo largo de la superficie de fusión evita el sobrecalentamiento local y permite una producción constante de aleaciones.

La fusión por haz de electrones tiene cuatro variaciones de proceso:

• Fusión por goteo: Método clásico para procesar metales refractarios como el tantalio y el niobio, entre otros. El material en bruto en forma de barras se alimenta generalmente horizontalmente y se funde por goteo directamente en el molde de extracción. El nivel del pozo líquido se mantiene retirando la parte inferior del lingote en crecimiento. El refinamiento se basa en la desgasificación y la evaporación selectiva. Para remelting repetido, se aplica la alimentación vertical.
• Refinación en lecho frío: La refinación por Haz de Electrones en lecho frío es de gran importancia para el procesamiento y reciclaje de metales reactivos. La materia prima se funde por goteo en la parte posterior de un lecho de cobre enfriado por agua, desde donde se desborda hacia el molde de extracción. Durante el tiempo de permanencia del material fundido en el sistema de lecho, se logra la separación gravitacional de inclusiones de alta y baja densidad, además de los mecanismos de refinamiento descritos anteriormente. El lecho debe tener el tamaño adecuado para proporcionar un tiempo de permanencia suficiente del metal fundido con el fin de permitir una separación gravitacional eficiente de inclusiones de alta y baja densidad.
• Fusión de botones: La fusión de botones se utiliza para una evaluación limpia de muestras de superaleaciones en cuanto a tipo y cantidad de inclusiones no metálicas de baja densidad. El equipo cuenta con un programa automático para la fusión de muestras y una solidificación direccional controlada. Las inclusiones de baja densidad (normalmente óxidos) flotan en la superficie del pozo y se concentran en el centro, encima del botón solidificante.
• Fusión en zona flotante: La fusión en zona flotante es una de las técnicas más antiguas para la producción de metales con la más alta pureza.

Control del proceso

Los hornos de haz de electrones funcionan en modo de control semiautomático. La automatización del proceso incluye

• Sistema de bomba de vacío
• Control de la presión de vacío
• Sistema de agua de refrigeración
• Velocidad de alimentación de material y de retirada de lingotes
• Control de alta tensión y corriente de emisión basado en procesador
• Distribución automática de la potencia del haz, adquisición de datos y archivo basados en PC.

2.4, Comparación de varios hornos de vacío: ¿Por qué elegir el horno de fusión por inducción al vacío de Superbmelt?

De la comparación de todos los hornos de vacío para fundir metales y aleaciones, el mejor y más conveniente de todos es el horno de fusión de vacío Superbmelt. Estas son las ventajas que se obtienen al utilizar el horno de fusión de vacío:

• La fusión requiere un control preciso de la temperatura, y el horno de fusión al vacío te brinda la oportunidad de monitorear la temperatura durante todo el proceso de fusión. Esto significa que se garantiza una fusión de alta calidad.
• Con nuestro horno de fusión al vacío, la asequibilidad y el mantenimiento adecuado del horno de fusión están garantizados. Los hornos de arco al vacío y los hornos de haz de electrones tienen un mayor costo de mantenimiento.
• La energía requerida para alimentar el horno de fusión al vacío es bastante baja en comparación con el horno de arco al vacío y el horno de haz de electrones. Por lo tanto, los cargos de energía no son exorbitantes en los costos de producción.
• Dado que todo el calentamiento y la fusión se realizan en una cámara de vacío del horno de fusión al vacío, no hay gas, calor u otros elementos incómodos que hagan que la fusión sea perjudicial para ti o para tu entorno de trabajo.
• Los metales y aleaciones fundidos con el horno de fusión al vacío no se oxidan fácilmente, por lo tanto, los metales fundidos duran más que los metales fundidos con otros hornos.