- Resumen
- Industria de fundición
de metales - Descripción del
proceso - Elaboración de moldes y
machos - Fusión -Colada
-Limpieza - Descripción de
los residuos - Prevención de la
contaminación y optimización de
procesos - Control de procesos,
eficiencia y prevención de la
contaminación - Tecnologías de
producción limpias - Minimización de
residuos - Implementación de nuevas
tecnologías y sistemas de gestión
ambiental - Métodos para el control
de la contaminación - Tecnologías de
tratamientos de efluentes líquidos, gases y
particulado - Eliminación y
disposición de residuos
sólidos - Sistemas factibles de
control de contaminantes - Bibliografía
La generación de residuos está
directamente relacionada con el tipo de material usado (hierro
fundido, acero, bronce o
aluminio)
así como de la tecnología empleada.
Los residuos de las operaciones de
fundición en arena son inherentemente mayores que los de
operaciones con moldes permanentes o matrices.
Por estas razones es la importancia de establecer
legislación que efectivamente controlen las emisiones
industriales contaminantes del ambiente. Las
Normas ISO
14000 proveen la implantación o la planificación para establecer el monitoreo
y mejora del Sistema de
Gerencia
Ambiental, Environmental Management System, EMS.
En la Industria de Fundición, los procesos
más contaminantes son los de fusión del
metal o de las aleaciones; de
allí que sea importante hacer el mayor énfasis en
mantener un estricto control del proceso.Los
demás procesos de la fundición donde no hay
fusión de metales generan
contaminación por partículas, particulate
pollution.
La prevención de la
contaminación, sin nuevos sistemas de
captación de emisiones, es hoy la mejor manera de evitar
la contaminación que producen nuestras
fábricas.
PALABRAS CLAVES: Contaminación, industria,
fundición, métodos de control.
Industria de
fundición de metales
El tamaño de las empresas
dedicadas a la fundición de metales va desde
pequeños talleres hasta grandes plantas
manufactureras que producen miles de toneladas de piezas fundidas
cada día. La generación de residuos está
directamente relacionada con el tipo de material usado (hierro
fundido, acero, bronce o aluminio) y depende del tipo de moldes y
machos usados, así como de la tecnología
empleada.
Los residuos de las operaciones de fundición en
arena son inherentemente mayores que los de operaciones con
moldes permanentes o matrices. Por lo tanto, este trabajo se
centra en las fundiciones en arena. El cuadro 1 presenta los
residuos generados como resultado de los procesos de
fundición de metales:
Proceso | Residuos |
Elaboración de moldes y machos | Arena usada, Residuos de barrido y de los machos Polvo y lodos |
Fusión | Polvo y humos Escoria |
Colada | Fundición a la cera Cáscaras y ceras |
Limpieza | Residuos de limpieza |
El proceso de fundición en arena (Figura 1)
empieza con la elaboración de la plantilla. Un plantilla
es un modelo
especialmente hecho de un componente que va a ser producido. Se
coloca arena alrededor de la plantilla para hacer un molde. Los
moldes generalmente se elaborar en dos mitades de tal manera que
el patrón pueda ser retirado fácilmente. Cuando se
vuelven a ensamblar las dos mitades, queda una cavidad dentro del
molde con la forma del patrón.
Los machos se hacen de arena y un aglomerante; deben ser
lo suficientemente resistentes para insertarlos en un molde. Los
machos dan forma a las superficies interiores de una pieza
moldeada que no pueden ser formadas por la superficie de la
cavidad del molde.
El fabricante de patrones entrega cajas de machos que
son llenadas con arena especialmente aglomerada para producir
machos con dimensiones precisas. Los machos se colocan en el
molde y éste se cierra. A continuación, se vierte
metal fundido en la cavidad del molde y se le deja solidificarse
dentro del espacio definido por el molde de arena y los
machos.
Elaboración
de moldes y machos
Los moldes usados en la fundición en arena
consisten de un material particularmente refractario (arena)
aglomerado de tal manera que mantenga su forma durante la colada.
El tipo más común de elaboración de moldes
es con arena verde. La arena verde normalmente está
compuesta de arena, arcilla, material carbonoso y agua. La arena
constituye el 85 a 95% de la mezcla de arena verde. Con
frecuencia, la arena es sílice, pero también se usa
olivino y zircón. Aproximadamente 4 a 10% de la mezcla es
arcilla.
La arcilla actúa como aglomerante, suministrando
resistencia y
plasticidad. Los materiales
carbonosos pueden constituir hasta un 2 a 10% de la mezcla de
arena verde.
Estos se añaden al molde para suministrar una
atmósfera
reductora y una película de gas durante la
colada con el fin de evitar la oxidación del metal.
Algunos de los materiales más carbonosos incluyen el
carbón de mar (un carbón bituminoso finamente
molido) y productos de
petróleo. Puede añadirse otros
materiales carbonosos como cereal (molido con almidón) y
celulosa
(harina de madera) para
controlar los defectos por la expansión de la arena.
El agua activa
la aglomeración de la arcilla y generalmente se la agrega
en porcentajes pequeños (2 a 5%).
Las arenas de los machos consisten de mezclas de
arena con pequeños porcentajes de aglomerante, se utilizan
para producir las cavidades internas de una pieza fundida. Los
machos deben ser resistentes, duros y colapsables. Con
frecuencia, los machos deben ser retirados de una pieza fundida a
través de un pequeño orificio y, por lo tanto, la
arena debe colapsar después de que la pieza fundida se
solidifica.
La arena del macho generalmente es
sílice.
También se usa olivino o zircón cuando las
especificaciones requieren arenas para macho con mayor punto de
fusión o mayor densidad. Los
materiales aglomerantes que mantienen unidos los granos de arena
varían considerablemente en su composición y en sus
propiedades de aglomeración. Son comunes los aglomerantes
de aceite y los
sintéticos. Los aglomerantes de aceite son combinaciones
de aceite vegetal o animal y petroquímicos. Los
aglomerantes típicos de resina sintética incluyen
resinas fenólicas, de fenol-formaldehido, formaldehido de
úrea, formaldehido de úrea/alcohol
furfurílico, isocianato fenólico e isocianato
alquídico.
Frecuentemente se usan aglomerantes de resinas
químicas para los machos de fundición y en menor
medida para moldes de fundición. Los aglomerantes
químicos brindan una mayor productividad, un
mejor control de las dimensiones y una mejor calidad de la
superficie de la pieza fundida. Existe una amplia variedad de
aglomerantes, entre ellos:
- Aglomerantes sin cocción catalizados con
ácido de furano. El alcohol furfurílico es el
insumo básico. Los aglomerantes pueden ser modificados
con urea, formaldehido o fenol. Los ácidos
fosfórico o sulfónico se utilizan como
catalizadores. El porcentaje de resina varía entre 0.9 y
2.0% en base al peso de la arena.
Los niveles de catalizadores ácidos varía
entre 20 a 50% del peso del aglomerante.
- Aglomerantes sin cocción catalizados con
ácido fenólico. Estos se forman en una
reacción de condensación de fenol/formaldehido.
Como catalizadores se utilizan ácidos sulfónicos
fuertes. - Aglomerantes fenólicos alcalinos sin
cocción curados con éster. Se forman con un
sistema de aglomerantes de dos partes consistente de una resina
fenólica alcalina soluble en agua y co-reactantes de
éster líquidos. Generalmente se utiliza 1.5 a
2.0% de aglomerante respecto al peso de la arena y 20 a 25% de
co-reactante respecto a la resina para revestir la arena de
sílice lavada y secada en las operaciones de
elaboración de machos y moldes. - Aglomerantes sin cocción catalizados con
éster/silicato. Se utiliza un aglomerante de silicato de
sodio y un éster orgánico líquido
(diacetato y triacetato de glicerol o diacetato de glicerol
etilénico) que unciona como agente endurecedor.
También se puede catalizar con CO2. - Resinas sin cocción de uretano oleaginoso.
Estas resinas consisten de una resina alquídica de tipo
oleaginoso, un catalizador líquido de metal/amina y un
diisocianato metílico polimérico. - Aglomerante sin cocción de uretano
fenólico (PUN). - Sistema poliol-isocianato (principalmente para
fundiciones de aluminio, magnesio y otras alea- ciones
ligeras). Los aglomerantes no ferrosos son similares al sistema
PUN que consisten de una Parte I (una resina de formaldehido
fenólico disuelta en una mezcla especial de solventes),
una Parte II (un isocianato polimérico de tipo MDI en
solventes) y una Parte III (un catalizador de
amina). - Aglomerante sin cocción de fosfosfato de
aluminio. Este aglomerante consiste de un aglomerante de
fosfato de aluminio ácido, soluble en agua y un
endurecedor de óxido metálico en polvo de flujo
libre. - Aglomerantes para moldes de cáscara. Se
utilizan resinas Novolac de formaldehido fenólico y
lubricante (estereato de calcio en la cantidad de 4 a 6% del
peso de la resina) como agente de entrecruzamiento. - Aglomerantes de caja caliente. Las resinas se
clasifican como tipos furánico o fenólico. Las de
tipo furánico contienen alcohol furfurílico, las
de tipo fenólico se basan en fenol y las de tipo
furánico modificado tiene ambas. Se utilizan
catalizadores tanto de cloruro como de nitrato. Los
aglomerantes contienen úrea y formaldehido. - Aglomerante de caja tibia. Consisten de una resina de
alcohol furfurílico que ha sido formulada con un
contenido de nitrógeno inferior al 2.5%. Como
catalizadores se usan sales de cobre de
ácidos sulfónicos aromáticos en una
solución acuosa de metanol.
Las fundiciones de precisión con frecuencia usan
el proceso de fundición a la cera perdida para hacer los
moldes. En este proceso, los moldes se hacen construyendo una
cáscara compuesta de capas alternativas de suspensiones
refractarias y estucos, como sílice fundida, alrededor de
un patrón de cera. Las cáscaras de cerámica se colocan al fuego para remover
el patrón de cera y precalentar las cáscaras para
la colada.
Otro proceso de elaboración de moldes en arena
que está encontrando aceptación comercial utiliza
un patrón de espuma de poliestireno embutido en arena
tradicional suelta sin aglomerante.
El patrón de espuma dejado en el molde de arena
es descompuesto por el metal fundido, por lo tanto el proceso es
llamado "moldeo con patrón evaporante" o "proceso de
espuma perdida".
Los procesos de fundición comienzan con la
fusión del metal para verterlo en los moldes. Para fundir
el metal se utilizan hornos de manga, eléctricos, de arco,
de inducción, de solera (de
reverberación) y de crisol.
El horno de manga (patentado en 1749) es el tipo de
horno más antiguo usando en la industria de la
fundición y todavía se usa para producir hierro
fundido. Es un horno de cuba
cilíndrica fija, en el cual se cargan por la parte
superior capas alternadas de chatarra y ferroaleaciones, junto
con coque y piedra caliza o dolomita. El metal es fundido
mediante contacto directo con un flujo a contracorriente de
gases
calientes provenientes de la combustión del coque. El metal fundido se
acumula en el pozo donde es descargado mediante recolecciones
intermitentes o mediante un flujo continuo.
Los hornos de manga convencionales están
revestidos con material refractario para proteger a la
cáscara de la abrasión, el calor y la
oxidación. El espesor del revestimiento va de 4.5 a 12
pulgadas. El revestimiento usado más comúnmente es
arcilla, ladrillos o bloques refractarios. A medida que el calor
aumenta, el revestimiento refractario en la zona de fusión
se fluidifica por la alta temperatura y
la atmósfera oxidante y se convierte en parte de la
escoria del horno.
Un horno de manga generalmente está equipado con
un sistema de control de emisiones . Los dos tipos más
comunes de recolección de emisiones son los lavadores
húmedos de gas de alta energía y la cámara
de bolsas seca. Como combustible se utiliza coque de alta calidad
para fundición. La cantidad de coque en la carga
generalmente está dentro del rango de 8 a 16% de la carga
de metal. La combustión del coque se intensifica
suministrando aire enriquecido
con oxígeno
a través de toberas.
Los hornos eléctricos son usados principalmente
por grandes fundiciones y plantas siderúrgicas. Se
suministra calor mediante un arco eléctrico formado en
base a tres electrodos de carbón o grafito. El horno es
revestido con refractarios que se deterioran durante el proceso
de fusión, lo que genera escoria. Se forman capas de
escoria protectora en el horno mediante la adición
intencional de sílice y cal. Puede añadirse
fundentes como fluoruro de calcio para hacer que la escoria sea
más fluida y más fácil de retirar. La
escoria protege al metal derretido del aire y extrae ciertas
impurezas. La escoria retirada puede ser peligrosa, dependiendo
de las aleaciones que se han fundido.
Se añaden a la carga del horno residuos de metal,
devoluciones de los talleres (como tubos verticales, puertas y
escoria de fundición), escoria rica en carbono y cal
o piedra caliza. El equipo de recolección de polvo y humos
controla las emisiones al aire del horno de arco
eléctrico.
Los hornos de inducción se han convertido
gradualmente en los hornos más usados para la
fundición de hierro y, crecientemente, para aleaciones no
ferrosas. Estos hornos tienen un excelente control
metalúrgico y están relati- vamente libres de
contaminación. Los hornos de inducción están
disponibles en capacidades que van desde unas cuantas libras
hasta 75 toneladas. Los hornos de inducción sin
núcleo tienen una capacidad típica de 5 toneladas a
10 toneladas.
En un horno sin núcleo, el crisol está
completamente rodeado por una bobina de cobre refrigerada con
agua. En los hornos de canal, la bobina rodea a un inductor.
Algunas unidades de canal grandes tienen capacidades por encima
de las 200 toneladas. Los hornos de inducción de canal se
usan comúnmente como hornos de
conservación.
Los hornos de inducción son hornos
eléctricos de corriente
alterna. El conductor principal es una bobina, que genera una
corriente secundaria mediante inducción
electromagnética. La sílice (SiO2), que está
clasificada como un ácido, la alúmina
(Al2O3), clasificada como neutra y la magnesia (MgO), clasificada
como material básico, se usan generalmente como
refractarios. La sílice se usa frecuentemente en la
fundición de hierro debido a su bajo costo y porque no
reacciona fácilmente con la escoria ácida producida
cuando se funde hierro con alto contenido de silicio.
Los hornos de reverbero y de crisol son usados
ampliamente para la fundición en lotes de metales no
ferrosos como aluminio, cobre, zinc y magnesio. En un horno de
crisol, el metal fundido es mantenido en una estructura con
forma de marmita (crisol). Los calentadores eléctricos o a
combustible fuera de esta estructura generan el calor que pasa a
través de ella hasta el metal fundido.
En muchas operaciones de fundición de metal, se
acumula escoria en el revestimiento de la superficie
metálica, mientras que en el fondo se acumulan lodo pesado
no fundido. Ambos reducen la vida útil del crisol y deben
ser retirados para ser reciclados o tratados como
residuos.
Una vez que el metal fundido ha sido tratado para
conseguir las propiedades deseadas, es transferido al área
de colada en cucharas revestidas con refractarios. Se retira la
escoria de la superficie del baño y se vierte el metal en
moldes. Cuando el metal vertido se ha solidificado y enfriado, se
saca la pieza fundida fuera del molde y se retiran los tubos
verticales y las puertas. Los humos provenientes del metal en el
área de colada normalmente son extraídos hacia un
dispositivo de recolección de polvo , como una
cámara de bolsas.
Después del enfriamiento, se retiran los tubos
verticales y los burletes de la pieza fundida utilizando sierras
de banda, discos de corte abrasivos o dispositivos de corte con
arco. La rebaba en la junta se retira con cinceladores. El
contorneado de las áreas de corte y de la junta se hace
con esmeriladora. La pieza fundida puede ser reparada mediante
soldadura para
eliminar defectos.
Después de la limpieza mecánica, la pieza fundida es limpiada a
chorro para retirar la arena, rebabas metálicas u
óxido. En la limpieza a chorro, se lanzan a alta velocidad
partículas abrasivas, generalmente perdigones o arenisca
de acero, sobre la superficie de la pieza fundida para retirar
los contaminantes presentes en la superficie. En el caso de
piezas de aluminio, el proceso brinda un acabado cosmético
uniforme, además de limpiar la pieza de
trabajo.
Para limpiar piezas de Hierro, generalmente se usa
perdigones de acero y algunas veces una combinación de
perdigones y arenisca. En el pasado, se usaba abrasivos maleables
y de arenisca de hierro templado. Las piezas de aluminio
generalmente son limpiadas con chorro de arena usando arena
resistente a la abrasión o escoria chancada.
Los componentes de las piezas fundidas que requieren
características superficiales especiales (como resistencia
al deterioro o una apariencia atractiva) pueden ser revestidos.
Las operaciones de limpieza química y
revestimiento pueden realizarse en la fundición, pero con
frecuencia son realizadas fuera, en firmas especializas en
operaciones de revestimiento. El prerequisito más
importante de cualquier proceso de revestimiento es la limpieza
de la superficie.
La elección del proceso de limpieza depende no
sólo del tipo de suciedad que tiene que ser removida sino
también de las características de la cubierta que
se va aplicar; generalmente, las operaciones de revestimiento
incluyen el electroenchapado, el revestimiento duro, la
inmersión en caliente, el rociado térmico, la
difusión, la conversión, el enlozado y el
revestimiento con resina orgánica seca o
fundida.
El proceso de limpieza debe dejar la superficie en una
condición que sea compatible con el proceso de
revestimiento.
Por ejemplo, si una pieza fundida va a ser tratada con
fosfato y luego pintada, todo el aceite y las escamas de
óxido deben ser retirados porque inhiben un buen
fosfatado. Si las piezas van a ser tratadas térmicamente
antes de ser revestidas, la elección de las condiciones de
tratamiento térmico pueden influir en las propiedades del
revestimiento, particularmente un revestimiento de
conversión o metálico. En la mayoría de
casos, las piezas deben ser tratadas térmicamente en una
atmósfera que no sea oxidante.
Los baños de sales fundidas, los ácidos
limpiadores, las soluciones
alcalinas, los solventes orgánicos y los emulsificadores
son los materiales básicos usados en las operaciones de
limpieza.
Los baños de sales fundidas pueden usarse para
limpiar pasajes interiores complejos en las piezas fundidas. En
un proceso de limpieza electrolítica, con sales fundidas,
el potencial del electrodo se cambia de tal manera que el
baño de sal sea alternativamente oxidante y reductor. Las
escamas y el grafito son removidos fácilmente con
baños reductores y oxidantes respectivamente. Los
baños con sales fundidas limpian más
rápidamente que otros métodos no mecánicos,
pero las piezas fundidas pueden quebrarse si están
todavía calientes cuando se les enjuaga para retirar los
residuos de sal.
Generalmente se limpian las piezas en un baño
ácido antes del revestimiento por inmersión en
caliente o del electroenchapado. Debe evitarse una limpieza
excesiva porque puede formarse en la superficie una mancha de
grafito. Debido a que el fierro fundido contiene silicio,
también se puede formar una película de
sílice en la superficie a consecuencia de un tratamiento
excesivo. Se puede evitar esta película agregando
ácido fluorhídrico al baño
limpiador.
La limpieza química se diferencia del decapado en
que los limpiadores químicos atacan sólo a los
contaminantes superficiales no al substrato de hierro. Muchos
limpiadores químicos son fórmulas patentadas, pero
en general son soluciones alcalinas, solventes orgánicos o
emulsificantes. Los limpiadores alcalinos deben penetrar a
través de los contaminantes y humedecer la superficie para
ser efectivos. Los solventes orgánicos comúnmente
usados en el pasado (nafta, benceno,
metanol, tolueno y tetracloruro de carbono) han sido reemplazados
en gran medida por solventes clorados, como los usados para el
desengrasado a vapor.
Los solventes remueven eficazmente los lubricantes,
aceites de corte y refrigerantes, pero son ineficaces contra los
óxidos y las sales. Los emulsificantes son solventes
combinados con surfactantes: dispersan los contaminantes y
sólidos mediante la emulsificación. Los limpiadores
por emulsión son más eficaces contra aceites
pesados, grasas, lodos
y sólidos atrapados en películas de hidrocarburos.
Son relativamente ineficaces contra sólidos adherentes,
como el caso de las escamas de óxido.
Después de una limpieza húmeda, se usa un
enjuague alcalino para limpiar la pieza fundida y evitar el
herrumbre a corto plazo. A continuación se puede realizar
un tratamiento con aceites minerales,
solventes combinados con inhibidores y formadores de
películas, emulsiones de revestimientos a base de petróleo y
agua, así como ceras.
Las piezas fundidas son revestidas usando soluciones de
enchapado, baños de metales fundidos, aleaciones, metales
en polvo, metales volatilizados o sales de metales,
revestimientos de fosfatos, porcelana y revestimiento
orgánicos.
Las piezas fabricadas por fundiciones usualmente generan
los siguientes residuos:
- Arena proveniente de las operaciones de
fabricación de los moldes y machos así como arena
usada en los machos y no retornada al sistema (residuos del
barrido de pisos, residuos de machos) - Cáscaras y ceras de fundición a la cera
perdida - Residuos del cuarto de limpieza
- Residuos del recolector de polvo y del lavador de
gas - Escoria
- Residuos diversos
Arena usada
La mayoría de fundiciones reutilizan cierta
porción de la arena usada para la fabricación de
machos y moldes; en muchos casos, se reutiliza la mayor parte de
la arena. La arena verde es reutilizada repetidamente. A medida
que se reutiliza la arena, se forman acumulaciones de finos, por
lo que una cierta cantidad de la arena del sistema debe ser
retirada regularmente para mantener las propiedades deseadas de
la arena. La arena retirada, junto con la arena perdida por fugas
y durante el desmoldeo se convierte en residuos de arena. La
Figura 3 ilustra las fuentes
principales de residuos de arena.
El polvo y el lodo generado por la arena de los moldes
con frecuencia se recolectan como parte de un sistema de control
de la contaminación del aire ubicado sobre los lugares
donde se realizan las operaciones de moldeo y desmoldeo.
También pueden existir residuos en la forma de grandes
aglomeraciones que son retiradas mediante tamices del sistema de
reciclaje de
arena para fabricación de moldes o en la forma de arena
retirada al limpiar las piezas fundidas.
Los aglomerantes de arena de los machos se degradan
parcial o completamente al ser expuestos al calor del metal
fundido durante la operación de vaciado. Una vez suelta,
la arena cuyo aglomerante se ha degradado completamente con
frecuencia se mezcla con arena de moldeo para su reciclaje o es
reciclada hacia el proceso de fabricación de
machos.
Los residuos de machos están conformados por
arena parcialmente descompuesta, retirada durante el desmoldeo.
Ellos contienen aglomerantes degradados solo parcialmente. Los
residuos de machos pueden ser aplastados y reciclados a la
línea de arena para elaboración de moldes o pueden
ser llevados a un relleno sanitario junto con los machos rotos o
que no cumplen las especificaciones y los residuos obtenidos al
barrer el cuarto de machos. Los residuos de arena de moldes y de
machos representan del 66 al 88% del total de residuos generados
por las fundiciones de hierro.
Las fundiciones de bronce pueden generar residuos
peligroso y contaminados con plomo, cobre, níquel y zinc,
con frecuencia en elevadas concentraciones totales y
extraíbles. Algunos procesos de fabricación de
machos usan sustancias fuertemente ácidas para el lavado
de los gases de escape del proceso de fabricación de
machos. En el proceso de cura con radical libre, los
aglomemerantes de epoxi-acrílico son curados usando
hidroperóxido orgánico y SO2 en gas. Una unidad de
lavado absorbe el SO2 gaseoso. Una solución de 5 a 10% de
hidróxido de sodio a un pH de 8 a 14
neutraliza el SO2 e impide que el subproducto (sulfito de sodio)
se precipite fuera de la solución. Generalmente, los lodos
con pH controlado se descargan en el sistema de alcantarillado
como residuos no peligrosos. De no ser adecuadamente tratados,
los residuos pueden ser clasificados como residuos corrosivos
peligrosos.
Residuos de fundición a la cera
perdida
Las cáscaras de fundición a la cera
perdida sólo pueden ser usadas una vez y su
disposición se realiza en rellenos sanitarios como
residuos no peligrosos a menos de que existan en las
cáscaras condensados de metales pesados de las aleaciones.
Las ceras que son retiradas de las cáscaras de
fundición a la cera perdida pueden ser recicladas en las
mazarotas y los burletes de cera para su reutilización o
pueden ser enviadas a la línea de reciclaje de cera para
su recuperación.
Residuos de limpieza
Los residuos de limpieza que finalmente se descargan en
rellenos sanitarios incluyen ruedas de molienda usadas,
perdigones usados, residuos encontrados al barrer el piso y polvo
de los recolectores de polvo de la limpieza del cuarto. Estos
residuos pueden ser peligrosos si contienen niveles excesivos de
metales pesados tóxicos.
Residuos del recolector de polvo y del lavador de
gas
Durante el proceso de fusión, un pequeño
porcentaje de la carga se convierte en polvo o en humos
recolectados por las cámaras de bolsas o por los lavadores
de gas. En las fundiciones de acero, este polvo contiene
diferentes cantidades de zinc, plomo, níquel, cadmio y
cromo. El polvo del acero al carbono tiende a tener altos niveles
de zinc y plomo como resultado del uso de escoria galvanizada,
mientras que el polvo del acero inoxidable tiene altos contenidos
de níquel y cromo.
El polvo asociado con la producción de metal no ferroso puede
contener cobre, aluminio, plomo, estaño y zinc. El polvo
de acero puede ser encapsulado y descargado en un relleno
sanitario autorizado, si bien con frecuencia el polvo no ferroso
es enviado a un reciclador para la recuperación de
metal.
Residuos de escoria
La escoria es una masa vidriosa, relativamente inerte,
con una estructura química compleja. Esta compuesta de
óxidos metálicos del proceso de fusión,
refractarios fundidos, arena, cenizas de coque (si se utiliza
coque) y otros materiales. La escoria puede ser acondicionada
usando fundentes para facilitar su retiro del horno.
Puede producirse escoria peligrosa en las operaciones de
fusión si los materiales cargados contienen cantidades
importantes de metales tóxicos como plomo, cadmio y
cromo.
Para reducir el contenido de azufre en el hierro,
algunas fundiciones usan la desulfurización con carburo de
calcio en la producción de hierro dúctil. La
escoria generada por la desulfurización con carburo de
calcio puede ser clasificada como un residuo reactivo.
Residuos diversos
La mayoría de fundiciones generan residuos
diversos que varían grandemente en su composición,
pero que constituyen sólo un pequeño porcentaje del
total de residuos. Estos residuos incluyen materiales de
soldadura, aceites residuales de montacargas y dispositivos
hidráulicos, cilindros de aglomerantes vacíos y cal
del lavador de gas.
Una parte de los contaminantes ambientales expulsados
por estas industrias
son
- dióxido de azufre
- partículas de materia
(particulate matter) - óxidos de nitrógeno
- monóxido de carbono
- hidrocarburos reactivos
- metales pesados
- compuestos orgánicos
En la atmósfera, estos contaminantes se pueden
encontrar en cualquiera de las tres formas: gaseosas,
líquidas, y sólidas; sin embargo, las formas
físicas generalmente consideradas para
contaminación ambiental son:
(a), partículas (particulate) que son
pequeñas masas discretas de materia sólida o
líquida, como son el polvo, los humos, la neblina, y la
ceniza flotante (fly ash)
(b), gases bajo la forma de moléculas ampliamente
separadas entre sí que poseen un movimiento muy
rápido y no tienen ni una forma ni un volumen
definitivos.
Las emisiones de partículas producidas en la
industria de fundición son las siguientes:
(1).- Combustible no quemado, lo que incluye aceite
volatilizado y los finos del coque. Esta fracción
contaminante, cuando no se le controla, es la que produce la
aparición de humos negros.
(2).- Partículas Sólidas, que
normalmente son de tamaños mayores a 44 µm y
corresponden a partículas de arena quemada adheridas a
chatarra propia refundida, finos de piedra caliza, y suciedad
adherida a la superficie de la chatarra comprada. Esta
fracción contaminante rápidamente cae sobre la
planta de fundición y en las áreas vecinas a la
chimenea del cubilote.
(3).- Partículas finas, entre 2 y 44 µm,
que es material finamente dividido proveniente de las mismas
fuentes de la fracción gruesa. Este contaminante se
mantiene en suspensión durante mayor tiempo y de
manera gradual se va precipitando en grandes regiones de la
comunidad
vecina.
(4).- Oxidos Metálicos, que son
partículas submicroscópicas formadas por
oxidación de la carga. Las partículas de
óxido de hierro produce los penachos rojizos
típicos de los procesos metalúrgicos ferrosos.
Estas partículas permanecen es suspensión durante
largos períodos de tiempo antes de precipitar, a menos
que haya corrientes locales o condiciones inversas de
temperatura que conduzcan a que el humo alcance el nivel del
suelo.
Estos contaminantes primarios a menudo se combinan en la
atmósfera para producir, en muchos casos, contaminantes
secundarios que son muy nocivos para la salud ambiental. Los
contaminantes primarios producen los siguientes efectos
(11):
- Irritación en los ojos,
- Dificultades respiratorias,
- Problemas cardíacos,
- Dolores de cabeza, en los seres humanos;
- En los edificios y monumentos
históricos; - Así como también sobre los cinturones
vegetales que rodean a las ciudades.
Por estas razones es la importancia de establecer
legislación que efectivamente controlen las emisiones
industriales contaminantes del ambiente. Las Normas ISO 14000
proveen la implantación o la planificación para
establecer el monitoreo y mejora del Sistema de Gerencia
Ambiental, Environmental Management System, EMS.
En la Industria de Fundición, los procesos
más contaminantes son los de fusión del metal o de
las aleaciones; de allí que sea importante hacer el mayor
énfasis en mantener un estricto control del proceso, lo
cual se une al factor económico directo. Los demás
procesos de la fundición donde no hay fusión de
metales generan contaminación por partículas,
particulate pollution, pero no se considera que constituyan
severas formas de contaminación del aire en términos
de sus efectos sobre el vecindario a ella.
La operación del cubilote es la mayor fuente de
contaminación de emisiones de partículas, tanto en
términos de fuentes de contaminación como de la
intensidad de emisión de cada fuente; en segundo lugar
está el proceso de fusión mediante horno
eléctrico de arco; y en tercer lugar está la
fusión con hornos de inducción.
PREVENCION DE LA
CONTAMINACION Y OPTIMIZACION DE PROCESOS
La prevención de la contaminación,
produciendo de manera más eficiente y limpia mediante
cambios o mejoras a los procesos involucrados, sin nuevos
sistemas de captación de emisiones, es hoy la mejor manera
de evitar la contaminación que producen nuestras
fábricas. Sobre el análisis de las distintas posibilidades de
gestión
de residuos, ya sea por reciclaje, o minimización
estaremos hablando de aquí en adelante.
CONTROL DE
PROCESOS, EFICIENCIA Y
PREVENCIÓN DE LA CONTAMINACIÓN
Las fundiciones ferrosas y no ferrosas presentan los
mismos procesos básicos en los cuales centrar el estudio
de control de procesos:
- Tratamiento de materia primas.
- Preparación de moldes y almas.
- Preparación de la carga del horno.
- Fundición y fusión dentro del
horno. - Colada y enfriamiento.
Control durante proceso de manipulación de
materias primas
- Clasificación de las materias primas
(chatarra). - Almacenamiento ordenado.
Control durante proceso de preparación de
moldes y almas
- Limpieza del lugar.
- Automatizar el proceso (si es posible).
- Captación de emisiones fugitivas (sistemas
colectores).
Control durante proceso de carga del
horno
- Limpieza de la chatarra (eliminar pinturas y grasas
en seco). - Apertura del horno, por cortos períodos de
tiempo.
Control durante el proceso de fundición y
fusión de metales
- Captación de humos (correcta dimensión
de sistema colector). - Precalentamiento de la chatarra.
- Sistemas de recirculación de aire (hornos con
proceso de combustión). - Sistemas recuperadores de calor.
TECNOLOGÍAS
DE PRODUCCIÓN LIMPIAS
Se aprecia que las áreas de posible
aplicación se centran principalmente en el proceso de
fundición mismo, ya que los otros procesos aparecen en
menor escala.
Tecnologías limpias propiamente
tal:
- Implementación de hornos pequeños de
alta eficiencia. - Implementación de hornos de inducción
magnética.
Tecnologías limpias para hornos de arco
eléctrico:
- Sistemas recuperadores de calor.
- Atmósferas inertes.
- Escorias espumosas.
Tecnologías limpias para hornos con proceso de
combustión:
- Cambio a gas
natural. - Sistemas de recirculación de
gases.
Los elementos claves para generar un correcto plan de
minimización de residuos, están relacionados con la
iniciativa, compromiso y participación de todos los que
trabajan en las empresas de fundiciones. Fundamentalmente, este
tipo de planes involucran cuatro actividades
principales:
- Concientización y participación de los
trabajadores. - Mejora en los procedimientos
de operación. - Capacitación de los trabajadores.
- Mejoras en la programación de los procesos.
Un plan de minimización de residuos siempre
está acompañado de un plan de reciclaje y
recuperación de materiales:
- Implementación de auditorías ambientales y
energéticas. - Definición de una política de
reciclaje. - Control de procesos de fundición.
- Plan de reciclaje de arenas y escorias.
- Plan de minimización en el horno
(dosificación de escorificantes y aleantes).
IMPLEMENTACIÓN DE NUEVAS TECNOLOGÍAS Y
SISTEMAS DE GESTIÓN AMBIENTAL
Antes de implementar nuevas
tecnologías o un sistema de gestión
ambiental es necesario conocer la situación actual de
la empresa.
Muchas veces no es necesario introducir nuevas
tecnologías, un sistema de gestión ambiental o un
plan minimizador de residuos, ya que los sistemas actuales pueden
ser capaces de lograr los resultados que se esperan.
La Norma ISO 14.001 da
una pauta para implementar sistemas de gestión ambiental,
basada en el mejoramiento continuo. Las actividades a realizar
para lograr implementar un sistema de gestión ambiental
(con o sin implementación de nuevas tecnologías)
son las siguientes:
1. Desarrollo de política ambiental: La
alta gerencia debe definir una política ambiental de la
empresa.
2. Planificación: Se establecen los
objetivos y
metas generales de la empresa y se desarrolla la metodología para alcanzarlos.
3. Implementación y operación: Se
inician las actividades establecidas en el programa de
gestión ambiental.
4. Verificación y acción
correctiva : Se revisan las acciones que
se han ejecutado, según el programa para determinar su
efectividad y eficiencia, y se comparan los resultados con los
del plan.
5. Revisión de la gerencia y mejoramiento
continuo: Es la etapa de retroalimentación, en la que se adecua a la
realidad de cada empresa y se corrigen las deficiencias. Esta
revisión se debe documentar y publicar.
Teniendo en cuenta la realidad de las industrias de
fundiciones, las actividades tentativas para implementar algunos
de estos conceptos son:
- Crear una política ambiental y generar un plan
de acción. - Implementar cursos de capacitación sobre la nueva
política ambiental y el plan de
acción. - Desarrollar auditorías ambientales y
energéticas. - Implementar el plan de acción (nuevas
tecnologías, plan minimizador de residuos o sistema de
gestión ambiental).
Con la implementación de este tipo de sistemas de
gestión ambiental, se podrían reducir los residuos,
por lo que disminuiría el costo de disposición
final, y se aumentaría la eficiencia del proceso,
reduciéndose el costo de insumos.
METODOS PARA EL
CONTROL DE LA CONTAMINACION
Este capítulo identifica las tecnologías
disponibles para el tratamiento de contaminantes líquidos,
sólidos y gaseosos. Dentro de cada descripción de tecnologías, se
incluyen los equipos necesarios junto con sus eficiencias y
condiciones de aplicación.
TECNOLOGÍAS DE TRATAMIENTOS DE EFLUENTES
LÍQUIDOS
Los procesos para purificar las aguas residuales en la
industria de fundiciones están formados por las siguientes
etapas:
- Separación de sólidos y
líquidos, mediante sedimentación o
flotación. - Deshidratación para reducir la humedad
contenida en los sólidos.
El volumen del fango puede reducirse de forma importante
mediante la eliminación de parte del agua. El transporte de
fangos puede ser uno de los costos más
importantes; por ello, un leve aumento de la concentración
de sólidos puede producir un ahorro
importante.
TECNOLOGÍAS DE TRATAMIENTOS DE GASES Y
PARTICULADO
Tecnologías de tratamiento de
gases
Existen cuatro tecnologías básicas que
se emplean en el tratamiento de emisiones gaseosas:
absorción, adsorción, incineración y
condensación. La elección de la tecnología
de control depende de los contaminantes que se deben remover,
la eficiencia de remoción, las características
del flujo contaminante y especificaciones de
terreno.
Normalmente, se mezclan dos o más
tecnologías de remoción de gases en un
sólo equipo, siendo las principales tecnologías
de remoción absorción y adsorción, y las
tecnologías de condensación e incineración
son usadas principalmente como pretratamientos.
- Absorción
El proceso convencional de absorción, se
refiere al contacto íntimo entre una mezcla de gases
contaminantes y un líquido, tal que uno o más de
los componentes del gas se disuelvan en el
líquido.
En operaciones de absorción de gases, el
equilibrio
de interés
es aquel que se logra entre el líquido absorbente no
volátil (solvente) y un gas soluble (generalmente el
contaminante). El soluto es removido de su mezcla en
relativamente grandes cantidades, por un flujo no soluble en el
líquido.
Generalmente, se utiliza para la remoción de
óxidos de azufre, dentro de un sistema captador de
partículas tipo Scrubber húmedo, a la salida del
horno de fundición.
Las otras tecnologías no son aplicables al caso
de las fundiciones de la Región Metropolitana, debido
principalmente a que las emisiones gaseosas no tienen un
sistema de captación gaseoso adecuado.
Tecnologías y equipos para tratamiento de
material particulado
- Ciclones y separadores inerciales
Separadores inerciales son ampliamente utilizados para
recoger partículas gruesas y de tamaño mediano.
Su construcción es simple y la ausencia de
partes móviles implica que su costo y mantención
son más bajos que otros equipos. El principio general de
los separadores inerciales, es el cambio de
dirección al cual el flujo de gases es
forzado. Como los gases cambian de dirección, la inercia
de las partículas causa que sigan en la dirección
original, separándose del flujo de gases.
En la práctica, suele ser bastante más
interesante utilizar un arreglo de varios ciclones de
diámetro reducido. Este tipo de equipos reciben el
nombre de "Multiciclón" y puede recuperar con buena
eficiencia partículas relativamente pequeñas (4
mm y mayores). Estos equipos pueden utilizarse como
preseparadores de otros equipos captadores para mejorar el
funcionamiento de estos últimos, o bien en el caso de
fundiciones se pueden utilizar como medio de control de las
emisiones de las plantas de arenas.
- Removedores húmedos
Generalmente se utilizan para captar partículas
inferiores a 5 m (las duchas captan sólo
partículas gruesas). Son aptos para trabajar con gases y
partículas explosivas o combustibles y/o de alta
temperatura y humedad. Para alta eficiencia con
partículas pequeñas se requiere alta
energía, lo que implica altas caídas de presión.
En forma parcial son capaces de remover gases, por lo que puede
existir un problema de corrosión, y necesitar materiales
especiales.
En el caso de las fundiciones, son poco utilizados
porque al captar las partículas genera un problema de
residuos líquidos, que eventualmente puede llegar a ser
peligroso.
- Precipitadores
electrostáticos
Un precipitador electrostático es un equipo de
control de material particulado, que utiliza fuerzas
eléctricas para mover las partículas fuera del
flujo de gases y llevarlas a un colector.
Los precipitadores electrostáticos tienen
eficiencias de 99,9% en remoción de partículas
del orden de 1 a 10 [µm]. Sin embargo, para
partículas de gran tamaño (20 – 30 [µm]) la
eficiencia baja, por lo que se requiere de preferencia tener un
equipo de pretratamiento, tal como un ciclón o
multiciclón.
En general, los precipitadores electrostáticos
son utilizados para tratar altos caudales de gases, con altas
concentraciones de material particulado, ya que el costo de
mantención es elevado y sólo con un alto nivel de
funcionamiento supera a otras alternativas más
económicas e igual de eficientes (lavadores
húmedos). En el caso de fundiciones, no se justifica
debido a la característica de proceso "batch" en que
funcionan.
- Filtros de mangas
Son los sistemas de mayor uso actualmente en la
mediana y grande industria, debido principalmente a la
eficiencia de recolección, y a la simplicidad de
funcionamiento. Las partículas de polvo forman una capa
porosa en la superficie de la tela, siendo éste el
principal medio filtrante.
La selección o verificación de un
filtro de mangas, en cuanto a la superficie del medio
filtrante, se basa en la "velocidad de filtración". Esta
velocidad, también es conocida como "razón
Aire-Tela
(A/C)".
Una consideración especial debe observarse con
respecto al punto de rocío del flujo de gases, el cual
se ve influenciado por la presencia de SO3 en el flujo, ya que
se produce la condensación en las mangas y éstas
se taparán no permitiendo el filtrado. Además
esta condición de condensación produce
corrosión en los metales y más aún si hay
presencia de SO3 el cual con presencia de humedad se transforma
en H2SO4 (ácido sulfúrico), por lo que
también perjudicará por ataque ácido a la
mayor parte de los materiales usados en las mangas. Por otra
parte debe considerarse el eventual peligro de explosión
si se trabaja con gases combustibles (ricos en hidrocarburos) o
explosivos (CO proveniente de atmósferas reductoras en
fundiciones).
ELIMINACIÓN Y
DISPOSICIÓN DE RESIDUOS SÓLIDOS
Dentro de las industrias de fundiciones, tanto ferrosas
como no ferrosas, la eliminación y disposición de
residuos
sólidos, se ha tratado de hacer de la manera
más eficiente posible. Dado que los residuos
sólidos son bien conocidos:
- Polvos provenientes de sistemas de tratamiento de
particulado. - Escorias.
- Arenas de descarte.
- Lodos provenientes de tratamiento de residuos
líquidos (si existe).
De estos residuos, los que se pueden reciclar, tanto
interna como externamente, son las arenas residuales, algunas
escorias y los montantes, canales de alimentación y las
rebabas. La tecnología utilizada actualmente, trata de
devolver los metales que todavía se pueden elaborar al
proceso original en el horno. De esta manera, se recuperan
materias primas a partir de los residuos. Existen
tecnologías de depuración de arenas,
recuperación de metales a partir de la escoria, pero son
imposibles de aplicar en una sola empresa debido a su alto
costo.
Una vez agotadas las opciones de reciclaje, es necesario
realizar un análisis químico para determinar la
peligrosidad de los residuos y poder definir
el lugar de disposición más adecuado.
SISTEMAS
FACTIBLES DE CONTROL DE CONTAMINANTES
Los sistemas de
control que son factibles de aplicar tanto
técnicamente como económicamente, son aquellos con
los que se obtiene un beneficio. En este caso, el beneficio es la
disminución de multas, y la paralización de
actividades en períodos de pre-emergencia ambiental. Por
lo tanto, el control de procesos se debe centrar en la
contaminación atmosférica, residuos sólidos
y ruido
principalmente, pasando a segundo plano los residuos
líquidos industriales.
Los sistemas de control preventivos presentados en el
Capítulo 4, dependen del tipo de proceso, aún
así una fuente de control importante es aislar lo
más posible cada proceso o subproceso. Con esto es posible
aplicar medidas independientes a cada proceso, empezando por
mantener un nivel de limpieza óptimo de los
equipos.
El principal problema de las fundiciones es controlar
las emisiones (tanto controladas como fugitivas) de los procesos
de fundición, generados en los hornos.
Sistemas de control básicos que se deben adoptar,
con el fin de aumentar la eficiencia global de producción,
es la inspección continua, es en este punto donde toma
real interés los sistemas de gestión ambiental, ya
que además de proveer técnicas
para esta inspección, se recomiendan procedimientos para
mejorar continuamente los procesos, sin embargo requiere de un
alto grado de compromiso entre las partes involucradas
(operarios, administrativos y gerencia). Con este sistema de
inspección, se logran detectar a tiempo cualquier falla o
mal funcionamiento que se pudiera tener.
Para los residuos sólidos, tener en cuenta la
cantidad generada es suficiente ayuda como para evaluar cualquier
sistema de control. Principalmente la reducción en la
generación de residuos sólidos, se consigue con un
mayor reciclaje de las arenas, debido a que presentan la mayor
fuente de residuos generados.
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LISCA
MSC. RAMÓN
GARCÍA CABALLERO
ING. ALEXIS ALONSO MARTÍNEZ
CENTRO: UNIVERSIDAD CENTRAL "MARTA ABREU" DE LAS
VILLAS
DIRECCIÓN: CARRETERA A CAMAJUANÍ
KM. 5 ½, SANTA CLARA, VILLA CLARA, CUBA
CATEGORÍA: Medio Ambiente