Una de las particularidades de la Industria de Construcción de Maquinaria en varias provincias de nuestro país, consiste en que en ellas no se produce acero. Esto quiere decir que la producción de piezas fundidas se reduce a tres tipos principales de aleaciones: hierros fundidos, aleaciones de base aluminio y aleaciones de base cobre (bronces y latones). Lo anterior implica que los hornos para la producción de hierros fundidos ocupan una posición preponderante para la obtención de piezas fundidas con este tipo de aleación o familia de aleaciones.

Al hablar de hornos para la producción de hierros fundidos, como se sabe, estamos hablando generalmente del llamado horno de cubilote, ya que en nuestro medio no es muy grande el volumen de piezas de hierro fundido que se producen en otros tipos de hornos, por ejemplo, en hornos eléctricos de arco o de inducción. Por lo tanto, el buen desarrollo de la producción de piezas de hierro fundido depende, entre otros factores, de la forma en que estén diseñados y se operen los hornos de cubilote.

Considerando lo anterior, nos dimos a la tarea de desarrollar y poner en práctica una metodología, sobre la base de la información tomada de la literatura científica, que fuese capaz de evaluar el diseño y operación de los hornos de cubilote convencionales. En las condiciones de Cuba, esto equivale a decir un horno de recubrimiento ácido, de soplo frío y con una sola hilera de toberas (soplo balanceado). La metodología se fundamenta en los criterios más generalizados internacionalmente, sobre cómo deben ser los principales parámetros de diseño del horno y como resultado de ello, cuál debe ser el comportamiento del horno desde el punto de vista de su funcionamiento.

El presente trabajo se basa en una metodología que considera las más importantes recomendaciones sobre los parámetros de diseño del horno y de su operación. En tal sentido, se evalúan la altura efectiva del horno, el área total de toberas, las dimensiones de los conductos de aire, entre otros parámetros de diseño. De igual forma se evalúan la productividad, el consumo de aire, la altura de la cama, el peso de la carga, y otros parámetros de operación del horno.

1. Introducción.

A pesar de que la primera patente de lo que se considera el cubilote moderno cumplió en 1994 doscientos años de ser otorgada a John Wilkinson (Inglaterra), se puede decir que el cubilote mantiene su diseño fundamental hasta nuestros días. Naturalmente, ha sufrido variaciones estructurales, se le han incorporado aditamentos, se han rediseñado algunas de sus partes, particularmente el sistema de toberas, pero su concepción inicial de horno tubular, en posición vertical, con la entrada de la carga metálica por la parte superior y un contacto directo entre el combustible sólido y dicha carga metálica, se ha mantenido inalterable.

Esto se debe a una causa fundamental: el cubilote posee una eficiencia de fusión alta en comparación con los demás hornos empleados con el mismo fin. Esto se explica, porque en este tipo de horno la carga metálica a fundir (arrabio, chatarra de acero, ferroaleaciones, rechazos de la producción, etc.), está en contacto directo con el combustible sólido (coque), que se emplea para su fusión. Esta eficiencia de fusión se entiende como la relación que existe entre el calor potencial que hay en el hierro fundido que sale del cubilote y el total del calor que entra al proceso (combustión de coque, procesos de oxidación de índole exotérmica y calor sensible en el aire que se sopla dentro del horno). Así, por ejemplo, en condiciones favorables de eficiencia (empleando soplo caliente), se pueden alcanzar valores algo superiores al 40 %. En cambio, en condiciones muy desfavorables (soplo frío, revestimiento del horno en mal estado, mala operación del horno, etc.), este valor puede descender hasta 30 % o más. Sin embargo, la eficiencia de la combustión en este tipo de horno no sobrepasa el 60 al 70 %, lo cual es un valor bajo en comparación con los demás hornos que queman combustible. Esto se debe, principalmente, a que no se puede hacer un uso total del contenido calórico del coque sin interferir en los requerimientos metalúrgicos del proceso, en tanto, el coque y sus gases de combustión son elementos activos en dicho proceso.

Por todo lo expresado hasta aquí, es que se ha afirmado que operar bien un cubilote no es tanto controlar un proceso metalúrgico, como dirigir una combustión. Por ese motivo, todo lo concerniente a las características del combustible empleado, así como el volumen y presión del aire que se introduce en el horno (sin olvidar la humedad relativa), posee una importancia primordial para la buena marcha del mismo. Paralelo a esto, el horno debe poseer determinadas relaciones entre sus parámetros de diseño, de manera tal que el proceso de combustión que se produzca dentro de él permita obtener un hierro fundido a la temperatura requerida.

El presente trabajo tiene como objetivo relacionar los parámetros de diseño y operación, mediante una metodología pre-establecida, de manera que se obtenga un cuadro general que caracterice el horno objeto de análisis.

2. Estructura y funcionamiento del horno de cubilote.

1. Estructura.

El cubilote está constituido por las siguientes partes (ver figura No.1, Pág. 7):

1. Envoltura cilíndrica de chapa de acero soldada.
2. Revestimiento interno de material refractario (entre este y la envoltura se deja una capa intermedia de unos 2 cm, rellena de arena seca, para permitir las dilataciones radiales y axiales de refractario).
3. Chimenea y su correspondiente cobertura. Algunas veces se añade apagachispas.
4. Boca de carga: pequeña y provista de una plancha inclinada para la introducción de las cargas cuando se realizan a mano, más amplia si se hace mecánicamente.
5. Cámara de aire anular, de plancha delgada, que circunda del todo o en parte la envoltura y dentro de la cual, pasa aire o viento (enviado por una máquina soplante) para la combustión del coque.
6. Toberas, de hierro colado o chapas de acero, en forma de caja horadada y adaptada al revestimiento para conducir el aire al interior del cubilote. En la parte correspondiente de cada tobera, la pared exterior está agujereada y provista de portillos con mirillas (de mica o cristal) para vigilar la combustión.
7. Piquera de escoria. Abertura dispuesta a unos 15 o 20 cm aproximadamente por debajo del plano de toberas, inclinada de 30 a 40º, respecto a la horizontal, para facilitar la salida de la escoria.
8. Puerta lateral de encendido y limpieza. Antes de cerrarla, al comienzo de la fusión, hay que rehacer el murete que completa el revestimiento.
9. Canal de colada, de plancha de hierro, revestido de masa refractaria. Mantiene la misma inclinación de la solera (10º), para hacer caer el hierro fundido en el caldero de colada.
10. Solera a fondo de cubilote. Consiste en arena de moldeo apisonada e inclinada 10º hacia la piquera de sangría del horno.
11. Plancha base de envoltura cilíndrica; de hierro colado o chapa fuerte. En su centro hay una abertura del diámetro de la solera, que puede cerrarse con un portillo de descarga de uno o dos batientes que se abren hacia abajo por medio de un cerrojo, de una palanca o quitando el puntal. A través de ella se descarga el contenido de coque de la cama, al final de la operación del horno.
12. Columnas de apoyo: casi siempre son cuatro, de hierro fundido y son sostenidas a su vez por unos cimientos de ladrillos de hormigón.
13. Crisol: es la parte inferior del cubilote comprendido entre la solera y el plano de las toberas. Se estima que el metal ocupa en él, el 46 % del volumen. El 54 % restante está ocupado por coque incandescente.