1. Funcionamiento del cubilote.

1. Reparación. – Después de cada fusión de 3 a 10 horas, el cubilote se deja enfriar y, al día siguiente, se repara. A este fin, con un cincel o una piqueta, se quita la escoria o el material refractario vitrificado adherido al revestimiento, que se presenta más o menos corroído en torno a las toberas hasta alcanzar el material refractario que no ha sufrido deterioro. Las partes afectadas se recubren entonces con material nuevo, a mano y dejándolo reposar por lo menos 24 horas. Si el espesor a recubrir es muy grande, se utilizan trozos de ladrillos, siempre del mismo material refractario.

La reparación puede efectuarse también por medio de unos aparatos especialmente creados para este uso, que proyectan la masa refractaria contra las paredes que hay que reparar por medio de aire comprimido. Este sistema es aplicable a los hornos de dimensiones grande y mediana.

Al día siguiente se puede encender de nuevo. Algunas veces se repara durante la noche o la madrugada para fundir todos los días. Aunque esto requiere de un esfuerzo considerable por parte de los reberberistas.

2. Encendido. – Se repara la solera del horno con arena de moldear seca con una pequeña adición de grafito, arcilla y agua, secándose con fuego de leña o con una llama de fuel-oil o de gas.

Dos horas antes de dar comienzo a la colada, por la portilla de encendido (o desde arriba) se introduce un montoncito de leña seca que se enciende hasta obtener un fuego abundante y vivo, favorecido por el enérgico tiro que producen la portilla de encendido, las mirillas de las toberas, la piquera de colada y la de escoria, todas abiertas, así como la propia chimenea del horno.

Se empieza entonces a introducir el coque encendido, en una capa de unos 32 cm para cada carga, a razón de 140 Kg por metro cuadrado de horno; con el coque debe mezclarse un 5 a 10 % de piedra caliza, llamada también fundente; antes de introducir una nueva capa hay que asegurarse de que el coque situado debajo esté bien encendido.

El coque de encendido debe alcanzar de 1 a 1.60 metros sobre el plano de toberas. El nivel se comprueba introduciendo por la boca de carga una cadena o una cabilla doblada en (Z), el encendido de la columna se comprueba observando el color rojo del revestimiento refractario u observando directamente los trozos de coque por la mirilla de las toberas. Se activa el encendido dando viento por espacio de 4 a 5 minutos, lo cual sirve también para desulfurar el coque.

3. Introducción de la carga. – La carga del horno comienza colocando sobre la capa de coque de encendido una carga de coque adicionada de la necesaria cantidad de fundente y encima de esta la carga metálica. A continuación se coloca una segunda carga de coque con fundente y la segunda carga metálica, y así alternativamente hasta alcanzar la puerta de carga. A continuación, se espera un período de tiempo de 60 a 90 minutos (según el tamaño del horno), para que el coque encendido de la cama precaliente las cargas añadidas al horno. Transcurrido ese tiempo, se cierran las mirillas de las toberas y las portillas, se conecta el ventilador y si todo ha sido bien ejecutado, transcurrido de 6 a 9 minutos, se presentará el primer hierro fundido en la piquera de colada. Este hierro se considera frío y no se utiliza. Solo se emplea cuando comienza a salir caliente y con buena fluidez por el canal.

La carga de coque de encendido (cama), cuya función es sostener las cargas colocadas encima y dar, con su combustión, la energía térmica necesaria, debe estar constituida por una cantidad de combustible cuya altura permanezca invariable durante toda la colada.

Para ello, el coque consumido se reintegra de modo regular a través de las cargas sucesivas de coque, que entran por la puerta de carga.

4. Período de operación. – A partir de que el primer hierro fluye libremente por el canal de sangría, se cierra este orificio con un tapón de barro refractario. Se deben disponer de varios tapones (humedecidos, próximos al horno), ya que se utilizarán cada vez que se pique el horno. Ahora se espera a que se acumule el hierro líquido en el crisol del horno. La medida de que el crisol estará lleno le dará la salida de escoria por la piquera correspondiente. La fluidez con que salga la escoria es índice del buen funcionamiento del horno. Inmediatamente que salga toda la escoria (comienza a salir hierro, junto con la escoria), quiere decir que el crisol está lleno de hierro líquido. Entonces se rompe el tapón del orificio de sangría y se recibe el hierro en las cazuelas de vertido. Vaciado el crisol se coloca un nuevo tapón en el orificio de sangría y se repite todo el proceso. Lo descrito aquí es lo que se denomina operar el horno por picada y se hace cuando se demandan grandes cantidades de hierro de una vez o por práctica establecida.

En el sistema por sifón (Pinar del Río), desde un inicio el orificio de sangría permanece abierto, el hierro y la escoria se separan en el sifón. Esto es lo que se conoce como colada continua.

5. Fin de la fusión. – Después de algunas horas de funcionamiento se comprueba la cantidad de piezas que quedan todavía por colar y se introduce la última carga, reservado para esta los trozos de metal más ligeros. Cuando el nivel de la carga alcanza aproximadamente las tres cuartas partes de la altura del horno, se reduce gradualmente el viento, cerrando por completo la entrada de aire al horno cuando está próxima la fusión del último hierro colado. Cuando aparece escoria en la piquera se vacía el horno.
6. Vaciado del horno. – Hay que asegurarse de que el pavimento debajo del horno esté bien seco; se abren los portillos de las toberas, se abre el canal de colada y la portilla de encendido y se hace correr cerrojo o el puntal que cierra la puerta inferior del horno. La solera del horno cae al igual que los residuos de la capa de coque y de material contenidos, que se apagan con chorros de agua y se retiran para que no se estropee el cubilote. El coque recuperado se aprovecha para las estufas o para el relleno de machos muy voluminosos. El hierro se funde para las piezas corrientes.

El cubilote, como cualquier otro equipo, posee sus parámetros de diseño que, en este caso concreto, puede decirse que es el resultado de la experiencia acumulada en la construcción y operación de este tipo de horno. De igual forma las investigaciones y la práctica industrial han ido precisando las circunstancias en las cuales el horno funciona adecuadamente. La metodología que ofrecemos a continuación, trata de precisar aquellos índices fundamentales para evaluar el diseño y operación de un horno de cubilote. Para dar una idea de la misma, caracterizaremos los principales parámetros de diseño y operación, en un horno de cubilote y los límites en los cuales estos deben variar.

El principal parámetro de diseño del horno es su diámetro interior (D), medido al nivel de tobera. De él depende la altura efectiva (H_e), que va desde el nivel de toberas a la puerta de carga y la altura (H), que es la distancia de la solera a la puerta de carga. La experiencia demuestra que ambos parámetros deben variar en los límites siguientes:

H= (57) D

H= (46) D

El aire para quemar el coque hace su entrada al horno a través del sistema de toberas. En Cuba predomina el sistema de colocar todas las toberas en un mismo plano. En ese caso, el área total (S₁) de las mismas debe ser de 1/4 a 1/8 del área de la sección interior del horno (F), medido a nivel de toberas. El valor más empleado es 1/4 (25 %). La práctica inglesa recomienda colocar una tobera cada 15 cm de diámetro interior del horno. Su número siempre debe ser par y no menor de 4. (Howard, 1962).

Otras recomendaciones son:

• Para cubilotes grandes----------S₁=F/(56)
• Para cubilotes pequeños------- S₁=F/(4

Otros diseñadores prefieren calcular el área de las toberas por la relación Fe/coque en las cargas, donde:

6/1 ---------------- 0.047

7/1 ---------------- 0.0546

7.5/1 ---------------- 0.057

8.1 ---------------- 0.0622

8.3/1 ---------------- 0.0644

9/1 ---------------- 0.0696

10/1 ---------------- 0.077

P= F x Factor para la relación Fe/coque que le corresponda.

La productividad real se puede calcular teniendo los siguientes datos: volumen de cazuela (V_caz), densidad del hierro fundido (Þ_Ho/Fo) y el número de cazuela en una hora (No_caz).

P=V_caz x Þ_Ho/Fo x No_caz

Un cubilote operado adecuadamente debe producir 75 Kg de hierro fundido por hora y por decímetro cuadrado de sección (medida a nivel de toberas o su equivalente de 10lb/hora x pul ² (Heine, Loper, Rosentral, 1967). Esto es lo que se conoce como producción específica del horno. De igual forma, debe fundir a un ritmo promedio de aproximadamente 10 cargas por hora.

Otro parámetro importante en la operación del horno es lo que se denomina altura de la cama del horno (hc). Se entiende por tal, la distancia medida a partir del nivel de toberas y que representa el nivel máximo a que habrá de llegar el coque encargado de producir la combustión dentro del horno. Esta altura depende de la presión con que es soplado el aire (Pa) dentro del horno. Su cálculo se efectúa mediante fórmulas empíricas avaladas por la experiencia práctica (A.F.S. 1954).

hc=x 10.5 + 6 donde (hc) altura de la cama, en pulgada.

(Pa) presión de la caja de aire, en onzas/pulg²

(1onza/pulg²= 44mmH₂O)

Dicha altura debe mantenerse constante durante toda la operación del horno y esa es la función de las cargas de coque que acompañan a las cargas metálicas. El coque empleado en producir la cama del horno debe ser de la mayor calidad posible y el tamaño de los trozos, debe oscilar entre 1/10 y 1/12 del diámetro interior del horno. Una regla empírica muy efectiva consiste en lo siguiente: si la altura de la cama del horno está bien calculada, el primer hierro fundido líquido (se considera frío y no se utiliza), debe salir por la piquera de colada entre 6 y 9 minutos después de iniciada la marcha del horno. El coque para formar la cama del horno debe calcularse a razón de 140 Kg/m² de sección del horno y en capas que alcancen aproximadamente 32 cm por la altura del horno. Antes de añadirse una nueva capa de coque, para formar la cama, hay que asegurarse de que el coque añadido anteriormente esté bien encendido. Después de alcanzada la altura definitiva de la cama (en muchas fundiciones se hace por experiencia), se debe soplar aire durante 4 o 5 minutos. De esa forma se desulfura el coque. A la cama del horno se le puede o debe añadir 5 a 10 % de piedra caliza (fundente) (AFS, 1954), para desulfurar el coque. El coque que se emplea en el cubilote y particularmente en la cama, debe poseer buena resistencia mecánica, ya que tiene que soportar el peso de las cargas metálicas que se introducen por la puerta de carga. Un valor adecuado de resistencia mecánica se considera el siguiente: 15 MPa. El término resistencia mecánica aquí también puede entenderse como la mayor o menor tendencia al fraccionamiento de los trozos de coque. De ahí que en algunas normas estatales, este valor se exprese en función del porciento de trozos retenidos sobre una malla, después de someter el coque a un tratamiento mecánico dentro de un tambor giratorio. En esas condiciones, la fracción menuda, en un buen coque, no debe sobrepasar el 15 % de la muestra.

El aire que se sopla dentro del horno, por lo general proviene de un ventilador centrífugo o de un ventilador de émbolos rotatorios (tipo Root). En las fundiciones cubanas más antiguas predomina este último. Cualquiera que este sea, debe garantizar la presión y el volumen de aire necesarios. El ventilador centrífugo, como se sabe, es más elástico a los efectos de su regulación y más ventajoso desde el punto de vista económico.

El de émbolos rotatorios, en cambio, garantiza una presión constante, lo cual posee particular importancia para un horno de cubilote, dado que la permeabilidad al aire y los gases dentro del horno puede variar durante la operación del mismo. (Variación en el tamaño del coque y los trozos de la carga metálica).

Los instrumentos de medición de la presión y el flujo de aire deben estar instalados en una porción recta del conducto de aire, sobre una distancia no menor de 14 veces el diámetro. El conducto de aire debe ser de sección circular y de un diámetro tal, que la velocidad lineal del flujo sea menor a 15 m/s. La cantidad de aire que se inyecta a un horno de cubilote, viene dada por la relación hierro/coque que se emplea (dicha relación oscila normalmente entre 6/1 y 15/1) y determina, junto con el diámetro interior del horno, la producción horaria del mismo (t/h). Un cubilote debe consumir aproximadamente 100 metros cúbicos de aire por cada metro cuadrado de sección transversal del horno (a nivel de toberas).

La instalación de las máquinas soplantes resulta a menudo inadecuada. Dos errores muy frecuentes son: demasiado próximas a los hornos (lo cual no permite la instalación de los instrumentos de medición según las normas vigentes) y a un nivel diferente al de la caja de aire del horno. Algunas de las recomendaciones que deben seguirse son las siguientes: la entrada del conducto del aire a la caja de aire del horno debe ser tangencial; la válvula de regulación del flujo (solo para ventiladores centrífugos), debe estar alejada de los equipos de medición (metro orificio, Venturi, etc.); el equipo de soplado debe estar en un lugar aireado, sin comunicación con el ambiente polvoriento de la fundición y finalmente, como ya se señaló, ninguna sección del conducto puede ser menor que el diámetro de salida del equipo soplador.

Como hemos visto, calidad del coque, presión del aire y altura de la cama del horno, son parámetros esenciales para el buen funcionamiento del mismo. Es difícil dar una guía segura sobre la presión del aire que se suministra al horno, ya que depende de muchos factores, entre ellos: dimensiones de las toberas, tamaño promedio de los trozos de coque, características de los materiales de la carga y otros. En condiciones normales de operación suelen ser frecuentes los valores siguientes (Vetishka, 1981):

Diámetro interior del horno (cm): 60-75 76-100 101-125 126-150

Presión (cm de columna de agua): 30-40 41-55 56-70 71-90

Un aspecto importante y al cual no se le presta siempre la debida atención, es el referido a la humedad relativa del aire que se sopla en el horno. Se ha demostrado que en un horno que funde a razón de 14 t/h, y 25ºC y 75 % de humedad relativa del aire que se sopla, se introducen en el horno aproximadamente 192 Kg de agua por hora. Esto representa un consumo adicional de 230 Kg de coque por hora (San Solo, 1999).

En ningún momento se debe olvidar que desde el punto de vista ambiental, el horno de cubilote es un emisor de gases nocivos. De ahí la importancia de conocer adecuadamente la composición de los gases de escape del horno. Se considera que un horno de cubilote opera correctamente, como proceso de combustión, cuando la composición de los gases de escape, medidos en la puerta de carga del horno, es aproximadamente la siguiente: CO₂ -15% y CO -9%. Lo anterior, sin embargo, debe considerarse como valores teóricos, ya que en la práctica pueden variar dichos contenidos en límites más amplios.

Por ejemplo, para cubilotes de soplo frío, empleando una relación hierro/coque de 10/1, son normales los valores siguientes: 12-15% de CO₂ y 8-12% de CO (Sujarchuk, Judkin, 1989). En cualquier caso, el contenido de CO₂ en los gases de escape debe mantenerse entre el 50 y el 65% del total. Aunque son grandes variaciones en la relación hierro/coque, este valor puede descender hasta 33%. La ausencia de llamas en la puerta de carga del horno es uno de los índices que indican una operación normal del mismo. Algunos autores consideran que se pueden predecir fallas en el funcionamiento del horno, mediante la observación del tipo de llama que se tiene en la puerta de carga (Capello, 1974).

• El primer hierro colado que se extrae nunca está lo suficientemente caliente salvo en los cubilotes cuyo crisol está muy bajo; por lo tanto, este material se emplea para colar piezas macizas o de poca importancia. A falta de estas, el hierro colado se convierte en lingotes para volverlo a utilizar en fundiciones sucesivas.
• La piquera de colada se cierra con un tapón cónico de arcilla cruda, que se introduce con la ayuda de una barra larga. Para dar salidas a intervalos al hierro fundido, se perfora el tapón con una barra puntiaguda. Si el hierro se solidifica en la piquera de colada, hay que picarlo con una barra de sangrar, si es posible, o insuflar oxígeno en la piquera misma con un tubo de diámetro 5 a 10 mm adaptado a un compresor de aire, activando eventualmente la combustión con un trozo de coque incandescente.
• El cubilote debe fundir normalmente a un ritmo de 10 cargas por hora (de 8 a 12) y, por lo tanto, la introducción de una nueva carga debe realizarse cada 5-7 minutos. Si se observa que el descenso de la carga se detiene o retrasa, puede ocurrir:

• Que se haya formado un puente, es decir, un atasco de la carga metálica de forma que mantengan suspendidas las cargas superiores. Hay que deshacer el puente con una barra puntiaguda y pesada, que se introduce por la boca de la carga. Una vez roto el puente, se añade el coque de encendido que se consumió entre tanto. Si las cargas metálicas se efectúan en trozos de tamaño adecuado no se produce este inconveniente.
• Que queden obstruidas las toberas a causa de la escoria que, enfriada por la corriente de aire, se deposita enfrente de ellas.
• Hay que vigilar las toberas a través de mirillas y, periódicamente, librarlas de suciedad que las cubre por medio de una barra que se le introduce a través de las mirillas hasta que queden limpias.
• Que se empleen fundentes inadecuados, o que el coque sea de bajo poder calorífico o con exceso de cenizas, o refractario de mala calidad.

• Si a los 20 o 30 minutos de obtenido el primer hierro fundido la producción del cubilote resulta anormal, o la temperatura del hierro colado es persistentemente baja, hay que indagar las causas que pueden ser:

• Carga metálica de tamaño inadecuado a las dimensiones del cubilote (nunca mayor de 1/3 del diámetro del horno).
• Carga muy oxidada, con exceso de tierra o de arena adherida.
• Coque en trozos de tamaño inadecuado, con escaso poder calorífico o con elevado contenido de cenizas.
• Piedra caliza de mala calidad, con exceso de sílice.
• Revestimiento refractario de mala calidad.
• Obstrucción de las toberas.
• Reducción de la sección del cubilote por encoronamiento, acumulación de escoria adherida al revestimiento.

• La piquera de escoria debe permanecer normalmente cerrada para evitar escapes de aire y para asegurar una capa de 12 a 15 cm de escoria sobre baño metálico que proteja a este último de las oxidaciones. Se debe escoriar en intervalo de 40 a 60 minutos.
• La marcha del cubilote puede juzgarse por la llama de la boca de carga y por la fractura de la escoria. Por ejemplo:

Llama:

1. Ausencia de llama en la boca de carga, salvo en la fase final (indica funcionamiento y proporción normales del horno);

• Llama azul turquesa: indica que prevalece el CO (hay exceso de carbón en las cargas);
• Llama blanca brillante: indica que prevalece el CO₂ (hay exceso de viento);
• Llama humosa: es indicio de una marcha lenta (exceso de coque);

Escoria:

• Escoria fluida, pero no demasiado vítrea, compacta, color verde botella: indica buena marcha con oxidación escasa;
• Escoria demasiado fluida, con fractura quebradiza y oscura: indica exceso de fundente;
• Escoria demasiado viscosa: indica escasez de fundente;
• Escoria compacta, parda, con fractura vítrea de color amarillento: indica buena marcha y elevado contenido de manganeso en la carga;
• Escoria negra: indica la presencia de óxidos pesados (de hierro y manganeso) y, por lo tanto, oxidación excesiva;

En la tabla 1 del anexo, se muestra un resumen de algunos de los principales parámetros de operación de los hornos de cubilote, según las normas aceptadas a nivel internacional (A.F.S 1954) (Capello, 1974).

Con la realización de este trabajo se pueden analizar los parámetros de funcionamiento de los hornos de cubilote. En cuanto a las toberas se puede concluir si hay insuficiente área o sobredimensionado de la misma que se traduce en cantidad de toberas. Además con la caja de aire se puede observar cuándo las dimensiones no están en correspondencia con las de diseño. En cuanto a los parámetros de operación se puede concluir que, en la productividad, se observa cuándo los hornos aprovechan al máximo su producción horaria relacionada con su diámetro interior, otro parámetro, la altura de la cama, este parámetro se puede comprobar si se mantiene dentro de los límites obtenidos en la metodología.

1. American Foundrymen´s Society. The cupula and its operation. Second Edition. A.F.S. Chicago. 1954.
2. Capello, Edoardo. Tecnología de Fundición. Tercera Edición. Editorial Gustavo Gili, S.A. Barcelona. 1974.
3. Calderín, Yanelis; Fragoso, Alexander y Martínez, Ariel. Trabajo de Diploma. Universidad de Pinar del Río. 1998.
4. Heine, R.W; Loper, C.R y Rosenthal, P.C. Principales of metal casting. McGra-Whill Book Company. New York. 1967.
5. Howard, E.D. Tratado práctico de fundición. Editorial Aguilar Madrid. 1962.
6. San Solo, A.W. Controlling the humidity of cupula blast air. Modern Casting, vol. 89. Nº4. April 1999.
7. Sujarchuk, Y.S y Jundkin, A.K. Fusión del hierro fundido en hornos de cubilote. Editorial Construcción de Maquinaria. Moscú. 1989.
8. Vetichka y otros. Fundamentos teóricos de la producción por fundición. Editorial Escuela Superior. Kiev. 1981.