07 marzo 2013

Producción de acero con horno de cubilote

Tutorial de cómo fabricar un horno tipo cubilote para fundición de hierro y producción de acero. Al final se muestra el acero producto de la fundición.


Ha llegado el momento de realizar la primera fundición de hierro medianamente controlada. Para ello he construido un horno de cubilote que es el modelo más sencillo para fundir metales, dado que en el mismo compartimento que se encuentra el combustible (en este caso carbón vegetal) se halla el metal a fundir sin necesidad de crisol. Este tipo de hornos es de desarrollo vertical, como se ve en los diagramas inferiores.


La desventaja de producir acero con este modelo de horno es que no se puede controlar el porcentaje de carbono que adquiere el hierro, pudiendo sobrepasar el 1,5 o 2 % y haciendo demasiado quebradizo el acero. En este caso el producto se denomina fundición gris, y no sirve para forjar.
Pero como primera experiencia en fundición de metales ferrosos creo que bastará y además es hora de hacerle honor a la denominación de esta web. A continuación muestro el funcionamiento del horno y sus características (he reflotado un poco, sólo un poco, mi antigua afición al Blender

video

Como se ve en la animación, el aire ingresa por la parte inferior de un compartimiento anexo a la cámara de combustión y luego entra a la misma por una abertura superior que se oriente de arriba hacia abajo.
En este tipo de hornos para producir acero la materia prima puede ser chatarra, hierro dulce en forma de barras o similares, mineral de hierro. Y como materiales requeridos es necesario un fundente que puede ser roca caliza o algún otro (como aquí que usé bórax).

Construcción del horno


Los materiales para la construcción son tierra colorada, pasto seco y ladrillos comunes. Se empieza formando el pastón de adobe y realizando la base del horno. Estos hornos de cubilete suelen tener una perforación en la base denominado canal de sangría por donde sale el material fundido. Pero ello es más bien para verter dicha colada en algún molde. En este caso, como el producto es para forja, no le realicé ninguna salida. Aunque sí le realicé una concavidad para alojar el acero a medida que va derramándose hacia el fondo del horno.


Algo fundamental es saber que los ladrillos comunes se derriten cuando las temperaturas superan los 1200 grados Celsius, por lo que el barro deberá cubrirlos por completo. De lo contrario se tendrán que usar refractarios.

Elevación del horno. Los ladrillos necesitan revestirse
por completo de adobe
Aunque pude comprobar (no digo nada nuevo con esto) que el adobe es tan buen aislante térmico que luego de mantener el horno encendido por 40 minutos la parte exterior estaba tan fría como cuando estaba apagado. Por lo que usar ladrillos refractarios en este caso no se justificaría demasiado.


Arriba se muestra cómo realizar la cámara de oxigenación . Ese ladrillo que se ve es provisorio y luego de techada esa cámara se retira y se le practica el orificio para la entrada de aire a la cámara de combustión.

Interior del horno de cubilote
Aquí se ve el horno terminado. El mismo se ha de dejar secar uno o dos días y ya se podrá encender para realizar la primera y única fundición con el mismo, pues se destruye cuando se termina de fundir.


Fundición del hierro para producir acero
A los dos días el horno ya estaba lo suficientemente seco como para producir el acero. Para ello se apresta el combustible, la chatarra que usaremos y el fundente:


En el siguiente video se aprecia el horno en funcionamiento y la producción de la esponja de acero.


Por momentos, parecía como si los niveles de oxígeno dentro del horno decaían, por lo que en el próximo agrandaré el orificio de entrada del aire.


Como dato importante, efectivamente se me derritió parte de un ladrillo que había quedado expuesto en la parte interior. Por suerte la costra de adobe exterior ni se inmutó y siguió cumpliendo su función estructural y aislante. Ahora habrá que tomar esa esponja de acero y forjarla para ver qué tan buena ha salido.

Esponja de acero recuperada del fondo del horno
La prueba de la chispa indicó que el porcentaje de acero de algunas partes de esta esponja era alto. Aquí lo difícil, como se dijo más arriba, es que dicho porcentaje sea bajo, pues al estar rodeado de carbón la aleación se forma naturalmente por difusión. Por lo que pude notar, luego de retirarle gran parte de la escoria, es que tiene un buen núcleo bastante homogéneo (tiene algunos poros de escoria).

Vista de parte del núcleo de acero
Me gustaría disponer de un espectrómetro de masas para ver qué tanto carbono tiene este acero, pero es imposible. Lo único que resta es ponerlo al rojo y eliminar a martillo toda la escoria extra y comprimir la esponja. En caso que se fracture demasiado será menester caldear esos componentes. Algo va a salir de esto (1178 gramos), en el peor de los casos un cuchillo pequeño.
Mi próximo desafío al respecto es construir un horno similar pero para crisol. En estos, el acero se forma dentro de un crisol, en el que se han depositado los trozos de hierro, el fundente y el carbón en las proporciones adecuadas. Pero eso es otra historia. Cualquier consulta o sugerencia saben que aquí estaré, pensando ya en forjar esta esponja de acero.

20 comentarios:

Yllart Martinez dijo...

Me deja usted cada vez más sorprendido! Ya tengo otro proyecto pendiente! :-)

Un abrazo y a seguir con el buen trabajo!

Mariano Miguel dijo...

Muchas gracias amigo Yllart. Este año voy a intentar mantener cierta constancia en los trabajos. ¿Cuál es el nuevo proyecto? Ya voy a mirar. ¡Saludos cordiales y gracias por el comentario!

Yllart Martinez dijo...

Pues precisamente este que has hecho tu, pero partiendo de arena ferrosa. Es bastante más sucio y largo, pero a ver si lo consigo :-) (aparte de otros en los que ando trabajando, cuántas cosas y qué poco tiempo...)

Mariano Miguel dijo...

Interesantísimo ha de ser partir del mineral de hierro para producir finalmente una hoja de arma blanca. En ese caso como fundente podrías usar roca caliza. Suerte con el proyecto y aunque se que los tiempos son tiranos, estaré pendiente de tu canal cuando subas las experiencias. ¡Saludos!

Anónimo dijo...

Me parece que ud. sigue fielmente el plan de:

http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/080/htm/sec_6.htm

Que haya suerte.

Anónimo dijo...

Aquí se encuentra una práctica de un cubilote , "más estándar".

https://docs.google.com/viewer?a=v&pid=explorer&chrome=true&srcid=0B7pa3IpTjtqUYjgzNWZkNDktYjRhNC00ODI0LWIzYmMtZjk5MDU0YzQzMjk5&hl=es

Lo más útil son los detalles tan precisos que da, sobre medidas construcción, funcionamiento....

Nota: En inglés, cubilote se traduce por "cupola", este concretamente "coke cupola", también "blast furnace", hornos con chorro de aire, soplantes. También se puede buscar en google por " iron melting furnace".

Mariano Miguel dijo...

¡Vaya!, muy interesante el enlace. Más tarde lo leeré con detenimiento.
Saludos y muchas gracias por el valioso aporte

Mariano Miguel dijo...

Muy interesante y constructivo también este otro material. Pongo el link a la página original que enlazó el pdf:
http://fusiondemetalesferrosos.blogspot.com

Anónimo dijo...

Veo que muchas veces ha hablado del tema del ensayo de la chispa, y tal vez, debiera hacer un temario básico en su blog, como divulgación para aquellos con pocos conocimientos.

Aquí le dejo una simpática introducción:

http://es.scribd.com/doc/56847172/Identificacion-de-los-metales

En cuanto a la composición del acero / hierro esponja, existe la Química analítica, el análisis industrial; para determinar la composición en % peso de carbono, basta tomar una muestra y quemarla a 1000ºC, pesando posteriormente el CO2 formado (análisis gravimétrico). El problema es que los aparatos necesarios son caros y se necesita especialización en la materia, o sea licenciado en química o ingeniero en química industrial.

Se indica para conocimiento o cultura general:

http://es.scribd.com/doc/53560704/AI-T-11-Productos-Finales-Ensayos-Quimicos

NOTA: Estos ensayos introductorios de la Universidad de Oviedo se pueden encontrar poniendo en google "análisis industrial AI T- ", hay desde AI T-01, a AI T-14.

Anónimo dijo...

Para darle más "autenticidad", ya que no existía el coque en la Edad Media:

Métodos simples para fabricar carbón vegetal...

http://www.fao.org/docrep/X5328S/X5328S07.htm

http://www.fuegoterapia.com/combustible/articulos/carbonvegetal.html

o, el estilo japonés del medioevo:

http://www.katanabuilders.com/katanablog/charcoal/?album=2&gallery=2

Es cuestión de práctica hasta cogerle el truquillo.

En cuanto al "hierro":

- Saber algo del metal, claro:

http://es.wikipedia.org/wiki/Hierro

- Y conocerlo en estado natural: hematita, magnetita,siderita, limonita, ....

Aquí un ejemplo de magnetita y de depósitos de óxidos férricos:

http://www.katanabuilders.com/katanablog/hunting-iron-ore/






Mariano Miguel dijo...

Muchas gracias por los aportes, estimado señor Anónimo. Voy a tener en cuenta el hecho de realizar una entrada explicando acerca de las chispas y los distintos aceros e hierros. Y sí, desde la Química Analítica se puede hacer mucho.
Saludos cordiales.

Mariano Miguel dijo...

Siempre me interesaron las técnicas de fabricación del carbón vegetal. Será, como dice, cuestión de practicar.

Anónimo dijo...

Hola! gran pagina, mis felicitaciones, muy util todo, alomejor le interesa echar un vistazo a esta página de un maestro en forja y fundición para perfeccionar un poco el funcionamiento del horno! un abrazo :)

http://www.staff.hum.ku.dk/dbwagner/tiny.html

Mariano Miguel dijo...

Hola
Muchas gracias y se agradece también el aporte del link.
¡Saludos cordiales!

Guido dijo...

Muy bueno Mariano tu bolg. Realmente te felicito por el tiempo que le ocupas a tu página y la cantidad de materiales que subìs. Cuando uno trabaja en la fragua y sobre todo en proyectos dificiles, uno se concentra a tal punto que el tema de las fotos y videos queda todo de lado o por lo menos eso me ocurre a mi muchas veces.
Bièn te cuento que yo tengo una herreria en la cual hacemos trabajos con tecnicas de herreria moderna, pero tambièn trabajamos bastante el tema de la forja artesanal. NO solo armas sino de todo un poco, herramientas, cuchillos, llamadores, herrajes, todo a la fragua.
Vivo cerca de Rìo Turbio, en Santa Cruz, Argentina, por lo cual el carbòn vegetal me es relativamente fàcil de conseguir ya que allì se encuentra una mina de carbòn.
Hoy descubrì tu pàgina, la cual me parece muy interesante y con el tema de la fundiciòn de acero querìa hacerte una pregunta que se me vino a la mente mientras leìa el blog y como yo nuncqa probè fundir acero, no lo he experimentado, pero ¿serìa posible descarburizar esa esponja de fundiciòn, con un porcentage de carbono mayor al 2% y convertirlo en acero; en la fragua, obviamente pasandolo de temperatura crìtica, mas de 900 o 1000 grados centigrados y martillando? Esto repito que no se si es posible, solo se me acaba de ocurrir mientras leia el blog por conclusiones teòricas que saco, si uno pasandose del punto crìtico descarburiza, tal ves serìa posible pasar de fundiòn gris a un acero. Dejo mi pregunta y prometo tambien intentar probarlo y contarle, previo fabricar el horno.
Gracias por su tiempo

Mariano Miguel L. dijo...

Hola Guido.
Si es verdad que se complica filmar y trabajar al mismo tiempo. De hecho este verano hice algunas cosas (cortafierros y pinzas) y se me pasó filmar para subir al blog.
Con respecto a bajarle el porcentaje de carbono, justamente eso leí que hacían en la antigüedad, lo llevaban al punto en que hacía chispitas (a unos 1200ºC más o menos) y lo trabajaban a golpes. Yo lo probé y se va desarmando hasta que queda un núcleo que se puede forjar. Quedé en fabricar un horno más alto para lograr mayores temperaturas pero todavía no lo hice. Si lo fabricas mejor que sea unos 30 cm más alto así se funde a mayor temperatura y la escoria flota bien separada del resto. También, lo mejor sería forjarlo en una fragua a gas para decarburar mejor dado que en una a carbón vuelve a tomar carbón de las llamas. Nos mantenemos en contacto. ¡Saludos cordiales!

Guido dijo...

Impresionante velocidad de respuesta, y muy buenos datos los cuales suenan lógicos, voy a probarlo, no prometo cuando porque debo alternarlo con el trabajo diario, pero me pondré en campaña para hacer el experimento y cruzar datos contigo. Tengo ladrillos refractarios para 3400 °C, con los cuales puedo construir el horno y arcilla de la zona para el adobe, lo que se me complica es el soplador que el que tengo es manual y si necesito darle muchas horas se hace fastidioso, por eso me servirían algunas preguntas de tu horas de experiencia que me gustaría facilitaras ¿más o menos cuanto tiempo te llevo hacer el proceso de fundirlo (horas de horno y combustible)? Me pareció que era carbón vegetal lo que usaste ¿Cómo te diste cuenta que estaba todo el metal fundido? Y por último ¿crees que se pueda usar arena de granito como fundente?
Muchas gracias por tu tiempo y espero poder contarte mi experiencia próximamente.

Mariano Miguel L. dijo...

La verdad que se funde muy rápido si hay buen suministro de aire (en menos de una hora) y con no tanto gasto de carbón vegetal dado que lleva unos 15 a 20 kg para unos kilos de hierro. El tema de saber cuándo se funde es relativamente fácil. Se carga el horno asta arriba y se enciende, cuando baja a la mitad se agrega el hierro en forma de chatarra chica (clavos y todo eso). Y el fundente que puede ser piedra caliza, bórax o arena como comentas. Cuando el horno baja de vuelta a más o menos a la mitad se puede hacer otra carga. Eso unas tres veces y en el fondo va goteando el metal fundido que se mantiene en ese estado porque en ningún momento se queda sin carbón. Por eso una vez que está encendido es todo muy rápido. También, en el momento en que el metal está a unos 1400ºC se ilumina mucho el interior del hornito y empiezan a salir estrellitas, luego de eso se funde.
¡Saludos de vuelta!

Anónimo dijo...

Hola, como te va, he visto el video en youtube y así llegue a tu página; es muy interesante la experiencia de fundir acero de esta manera; pero creo que aunque parezca tener mucho carbono el acero, es cuestión de tecnica el poder hacer algo interesante; el video me recordó como los japoneces hacen el acero de sus katanas, y por eso te recomiendo el enlace:

http://youtu.be/Kw14QhVsMcY

ahí podras ver como a partir de una gran "Esponja de acero", o mas recisamente "tamahagane" y mediante un paciente trabajo de selección y forjado logran un producto de acero muy especial.
Por supuesto, si se busca fundir acero habria que explorar otras formas de trabajo.
Saludos!.

Mariano Miguel L. dijo...

Muchas gracias por el aporte. Ya miro el video para sacar nuevas ideas como comentas. ¡Saludos cordiales!