IAMB 200520 06 ANÁLISIS PARA LA OBTENCIÓN DE VIDRIO INCOLORO A PARTIR DE LOS DESECHOS PRODUCIDOS EN LA FUNDICIÓN DE METALES CAMILA CORTES SEVERINO Tesis presentada a la Universidad de los Andes como requisito parcial de grado del programa de pregrado de Ingeniería Ambiental Asesor JOHANA HUSSERL UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE INGENIERIA AMBIENTAL BOGOTÁ, DICIEMBRE DE 2005
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Tesis presentada a la Universidad de los Andes como ...
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IAMB 200520 06
ANÁLISIS PARA LA OBTENCIÓN DE VIDRIO INCOLORO A PARTIR DE
LOS DESECHOS PRODUCIDOS EN LA FUNDICIÓN DE METALES
CAMILA CORTES SEVERINO
Tesis presentada a la Universidad de los Andes como requisito parcial de grado del programa de pregrado de Ingeniería Ambiental
Asesor
JOHANA HUSSERL
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA AMBIENTAL BOGOTÁ, DICIEMBRE DE 2005
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I
Índice PG
1. Introducción 1 2. Hipótesis y tareas específicas 3 3. Marco teórico 5 3.1 Proceso de producción en la fundición de metales 5 3.1.1 Pre-tratamiento de los desechos y residuos metálicos 9 3.1.2 Precalentamiento 11 3.1.3 Fusión y hornos utilizados en el proceso 12 3.1.3. a Propiedades y fundición del magnesio 13 3.1.3. b Propiedades y fundición del aluminio 15 3.1.4 Escoria 17 3.1.5 Operación de afinación (mejora) 20
3.1.6 Molde y preparación de machos o corazones 23
3.1.7 Materia prima para la producción de moldes y machos 26
3.1.8 Colada y enfriamiento 30
• Colada en cera persa • Colada con arena verde • Colada en coquilla por gravedad • Colada modelo no permanente de poli estireno expandido: Lost Foam
3.1.9 Desmolde 35 3.1.10 Limpieza y acabado 35 3.1.11 Desechos producidos por la fundición 36 3.2 Teksi getti Speciali SpA (Borgaretto) 38 3.2.1 Proceso productivo 39
• Producción de fundición en aluminio • Producción de fundición en magnesio • Línea de micro fusión
3.2.2 Material de ingreso al establecimiento 43 3.2.3 Material eliminado del establecimiento 43
3.3 Teksid Aluminium SpA (Carmagnola) 45 3.3.1 Proceso productivo 45
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3.3.2 Material de ingreso al establecimiento 46 3.3.3 Material eliminado del establecimiento 46
3.4 El vidrio 48 3.4.1 Historia 48 3.4.2 Tipos de vidrio 50 3.4.3 Producción del vidrio 53
• Materia prima • Color • Calculo de mezcla vidriosa • Ciclo de producción
3.5 Propuesta de recuperación 60
4. Metodología Experimental 63 4.1 Material de desecho caracterizado Teksi getti Speciali SpA (Borgaretto) 63
• Análisis granulométrica • Análisis químico
4.2 Material de desecho caracterizado Teksid Aluminium SpA (Carmagnola) 66 • Análisis granulométrica • Análisis químico
4.3 Pruebas de tratamiento para la recuperación de los desechos estudiados 69 4.3.1 Prueba de disolución (Forme magnesio) 69
• Análisis químico 4.3.2 Mezcla de dos desechos (Sfridi y Fango Policast) 71
• Análisis químico 4.3.3 Prueba de fusión 72 4.3.4 Mezcla de vidrio utilizada 74
5. Resultados y análisis 77 6. Conclusiones 79
7. Bibliografía 81
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1. Introducción
Lo desechos sólidos existen desde el principio de la humanidad. Antes no
representaban problema alguno, ya que la cantidad generada era poco significativa y
el medio ambiente los podía “reutilizar”.
Con la evolución de la humanidad la generación de residuos ha ido aumentando, lo
que genera un fuerte problema a nivel global y por lo tanto se esta haciendo un
esfuerzo por tratar, rehusar o disminuir estos residuos.
Unas de las industrias que han prosperado con el tiempo y es gran generadora de
residuos sólidos es la industria de la fundición. Esta industria genera residuos ferrosos
y no ferrosos dependiendo de su producción. (Martínez, M. 2004)
Teniendo en cuenta como es el proceso de fundición de metales, las características
del residuo y la cantidad que se están generando; podemos evaluar e idear técnicas de
rehúso o confinamiento de estos residuos para utilizarlo en otras aplicaciones.
(Martínez, M. 2004)
El objetivo del trabajo es la caracterización y valoración de la posibilidad de
recuperación de los residuos generados por las industrias Teksid getti speciali SpA
(Borgaretto) y Teksid Aluminium SpA (Carmagnola), ubicadas en la provincia de
Torino, dedicadas a la fusión secundaria de aluminio, magnesio y sus aleaciones.
El proceso de fusión se clasifica en tres grupos:
- Fusión primaria: Transformación del mineral o del oxido que contienen el
metal de interés, en lingotes, en un producto semielaborado o en el producto
final.
- Fusión segundaria: La alimentación del horno encargado de fundir el metal,
esta constituida por lingotes de composición predefinida o de restos metálicos
de provenienza diversa.
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- Fusión terciaria: se da mediante el recupero y la refusión de los desechos
producidos por los dos tipos de fusión nombrados anteriormente. (Zanetti, M,
Fiore, S, Rufino,B, Genon,G. 2003)
El presente trabajo tiene como objetivo principal proponer y valorar soluciones por
medio de la ingeniería para la recuperación y valoración de la fracción útil de los
desechos producidos por las dos empresas objeto de estudio.
Una buena estrategia para reducir el problema derivado por los desechos industriales
es citada por la EPA, donde se muestran los siguientes objetivos:
- Reducción de la producción del residuo en la fuente
- Reciclaje y reutilización de los desechos producidos teniendo en cuenta una
valoración económica
- Tratamiento de los desechos para reducir el nivel de toxicidad y
eventualmente recuperar la energía producida durante la incineración
- Dar salida a la fracción de desechos con la tecnología más oportuna para así
poder minimizar el riesgo que estos generan hacia el hombre y el medio
ambiente. (EPA, 1995)
Para valorar el residuo producto de una industria, se debe tener en cuenta:
1. Caracterización físico-química por medio de análisis químico y
granulométrico
2. Elección de un sector industrial en el cual sea posible reutilizar algunos de los
residuos
3. Establecer cual tratamiento físico-químico adoptar para la regeneración de los
residuos destinados a la recuperación
4. Pruebas de laboratorio para establecer si el material regenerado es apto para
introducirlo dentro de un sector industrial. (Ferrero, P. 2000)
Por medio de esta investigación se busca reutilizar los desechos generados en la
fundición de metales dentro de otro proceso industrial, con el objetivo de reducir el
impacto ambiental que estos generan y buscar alternativas que sean tecnológicamente
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viables. Por lo tanto se hizo una caracterización físico-química de los desechos
generados por las industrias Teksid getti speciali SpA (Borgaretto) y Teksid
Aluminium SpA (Carmagnola), para luego investigar en que sector industrial era
posible introducir estos residuos. Se investigaron varias industrias donde se podría
introducir el material de desecho; dentro de la industria de cemento, para la
fabricación de cerámica, para la construcción de carreteras y para la producción de
vidrio.
Después de una oportuna investigación se decidió recuperar el compuesto
denominado mescolone (sfridi <0.6mm y Fango policast), proveniente de
carmagnola y el compuesto Forme Mg, proveniente de Borgaretto, para la
producción de vidrio, ya que ambiental y económicamente representaba una excelente
opción.
2. Hipótesis y tareas específicas
Actualmente, la mayoría de las industrias no controlan completamente la generación
de residuos en sus procesos. Este problema se presenta principalmente en las
pequeñas y medianas industrias, ya que no cuentan con los recursos económicos y
humanos necesarios para reducir la generación de residuos. (Martínez, M. 2004)
En este proyecto se busca una alternativa para el manejo de los residuos provenientes
de la fundición de aluminio, magnesio y sus aleaciones; pues ahora existe la
necesidad de prevenir y/o controlar la generación de residuos industriales para reducir
sus impactos tanto para el ambiente como a la salud humana. (Ley 9 de 1979)
Este proyecto está basado en la hipótesis de que una parte de los desechos producidos
por la industria de la fundición de metales (aluminio y magnesio), de las empresas
Teksid getti speciali SpA (Borgaretto) y Teksid Aluminium SpA (Carmagnola), puede
ser utilizado como parte de la materia prima para la fabricación de vidrio y que otra
parte de los desechos, puede ser reciclada como materia prima dentro del mismo
proceso de fundición de metales. El objetivo es darle valor a el desecho sea desde el
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punto tecnológico que desde el punto de vista económico, reduciendo el impacto que
este genera en el medio ambiente.
Para investigar la veracidad de la anterior hipótesis se realizaron las siguientes tareas
específicas:
• Caracterización físico-química de los residuos generados por las dos
empresas, por medio de análisis químico y análisis granulométrico.
• Establecer cuales de los procesos (físico-químicos) adoptar para el
pretratamiento de los residuos destinados a la industria del vidrio.
• Ejecución de pruebas de laboratorio, para establecer si el material regenerado
es apto para introducirlo dentro de la industria de vidrio. Se realizaron análisis
químicos y granulométricos de material regenerado.
• Realización de pruebas de fusión, para la fabricación de vidrio.
• Pruebas para la reutilización de algunos residuos al interior de las fabricas
(Teksid getti speciali SpA (Borgaretto) y Teksid Aluminium SpA
(Carmagnola)). (Zanetti, M, Fiore, S, Rufino,B, Genon,G. 2003)
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3. MARCO TEORICO
3.1 Proceso de producción en la fundición de metales
Por medio de la fundición de metales es posible obtener una serie de productos
finales, con características físicas, metalúrgicas y dimensiónales bien definidas,
colando el metal liquido directamente en un molde. (Tonda,E. 1997, tesis)
La industria de la fundición de metales se divide en dos procesos, dependiendo del
tipo de metal producido:
- metales ferrosos (acero, hierro)
- metales no ferrosos (aluminio, magnesio, cobre, zinc, plomo, níquel y otras
aleaciones)
La utilización de metales no férreos ha tenido un enorme incremento en la industria,
en el comercio, en el transporte, en la construcción y, en general, en múltiples y
diversos usos del hogar moderno. Especialmente los metales livianos, como el
aluminio y sus aleaciones, se han posicionado en los últimos años en un lugar muy
importante.
En este trabajo se hablará de los principales metales no férreos, se indicaran algunas
de sus aleaciones, y se estudiará su proceso de fusión. (Tonda,E. 1997).
El proceso de fusión se desarrolla en los siguientes pasos:
- Pretratamiento
- Pre calentamiento
- Fusión
- Escoria
- Afinación y mejora
- Molde y preparación machos
- Colada
- Desmolde
- Limpieza y acabados
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La fundición es el proceso de fabricación por el cual se somete un metal a
temperaturas superiores a su punto especifico de fusión, para luego vaciarlos en
moldes que reproducen las dimensiones y formas del producto a elaborar y dentro de
los cuales se solidifican las piezas metálicas. Los pasos para el proceso de fundición,
empiezan con la introducción de la materia prima, para la preparación de la carga (los
metales utilizados por las fabricas son aluminio y magnesio); el siguiente paso es la
fusión de la materia prima, esta fusión puede ser primaria secundaria o terciaria. Una
vez ya fundido el metal se le debe hacer un tratamiento, ya que, se pueden presentar
problemas como la acumulación de gases. Paralelamente al proceso descrito
anteriormente, se desarrolla otro proceso que es la fabricación de moldes y machos.
Los moldes pueden ser no permanentes (cada uno de los moldes es utilizado una vez
y después se destruyen en el momento que se extraen las piezas) o moldes
permanentes que son muy utilizados en la fundición de metales no ferrosos
(especialmente para la fundición del aluminio).Una vez se hayan desarrollado los
pasos nombrados anteriormente se procede a la colada del metal (vertido del metal
fundido en los moldes), para después pasar al paso de enfriamiento y una vez que se
encuentre totalmente sólido el metal se desmolda la pieza para luego hacerle una
limpieza y terminar los acabados. (Tonda,E. 1997)
Este proceso se muestra en la figura 1
.
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Figura 1 - Proceso de fundición de metales no ferrosos.
El proceso de fusión se clasifica en tres grupos:
- Fusión primaria: La alimentación del horno encargado de fundir el metal de
interés, esta constituida por la transformación del mineral o del oxido que
contiene el metal. El producto final son lingotes (producto semi elaborados)
(Figura 2).
- Fusión secundaria: La alimentación del horno encargado de fundir el metal de
interés, esta constituida por lingotes (provenientes de la fusión primaria) o por
restos metálicos de proveniencia diversa (Figura 3).
- Fusión terciaria: La alimentación del horno esta constituida por la escoria y
los residuos recuperados producidos en la fusión primaria y secundaria
(Figura 4).
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Figura 2- Fusión primaria
Figura 3 – Fusión secundaria
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Figura 4 – Fusión terciaria
La fusión secundaria es la utilizada por las empresas objeto de estudio.
(Tonda,E. 1997, tesis)
3.1.1 Pre-tratamiento de los desechos y residuos metálicos
Antes de la introducción de los restos metálicos en el horno, se debe hacer un proceso
de pretratamiento. Esto se hace con el objeto de remover la fracción no deseada que
pueden llegar a tener los restos metálicos, obtenidos en fusiones anteriores, para una
fusión secundaria.
Para fusiones secundarias también puede utilizarse como materia prima residuos
provenientes de campañas de reciclaje y recolecta diferenciada como latas, armazones
de ventanas, cables eléctricos, etc. (Ferrero, P. 2000)
Los procesos de pretratamiento se dividen en:
1. Procesos mecánicos
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2. Procesos piro metalúrgicos
1. Procesos mecánicos:
a. Rompimiento de los residuos en un molino con martillo, que tiene
como finalidad mejorar la tasa de rendimiento del proceso de
fundición.
b. Separación magnética de los metales ferrosos.
c. Separación electrostática de los metales no ferrosos.
d. Remoción de los materiales de baja densidad (cartón, papel, plástico),
mediante un clasificador de aire. (Ferrero, P. 2000)
2. Procesos piro metalúrgicos:
• Roasting: Calentamiento de los residuos metálicos con un bajo punto de
fusión para liberar las sustancias orgánicas (aceite y pintura). Este se hace a
una temperatura lo suficientemente elevada para así gasificar los compuestos
orgánicos y no para fundir el metal.
• Sweating: Calentamiento de los residuos metálicos provenientes del
pretratamiento mecánico, a una temperatura superior al punto de fusión del
metal de interés (bajo punto de fusión), pero inferior al del metal con un alto
punto de fusión.
Por ejemplo el aluminio (bajo punto de fusión), se derrite en un canal de
recolección; mientras los metales con un alto punto de fusión (hierro, cobre) y
los productos formados por la oxidación durante el proceso no se funden. Por
lo tanto estos materiales pueden ser eliminados de la zona inferior del horno,
mientras el aluminio es extraído por medio de los canales. (Ferrero, P. 2000)
Los puntos de fusión de los diferentes metales se muestran en la tabla 1
Tabla 1- punto de fusión de los diferentes metales
Metal Temperatura de
fusión (°C)
Temperatura de
ebullición (°C)
Densidad a
20°C (g/cm3)
Hierro 1534,8 2749,8 7,87
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Aluminio 660,41 2467 2,70
Cobre 1083,5 2569,9 8,96
Zinc 419,53 907 7,13
Magnesio 649 1105 1,74
• Proceso Hot dross: Es un proceso con calor, que se emplea en la fundición del
aluminio. Es realizado en un horno cilíndrico giratorio, en el cual a la escoria
se le añade criolita (fluoruro alúmina de sodio Na3AlF6), que es un catalizador
para disminuir la tensión superficial del aluminio y liberar el metal de la
escoria. (Ferrero, P. 2000)
3.1.2 Precalentamiento
La finalidad de precalentar el metal antes de su introducción en el horno de fundición
es la siguiente:
• Remover la humedad del material para reducir la posibilidad de explosión
entre el vapor de agua y el metal.
• Remover los contaminantes y el aceite para poder obtener un material mas
limpio y menos susceptible a la formación de escoria.
• Menor gasto de energía en el horno de fundición.
Para precalentar el metal se puede utilizar la energía térmica que genera el gas
utilizado para el proceso de fusión. (Ferrero, P. 2000)
El precalentamiento se hace cuando se utilizan para la fundición lingotes y restos
metálicos. Cuando el metal utilizado para la fundición es el magnesio se debe hacer
un precalentamiento previo, ya que este produce una reacción explosiva cuando se
encuentra en contacto con la humedad atmosférica. Por lo tanto se debe encontrar
seco en el momento que sea introducido en el horno. El precalentamiento se debe
hacer a una temperatura de 150 °C. (Ferrero, P. 2000)
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3.1.3 Fusión y hornos utilizados en el proceso
Las características de los restos metálicos, como la dimensión, el contenido de
óxidos, el grado de contaminación y el proceso de pretratamiento al cual hayan sido
sometidos, son algunos de los factores que se tienen en cuenta para saber que tipo de
horno de fundición es apto y para calcular la cantidad de agentes escorificantes
(sustancia que asume una doble función, la de capturar los contaminantes presentes y
la de generar una escoria que impide el contacto del metal fundido con el aire), que se
deben introducir en el proceso; con el fin de maximizar la recuperación del metal
tratado.
En la mayoría de los casos no es oportuno utilizar un único horno que lleve a cabo la
función de horno de fundición, de espera y de colada, ya que se presentan fuertes
variaciones de temperatura que pueden afectar el rendimiento del proceso.
La solución que se prefiere es un sistema que comprenda un horno de
precalentamiento, un horno de fusión y un horno de espera y de colada, donde cada
uno depende del otro. La ventaja de este sistema con tres hornos diferentes, es por
que la variación de temperatura y la eliminación de la mayor parte de las impurezas
solamente va a ocurrir en el horno de precalentamiento.(Zanetti, M, Fiore, S,
Rufino,B, Genon,G. 2003)
Los principales tipos de hornos utilizados en el proceso de fundición de metales son
los siguientes:
1. Horno a Cubilote
2. Horno de reverbero alimentado por combustible
3. Hornos eléctricos
4. Hornos a inducción
5. Hornos eléctricos a inducción sin núcleo:
6. Hornos eléctricos a reverbero
7. Hornos de Arco voltaico
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3.1.3. A Propiedades y fundición del magnesio
Mientras que el aluminio se obtiene, de un solo mineral y mediante un proceso único,
el magnesio se encuentra en formas muy diversas, obteniéndose por procesos muy
diferentes.
Los minerales principales que contienen magnesio son los siguientes:
3. Magnesita CO3Mg,
4. Dolomita CO3Mg. CO3Ca,
5. Serpentina
6. Canalita.
Además se encuentra también en el agua de mar en una proporción de 0,13 por ciento
por peso.
El principal problema en la obtención de magnesio radica en las fuertes afinidades
químicas de este elemento, necesitándose para su aislamiento gran cantidad de
energía.
El magnesio empleado generalmente tiene una pureza del 99,7%, pero puede
obtenerse químicamente puro.
Las propiedades son:
Es el más liviano de todos los metales de importancia industrial: Peso especifico de
1,74 Kg/dm3, se funde a 650°C y tiene un aspecto semejante al aluminio. Posee una
estructura cristalina hexagonal. Se rompe con facilidad al presionarlo en un sentido
determinado. La resistencia a la tracción es de 17,5 Kg/mm2, aproximadamente con
un alargamiento del 6%. La conductividad térmica del magnesio es baja, solo el
44,4% de la del cobre y el 79% de la del aluminio; su conductividad eléctrica también
es baja, solo 38,6% de la del cobre y el 65% de la del aluminio.
El magnesio arde con intensa luz blanca, produciendo una muy alta temperatura
(1750°C). (Metals Handbook IX ed, vol15.1988)
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El magnesio opone escasa resistencia ala corrosión. Es atacado por la mayoría de los
ácidos, por el agua salada y soluciones de cloruro de sodio en general, siendo sin
embargo resistente a los álcalis. Se emplea en muchos procesos metalúrgicos no
ferrosos como desoxidante y depurador, por su gran afinidad con el oxigeno; por
ejemplo para las aleaciones de níquel, para eliminar el bismuto del plomo, etc.
El magnesio puro no es adecuado para la fundición, debido a sus inferiores
propiedades físicas. Mediante una adecuada aleación, se consigue mejorar las
propiedades mecánicas y físicas del magnesio, de tal manera que hoy en día es un
material importante para la construcción y en particular para la fundición. (Metals
Handbook IX ed, vol15.1988)
Las ventajas que tiene las aleaciones con magnesio:
Gran capacidad de amortiguamiento y elevada resistencia a la fatiga. Otra propiedad
importante en las aleaciones con magnesio es su gran resistencia al choque, por lo que
se prefiere en construcciones.
Las piezas fundidas de aleaciones de magnesio son estables; sus buenas propiedades
mecánicas motivan que el 85% de las aleaciones de magnesio como material de
construcción sea justamente en forma de piezas fundidas. La alta fluidez permite la
colada de piezas con paredes finas y de diseños complicados.
Una de las desventajas de las aleaciones con magnesio es su escasa resistencia a la
corrosión, especialmente en ambientes húmedos. Para evitar la corrosión las piezas
fundidas se someten a un tratamiento químico de protección. (Metals Handbook IX
ed, vol15.1988)
Los principales elementos aleantes de las aleaciones del magnesio son el aluminio, el
zinc, el manganeso y el silicio.
El aluminio se emplea para aumentar la resistencia y la finura del grano de las piezas
fundidas. El incremento del contenido de aluminio mejora gradualmente las
características para la fundición. La aleación con una proporción del un 10% de
aluminio tiene buena fluidez y excelentes propiedades mecánicas.
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El zinc mejora la dureza y la fusibilidad de las aleaciones de magnesio y aluminio. El
contenido de zinc debe ser limitado, ya que una proporción de más del 3% provoca
rajaduras, porosidades y otros defectos en las piezas fundidas.
El manganeso mejora la resistencia a la corrosión y las propiedades de corte rápido y
fácil maquinabilidad de las piezas fundidas. (Metals Handbook IX ed, vol15.1988)
El silicio con su presencia aumenta, la fluidez de la aleación.
En tabla 2 se muestra la composición de las aleaciones para la fundición del
magnesio:
Tabla 2 - Composición de las aleación para la fundición del magnesio.
Aluminio 0 – 0,2 %
Manganeso 0,05 – 0,3 %
Zinc 0 – 0,2 %
Silicio 0,6 – 1,5 %
Cobre 0,3 %
Magnesio Resto
Piezas fundidas de aleaciones de magnesio se utilizan en la industria de la aviación
para partes de motores, cajas de instrumentos y también en la industria de
automotores. (Metals Handbook IX ed, vol15.1988)
3.1.3. B Propiedades y fundición del aluminio
El aluminio se obtiene por un proceso electrolítico de la alúmina (caolín, leucita,
laterita, etc).La alúmina, se encuentra en gran cantidad de minerales, el más
importante, desde el punto de vista industrial es la bauxita, la cual contiene la alúmina
en una proporción del 50 al 60%, y además también se encuentra en el oxido de
hierro (FeO3) y sílice (SiO2). (Metals Handbook IX ed, vol15.1988)
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La separación de la alúmina pura de la bauxita se efectúa mediante procedimientos
químicos y mecánicos, obteniéndose primero un compuesto denominado hidrato de
alúmina (AL2O8.3H2O), el cual luego es filtrado y calcinado en hornos rotativos,
consiguiéndose finalmente la alúmina en forma de polvo blanco.
El metal comercialmente utilizado tiene una proporción de 1% de impurezas, que
consiste en hierro, silicio y cobre.
Las propiedades del aluminio son:
Es liviano, tiene un peso específico de 2,68 kg/dm3. Por esta razón, tiene aplicaciones
en la industria del transporte y de la construcción.
Es muy resistente a la corrosión y no se altera expuesto al aire. Es resistente al ácido
sulfúrico y al ácido nítrico. Gracias a esta propiedad el aluminio es utilizado en
utensilios para el hogar, y en la preparación de pinturas protectoras contra la
corrosión.
La conductibilidad eléctrica es aproximadamente un 60% menor que la del cobre,
pero como tiene una densidad más reducida, resulta mejor conductor para un mismo
peso de metal. (Metals Handbook IX ed, vol15.1988)
Posee una alta conductividad térmica. Esta propiedad, unida al peso liviano, ha
determinado la utilización del aluminio y sus aleaciones, para la fabricación de
utensilios de cocina, equipos para la industria alimenticia, fabricación de piezas de
motores de combustión interna (pistones, bloques de cilindros, etc).
Tiene una gran afinidad con el oxigeno, por lo cual se usa como desoxidante y
reductor.
Se funde a 658°C y hierve a 1800°C. El calor latente de fusión es de 100 calorías.
Metal de color blanco. Es muy dúctil y maleable.
La resistencia a la tracción de objetos fundidos con aluminio es de 7 kg/mm2. La
resistencia a la compresión es de 2,1 kg/mm2. (Metals Handbook IX ed, vol15.1988)
El coeficiente de dilatación térmica del aluminio es mayor que el doble del
coeficiente del acero fundido y los elementos aleantes afectan poco este valor.
El aluminio acepta aleaciones con todos los metales, con excepción del plomo y del
mercurio.
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Los elementos utilizados en la preparación de aleaciones de aluminio destinadas a la
fundición son: cobre, silicio, magnesio, níquel, hierro, zinc y manganeso. La
proporción de los elementos aleadores es de un 15%.
La adición de elementos aleadores tiene como efecto:
• Una pequeña elevación del peso especifico.
• Un incremento considerable de la resistencia mecánica y de la dureza.
• Una disminución de la resistencia al impacto.
• Una disminución del alargamiento.
• Una disminución de la conductividad eléctrica y térmica.
• Una disminución del punto de fusión.
• Un aumento de la fluidez.
• Una reducción de la resistencia a la corrosión.
• Un aumento de la maquinabilidad.
• Un aumento de la ductilidad.
En la tabla 3 se muestra la aleación utilizada para la fundición del aluminio:
Tabla 3 - Composición de la aleación para la fundición del aluminio.
Aluminio 94%
Cobre 4%
Manganeso 0,5%
Magnesio 0,5%
Hierro 0,5%
Silicio 0,5%
(Metals Handbook IX ed, vol15.1988)
3.1.4 Escoria
Un metal destinado a la segunda fusión puede fácilmente oxidarse, cuando se
encuentra en contacto con el aire.
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La capa de oxido que se forma en la superficie del metal fundido es denominada
“flotador” (skimming). Esta capa reduce la taza de producción, ya que, se apodera de
una parte del metal fundido, transformándolo en oxido.
La oxidación puede ser inhibida, introduciendo en el horno una sustancia que asume
una doble función, la de capturar los contaminantes presentes y la de generar una
escoria que impide el contacto del metal fundido con el aire. (Zanetti, M, Fiore, S,
Rufino,B, Genon,G. 2003)
Dependiendo del metal o aleación tratada, se adoptan diferentes procesos de
tratamiento:
Magnesio
El magnesio fundido, reacciona fuertemente con el oxigeno y el vapor de agua de la
atmósfera, por lo tanto es de vital importancia proteger el producto. Se utiliza un flujo
de gas protectivo o una sal, para impedir cualquier reacción que se pueda generar.
La opción que se prefiere es el uso del gas protectivo, mezclado en el aire a unas
proporciones que dependen de la temperatura de trabajo y del tipo de aleación
utilizado. En la mayoría de los casos, el aire compreso (sin humedad), se mezcla con
hexafluoruro de azufre (SF6). El bióxido de carbono puede ser añadido como tercer
componente de la mezcla gaseosa.
Las reacciones químicas que se producen en la interfase gas/metal son las siguientes:
- Producción de moldes y machos: Se utiliza el proceso hot-box y se le añade
flúorborato de potasio (KBF4), en una cantidad de 2% en peso respecto a la
arena, para evitar fenómenos de oxidación en el momento de la colada.
- Fundición: Se realiza en dos hornos a reverbero alimentados con metano, a
una temperatura de 657°C. Durante la fundición se adiciona cloruro de Bario
(BaCl2) o ácido bórico (H3BO3), que tienen la función de generar un velo
protectivo en la interfase aire/metal, impidiendo procesos oxidativos. El metal
fundido se transfiere en un horno de espera donde se le añade sales de cloruro
de bario (<40%), fluoruro de calcio (CaF2, <25%) y cloruro de potasio (KCl,
<10%), para prevenir fenómenos oxidativos.
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- Colada: Se realiza a gravedad o al vacío, con una atmósfera controlada
(contenido de oxigeno <1%). Después de la colada las piezas son protegidas
para que no tengan contacto con el aire, mediante una mezcla de bióxido de
carbono (CO2, 98%) y hexafluoruro de sodio (SF6, 2%).
- Desmolde y remoción de los machos: Se realiza por vibración.
• Línea de micro fusión:
Esta línea se produce con una aleación especial de aluminio- titanio-cobalto, para la
fabricación de componentes de uso medico quirúrgico (válvulas cardiacas y prótesis).
La colada se realiza con el método de cera persa a una temperatura de 1600°C.
3.2.2 Materiales de ingreso al establecimiento
- Lingotes de aluminio: 1000t/año
- Lingotes de magnesio: 10-12t/año
- Arena sílice: 1000t/año
- Resinas y catalizadores: 700-1000 t/año
- Bentonita: 1 t/año
- Flúor borato de potasio: 24 t/año
3.2.3 Materiales eliminados por el establecimiento
Los materiales eliminados por Teksid Getti Speciali, se encuentran en la Tabla 12.
Los residuos eliminados se observan en el anexo 1
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Tabla 12- Materiales eliminados por Teksid Getti Speciali objeto de estudio
Muestra
Descripción y tipología
del residuo
Producción (ton/año)
Muestra 11, Muestra 22,
Muestra 33, Muestra 44
Moldes y machos que
contienen resinas
orgánicas.
8210
Muestra 55, Muestra 66 Lodos y residuos de
filtración derivados del
tratamiento de los
vapores
50
Muestra 77, Muestra 88 Escoria de fundición 123
Muestra 99 Lodos provenientes del
tratamiento de las aguas
34
Muestra 1010 Limaduras, astillas y
polvos de los metales no
ferrosos.
1.55
1 polvos de granulometría fina, de color gris/marrón oscuro. Ligeramente grasiento. Contiene esferas de acero. Proveniente de la fundición de piezas de aluminio y magnesio.
2 Moldes de la fundición de piezas en magnesio: bloques de color verde oscuro. Constituido por los fragmentos de los moldes que se realizaron con el proceso hot-box. Contiene flúor borato de potasio. Proveniente del proceso de desmolde en la colada de magnesio.
3 Arena autoindurente: arena de granulometría fina, derivada de la remoción térmica de los machos en la colada de aluminio.
4 Arena verde: bloques de color negro y granulometría medio fina. Proveniente del proceso de desmolde de piezas en aluminio.
5 Lodos con un porcentaje de humedad del 20%, de color marrón. Tienen características de arena. Este material proviene de la remoción térmica de los machos en la colada de aluminio.
6 Polvo de color negro. Tiene una granulometría muy fina y contiene pedazos de aluminio y magnesio. Proveniente de la limpieza y acabados de piezas de aluminio y magnesio.
7 Escoria de aluminio: proveniente del proceso de fundición del aluminio.
8 Escoria de magnesio: proveniente del proceso de fundición del magnesio.
9Compuesta esencialmente de bentonita, de color verde claro. Proveniente de la depuración del agua que contienen los fluidos penetrantes utilizados para el control dimensional.
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3.3 Teksid Aluminium SpA (Carmagnola)
La Teksid Aluminium SpA ubicada en Italia, produce cerca de 30.000 ton/año de
piezas, constituidas de aleaciones secundarias y primarias de aluminio- silicio, para
motores automovilísticos (Fiat Auto, Renault y Ford). Aproximadamente 6000
ton/año al año de piezas son producidas mediante el proceso Policast, 23.000 ton/año
mediante el proceso de coquilla y 300 ton/año son constituidas por aleación primaria.
Las piezas tienen una masa de 15-30kg, y son comercializadas entre los 50-100 euros
cada una.
3.3.1 El proceso productivo
El aluminio utilizado para la fusión secundaria llega al establecimiento a una
temperatura de 700°C. En el caso de la fusión primaria o en una eventual ausencia
del metal fundido se utilizan lingotes de aluminio.
Estos materiales son introducidos en un horno con llama directa, alimentado con
metano. Este se encuentra en una temperatura de 700°C. Sigue un horno de
mantenimiento, con llama directa alimentada con metano, a una temperatura de 700-
750°C. Por ultimo se tiene un horno de espera.
En este punto del proceso viene la colada, desarrollada por el método de colada en
coquilla (Semi Permanent Mould casting) o Policast; dependiendo de la pieza que se
vaya a realizar.
Después de la colada, en la que las piezas salen a una temperatura de 450°C, hay un
túnel de transporte, en el que las piezas se enfrían a una temperatura de 300°C.
10 Polvos de limpieza y acabados: compuestos de pedazos de aluminio y magnesio, provenientes de la operación de limpieza y acabados.
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Por último se realiza limpieza y acabado de cada una de las piezas fundidas.
El proceso de producción se observa en la figura 7.
Figura 7- Esquema del proceso productivo del establecimiento Teksid
Alluminium di Carmagnola.
3.3.2 Material de ingreso al establecimiento
La cantidad de arena que entra al establecimiento que es de 2500 ton/año para la
colada en coquilla (34% para los moldes, 66% para los machos) y 1200 ton/año
para el proceso Policast.
3.3.3 Material eliminado del establecimiento
Los residuos eliminados por la empresa se encuentran en la Tabla 13.
Los residuos eliminados se observan en el anexo 1
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Tabla 13- Material eliminado por Teksid Alluminium di Caramagnola.
Muestra Descripción y tipología
del residuo
Cantidad producida
(ton/año)
Muestra a11, Muestra b12 Residuo sólido derivado
del tratamiento de los
vapores.
1400
Muestra c13, Muestra d14 Lodos y residuos de
filtración derivados del
tratamiento de los vapores.
2100
Muestra e15 Moldes y machos 560
Muestra f16 Escoria de fundición 3000
Muestra g17 Limaduras y polvos de
metales no ferrosos
3000
Muestra h18 Revestimientos y
materiales refractarios
provenientes de la
fundición
540
Los materiales estudiados fueron sometidos a una caracterización físico-química.
11Arena de color marrón oscuro, derivada del tratamiento a seco de los vapores provenientes del sector de regeneración de la arena en la línea Policast.
12Arena gruesa de color negro, con numerosos cuerpos extraños. Derivada de la operación de limpieza en todo el establecimiento.
13Partículas finas de color marrón, derivado del tratamiento a húmedo de los vapores producidos por el sector de regeneración en la línea de colada en coquilla.
14Arena bañada de color marrón/negro, derivada del tratamiento a húmedo de los vapores en la línea Policast.
15Arena gruesa de color marrón oscuro con agregados de resina, pedazos de acero y aluminio. Proveniente del cribado a 5mm del material de ingreso al sector de regeneración de arena proveniente de la línea de colada en coquilla.
16 Escoria del horno: agregados de color gris de dimensión heterogénea de 5-10cm, recubierto de un estrato de aluminio.
17Pedazos de aluminio, provenientes de la operación de limpieza y acabados de cada una de las piezas producidas.
18Bloques refractarios con una dimensión de 10-20cm, provenientes de los hornos de fundición.
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3.4 El vidrio
3.4.1 Historia
El vidrio se formó naturalmente a partir de elementos comunes presentes en la corteza
terrestre mucho antes de que nadie pensara siquiera en experimentar con su
composición, darle forma o apelar a las innumerables aplicaciones que tiene en la
actualidad. La obsidiana, por ejemplo, es una combinación natural de óxidos fundidos
por el intenso calor volcánico y vitrificados (convertidos en vidrio) por enfriamiento
rápido en contacto con el aire. Su color negro y opaco se debe al contenido
relativamente elevado de óxido de hierro. Su resistencia química y su dureza se
comparan favorablemente con las de muchos vidrios comerciales. (Ferrero, 2000)
La tecnología del vidrio ha evolucionado a lo largo de 6.000 años y algunos
principios modernos son de origen muy remoto. La fabricación de los primeros
vidrios sintéticos se pierde en la antigüedad y en la leyenda. La loza la inventaron los
egipcios, que moldeaban figurillas de arena (SiO2), el más conocido de los óxidos
vitrificables. Se recubría con natrón, el residuo formado por las inundaciones del
Nilo, compuesto principalmente por carbonato cálcico (CaCO3), carbonato sódico
(Na2CO3), sal común (NaCl) y óxido de cobre (II) (CuO) que, calentado por debajo
de 1.000 °C, forma una película vitrificada por difusión de los fundentes CaO y Na2O
y la subsiguiente reacción en estado sólido con la arena. El óxido de cobre daba a la
pieza un atractivo color azul.
De acuerdo con la definición de Morey (1982), “El vidrio es una sustancia inorgánica
que se halla en un estado asimilable al líquido, del que es prolongación, pero que,
como resultado de un cambio reversible experimentado durante el enfriamiento,
alcanza un grado tan alto de viscosidad que puede considerarse sólido a todos los
efectos.” ASTM define al vidrio como “producto inorgánico de fusión enfriado hasta
un estado rígido no cristalino”. Tanto los materiales orgánicos como los inorgánicos
pueden formar vidrios si su estructura es no cristalina, es decir, si no está ordenada de
manera predominante.
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Un avance trascendental en la tecnología del vidrio fue el uso de la caña de soplar,
usado por primera vez en el año 100 a.c aproximadamente. Desde entonces se
produjo una rápida evolución en la técnica de fabricación. (H. Newman, 1993)
El primer vidrio era coloreado debido a la presencia de diversas impurezas, como los
óxidos de hierro y cromo. El primer vidrio incoloro se produjo hace unos 1.500 años.
En esa época la fabricación de vidrio se desarrolló en Roma y desde allí se extendió a
muchos otros países europeos. Numerosas vidrierías se establecieron en Venecia,
donde la técnica conoció un importante desarrollo. En el siglo XIII, muchas de las
factorías de vidrio se trasladaron de Venecia a la cercana isla de Murano, que siguen
siendo centrando en Italia la producción manual de vidrio. En el siglo XVI se hacía
vidrio en toda Europa.
Hoy en día el vidrio se fabrica en todo el mundo. Muchos productos de vidrio se
producen en líneas totalmente automatizadas. Aunque el vidrio es uno de los
materiales más antiguos, sus propiedades son únicas y todavía no han llegado a
conocerse en su totalidad. (Gagliardi, 1945)
La actual industria del vidrio abarca varios e importantes segmentos del mercado,
tales como vidrio plano, vajilla doméstica y envases, vidrio óptico o de materiales de
vidrio para uso científico. Todos ellos se han desarrollado durante años gracias a
innovaciones en la tecnología específica del vidrio o a avances en la fabricación. La
industria del envase, por ejemplo, se vio impulsada por la evolución de las líneas de
embotellado rápido implantadas a comienzos del siglo XX. La industria del vidrio
plano experimentó un auténtico salto hacia adelante gracias al desarrollo del proceso
de vidrio flotado en los primeros años del decenio de 1960. Ambos segmentos
mueven en la muchos miles de millones de dólares en todo el mundo. (Ferrero, 2000)
El vidrio doméstico se divide en cuatro categorías generales:
1. vajilla (servicios de mesa, tazas y jarras);
2. cristalería;
3. recipientes para horno, y
4. recipientes para cocinar
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En sus distintas categorías, el vidrio compite con muchos otros materiales, como
metales, plásticos y cerámicas.
El vidrio es un material que se encuentra en un estado intermedio de propiedades
entre líquido y sólido. Son estructuras vítreas que se forman al unirse los tetraedros de
sílice u otros grupos, dando como resultado una estructura cristalina sólida.
El vidrio se enfría hasta solidificarse sin que se produzca cristalización; el
calentamiento puede devolverle su forma líquida. Suele ser transparente, pero
también puede ser traslúcido u opaco. Su color varía según los ingredientes
empleados en su fabricación.
Experimentalmente se ha encontrado que los óxidos ácidos (SiO2, B2O3 y P2O5)
forman mas fácilmente el vidrio, estos óxidos reciben el nombre de formadores de
cadena, otros óxidos como la alúmina (Al2O3) se incorporan a la estructura de la red,
pero no forman el vidrio, son conocidos como extensores de cadena u óxidos
intermedios, y los óxidos alcalinos y/o los óxidos alcalino térreos rompen la
estructura de la cadena reduciendo la viscosidad de la misma facilitando el proceso de
desvitrificación, son conocidos como modificadores de cadena. (Ferrero, 2000)
3.4.2 Tipos de vidrio
• Vidrios de sílice pura
Composición: 99,5% sílice
Usado principalmente por el bajo coeficiente de expansión térmica y alta
temperatura de servicio. Tiene buena resistencia química, eléctrica y dieléctrica.
Su desventaja es que necesita una muy alta temperatura para su manufactura.
• Vidrio 96% sílice
Composición: SiO2= 96%, B2O3=3%
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Vidrio especial de borosilicato tratado con acido y a altas temperaturas, posee
buenas propiedades térmicas, temperaturas de servicio altas y coeficientes de