tesis presentada a la universidad de los andes como
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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:
(1) Mg(l) + SF6 + aire MgO(s) (+SF6)
(2) Mg(l) + SF6 + aire MgO(s) + MgF2(s) + SO2 + MgS(s) (+SF6)
En las dos reacciones se forma una capa sólida (MgO(s)), que protege al metal fundido
de reaccionar con el oxigeno y el vapor de agua de la atmósfera.
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Dependiendo de la concentración de SF6, se presenta alguna de las dos reacciones: si
la concentración es mayor que 0,5% se da la reacción (1), si es menor se da la
reacción (2).
El hexafluoruro de azufre (SF6) presenta la desventaja que es uno de los gases más
dañinos de efecto invernadero: El efecto de 1 Kg de SF6 es lo mismo que el efecto de
24 ton de CO2. Afortunadamente la producción de este gas dentro del sector de la
fundición de metales es mucho menor, en comparación con otros procesos
industriales.
Como otra alternativa para reemplazar el hexafluoruro de azufre, se puede utilizar el
bióxido de azufre (SO2); este genera un menor impacto desde un punto de vista
global, pero es mucho más tóxico para el hombre; también en contacto con el vapor
agua genera ácido sulfúrico. (Zanetti, M, Fiore, S, Rufino,B, Genon,G. 2003)
Investigaciones recientes han comprobado que el 1,1,1,2-tetrafluoroetano (HFC 134
a), es un posible sustituto de SF6, ya que, el impacto que genera este gas es
potencialmente menor: 1 kg de 1,1,1,2-tetrafluoroetano (HFC 134 a) produce lo
mismo que 1300 Kg de CO2.
Aluminio
En el estado liquido el aluminio, disocia la molécula de agua presente en al atmósfera
en sus componentes; oxigeno e hidrógeno. El oxigeno, provoca la formación de oxido
de aluminio en la superficie del metal fundido.
La eliminación de estas impurezas se realiza mediante la adición de una sal,
generalmente en polvo o en pastilla: para el aluminio generalmente se utiliza una
mezcla de cloruro de sodio (60%) y cloruro de potasio (40%). Estos materiales tienen
la capacidad de producir una escoria muy ligera y con una tasa de muy baja retención
del metal.
El aluminio fundido en un horno eléctrico a inducción, no presenta una tasa alta de
perdida de metal, mientras en un horno eléctrico a reverbero las perdidas de metal son
mucho más altas. (Zanetti, M, Fiore, S, Rufino,B, Genon,G. 2004)
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20
3.1.5 Operación de afinación (mejora)
Esta operación tiene como objetivo, modificar la composición química del material
que se va a fundir, para así satisfacer las características específicas que requieren para
el producto final.
Serán analizadas las operaciones de mejoras que son efectuadas para cada uno de los
metales objetos de estudio (Magnesio y aluminio); estas se realizan en el horno de
espera:
En el caso del aluminio casi siempre se utilizan sus aleaciones, gran parte de los
elementos metálicos son solubles en el aluminio. Los que se usan principalmente son:
magnesio, cobre, zinc manganeso y litio.
Los procesos de afinación o mejora comúnmente utilizados en la fusión secundaria
del aluminio son los siguientes: aleaciones, eliminación del gas, mejora del grano y
modificación. (Zanetti, M, Fiore, S, Rufino,B, Genon,G. 2003)
En la fase de aleaciones se le adiciona al aluminio los metales citados anteriormente y
también se le añade, en bajas cantidades, níquel, titanio, zirconio, cromo, bismuto,
plomo, cadmio, estaño y hierro.
Cada uno de los elementos cumple un papel diferente:
- Silicio: Mejora considerablemente las propiedades para la fundición; se eleva
la fluidez del metal y además se reduce el coeficiente de dilatación. Esto
simplifica la producción de piezas de buena calidad, libres de poros. Se
emplean, por consiguiente, aleaciones de aluminio-silicio, para la fundición de
piezas que tienen un diseño complicado, o deben ser herméticas por tener que
estar sometidas a presiones internas. Además, este grupo de aleaciones tiene
una buena resistencia a la corrosión. (Zanetti, M, Fiore, S, Rufino,B, Genon,G.
2003)
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La presencia de un porcentaje elevado de silicio hace necesario el uso de
herramientas de metales duros para el acabado de las piezas fundidas.
- Magnesio: aumenta la resistencia a la corrosión en ambientes alcalinos y en
agua salada. Produce un aumento gradual de la resistencia, alcanza su valor
máximo con una proporción de 6%. Este grupo de aleaciones es mas liviano
que las otras aleaciones de aluminio, posee buena ductilidad y es fácil de
maquinar.
- Manganeso: aumenta la resistencia mecánica y ala corrosión.
- Cobre: La adición de cobre al aluminio, aumenta progresivamente la
resistencia y la dureza de la aleación, siempre que la proporción de cobre no
sobrepase al 12%. Por encima de este porcentaje, la aleación se hace
quebradiza.
La adición de cobre mejora notablemente la maquinabilidad de la aleación y
aumenta la fluidez, por otra parte, disminuye la resistencia a la corrosión.
- Zinc: confiere una elevada resistencia mecánica.
Durante el proceso de fundición del aluminio, la masa de metal fundido recibe un
tratamiento de eliminación de gas. El objetivo principal de este tratamiento es la
remoción de las burbujas de hidrógeno, que son las responsables de la porosidad de
las piezas. (Zanetti, M, Fiore, S, Rufino,B, Genon,G. 2003)
Los átomos de hidrógeno, se liberan gracias a introducción de la molécula de agua
que viene del aluminio líquido en contacto con la humedad del aire, estas moléculas
no se combinan químicamente con el metal pero entran en la solución. La cantidad es
mucho mayor cuando la temperatura se encuentra más alta. Durante el enfriamiento
que se da desde la temperatura del baño hasta la temperatura ambiente, el aluminio
refuta los átomos de hidrógeno, una parte de estos átomos abandona espontáneamente
IAMB 200520 06
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la masa metálica que se encuentra en estado líquido, la otra parte permanece en las
zonas de la pieza.
Por esta razón es de vital importancia, sustraer artificialmente el hidrógeno de la
masa. Esta masa se debe encontrar en estado líquido.
Al final de los 60`s se difunde el uso del hexacloroetano (C2Cl6), para la sustracción
del gas: a la temperatura del baño este compuesto reacciona liberando cloro gaseoso.
Este reacciona con el metal y el hidrógeno presente, haciendo que las moléculas de
hidrógeno desaparezcan. Por el alto poder irritante del cloro, se suspendió el uso del
hexacloroetano . (Zanetti, M, Fiore, S, Rufino,B, Genon,G. 2003)
Actualmente la masa de metálica es mezclada con un gas inerte (azoto o argòn), que
elimina el hidrógeno presente en la mezcla. Este es añadido desde el fondo del horno
a través de una cabeza rotante, el movimiento generado por la cabeza rotante hace
que toda la masa se encuentre en contacto permanente y continuo.
Después se hace un tratamiento de mejora del grano, ya que entre más pequeñas son
las dimensiones de los granos, las características mecánicas del producto final son
mejores.
El número de partículas cristalinas puede ser aumentado, incrementando la velocidad
de solidificación (por motivos estáticos ligados al concepto de enfriamiento), o
también inyectando en el líquido partículas alto fundentes.
El primer método necesita el empleo de moldes metálicos con una alta capacidad y
conductividad térmica (colada en coquilla preferible que en tierra).
En los 50`s se empezaron a adicionar compuestos que tuvieran sal de titanio, pero
esta adición tocaba hacerla permanentemente porque el efecto del titania decaía
después de aproximadamente 10 minutos.
En los 80`s se la añade boro al titanio, lo cual mejoro notablemente. Esta operación se
vuelve muchos más eficaz; ya que se debe introducir antes de la colada, baquetas de
Al- Ti- B. Esto me da mayor eficiencia en el proceso. (Zanetti, M, Fiore, S, Rufino,B,
Genon,G. 2003)
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En el proceso de modificación se realiza la transformación inducida de algunos
elementos sobre la morfología de los cristales del compuesto Al-Si (Si 11.7%).
Gracias a la modificación, los cristales del compuesto abandonan la geometría que
tenían y adoptan una geometría fina y redonda, esto tiene importante repercusión en
la resistencia y en el alargamiento a la tracción de la pieza fundida.
El primer elemento utilizado para la modificación fue el sodio (años 50`s), pero este
elemento reacciona violentamente, decae rápidamente (causa un intervalo de colada
muy corto) y se oxida fácilmente, por estas razones al final de los 70`s el problema
fue resuelto utilizando estroncio. (Zanetti, M, Fiore, S, Rufino,B, Genon,G. 2003)
3.1.6 Molde y preparación de machos o corazones
1. Preparación de machos o corazones
La preparación de los machos reproduce la cavidad interna de la pieza. Cuando una
pieza de fundición debe tener una cavidad o hueco, tal y como un agujero para un
tornillo, debe introducirse al molde alguna forma de corazón. Un macho se define
algunas veces como cualquier proyección de arena dentro del molde. Esta proyección
puede quedar formada por el molde mismo o puede ser hecha en otra parte e
introducido en el molde después de extraer el modelo. Se pueden formar superficies
tanto internas como externas en una pieza de fundición mediante los machos.
Los machos o corazones deben soportar la presión y la temperatura del metal fundido
y deben ser fáciles de retirar después del enfriamiento de la pieza, por esto la arena
silícea se mezcla con catalizadores gaseosos y resinas orgánicas, que sirven como
aglutinantes. (Zanetti, M, Fiore, S, Rufino,B, Genon,G. 2003)
Los machos empleados en la fundición de metales se preparan, por lo general con
arena virgen, ya que deben cumplir las propiedades de permeabilidad, refractariedad
y cohesión, la arena debe estar constituida de granos redondos sin asperidad
superficial, tener una granulometría limitada (el 90% de los granos deben tener una
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dimensión comprendida entre 0,2 y 0,4 mm, y la fracción que tiene dimensión menor
que 0,1 mm no debe ser mayor que el 1 %), no debe tener carbonatos y silicatos en
vía de transformación. (Metals Handbook IX ed, vol15.1988)
Cuando se trata de piezas complicadas, donde los machos son rodeados de metal en
distintas formas, se usa arena aceitada, a la cual se la agrega aceite de lino, para que
después de la fundición el macho quede muy poroso, de manera que se pueda retirar
fácilmente de la fundición.
• Proceso Isoset:
Proceso a temperatura alta, que utiliza arena silícea, 2% de resina orgánica mezclada
con bióxido de azufre como catalizador. La temperatura de reacción es de 10-30°C, el
tiempo de endurecimiento < 60 segundos, el endurecimiento se genera inyectándole
gas. (Martínez, M. 2004)
• Proceso Hot-box:
Mezcla húmeda de arena silícea, una resina fenólica y una resina furánica (1% de la
masa de arena) y un catalizador, constituido de una mezcla de nitrato de amonio y
urea (0.8% de la masa de arena). La mezcla se introduce en una caja metálica que se
encuentra a una temperatura de 220-280°C: las resinas se polimerizan rápidamente,
absorbiendo calor de la caja metálica, y dan inicio a una reacción exotérmica.
El macho se extrae de la caja cuando la mezcla se haya endurecido lo suficiente para
que no se vaya a deformar o romper. El tiempo calentamiento necesario para producir
un macho de 20 mm de espeso es cerca de 40 segundos. (Martínez, M. 2004)
• Proceso autoindurente (Cold Box):
Realizado a frío y por lo tanto mas rápido y económico que el proceso nombrado
anteriormente. Mezcla de arena silícea, una resina fenòlica (1.3% en peso respecto a
la arena), y una resina izo ciánica (0.9% en peso respecto a la arena), disuelto en un
oportuno solvente. El catalizador (0.1% en peso respecto a la arena) se encuentra en
estado gaseoso, viene disuelto en aire compreso (2% en peso del aire). El catalizador
puede ser dimetiletilamina. La operación de endurecimiento se da en dos fases: en la
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primera, el catalizador se envía al macho con una presión de 1-2 bar, en modo de
evitar deformaciones y garantizar el endurecimiento del contorno; la segunda fase, el
catalizador se introduce en el macho a una presión de 3-4 bar, garantizando la
difusión en toda la estructura, y eventuales residuos de catalizador son eliminados por
medio de un flujo de aire caliente. La utilización de bióxido de azufre como
catalizador, además de que genera un problema de impacto ambiental, genera
mayores costos.
La temperatura de trabajo del proceso cold-box se encuentre entre 20 y 25°C y las
fases de endurecimiento tienen una duración aproximadamente de 10 segundos.
(Martínez, M. 2004)
Después de la producción de los machos, estos se revisten con pintura (de agua o
alcohol, en pasta o en forma prediluida) que tienen la tarea de colmar los vacíos entre
los granos superficiales de arena y limitar la acción agresiva del metal fundido. Las
pinturas deben ser impermeables, refractarias, dotadas de un coeficiente de dilatación
muy parecido al de la arena, en grado de formar un revestimiento resistente y
adherente al macho y tener una cantidad muy baja de sustancias volátiles. Los
componentes principales de estos revestimientos son polvo fino de silicio, oxido de
hierro, grafito, resina alcohólica, bentonita y silicato de aluminio.
2. Preparación de los moldes:
Los moldes representan el negativo de la parte externa de las piezas. Los modelos
donde se compacta la materia prima, pueden ser de leña o metal y se le debe hacer un
tratamiento de endurecimiento térmico o catàlico. En la estructura de los molde se
deben hacer pasadizos para el ingreso del metal fundido y se debe colar en los
canales, esta estructura debe ser sobredimensionada respecto a la pieza, para
compensar los efectos de retiro del metal durante la solidificación. Es necesario hacer
que se formen unas zonas en las cuales el metal fundido en exceso se acumule y que
continúe en su forma liquida. (Zanetti, M, Fiore, S, Rufino,B, Genon,G. 2003)
Para los moldes se usan los siguientes materiales:
• Un elemento refractario,
• Un elemento que garantice la cohesión del molde,
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• Aditivos (tienen la función de corregir algunas características del material
de los moldes).
El proceso para la fabricación de moldes más utilizado es el proceso a verde, descrito
a continuación:
• Proceso a verde:
La principal materia prima utilizada en este proceso es la arena. El metal se cuela, sin
deshidratación ni calentamiento de la arena. En un recipiente se mezcla arena silícea
(80% en peso), bentonita (10% en peso) y carbón mineral (6% en peso), y se le debe
adicionar agua (4% en peso) para que la bentonita pase al estado de gel y le de una
buena consistencia a la mezcla. Este tipo de moldes lo utilizan el 85% de las
empresas de fundición de metales, se adapta a la mayoría de los metales, a
producciones grandes y pequeñas de fundición y garantiza un buen grado de acabados
superficiales de las piezas y a costos relativamente bajos.
Las características de la mezcla son:
• Puede tomar cualquier forma,
• Resistencia al shock térmico,
• Capacidad de resistir el metal liquido,
• Capacidad de separarse de la pieza fácilmente. (Zanetti, M, Fiore, S, Rufino,B,
Genon,G. 2003)
3.1.7 Materia prima para la producción de moldes y machos
1. La arena
Es el material utilizado en la fundición de metales en las operaciones de fabricación
de moldes y machos. La arena esta compuesta por un 85-95% de sílice (SiO2) y un 5-
15% de alúmina (Al2O3), con pequeñas cantidades de magnesio, cal, potasa y óxidos
metálicos, sobre todo oxido de hierro.
Esta arena debe ser refractaria, suave al tacto, y al comprimirla debe formar una masa
donde queden impresas las líneas de la mano. Debe ser muy poroso y de grano
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preferiblemente anguloso; la cohesión debe ser suficiente como para que pueda
resistir la presión del metal echado en el molde.
Las arenas finas, suaves al tacto y poco arcillosas, son las mejores para la preparación
de moldes.
La pureza de la arena depende de algunas propiedades. Las arenas más ricas en
cuarzo, son las más refractarias. La refracción va ligada a la temperatura de inicio y
de sinterización del proceso, y esta temperatura depende al mismo tiempo de la
distribución granulometría y del tipo de impurezas de la arena. Para las arenas de
fundición la temperatura de inicio y sinterización es de 1300°C.
Las impuridades que podemos encontrar en la arena son las siguientes:
a) Carbono: Carbonato de calcio, magnesio (calcite, dolomita o aragonita).
Los efectos nocivos son:
• Escasa resistencia al shock térmico,
• Producción de CO2, cuando se calientan, la reacción comienza a los 500°C,
• Posibilidad de reacción del oxido de calcio con la sílice.
b) Feldespatos: son esencialmente aluminio, silicatos de sodio, potasio y calcio.
Tienen punto de fusión < 1200°C, por lo tanto disminuyen la propiedad
refractaria de la arena.
En pocas cantidades generan un efecto positivo, porque compensan la
expansión del cuarzo.
Los efectos nocivos son:
• Poco resistentes a la acción mecánica
• Poco resistentes al shock térmico.
c) Silicatos ferro magnesianos: tienen una composición química que varia
mucho, funden mucho mas fácil que los feldespatos y pueden sufrir una
degradación física-química. Presentan los mismos problemas que los
feldespatos. Su cantidad no debe ser mayo al 1%.
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d) Silicatos laminares: Tienen una escasa resistencia al shock térmico y poca
expansión para liberar agua. Su cantidad no debe ser mayor al 1%.
Propiedades:
Granulometría:
La granulometría de la arena de fundición debe estar entre 0.15 y 0.4 mm. La fracción
que tiene una dimensión inferior a 0.1 mm no debe superar 1%.
Un parámetro de mucha importancia de la granulometría es el índice de fineza
(AFA), este indica el número de granos de arena retenidos por mm2 en cada uno de
los tamices. El porcentaje retenido en cada uno de los tamices, se multiplica por un
coeficiente, y la suma de estos valores se divide por el peso total de la muestra y se
obtiene como resultado el índice de fineza (la granulometría clásica y los coeficientes
están reportados en la tabla 4 y en el apéndice).
Un valor muy alto del AFA, muestra la existencia de una elevada fracción de
partículas finas. Este se calcula después de hacer un análisis granulométrico.
Tabla 4 – granulometría y su coeficiente para el calculo del índice de fineza.
D(mm) Coeficiente
D > 1.5 6
1 < d < 1.5 9
0.6 < d < 1 17
0.4 < d < 0.6 31
0.3 < d < 0.4 41
0.2 < d < 0.3 52
0.15 < d < 0.2 71
0.1 < d < 0.15 103
0.075 < d < 0.1 146
0.06 < d < 0.075 186
d < 0.06 281
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La forma de los granos es importante en la fundición de metales. Se prefieren granos
redondos y con poca asperidad superficial, entre más fina es la arena, mas lisa es la
superficie de la pieza.
Refractariedad:
La arena debe mantenerse inalterada desde un punto de vista químico (no se deben
formar productos gaseosos, ni deben producir ninguna reacción química con el metal)
ni físico (no se debe producir deformación, ni fundición parcial del molde) cuando se
encuentra en contacto con el metal fundido. Esta varía según la temperatura de colada
del metal. La componente refractaria de la arena es esencialmente el cuarzo, que se
caracteriza con una temperatura de fusión de 2000°C.
Permeabilidad:
Es la propiedad que permite el paso de las sustancias gaseosas que se forman en el
momento de la colada, por efecto de la elevada temperatura del metal líquido y
depende de la granulometría de la arena.
Cohesión:
Es la propiedad de la arena de conservar la forma obtenida por medio de una oportuna
compresión. Entre mas alta es la cohesión mayor es el esfuerzo que se requiere para
romper el molde. La arena pura y seca no tiene cohesión, pero se le añade a un
aditivo, que tiene como función adherir entre si los granos de arena.
Los aditivos utilizados para la producción de moldes y machos, tienen el objetivo de
corregir los defectos de la arena.
2. Bentonita
Esta constituida principalmente de mormorillonita (M+x+y(Al2-xMgx)(Si4-
yAly)O10(OH)2 donde x∼4 y x>y), un mineral arcilloso con un alto limite liquido
(limite entre el estado plástico y liquido de un sistema agua-arcilla). La bentonita
actúa como un aglomerante suministrando resistencia y plasticidad a la mezcla
destinada para la producción de moldes y machos. Su fin es mejorar la superficie de
IAMB 200520 06
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la pieza fundida, ya que, contribuye a tener mayor plasticidad y cohesión en la mezcla
de arena para prevenir la penetración del metal.
Es fundamental determinar la cantidad de bentonita activa; para esto se deben trazar
curvas de resistencia térmica, ya que, la cantidad de bentonita depende de la
temperatura del proceso. Aproximadamente constituye del 4-10% de la mezcla.
3. Carbón fósil
Se utiliza como aditivo por su acción lubricante entre los granos de arena, y al mismo
tiempo mejora la compactibilidad y aumenta la acción refractaria de la mezcla que
constituye los moldes (arena). Se le añade al molde para suministrar una atmósfera
reductora, ya que, las partículas de carbón en contacto con el metal fundido sufren un
proceso de deshidratación y dan lugar a la formación de gases (el carbón fósil
contiene cerca de 40% de sustancias volátiles). Los gases generan un velo protectivo
entre el molde y el metal fundido, haciendo que aumente el poder refractario de la
arena.
Las principales características de un buen carbón fósil son:
• Humedad (150°C): 2-4%
• Sustancias volátiles: 32-35%
• Cenizas: 3-6%
• Carbono fijo: 55-62%
• Azufre total: 0.7-15%
3.1.8 colada y enfriamiento
Cuando el metal ha conseguido las propiedades deseadas, es transferido al área de
colada en cucharas. Se le retira la escoria de la superficie y se vierte en los moldes de
arena.
Las características mecánicas de una pieza dependen del tipo de aleación utilizada y
del proceso de colada efectuado. A continuación se muestran los diferentes procesos
de colada:
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1. Colada en arena verde:
El moldeo a verde representa la tecnología más antigua y más utilizada para la colada
del aluminio y sus aleaciones.
El modelo de la parte externa de la pieza, puede ser de leña, resina o en metal
dependiendo del numero de piezas que se vayan a producir y del intervalo de tiempo
en el que las piezas deben ser producidas.
La elaboración del molde se hace con arena húmeda, que es constituida por arena
sílice, bentonita (aglutinante) y un porcentaje de agua que se utiliza para activar la
capacidad cohesiva de la bentonita.
La compactación de la arena del molde se puede hacer manualmente, por vibración,
compresión hidráulica o al vacío.
El modelo es la pieza que se pretende moldear, pero con algunas modificaciones
derivadas de la naturaleza del proceso de fundición:
• Será ligeramente más grande que la pieza, ya que se debe tener en cuenta la
contracción de la misma una vez se haya extraído del molde.
• Las superficies del modelo deberán respetar unos ángulos mínimos con la
dirección de desmolde (la dirección en la que se extraerá el modelo), con
objeto de no dañar el molde de arena durante su extracción. Este ángulo de
denomina ángulo de salida.
• Incluir todos los canales de alimentación y machos necesarios para el llenado
del molde con el metal fundido.
• Si es necesario incluirá portadas, que son prolongaciones que sirven para la
colocación del macho.
El método de colada en arena verde, no es adecuado para piezas grandes o de
geometrías complejas, ni para obtener buenos acabados superficiales o tolerancias
reducidas.
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2. Colada en cera persa:
En este caso, el modelo se fabrica en cera o plástico. Una vez obtenido, se recubre de
una serie de dos capas, la primera de un material que garantice un buen acabado
superficial, y la segunda de un material refractario que proporciones rigidez al
conjunto.
Una vez que se ha completado el molde, se calienta para endurecer el recubrimiento y
derretir la cera o el plástico para extraerla del molde en el que se verterá
posteriormente el metal fundido.
Este método tiene dos ventajas principales, la ausencia de machos y de superficies de
junta, con lo que se logran fieles reproducciones del modelo original sin defectos
superficiales (líneas de junta y rebabas) que luego haya que pulir. Este
proceso se utiliza para la fabricación de piezas que tengan formas complejas, ya que
la reproducción de la pieza fundida es muy precisa en sus dimensiones.
3. Colada en coquilla por gravedad
La introducción de metal líquido es debido principalmente a la gravedad, lo que da el
nombre al proceso. El llenado se realiza gracias al propio peso del metal. El molde
debe estar concebido para que pueda ser rellenado totalmente por el metal.
El molde esta compuesto por un sistema de llenado y un sistema de alimentación. La
alimentación de un molde por gravedad con lleva tres fases:
1 - Primera fase: dosificar el metal. Una cuchara de colada se sumerge en el baño de
aluminio y toma el volumen necesario para el llenado del molde.
2 - Segunda fase: El llenado del molde se realiza por la bajada de colada, el canal de
alimentación y por las entradas de la alimentación. Penetrando en el molde, el metal
caza al aire a través de los vientos.
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3 - Tercera fase: los machos sirven para compensar la contracción del metal de la
pieza en el momento de la solidificación. Durante la colada y con el fin de evitar que
se creen cavidades por la contracción del metal, se rellenan unas masas alimentadoras
o reservas de metal líquido, llamadas machos. Estos machos guardan el metal líquido
durante más tiempo, y este metal alimentará la pieza durante la solidificación e
impedirá la formación de cavidades.
Las piezas coladas en coquillas tienen una superficie pareja y limpia por lo que,
generalmente, no es necesario un trabajo posterior de acabado. La exactitud de la
medida es mucho más grande que la fundición de arena; pero mucho menor que
cuando se funde por inyección.
Se observa que la estructura de la pieza fundida en coquillas es densa de grano muy
fino, por lo que las propiedades mecánicas en estas son mejores que las de piezas
iguales coladas en molde de arena. Por esta razón es posible disminuir el peso de
piezas fundidas en coquillas, con el consiguiente ahorro de material.
4. Colada con molde no permanente: Lost foam
El molde en este tipo de colada no es permanente, hecho de polietileno expandido,
recubierto por una pintura refractaria y sumergido en arena silícea, que se compacta
por vibración. Una vez ya recubierto el molde por la arena, se vaporiza el polietileno,
dando como resultado un molde hueco de arena compacta. Las ventajas de este
proceso son:
-No adición de aglutinantes, aditivos y agua a la arena.
-Recuperación directa y total de la arena sin consumo energético.
-No utilización de machos
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5. Presocolada
El proceso se desarrolla inyectando el metal a alta velocidad en un sello de acero,
bloqueado en una prensa hidráulica (1000-40.000 KN). El sello se encuentra dividido
en dos semi sellos, uno fijo y el otro móvil.
La inyección se efectúa en tres fases con aceleración creciente con el objetivo de
obtener un llenado óptimo del sello. Al final del llenado se le añade una capa de un
material lubrificante, para facilidad de la extracción de la pieza. Alrededor de todo el
molde se colocan tubos de enfriamiento (agua).
Una de las grandes ventajas de este proceso es que se obtiene una muy buena
precisión de la pieza tanto a nivel superficial como dimensional.
6. Colada a baja presión
Este proceso consiste en rellenar el molde con un sistema de baja presión a fin de
alimentar la pieza.
El principio de funcionamiento de la máquina de baja presión consta de 4 elementos
principales:
1) El horno mantenimiento, que es levantado por presión de aire.
2) El sistema de alimentación (tubos cerámicos o de hierro) entre el horno y el
molde.
3) Los parámetros de sistema de control y de mantenimiento de los moldes.
4) El molde
El principio de la colada en baja presión consiste en aplicar en el horno de
mantenimiento una presión entre 0.2 bar y 2 bar. Esta presión permite elevar el metal
líquido hasta el nivel del molde.
El metal líquido sube por el tubo cerámico antes de rellenar el molde. El aire
contenido en el molde se escapa bajo la presión del metal.
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La principal ventaja del proceso de baja presión es el modo de llenado, suave, de
abajo hacia arriba, que preserva la calidad de la aleación.
En la tabla 5 se observan los porcentajes de las técnicas utilizadas para la fundición
del aluminio
Tabla 5- % del as diferentes técnicas de producción para piezas en aluminio
Tipo de moldeo %
A presión (Preso colada) 59
A baja presión y por gravedad 30
En arena verde 9
Lost foam 2
3.1.9 Desmolde
Es fundamental la etapa de desmolde, ya que es ahí donde se genera la mayor parte de
residuo de arena objeto de estudio en el presente proyecto. Esta etapa de desmolde se
realiza habitualmente mediante percusión y vibración.
El residuo de arena generado no tiene carácter de peligrosidad ya que se trata de arena
sometida a la temperatura de fusión del metal. Sin embargo, su gestión supone para
las empresas un coste añadido importante debido a las enormes cantidades de materia
prima utilizada.
3.1.10 Limpieza y acabado
Una vez que la pieza fundida se solidifica se debe realizar una limpieza y ajuste de las
medidas finales, lo que se llama el maquinado que implica las operaciones de
esmerilado y pulido, impactándolas con arena o partículas metálicas. A este proceso
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se le llama granallado y genera polvos. La generación de polvos dependerá del tipo de
maquinado que se emplee en cada industria.
Los tratamientos de maquinado están constituidos por las siguientes fases:
• Cleaning: limpieza de la pieza mediante soluciones ácidas o básicas.
• Coating: Revestimiento de las piezas con una pintura protectiva.
• Quenching: enfriamiento rápido de las piezas, sumergiéndolas en agua.
3.1.11 Desechos producidos por la fundición
En muchas de las fases del proceso se da generación de residuos, los cuales una parte
puede ser utilizada nuevamente en el proceso, después de un tratamiento oportuno,
mientras la fracción restante debe ser eliminada o como basura o como material para
la reutilización en otro proceso productivo.
Los residuos generados con más frecuencia son:
- Polvos y desechos sólidos.
- Lodos del lavador de gases.
- Polvos derivados de la instalación de aspiración sobre la línea de producción.
- Escoria del horno de fundición y del horno de espera.
- Arena proveniente del desmolde.
- Restos metálicos provenientes de la limpieza.
En la Tabla 6 se muestran los desechos producidos por cada uno de los procesos:
Tabla 6- Residuos generados por cada uno de los procesos
Fase / proceso Residuos
Fusión Escoria de fusión
Refractarios utilizados:
- A base de carbón
- otros
Polvos de emisiones
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37
Moldeo Moldes y machos no
permanentes
Aditivos
Maquinado Arena usada
Depuración
emisiones
Polvos
Lodos
Tabla 7- Residuos generados por los moldes en arena verde
INPUT OUTPUT
Arena Molde en arena
Aglutinantes (Bentonita) Emisiones
- Polvos <50mg/m3
- SiO2 < 10mg/m3
Aditivos (carbón mineral)
Agua
Las emisiones dependen del tipo de
despolvado utilizado.
Tabla 8- Emisiones provenientes de la fabricación de los moldes
Arena furanica (kg/t de
metal fundido)
Arena fenolica (kg/t de
metal fundido)
Solventes orgánicos 1.4 1.25
Fenoles 0.02 0.18
Formaldehídos 0.08 0.15
Tabla 9- Emisiones provenientes de la fabricación de los machos
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38
Cold Box (kg/t
metal fundido)
Hot- Box (kg/t
metal fundido)
Polvos 0.003
Formaldehídos 0.01 No presente
Solventes orgánicos No presente 0.03
Solventes aromáticos 0.12 No presente
Aminos 0.13 No presente
Tabla 10- Emisiones producidas durante la colada (aluminio)
Compuesto Factor de emisión (g/t Al fundido)
Benceno 35
Tolueno, xileno, etilbenceno 355
Compuestos orgánicos 97
TOC 857
IPA 1.45
Formaldehídos 18
Fenoles 18
3.2 Teksid getti Speciali SpA (Borgaretto)
La fabrica Teksid getti speciale SpA, se encuentra situada en Borgaretto y produce
piezas en aluminio y magnesio. El 50% de su producción es para la industria
aeronáutica y el 33% para la industria automovilística. También produce aleaciones
de aluminio- titania-cobalto, para la producción de válvulas cardiacas y prótesis que
vendría siendo el 17% de la producción total. Para el sector aeronáutico la producción
es mínimo de 40 piezas/año y máximo de 30 piezas/mes.
En la Tabla 11 se observa la producción total del establecimiento para el año 2001:
IAMB 200520 06
39
Tabla 11- Producción del establecimiento (2001).
Piezas Cantidad (ton) %
Aluminio 1000 98,67
Aleaciones 1.5 0.15
Magnesio 12 1.12
3.2.1 El proceso productivo
El proceso productivo es el mismo para piezas en aluminio y magnesio y se desarrolla
por medio de los siguientes pasos:
- Preparación de la materia prima para la fundición.
- Producción de los moldes y machos
- Colada
- Limpieza de las piezas
- Tratamientos de control dimensional.
• Producción de piezas en aluminio:
El proceso se encuentra esquematizado en la Figura 5
IAMB 200520 06
40
Figura 5- Esquema de la producción de piezas en aluminio
El proceso esta compuesto por las siguientes fases:
- Preparación de la alimentación para la fundición (4-8 t/día): se utilizan
lingotes de aluminio (con 6% de silicio y 0.05% de magnesio) y restos
metálicos provenientes del establecimiento.
- Producción de moldes y machos: Se utilizan diversos procesos, dependiendo
de las exigencias de la producción (dimensión, propiedades mecánicas y
superficiales, complejidad de la estructura de la pieza):
• Proceso Isoset: proceso a temperatura alta, que utiliza arena silicea y
bióxido de sodio como catalizador.
• Proceso hot box: proceso a temperatura alta (230-260°C) que utiliza arena
sílice, resinas furánicas y urea como catalizador.
• Proceso autoindurente (Cold Box): Proceso a baja temperatura que utiliza
arena sílice, resinas fenólicas y fenil propil piridina como catalizador.
IAMB 200520 06
41
• Proceso verde: Proceso a baja temperatura para la producción de moldes,
que utiliza arena sílice, bentonita y carbón mineral, mezclado con agua.
- Fusión (680-700°C) en 4 hornos a reverbero, alimentados con metano. En esta
fase se adicionan escorificantes a base de fluoruro de sodio (Aluxal D).
- Transferencia del metal en 5 hornos de espera: En estos hornos se efectúan las
operaciones de: aleación (adición de magnesio y silicio), escoria (adición de
Aluxal D), modificación (adición de Aluxal M) y afinación (adición de boro y
titanio) y desgasificación (operación realizada al vacío, mediante un flujo de
azoto de 5-7 l/min)
- Colada: dependiendo de la exigencia del producto se utilizan diversas
técnicas:
• Colada en arena: Este proceso para la formación de moldes y machos
utiliza los métodos mencionados anteriormente (Isoset, hot-box,
autoindurente y proceso a verde), obteniendo una buena relación entre las
características de las piezas, el costo y la velocidad del proceso.
• Colada en coquilla por gravedad: En este proceso se utilizan machos en
arena y moldes permanentes construidos en hierro.
• Colada en coquilla a baja presión
- Desmolde: Remoción mecánica del molde mediante vibración.
- Remoción de los machos: Tratamiento térmico (T= 495°C), con una duración
de 6 – 8 horas, este tratamiento permite eliminar las resinas y regenerar la
arena.
- Limpieza y acabados: Tratamiento químico de lavado de las piezas con
solución de hidróxido de sodio y ácido nítrico.
- Control dimensional: se realiza con un fluido penetrante fluorescente y técnica
radiográfica de rayos X. También se realizan controles químicos mediante
espectrofotometría.
• Producción de piezas en magnesio:
IAMB 200520 06
42
El proceso se encuentra esquematizado en la Figura 6
Figura 6- Esquema de la producción de piezas en magnesio.
- Preparación de la alimentación para la fundición: Se utilizan lingotes de
composición: magnesio – zinc (4%) – zirconio (1%) y magnesio- iridio.
- 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.
IAMB 200520 06
43
- 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
IAMB 200520 06
44
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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45
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.
IAMB 200520 06
46
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
IAMB 200520 06
47
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.
IAMB 200520 06
48
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.
IAMB 200520 06
49
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
IAMB 200520 06
50
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%
IAMB 200520 06
51
Vidrio especial de borosilicato tratado con acido y a altas temperaturas, posee
buenas propiedades térmicas, temperaturas de servicio altas y coeficientes de
expansión bajos.
• Vidrios de plomo alcalino silicatos
Composición: SiO2=30-70%, PbO= 18-65%, Na2O y/o K2O= 5-20%.
El plomo reduce el punto de suavizado aún más que la lima y a su vez aumenta el
índice de refracción y el poder dispersativo.
• Vidrios de borosilicato:
Composición: SiO2= 60-80%, B2O3= 10-15%, Al2O3= 1-4%
Estos vidrios poseen baja expansión térmica, alrededor de un tercio del
correspondiente al vidrio de cal-soda, puede ser manufacturado con buena
resistencia química y un esfuerzo dieléctrico alto.
• Vidrios de aluminosilicato
Composición: SiO2= 5-60%, Al2O3= 20-40%, CaO= 5-50% y B2O3= 0-10%
Estos vidrios son de baja expansión térmica y son químicamente resistentes,
tienen temperaturas de servicio mayores que las obtenidas por los vidrios de
borosilicato.
• Vidrios de cal-soda ( soda-lime)
Composición: SiO2= 30-70%, Na2O = 15%, CaO= 10%.
La adición de soda (Na2O) y algunas veces potasio, baja el punto de suavizado
entre 800 a 900ºC. Se adiciona cal (CaO) para mejorar la resistencia química.
Propiedades:
Una de las características principales que diferencian a los materiales cristalinos de
los no cristalinos, es la dependencia del volumen especifico de la temperatura, para
los materiales cristalinos hay una disminución discontinua en el volumen a la
temperatura de fundición(Tm).En cambio para los materiales amorfos el volumen
decrece continuamente con la reducción de la temperatura, una leve disminución en la
IAMB 200520 06
52
pendiente de la curva en la temperatura de transición vítrea (Tg), por debajo de esta
temperatura el material es considerado un vidrio, por encima primero es un liquido
super enfriado y finalmente liquido.
En la fabricación de vidrios existen los siguientes puntos dados por la viscosidad:
• Punto de fusión: corresponde a la temperatura a la cual la viscosidad es 10 Pa
(100 P), el vidrio es lo suficientemente fluido para ser considerado líquido.
• Punto de trabajo: corresponde a la temperatura a la cual la viscosidad es 103
Pa-s (104 P), el vidrio es fácilmente deformado.
• Punto de suavizado: corresponde a la temperatura a la cual la viscosidad es
4*106 Pa-s (4*107 P), es la temperatura máxima a la cual el vidrio puede ser
manejado sin causar alteraciones importantes.
• Punto de recocido: corresponde a la temperatura a la cual la viscosidad es 1012
Pa-s (1013 P), en esta temperatura cualquier esfuerzo residual puede ser
removido del vidrio.
• Punto de tensión: corresponde a la temperatura a la cual la viscosidad es
3*1013 Pa-s (3*1014 P) por debajo de esta temperatura ocurre fractura antes
que la deformación plástica.
La temperatura de transición vítrea esta por encima de la temperatura de tensión.
Las composiciones son escogidas de acuerdo a aplicaciones específicas.
Vidrio de cal-soda
Este tipo de vidrio es el más común ya que se utiliza para la fabricación de productos
comerciales tales como envases y ventanas.
En la Tabla 14 se muestra las composiciones químicas para las diferentes clases de
vidrios de cal-soda.
Tabla 14 - Vidrio de cal sosa
Óxidos Vidrio plano (% en peso) Vidrio para envases (%
en peso)
SiO2 72-73 72-73
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53
Al2O3 1-2 1.8-3.5
Fe2O3 0.05-0.08 0.02-0.4
CaO 6.5-7 7-11.5
MgO 3.5-4.5 0.5-4.5
PbO - -
Na2O 13.5-14 13-14.5
K2O - 0-1.5
SO3 0.2-0.3 0.2-0.4
F2 - -
3.4.3 Producción de vidrio
• Materia prima utilizada para la fabricación de vidrio
El vidrio es un producto inorgánico de fusión enfriado hasta que alcanza un estado
sólido no cristalino. Las características del vidrio son dureza, fragilidad y fractura
concoidea. Se fabrica vidrio coloreado, translúcido u opaco variando los materiales
disueltos amorfos o cristalinos que lo forman.
Cuando el vidrio se enfría desde el estado de fusión, la viscosidad incrementa
gradualmente sin cristalizar en un amplio intervalo de temperaturas hasta que adopta
su característica dureza y su forma frágil. El enfriamiento se controla para evitar la
cristalización o deformación elástica.
Una mezcla vitrificable comercial se compone de diversos ingredientes. Sin embargo,
la mayor parte la conforman de 4 a 6 ingredientes, escogidos entre caliza, arena,
dolomita, carbonato sódico, bórax, ácido bórico, feldespatos y compuestos de bario y
plomo. El resto de la mezcla se compone de aditivos elegidos entre un grupo de 15 a
20 materiales comúnmente denominados ingredientes menores. Estos últimos se
añaden durante el proceso de preparación del vidrio para aportar alguna función o
cualidad específica, como el color.
IAMB 200520 06
54
• Sustancias para formar el vidrio
Sustancias que sirven para introducir óxidos ácidos: Sílice, anhídrido Bórico
(vitrificantes) y las que sirven para introducir óxidos básicos: oxido de sodio, oxido
de potasio (fundente), óxido de calcio, oxido de bario, oxido de plomo, oxido de
aluminio, oxido de aluminio, oxido de magnesio, oxido de zinc, oxido de estroncio.
• Agentes refinación:
Arsénico, nitrato sodio, nitrato de potasio y sales de amonio
• Sustancia colorantes y decolorantes:
Hierro, manganeso y los compuestos de Cu, Cr, Co, Ni, Se, Ag, Au, U, C, S.
• Sustancias para volver opaco el vidrio:
Fosfatos, compuestos del fluoruro y del estaño
Cada oxido tiene una función mas o menos definida para la formación del vidrio. La
figura 10 representa en manera cualitativa el comportamiento de los óxidos más
utilizados en la producción del vidrio.
Figura 10- funciones de los óxidos formadores del vidrio
IAMB 200520 06
55
El ingrediente principal del vidrio es la sílice, obtenida a partir de arena o cuarzo.
La sílice se funde a temperaturas muy elevadas para formar vidrio. En la mayoría de
los vidrios, la sílice se combina con otras materias primas en distintas proporciones.
Los fundentes alcalinos, por lo general carbonato de sodio o potasio, disminuyen el
punto de fusión y la viscosidad de la sílice. La piedra caliza o la dolomita (carbonato
de calcio y magnesio) actúan como estabilizantes. Otros ingredientes, como el plomo
o el bórax, proporcionan al vidrio determinadas propiedades físicas.
• Color
Las impurezas en las materias primas afectan al color del vidrio. Para obtener una
sustancia clara e incolora, los fabricantes añaden manganeso con el fin de eliminar los
efectos de pequeñas cantidades de hierro que producen tonos verdes y pardos. El
cristal puede colorearse disolviendo en él óxidos metálicos, sulfuros o seleniuros.
Los colorantes principales son: Fe, Cr, Mn, Ni, Co y Cu
• Mezcla vidriosa y su cálculo
Para obtener un vidrio se debe calcular la cantidad de materia prima.
Si se quiere producir vidrio blanco es necesario utilizar materia prima con un bajo
contenido de óxidos colorantes como Fe2O3, Cr2O3. En particular la cantidad de
Fe2O3 no debe superar el 0.05%.
Por otra parte se debe utilizar materia prima con un bajo punto de fusión. Por lo tanto
la alúmina se introducirá como feldespato.
• Calculo de una mezcla vidriosa partiendo de las sustancias químicas presentes
en el vidrio
Las fases son las siguientes:
Decidir que tipo de vidrio se va a producir;
IAMB 200520 06
56
Saber el porcentaje en peso de los elementos químicos presentes en la materia
prima;
Calcular la cantidad de materia prima necesaria para producir el vidrio;
Ejemplo
Producción vidrio de cal-soda
El porcentaje de óxidos presentes en este tipo de vidrio son:
Sustancia química Porcentaje en peso (%) Materia prima en la cual
se encuentra presente la
sustancia
SiO 72 Arena
Feldespato
Al2O3 2 Feldespato
CaO 9 Dolomita
Mármol
MgO 2.2 Dolomita
Na2O 14 Soda
Feldespato
Para calcular cuanto feldespato se debe usar para tener el 2% de alúmina, se debe
tener en cuenta la composición química del feldespato:
Feldespato (albita, Na2O Al2O3 6SiO2)
Compuesto
químico
Al2O3 SiO2 Na2O
Porcentaje en peso
(%)
18 72 10
Para tener 2Kg de alúmina en el vidrio (respecto a 100Kg de vidrio) se debe tener de
feldespato:
IAMB 200520 06
57
2 : X = 18 : 100
Xfeldespato = 2*100/18 = 11,1 kg
El reporte 100/18 se denomina factor de mezcla teórico. Cada compuesto tiene su
propio factor de mezcla teórico, en este caso es el de la alúmina. Teniendo esto se
puede calcular rápidamente la materia prima a usar, conociendo la cantidad de oxido
necesario en la mezcla.
Para calcular los Kg de arena necesarios, se debe tener en cuenta que el feldespato
contiene un poco de sílice:
X : 11,1 = 72 : 100
X = 72*11,1/100 = 8Kg
Por lo tanto los Kg de sílice que se necesitan son:
72- 8 = 64 Kg
Sabiendo que la arena tiene 99% de sílice se obtiene que sirven:
64 : X = 99 : 100
Xarena sílice= 64*100/99 = 65 Kg
65 Kg de arena. El factor en este caso es de 100/99
La dolomita, CaMg [CO3], tiene la siguiente composición química:
Compuesto químico MgO CaO
Porcentaje en peso (%) 22 30
Si se quiere tener 2.2% de MgO se debe introducir:
IAMB 200520 06
58
Xdolomita= 2.2*100/22 = 10Kg
XCaO= 10*30/100 = 3Kg
En la Tabla.15 se muestran los cálculos y la cantidad de la materia prima necesaria
para obtener el vidrio de cal-sosa
Tabla 15- Cálculos y cantidad de materia prima necesaria para obtener vidrio de cal-
sosa
Óxidos Peso
óxidos (%)
Cantidad
de oxido
para quitar
(%)
Cantidad
efectiva
necesaria
(%)
Factor de
mezcla
teórico
Materia
prima
Cantidad
en peso de
materia
prima (Kg)
SiO2 72 -8 =64 X 100/99 Arena sílice 65
Al2O3 2 X 100/18 Feldespato 11.1
CaO 9 -3 =6 X 100/56 Mármol 10.7
MgO 2.2 X 100/22 Dolomita 10
Na2O 14 -1.1 =12.9 X 100/58.5 Soda 22
BaO 0.5 X 100/65.8 Baritina 0.76
Fe2O3 0.05
SO3 0.25
Total 100 118,56
IAMB 200520 06
59
• Ciclo de producción
Figura11- Procesos y materiales que intervienen en la fabricación del vidrio
1. Fusión
El proceso de fusión depende del tipo de vidrio que se vaya a desarrollar.
Durante la fusión del vidrio no se tiene una temperatura constante, ya que este
material no tiene la propiedad de tener un punto de fusión definido. Por lo tanto se
determina la temperatura a la cual el material comienza a tomar forma. Esta
temperatura se denomina temperatura de ablandamiento.
2. Refinación
IAMB 200520 06
60
El objetivo de esta fase es liberar del vidrio los gases que se desarrollan durante la
fusión y volver lo suficientemente homogéneo el vidrio en cuanto a su composición
química.
La refinación se obtiene mediante:
• Una elevación en la temperatura;
• Por la incorporación de agentes refinadores. Por ejemplo la adición de
sulfato de sodio, que reacciona con la sílice:
Na2SO4+SiO2 Na2SiO3 + SiO2 + O
3. Moldeado
Durante este proceso se la da una forma comercial a la mas vidriosa, en esta fase se
puede colar el vidrio en un molde.
Esta operación se da a una temperatura de 1150-1250ºC, debe ser rápida ya que el
vidrio se comienza a enfriar y por lo tanto se da su solidificación.
4. Recocción:
Consiste en un calentamiento del material ya colado a una temperatura apropiada,
seguido de un enfriamiento muy lento, esto se hace con el objeto de conseguir que el
vidrio se asiente gradualmente y así anular las tensiones internas que se pueden
producir.
La temperatura de este proceso varía según la composición del virio, para vidrio cal-
sosa es de 550ºC aproximadamente.
3.5 Propuesta de recuperación
El objetivo de esta tesis es el análisis de la posibilidad de recuperar la arena de
fundición para la fabricación del vidrio.
Para cumplir con el objetivo propuesto se realizaron pruebas para probar la hipótesis
propuesta.
IAMB 200520 06
61
El tipo de vidrio que se quería obtener era sodico-calcico incoloro, ya que es el tipo
de vidrio más común. La arena sílice para la producción de vidrio es muy costosa
(100£/kg), por lo tanto se pretende reemplazarla por las muestras estudiadas para
bajar los costos de la producción de vidrio.
Una arena para la producción de vidrio incoloro, debe tener una composición química
que se encuentre en el intervalo indicado en la Tabla 16
Tabla 16 – Composición química de la arena para la producción de vidrio
incoloro.
Óxidos Porcentaje en peso (%)
SiO2 98.8±0.2
Al2O3 0.2-1.2
Fe2O3 0.03-0.003
Cr2O3 0.0005
Humedad 4.5±0.5
Esta arena debe tener la distribución granulométrica reportada en la normativa de la
British Standard 2975 (Tabla 17).
Tabla 17- Distribución granulométrica de la arena para la producción de vidrio
incoloro.
Retenido en el tamiz
Abertura del tamiz (mm) Contenedor incoloro (% en peso)
1 Nada
0.75 0.25 máx.
0.5 0.5 máx.
Lo que pasa por el tamiz
IAMB 200520 06
62
0.12 5 máx.
0.09 Nada
A la arena de fundición regenerada se le realizaron análisis químico y físico para ver
si se encontraba de acuerdo a las condiciones descritas anteriormente para la
fabricación de vidrio.
Distribución granulométrica
0102030405060708090
100
0,1 1d (mm)
% p
or p
eso
limite 1 limite 2
Figura 12- Distribución granulométrica de la arena para la producción de vidrio
incoloro
IAMB 200520 06
63
4. Metodología Experimental
4.1 Material de desecho caracterizado Teksi getti Speciali SpA (Borgaretto)
- Análisis granulométrico:
El análisis granulométrico se hizo utilizando tamices de la serie Tyler y un tamiz
mecánico Ro-Tap Tyler (velocidad de rotación de 243rpm). Las fracciones retenidas
en cada uno de los tamices fueron pesadas con una balanza Mettler PC 2000
(sensibilidad 0.01g).
La curva del análisis granulométrico se muestra en la figura 13
-20
0
20
40
60
80
100
120
0,001 0,01 0,1 1 10 100
d (mm)
Frec
uenc
ia a
cum
ulad
a (%
)
Muestra 3 Muestra 5 Muestra 8 Muestra 4 Muestra 10
Muestra 7 Muestra 1 Muestra 9 Muestra 2 Muestra 6
Figura 13- Análisis granulométrico de los residuos generados por Teksi getti Speciali
SpA (Borgaretto).
El examen granulométrico muestra lo siguiente:
- La granulometría fina de la Muestra 6 es del 85% y tiene una dimensión de
25µm.
- La granulometría fina de la Muestra 8 es de 65% con una dimensión inferior a
25µm, y toda la muestra tiene una dimensión inferior a 0,8mm
IAMB 200520 06
64
- La Muestra 7 tiene una dimensión entre 1.6-40mm.
- Las muestra 5, 4, 1, 3, y 2; tienen una granulometría entre 0.1 y 0.6mm.
- Análisis químico:
La proporción de los metales sodio, potasio, calcio, magnesio, hierro, manganeso,
cromo, cobre, plomo, níquel y zinc, se determino mediante un espectrofotómetro de
absorción atómico Perkin Elmer 1100B.
La caracterización química de los residuos generados por Teksid Getti Speciali, ha
tenido en cuenta la determinación de algunos metales (sodio, potasio, calcio,
magnesio, hierro, manganeso, zinc, plomo, cadmio, cromo, níquel y cobre), la
cantidad de sílice y la perdida de calcinación (PAC). Los resultados se observan en la
Tabla 18
Tabla 18- Análisis químico de los residuos generados en Teksid Getti Speciali.
Na K Mg Mn Fe Zn Ca Pb
% % mg/kg mg/kg % mg/kg mg/kg mg/kg Muestra 2 0,02 0,35 338,00 23,13 0,03 45,07 53,07 51,00 Muestra 4 0,20 0,30 2081,95 48,05 0,54 47,91 165,34 <150 Muestra 3 0,03 0,02 83,65 <20 0,08 13,73 21,61 <150 Muestra 5 0,08 0,06 345,17 22,21 0,19 33,75 353,34 <150 Muestra 1 0,03 1,53 2325,00 545,00 6,21 111,50 99,50 <150 Muestra 6 0,01 0,02 8962,3 5888,50 91,6 332,08 3635,2 28,49 Muestra 8 <0,01 0,03 194978 63,26 0,70 6603,53 1933,23 43,91
Cd Cu Ni Cr Al PAC SiO2
Mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg % % % Muestra 2 35,60 5,47 27,80 21,67 0,35 1,99 88,1 Muestra 4 <10 <40 <40 <50 1,25 2,76 88,4 Muestra 3 <10 <40 <40 <50 0,67 0,82 88,4
IAMB 200520 06
65
Muestra 5 <10 <40 <40 <50 0,99 0,88 87,9 Muestra 1 <10 86,00 76,00 256,50 1,09 2,00 76,9 Muestra 6 <2 642,8 419,5 925,8 1,44 4,62 / Muestra 8 35,63 10,06 20,86 11,99 4,82 28,18 /
El examen de la caracterización química de los materiales desechados permite
formular las siguientes consideraciones
1. Muestra 2 esta compuesta esencialmente de arena sílice (88%) y resinas (2%).
También tiene una fracción mínima de potasio (0.35%), debido a que en el
proceso se utiliza flúor borato de potasio.
2. La Muestra 4 contiene sodio, potasio, calcio, hierro y aluminio, debido a la
bentonita utilizada durante el proceso de moldeo. El valor de perdida de
calcinación que se presenta se da por el contenido de carbón mineral.
3. La muestra 1 tiene un gran contenido de aluminio y magnesio.
4. La muestra 5 y 3 tiene un gran contenido de aluminio magnesio y calcio.
La muestra 5 proviene exclusivamente del tratamiento de los polvos
provenientes del tratamiento térmico de las piezas en aluminio.
5. La muestra 6, tiene un alto contenido de aluminio y magnesio ya que proviene
del desmolde.
6. La muestra 8 esta compuesto esencialmente de magnesio (20%). El contenido
de calcio y potasio es por que se utiliza fluoruro de calcio y cloruro de potasio
como escorificantes.
No se tuvo en cuenta las Muestras 7, 10 ya que son bastante heterogéneas.
IAMB 200520 06
66
4.2 Material de desecho caracterizado Teksid Aluminium SpA (Carmagnola)
- Análisis granulométrica
El análisis granulométrico se hizo utilizando tamices de la serie Tyler y un tamiz
mecánico Ro-Tap Tyler (velocidad de rotación de 243rpm). Las fracciones retenidas
en cada uno de los tamices fueron pesadas con una balanza Mettler PC 2000
(sensibilidad 0.01g).
La curva granulométrica del material objeto de estudio se muestra en la figura 13
El análisis a permitido evidenciar que la granulometría de las Muestras c, a, b, y d
tienen una granulometría entre 0.1-0.6mm.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0,01 0,1 1 10 100
d (mm)
Frec
uenc
ia a
cum
ulad
a
Muestra a Muestra d Muestra e Muestra g Muestra bMuestra F Muestra c
Figura 13- Análisis granulométrico de los residuos generados por Teksid
Aluminium SpA (Carmagnola)
IAMB 200520 06
67
- Análisis Químico
La proporción de los metales sodio, potasio, calcio, magnesio, hierro, manganeso,
cromo, cobre, plomo, níquel y zinc, se determino mediante un espectrofotómetro de
absorción atómico Perkin Elmer 1100B.
La caracterización química de los residuos generados por Teksid Aluminium SpA, ha
tenido en cuenta la determinación de algunos metales (sodio, potasio, calcio,
magnesio, hierro, manganeso, zinc, plomo, cadmio, cromo, níquel y cobre), la
cantidad de sílice y la perdida de calcinación (PAC). Los resultados se observan en la
Tabla 19
Tabla 19- Análisis químico de los residuos generados por Teksid Aluminium SpA
(Carmagnola).
Na K Mg Mn Fe Zn Ca
% % mg/kg mg/kg % mg/kg mg/kg
Muestra d 0,1 0,88 1449,0 74,2 0,48 16,1 3346,7
Muestra c 0,1 0,01 354,0 4,9 0,17 36,9 170,4
Muestra e 0,02 0,02 622,0 13,3 0,09 38,0 398,0
Muestra a 0,02 0,02 159,1 2,9 0,15 44,1 3900,0
Muestra h 0.08 0,12 2110,0 254,0 2,89 141,1 3793,3
Pb Cd Cu Ni Cr Al PAC SiO2
mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg % % %
Muestra d 52,1 35,5 9,9 23,7 15,7 1,57 2,03 78,9
Muestra c 50,5 35,7 46,4 20,1 16,3 0,67 0,03 91,3
Muestra e 49,3 35,6 42,1 24,1 18,9 0,77 1,07 90,4
Muestra a 49,3 35,6 15,9 23,9 19,5 0,67 1,78 90,7
Muestra h 10,2 35,2 639,3 14,1 39,9 1,89 3,13 77,8
IAMB 200520 06
68
El examen de la caracterización química de los residuos permite formular las
siguientes consideraciones:
- El valor de la perdida de calcinación de la muestra b se debe a la presencia
de pequeños pedazos de poliestireno
- El valor de la perdida de calcinación de la muestra d se debe a la presencia
de partículas de poliestireno quemado durante la colada.
IAMB 200520 06
69
4.3 Pruebas de tratamiento para lo recuperado de los desechos objetos de estudio
Teksid Getti Speciali
Una vez ya hecho el análisis granulométrico y químico, se compara con las
características necesarias para la fabricación del vidrio y se llega a la conclusión que
la muestra que cumple con la mayoría de las características (químicas y
granulométricas) es la muestra 2. Esta muestra contiene un alto porcentaje de silicio y
además se encuentra en el rango granulométrico para la producción de vidrio. Las
otras muestras no son aptas para la fabricación de vidrio ya que no cumplen con las
características químicas y granulométricas necesarias como se pudo observar
anteriormente.
Teksid Aluminium SpA (Carmagnola)
Las muestras e y d son las seleccionadas para la reutilización dentro de la industria de
vidrio, ya que cumplen con las características químicas y granulométricas. Las
otras muestras no son aptas para la fabricación de vidrio ya que no cumplen con las
características químicas y granulométricas necesarias como se pudo observar
anteriormente.
4.3.1 Prueba de disolución (Muestra 2)
Antes de utilizar la muestra 2 para la producción de vidrio, se le debe hacer una
regeneración, mediante una solubización en agua, para eliminar el flúorborato
presente en la muestra.
El flúorborato se debe eliminar de la muestra para que esta cumpla con la
normatividad para la fabricación del vidrio incoloro.
IAMB 200520 06
70
Para la regeneración de la muestra 2 se hicieron pruebas de disolución y filtración, a
escala laboratorio, descritas a continuación:
La muestra 2, se pone en contacto con agua destilada en un reactor Batch agitado
mecánicamente. Las principales condiciones experimentales son: reporte
sólido/liquido (en peso) 1:1, temperatura del agua 60˚C.
La muestra se encuentra en un beaker que esta en baño termo estático a una
temperatura de 60˚C. Se comienza a agitar la mezcla, con un agitador de paletas, a
una velocidad de 4rev/seg, durante 30 minutos. Una vez terminado este proceso, se
procede a filtrar la suspensión bajo presión (5 bar) mediante un filtro milipore. Al
mismo tiempo que la muestra se esta filtrando la arena se lava con 100 gr de agua
destilada.
La fracción sólida (arena) se seca en un horno a 105˚C durante dos horas
aproximadamente y después es introducida en la mufla a una temperatura de 550˚C,
durante una hora.
Una vez realizada la prueba de disolución se realiza un análisis químico de la
muestra. El análisis se observe en la Tabla 20.
Tabla 20- Análisis químico de la muestra 2
Na K Ca Mg Fe Mn Zn Pb Cd Cu Ni Cr
mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg
35,5 151 30,9 181 167 14,3 <2 42,6 <2 4,3 23,7 6,4
La proporción de los metales sodio, potasio, calcio, magnesio, hierro, manganeso,
cromo, cobre, plomo, níquel y zinc, se determino mediante un espectrofotómetro de
absorción atómico Perkin Elmer 1100B.
Este análisis químico se hace con el objeto de observar la composición química
después de la regeneración y así observar que tan apta es la muestra para introducirla
IAMB 200520 06
71
en la producción de vidrio. Por lo tanto con estos resultados se puede ver que la
muestra si puede ser utilizada para la fabricación de vidrio incoloro. Este análisis
también me sirve para calcular las cantidades que se van a utilizar en la mezcla para
hacer el vidrio.
4.3.2 mezcla de los residuos (Muestra e y Muestra d)
- Teksid Aluminium SpA (Carmagnola)
Para las muestras e (<0,6mm) y d, se propone la reutilización dentro de la industria
del vidrio de la fracción comprendida entre 0,1-0,6mm.
Para la recuperación de estas dos muestras se hace una mezcla 3:7 e y d
respectivamente, porque se necesita que la muestra se encuentre entre los rangos de
granulometría exigidos para la fabricación de vidrio incoloro. Una vez realizada la
mezcla se procede a hacerle un análisis químico, que se observa en la Tabla 21.
Tabla 21- Análisis químico de la mezcla de las muestras e y d
Na K Ca Mg Fe Mn Zn Pb Cd Cu Ni Cr
mg/kg mg/kg mg/kg Mg/kg mg/kg Mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg
848 3870 2970 906 2610 53,7 56,8 <2 <2 10,3 3,4 7,8
La proporción de los metales sodio, potasio, calcio, magnesio, hierro, manganeso,
cromo, cobre, plomo, níquel y zinc, se determino mediante un espectrofotómetro de
absorción atómico Perkin Elmer 1100B.
Este análisis químico se hace con el objeto de observar la composición química
después de la regeneración y así observar que tan apta es la muestra para introducirla
en la producción de vidrio. También me sirve para calcular las cantidades que se van
a utilizar en la mezcla para hacer el vidrio.
IAMB 200520 06
72
4.3.3 Prueba de Fusión
Se procede a realizar la prueba de fusión para probar las posibilidades reales de
utilizar la arena regenerada para la producción de vidrio incoloro
Las muestras de arena para la prueba de fusión son dos:
1. Muestra A (Muestra 2 regenerada)
2. Muestra B (Mezcla de las muestras e y d)
La prueba de fusión adoptada es la de crisol con colada de vidrio fundido en un
material refractario. El inconveniente de este tipo de fusión, es la imposibilidad de
hacer una mezcla homogénea durante la fase de fusión, para obtener un producto
homogéneo. Con el riesgo de obtener una muestra de vidrio con características
físicas no homogéneas.
El objetivo de la fusión es obtener una muestra de vidrio partiendo de una mezcla de
materia prima.
• Instrumentos utilizados:
a) Horno 1 con capacidad de temperatura de 1500˚C,
b) Horno 2 con capacidad de temperatura de 900˚C,
c) Crisol de zirconio (20%)- alúmina,
d) Baldosa refractaria
e) Pinzas para la extracción del crisol
• Modalidad operativa
Una vez establecida la cantidad de cada materia prima (arena, feldespato, soda, etc.)
que va a formar la mezcla vidriosa, se pesa en una balanza analítica, con una
precisión de 0,01 g y se introduce en el crisol.
IAMB 200520 06
73
Una vez que la materia prima se encuentra en el crisol, se procede a hacer una mezcla
mecánica. En este punto se introduce el crisol en el horno 1. Este horno debe ser
prendido con anterioridad a una temperatura de 1000-1100˚C.
El crisol se deja en el horno 1 durante 30 minutos a una temperatura de 1300˚C (fase
de fusión) y después durante una hora a 1500˚C (fase de afinación). Una vez
cumplida la hora se baja la temperatura del horno a 1200˚C, se extrae el crisol y se
vierte el contenido sobre la baldosa refractaria. Esta baldosa se debe calentar con
anterioridad en el horno 2 que se encuentra a una temperatura de 800-900˚C.
La baldosa refractaria que contiene la mezcla, se introduce nuevamente en el horno 2
que se encuentra a una temperatura de 800-900˚C. En este horno el vidrio colado se
mantiene durante 20 minutos a una temperatura de 800˚C y después se deja otros 20
minutos a la temperatura de 600˚C. Una vez pasado este tiempo se apaga el horno y
se deja enfriar totalmente.
La temperatura y el tiempo en cada unos de los hornos durante la prueba de fusión del
vidrio se debe controlar en cada una de las fases. Esto me va a determinar la buena
calidad del vidrio y el buen desarrollo del proceso. En la Figura 15 se observa la
temperatura y el tiempo en cada una de las fases.
IAMB 200520 06
74
Figura 15- Temperatura durante la prueba de fusión.
4.3.4 Mezcla de vidrio utilizada
Se hicieron dos pruebas de fusión con dos mezclas diversas:
- Mezcla α: Mezcla con arena regenerada proveniente de Teksi getti Speciali SpA
(Borgaretto).
- Mezcla β: Mezcla con arena regenerada proveniente de Teksid Aluminium SpA
(Carmagnola)
Para la fabricación del vidrio es necesario saber las cantidades de cada uno de los
compuestos de la mezcla, por lo tanto en las Tablas 22 y 23, se muestran los cálculos
hechos para la producción de la mezcla de vidrio de cada una de las muestras
descritas anteriormente.
IAMB 200520 06
75
Tabla 22- Mezcla α
Composición de la arena Composición porcentual
(%)
Al2CO3 0.00957
K2O 0.0036
Fe2O3 0.0477
CaO 0.0043
Na2O 0.00957
MgO 0.03
SiO2 99
Total 100
Feldespato Composición porcentual
(%)
Cantidad usada (g)
Al2CO3 18 2
SiO2 72 8
Na2O 10 1
Total 100 11
Mezcla vidriosa Masa (g) Composición porcentual
(%)
Arena 65 57
Feldespato 11 9.6
NaCO3 22 19.21
CaCO3 12.5 11
IAMB 200520 06
76
MgO 4 3.5
Total 114.5 100
Tabla 23- Mezcla β
Composición de la arena Composición porcentual
(%)
Al2CO3 0.00957
K2O 0.933
Fe2O3 07463
CaO 0.415
Na2O 2.286
MgO 0.1169
SiO2 95
Total 100
Feldespato Composición porcentual
(%)
Cantidad usada (g)
Al2CO3 18 2
SiO2 72 8
Na2O 10 1
Total 100 11
Mezcla vidriosa Masa (g) Composición porcentual
(%)
Arena
Muestra e 19.5
57
IAMB 200520 06
77
Muestra d 45.5
Feldespato 11 9.6
NaCO3 22 19.21
CaCO3 12.5 11
MgO 4 3.5
Total 114.5 100
5. Resultados y análisis
La Mezcla α, dio un resultado muy bueno, ya que, el vidrio se presenta con un color
incoloro (Figura 16).
Esto se explica, ya que la muestra contiene un bajo porcentaje de Fe (0.0167%), que
como se dijo anteriormente este metal se utiliza para darle una coloración amarilla al
vidrio.
La Mezcla β se observa que unas partes contiene pedazos de color amarillo (Figura
17), ya que, el porcentaje de Fe (0.2610%) es bastante alto.
La muestra presenta zonas incoloras y zonas amarillosas, esta falta de homogeneidad
en las características físicas se da por el inconveniente mencionado anteriormente,
con el tipo de fusión empleada, ya que, no se puede mezclar la masa vidriosa durante
la fase de fusión y afinación.
De los resultados obtenidos se deduce que la mezcla vidriosa ideal para obtener un
vidrio incoloro es la muestra α.
Se observa que para la fabricación de vidrio algunos desechos producidos por
fundición de metales son aptos para utilizarse como materia prima, ya que en el
proceso de fundición de metales se utilizan grandes cantidades de arena sílice con un
rango granulométrico muy similar al exigido para la producción de vidrio incoloro. El
único problema que se puede presentar es la presencia de metales que van a generar
IAMB 200520 06
78
que el vidrio adquiera una coloración no deseada, ya que lo que se quiere es vidrio
incoloro que es el que se utiliza comercialmente en su mayoría.
Figura 16- Mezcla α
Figura 17- Mezcla β
IAMB 200520 06
79
6. Conclusiones
El primer objetivo de esta trabajo era observar las características de los desechos
producidos durante la fundición de aluminio y magnesio de las empresas Teksi getti
Speciali SpA (Borgaretto) y Teksid Aluminium SpA (Carmagnola). Conforme a los
diferentes análisis a los que fueron sometidos, se concluye que las muestras 2, e y d
de los desechos caracterizados, son aptas para su utilización como materia prima para
la fabricación de vidrio incoloro. Ya que su composición química es básicamente
arena sílice (elemento esencial para la producción de vidrio) y su composición
granulométrica se encuentra dentro del rango permitido para la fabricación de vidrio.
El único problema que se encontró fue en la muestra 2, que tenía un alto contenido de
flúorborato; por lo tanto se decidió hacer una regeneración de la muestra antes de
introducirla como materia prima para la fabricación del vidrio.
Se obtuvieron dos muestras:
- Muestra A: Muestra con arena regenerada proveniente de Teksi getti Speciali SpA
(Borgaretto).
- Muestra B: Mezcla con arena regenerada proveniente de Teksid Aluminium SpA
(Carmagnola)
A cada una de estas muestras se les realizo nuevamente un análisis químico para
saber su composición y así poder calcular las cantidades que se van a necesitar
introducir dentro de la mezcla vidriosa. El tipo de vidrio escogido para producir fue
vidrio de cal-soda, ya que este comercialmente es el mejor.
Una vez calculadas las cantidades necesarias para la mezcla vidriosa, se procedió a
hacer la mezcla vidriosa para la fabricación de vidrio incoloro:
- Mezcla α: Mezcla con arena regenerada proveniente de Teksi getti Speciali SpA
(Borgaretto).
- Mezcla β: Mezcla con arena regenerada proveniente de Teksid Aluminium SpA
(Carmagnola)
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Con los resultados obtenidos se llego a la conclusión que la muestra α, mostró los
resultados esperados, ya que se obtuvo el tipo de vidrio al que se quería llegar (vidrio
cal-sosa incoloro).
Conforme a los experimentos realizados en la tesis, y a los resultados obtenidos seria
de importancia establecer la viabilidad económica del proyecto. Tanto para la
empresa encargada de la fundición de metales como para la productora de vidrio, para
así analizar que tan viable es la realización del proyecto.
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7. Bibliografía
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Anexo1 Teksid getti speciali SpA (Borgaretto)
Muestra 1
Muestra 2
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Muestra 3
Muestra 4
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Muestra 5
Muestra 6
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Muestra 7
Muestra 8
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Muestra 9
Muestra 10
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Teksid Aluminium SpA (Carmagnola)
Muestra a
Muestra b
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Muestra c
Muestra d
Muestra e
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Muestra f
Muestra g
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Muestra h