Un cubilote o horno de cubilote es un dispositivo de fusión utilizado en fundiciones que se puede utilizar para fundir hierro fundido , hierro resistente al Ni y algunos bronces . El cubilote se puede hacer de casi cualquier tamaño práctico. El tamaño de un cubilote se expresa en diámetros y puede variar de 1,5 a 13 pies (0,5 a 4,0 m). [1] La forma general es cilíndrica y el equipo está dispuesto verticalmente, generalmente sostenido por cuatro patas. El aspecto general es similar a una gran chimenea .
La parte inferior del cilindro está equipada con puertas que se abren hacia abajo y hacia afuera para formar un "fondo abatible". La parte superior, por donde escapan los gases, puede estar abierta o equipada con una tapa para evitar que la lluvia entre en la cúpula. Para controlar las emisiones, una cúpula puede estar equipada con una tapa diseñada para atraer los gases hacia un dispositivo que los enfríe y elimine las partículas .
La carcasa de la cúpula, que suele estar hecha de acero, está revestida con ladrillos refractarios y material de plástico [nota 1] refractario . El fondo está revestido de manera similar, pero a menudo se puede utilizar una mezcla de arcilla y arena ("bod"), ya que este revestimiento es temporal. Se puede mezclar carbón finamente dividido ("carbón marino") con el revestimiento de arcilla para que, al calentarlo, se descomponga y el bod se vuelva ligeramente friable, lo que facilita la apertura de los orificios de colada. [3] El revestimiento inferior se comprime o "apisona" contra las puertas inferiores. Algunas cúpulas están equipadas con camisas de refrigeración para mantener los lados fríos y con inyección de oxígeno para hacer que el fuego de coque arda más caliente.
Los hornos de cubilote se construyeron en China ya en el período de los Reinos Combatientes (403-221 a. C.), [4] aunque Donald Wagner escribe que parte del mineral de hierro fundido en el alto horno puede haber sido fundido directamente en moldes . Durante la dinastía Han (202 a. C. - 220 d. C.), la mayor parte, si no todo, del hierro fundido en el alto horno se volvía a fundir en un horno de cubilote; estaba diseñado de modo que una ráfaga fría inyectada en la parte inferior viajara a través de tubos de tobera a través de la parte superior donde se vertía la carga (es decir, carbón vegetal y chatarra o arrabio ), y el aire se convertía en una ráfaga caliente antes de llegar al fondo del horno donde se fundía el hierro y luego se drenaba en moldes apropiados para su fundición. [5] [6] Un horno de cubilote moderno fue fabricado por el científico y entomólogo francés René-Antoine Ferchault de Réaumur alrededor de 1720. [7]
Para iniciar una serie de producción, llamada "campaña de cubilote", el horno se llena con capas de coque y se enciende con sopletes. Algunos cubilotes más pequeños pueden encenderse con madera para iniciar la combustión del coque. Cuando se enciende el coque, se introduce aire en el lecho de coque a través de los puertos en los lados llamados toberas . También se puede utilizar madera, carbón vegetal o biomasa como combustible para el fuego del cubilote. También se pueden agregar gases inflamables al aire y soplarlos a través de la sección de toberas del horno para agregar combustible al fuego.
Cuando el coque está muy caliente, se introducen en el horno trozos sólidos de metal a través de una abertura en la parte superior. El metal se alterna con capas adicionales de coque fresco. Se añade piedra caliza para que actúe como fundente . A medida que aumenta el calor dentro de la chimenea, el metal se funde. Gotea a través del lecho de coque para acumularse en un charco en la parte inferior, justo encima de las puertas inferiores. Durante el proceso de fusión se produce una reacción química entre el combustible, el aire de soplado y el metal. El carbono del coque se combina con el oxígeno del aire para formar monóxido de carbono . El monóxido de carbono se quema aún más para formar dióxido de carbono . Parte del carbono es recogido por las gotitas que caen del metal fundido, lo que aumenta el contenido de carbono del hierro. Se pueden añadir a los materiales de carga carburo de silicio , ferromanganeso , ferrosilicio u otros agentes de aleación, a menudo en forma de briquetas. El carburo de silicio se disocia y el carbono y el silicio entran en el metal fundido. De la misma manera, el ferromanganeso se funde y se combina en el depósito de hierro líquido en el “pozo” en el fondo de la cúpula.
En el cubilote o alto horno se pueden fundir minerales en bruto del tamaño de un guisante, como hierro, cobre, plomo e incluso metales preciosos. Vannoccio Biringuccio describe cómo separar los metales y la escoria vertiendo el contenido del mineral fundido del horno en una pequeña piscina y luego desprendiendo capas de escoria o metal de la parte superior a medida que se enfrían hasta convertirse en sólidos.
El operador del cubilote se conoce como "cuidador del cubilote" o "maestro del horno". Durante la operación de un cubilote colado (los cubilotes pueden variar en este sentido), el cuidador observa la cantidad de hierro que sube en el pozo del cubilote. Cuando el nivel de metal es suficientemente alto, el cuidador del cubilote abre el "orificio de colada" para dejar que el metal fluya hacia una cuchara u otro recipiente para contener el metal fundido. Cuando se extrae suficiente metal, el "orificio de colada" se tapa con un tapón refractario hecho de arcilla. [8]
El encargado del cubilote observa el horno a través de la mirilla o mirilla de las toberas. La escoria subirá a la parte superior del charco de hierro que se está formando. Se abre un orificio para escoria, ubicado más arriba en el cilindro del horno, y generalmente en la parte trasera o lateral del orificio de colada, para dejar que la escoria fluya hacia afuera. La viscosidad es baja (con el fundente adecuado) y la escoria fundida al rojo vivo fluirá fácilmente. A veces, la escoria que sale por el orificio para escoria se recoge en una pequeña herramienta en forma de copa, se deja enfriar y endurecer. Se fractura y se examina visualmente. En los cubilotes revestidos con refractario ácido, una escoria de color verdoso significa que el fundente es adecuado. En los cubilotes revestidos con refractario básico, la escoria es marrón.
Al finalizar la operación, se corta el chorro de aire y se derriba el puntal situado debajo de la compuerta inferior, de modo que las placas inferiores se abren. Esto permite que los restos de la cúpula caigan al suelo o a un balde. Este material se deja enfriar o templar y, posteriormente, se retira de debajo de la cúpula.
Una "campaña" puede durar unas horas, un día, semanas o incluso meses. La cúpula puede utilizarse una y otra vez.
Durante la producción, se pueden tomar muestras del metal y verterlas en moldes pequeños. A menudo se vierte una cuña de enfriamiento para controlar la calidad del hierro. Estas pequeñas muestras, de aproximadamente 18 mm (+3/4 ") de ancho × 38 mm ( 1+1/2 ") Se dejan enfriar piezas altas de forma triangular hasta que el metal se haya solidificado. Luego se extraen del molde de arena y se enfrían en agua, primero el extremo ancho. Después de enfriar de esta manera, las cuñas se fracturan y se evalúa la coloración del metal. Una fractura típica tendrá un color blanquecino hacia el área delgada de la cuña y un color grisáceo hacia el extremo ancho. Se mide el ancho de la cuña en el punto de demarcación entre las áreas blanca y gris y se compara con los resultados normales para determinadas resistencias a la tracción del hierro . Este método visual sirve como medida de control.