Un cubilote o horno de cúpula es un dispositivo de fusión utilizado en las fundiciones que puede utilizarse para fundir hierro fundido , hierro resistente al Ni y algunos bronces . La cúpula se puede hacer de casi cualquier tamaño práctico. El tamaño de una cúpula 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, normalmente sostenido por cuatro patas. El aspecto general es similar al de una gran chimenea .
La parte inferior del cilindro está equipada con puertas que se abren hacia abajo y hacia el "fondo abatible". La parte superior por donde escapan los gases puede estar abierta o provista de una tapa para evitar que la lluvia entre en la cúpula. Para controlar las emisiones, se puede equipar una cúpula con una tapa diseñada para introducir los gases en un dispositivo para enfriarlos y eliminar las partículas .
La carcasa de la cúpula, que suele estar hecha de acero, tiene ladrillo refractario y material de parche refractario de plástico [nota 1] que la recubre. 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. El carbón finamente dividido ("carbón marino") se puede mezclar con el revestimiento de arcilla para que, cuando se calienta, el carbón se descomponga y el cuerpo se vuelva ligeramente friable, lo que facilita la apertura de los orificios del grifo. [3] El revestimiento inferior se comprime o "empiste" contra las puertas inferiores. Algunas cúpulas están equipadas con camisas de refrigeración para mantener los lados frescos y con inyección de oxígeno para hacer que el fuego del coque arda más.
Los hornos de cúpula 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 derretido en el alto horno puede haberse fundido directamente en moldes . Durante la dinastía Han (202 a. C. - 220 d. C.), la mayor parte, si no todo, el hierro fundido en el alto horno se refundía en un horno de cúpula; Fue diseñado de modo que una ráfaga fría inyectada en la parte inferior viajara a través de toberas a lo largo de la parte superior donde se vertía la carga (es decir, de carbón y chatarra o arrabio ) , y el aire se convertía en una ráfaga caliente antes de llegar al fondo del horno donde se vertía el aire. El hierro se fundía y luego se escurría en moldes apropiados para su fundición. [5] [6] El científico y entomólogo francés René-Antoine Ferchault de Réaumur construyó un moderno horno de cúpula alrededor de 1720. [7]
Para comenzar una producción, denominada "campaña de cúpula", el horno se llena con capas de coque y se enciende con antorchas. Algunas cúpulas más pequeñas se pueden encender con madera para iniciar la combustión del coque. Cuando se enciende el coque, se introduce aire en el lecho de coque a través de puertos en los lados llamados toberas . También se puede utilizar madera, carbón vegetal o biomasa como combustible para el fuego de la cúpula. También se pueden agregar gases inflamables al aire y soplarlos a través de la sección de tobera del horno para agregar combustible al fuego.
Cuando el coque está muy caliente, se cargan piezas sólidas de metal en el horno 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 pila, el metal se funde. Gotea a través del lecho de coque para acumularse en un charco en el fondo, justo encima de las puertas inferiores. Durante el proceso de fusión tiene lugar una reacción química entre el combustible, el aire comprimido 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 gotas de metal fundido que caen, lo que aumenta el contenido de carbono del hierro. A los materiales de carga se les puede añadir carburo de silicio , ferromanganeso , ferrosilicio u otros agentes permitientes, a menudo en forma de briquetas. El carburo de silicio se disocia y el carbono y el silicio entran en el metal fundido. Asimismo, el ferromanganeso se funde y se combina en el charco de hierro líquido en el "pozo" en el fondo de la cúpula.
En la cúpula o en el alto horno se pueden fundir minerales en bruto del tamaño de un guisante, como hierro, cobre, plomo e incluso aquellos que contienen metales preciosos. Vannoccio Biringuccio describe cómo separar metales y escoria vertiendo el contenido del mineral derretido del horno en un pequeño estanque y luego quitando capas de escoria o metal de la parte superior a medida que se enfrían hasta convertirse en un sólido.
El operador de la cúpula se conoce como "técnico de cúpula" o "maestro del horno". Durante el funcionamiento de una cúpula roscada (las cúpulas pueden variar en este sentido), el tendero observa la cantidad de hierro que sube en el pozo de la cúpula. Cuando el nivel de metal es lo suficientemente alto, el cubilote abre el "orificio del grifo" para permitir que el metal fluya hacia un cucharón u otro recipiente para contener el metal fundido. Cuando se extrae suficiente metal del "orificio del grifo" se tapa con un tapón refractario hecho de arcilla. [8]
El 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 la escoria, ubicado más arriba en el cilindro del horno y generalmente en la parte trasera o lateral del orificio del grifo, para permitir que la escoria fluya. La viscosidad es baja (con un fundente adecuado) y la escoria fundida al rojo vivo fluirá fácilmente. A veces, la escoria que sale por el orificio de escoria se recoge en una pequeña herramienta en forma de copa y se deja enfriar y endurecer. Está fracturado y examinado visualmente. En las cúpulas revestidas con refractario ácido, una escoria de color verdoso significa que el fundente es correcto y adecuado. En cúpulas revestidas de material refractario básico la escoria es de color marrón.
Cuando termina la operación, se apaga la explosión y se derriba el puntal debajo de la puerta inferior para que las placas inferiores se abran. Esto permite que los restos de la cúpula caigan al suelo o a un cubo. Este material se deja enfriar o templar y posteriormente se retira de debajo de la cúpula.
Una 'campaña' puede durar unas pocas horas, un día, semanas o incluso meses. La cúpula se puede utilizar una y otra vez.
Durante la producción, se pueden tomar muestras del metal y verterlas en pequeños moldes. A menudo se vierte una cuña fría para controlar la calidad del hierro. Estos pequeños, de aproximadamente 18 mm (+3/4") ancho × 38 mm ( 1+1/2") Las piezas altas de forma triangular se dejan enfriar hasta que el metal se haya solidificado. Luego se extraen del molde de arena y se enfrían en agua, con el extremo ancho primero. Después de enfriar de esta manera, las cuñas se fracturan y se evalúa la coloración del metal. A La fractura típica tendrá un color blanquecino hacia el área delgada de la cuña y un color grisáceo hacia el extremo ancho. El ancho de la cuña en el punto de demarcación entre las áreas blanca y gris se mide y se compara con los resultados normales para resistencias a la tracción de hierro particulares. Este método visual sirve como medida de control.