I FORNI FUSORI
La fusione avviene in appositi forni fusori che hanno la
funzione di fornire alla carica la quantità di calore necessaria
per fonderlo e surriscaldarlo (cioè portarlo ad una temperatura
superiore al punto di fusione), al fine di renderlo
sufficientemente fluido e scorrevole nella forma.
Una prima grande distinzione dei forni fusori per la fusione
delle leghe metalliche può essere effettuata in funzione del
combustibile con cui vengono alimentati (attraverso il quale
viene prodotto il calore necessario):
•Combustibile solido;
•Energia elettrica per produrre calore;
•Gas (solitamente naturale).
Scelta del forno
• Tipo di lega
⇒
temperatura di fusione
• Qualità del metallo ⇒
condizioni ambientali
• Richiesta produttiva ⇒
velocità e flessibilità
• Aspetto economico
Fattori Metallurgici
• Lo scopo del processo di fusione è quello di
riuscire a controllare la composizione chimica della
lega, evitando la contaminazione di gas ed
inclusioni di materiali non metallici.
• La scelta del processo di fusione dipende in parte
dalla composizione e dalla qualità richiesta dalla
lega ed in parte dalla natura dei materiali che
costituiscono
la
carica.
• La carica di un forno consiste in pre-leghe
costituite da lingotti ferrosi e non, leghe indurenti,
rottame e materozze
• Le condizioni di fusione: la carica può modificare la propria
composizione con il contatto con l’atmosfera. L’atmosfera
del forno può contenere vapore acqueo, CO, CO2,, SO2 e
prodotti di combustione. Reazione più comune è quella tra i
metalli e l’ossigeno presente nell’atmosfera e nel
rivestimento refrattario
Fusione sottovuoto
Tipologie di forno
•
•
•
•
•
•
•
Cubilotto;
Forno rotativo;
Forni a crogiolo;
Forni ad arco elettrico diretto;
Forni ad induzione;
Forni a resistenza;
Forni a riverbero.
CUBILOTTO (solo per fusione ghisa)
Il cubilotto è un forno cilindrico ad asse verticale utilizzato per
fondere ghisa
Esistono due tipologie diverse di cubilotti: quello a “vento
freddo” e quello a “vento caldo”
Esistono due tipologie diverse di cubilotto: quello a “vento
freddo” e quello a “vento caldo”
Il pre-riscaldo dell’aria permette di:
•Aumentare la T nella zona di
combustione (da 1650°C a 1800°C);
•Aumentare
la
giornaliera (20%);
•Diminuire
il
combustibile;
produzione
consumo
del
Il riscaldo dell’aria può essere ottenuto in due modi:
•
con recuperatore: i fumi caldi (contenenti CO) vengono
prelevati sotto il piano di carica e, dopo una depolverizzazione,
vengono inviati in un bruciatore dove viene bruciato il CO ed
eventualmente anche metano quando l’ossido di carbonio risulta
insufficiente. I fumi completamente combusti e quindi a
temperatura maggiore, passano in un fascio tubiero di uno
scambiatore di calore che provvede a scaldare l’aria (circa
450°C).
•
con generatore: l’aria viene riscaldata in uno scambiatore di
calore il cui fascio tubiero è percorso da fumi caldi di
combustione, per esempio di metano. In tal modo il
riscaldamento dell’aria è indipendente dal funzionamento del
forno.
Processo di fusione
La carica, scendendo lungo il
cubilotto, viene riscaldata in
controcorrente dai gas di
combustione del coke e giunge
a completa fusione nella zona
antistante
gli
ugelli
di
immissione del vento. La ghisa
liquida si raccoglie nella parte
più bassa del forno, detta
crogiolo, e si separa dalle
scorie, che galleggiano e
vengono eliminate attraverso
l'apposito canale di scarico.
A volte la ghisa viene raccolta in un contenitore (detto
avancrogiolo) posto a valle del canale di colata del cubilotto.
Questo permette di raccogliere una maggiore quantità di ghisa
liquida, che risulta di conseguenza di composizione più
omogenea, e permette, se necessaria, una correzione della
composizione del metallo fuso.
Carica del cubilotto
•Carica metallica:
ghisa grezza, ritorni di fonderia,
rottami di ghisa
•Carica di coke:
10% della carica metallica
•Carica di fondente:
20-30% della carica di coke
Azione scorificante e fluidificante
Nota sul coke
Il coke è un residuo solido carbonioso di litantrace bituminoso con bassi
livelli di cenere e di solfuri, dal quale le componenti volatili siano state
estratte attraverso la cottura in fornaci alla temperatura di 1000°C e in
assenza di ossigeno. Questo procedimento permette di fondere insieme il
carbonio fissato e le ceneri. Il coke è utilizzato come carburante e come
agente di riduzione nelle fornaci per la fusione dei minerali metalliferi. È
grigio, duro e poroso, e ha capacità di riscaldamento di 24.8 milioni di
Btu/ton (29.6 MJ/kg). I sottoprodotti della conversione del carbone in coke
sono catrame o pece, ammoniaca, oli leggeri e "carbone gassificato", o "gas
di carbone".
E’ ottenuto dalla distillazione secca dei carboni fossili e particolarmente dai
litantraci
FORNO ROTATIVO
La fonte di energia per fondere e surriscaldare il metallo è costituito
da combustibili bruciati in un apposito bruciatore posto
all’imboccatura del forno
Lo scambio di calore avviene:
• per irraggiamento
• per convezione
FORNI A CROGIOLO
I forni a crogiolo fondono tramite la conduzione del calore dalla fiamma
alla carica metallica passando attraverso le pareti del crogiolo
La maggioranza dei forni a crogiolo sono alimentati da gas o da
combustibili facilmente disponibili; il combustibile maggiormente
utilizzato è il gas naturale. Regolando l’afflusso di combustibile e di aria
nella camera di combustione, è possibile controllare la fiamma.
Usati principalmente per fondere leghe di alluminio, leghe a base di rame
e leghe a base di magnesio.
Esistono tre diversi tipi di forni a crogiolo usati in fonderia:
•A crogiolo stazionario estraibile;
•A crogiolo ribaltabile;
•A crogiolo stazionario.
FORNI A CROGIOLO
A crogiolo stazionario estraibile
Il crogiolo viene rimosso dalla fornace
ed il metallo liquido viene versato
direttamente dal crogiolo all’interno
della forma o in un altro forno o in un
dispositivo di mantenimento del metallo
fuso.
Hanno la flessibilità migliore in relazione al
numero di leghe che può fondere; infatti è
possibile controllare la qualità del metallo
usando crogioli diversi per fondere leghe
diverse.
A crogiolo ribaltabile
Il
crogiolo
è
cementato
all’interno del “guscio” del
forno. Per rimuovere il metallo
fuso il forno viene ribaltato ed il
metallo viene versato all’interno
del getto o trasferito nella
siviera.
A crogiolo stazionario
Questo tipo di crogiolo non è
ribaltabile. Il metallo fuso viene
prelevato mediante spillaggio
manuale o automatico.
CROGIOLO
•
I crogioli usati nei forni fusori sono fatti o di grafite oppure di
carburo di silicio; il carburo di silicio di solito viene preferito per la
sua migliore conduttività termica;
•
La capacità di un forno è limitata dalle dimensione del crogiolo, e
ogni forno è progettato per una determinata tipologia di crogiolo;
•
Il crogiolo è posizionato su di un supporto, elemento che gioca un
ruolo molto importante sulla buona riuscita del processo di fusione.
Il supporto è progettato per determinate dimensioni del forno e del
crogiolo, e questa progettazione su misura permette di ottenere
un’opportuna altezza del crogiolo sul bruciatore. E’ realizzato o in
grafite oppure in carburo di silicio.
FORNI ELETTRICI
Facilità di regolazione
Elevate temperature
Assenza di combustione
FORNI AD ARCO ELETTRICO
DIRETTO
La sorgente di calore, che permette la fusione della carica, è l’arco
elettrico che scocca tra gli elettrodi e la carica metallica. Questo arco è
una sorgente di calore estremamente potente ed è possibile raggiungere
temperature intorno ai 4000°C.
Sono principalmente usati per la fusione dell’acciaio e della ghisa
Sono forni con capacità variabile tra 1 e 100 tonnellate
La potenza può variare tra 1000 e 20000 kW
Un forno ad arco elettrico diretto
è costituito essenzialmente da un
guscio,
da
un
coperchio
rimovibile e dagli elettrodi. In
alcuni casi sono internamente
rivestiti con del materiale
refrattario.
Il guscio ha una porta d’accesso posta dietro al forno che permette di
aggiungere metallo fuso alla colata, rimescolare la colata, osservare il
progresso della colata, prelevare campioni e rimuovere la scoria.
Per lo fuoriuscita del metallo fuso è previsto un canale di colata
posizionato sulla parete frontale del forno.
Nel coperchio vi sono tre aperture attraverso le quali vengono inseriti gli
elettrodi di forma cilindrica e fatti in grafite. Una volta inseriti nel
coperchio i tre elettrodi vengono collegati all’energia elettrica attraverso
cavi elettrici.
Lo spazio libero tra elettrodo e foro nel coperchio può dar luogo
all’effetto camino, che causerebbe un aumento delle perdite per
ossidazione degli elettrodi, allora è bene che tale “vuoto” venga sigillato
con tenute raffreddate ad acqua.
Il materiale refrattario utilizzato in questi forni deve essere termicamente
stabile e possedere sufficiente resistenza alle temperature di esercizio.
Inoltre deve essere inerte col metallo e con le scorie, e deve permettere
facilità di installazione e di manutenzione.
FORNO AD INDUZIONE
Sfrutta il principio dell’induzione elettromagnetica: nella carica si
sviluppano delle correnti indotte da un campo magnetico che
scaldano il metallo per effetto joule
È composto da:
- una spira primaria percorsa
da corrente alternata (da 60 a
700 Hz) che genera un
campo magnetico
- un circuito secondario
(metallo da fondere) percorso
dalla corrente indotta dal
campo magnetico
La fusione avviene per effetto Joule
I forni ad induzione si dividono in due categorie:
FORNI AD INDUZIONE CON NUCLEO MAGNETICO
forno a induzione a bassa frequenza
La spira secondaria avvolge
l’induttore
Esistono diverse tipologie:
I.
Singola spira avvolta
da un solo canale
II.
Ad induttori gemelli
con un unico cuore
III. Ad induttori gemelli
con due cuori
magnetici
FORNI AD INDUZIONE CON NUCLEO MAGNETICO
forno a induzione a bassa frequenza
Utilizzato principalmente per la fusione delle leghe di rame e di
alluminio
Possibili configurazioni:
1. Forno in verticale con coperchio per le operazioni di carico e
scorificazione
2. Forno cilindrico orizzontale con due induttori per maggior
affidabilità
• Buona efficienza elettrica
• per chiudere il circuito il forno deve contenere una quantità minima
di metallo fuso, anche in fase di avviamento
• il canale secondario non deve essere intasato da scorie
FORNI AD INDUZIONE SENZA NUCLEO MAGNETICO
forno a induzione a media frequenza
È un crogiolo refrattario circondato da una spira induttrice
Si genera una forza che rimescola il fluido Î ottima
omogeneità chimica
E’ utilizzato principalmente per la fusione di leghe ferrose
FORNI A RESISTENZA ELETTRICA
Crogiolo
circondato da
resistenze
elettriche: il
metallo fonde per
irraggiamento.
È possibile
estrarre il fuso
dall’alto
immettendo nel
forno aria
pressurizzata
FORNI A RIVERBERO O A RISCALDAMENTO
DIRETTO
Questo tipo di tecnologia viene utilizzata specialmente per la
fusione di alluminio, specialmente per far fronte a grosse
richieste di materiale fuso: possono avere infatti capacità di
carico che variano dai 900 kg alle 90 tonnellate.
Esistono numerose tipologie:
FORNI A RIVERBERO A FIAMMA DIRETTA
Fusione per contatto diretto tra fiamma e metallo:
Alta produzione di scorie
Si genera turbolenza Î il fluido assorbe gas
FORNI A RIVERBERO A SUOLA SECCA
Il metallo
solido viene
caricato nella
prima camera e
fuso dai
bruciatori.
Il pavimento
inclinato
permette al
metallo liquido
di scorrere
nella seconda
camera
Il metallo viene raccolto in un bacino sottostante
Il rapporto aria-combustibile va controllato per non produrre troppo
vapore acqueo Î l’alluminio tende ad assorbire idrogeno
Basso rendimento, elevata perdita di materiale fuso (2% - 12%) ed alta
produzione di scorie
FORNI FUSORI A RIVERBERO CON CAMINO
Il metallo viene inserito nella parte superiore del camino,
preriscaldato dai fumi di scarico ed infine fuso dai bruciatori
Capacità di carico fino a 800 kg/h, miglior efficienza grazie al
preriscaldamento
FORNO A RIVERBERO A SUOLA UMIDA O A BACINO
È costituito da una camera di carico separata dalla camera
principale adibita alla fusione per mezzo di una parete sommersa
di materiale refrattario; la fusione avviene grazie all’azione di un
bruciatore posizionato sul soffitto della camera di fusione
