I FORNI FUSORILa 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-leghecostituite 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 produzione giornaliera (20%);

•Diminuire il consumo del combustibile;

• 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.

Il riscaldo dell’aria può essere ottenuto in due modi:

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 piùomogenea, 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. Ègrigio, 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 ROTATIVOLa 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 èpossibile 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 èribaltabile. Il metallo fuso viene prelevato mediante spillaggiomanuale 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 èuna 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

- 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

È composto da:

La fusione avviene per effetto Joule

I forni ad induzione si dividono in due categorie:

Sfrutta il principio dell’induzione elettromagnetica: nella carica si sviluppano delle correnti indotte da un campo magnetico che

scaldano il metallo per effetto joule

FORNI AD INDUZIONE CON NUCLEO MAGNETICOforno 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 MAGNETICOforno a induzione a bassa frequenza

Utilizzato principalmente per la fusione delle leghe di rame e di alluminio

• 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

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

FORNI AD INDUZIONE SENZA NUCLEO MAGNETICOforno a induzione a media frequenza

È un crogiolo refrattario circondato da una spira induttrice

Si genera una forza che rimescola il fluido 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 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 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 sommersadi materiale refrattario; la fusione avviene grazie all’azione di un bruciatore posizionato sul soffitto della camera di fusione