La fabricación de productos perfectos en el procesamiento del aluminio se basa en las medidas de control de calidad, y ninguna es más crítica que la desgasificación. Entonces, ¿qué es la desgasificación en el aluminio y por qué estarían interesados los fabricantes? Esta guía desglosa el proceso, su propósito, las técnicas significativas y el equipo, como el desgasificador de aluminio, con un enfoque en la información aplicable y alcanzable.
1. ¿Qué es la desgasificación en el aluminio? Una definición básica
La desgasificación en el aluminio es un proceso de extracción de gases disueltos, principalmente hidrógeno, del aluminio líquido antes de la solidificación. Una característica del aluminio fundido es que puede disolver 50 veces más hidrógeno que el aluminio sólido. Esta absorción de gas se produce de forma natural durante el proceso de fusión y, si se descuida, produce defectos letales en el producto terminado.
El hidrógeno es atacado primero, ya que es el gas más común presente en el aluminio fundido. Los gases menos problemáticos (como el oxígeno o el nitrógeno) serán expulsados con el hidrógeno. El objetivo de la desgasificación es nivelar el contenido de hidrógeno por debajo de 0,15 cm³/100 g de aluminio, un umbral en el que ya no se producen defectos como la porosidad o el agrietamiento.
La desgasificación se sitúa entre la fusión y la fundición/conformado en la producción de aluminio. No debe ser comprometida por industrias como la automotriz, la aeroespacial o la construcción, donde las piezas de aluminio deben ser fuertes, duraderas y fiables.
2. Por qué los gases entran en el aluminio fundido: principales fuentes
Para comprender por qué la desgasificación es crucial, primero debe entender cómo el hidrógeno entra en el aluminio fundido. Las fuentes más comunes son:
2.1 Humedad de las materias primas
La chatarra de aluminio, los lingotes o las aleaciones suelen absorber humedad de la humedad, la lluvia o el almacenamiento deficiente. Cuando se calientan hasta los puntos de fusión (650–750 °C), cualquier humedad (H2O) reaccionará con el aluminio fundido y liberará hidrógeno:
2Al + 3H2O → Al2O3 + 3H2
El hidrógeno se disuelve en el metal fundido, donde queda atrapado hasta que el aluminio se ha solidificado.
2.2 Aire húmedo
Hay vapor de agua en la atmósfera cerca de los hornos de fusión, especialmente en las regiones costeras o tropicales. La superficie caliente del aluminio fundido actúa como una esponja, absorbiendo hidrógeno del vapor. El aumento de las temperaturas acelera la absorción, y las condiciones de humedad presentan serios desafíos a las fundiciones.
2.3 Lubricantes y contaminantes
Los aceites, lubricantes o agentes de limpieza en las herramientas, moldes o chatarra se agotan al entrar en contacto con el aluminio fundido. Cuando se agotan, el hidrógeno se libera como subproducto. Pequeñas cantidades de estas impurezas pueden hacer que los niveles de gas se disparen y, por lo tanto, la limpieza previa a la fusión es tan crucial como la desgasificación per se.
3. ¿Qué pasa si no desgasifica? Defectos y peligros
Una desgasificación deficiente conduce a defectos costosos y peligrosos. Y esto es lo que verá en los productos de aluminio terminados:
3.1 Porosidad
Defecto más común: pequeñas burbujas de gas atrapadas en el aluminio sólido. Aparecen como pequeños agujeros (macroporosidad, a simple vista) o microvacíos (solo visibles con aumento). La porosidad debilita el metal al reducir su resistencia transversal, disminuyendo la ductilidad a la tracción y la vida a la fatiga. Por ejemplo, un soporte de coche de aluminio poroso se rompería bajo tensión, mientras que un componente aeroespacial con poros fallaría por completo.
3.2 Ampollas
Grandes bolsas de gas en la superficie, que suelen formarse durante la soldadura o el tratamiento térmico. Bajo el calentamiento, el hidrógeno disuelto se expande y, con la presión sobre la superficie del aluminio, se producen ampollas. Estas arruinan la calidad de la apariencia, por lo que las piezas no pueden utilizarse en aplicaciones visibles como paneles arquitectónicos o productos de consumo.
3.3 Grietas
Las burbujas de gas son "puntos de tensión". En la conformación, el mecanizado o el servicio, las burbujas se dilatan hasta formar grietas. Los poros microscópicos pueden provocar fallos catastróficos en los componentes que soportan carga, como columnas de edificios o estructuras de aviones.
3.4 Costos económicos y de seguridad
Los defectos caóticos aumentan las cantidades de chatarra (desperdiciando materiales y mano de obra) y reducen la producción. En las industrias reguladas (como la aeroespacial), los artículos rechazados hacen perder un contrato a la empresa. Peor aún, las piezas defectuosas provocan accidentes, algo que ninguna empresa puede permitirse.
4. Cómo desgasificar el aluminio: 3 técnicas populares
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Desgasificación con gas inerte (la más popular)
Esta acción emula el gas inerte, históricamente argón (Ar) o nitrógeno (N2), sobre el aluminio fundido. El hidrógeno disuelto se elimina mediante las burbujas de gas, y se difunde en las burbujas. Cuando las burbujas llegan a la superficie, liberan hidrógeno a la atmósfera.
El éxito depende de tres problemas:
- Burbujas pequeñas: Cuanto mayor sea la superficie, mayor será la absorción de hidrógeno.
- Distribución uniforme: Las burbujas deben moverse a todas las partes del metal fundido.
- Flujo controlado: No hay suficiente gas = no está completamente desgasificado; demasiado = turbulencia (que reintroduce combustible).
La desgasificación con gas inerte es barata, eficiente y muy adecuada para el procesamiento continuo o por lotes. Casi siempre se combina con un desgasificador de aluminio, un equipo para optimizar el tamaño y la distribución de las burbujas.
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Desgasificación química
Los desgasificadores químicos son sólidos o líquidos que se añaden al aluminio fundido. Se combinan con el hidrógeno para formar compuestos estables que flotan como escoria (residuos sólidos) o permanecen disueltos sin defectos.
Opciones:
- Cloro (Cl2): Produce gas HCl al reaccionar con el hidrógeno (se evapora fácilmente), pero es tóxico y corrosivo.
- Hexacloroetano (C2Cl6): Menos tóxico que el cloro, pero aún peligroso para el medio ambiente.
La desgasificación química funciona bien con lotes pequeños, pero es menos común hoy en día debido a problemas de seguridad y medioambientales. A menudo se utiliza en combinación con la desgasificación con gas inerte para la "limpieza profunda" de las coladas con alta contaminación.
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Desgasificación al vacío (aplicaciones de alto rendimiento)
La desgasificación al vacío coloca el aluminio fundido en una cámara de vacío y permite que la presión descienda. La menor presión reduce la solubilidad del hidrógeno, lo que permite que el gas emita burbujas. Es el método ideal, ya que elimina el hidrógeno a niveles tan bajos como 0,05 cm³/100 g, pero es caro y consume mucha energía.
Este método está reservado para aplicaciones de alto riesgo, como instrumentos médicos o aleaciones aeroespaciales, donde los defectos cero no son negociables.
5. El desgasificador de aluminio: qué es y por qué es importante
Un desgasificador de aluminio es un equipo avanzado que hace que la desgasificación con gas inerte sea eficiente y uniforme. Es la piedra angular de las líneas de procesamiento de aluminio contemporáneas; sin él, la desgasificación con gas inerte sería lenta, errática y derrochadora.
5.1 Cómo funciona un desgasificador de aluminio
La mayoría de los desgasificadores industriales utilizan un eje giratorio con un rotor de grafito o carburo de silicio. El aluminio fundido envuelve el rotor y el gas inerte se suministra a través del eje. A medida que el rotor gira (300–600 RPM), corta el gas en burbujas muy pequeñas y uniformes, exponiendo todas las superficies de la colada al gas.
Componentes clave:
- Rotor: Material resistente al calor (grafito) que puede soportar temperaturas de 750 °C.
- Suministro de gas: Regula el flujo y la presión para evitar turbulencias.
- Sistema de accionamiento: Controla la velocidad del rotor para un tamaño de burbuja óptimo.
5.2 Tipos de desgasificadores de aluminio
Dos tipos más comunes, diseñados para el tamaño de producción:
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Desgasificadores por lotes
Para lotes de producción pequeños a medianos (por ejemplo, fundiciones que crean piezas personalizadas). El desgasificador se sumerge en el crisol/cuchara, tarda un ciclo de 5 a 10 minutos y luego se extrae.
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Desgasificadores continuos
Para la producción a gran escala (por ejemplo, fábricas de láminas o extrusión). Integración con líneas de fundición, desgasificando el aluminio líquido a medida que se bombea a través de un conducto, sin tiempo de inactividad entre los lotes de producción.
5.3 Por qué necesita un desgasificador de aluminio
- Resultados repetibles: Elimina las "zonas muertas" donde el hidrógeno permanece.
- Más procesamiento: Ahorra entre el 30 y el 50 % del tiempo de desgasificación en comparación con la inyección manual de gas.
- Eficiencia del gas inerte: Utiliza entre un 20 y un 30 % menos de gas inerte al generar burbujas pequeñas.
- Controlabilidad: Ajuste la velocidad y el flujo de gas para diferentes aleaciones (por ejemplo, las aleaciones que contienen magnesio necesitan velocidades más lentas para evitar la oxidación).
6. Variables significativas que afectan a la eficiencia de la desgasificación
A pesar de tener un desgasificador de aluminio, el éxito depende de la regulación de estas variables:
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6.1 Temperatura del aluminio fundido
La solubilidad del hidrógeno aumenta con la temperatura, pero también aumenta la difusión del hidrógeno en las burbujas a temperaturas más altas. Lo ideal es entre 680 y 720 °C: lo suficientemente caliente como para permitir una desgasificación rápida, pero no tanto como para aumentar los costos de energía o hacer que la aleación se oxide.
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6.2 Tiempo de procesamiento
La desgasificación es una función del tiempo: cuanto más tiempo pasa la colada bajo la influencia de las burbujas de gas, más hidrógeno se elimina. Pero más allá de los 10–15 minutos, los niveles de hidrógeno se estabilizan; más tiempo no produce nada. Los desgasificadores por lotes suelen funcionar entre 5 y 8 minutos; los equipos continuos varían el tiempo según el caudal.
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6.3 Flujo y presión del gas
Para un desgasificador de aluminio, el caudal es fundamental. Una buena regla general: 0,5–1,0 L/min de argón por cada 100 kg de aluminio fundido. Demasiado poco gas = poca desgasificación; demasiado = salpicaduras (que ensucian con aire nuevo).
La desgasificación del aluminio no es una opción cuando se producen componentes de alta calidad y sin defectos. Ya sea que utilice gas inerte, productos químicos o métodos de vacío, su mejor recurso es el desgasificador de aluminio: proporciona eficiencia, reproducibilidad y rentabilidad. Con información sobre las fuentes de gas, el control de los parámetros clave y la combinación del método de desgasificación adecuado con su aplicación, puede evitar defectos costosos y entregar productos de aluminio de alta calidad en todo momento.
Para los nuevos fabricantes de desgasificación, comience con un desgasificador de aluminio de lote inicial: es asequible, fácil de usar y funciona para la mayoría de las necesidades de producción de pequeña a mediana escala. Cuando su nivel de producción se expanda, actualice a un sistema continuo para mantenerse al día; su resultado final (y sus clientes) se lo agradecerán.
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