En términos generales, la metalurgia se refiere a los procesos mediante los cuales se extraen los metales de sus menas (o materiales reciclados) y se preparan para su uso en la producción y el refinado de metales. Se denomina pirometalurgia a los procesos en los que se utiliza un calor extremadamente alto para extraer los metales mediante la fundición, seguida del refinado al fuego y, posiblemente, la fundición. En algunos casos, como en la extracción del aluminio, se requiere la electrólisis (electrometalurgia) como paso final.
Todos estos procesos implican el control de la temperatura de los metales fundidos (líquidos), que se dividen a grandes rasgos en tres categorías:
- hierro (ferroso)
- acero
- no ferrosos (aluminio, cobre, plomo, níquel, estaño, titanio y zinc, así como aleaciones de cobre como el latón y el bronce).
Para garantizar la calidad del producto y la productividad de la planta, las plantas de fabricación y reciclaje de metales necesitan mantener el metal fundido dentro de unos límites exactos de temperatura antes de que la masa fundida pueda refinarse y fundirse. Esto es esencial para evitar, por ejemplo, diversos problemas en el proceso: Una temperatura demasiado baja puede dar lugar a problemas de fundición, mientras que las temperaturas demasiado altas implican costes energéticos adicionales. La precisión, reproducibilidad y fiabilidad de la medición de la temperatura del metal fundido es, por tanto, una parte esencial de la pirometalurgia y, en última instancia, determinará la calidad del producto final.
En esta página veremos cómo los termopares de (ultra) alta temperatura de Kamet, también conocidos como termopares exóticos, pueden utilizarse como termómetros metalúrgicos. Su función es vigilar y controlar los procesos de fundición, refinado y colada en enormes refinerías o plantas de producción o, por ejemplo, como parte de aplicaciones de investigación o reciclaje.
¿Qué termopares de alta temperatura son los más adecuados para la pirometalurgia?
Son los termopares más utilizados en aplicaciones de metal fundido, como fundiciones y acerías:
Tipo | Pierna positiva | Pierna negativa | Rango de temperatura | Aplicación metalúrgica |
Tipo K | NiCr | Ni | -270 a 1260°C | Adecuado para el punto de fusión ligeramente inferior del cobre y el acero. También es capaz de soportar el duro entorno de los hornos de fusión de aluminio y los baños de electrolito fundido. |
Tipo N | NiCrSil | NiSil | -270°C a 1260°C | Soportan el calor extremo y proporcionan mediciones fiables en los duros entornos de los hornos. Excelente precisión y estabilidad termoeléctrica, especialmente a temperaturas superiores a 900 °C. |
Tipo S | Pt10%Rh | Pt | 0°C a 1450°C | Monitorizan y controlan las temperaturas en hornos de mantenimiento durante la fusión y colada de metales. Se utiliza comúnmente para fundiciones de acero, aluminio y zinc. El tipo S ofrece una estabilidad y precisión relativamente prolongadas en entornos difíciles. Nota: las tensiones de salida para funcionamiento continuo sólo son estables hasta unos 1300°C. |
Tipo R | Pt13%Rh | Pt | 0°C a 1450°C | Muy similar al tipo S, aunque debido al mayor porcentaje de rodio es ligeramente más estable. Cabe señalar que una diferencia significativa entre los termopares S y R es que el tipo R tiene un gradiente de temperatura aproximadamente un 12% mayor (coeficiente seebeck) que el tipo S. |
La elección exacta del termopar depende del entorno específico de la aplicación, su posición, el intervalo de temperatura que debe medirse y la elección de los alambres de compensación. También es importante tener en cuenta los factores de estrés térmico y mecánico.
Si está midiendo un punto específico dentro del metal fundido, un termopar más pequeño puede ser suficiente. Para una cobertura más amplia, opte por un tamaño mayor. Nuestros termopares de ultra alta temperatura (exóticos) están disponibles en una gran variedad de longitudes, diámetros y conectores. Las distintas clases de termopares se adaptan a la instrumentación y configuración locales.
Localización de termopares en hornos de fusión de metales
En términos generales, existen tres opciones para la ubicación del termopar cuando se funde metal. Cada una tiene ventajas y desventajas específicas.
- El diseño más básico es aquel en el que el termopar se coloca en la cámara del horno, detrás del crisol de fusión. Esto permite tiempos de calentamiento rápidos, pero debido a la medición indirecta de la temperatura tiende a no ser eficiente energéticamente, utilizándose a menudo temperaturas más altas de lo necesario.
- La medición de la temperatura es mucho más precisa si se coloca el termopar directamente en el metal fundido (termopar de inmersión). Sin embargo, debido a las condiciones extremas de dicha colocación, el termopar tiene más posibilidades de fallar y las vainas se consideran desechables, ya que sólo pueden utilizarse una vez.
- El termopar también puede colocarse dentro de un bolsillo en la pared del crisol (esto requiere un crisol especialmente diseñado). Esto no es tan preciso como un termopar de inmersión, sin embargo es una medición más directa que la colocación en la cámara del horno (1) a la vez que prolonga la vida útil del termopar en comparación con la inmersión (2).
Siempre que sea posible, una combinación de al menos dos de estas tres posiciones ofrece las lecturas más precisas. Si falla un termopar, aún quedan lecturas para el otro.
Sea cual sea (la combinación de) la posición elegida, es muy importante garantizar un aislamiento eléctrico adecuado y una buena conexión entre el termopar y el instrumento de medición.
Protección del termopar en pirometalurgia
Es esencial tener en cuenta el montaje adecuado para proteger el termopar en las aplicaciones metalúrgicas: Los metales fundidos y las sales corroen los sensores desprotegidos. Los termopares también pueden verse afectados por las capas de escoria o escoria, así como por el ambiente sucio y lleno de humo. También existe el reto de encontrar un equilibrio entre un tiempo de respuesta más rápido (vaina más fina) y una mayor protección del termopar (pared más gruesa), garantizando al mismo tiempo una medición precisa y fiable. La elección en este sentido depende de la colocación y el montaje del termopar, del tipo de metal fundido que se mida, así como de otros factores ambientales.
Tenga en cuenta que para los termopares de inmersión que se utilizan en pirometalurgia, se requieren carcasas especiales para proteger el sensor de la fundición. Este también podría ser el caso de los termopares que pudieran estar expuestos a salpicaduras. Para ello, Kamet ha optado por almacenar las siguientes opciones:
Carburo de silicio aglomerado con nitrito (sin tubo interior de acero)
Esta carcasa de termopar es adecuada para aplicaciones no ferrosas de hasta 1500°C. En aplicaciones con poco desgaste mecánico, el potencial de vida útil es excelente, lo que las convierte en una opción muy económica. Algunas de sus características beneficiosas son
- una gama de tamaños
- duradero
- no es necesario precalentar
- excelente resistencia a la erosión
- buenos tiempos de respuesta
Carburo de silicio (con tubo interior de acero)
Adecuados para hornos de fundición de latón y aluminio de hasta 1000°C, nuestros tubos de carburo de silicio no sólo protegen el termopar del elevado calor y de las sustancias químicas agresivas del humo. Además:
- Ofrecen una excepcional resistencia al choque térmico gracias a su alto contenido en grafito y carburo de silicio (aproximadamente el 90%).
- puede soportar la inmersión repetida en aluminio fundido sin agrietarse
- están disponibles en una gama de diámetros y longitudes
- no requieren revestimiento adicional
Hierro fundido
Los tubos de protección de termopares de hierro fundido, disponibles con o sin revestimiento cerámico, están diseñados para su uso en entornos con altas temperaturas y elevadas cargas mecánicas. Estos tubos están especialmente formulados para aplicaciones en hornos de fusión de metales como el aluminio, el magnesio y el zinc. Su robusto diseño también los hace adecuados para otras aplicaciones industriales en las que la durabilidad y la resistencia a la temperatura son esenciales.
Sialón/Silón
Se trata de una aleación cerámica y es una opción popular y bien establecida en las industrias del metal, especialmente para el aluminio, el cobre y el latón. Nuestros tubos de protección de termopares fabricados con este material tienen algunas características clave:
- excelente conductividad térmica
- alta resistencia a los choques térmicos
- no hay erosión ni reacción química en las fundiciones de aluminio
- adecuado para la medición de la temperatura del metal fundido tanto por inmersión como indirectamente
- no humectante
Además, ofrecemos una gama de vainas para termopares diseñadas para aplicaciones de alta temperatura, de las cuales las siguientes también pueden utilizarse en determinadas aplicaciones pirometalúrgicas (tenga en cuenta que las temperaturas son indicativas y dependen de los parámetros de la aplicación):
- El acero inoxidable 304 (900°C)
- El acero inoxidable 316 ( 900°C) ofrece mejor resistencia a la corrosión que el acero inoxidable 304
- El acero inoxidable 310 (1500°C) es el más adecuado para las fusiones metálicas. Incluye propiedades como resistencia al choque térmico, no contamina la masa fundida, resistencia a la degradación incluso en aleaciones de aluminio y litio.
- La aleación Haynes 556 (1000°C) es una de las pocas vainas que pueden sobrevivir en zinc fundido
- Alúmina Al2O3 (1650°C)
- INC600 (1175°C)
- INC601 (1200°C)
- Pyrosil D (1250°C)
- Syalon/Sialon (hasta 1400°C, según el tipo)
Algunas aplicaciones metalúrgicas específicas de nuestros termopares
Fundición de aluminio
La producción de aluminio es un proceso complejo. Aunque el aluminio puro (Al) es un elemento abundante en la naturaleza, es extremadamente difícil de extraer ya que siempre está unido a otros elementos químicos en forma de sales u óxidos. Los termopares de ultra alta temperatura desempeñan un papel importante en la medición y el control de la temperatura durante la extracción directa en hornos de fusión de aluminio. Sin embargo, las altísimas temperaturas requeridas y la larga duración del proceso requieren equipos muy especializados y caros, con enormes costes energéticos.
Por esta razón, un método más común es la extracción mediante una reacción de separación química, que se consigue a través de ollas de electrólisis (también llamadas ollas de reducción). Este proceso a alta temperatura (900°C-1000°C) se controla mediante ordenadores conectados a termopares remotos de alta temperatura para garantizar el funcionamiento óptimo de la olla de electrólisis. Es un entorno difícil para los sensores, ya que la reducción de alúmina oxidada es muy agresiva y el baño químico corroe rápidamente los termopares. El tipo K es el más adecuado para este proceso, especialmente con paredes pesadas de al menos 5,5 mm de diámetro exterior.
El reciclaje de chatarra de aluminio es otra aplicación de nuestros termopares exóticos. El metal se vuelve a fundir, lo que resulta mucho más barato y eficiente desde el punto de vista energético que producir aluminio virgen mediante electrólisis u hornos de fusión. De hecho, el reciclado de la chatarra de aluminio supone sólo el 5% de la energía utilizada para extraerlo del mineral en bruto.
Los termopares están expuestos a condiciones ambientales extremas en todos estos procesos de producción del aluminio. Por ello, es necesaria una carcasa protectora como nuestros tubos de carburo de silicio aglomerado con nitrito o la cerámica syalon.
Fundición y extracción de cobre
La producción de cobre suele tener lugar en procesos de fundición por lotes o de colada continua. Se trata del proceso pirometalúrgico más caliente a 1150°C-1200°C. En ambos casos, los termopares de alta temperatura desechables o los termopares de sensor continuo tienen un papel importante a la hora de garantizar que se mantienen las temperaturas necesarias para el cobre fundido durante todo este proceso.
Especialmente en la segunda etapa de transformación del cobre en su forma final, conocida como fabricación de cobre, el objetivo principal es utilizar aire rico en oxígeno para convertir el producto inicial de cobre en cobre blíster, que es cobre casi puro (99-99,5% de cobre). Este paso implica ciertas reacciones químicas que liberan mucho calor, lo que hace que el proceso sea autosuficiente en términos de temperatura. Para mantener la temperatura estable en unos 1250°C, se añade chatarra o cobre reciclado que no se ha calentado (lo que se denomina carga en frío).
Relacionado con la fundición del cobre está el proceso de recuperación de recursos de la escoria de cobre. La escoria de cobre es un contaminante potencial debido a los elementos que se filtran gradualmente en el suelo, el agua (subterránea) y el aire. Las investigaciones recientes se han centrado en el hecho de que el contenido de cobre y hierro de la escoria de cobre es superior al del mineral. El procesamiento de esta escoria para recuperar los recursos puede hacerse de diferentes maneras, entre ellas mediante la pirometalurgia.
Ofrecemos dos opciones de carcasa protectora muy adecuadas para los termopares de inmersión utilizados en la extracción de cobre: carburo de silicio aglomerado con nitrito o tubo de syalon/sialon.
Acerías
El arrabio se convierte en acero eliminando sus impurezas, como el carbono y la escoria, según el tipo de acero que se esté fabricando. Las altísimas temperaturas que se alcanzan (hasta 1600° C) hacen que nuestros tubos de carburo de silicio (SIC) y alúmina (A1203) sean idóneos para proteger los termopares. Pueden utilizarse en cualquiera de los siguientes procesos de extracción de acero:
- Siderurgia al oxígeno: el arrabio fundido se convierte en acero soplando oxígeno sobre él en el interior de un convertidor de oxígeno. El conocimiento de la temperatura es importante para optimizar el proceso y prolongar la vida útil del revestimiento interior del horno.
- Altos hornos: la supervisión y el control precisos de la temperatura son cruciales para una producción eficaz de hierro y para optimizar el proceso.
- Cúpulas de estufa: forman parte del proceso del alto horno. Sólo una vez que se ha calentado a una temperatura determinada antes de ser puesto en el alto horno.
- Hornos de arco eléctrico: utilizan energía eléctrica para producir acero a partir de chatarra. Los termopares ayudan a garantizar la eficacia y la uniformidad de la fusión.
- Colada continua: el acero fundido se solidifica hasta formar un planchón semiacabado y después, en el tren de acabado, se utiliza para colar metales de longitudes ininterrumpidas. Como ocurre con otros medios de producción de metales, es necesario mantener la temperatura adecuada para obtener un producto de alta calidad (en este caso, palanquillas de acero).
- Fosos de remojo: son hornos para mantener lingotes de acero calientes con el fin de igualar su temperatura antes de seguir procesándolos. Se necesitan termopares de ultra alta temperatura para controlar el proceso de igualación de la temperatura
Pirometalurgia del zinc
El primer paso en la fabricación de zinc es la «tostación» del sulfuro de zinc a altas temperaturas (860°C y 960°C) para oxidarlo y producir óxido de zinc impuro, también conocido como calcinación de zinc. Los altos hornos y los hornos eléctricos, como los utilizados para la extracción de acero (véase más arriba) pueden utilizarse para la extracción de zinc, y los termopares de alta temperatura desempeñan un papel importante en la medición y el control de la temperatura del proceso. La temperatura de los hornos debe mantenerse por encima del punto de ebullición del zinc (906°C). El segundo paso suele ser la electrólisis a baja temperatura para producir cátodos de zinc.
A veces es necesario un tercer paso: la fundición y el moldeado. La fundición del zinc es más difícil que con otros metales debido a su punto de ebullición más bajo. Esto hace que el papel de los termopares sea muy importante en el control para asegurarse de que las temperaturas no suben lo suficiente como para que el zinc se convierta en gas y escape del horno.
Por último, los termopares exóticos son importantes en el galvanizado con zinc, un proceso a unos 400-500°C por el que el acero o el hierro se recubren de zinc para protegerlos de la oxidación.
Ciencia e investigación metalúrgica
Los termopares de ultra alta temperatura también tienen su función en cualquier aplicación de investigación pirometalúrgica relacionada con hornos y fundiciones de metales. Una de estas áreas es la investigación sobre la recuperación eficaz de metales valiosos de los cátodos de las baterías de iones de litio. Con la prevalencia cada vez mayor de los vehículos eléctricos, ésta es un área esencial de investigación y los termopares de alta temperatura proporcionan los medios consistentes y precisos de supervisión y control de la temperatura en estos procesos.
Gama de termopares y servicios de asistencia de Kamet
En conclusión, los termopares exóticos, como los de Kamet, son una excelente elección para los entornos de temperaturas extremas en el variado campo de la pirometalurgia. No sólo son capaces de controlar las temperaturas extremas, sino que también tienen un alto grado de precisión. Esta robustez y precisión es la combinación ideal para la detección de la temperatura en la metalurgia
Las especificaciones detalladas de toda la gama de termopares de alta temperatura y vainas están fuera del alcance de este artículo. La información está disponible en otras partes de nuestra página web: haga clic para saber más sobre nuestros termopares de ultra alta temperatura y también puede leer sobre nuestras diferentes vainas. ¿Prefiere un asesoramiento personalizado específico para su aplicación? Nuestros especialistas internos en termopares estarán encantados de ayudarle: póngase en contacto con nosotros con sus preguntas.