Fundición

Las fundición es una aleación de hierro (Fe) y carbono (C) que contiene más de un 2 % de carbono; en cambio, estas aleaciones reciben el nombre de aceros cuando el porcentaje de C es inferior.

Ventajas y desventajas de las fundiciones

También conocido como hierro fundido, la ventaja de este material es que su punto de fusión es más bajo que el del acero. Como resultado, las fundiciones son más baratas.

En la foto superior se puede ver el puente ferroviario sobre el estuario del Tay (Escocia), en su estado original (se inauguró en 1878). Fuertes vientos hicieron colapsar el puente el 28 de diciembre de 1879, en uno de los mayores desastres de la historia de la ingeniería. En las etapas previas del accidente fallaron las columnas de la sección central, fabricadas con fundición de hierro. El puente se reconstruyó después con acero y hierro forjado.

Muchos otros puentes colapsaron más tarde. Alrededor de 1900, ya se habían reconstruido en acero miles de puentes de fundición para el ferrocarril. La desventaja principal de las fundiciones frente a los aceros, en suma, es su menor resistencia mecánica.

Tipos de fundición

La forma en que se presenta el carbono influye en el color del hierro fundido y su comportamiento frente a la rotura. También determinan la facilidad para mecanizar la fundición.

Por ejemplo, las fundiciones blancas son duras, pero frágiles y difíciles de mecanizar. Por el contrario, en la fundición gris, el carbono adopta la forma de copos de grafito. Esto facilita el mecanizado, al favorecer la salida de la viruta.

• Fundición gris: el carbono se presenta en forma de láminas de grafito.
• Fundición blanca: son duras y frágiles, debido a la cementita
• Fundición maleable: se obtiene tratando térmicamente una fundición blanca. El carbono se transforma en grafito y ferrita con carbono (austenita)
• Fundición dúctil: también llamada fundición nodular. El grafito toma forma de esferas o nódulos. Se usa, por ejemplo, para fabricar tapas de alcantarilla.

¿Cómo se producen la fundición de hierro?

Horno de cubilote

Un proceso sencillo para fabricar fundición, pero de alto impacto medioambiental, es a través del horno de cubilote. Las paredes de este horno vertical y alargado contienen material refractario resistente a las altas temperaturas (y en algunos casos están refrigeradas por agua).

En los cubilotes, el metal que va a ser fundido y el combustible están en contacto directo. Además del mineral de hierro y el coque (que aporta el carbono y el calor para fundir el metal), se carga en el horno piedra caliza. En la zona inferior se dispone una capa de coque, que inicia la combustión.

En los bajos del cubile, unas aberturas llamadas toberas insuflan aire a la mezcla. El calor derrite el metal, que se concentra en el fondo del cubilote, de donde se extrae a través de la piquera. Sobre el metal fundido se forma una capa de impurezas (escoria), la cual se retira por una segunda piquera.

La fundición queda impregnada con el carbono del coque, por consiguiente, el cubilote no sirve para producir acero. Esta técnica es apta, en cambio, para fabricar distintos tipos de fundición, incluyendo meleable y dúctil.

Horno de arco eléctrico

Las emisiones contaminantes de gases de efecto invernadero al entorno se controlan más facilmente con el horno de arco eléctrico (EAF). Para fabricar fundición se usan hornos de una tonelada de capacidad; en la industria siderúrgica, se emplean hornos de hasta 400 toneladas.

El horno de arco eléctrico para fundir metal aloja en su interior a una o varias parejas de electrodos. Se calienta este horno gracias al arco eléctrico que salta entre ellos.

El arco eléctrico es una descarga que se produce entre dos electrodos cuando existe entre ellos una alta diferencia de potencial (voltaje), bajo una atmósfera gaseosa controlada. Lo descubrió la ingeniera británica Hertha Ayrton, quien recibió por este y otros inventos la medalla de la Royal Society. El arco eléctrico  se usa también en equipos de soldadura para soldar metales.

Tipos de hornos de arco eléctrico

Existen varios tipos de hornos de arco:

• Directos: el arco eléctrico salta de un electrodo al metal, y retorna desde este al segundo electrodo.
• Indirectos: en este horno el arco salta entre los electrodos y el hierro se calienta por radiación. Con un horno de este tipo se funden las aleaciones bronce y latón.
• Electrodo consumible: los hornos de refusión por arco en vacío (VAR) se usan para fundir aleaciones especiales (titanio, circonio, molibdeno). En este horno el electrodo se consume.

A diferencia del horno de cubilote, el EAF sirve para fundir acero. En el interior de estos hornos la temperatura puede llegar a 3800 ºC.

En la figura se representa la sección trasversal del horno eléctrico diseñado por su inventor (Paul Heroult). La batería de electrodos (E) se sube y baja gracias a la cremallera (R), el piñón (S) y el volante (Z). El interior del horno está cubierto por ladrillos refractarios (H); se carga por la puerta (A). Su base, en forma de balancín, permite verter la fundición.

¿Qué productos se fabrican con fundición?

El cuerpo de algunas calderas de gasóleo y estufas de leña se fabrica con fundición. Hoy poco comunes, los radiadores de calefacción de hierro fundido están siendo sustituidos por los de aluminio.

La ventaja de la fundición en los elementos anteriores es que conserva mejor el calor (pero también tarda más en calentarse). Esto se debe a la forma que adopta el grafito en su microestructura (entorpece el flujo de calor).

Por otro lado, algo parecido ocurre con las sartenes de fundición. A diferencia de las fabricadas con acero o aluminio, estas se calientan más despacio, pero conservan mejor la temperatura. Además, es más difícil que se sobrecalienten.

Por el contrario, la sartén de acero al carbono (llamada comercialmente sartén de hierro mineral) es la que mejor conduce la temperatura, especialmente si la placa de fuegos es de inducción electromagnética.