Cómo funciona un horno de inducción industrial

Qué hace un horno de inducción

Un horno de inducción funde metal con electricidad, no con una llama. Donde un cubilote o un horno alimentado por combustible quema combustible y pasa el calor al metal desde fuera, un horno de inducción usa un campo magnético para generar el calor dentro del propio metal. No hay quemador, no hay combustión y ninguna llama toca la carga. Esa sola diferencia es la razón por la que las fundiciones de todo el mundo funden hierro, acero, cobre y aluminio así.

La idea es fácil de imaginar. Una carga de metal frío, chatarra, retornos de fundición y aleación nueva, se introduce en un crisol envuelto en una bobina de cobre. Se conecta la potencia, la bobina crea un campo magnético que alterna con rapidez, y en cuestión de minutos el metal empieza a brillar, a ablandarse y a desplomarse en un baño líquido y luminoso. El horno mantiene ese baño a una temperatura controlada hasta que está listo para colar. Lo que parece un simple recipiente de metal fundido es el resultado de una cadena precisa de pasos eléctricos, y el resto de este artículo los recorre.

El principio: calor a partir de un campo magnético

La física detrás de todo esto es la inducción electromagnética, el efecto que Michael Faraday describió en 1831: un campo magnético variable induce una corriente eléctrica en cualquier conductor cercano. Un horno de inducción pone esa ley a trabajar. La corriente alterna en la bobina crea un campo magnético que invierte su dirección muchas veces por segundo. La carga de metal que está dentro de la bobina es un conductor, así que el campo variable induce en ella corrientes circulantes, llamadas corrientes de Foucault.

Esas corrientes de Foucault son de donde viene el calor. El metal se opone a ellas, y esa resistencia convierte la energía eléctrica directamente en calor, repartido por la capa exterior de cada pieza de la carga. Como el calor se genera en el metal en lugar de conducirse hacia él desde una llama, aparece rápido y de forma uniforme, y nada de él se pierde por una chimenea. Cuanto más alta es la frecuencia del campo, más fina es la capa calentada, así que la frecuencia del convertidor se ajusta al tamaño del horno y al metal que se está fundiendo.

El mismo campo hace un segundo trabajo útil. A medida que calienta el baño, también empuja el metal fundido y establece una circulación suave que agita la colada desde dentro. Esta agitación electromagnética mezcla las adiciones de aleación de manera uniforme y nivela la temperatura en todo el baño, así que una muestra tomada de arriba da lo mismo que una tomada del fondo. Un horno alimentado por combustible tiene que depender de la lenta convección natural del metal para lograr lo mismo. Para ver cómo se construyen la bobina y la plataforma sin núcleo para acoplar la potencia de forma eficiente, consulta la tecnología de base.

Dos partes: el cerebro y el músculo

Un horno de inducción es en realidad dos máquinas que trabajan juntas. Una piensa, la otra trabaja, y ayuda mantenerlas separadas.

El convertidor de potencia es el cerebro. Toma el suministro de red de la planta y lo transforma en la corriente alterna de media frecuencia que necesita la bobina, al nivel de potencia que exige la fusión. Un convertidor moderno usa interruptores IGBT, dispositivos semiconductores rápidos que encienden y apagan la corriente miles de veces por segundo para fijar la frecuencia y la potencia con precisión. Aquí es donde se gestiona la fusión: el convertidor mantiene la potencia estable a medida que la carga cambia de estado, se ajusta al horno según se funde el metal, y alimenta el sistema de control que gobierna todo el ciclo. La diferencia entre un convertidor IGBT y el tipo SCR más antiguo al que sustituyó se trata en convertidores IGBT vs. SCR, y los propios convertidores están en la página de fuentes de alimentación.

El cuerpo del horno es el músculo. En su centro hay un crisol refractario que contiene el metal, envuelto en una bobina de cobre refrigerada por agua. La bobina lleva la corriente del convertidor y la transforma en el campo magnético que realiza la fusión, mientras que la refrigeración por agua evita que el cobre se sobrecaliente bajo la carga. Todo el conjunto se apoya sobre un bastidor basculante para poder colar limpiamente la colada terminada. Por sí solo, el cuerpo del horno no hace nada; impulsado por el convertidor, funde una tonelada de metal en cuestión de minutos.

De la carga fría al metal fundido

Sigue una fusión de principio a fin. El horno se carga con metal frío: una mezcla de chatarra de hierro o acero, retornos de fundición y aleación nueva, dimensionada para que se acomode en el crisol sin formar puentes. Se conecta el convertidor y sube la potencia. Al principio el campo se acopla a las piezas sólidas y calienta sus superficies; a medida que se ablandan y se hunden, se forma un charco de líquido en el fondo que crece hacia arriba hasta que toda la carga está fundida.

En cuanto hay un baño líquido, la fusión se acelera, porque el metal líquido se acopla al campo mejor que una carga sólida suelta, y la agitación electromagnética empieza a hacerlo circular. Se puede añadir más metal al baño a medida que se funde, así que a menudo el horno se recarga poco a poco en lugar de llenarse todo de una vez. Cuando la carga está totalmente líquida, el operario la eleva por encima de su punto de fusión hasta la temperatura de colada, un sobrecalentamiento controlado que da al metal margen suficiente para llenar las piezas antes de que empiece a solidificar.

Durante todo esto, la temperatura se mide y se mantiene bajo control digital. Un sistema de fusión moderno mide la potencia que entrega y lee el baño, así que puede mantener una temperatura fijada, corregir la química con una adición medida, e indicar al operario exactamente en qué punto está la colada. Cuando el metal está a temperatura y dentro de especificación, el horno bascula y cola, hacia una cuchara, un sistema de transferencia o, en una línea automática, un horno de colada calentado. Cuánta electricidad consume todo ese ciclo, en kWh por tonelada, es el tema de el consumo energético de un horno de inducción.

Por qué las fundiciones funden así

Frente a las formas más antiguas de fundir, la inducción ofrece un conjunto consistente de ventajas, y todas se derivan del mismo hecho: el calor se genera dentro del metal, de forma eléctrica, sin que nada arda. Cinco de ellas importan más en la planta de fundición.

Leídas en conjunto, estas son las razones por las que la inducción se ha convertido en el estándar de la fusión en fundición. La calidad del metal es lo primero: sin productos de combustión que recoger, la colada se mantiene limpia, y un baño agitado y calentado de manera uniforme es fácil de muestrear y de corregir. El proceso limpio viene después, sin llama ni gases de combustión de la propia colada, un mejor ambiente de taller y una huella más pequeña. La recuperación total de la chatarra permite a una fundición cargar sus propios retornos y la chatarra comprada y llevar todo el lote a una química conocida, en lugar de perder material en una llama abierta. La eficiencia energética proviene de llevar el calor directamente al metal en vez de calentar un horno y una llama a su alrededor. Y el control preciso de la temperatura, a través del convertidor digital, mantiene la colada a temperatura y las piezas constantes.

El calor se genera dentro del metal, de forma eléctrica, sin que nada arda. Cada ventaja que un horno de inducción tiene sobre una llama se deriva de esa sola frase.

Hoy, casi toda la fusión en fundición se hace en hornos de inducción sin núcleo, donde la bobina rodea un crisol simple y calienta todo el baño en conjunto, así que se vacía por completo y cambia de aleación con facilidad. La alternativa, un horno de canal, se explica en inducción sin núcleo vs. de canal. CIME diseña hornos de inducción sin núcleo en Turín desde 1952, desde los propios hornos de fusión hasta sus fuentes de alimentación IGBT. Para ver cómo encaja la plataforma, empieza por la tecnología de base.

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