Resumen:
La generación de residuos está directamente relacionada con el tipo de material usado (hierro fundido, acero, bronce o aluminio) así como de la tecnología empleada. Los residuos de las operaciones de fundición en arena son inherentemente mayores que los de operaciones con moldes permanentes o matrices.
Por estas razones es la importancia de establecer legislación que efectivamente controlen las emisiones industriales contaminantes del ambiente. Las Normas ISO 14000 proveen la implantación o la planificación para establecer el monitoreo y mejora del Sistema de Gerencia Ambiental, Environmental Management System, EMS.
En la Industria de Fundición, los procesos más contaminantes son los de fusión del metal o de las aleaciones; de allí que sea importante hacer el mayor énfasis en mantener un estricto control del proceso.Los demás procesos de la fundición donde no hay fusión de metales generan contaminación por partículas, particulate pollution.
La prevención de la contaminación, sin nuevos sistemas de captación de emisiones, es hoy la mejor manera de evitar la contaminación que producen nuestras fábricas.
PALABRAS CLAVES: Contaminación, industria, fundición, métodos de control.
Industria de fundición de metales
El tamaño de las empresas dedicadas a la fundición de metales va desde pequeños talleres hasta grandes plantas manufactureras que producen miles de toneladas de piezas fundidas cada día. La generación de residuos está directamente relacionada con el tipo de material usado (hierro fundido, acero, bronce o aluminio) y depende del tipo de moldes y machos usados, así como de la tecnología empleada.
Los residuos de las operaciones de fundición en arena son inherentemente mayores que los de operaciones con moldes permanentes o matrices. Por lo tanto, este trabajo se centra en las fundiciones en arena. El cuadro 1 presenta los residuos generados como resultado de los procesos de fundición de metales:
| Proceso | Residuos |
| Elaboración de moldes y machos | Arena usada, Residuos de barrido y de los machos Polvo y lodos |
| Fusión | Polvo y humos Escoria |
| Colada | Fundición a la cera Cáscaras y ceras |
| Limpieza | Residuos de limpieza |
El proceso de fundición en arena (Figura 1) empieza con la elaboración de la plantilla. Un plantilla es un modelo especialmente hecho de un componente que va a ser producido. Se coloca arena alrededor de la plantilla para hacer un molde. Los moldes generalmente se elaborar en dos mitades de tal manera que el patrón pueda ser retirado fácilmente. Cuando se vuelven a ensamblar las dos mitades, queda una cavidad dentro del molde con la forma del patrón.
Los machos se hacen de arena y un aglomerante; deben ser lo suficientemente resistentes para insertarlos en un molde. Los machos dan forma a las superficies interiores de una pieza moldeada que no pueden ser formadas por la superficie de la cavidad del molde.
El fabricante de patrones entrega cajas de machos que son llenadas con arena especialmente aglomerada para producir machos con dimensiones precisas. Los machos se colocan en el molde y éste se cierra. A continuación, se vierte metal fundido en la cavidad del molde y se le deja solidificarse dentro del espacio definido por el molde de arena y los machos.
Los moldes usados en la fundición en arena consisten de un material particularmente refractario (arena) aglomerado de tal manera que mantenga su forma durante la colada. El tipo más común de elaboración de moldes es con arena verde. La arena verde normalmente está compuesta de arena, arcilla, material carbonoso y agua. La arena constituye el 85 a 95% de la mezcla de arena verde. Con frecuencia, la arena es sílice, pero también se usa olivino y zircón. Aproximadamente 4 a 10% de la mezcla es arcilla.
La arcilla actúa como aglomerante, suministrando resistencia y plasticidad. Los materiales carbonosos pueden constituir hasta un 2 a 10% de la mezcla de arena verde.
Estos se añaden al molde para suministrar una atmósfera reductora y una película de gas durante la colada con el fin de evitar la oxidación del metal. Algunos de los materiales más carbonosos incluyen el carbón de mar (un carbón bituminoso finamente molido) y productos de petróleo. Puede añadirse otros materiales carbonosos como cereal (molido con almidón) y celulosa (harina de madera) para controlar los defectos por la expansión de la arena. El agua activa la aglomeración de la arcilla y generalmente se la agrega en porcentajes pequeños (2 a 5%).
Las arenas de los machos consisten de mezclas de arena con pequeños porcentajes de aglomerante, se utilizan para producir las cavidades internas de una pieza fundida. Los machos deben ser resistentes, duros y colapsables. Con frecuencia, los machos deben ser retirados de una pieza fundida a través de un pequeño orificio y, por lo tanto, la arena debe colapsar después de que la pieza fundida se solidifica.
La arena del macho generalmente es sílice.
También se usa olivino o zircón cuando las especificaciones requieren arenas para macho con mayor punto de fusión o mayor densidad. Los materiales aglomerantes que mantienen unidos los granos de arena varían considerablemente en su composición y en sus propiedades de aglomeración. Son comunes los aglomerantes de aceite y los sintéticos. Los aglomerantes de aceite son combinaciones de aceite vegetal o animal y petroquímicos. Los aglomerantes típicos de resina sintética incluyen resinas fenólicas, de fenol-formaldehido, formaldehido de úrea, formaldehido de úrea/alcohol furfurílico, isocianato fenólico e isocianato alquídico.
Frecuentemente se usan aglomerantes de resinas químicas para los machos de fundición y en menor medida para moldes de fundición. Los aglomerantes químicos brindan una mayor productividad, un mejor control de las dimensiones y una mejor calidad de la superficie de la pieza fundida. Existe una amplia variedad de aglomerantes, entre ellos:
- Aglomerantes sin cocción catalizados con ácido de furano. El alcohol furfurílico es el insumo básico. Los aglomerantes pueden ser modificados con urea, formaldehido o fenol. Los ácidos fosfórico o sulfónico se utilizan como catalizadores. El porcentaje de resina varía entre 0.9 y 2.0% en base al peso de la arena.
Los niveles de catalizadores ácidos varía entre 20 a 50% del peso del aglomerante.
- Aglomerantes sin cocción catalizados con ácido fenólico. Estos se forman en una reacción de condensación de fenol/formaldehido. Como catalizadores se utilizan ácidos sulfónicos fuertes.
- Aglomerantes fenólicos alcalinos sin cocción curados con éster. Se forman con un sistema de aglomerantes de dos partes consistente de una resina fenólica alcalina soluble en agua y co-reactantes de éster líquidos. Generalmente se utiliza 1.5 a 2.0% de aglomerante respecto al peso de la arena y 20 a 25% de co-reactante respecto a la resina para revestir la arena de sílice lavada y secada en las operaciones de elaboración de machos y moldes.
- Aglomerantes sin cocción catalizados con éster/silicato. Se utiliza un aglomerante de silicato de sodio y un éster orgánico líquido (diacetato y triacetato de glicerol o diacetato de glicerol etilénico) que unciona como agente endurecedor. También se puede catalizar con CO2.
- Resinas sin cocción de uretano oleaginoso. Estas resinas consisten de una resina alquídica de tipo oleaginoso, un catalizador líquido de metal/amina y un diisocianato metílico polimérico.
- Aglomerante sin cocción de uretano fenólico (PUN).
- Sistema poliol-isocianato (principalmente para fundiciones de aluminio, magnesio y otras alea- ciones ligeras). Los aglomerantes no ferrosos son similares al sistema PUN que consisten de una Parte I (una resina de formaldehido fenólico disuelta en una mezcla especial de solventes), una Parte II (un isocianato polimérico de tipo MDI en solventes) y una Parte III (un catalizador de amina).
- Aglomerante sin cocción de fosfosfato de aluminio. Este aglomerante consiste de un aglomerante de fosfato de aluminio ácido, soluble en agua y un endurecedor de óxido metálico en polvo de flujo libre.
- Aglomerantes para moldes de cáscara. Se utilizan resinas Novolac de formaldehido fenólico y lubricante (estereato de calcio en la cantidad de 4 a 6% del peso de la resina) como agente de entrecruzamiento.
- Aglomerantes de caja caliente. Las resinas se clasifican como tipos furánico o fenólico. Las de tipo furánico contienen alcohol furfurílico, las de tipo fenólico se basan en fenol y las de tipo furánico modificado tiene ambas. Se utilizan catalizadores tanto de cloruro como de nitrato. Los aglomerantes contienen úrea y formaldehido.
- Aglomerante de caja tibia. Consisten de una resina de alcohol furfurílico que ha sido formulada con un contenido de nitrógeno inferior al 2.5%. Como catalizadores se usan sales de cobre de ácidos sulfónicos aromáticos en una solución acuosa de metanol.
Las fundiciones de precisión con frecuencia usan el proceso de fundición a la cera perdida para hacer los moldes. En este proceso, los moldes se hacen construyendo una cáscara compuesta de capas alternativas de suspensiones refractarias y estucos, como sílice fundida, alrededor de un patrón de cera. Las cáscaras de cerámica se colocan al fuego para remover el patrón de cera y precalentar las cáscaras para la colada.
Otro proceso de elaboración de moldes en arena que está encontrando aceptación comercial utiliza un patrón de espuma de poliestireno embutido en arena tradicional suelta sin aglomerante.
El patrón de espuma dejado en el molde de arena es descompuesto por el metal fundido, por lo tanto el proceso es llamado "moldeo con patrón evaporante" o "proceso de espuma perdida".
Los procesos de fundición comienzan con la fusión del metal para verterlo en los moldes. Para fundir el metal se utilizan hornos de manga, eléctricos, de arco, de inducción, de solera (de reverberación) y de crisol.
El horno de manga (patentado en 1749) es el tipo de horno más antiguo usando en la industria de la fundición y todavía se usa para producir hierro fundido. Es un horno de cuba cilíndrica fija, en el cual se cargan por la parte superior capas alternadas de chatarra y ferroaleaciones, junto con coque y piedra caliza o dolomita. El metal es fundido mediante contacto directo con un flujo a contracorriente de gases calientes provenientes de la combustión del coque. El metal fundido se acumula en el pozo donde es descargado mediante recolecciones intermitentes o mediante un flujo continuo.
Los hornos de manga convencionales están revestidos con material refractario para proteger a la cáscara de la abrasión, el calor y la oxidación. El espesor del revestimiento va de 4.5 a 12 pulgadas. El revestimiento usado más comúnmente es arcilla, ladrillos o bloques refractarios. A medida que el calor aumenta, el revestimiento refractario en la zona de fusión se fluidifica por la alta temperatura y la atmósfera oxidante y se convierte en parte de la escoria del horno.
Un horno de manga generalmente está equipado con un sistema de control de emisiones . Los dos tipos más comunes de recolección de emisiones son los lavadores húmedos de gas de alta energía y la cámara de bolsas seca. Como combustible se utiliza coque de alta calidad para fundición. La cantidad de coque en la carga generalmente está dentro del rango de 8 a 16% de la carga de metal. La combustión del coque se intensifica suministrando aire enriquecido con oxígeno a través de toberas.
Los hornos eléctricos son usados principalmente por grandes fundiciones y plantas siderúrgicas. Se suministra calor mediante un arco eléctrico formado en base a tres electrodos de carbón o grafito. El horno es revestido con refractarios que se deterioran durante el proceso de fusión, lo que genera escoria. Se forman capas de escoria protectora en el horno mediante la adición intencional de sílice y cal. Puede añadirse fundentes como fluoruro de calcio para hacer que la escoria sea más fluida y más fácil de retirar. La escoria protege al metal derretido del aire y extrae ciertas impurezas. La escoria retirada puede ser peligrosa, dependiendo de las aleaciones que se han fundido.
Se añaden a la carga del horno residuos de metal, devoluciones de los talleres (como tubos verticales, puertas y escoria de fundición), escoria rica en carbono y cal o piedra caliza. El equipo de recolección de polvo y humos controla las emisiones al aire del horno de arco eléctrico.
Los hornos de inducción se han convertido gradualmente en los hornos más usados para la fundición de hierro y, crecientemente, para aleaciones no ferrosas. Estos hornos tienen un excelente control metalúrgico y están relati- vamente libres de contaminación. Los hornos de inducción están disponibles en capacidades que van desde unas cuantas libras hasta 75 toneladas. Los hornos de inducción sin núcleo tienen una capacidad típica de 5 toneladas a 10 toneladas.
En un horno sin núcleo, el crisol está completamente rodeado por una bobina de cobre refrigerada con agua. En los hornos de canal, la bobina rodea a un inductor. Algunas unidades de canal grandes tienen capacidades por encima de las 200 toneladas. Los hornos de inducción de canal se usan comúnmente como hornos de conservación.
Los hornos de inducción son hornos eléctricos de corriente alterna. El conductor principal es una bobina, que genera una corriente secundaria mediante inducción electromagnética. La sílice (SiO2), que está clasificada como un ácido, la alúmina (Al2O3), clasificada como neutra y la magnesia (MgO), clasificada como material básico, se usan generalmente como refractarios. La sílice se usa frecuentemente en la fundición de hierro debido a su bajo costo y porque no reacciona fácilmente con la escoria ácida producida cuando se funde hierro con alto contenido de silicio.
Los hornos de reverbero y de crisol son usados ampliamente para la fundición en lotes de metales no ferrosos como aluminio, cobre, zinc y magnesio. En un horno de crisol, el metal fundido es mantenido en una estructura con forma de marmita (crisol). Los calentadores eléctricos o a combustible fuera de esta estructura generan el calor que pasa a través de ella hasta el metal fundido.
En muchas operaciones de fundición de metal, se acumula escoria en el revestimiento de la superficie metálica, mientras que en el fondo se acumulan lodo pesado no fundido. Ambos reducen la vida útil del crisol y deben ser retirados para ser reciclados o tratados como residuos.
Una vez que el metal fundido ha sido tratado para conseguir las propiedades deseadas, es transferido al área de colada en cucharas revestidas con refractarios. Se retira la escoria de la superficie del baño y se vierte el metal en moldes. Cuando el metal vertido se ha solidificado y enfriado, se saca la pieza fundida fuera del molde y se retiran los tubos verticales y las puertas. Los humos provenientes del metal en el área de colada normalmente son extraídos hacia un dispositivo de recolección de polvo , como una cámara de bolsas.
Después del enfriamiento, se retiran los tubos verticales y los burletes de la pieza fundida utilizando sierras de banda, discos de corte abrasivos o dispositivos de corte con arco. La rebaba en la junta se retira con cinceladores. El contorneado de las áreas de corte y de la junta se hace con esmeriladora. La pieza fundida puede ser reparada mediante soldadura para eliminar defectos.
Después de la limpieza mecánica, la pieza fundida es limpiada a chorro para retirar la arena, rebabas metálicas u óxido. En la limpieza a chorro, se lanzan a alta velocidad partículas abrasivas, generalmente perdigones o arenisca de acero, sobre la superficie de la pieza fundida para retirar los contaminantes presentes en la superficie. En el caso de piezas de aluminio, el proceso brinda un acabado cosmético uniforme, además de limpiar la pieza de trabajo.
Para limpiar piezas de Hierro, generalmente se usa perdigones de acero y algunas veces una combinación de perdigones y arenisca. En el pasado, se usaba abrasivos maleables y de arenisca de hierro templado. Las piezas de aluminio generalmente son limpiadas con chorro de arena usando arena resistente a la abrasión o escoria chancada.
Los componentes de las piezas fundidas que requieren características superficiales especiales (como resistencia al deterioro o una apariencia atractiva) pueden ser revestidos. Las operaciones de limpieza química y revestimiento pueden realizarse en la fundición, pero con frecuencia son realizadas fuera, en firmas especializas en operaciones de revestimiento. El prerequisito más importante de cualquier proceso de revestimiento es la limpieza de la superficie.
La elección del proceso de limpieza depende no sólo del tipo de suciedad que tiene que ser removida sino también de las características de la cubierta que se va aplicar; generalmente, las operaciones de revestimiento incluyen el electroenchapado, el revestimiento duro, la inmersión en caliente, el rociado térmico, la difusión, la conversión, el enlozado y el revestimiento con resina orgánica seca o fundida.
El proceso de limpieza debe dejar la superficie en una condición que sea compatible con el proceso de revestimiento.
Por ejemplo, si una pieza fundida va a ser tratada con fosfato y luego pintada, todo el aceite y las escamas de óxido deben ser retirados porque inhiben un buen fosfatado. Si las piezas van a ser tratadas térmicamente antes de ser revestidas, la elección de las condiciones de tratamiento térmico pueden influir en las propiedades del revestimiento, particularmente un revestimiento de conversión o metálico. En la mayoría de casos, las piezas deben ser tratadas térmicamente en una atmósfera que no sea oxidante.
Los baños de sales fundidas, los ácidos limpiadores, las soluciones alcalinas, los solventes orgánicos y los emulsificadores son los materiales básicos usados en las operaciones de limpieza.
Los baños de sales fundidas pueden usarse para limpiar pasajes interiores complejos en las piezas fundidas. En un proceso de limpieza electrolítica, con sales fundidas, el potencial del electrodo se cambia de tal manera que el baño de sal sea alternativamente oxidante y reductor. Las escamas y el grafito son removidos fácilmente con baños reductores y oxidantes respectivamente. Los baños con sales fundidas limpian más rápidamente que otros métodos no mecánicos, pero las piezas fundidas pueden quebrarse si están todavía calientes cuando se les enjuaga para retirar los residuos de sal.
Generalmente se limpian las piezas en un baño ácido antes del revestimiento por inmersión en caliente o del electroenchapado. Debe evitarse una limpieza excesiva porque puede formarse en la superficie una mancha de grafito. Debido a que el fierro fundido contiene silicio, también se puede formar una película de sílice en la superficie a consecuencia de un tratamiento excesivo. Se puede evitar esta película agregando ácido fluorhídrico al baño limpiador.
La limpieza química se diferencia del decapado en que los limpiadores químicos atacan sólo a los contaminantes superficiales no al substrato de hierro. Muchos limpiadores químicos son fórmulas patentadas, pero en general son soluciones alcalinas, solventes orgánicos o emulsificantes. Los limpiadores alcalinos deben penetrar a través de los contaminantes y humedecer la superficie para ser efectivos. Los solventes orgánicos comúnmente usados en el pasado (nafta, benceno, metanol, tolueno y tetracloruro de carbono) han sido reemplazados en gran medida por solventes clorados, como los usados para el desengrasado a vapor.
Los solventes remueven eficazmente los lubricantes, aceites de corte y refrigerantes, pero son ineficaces contra los óxidos y las sales. Los emulsificantes son solventes combinados con surfactantes: dispersan los contaminantes y sólidos mediante la emulsificación. Los limpiadores por emulsión son más eficaces contra aceites pesados, grasas, lodos y sólidos atrapados en películas de hidrocarburos. Son relativamente ineficaces contra sólidos adherentes, como el caso de las escamas de óxido.
Después de una limpieza húmeda, se usa un enjuague alcalino para limpiar la pieza fundida y evitar el herrumbre a corto plazo. A continuación se puede realizar un tratamiento con aceites minerales, solventes combinados con inhibidores y formadores de películas, emulsiones de revestimientos a base de petróleo y agua, así como ceras.
Las piezas fundidas son revestidas usando soluciones de enchapado, baños de metales fundidos, aleaciones, metales en polvo, metales volatilizados o sales de metales, revestimientos de fosfatos, porcelana y revestimiento orgánicos.
Las piezas fabricadas por fundiciones usualmente generan los siguientes residuos:
- Arena proveniente de las operaciones de fabricación de los moldes y machos así como arena usada en los machos y no retornada al sistema (residuos del barrido de pisos, residuos de machos)
- Cáscaras y ceras de fundición a la cera perdida
- Residuos del cuarto de limpieza
- Residuos del recolector de polvo y del lavador de gas
- Escoria
- Residuos diversos
Arena usada
La mayoría de fundiciones reutilizan cierta porción de la arena usada para la fabricación de machos y moldes; en muchos casos, se reutiliza la mayor parte de la arena. La arena verde es reutilizada repetidamente. A medida que se reutiliza la arena, se forman acumulaciones de finos, por lo que una cierta cantidad de la arena del sistema debe ser retirada regularmente para mantener las propiedades deseadas de la arena. La arena retirada, junto con la arena perdida por fugas y durante el desmoldeo se convierte en residuos de arena. La Figura 3 ilustra las fuentes principales de residuos de arena.
El polvo y el lodo generado por la arena de los moldes con frecuencia se recolectan como parte de un sistema de control de la contaminación del aire ubicado sobre los lugares donde se realizan las operaciones de moldeo y desmoldeo. También pueden existir residuos en la forma de grandes aglomeraciones que son retiradas mediante tamices del sistema de reciclaje de arena para fabricación de moldes o en la forma de arena retirada al limpiar las piezas fundidas.
Los aglomerantes de arena de los machos se degradan parcial o completamente al ser expuestos al calor del metal fundido durante la operación de vaciado. Una vez suelta, la arena cuyo aglomerante se ha degradado completamente con frecuencia se mezcla con arena de moldeo para su reciclaje o es reciclada hacia el proceso de fabricación de machos.
Los residuos de machos están conformados por arena parcialmente descompuesta, retirada durante el desmoldeo. Ellos contienen aglomerantes degradados solo parcialmente. Los residuos de machos pueden ser aplastados y reciclados a la línea de arena para elaboración de moldes o pueden ser llevados a un relleno sanitario junto con los machos rotos o que no cumplen las especificaciones y los residuos obtenidos al barrer el cuarto de machos. Los residuos de arena de moldes y de machos representan del 66 al 88% del total de residuos generados por las fundiciones de hierro.
Las fundiciones de bronce pueden generar residuos peligroso y contaminados con plomo, cobre, níquel y zinc, con frecuencia en elevadas concentraciones totales y extraíbles. Algunos procesos de fabricación de machos usan sustancias fuertemente ácidas para el lavado de los gases de escape del proceso de fabricación de machos. En el proceso de cura con radical libre, los aglomemerantes de epoxi-acrílico son curados usando hidroperóxido orgánico y SO2 en gas. Una unidad de lavado absorbe el SO2 gaseoso. Una solución de 5 a 10% de hidróxido de sodio a un pH de 8 a 14 neutraliza el SO2 e impide que el subproducto (sulfito de sodio) se precipite fuera de la solución. Generalmente, los lodos con pH controlado se descargan en el sistema de alcantarillado como residuos no peligrosos. De no ser adecuadamente tratados, los residuos pueden ser clasificados como residuos corrosivos peligrosos.
Residuos de fundición a la cera perdida
Las cáscaras de fundición a la cera perdida sólo pueden ser usadas una vez y su disposición se realiza en rellenos sanitarios como residuos no peligrosos a menos de que existan en las cáscaras condensados de metales pesados de las aleaciones. Las ceras que son retiradas de las cáscaras de fundición a la cera perdida pueden ser recicladas en las mazarotas y los burletes de cera para su reutilización o pueden ser enviadas a la línea de reciclaje de cera para su recuperación.
Residuos de limpieza
Los residuos de limpieza que finalmente se descargan en rellenos sanitarios incluyen ruedas de molienda usadas, perdigones usados, residuos encontrados al barrer el piso y polvo de los recolectores de polvo de la limpieza del cuarto. Estos residuos pueden ser peligrosos si contienen niveles excesivos de metales pesados tóxicos.
Residuos del recolector de polvo y del lavador de gas
Durante el proceso de fusión, un pequeño porcentaje de la carga se convierte en polvo o en humos recolectados por las cámaras de bolsas o por los lavadores de gas. En las fundiciones de acero, este polvo contiene diferentes cantidades de zinc, plomo, níquel, cadmio y cromo. El polvo del acero al carbono tiende a tener altos niveles de zinc y plomo como resultado del uso de escoria galvanizada, mientras que el polvo del acero inoxidable tiene altos contenidos de níquel y cromo.
El polvo asociado con la producción de metal no ferroso puede contener cobre, aluminio, plomo, estaño y zinc. El polvo de acero puede ser encapsulado y descargado en un relleno sanitario autorizado, si bien con frecuencia el polvo no ferroso es enviado a un reciclador para la recuperación de metal.
Residuos de escoria
La escoria es una masa vidriosa, relativamente inerte, con una estructura química compleja. Esta compuesta de óxidos metálicos del proceso de fusión, refractarios fundidos, arena, cenizas de coque (si se utiliza coque) y otros materiales. La escoria puede ser acondicionada usando fundentes para facilitar su retiro del horno.
Puede producirse escoria peligrosa en las operaciones de fusión si los materiales cargados contienen cantidades importantes de metales tóxicos como plomo, cadmio y cromo.
Para reducir el contenido de azufre en el hierro, algunas fundiciones usan la desulfurización con carburo de calcio en la producción de hierro dúctil. La escoria generada por la desulfurización con carburo de calcio puede ser clasificada como un residuo reactivo.
Residuos diversos
La mayoría de fundiciones generan residuos diversos que varían grandemente en su composición, pero que constituyen sólo un pequeño porcentaje del total de residuos. Estos residuos incluyen materiales de soldadura, aceites residuales de montacargas y dispositivos hidráulicos, cilindros de aglomerantes vacíos y cal del lavador de gas.
Una parte de los contaminantes ambientales expulsados por estas industrias son
- dióxido de azufre
- partículas de materia (particulate matter)
- óxidos de nitrógeno
- monóxido de carbono
- hidrocarburos reactivos
- metales pesados
- compuestos orgánicos
En la atmósfera, estos contaminantes se pueden encontrar en cualquiera de las tres formas: gaseosas, líquidas, y sólidas; sin embargo, las formas físicas generalmente consideradas para contaminación ambiental son:
(a), partículas (particulate) que son pequeñas masas discretas de materia sólida o líquida, como son el polvo, los humos, la neblina, y la ceniza flotante (fly ash)
(b), gases bajo la forma de moléculas ampliamente separadas entre sí que poseen un movimiento muy rápido y no tienen ni una forma ni un volumen definitivos.
Las emisiones de partículas producidas en la industria de fundición son las siguientes:
(1).- Combustible no quemado, lo que incluye aceite volatilizado y los finos del coque. Esta fracción contaminante, cuando no se le controla, es la que produce la aparición de humos negros.
(2).- Partículas Sólidas, que normalmente son de tamaños mayores a 44 µm y corresponden a partículas de arena quemada adheridas a chatarra propia refundida, finos de piedra caliza, y suciedad adherida a la superficie de la chatarra comprada. Esta fracción contaminante rápidamente cae sobre la planta de fundición y en las áreas vecinas a la chimenea del cubilote.
(3).- Partículas finas, entre 2 y 44 µm, que es material finamente dividido proveniente de las mismas fuentes de la fracción gruesa. Este contaminante se mantiene en suspensión durante mayor tiempo y de manera gradual se va precipitando en grandes regiones de la comunidad vecina.
(4).- Oxidos Metálicos, que son partículas submicroscópicas formadas por oxidación de la carga. Las partículas de óxido de hierro produce los penachos rojizos típicos de los procesos metalúrgicos ferrosos. Estas partículas permanecen es suspensión durante largos períodos de tiempo antes de precipitar, a menos que haya corrientes locales o condiciones inversas de temperatura que conduzcan a que el humo alcance el nivel del suelo.
Estos contaminantes primarios a menudo se combinan en la atmósfera para producir, en muchos casos, contaminantes secundarios que son muy nocivos para la salud ambiental. Los contaminantes primarios producen los siguientes efectos (11):
- Irritación en los ojos,
- Dificultades respiratorias,
- Problemas cardíacos,
- Dolores de cabeza, en los seres humanos;
- En los edificios y monumentos históricos;
- Así como también sobre los cinturones vegetales que rodean a las ciudades.
Por estas razones es la importancia de establecer legislación que efectivamente controlen las emisiones industriales contaminantes del ambiente. Las Normas ISO 14000 proveen la implantación o la planificación para establecer el monitoreo y mejora del Sistema de Gerencia Ambiental, Environmental Management System, EMS.
En la Industria de Fundición, los procesos más contaminantes son los de fusión del metal o de las aleaciones; de allí que sea importante hacer el mayor énfasis en mantener un estricto control del proceso, lo cual se une al factor económico directo. Los demás procesos de la fundición donde no hay fusión de metales generan contaminación por partículas, particulate pollution, pero no se considera que constituyan severas formas de contaminación del aire en términos de sus efectos sobre el vecindario a ella.
La operación del cubilote es la mayor fuente de contaminación de emisiones de partículas, tanto en términos de fuentes de contaminación como de la intensidad de emisión de cada fuente; en segundo lugar está el proceso de fusión mediante horno eléctrico de arco; y en tercer lugar está la fusión con hornos de inducción.
La prevención de la contaminación, produciendo de manera más eficiente y limpia mediante cambios o mejoras a los procesos involucrados, sin nuevos sistemas de captación de emisiones, es hoy la mejor manera de evitar la contaminación que producen nuestras fábricas. Sobre el análisis de las distintas posibilidades de gestión de residuos, ya sea por reciclaje, o minimización estaremos hablando de aquí en adelante.
CONTROL DE PROCESOS, EFICIENCIA Y PREVENCIÓN DE LA CONTAMINACIÓN
Las fundiciones ferrosas y no ferrosas presentan los mismos procesos básicos en los cuales centrar el estudio de control de procesos:
- Tratamiento de materia primas.
- Preparación de moldes y almas.
- Preparación de la carga del horno.
- Fundición y fusión dentro del horno.
- Colada y enfriamiento.
Control durante proceso de manipulación de materias primas
- Clasificación de las materias primas (chatarra).
- Almacenamiento ordenado.
Control durante proceso de preparación de moldes y almas
- Limpieza del lugar.
- Automatizar el proceso (si es posible).
- Captación de emisiones fugitivas (sistemas colectores).
Control durante proceso de carga del horno
- Limpieza de la chatarra (eliminar pinturas y grasas en seco).
- Apertura del horno, por cortos períodos de tiempo.
Control durante el proceso de fundición y fusión de metales
- Captación de humos (correcta dimensión de sistema colector).
- Precalentamiento de la chatarra.
- Sistemas de recirculación de aire (hornos con proceso de combustión).
- Sistemas recuperadores de calor.
Se aprecia que las áreas de posible aplicación se centran principalmente en el proceso de fundición mismo, ya que los otros procesos aparecen en menor escala.
Tecnologías limpias propiamente tal:
- Implementación de hornos pequeños de alta eficiencia.
- Implementación de hornos de inducción magnética.
Tecnologías limpias para hornos de arco eléctrico:
- Sistemas recuperadores de calor.
- Atmósferas inertes.
- Escorias espumosas.
Tecnologías limpias para hornos con proceso de combustión:
- Cambio a gas natural.
- Sistemas de recirculación de gases.
Los elementos claves para generar un correcto plan de minimización de residuos, están relacionados con la iniciativa, compromiso y participación de todos los que trabajan en las empresas de fundiciones. Fundamentalmente, este tipo de planes involucran cuatro actividades principales:
- Concientización y participación de los trabajadores.
- Mejora en los procedimientos de operación.
- Capacitación de los trabajadores.
- Mejoras en la programación de los procesos.
Un plan de minimización de residuos siempre está acompañado de un plan de reciclaje y recuperación de materiales:
- Implementación de auditorías ambientales y energéticas.
- Definición de una política de reciclaje.
- Control de procesos de fundición.
- Plan de reciclaje de arenas y escorias.
- Plan de minimización en el horno (dosificación de escorificantes y aleantes).
IMPLEMENTACIÓN DE NUEVAS TECNOLOGÍAS Y SISTEMAS DE GESTIÓN AMBIENTAL
Antes de implementar nuevas tecnologías o un sistema de gestión ambiental es necesario conocer la situación actual de la empresa. Muchas veces no es necesario introducir nuevas tecnologías, un sistema de gestión ambiental o un plan minimizador de residuos, ya que los sistemas actuales pueden ser capaces de lograr los resultados que se esperan.
La Norma ISO 14.001 da una pauta para implementar sistemas de gestión ambiental, basada en el mejoramiento continuo. Las actividades a realizar para lograr implementar un sistema de gestión ambiental (con o sin implementación de nuevas tecnologías) son las siguientes:
1. Desarrollo de política ambiental: La alta gerencia debe definir una política ambiental de la empresa.
2. Planificación: Se establecen los objetivos y metas generales de la empresa y se desarrolla la metodología para alcanzarlos.
3. Implementación y operación: Se inician las actividades establecidas en el programa de gestión ambiental.
4. Verificación y acción correctiva : Se revisan las acciones que se han ejecutado, según el programa para determinar su efectividad y eficiencia, y se comparan los resultados con los del plan.
5. Revisión de la gerencia y mejoramiento continuo: Es la etapa de retroalimentación, en la que se adecua a la realidad de cada empresa y se corrigen las deficiencias. Esta revisión se debe documentar y publicar.
Teniendo en cuenta la realidad de las industrias de fundiciones, las actividades tentativas para implementar algunos de estos conceptos son:
- Crear una política ambiental y generar un plan de acción.
- Implementar cursos de capacitación sobre la nueva política ambiental y el plan de acción.
- Desarrollar auditorías ambientales y energéticas.
- Implementar el plan de acción (nuevas tecnologías, plan minimizador de residuos o sistema de gestión ambiental).
Con la implementación de este tipo de sistemas de gestión ambiental, se podrían reducir los residuos, por lo que disminuiría el costo de disposición final, y se aumentaría la eficiencia del proceso, reduciéndose el costo de insumos.
Este capítulo identifica las tecnologías disponibles para el tratamiento de contaminantes líquidos, sólidos y gaseosos. Dentro de cada descripción de tecnologías, se incluyen los equipos necesarios junto con sus eficiencias y condiciones de aplicación.
Los procesos para purificar las aguas residuales en la industria de fundiciones están formados por las siguientes etapas:
- Separación de sólidos y líquidos, mediante sedimentación o flotación.
- Deshidratación para reducir la humedad contenida en los sólidos.
El volumen del fango puede reducirse de forma importante mediante la eliminación de parte del agua. El transporte de fangos puede ser uno de los costos más importantes; por ello, un leve aumento de la concentración de sólidos puede producir un ahorro importante.
TECNOLOGÍAS DE TRATAMIENTOS DE GASES Y PARTICULADO
Tecnologías de tratamiento de gases
Existen cuatro tecnologías básicas que se emplean en el tratamiento de emisiones gaseosas: absorción, adsorción, incineración y condensación. La elección de la tecnología de control depende de los contaminantes que se deben remover, la eficiencia de remoción, las características del flujo contaminante y especificaciones de terreno.
Normalmente, se mezclan dos o más tecnologías de remoción de gases en un sólo equipo, siendo las principales tecnologías de remoción absorción y adsorción, y las tecnologías de condensación e incineración son usadas principalmente como pretratamientos.
- Absorción
El proceso convencional de absorción, se refiere al contacto íntimo entre una mezcla de gases contaminantes y un líquido, tal que uno o más de los componentes del gas se disuelvan en el líquido.
En operaciones de absorción de gases, el equilibrio de interés es aquel que se logra entre el líquido absorbente no volátil (solvente) y un gas soluble (generalmente el contaminante). El soluto es removido de su mezcla en relativamente grandes cantidades, por un flujo no soluble en el líquido.
Generalmente, se utiliza para la remoción de óxidos de azufre, dentro de un sistema captador de partículas tipo Scrubber húmedo, a la salida del horno de fundición.
Las otras tecnologías no son aplicables al caso de las fundiciones de la Región Metropolitana, debido principalmente a que las emisiones gaseosas no tienen un sistema de captación gaseoso adecuado.
Tecnologías y equipos para tratamiento de material particulado
- Ciclones y separadores inerciales
Separadores inerciales son ampliamente utilizados para recoger partículas gruesas y de tamaño mediano. Su construcción es simple y la ausencia de partes móviles implica que su costo y mantención son más bajos que otros equipos. El principio general de los separadores inerciales, es el cambio de dirección al cual el flujo de gases es forzado. Como los gases cambian de dirección, la inercia de las partículas causa que sigan en la dirección original, separándose del flujo de gases.
En la práctica, suele ser bastante más interesante utilizar un arreglo de varios ciclones de diámetro reducido. Este tipo de equipos reciben el nombre de "Multiciclón" y puede recuperar con buena eficiencia partículas relativamente pequeñas (4 mm y mayores). Estos equipos pueden utilizarse como preseparadores de otros equipos captadores para mejorar el funcionamiento de estos últimos, o bien en el caso de fundiciones se pueden utilizar como medio de control de las emisiones de las plantas de arenas.
- Removedores húmedos
Generalmente se utilizan para captar partículas inferiores a 5 m (las duchas captan sólo partículas gruesas). Son aptos para trabajar con gases y partículas explosivas o combustibles y/o de alta temperatura y humedad. Para alta eficiencia con partículas pequeñas se requiere alta energía, lo que implica altas caídas de presión. En forma parcial son capaces de remover gases, por lo que puede existir un problema de corrosión, y necesitar materiales especiales.
En el caso de las fundiciones, son poco utilizados porque al captar las partículas genera un problema de residuos líquidos, que eventualmente puede llegar a ser peligroso.
- Precipitadores electrostáticos
Un precipitador electrostático es un equipo de control de material particulado, que utiliza fuerzas eléctricas para mover las partículas fuera del flujo de gases y llevarlas a un colector.
Los precipitadores electrostáticos tienen eficiencias de 99,9% en remoción de partículas del orden de 1 a 10 [µm]. Sin embargo, para partículas de gran tamaño (20 - 30 [µm]) la eficiencia baja, por lo que se requiere de preferencia tener un equipo de pretratamiento, tal como un ciclón o multiciclón.
En general, los precipitadores electrostáticos son utilizados para tratar altos caudales de gases, con altas concentraciones de material particulado, ya que el costo de mantención es elevado y sólo con un alto nivel de funcionamiento supera a otras alternativas más económicas e igual de eficientes (lavadores húmedos). En el caso de fundiciones, no se justifica debido a la característica de proceso "batch" en que funcionan.
- Filtros de mangas
Son los sistemas de mayor uso actualmente en la mediana y grande industria, debido principalmente a la eficiencia de recolección, y a la simplicidad de funcionamiento. Las partículas de polvo forman una capa porosa en la superficie de la tela, siendo éste el principal medio filtrante.
La selección o verificación de un filtro de mangas, en cuanto a la superficie del medio filtrante, se basa en la "velocidad de filtración". Esta velocidad, también es conocida como "razón Aire-Tela
(A/C)".
Una consideración especial debe observarse con respecto al punto de rocío del flujo de gases, el cual se ve influenciado por la presencia de SO3 en el flujo, ya que se produce la condensación en las mangas y éstas se taparán no permitiendo el filtrado. Además esta condición de condensación produce corrosión en los metales y más aún si hay presencia de SO3 el cual con presencia de humedad se transforma en H2SO4 (ácido sulfúrico), por lo que también perjudicará por ataque ácido a la mayor parte de los materiales usados en las mangas. Por otra parte debe considerarse el eventual peligro de explosión si se trabaja con gases combustibles (ricos en hidrocarburos) o explosivos (CO proveniente de atmósferas reductoras en fundiciones).
Dentro de las industrias de fundiciones, tanto ferrosas como no ferrosas, la eliminación y disposición de residuos sólidos, se ha tratado de hacer de la manera más eficiente posible. Dado que los residuos sólidos son bien conocidos:
- Polvos provenientes de sistemas de tratamiento de particulado.
- Escorias.
- Arenas de descarte.
- Lodos provenientes de tratamiento de residuos líquidos (si existe).
De estos residuos, los que se pueden reciclar, tanto interna como externamente, son las arenas residuales, algunas escorias y los montantes, canales de alimentación y las rebabas. La tecnología utilizada actualmente, trata de devolver los metales que todavía se pueden elaborar al proceso original en el horno. De esta manera, se recuperan materias primas a partir de los residuos. Existen tecnologías de depuración de arenas, recuperación de metales a partir de la escoria, pero son imposibles de aplicar en una sola empresa debido a su alto costo.
Una vez agotadas las opciones de reciclaje, es necesario realizar un análisis químico para determinar la peligrosidad de los residuos y poder definir el lugar de disposición más adecuado.
Los sistemas de control que son factibles de aplicar tanto técnicamente como económicamente, son aquellos con los que se obtiene un beneficio. En este caso, el beneficio es la disminución de multas, y la paralización de actividades en períodos de pre-emergencia ambiental. Por lo tanto, el control de procesos se debe centrar en la contaminación atmosférica, residuos sólidos y ruido principalmente, pasando a segundo plano los residuos líquidos industriales.
Los sistemas de control preventivos presentados en el Capítulo 4, dependen del tipo de proceso, aún así una fuente de control importante es aislar lo más posible cada proceso o subproceso. Con esto es posible aplicar medidas independientes a cada proceso, empezando por mantener un nivel de limpieza óptimo de los equipos.
El principal problema de las fundiciones es controlar las emisiones (tanto controladas como fugitivas) de los procesos de fundición, generados en los hornos.
Sistemas de control básicos que se deben adoptar, con el fin de aumentar la eficiencia global de producción, es la inspección continua, es en este punto donde toma real interés los sistemas de gestión ambiental, ya que además de proveer técnicas para esta inspección, se recomiendan procedimientos para mejorar continuamente los procesos, sin embargo requiere de un alto grado de compromiso entre las partes involucradas (operarios, administrativos y gerencia). Con este sistema de inspección, se logran detectar a tiempo cualquier falla o mal funcionamiento que se pudiera tener.
Para los residuos sólidos, tener en cuenta la cantidad generada es suficiente ayuda como para evaluar cualquier sistema de control. Principalmente la reducción en la generación de residuos sólidos, se consigue con un mayor reciclaje de las arenas, debido a que presentan la mayor fuente de residuos generados.
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