Los fundentes utilizados para el aluminio son compuestos químicos a base de sales -principalmente sales de cloruro y fluoruro- que se aplican al aluminio fundido para eliminar las inclusiones de óxido, reducir la formación de escoria, extraer el hidrógeno disuelto y eliminar las impurezas de metales alcalinos. Los más comunes fundentes de aluminio incluyen mezclas de cloruro sódico (NaCl) y cloruro potásico (KCl) como base, combinadas con compuestos de fluoruros reactivos como criolita (Na₃AlF₆), fluoruro cálcico (CaF₂) o fluoruro de aluminio (AlF₃) en función del objetivo específico del tratamiento. En AdTech, formulamos y suministramos fundentes de aluminio a operaciones de fundición, fundiciones secundarias y fundiciones a presión, La selección correcta del fundente depende de si se está cubriendo la superficie de la masa fundida, eliminando inclusiones, extrayendo metales alcalinos o refinando escoria.
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¿Por qué es necesario tratar el aluminio con fundente?
La reactividad química del aluminio es a la vez su propiedad más útil y su mayor reto de procesamiento. A temperaturas de fusión de 680-780°C, el aluminio líquido se oxida casi instantáneamente cuando entra en contacto con el oxígeno atmosférico, formando una capa sólida de óxido de aluminio (Al₂O₃) en la superficie de la fusión. Esta capa de óxido, si se interrumpe continuamente por la turbulencia de la masa fundida, genera inclusiones de óxido que permanecen suspendidas en todo el volumen del metal y quedan atrapadas en las piezas fundidas solidificadas, causando defectos.
Además de la oxidación superficial, los fundidos de aluminio -en particular los preparados a partir de chatarra reciclada- absorben hidrógeno disuelto de la humedad del material de carga y de la humedad atmosférica, contienen impurezas de metales alcalinos (sodio, calcio, potasio) de diversas fuentes y llevan inclusiones no metálicas procedentes de la erosión refractaria, adiciones de aleación y manipulación inadecuada.
Los fundentes abordan estos problemas mediante reacciones químicas, humectación física y separación de densidades. Comprender qué problema aborda cada tipo de fundente es esencial para un tratamiento eficaz de la masa fundida.
Los principales problemas que trata el fundente de aluminio
| Problema | Fuente | Consecuencias si no se trata | Tratamiento de flujos |
|---|---|---|---|
| Oxidación superficial | Contacto de O₂ en la superficie de la masa fundida. | Atrapamiento de película de óxido, pérdida de escoria | Fundente de recubrimiento |
| Suspensión de inclusión de óxido | Turbulencia de fusión, formación de bifilms | Porosidad, reducción de las propiedades mecánicas | Fundente de limpieza/refinado |
| Formación de escoria | Acumulación de óxido en la superficie | Pérdida de metal en la escoria, ineficacia térmica | Flujo de escoria |
| Hidrógeno disuelto | Humedad, contaminación por chatarra | Porosidad del gas en las piezas moldeadas | Flujo de desgasificación (o desgasificación rotativa) |
| Contaminación por sodio | Residuos de fundentes salinos, algunas fuentes de chatarra | Fragilización, ampollas superficiales | Flujo de eliminación de álcalis |
| Contaminación por calcio | Aleaciones maestras, algo de chatarra | Modificación de la estructura del grano, agrietamiento | Flujo de eliminación de álcalis |
| Agotamiento del magnesio (en algunas aleaciones) | Oxidación durante la conservación | Composición fuera de especificación | Fundente de recubrimiento protector |
¿Cuáles son los principales tipos de fundentes utilizados para el aluminio?
Los fundentes de aluminio se clasifican por su función principal más que por su composición química específica, ya que múltiples sistemas químicos pueden lograr resultados funcionales similares. Las principales categorías reconocidas en la práctica industrial son:
Fundentes de recubrimiento: Se aplica a la superficie fundida para formar un manto protector líquido o semilíquido que impide que el oxígeno atmosférico y la humedad entren en contacto con el aluminio. Son el tipo de fundente más utilizado en la práctica de la fundición y se aplican durante todo el periodo de mantenimiento entre la fusión y la colada.
Fundentes de escoria: Se aplican específicamente a la capa de escoria que se acumula en la superficie de la masa fundida. Su función es reducir la tensión superficial y el ángulo de humectación entre las partículas de óxido y el aluminio metálico residual atrapado en la escoria, haciendo que el metal se aglutine y vuelva a drenar en la masa fundida, aumentando la recuperación de metal de la escoria y reduciendo el volumen de eliminación de escoria.
Limpieza y refinado de fundentes: Formulados para penetrar en la masa fundida y reaccionar con las inclusiones en suspensión, favoreciendo su flotación hacia la superficie de la masa fundida, donde pueden desespumarse. Estos fundentes reducen el contenido de inclusiones a granel de la masa fundida y mejoran la eficacia de la filtración aglomerando las partículas finas en grupos más grandes.
Flujos de desgasificación: Compuestos reactivos (históricamente hexacloroetano, ahora sustituido en gran medida por la inyección de gas) que generan gases reactivos dentro de la masa fundida. Estos gases burbujean a través del metal, recogiendo el hidrógeno disuelto y llevándolo a la superficie.
Flujos de eliminación de álcalis: Específicamente formulado para reaccionar con sodio, calcio y litio disueltos (en aleaciones que contienen Li) en la masa fundida, formando compuestos que flotan en la superficie o se transfieren a una fase de escoria.
Fundentes de recubrimiento: Proteger el aluminio fundido de la oxidación
El fundente de recubrimiento es la aplicación de fundente más fundamental en cualquier operación de fusión de aluminio. Su propósito es simple: evitar que el oxígeno atmosférico y la humedad entren en contacto con la superficie de aluminio fundido, evitando así la formación continua de piel de óxido y la captación de hidrógeno.
Composición de los fundentes de recubrimiento
Fundentes de recubrimiento eficaces para el mosto de aluminio:
- Fundir a una temperatura igual o inferior a la temperatura de mantenimiento del aluminio (680-750°C para la mayoría de las aleaciones).
- Formar una capa líquida continua y densa que no permita el intercambio de gases entre la masa fundida y la atmósfera.
- No reaccionar con el aluminio formando compuestos indeseables.
- Tienen baja viscosidad a la temperatura de funcionamiento para fluir y autorrepararse en caso de perturbación.
- Ser inmiscible con el aluminio líquido (para que la capa fundente permanezca en la parte superior).
La composición de fundente de recubrimiento más común para las aleaciones de aluminio estándar es una mezcla eutéctica de cloruro de sodio (NaCl) y cloruro de potasio (KCl) en una proporción molar aproximada de 50:50 o 40:60. El eutéctico NaCl-KCl funde a aproximadamente 660°C, justo o ligeramente por debajo del punto de fusión del aluminio. El eutéctico NaCl-KCl funde aproximadamente a 660°C - justo en el punto de fusión del aluminio o ligeramente por debajo - proporcionando una manta protectora totalmente líquida a temperaturas de mantenimiento normales.
Este sistema binario de cloruro es eficaz, está ampliamente disponible y es relativamente barato. Sin embargo, el sistema simple NaCl-KCl tiene limitaciones:
- Puede introducir sodio en la masa fundida mediante disolución lenta y reacción con la superficie de la masa fundida.
- No proporciona ninguna función de eliminación de inclusión.
- No reduce significativamente la reactividad de la escoria.
La adición de pequeñas cantidades de compuestos fluorados (normalmente criolita 5-15%, fluoruro de calcio o fluoruro de magnesio) al fundente de recubrimiento base NaCl-KCl mejora el rendimiento de varias maneras: los componentes fluorados reducen aún más el punto de fusión del fundente, disminuyen la viscosidad del fundente a la temperatura de funcionamiento (mejorando la cobertura de la superficie) y proporcionan cierta acción disolvente de la película de óxido en la interfaz fundente-fundente.
Método de aplicación del fundente de recubrimiento
El fundente de recubrimiento se aplica espolvoreando o paladeando el fundente en polvo o en gránulos sobre toda la superficie fundida inmediatamente después del espumado, dejando que se funda y se extienda. La tasa de aplicación suele ser de 1 a 3 kg de fundente por tonelada métrica de aluminio, y la tasa real se ajusta para mantener una capa de fundente continua y visible.
La capa de fundente debe inspeccionarse y renovarse después de cada adición de metal, después del muestreo y después de cualquier operación que altere la superficie. Una capa de fundente alterada o diluida permite una oxidación localizada que genera inclusiones, incluso si la temperatura y la composición generales de la masa fundida son correctas.
Ejemplos de composición del fundente de recubrimiento
| Designación de flujo | NaCl (%) | KCl (%) | CaF₂ (%) | Na₃AlF₆ (%) | MgCl₂ (%) | Función principal |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Revestimiento estándar | 50 | 50 | — | — | — | Protección básica de superficies |
| Revestimiento fluorado | 40 | 45 | 10 | 5 | — | Mejor fluidez, limpieza suave |
| Cobertura baja en sodio | 20 | 60 | 10 | — | 10 | Reducción de la captación de Na |
| Revestimiento de aleación de magnesio | 30 | 50 | 15 | — | 5 | Reducción de la oxidación del Mg |
Fundentes de escoria: Cómo separan el metal del óxido
La escoria es la capa acumulada de óxido de aluminio, metal arrastrado y otros compuestos no metálicos que se forma en la superficie del aluminio fundido durante la retención, fusión y transferencia del metal. En la producción de aluminio primario y en las operaciones de fundición secundaria, la escoria puede representar entre 1-8% del volumen total de metal, una pérdida de material significativa si no se trata adecuadamente.
El problema de la recuperación de metales en la escoria
La escoria procedente de la fusión del aluminio suele contener entre 30 y 70% de aluminio metálico en peso, atrapado en una matriz de óxido. Sin tratamiento, este metal se elimina con la fracción de óxido, lo que representa una pérdida directa de metal y un coste de eliminación de residuos. Los fundentes de escoria están diseñados específicamente para liberar este metal atrapado.
El mecanismo funciona mediante la modificación de la tensión superficial. En la escoria no tratada, las partículas de óxido se humedecen mal con el aluminio líquido: el ángulo de contacto entre el aluminio líquido y la superficie de óxido es relativamente alto, lo que significa que el aluminio no se extiende ni fluye por la red de poros de óxido de forma eficiente. Los componentes del flujo de la escoria (especialmente los compuestos fluorados) se adsorben en la interfaz aluminio-óxido y reducen drásticamente el ángulo de contacto, permitiendo que el aluminio líquido se aglutine y fluya fuera de la matriz de óxido por gravedad.
Composición y aplicación del decapante
Los fundentes de escoria suelen contener una mayor proporción de compuestos fluorados reactivos que los fundentes de recubrimiento. Las composiciones comunes incluyen:
| Componente | Alcance típico (%) | Función |
|---|---|---|
| KCl | 30-50 | Fundente base, ajuste del punto de fusión |
| NaCl | 20-35 | Flujo de base, reducción de costes |
| Na₃AlF₆ (criolita) | 10-25 | Reducción de la tensión superficial, humectación |
| AlF₃ | 5-15 | Mayor reactividad, actividad fluorada |
| CaF₂ | 5-15 | Reducción de la viscosidad, punto de fusión |
| NaF | 0-10 | Alta reactividad, eliminación de álcalis |
Procedimiento de aplicación: tras espumar la escoria a granel a un lado del horno, se espolvorea fundente de espumado sobre la capa de escoria (normalmente 5-15 kg por tonelada métrica de escoria) y, a continuación, se rastrilla y agita la escoria para incorporar el fundente en toda la masa. Tras 5-10 minutos de agitación y tiempo de reacción, la escoria tratada está notablemente más seca y tiene un aspecto menos metálico, y se reduce el contenido de metal. La escoria tratada genera sustancialmente menos escoria secundaria (piel de óxido de aluminio) en la superficie metálica restante que la escoria no tratada durante el proceso de espumado.
La mejora de la recuperación de metal gracias al tratamiento del flujo de escoria oscila entre 30-60% de reducción del volumen de escoria (lo que significa que más metal permanece en el horno), con periodos de amortización documentados sobre el coste del flujo que normalmente se miden en días en lugar de meses en operaciones con una generación significativa de escoria.
Fundentes de limpieza y eliminación de inclusiones
Los fundentes de limpieza abordan el problema de las inclusiones no metálicas en suspensión dentro de la masa fundida, a diferencia de la escoria superficial. Estas inclusiones -principalmente películas de alúmina, partículas de espinela, aglomerados de diboruro de titanio y otros compuestos no metálicos- están dispersas por todo el volumen de la masa fundida y no pueden eliminarse únicamente mediante espumado superficial.
Cómo eliminan las inclusiones los fundentes de limpieza
El mecanismo de eliminación de la inclusión por flujo implica dos procesos simultáneos:
Humectación y aglomeración: Los componentes del fundente que tienen una energía superficial inferior a la del óxido de aluminio se adsorben en las superficies de las inclusiones, reduciendo la tensión interfacial entre la inclusión y la fase fundente. Esto favorece la aglomeración de pequeñas inclusiones en grupos más grandes, que entonces tienen suficiente flotabilidad para flotar hacia la superficie.
Reacción química: Algunos componentes del fundente (en particular los compuestos fluorados) reaccionan directamente con el óxido de aluminio, formando fluoruro de aluminio y liberando oxígeno de la red de óxido. Esta reacción de disolución reduce directamente el tamaño de las inclusiones de óxido y favorece su transferencia de la masa fundida a la fase de fundente salino.
La investigación publicada por Groteke y Neff en AFS Transactions (1993) demostró que el tratamiento del fundente con sales que contienen flúor reducía el contenido de inclusión medido por PoDFA en 40-65% en la aleación A356, estando la mejora fuertemente correlacionada con la actividad de flúor del fundente.
Fundentes de limpieza reactivos frente a no reactivos
Fundentes de limpieza reactivos contienen mayores proporciones de compuestos de fluoruro y generan una evolución visible de gas (a partir de reacciones de fluoruro-óxido) cuando se agitan en la masa fundida. Proporcionan una mayor eliminación de inclusiones, pero deben utilizarse con cuidado porque:
- Una actividad excesiva de fluoruros puede atacar los revestimientos refractarios de los hornos.
- La evolución del gas crea turbulencias que generan nuevas películas de óxido si no se controla la agitación de la masa fundida.
- Algunos fundentes reactivos introducen sodio u otras impurezas.
Fundentes de limpieza no reactivos (físicos) se basan principalmente en la separación de densidades y la modificación de la humectación sin una reacción química significativa con la masa fundida. Son más suaves con el refractario y no generan gas, pero proporcionan una eliminación de inclusiones menos agresiva.
Compatibilidad del tipo de inclusión
| Tipo de inclusión | Eficacia del flujo de limpieza física | Eficacia del fundente reactivo (fluoruro) |
|---|---|---|
| Láminas de alúmina (Al₂O₃) | Moderado | De bueno a excelente |
| Espinela (MgAl₂O₄) | Feria | Bien |
| Aglomerados de TiB₂ | Feria | Moderado |
| Partículas de sal NaCl/KCl | Bueno (se disuelve en el flujo) | Excelente |
| Partículas refractarias | Pobre | Pobre |
| Carburos (Al₄C₃) | Pobre | Moderado |
La mejora de la eficiencia de la utilización de agentes de refinado de aluminio puede lograrse mediante el uso de la tecnología de AdTech Máquina de inyección de fundente.
Los flujos de desgasificación y su función de eliminación de hidrógeno
Históricamente, los compuestos reactivos -en particular el hexacloroetano (C₂Cl₆) en forma de pastillas- eran el método principal para eliminar el hidrógeno de las fusiones de aluminio. Estos “fundentes de desgasificación” generaban gas cloro cuando se disolvían en la masa fundida:
C₂Cl₆ → 2C + 3Cl₂
Las burbujas de cloro que subían por la masa fundida recogían el hidrógeno disuelto (formando HCl) y lo llevaban a la superficie, reduciendo el contenido de hidrógeno de la masa fundida en 30-50%.
Situación actual del uso de fundentes de desgasificación
El hexacloroetano y otros compuestos reactivos similares generadores de halógenos se enfrentan a una fuerte presión normativa en todo el mundo:
Preocupaciones medioambientales: La generación de cloro y gas HCl durante el tratamiento requiere sistemas de extracción de humos. El percloroetileno y otros subproductos organoclorados de la reacción del hexacloroetano están clasificados como contaminantes atmosféricos peligrosos en virtud de la Ley de Aire Limpio de Estados Unidos.
Limitaciones de la eficacia: Con una reducción de hidrógeno de 30-50%, el flujo de desgasificación reactivo es significativamente inferior al de la desgasificación por gas inerte rotatorio (reducción de 50-80%) y no es adecuado para aplicaciones sensibles a la calidad.
Restricciones europeas: Varios Estados miembros de la UE han restringido o prohibido el uso de hexacloroetano en el procesamiento del aluminio. En las operaciones europeas se prefieren los métodos alternativos de desgasificación.
Uso actual: Las pastillas de hexacloroetano siguen utilizándose en pequeñas fundiciones de mercados en desarrollo en las que los equipos de desgasificación rotativa no están justificados económicamente, y para la desgasificación de emergencia cuando no se dispone de equipos primarios. Para cualquier operación con especificaciones de calidad que requieran un hidrógeno inferior a 0,12 ml/100g Al, la desgasificación rotativa por gas inerte con argón o nitrógeno es el enfoque estándar, no el flujo de desgasificación reactivo.
En AdTech, suministramos mezclas gaseosas que contienen cloro (normalmente 2-5% Cl₂ en argón) para su uso a través de equipos de desgasificación rotativos en lugar de pastillas de fundente de desgasificación sólidas. El Cl₂ en la mezcla de gas proporciona el beneficio de aglomeración de inclusión de la química del cloro sin los problemas medioambientales del hexacloroetano sólido.
Flujos de eliminación de álcalis: Tratamiento de sodio y calcio
Las impurezas de sodio (Na) y calcio (Ca) en las fundiciones de aluminio causan problemas específicos que los fundentes estándar de recubrimiento o limpieza no resuelven adecuadamente.
Por qué los metales alcalinos son nocivos en el aluminio
Efectos del sodio: En concentraciones superiores a aproximadamente 5-10 ppm, el sodio modifica la morfología de la fase de silicio en las aleaciones Al-Si, un efecto que es intencionado en las aleaciones modificadas con sodio, pero perjudicial en otras. En las aleaciones con alto contenido en Mg, el sodio favorece el desgarro en caliente y la fragilización de los límites de grano. En el alambrón para aplicaciones eléctricas, el sodio por encima de 5 ppm reduce la conductividad y el rendimiento del trefilado.
Efectos del calcio: El calcio por encima de aproximadamente 3-5 ppm puede modificar la estructura del grano de forma que reduzca las propiedades mecánicas y cause problemas de calidad superficial en los productos forjados. El calcio también se asocia con una mayor susceptibilidad a la porosidad en algunos sistemas de aleación.
Las fuentes de contaminación por sodio incluyen: residuos de fundente salino procedentes de operaciones anteriores en hornos, algunos tipos de chatarra reciclada (especialmente contaminada con vidrio o cerámica), adiciones de aleaciones maestras en las que el sodio es una impureza menor y almacenamiento de pastillas de fundente desgasificadas en malas condiciones (las pastillas de hexacloroetano pueden introducir sodio procedente de aglutinantes de pastillas degradados por la humedad).
Mecanismo de flujo de eliminación de álcalis
Los fundentes de eliminación de álcalis suelen contener compuestos fluorados con alta afinidad termodinámica por el sodio y el calcio. Los agentes de eliminación de álcalis más eficaces son:
AlF₃ (fluoruro de aluminio): Reacciona con el sodio disuelto:
3Na + AlF₃ → Al + 3NaF (transferido a fase de flujo salino).
La reacción es termodinámicamente favorable a temperaturas de fusión del aluminio y procede rápidamente cuando el fundente está en contacto con la fusión.
Cloro gaseoso (mediante desgasificación rotativa): El cloro reacciona con el sodio y el calcio disueltos para formar NaCl y CaCl₂, que se transfieren a la fase salina que flota en la superficie de la masa fundida. Esta es una de las principales razones por las que se especifican pequeñas adiciones de cloro al gas de desgasificación rotativo (2-5% Cl₂) para las operaciones que producen aluminio de alta especificación: el cloro se ocupa de la eliminación de álcalis simultáneamente con la reducción de hidrógeno.
Eficacia de eliminación de metales alcalinos
| Método de tratamiento | Eliminación de Na (% del inicial) | Eliminación de Ca (% del inicial) | Tiempo de tratamiento |
|---|---|---|---|
| Fundente que contenga AlF₃, agitando. | 60-80% | 50-70% | 5-15 minutos |
| Desgasificación rotativa, sólo Ar | 20-35% | 15-30% | 15-30 minutos |
| Desgasificación rotativa, Ar + 3% Cl₂ | 75-90% | 65-85% | 15-30 minutos |
| Flujo reactivo + desgasificación rotativa | 85-95% | 75-90% | Tratamiento combinado |
Para el aluminio de grado EC (aleación 1350 para aplicaciones de conductores eléctricos) en el que el sodio debe estar por debajo de 5 ppm, el tratamiento combinado de fundente álcali-reactivo seguido de desgasificación rotativa Ar + Cl₂ es el enfoque estándar en las operaciones de primera calidad.
Tablas de composición de fundentes y sistemas químicos
Referencia completa sobre tipos de fundentes y composiciones
| Tipo de flujo | Sistema de base | Aditivos clave | Tasa de aplicación | Temperatura de funcionamiento |
|---|---|---|---|---|
| Revestimiento estándar | 50% NaCl, 50% KCl | Ninguno | 1-3 kg/t | 660-800°C |
| Revestimiento de flúor | 40% NaCl, 45% KCl | 10-15% CaF₂ | 1-3 kg/t | 660-800°C |
| Flujo de escoria | 35% KCl, 25% NaCl | 25% Na₃AlF₆, 15% AlF₃ | 5-15 kg/t de escoria | 680-760°C |
| Flujo de limpieza (moderado) | 45% KCl, 35% NaCl | 15% CaF₂, 5% NaF | 2-5 kg/t | 700-760°C |
| Fundente de limpieza (reactivo) | 35% KCl, 25% NaCl | 20% Na₃AlF₆, 15% AlF₃, 5% NaF | 3-8 kg/t | 700-760°C |
| Flujo de eliminación de álcalis | 30% KCl, 20% NaCl | 30% AlF₃, 20% CaF₂ | 3-10 kg/t | 700-760°C |
| Flujo de desgasificación (legado) | C₂Cl₆ comprimidos | — | 0,5-2 kg/t | 680-750°C |
| Fundente de aleación de magnesio | 35% KCl, 35% MgCl₂ | 20% NaCl, 10% CaF₂ | 2-5 kg/t | 680-760°C |
Puntos de fusión de los componentes comunes del fundente
| Compuesto | Fórmula química | Punto de fusión (°C) | Función en flujo |
|---|---|---|---|
| Cloruro sódico | NaCl | 801°C | Componente de flujo de base |
| Cloruro de potasio | KCl | 770°C | Componente fundente base (baja el eutéctico) |
| NaCl-KCl eutéctico | — | ~660°C | Punto de fusión más bajo del sistema binario |
| Fluoruro de calcio | CaF₂ | 1418°C | Reducción de la viscosidad, humectación |
| Criolita | Na₃AlF₆ | 1009°C | Reactivo, reducción de la tensión superficial |
| Fluoruro de aluminio | AlF₃ | 1291°C (subl.) | Eliminación de álcalis, reactiva |
| Fluoruro de sodio | NaF | 993°C | Alta reactividad, actividad fluorada |
| Cloruro de magnesio | MgCl₂ | 714°C | Componente fundente de aleación de Mg |
| Fluoruro de magnesio | MgF₂ | 1263°C | Modificador de flujo de recubrimiento |
Selección de fundente por serie de aleación
| Serie Alloy | Principal preocupación | Tipo de fundente recomendado | Restricción de teclas |
|---|---|---|---|
| 1xxx (Al puro, grado EC) | Na, Ca impureza, inclusiones | Eliminación de álcalis + recubrimiento | Minimizar la adición de Na por flujo |
| 2xxx (Al-Cu) | Inclusiones, películas de óxido | Fundente de limpieza + recubrimiento | Sin flujo de alto Na |
| 3xxx (Al-Mn) | Inclusiones, partículas Fe-Si | Revestimiento + limpieza moderada | Estándar |
| 5xxx (Al-Mg, <3% Mg) | Inclusiones de MgO, óxido superficial | Revestimiento de flúor | Na reducido |
| 5xxx (Al-Mg, >3% Mg) | Oxidación rápida, MgO | Revestimiento específico de magnesio | Evitar el flujo de NaCl elevado |
| 6xxx (Al-Mg-Si) | Inclusiones, aglomerados de TiB₂. | Limpieza + recubrimiento | Estándar |
| 7xxx (Al-Zn-Mg) | Inclusiones, eliminación de álcalis | Limpieza reactiva + eliminación de álcalis | Sin exceso de flúor |
| A356/A380 (fundición) | Hidrógeno, inclusiones | Recubrimiento + escoria | Minimizar la introducción de nuevas inclusiones |
Cómo elegir el fundente de aluminio adecuado para su aplicación
La selección del fundente correcto requiere que la función principal del fundente coincida con el problema de calidad de la masa fundida dominante en la operación específica. El uso de un tipo de fundente incorrecto desperdicia material, puede introducir nuevos problemas y da una falsa sensación de seguridad sobre la calidad de la masa fundida.
Paso 1: Identifique su principal problema de calidad de la masa fundida
Realizar RPT (prueba de presión reducida) para evaluar el contenido combinado de hidrógeno y bifilm. Utilizar el muestreo PoDFA para cuantificar el tipo y la cantidad de inclusión. Medir el contenido de sodio mediante espectrometría de emisión si se sospecha de contaminación alcalina. Sólo con esta información de diagnóstico se puede optimizar realmente la selección del fundente en lugar de basarse en recomendaciones genéricas.
Paso 2: Adaptar la función de flujo al problema diagnosticado
| Problema diagnosticado | Solución de flujo primario | Tratamiento secundario |
|---|---|---|
| Gran volumen de escoria con alto contenido de metal | Flujo de escoria | Mejorar la cobertura del flujo de cobertura |
| Inclusiones en suspensión en la masa fundida | Fundente de limpieza (con flúor) | Filtración de espuma cerámica aguas abajo |
| Rápida oxidación superficial, alta tasa de generación de escoria | Mejor fundente de cobertura, aplicado con más frecuencia | Reducir las turbulencias en la superficie de fusión |
| Alto contenido en sodio o calcio | Flujo de eliminación de álcalis, adición de Cl₂ a la desgasificación rotativa. | Investigar la fuente de contaminación alcalina |
| Hidrógeno elevado, porosidad en las piezas fundidas | Desgasificación rotativa (primaria), adición de gas Cl₂. | Fundente de recubrimiento para reducir la reabsorción |
| Carga general de inclusión de la chatarra | Enfoque combinado de limpieza y recubrimiento | Filtración CFF en dos etapas |
Paso 3: Tener en cuenta las restricciones específicas de la aleación
Aleaciones con alto contenido en magnesio (5xxx con Mg >3%): El fundente de recubrimiento estándar NaCl-KCl reacciona con el magnesio en la masa fundida, introduciendo sodio y alterando potencialmente el equilibrio de magnesio. Se requieren formulaciones de fundente específicas para el magnesio que utilicen sistemas MgCl₂-KCl-NaCl con una actividad mínima de sodio.
Grado de conductor eléctrico (aleación 1350): Cualquier fundente que contenga una cantidad significativa de sodio debe utilizarse con precaución. Los niveles de sodio del tratamiento posterior al fundente deben verificarse analíticamente. La función de eliminación de álcali debe realizarse antes de aplicar el fundente de recubrimiento, y el fundente de recubrimiento debe ser una formulación baja en sodio.
Aleaciones con bajo contenido en silicio: Algunos componentes de fundentes fluorados favorecen la reducción de silicio del refractario y del propio sistema de fundentes. En aplicaciones de muy bajo contenido en silicio, verifique que el fundente no introduce silicio.
Paso 4: Optimizar el procedimiento de solicitud
El fallo más común en la aplicación del fundente es utilizar el producto correcto pero aplicarlo de forma incorrecta:
- Si se aplica demasiado poco fundente, la cobertura es incompleta, lo que permite que continúe la oxidación.
- Si se aplica demasiado fundente, la gruesa capa de fundente será difícil de eliminar limpiamente, introduciendo inclusiones de sal.
- Aplicar fundente sin agitar adecuadamente en aplicaciones de limpieza, dejando la mayor parte del volumen fundido sin tratar.
- Permitir que el fundente se contamine con agua (el fundente salino absorbe rápidamente la humedad del aire húmedo, lo que puede provocar salpicaduras violentas cuando se introduce en la masa fundida).
Seguridad, normativa medioambiental y gestión de residuos de fundentes
Riesgos laborales del uso de fundente de aluminio
Los fundentes de aluminio presentan varios riesgos laborales que requieren una gestión activa:
Generación de humos de cloruro de hidrógeno (HCl): Cuando los fundentes de cloruro entran en contacto con la humedad (del aire, de las herramientas o del material de carga húmedo), generan humos de HCl. El PEL de OSHA para HCl es de 5 ppm de techo. Las operaciones en las que se utilizan fundentes de cloruro requieren ventilación local por extracción.
Generación de humos de fluoruro: Los fundentes que contienen flúor generan vapores de fluoruro de hidrógeno (HF), especialmente cuando se calientan. El HF es agudamente tóxico a bajas concentraciones (OSHA PEL 3 ppm TWA, 6 ppm STEL). El uso de fundentes de fluoruro requiere protección respiratoria y extracción de humos.
Salpicaduras de sal fundida: La introducción del fundente en la superficie de fusión requiere una aplicación controlada para evitar la explosión de vapor por la humedad en el fundente o en la herramienta de aplicación. Todos los fundentes deben almacenarse secos y precalentarse antes de su uso en cualquier aplicación que implique la inmersión por debajo de la superficie de fusión.
Quemaduras térmicas: Trabajar con aluminio fundido y fundente de sal fundida a 700-760°C presenta un grave riesgo de quemaduras. Todo el personal debe llevar un EPI adecuado que incluya pantalla facial, guantes resistentes al calor y ropa resistente al calor.
Normativa medioambiental que afecta a la elección del fundente
| Reglamento | Región | Impacto en la selección de flujos |
|---|---|---|
| Reglamento UE 1907/2006 (REACH) | Unión Europea | Restricciones sobre determinados compuestos fluorados; registro obligatorio de criolitas |
| Ley de Aire Limpio (NESHAP) | EE.UU. | Límites de las emisiones de HCl y HF procedentes de operaciones de aluminio secundario |
| Reglamento sobre gases fluorados de la UE | Unión Europea | Límites de los compuestos halogenados en los procesos industriales |
| Normas GB de China | China | Límites máximos de emisión de HF y Cl₂ procedentes de la transformación del aluminio |
| Directiva RoHS | UE | Afecta a la composición del fundente en el aluminio para aplicaciones electrónicas |
Eliminación de residuos de fundentes (escoria salina)
El fundente de aluminio usado y la escoria asociada (llamada escoria salina o escoria negra) contiene sales de cloruro y fluoruro mezcladas con óxido de aluminio y metal residual. Este material está clasificado como residuo peligroso en la mayoría de las jurisdicciones reguladoras debido a su:
- Lixiviabilidad de cloruros y fluoruros en las aguas subterráneas.
- Generación potencial de amoníaco (a partir de impurezas de nitruro) cuando está húmedo.
- Contenido de metales pesados procedentes de impurezas de aleaciones de aluminio.
Las escorias salinas deben eliminarse en instalaciones autorizadas para residuos peligrosos o procesarse mediante operaciones de reciclado de escorias salinas que recuperan la fracción salina para su reutilización y la fracción de óxido de aluminio para otras aplicaciones. En Europa, Norteamérica y Asia Oriental existen varias instalaciones comerciales de tratamiento de escorias salinas. La responsabilidad medioambiental derivada de la eliminación inadecuada de las escorias salinas supera con creces el coste material del fundente original; ésta es una de las razones por las que minimizar el uso del fundente mediante una aplicación optimizada es deseable tanto desde el punto de vista económico como medioambiental.
Preguntas frecuentes sobre el fundente para aluminio
1: ¿Cuál es el fundente más utilizado para fundir aluminio?
El fundente de aluminio más utilizado es una mezcla de cloruro sódico (NaCl) y cloruro potásico (KCl) en proporciones aproximadamente iguales en peso, a menudo con pequeñas adiciones de fluoruro cálcico (CaF₂) o criolita (Na₃AlF₆). Este sistema base NaCl-KCl forma un eutéctico que funde a aproximadamente 660°C -justo en el punto de fusión del aluminio o por debajo de él- creando una manta protectora líquida sobre la superficie fundida que impide la oxidación y la captación de hidrógeno. Este fundente de recubrimiento se utiliza prácticamente en todas las fundiciones de aluminio del mundo como protección básica de la masa fundida. Se añaden fundentes más especializados (agentes espumantes, fundentes de limpieza, fundentes de eliminación de álcalis) para objetivos de tratamiento específicos que van más allá de la protección básica de la superficie. El dominio del sistema NaCl-KCl refleja su bajo coste, amplia disponibilidad y rendimiento probado en toda la gama de aleaciones de aluminio comerciales.
2: ¿Puedo utilizar bórax u otros fundentes comunes para el aluminio?
No - el bórax (tetraborato sódico, Na₂B₄O₇) es un fundente utilizado para soldar metales, incluido el aluminio, a bajas temperaturas, pero no es adecuado como fundente de tratamiento de la masa fundida para trabajos de fundición de aluminio fundido. El bórax tiene un punto de fusión de aproximadamente 743°C, que está dentro del rango de temperaturas de fusión del aluminio, pero reacciona con el aluminio para formar compuestos de boruro de aluminio e introduce contaminación de boro en la masa fundida. En la química del refinador de grano, el boro es una adición controlada - el boro incontrolado procedente del uso de fundentes de bórax interrumpiría el refinamiento de grano cuidadosamente gestionado de las aleaciones de aluminio comerciales. Los fundentes correctos para la producción de aluminio fundido son los sistemas de sales de cloruro-fluoruro como se describe en este artículo. Para la soldadura fuerte y blanda del aluminio (un proceso diferente del tratamiento de la fusión), se utilizan sistemas de fundentes no corrosivos basados en compuestos de fluoruro, como Nocolok (fluoroaluminato de potasio) para la soldadura fuerte en horno de intercambiadores de calor de aluminio.
3: ¿Cuál es la diferencia entre fundente de recubrimiento y fundente de limpieza para aluminio?
El fundente de recubrimiento y el fundente de limpieza tienen funciones diferentes y se aplican de forma distinta. El fundente de recubrimiento se extiende por toda la superficie fundida para evitar el contacto entre el aluminio líquido y el oxígeno atmosférico, aislando físicamente la superficie fundida. Normalmente se aplica en una proporción baja (1-3 kg por tonelada métrica de aluminio) y se mantiene durante todo el periodo de mantenimiento. El fundente de limpieza está diseñado para reaccionar con las inclusiones no metálicas suspendidas en la masa fundida y eliminarlas; debe agitarse o inyectarse en la masa fundida para entrar en contacto con las inclusiones en todo el volumen de metal. Los fundentes de limpieza contienen mayores proporciones de compuestos fluorados reactivos y se aplican en mayores cantidades (2-8 kg por tonelada métrica), pero con menor frecuencia (normalmente una vez por carga de horno en lugar de continuamente). Algunos productos comercializados como fundentes “combinados” intentan realizar ambas funciones simultáneamente, pero según nuestra experiencia en AdTech, los mejores resultados se obtienen utilizando un fundente de recubrimiento específico para la protección continua de la superficie y un fundente de limpieza independiente para el tratamiento periódico de la masa.
4: ¿Cómo elimina el fundente las inclusiones del aluminio fundido?
El fundente elimina las inclusiones del aluminio fundido mediante dos mecanismos complementarios: la modificación de la tensión superficial y la reacción química. El mecanismo de tensión superficial funciona porque los compuestos de flúor del fundente se adsorben en la interfaz entre las partículas de inclusión de óxido de aluminio y el metal circundante, reduciendo la energía interfacial y promoviendo la aglomeración de las inclusiones en grupos más grandes. Los conglomerados más grandes tienen mayor flotabilidad en relación con su arrastre y suben a la superficie de la masa fundida más fácilmente que las pequeñas inclusiones individuales. El mecanismo de reacción química implica la disolución directa del óxido de aluminio por especies de fluoruro -en particular AlF₃ y criolita- que reaccionan con Al₂O₃ para formar oxifluoruro de aluminio y compuestos relacionados que se dividen preferentemente en la fase de fundente salino en lugar de permanecer en el metal. Ambos mecanismos requieren que el fundente esté en contacto íntimo con las inclusiones, razón por la cual el fundente de limpieza debe agitarse a fondo en la masa fundida en lugar de simplemente flotar en la superficie.
5: ¿Se necesita fundente si utilizo desgasificación rotativa y filtración por espuma cerámica?
La desgasificación rotativa y la filtración de espuma cerámica no sustituyen por completo al fundente, pero su función cambia significativamente cuando se utilizan estos sistemas. La desgasificación rotativa se encarga de la función de hidrógeno disuelto que antes desempeñaba el fundente de desgasificación reactiva (hexacloroetano), y la filtración de espuma cerámica elimina las inclusiones que, de otro modo, tendría que tratar el fundente de limpieza. Sin embargo, el fundente de recubrimiento sigue siendo necesario independientemente de los sistemas de desgasificación y filtración: la superficie fundida genera continuamente óxido nuevo mientras esté expuesta a la atmósfera, y este óxido superficial debe gestionarse físicamente con una manta de fundente de recubrimiento para evitar que entre en la masa fundida en forma de inclusiones. También sigue siendo necesario el fundente para la recuperación del metal de la escoria acumulada. Lo que cambia cuando se dispone de desgasificación rotativa y CFF es que la función de limpieza reactiva de los fundentes (especialmente los fundentes de fluoruro reactivos) se vuelve menos crítica, lo que reduce el consumo total de fundente y los retos asociados a la gestión de residuos.
6: ¿Qué fundente se utiliza para el aluminio con alto contenido en magnesio (serie 5xxx)?
Las aleaciones de aluminio con alto contenido en magnesio (serie 5xxx con Mg superior a 3%, como 5083 y 5182) requieren un fundente especialmente formulado que evite la introducción de cantidades significativas de sodio, que reacciona con el magnesio y causa problemas. El fundente de recubrimiento estándar NaCl-KCl contiene una cantidad considerable de sodio que puede intercambiarse con el magnesio en el óxido de la superficie fundida, introduciendo impurezas de sodio y alterando potencialmente el equilibrio de magnesio. El fundente de recubrimiento adecuado para aleaciones con alto contenido en magnesio utiliza cloruro de magnesio (MgCl₂) como componente principal junto con KCl, con un contenido mínimo de NaCl - por ejemplo, una mezcla de 35% MgCl₂, 50% KCl, 15% NaCl. Esta formulación baja en sodio proporciona una protección superficial adecuada sin la reacción de intercambio de sodio. Además, para las aleaciones con alto contenido en Mg, la capa de fundente debe mantenerse con más cuidado que para las aleaciones con bajo contenido en Mg, ya que el magnesio en la masa fundida se oxida rápidamente y genera inclusiones de MgO que son más difíciles de eliminar que las de Al₂O₃. Se requiere una renovación más frecuente del fundente y una manipulación cuidadosa de la masa fundida.
7: ¿Se puede utilizar fundente para eliminar el hidrógeno del aluminio o se necesita un equipo de desgasificación?
El fundente de desgasificación reactivo (pastillas de hexacloroetano) puede eliminar el hidrógeno del aluminio, pero sólo con una eficacia limitada (reducción de 30-50%) y con importantes inconvenientes medioambientales y de seguridad. Para la mayoría de las aplicaciones sensibles a la calidad, la desgasificación por gas inerte rotatorio con argón o nitrógeno es el método necesario para la eliminación del hidrógeno, ya que consigue una reducción del hidrógeno de 50-80% de forma constante, puede controlarse con precisión y no genera compuestos de cloro tóxicos que requieran la extracción de humos. La adición de pequeñas cantidades de gas cloro (2-5% Cl₂) al argón de desgasificación rotativa proporciona beneficios adicionales, incluyendo la aglomeración de inclusiones y la eliminación de metales alcalinos - este enfoque combina lo mejor de la química del fundente y de la desgasificación mecánica sin los problemas de las pastillas de fundente sólido. En AdTech, recomendamos el fundente reactivo de desgasificación sólida sólo como medida de reserva de emergencia cuando el equipo de desgasificación primario no está disponible, o en operaciones muy pequeñas en las que el equipo rotativo no puede justificarse económicamente.
8: ¿Qué fundente se utiliza para soldar aluminio frente a los fundentes de fundición?
Se trata de sistemas de fundentes completamente distintos que sirven para procesos diferentes. Para la soldadura fuerte en horno de componentes de aluminio (como intercambiadores de calor para automóviles), el sistema de fundente estándar es el fluoroaluminato de potasio (K₁₋₃AlF₄₋₆), conocido comercialmente como Nocolok o productos equivalentes. Este fundente se activa a más de 560°C aproximadamente, desintegra la capa de óxido de las superficies de aluminio durante la soldadura fuerte y permite que el metal de aportación de la soldadura fuerte (normalmente una aleación eutéctica Al-Si) se humedezca y fluya dentro de la unión. Para la soldadura fuerte con soplete, los fundentes de soldadura fuerte de aluminio basados en químicas de fluoruro similares se aplican en forma de pasta o polvo a la zona de unión antes del calentamiento. Para la soldadura blanda de aluminio (a temperaturas más bajas con soldaduras a base de zinc o estaño), se utilizan fundentes agresivos a base de ácidos orgánicos o cloruro de zinc. Ninguno de estos fundentes para soldadura fuerte o blanda es apropiado para el tratamiento de fundición: están diseñados para humedecer la superficie de aluminio sólido, no para el tratamiento en masa de grandes volúmenes de metal líquido a 700-760°C.
9: ¿Qué cantidad de fundente debo añadir al aluminio fundido y con qué frecuencia?
Las dosis de aplicación dependen del tipo de fundente y de las condiciones de trabajo. Fundente de recubrimiento: 1-3 kg por tonelada métrica de aluminio mantenida, aplicado después de cada operación de espumado y después de cualquier evento que altere la superficie de la masa fundida (adiciones de metal, muestreo, inmersión de herramientas). En condiciones húmedas o cuando la fusión se mantiene durante largos periodos, el fundente de recubrimiento debe renovarse cada 30-60 minutos. Fundente de limpieza: 2-8 kg por tonelada métrica de aluminio, aplicado una vez por carga de horno durante la fase de tratamiento, con agitación minuciosa durante 5-10 minutos para distribuir el fundente por el volumen de fusión. Fundente de escoria: 5-15 kg por tonelada métrica de escoria, aplicado directamente a la capa de escoria y trabajado con un rastrillo. Fundente de eliminación de álcalis: 3-10 kg por tonelada métrica, con un tiempo de tratamiento de 10-20 minutos de agitación antes del espumado. La aplicación excesiva de cualquier tipo de fundente aumenta el riesgo de inclusión de sales (las partículas de fundente quedan atrapadas en el metal) y aumenta el volumen y el coste de la eliminación de residuos. La optimización sistemática del consumo de fundente -mediante pruebas periódicas de RPT para verificar la eficacia y registros del horno para realizar un seguimiento del consumo en relación con los resultados de calidad- reduce sistemáticamente tanto el coste del fundente como la generación de residuos.
10: ¿Qué certificaciones o normas de calidad debe cumplir el fundente para aluminio?
El fundente de aluminio industrial para aplicaciones de fundición y castillete debe cumplir las siguientes normas de calidad y seguridad o ser verificado conforme a ellas. La certificación ISO 9001 del fabricante garantiza una calidad de producción y una trazabilidad constantes. La composición química debe ser verificada por el laboratorio analítico del fabricante para cada lote de producción, con certificados de conformidad disponibles para cada envío. La pureza del fundente es particularmente importante para el contenido de humedad - el agua en el fundente por encima de aproximadamente 0,2% puede causar salpicaduras violentas cuando el fundente se aplica a la masa fundida. El contenido de metales pesados (plomo, cadmio, mercurio) debe confirmarse por debajo de los límites especificados, en particular para el fundente utilizado en aluminio destinado al contacto con alimentos o aplicaciones estructurales de automoción. La ficha de datos de seguridad (FDS) según los requisitos del SGA debe estar actualizada e incluir procedimientos de emergencia para el contacto de la sal fundida con la piel y los ojos y para la inhalación de vapores de flúor. Se requiere documentación de conformidad con REACH para la adquisición en el mercado europeo. Para el fundente utilizado en la producción de aluminio aeroespacial, el fabricante debe proporcionar registros completos de trazabilidad y debe verificarse que la composición del fundente sea compatible con las especificaciones de impurezas de la aleación específica, en particular para el contenido de sodio y calcio que podría introducir el propio fundente.
Resumen: Elección del fundente adecuado para su operación de aluminio
El fundente utilizado para el aluminio no es un producto único, sino una familia de tratamientos químicos especializados, cada uno de ellos dirigido a un problema específico de calidad de la fundición. El principio más importante en la selección del fundente es adaptar la función del fundente al problema diagnosticado en lugar de aplicar un “fundente de aluminio” genérico sin identificar cuál es el problema de calidad real.
El fundente de recubrimiento (NaCl-KCl base con modificadores de fluoruro) es la base universal - ninguna operación de mantenimiento de aluminio debe realizarse sin una cobertura adecuada de la superficie. El fundente de escoria mejora la recuperación de metal a partir de la escoria y reduce el volumen de residuos en operaciones con una importante generación de escoria. El fundente de limpieza reduce el contenido de inclusiones en suspensión en la masa fundida, trabajando en sinergia con la filtración de espuma cerámica aguas abajo. El fundente de eliminación de álcalis aborda la contaminación por sodio y calcio que los fundentes estándar no pueden resolver. Y la desgasificación rotativa con química de gas controlada (argón o nitrógeno con adición opcional de Cl₂) se encarga de la función de eliminación de hidrógeno que el fundente sólido reactivo intentó realizar en su día.
El sistema óptimo de tratamiento de la masa fundida combina estos elementos en la secuencia correcta: fundente de recubrimiento para una protección continua, fundente de limpieza periódica para la gestión de la inclusión a granel, tratamiento de eliminación de álcalis cuando la composición lo requiere y desgasificación rotativa como herramienta principal para el control del hidrógeno. Cada componente tiene una función específica, y el sistema funciona mejor cuando todas las funciones se cumplen correctamente.
En AdTech, suministramos toda la gama de productos para el tratamiento de aluminio fundido, incluidas formulaciones de fundentes, filtros de espuma cerámica y equipos rotativos de desgasificación, y nuestro equipo de ingeniería de aplicaciones ayuda a los clientes a diseñar sistemas de tratamiento de aluminio fundido que alcancen sus objetivos de calidad con el menor coste total de tratamiento.
Este artículo ha sido preparado por el equipo técnico editorial de AdTech basándose en la experiencia primaria en fundición, en investigaciones metalúrgicas publicadas y en la supervisión directa de aplicaciones en instalaciones de fundición de aluminio. Las referencias clave incluyen el trabajo de Groteke y Neff (AFS Transactions, 1993) y las prácticas estándar de la industria documentadas por la Aluminum Association y European Aluminium. El contenido se revisa anualmente.
Última actualización: 2026 | Biblioteca de recursos técnicos de AdTech.
