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Horno casero para fundir metales

Contenido del artículo
Primero la seguridad
Cuestiones generales
Crisol
Urna
Calentador
Haciendo el horno
Herramientas necesarias
Construcción del quemador
Construcción del soplador
Construcción del cuerpo del horno
Notas adicionales
Otros factores importantes


Para los que sentimos la necesidad de moldear y fundir nuestras propias piezas metálicas en casa, ya sea por interés artístico o práctico, la mayor limitante es un horno apropiado que alcance las elevadas temperaturas requeridas para fundir una buena parte de los metales y sus aleaciones. En este artículo describimos la forma de lograrlo en casa para la fundición a pequeña escala de la mayor parte de los metales comunes y sus aleaciones. El "hornito" presentado puede ser utilizado para trabajar a temperaturas de hasta 1500°C, ya que a los 1600°C comienzan a reblandecerse los materiales refractarios utilizados. Esta temperatura de trabajo nos permite moldear piezas de plata, oro, cobre, y sus aleaciones tales como el bronce y el latón. Evidentemente también sirve para metales de bajo punto de fusión como el estaño, el plomo y el zinc pero estos últimos se pueden fundir de forma simple directamente en la llama de la estufa de gas de la casa.

Primero la seguridad

Antes de iniciar el trabajo con metales fundidos hay que estar consciente de que esa es una operación peligrosa que entraña ciertos riesgos, principalmente por la posibilidad de una explosión cuando se usan combustibles gaseosos (como en el proyecto que presentaremos), y segundo porque la alta temperatura del metal fundido, del interior del horno y de los recipientes de manipulación del material líquido pueden producir graves quemaduras en la piel o en los ojos si no se toman las medidas de seguridad adecuadas.

Las principales cuestiones que se deben tener en cuenta, aparte de las que dicte el sentido común, son:

Relacionados con gas combustible

1.- Los escapes de combustible gaseoso, aunque sean pequeños, pueden generar el peligro de una explosión al mezclarse con el aire ambiental, por lo que las llaves de los conductos y los balones deben permanecer cerradas cuando no estén en uso.

2.- Se debe chequear con agua de jabón todas las uniones de los conductos a fin de detectar salideros de gas antes de empezar a operar con el combustible.

3.- Siempre que se intente encender un quemador de gas, hay que colocar con antelación una llama delante de la salida del quemador antes de abrir el gas. Si se hace al contrario puede haberse acumulado suficiente gas en los alrededores del quemador como para producir una llama muy extendida que puede producir quemaduras.

4.- Si falla un intento de encender el gas por cualquier razón, cerrar la llave de gas y reiniciar el intento después de transcurrido cierto tiempo.

5.- Nunca alimentar el quemador directamente del balón de gas, debe mediar entre ellos un regulador de presión.

6.- Durante la quema del combustible se producen gases tóxicos o no respirables, nunca trabaje en un local cerrado.

7.- La botella o balón con el gas debe estar lejos de fuentes de calor, de estar cerca, la presión interior puede subir en exceso y explotar.

8.- Cuando se produce una llama no deseada, por ejemplo, en un salidero o en un conducto averiado o desconectado lo primero que hay que hacer siempre es cerrar la llave del balón.

Relacionado con el metal fundido

1.- Los recipientes que contienen metal fundido deben manipularse con aditamentos de mangos largos y estos aditamentos deben sostener el recipiente con gran seguridad .

2.- Cuando se manipule un recipiente con metal caliente los movimientos deben hacerse lo más cerca del suelo posible, de esta forma, si por alguna razón se cae el recipiente del aditamento de transporte, las salpicaduras de metal incandescente serán mucho menores.

3.- Nunca se puede verter metal fundido en un recipiente mojado, la violenta ebullición del agua presente, produce salpicaduras peligrosas. Por el mismo motivo si se va a hacer una colada en un molde, este debe estar perfectamente seco antes de hacerlo.

4.- Siempre vista camisas de mangas largas y pantalones largos con botas de cuero o similares. Nunca trabaje metales fundidos sin espejuelos de seguridad y sin guantes apropiados. Evite el pelo largo suelto.

5.- Nunca deje el horno de fundición desatendido y funcionando, se pueden producir averías inesperadas y peligrosas.

Cuestiones generales

Horno de fundición casero
Figura 1. Esquema del horno de fundición

figura 2
Figura 2. Una pinza de fácil construcción manipulando un crisol de cerámica.


En general para fundir metales de alto punto de fusión se necesitan tres cosas básicas (vea la figura 1 a la derecha):

1.- Un recipiente adecuado para fundir y manipular el metal y que se le llama crisol.

2.- Una cámara refractaria semi cerrada donde se coloca el crisol para calentarlo y que llamaremos urna.

3.- Un aparato calentador de la urna y el crisol hasta la temperatura necesaria.

Crisol

La naturaleza del crisol dependerá del metal o aleación a fundir, de la temperatura que se desea alcanzar y del presupuesto disponible, y su volumen debe estar en correspondencia con la cantidad de metal fundido que necesitamos para formar la pieza deseada en una sola colada. Cuando se trata de temperaturas relativamente bajas como las necesarias para el aluminio (algo mas de 700 °C) o del latón (algo mas de 900°C) se puede utilizar un crisol barato de acero o hierro fundido que son materiales que se funden a más de 1600°C. La durabilidad de tales crisoles no es mucha debido a la elevada corrosión a alta temperatura y se arruinan después de algunas pocas fundiciones, sin embargo, se pueden fabricar fácilmente partiendo de aparatos que nos rodean tales como los extintores de fuego portátiles, siempre que tengan las paredes del grueso suficiente. Otra ventaja es que se les pueden soldar agarraderas que facilitan la manipulación del pesado y caliente crisol lleno de metal fundido.

Para temperaturas elevadas como las necesarias para el cobre, la plata y el oro que están por encima de los 1100°C resultará imprescindible utilizar un crisol refractario. Estos crisoles de alta temperatura están hechos de cerámicas especiales o de grafito, son mas caros, frágiles y difíciles de manipular, pero tienen una larga vida útil si se utilizan adecuadamente. Adicionalmente, no contaminan el material fundido con metales "extraños" como puede suceder con el crisol de acero.

Para manipular los crisoles refractarios, dada su temperatura y relativa fragilidad, lo mejor es utilizar unas pinzas apropiadas como las que se muestran en la figura 2.

Urna

La urna de calentamiento es una oquedad, generalmente cilíndrica, elaborada dentro de un cuerpo de material refractario, si observa la figura 1, verá que en el fondo de la urna se coloca el crisol y que está cerrada por una tapa superior provista de un agujero que sirve como chimenea para la salida de los gases quemados cuando el aparato calentador es un quemador. En el esquema mostrado, la llama procedente del quemador rodea y calienta el crisol, y los gases calientes producto de la combustión abandonan el horno por la chimenea calentando toda la urna. El cuerpo del horno, que define la urna en su interior, se construye de algún material refractario ligero y poroso, de esta forma se convierte en un aislante térmico que reduce las pérdidas de calor por las paredes del horno haciendo a este más eficiente.

Calentador

figura 4
Figura 4. Esquema del quemador

El aparato calentador más frecuentemente utilizado para los hornos de fundición a pequeña escala es un quemador de combustible gaseoso o líquido (figura 4).

Para que la llama tenga la potencia y la temperatura requeridas usualmente el quemador se alimenta con una corriente de aire forzada por un soplador eléctrico, de esta forma se puede utilizar un mayor flujo de combustible, y con ello aumentar notablemente la fuerza de la llama.

Aunque se puede utilizar un combustible líquido (por ejemplo, un derivado poco volátil del petróleo) lo más práctico para el horno casero es usar gas del tipo LPG (el que se utiliza en las estufas domésticas), debido a que no requiere precalentamiento (gasificación) y se mezcla perfectamente con el aire, dado su estado físico gaseoso.

Es muy importante que el aire y el combustible se mezclen íntimamente antes de la ignición de la mezcla, de esta forma la combustión es más eficiente y el calor generado es superior. Note que en el esquema del quemador mostrado en la figura 4 se provee una zona relativamente grande para que tanto el combustible como el aire se puedan mezclar profusamente antes de salir por la boca del quemador y producir la llama.


Otro factor muy importante es tener la posibilidad de regular los flujos tanto de aire como de gas. Esta necesidad se debe a que la proporción de gas/aire debe ser un valor definido para obtener la máxima temperatura de la llama. Si hay aire en exceso se pierde calor de la llama calentando el aire sobrante, si lo que existe es muy poco aire la combustión será entonces incompleta y la temperatura de la llama cae drásticamente (la llama se torna de color amarillo).
La regulación de la cantidad de gas es muy fácil con solo utilizar una llave de paso en el conducto que transporta el gas al quemador, con ella, más abierta o más cerrada, se suministra un flujo variable a voluntad para alimentar el quemador. Un poco más complejo es regular la entrada de aire y se puede hacer por tres vías:

1.- Cambiando el área a través de la cual se alimenta el soplador desde la atmósfera, dándole mas o menos abertura al conducto o ventana de alimentación. Este método se puede utilizar cuando el soplador tiene un motor eléctrico de velocidad fija.

2.- Modificando la posibilidad de entada de aire al quemador desde el soplador, ya sea separando la boca de salida del soplador de la boca de entrada al quemador dejando una zona intermedia entre ambos por donde se pierde parte de la corriente de aire a la atmósfera, o bien interponiendo una compuerta en el paso del aire para reducir o ampliar el flujo según sea su posición más cerrada o más abierta.

3.- Modificando la velocidad de giro del motor eléctrico del soplador con el uso de un atenuador de la corriente eléctrica de alimentación.
Conocidos los elementos básicos que son importantes para tener éxito en el proyecto vamos ahora con una propuesta concreta que usted podrá fabricar en casa.

Haciendo el horno.

figura 5
Figura 5. El horno terminado



El proyecto de horno que presentaremos a continuación está armado en el interior de un balón vacío de gas LPG de los pequeños de 15 libras, pero evidentemente usted puede utilizar cualquier otro recipiente cilíndrico metálico siempre que tenga las mismas dimensiones o muy cercanas, y adaptar las instrucciones que se brindan al nuevo recipiente. El aspecto general del horno terminado se muestra en la figura 5 a la derecha.

Herramientas necesarias

Como en cualquier proyecto, tener las herramientas adecuadas facilita mucho el trabajo y evita con frecuencia los fracasos en la fabricación de las piezas requeridas. El proyecto lo llevaremos a cabo sin la utilización de herramientas caras o especializadas y se usarán preferentemente aquellas de tipo manual al alcance de todos.

Necesitamos:

1.- Una sierra manual del tipo "pasaportodo" que se utilizan para cortar perfiles curvos. Una caladora eléctrica o una sierra sin fin se pueden utilizar si se dispone de alguna de ellas.

2.- Una esmeriladora angular con disco de cortar metal.

3.- Una taladradora eléctrica y un juego de brocas para metal.

4.- Algunas herramientas manuales "clásicas" como martillo, destornilladores, alicates, llaves para tuercas etc.

5.- Espejuelos de seguridad para evitar la entrada de materiales extraños a los ojos durante el trabajo.

6.- Si dispone de una máquina de soldar por arco, esto facilitará bastante el trabajo, pero no es imprescindible.

Materiales necesarios:

1.- Un balón de gas LPG vacío de los de 15 libras.

2.- 10 ladrillos refractarios ligeros y porosos. Las dimensiones del ladrillo son largo 9" (230 mm); ancho 4½" (115 mm); altura 2½" (64 mm).

3.- 45 cm de tubo de acero de 1" (25 mm) de paredes finas, o bien negro o bien galvanizado.

4.- Un niple de tubo metálico de 1/8", roscado en ambos extremos, y con 3" (75 mm) de longitud. O bien su equivalente en medida métrica, puede ser de acero o de latón.

5.- Un tapón roscado para el tubo de 1/8.

6.- Una llave de paso de 1/8 para acoplar al tubo, preferentemente de aguja.

7.- Resina epoxi del tipo utilizada para "soldar" metales.

8.- Medio kilogramo de cemento refractario (lo mejor) pero puede utilizar cemento Portland estándar.

9.- Un trozo de tubo de acero de paredes finas de los que se usan en las instalaciones eléctricas de 1/2" (12 mm) para fabricar las agarraderas de la tapa del horno (vea la figura 5).

10.- Algunas piezas de ferretería, escuadras, tornillos, tuercas etc. para montar las patas del horno y las agarraderas de acuerdo a como usted decida hacerlas. Si dispone de una máquina de soldar por arco todo el montaje de estas piezas se facilita soldándolas.

11.- Un soplador de aire (preferentemente radial) o en su defecto una secadora de pelo.

12.- Un atenuador eléctrico para modificar la velocidad de giro del motor del soplador. Se venden comúnmente para cambiar la velocidad de los motores de los ventiladores de techo.

Una vez con las partes y las herramientas a disposición comencemos a hacer el horno.

Construcción del quemador.

La figura 6 a continuación, la que se explica por sí sola, muestra el plano del quemador.

figura 6

Figura 6. Plano del quemador

  Una vista del quemador terminado aparece a la derecha en la figura 7 a continuación. Note que:

 figura 7
Figura 7. Quemador terminado

1.- Ambos tubos, el de 1/8" y el de 1", se han fijado juntos usando resina epoxi, pero pudieron haber sido soldados. Es muy importante asegurar ambos tubos de forma que el agujero de 2 mm para la salida del gas, hecho en el centro del tubo de 1/8", quede "mirando" hacia la parte larga del tubo de 1" (vea el plano de la figura 6).

2.- Se ha usado una llave de paso de 1/8" del tipo de aguja, lo que permite una regulación más precisa de la entrada de gas. La llave de paso tiene la toma para la entrada de gas lateralmente, ahí se conecta el conducto de alimentación de combustible,  lo que debe hacerse preferiblemente usando una manguera flexible para facilitar la manipulación del quemador.

3.- El lado mas corto del tubo de 1" va a acoplarse al soplador mientras el más largo sirve como cámara de mezcla aire/combustible al mismo tiempo que permite su introducción dentro del cuerpo del horno hasta la urna de calentamiento.

Construcción del soplador

figura 8
Figura 8. Conjunto ventilador-quemador



Bueno, la elaboración del soplador es muy difícil de establecer como una receta que sirva para todos, en mi caso disponía de un pequeño soplador radial que fue adaptado para acoplar al quemador (vea la figura 8 a la derecha). La regulación de la cantidad de aire se hizo por medio de un atenuador de los que se usan para regular la velocidad de los ventiladores de techo. La diferencia entre la mayor potencia del ventilador de techo y la menor del ventilador del que disponíamos hizo que el atenuador no funcionara correctamente. El asunto se resolvió colocando en paralelo con el pequeño motor, una resistencia eléctrica de 1 kΩ y 100 w. Este aumento de la carga fue suficiente para que el atenuador funcionara correctamente con el pequeño soplador radial regulando su velocidad de giro en un rango amplio.

Note en la figura 8, que se construyó un cono de lámina de aluminio como elemento adaptador de dimensiones entre el ventilador y el quemador, y que el acople final se hizo con trozos de tubo de goma ajustados con abrazaderas de apriete.

Si no dispone de algún soplador adaptable puede utilizar una secadora de pelo usando la opción de aire frío que normalmente tienen, si la secadora que dispone no tiene esta opción en los mandos, debe desconectar la resistencia de calentamiento, o de otro modo la carga eléctrica elevada que produce (más de 1000 w) arruinará rápidamente el atenuador.

Construcción del cuerpo del horno.

Para comenzar a construir el cuerpo del horno debemos cortar el balón de gas, y este corte, que se hará con la esmeriladora angular, produce muchas chispas, de modo que lo primero que hay que hacer es asegurarse de que el balón de gas está completamente vacío. Para saber que el balón está vacío no resulta suficiente con abrir a la atmósfera su llave de salida, ya que muchos de ellos tienen un sistema de cierre automático cuando se les retira el regulador de presión, y aunque abra la válvula de salida no sale gas alguno. Lo mas fácil para vaciar el balón es abrir su válvula de seguridad desenroscando completamente el tornillo de regulación y dejar escapar el gas hasta el final. Otra forma es acoplarle el regulador de presión con la salida de este abierta a la atmósfera el tiempo suficiente para que se vacíe completamente.

Una vez con la seguridad de que no hay gas a presión dentro del balón, lo que sigue es retirarle la llave que está montada de forma roscada. Si el balón está realmente vacío no sentirá escape de gas alguno a medida que desenrosca la válvula.

Ya sin la válvula, y para mayor seguridad, el balón se llena con agua, de esta forma no quedará nada de gas dentro del recipiente, luego el agua se desecha.

El balón se corta exactamente por el hombro superior teniendo cuidado de hacer un buen trazo antes de comenzar el corte, y también se retira la base circular que trae, así como el cuerpo semi-circular superior de protección para la válvula. Si se fija en la figura 5 arriba, verá que solo se ha utilizado el cuerpo cilíndrico del balón.

En la parte inferior, después de cortado por el hombro será donde se confecciona la urna, y en la parte superior donde se construya la tapa.

Haciendo la urna

figura 9
Figura 9. Construcción de la urna

figura 10

Figura 10. Vista superior del horno destapado

Para hacer la urna auxíliese de la figura 9. Primero se preparan los ladrillos como se muestra en la figura usando la sierra caladora manual y se recuperan todos las piezas cortadas así como la arenilla que sale de los cortes. Los ladrillos se van colocando dentro del cuerpo del balón en el orden en que aparecen en la figura 9.

A la capa inferior, que es de ladrillos enteros, hay que redondearles los bordes para que se adapten a la forma hemisférica del fondo del balón. Una vez asentados los ladrillos del fondo de la urna se calcula bien el punto donde debe hacerse el agujero al cilindro de metal del balón para la introducción del quemador, el que debe quedar verticalmente en el centro de la segunda fila de ladrillos como se muestra en la figura 9. Haga el agujero en el balón de suficiente diámetro para que pase el quemador holgadamente. Note que el agujero para el quemador se dirige de forma que el borde del  tubo del quemador salga al interior de la urna tangencial a la superficie interna.

Al tratar de colocar los ladrillos dentro del balón se dará cuenta que debe recortarse una pequeña parte de la esquina exterior (vea la figura 10).

Una vez colocados todos los ladrillos necesarios para hacer la urna (8 de los 10), la superficie superior de la última fila debe sobresalir unos pocos milímetros por encima del cuerpo metálico del balón. A continuación, con todos los ladrillos en su lugar, estos se aseguran en su sitio colocando los trozos resultantes de los cortes entre estos y el cuerpo metálico del balón para luego asegurar los trozos con una mezcla de cemento y la arenilla recuperada anteriormente. Vea como queda la urna terminada en la figura 10 abajo.

De la misma forma se construye la tapa del horno usando los dos ladrillos restantes, pero antes de colocar los ladrillos en la tapa se debe realizar el corte de un agujero de unos 120 mm en la parte superior central del metal de la tapa, y un corte semicircular a los ladrillos en su centro para formar un agujero de 100 mm cuando se junten y coloquen dentro de la parte hemisférica de la tapa. Verá que ahora también resultará necesario recortar las esquinas de los ladrillos para que se ajusten bien en su  lugar.

Notas adicionales

Además de las cuestiones tratadas hasta aquí, resulta conveniente fabricar otro par  de piezas adicionales que servirán para tapar los orificios de comunicación del horno al exterior una vez terminada la colada estas son:

1.- Una cubierta para el orificio superior de 100 mm de la tapa del horno, la que se hace uniendo y apretando con una cinta metálica dos de las medialunas que resultaron del corte de los ladrillos que formaron la urna.

2.- Un  trozo de tubo del mismo tipo con el que se construyó el quemador lleno interiormente con cemento y arena.

Ambas piezas se sitúan en los orificios correspondientes cuando se termina la colada y retirado el quemador, y con el crisol caliente en el interior de la urna, para que el horno en su conjunto se enfríe los más lento posible, de esta forma la vida del horno y del crisol se alarga.

Otros factores importantes

Existen otras cuestiones no tratadas aun pero que tienen importancia relevante para tener éxito en el trabajo de fundición de metales. Algunas de ellas son:

1.- Coloque las piezas de materia prima a fundir dentro del crisol ya caliente dentro del horno, de esta forma el tiempo hasta que se fundan es menor y con ello se producen menores pérdida por oxidación. Tenga presente que la oxidación a elevada temperatura es muy rápida por lo que si coloca las piezas en el crisol frío y luego lo carga al horno el tiempo a alta temperatura se extiende considerablemente.

2.- Asegúrese de haber cargado al crisol suficiente material para colar la pieza en una sola operación, después que el metal solidifica, si agrega nuevo metal líquido las dos partes quedan separadas.

3.- Nunca deje material sobrante en el crisol, recuerde que los metales se dilatan más que la cerámica, lo que puede traer la rotura de esta durante el posterior calentamiento para fundir nuevamente.

Un video demostrativo aquí.



Artículo relacionado: Fabricación de piezas por moldeo.


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