Avances en la introducción de resinas inorgánicas para fundición de hierro
Objetivos y enfoque
Estudio de emisiones
- BTEX (benceno, tolueno, etilbenceno y xileno): >93% frente a orgánicos y 65–71% frente a arena en verde.
- HAP (hidrocarburos aromáticos policíclicos): >94% frente a orgánicos y >90% frente a arena en verde.
- Menores picos de CO, NOx y SO₂.
Con base en estos resultados se han publicado tres artículos científicos donde se puedo profundizar en la metodología y resultados obtenidos:
- laboratorio de AGH (Int. J. Mol. Sci. 25, 5496, DOI: 10.3390/ijms25105496),
- planta piloto de fundición de AZTERLAN (Molecules 30, 2765, DOI: 10.3390/molecules30132765)
- industrial en Odlewnie Polskie S.A. en Polonia (Process Saf. Environ. 2025, 108238, DOI: 10.1016/j.psep.2025.108238).
Autores/as:
David Valle (Metalúrgica Madrileña, S.A.), Erika Garitaonandia (AZTERLAN), Andoni Ibarra (AZTERLAN), Javier Abello (Metalúrgica Madrileña, S.A.), Ramón Domínguez (Metalúrgica Madrileña, S.A.)
Keywords:
fundición de hierro, aglomerantes, inorgánicos, orgánicos, moldeo en verde.
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Análisis de ciclo de vida
Implementación industrial
Las pruebas de moldeo con resinas inorgánicas y la implantación de las mismas en algunas de las fundiciones participantes requirió ajustes específicos según las características de cada fundición (tipología de moldes, aleaciones, equipos de moldeo automático/manual y condiciones ambientales), incluyendo reformulación y optimización de dosificación para equilibrar resistencias iniciales y residuales (tras colada y enfriamiento). El principal reto fue la colapsabilidad de machos complejos, mitigado mediante aditivos y ajustes de proceso.
La transición exigió inversiones o adaptación de los equipos existentes (mezcladoras, control térmico, línea de moldeo automática, disparadores de machos) que dependen del grado de automatización actual que presentan las fundiciones y se abordó de forma progresiva mediante pruebas piloto. Esto significa que la replicación debe ser abordada como un proceso de transición estructurado, y no como una simple sustitución de producto.
Aspectos técnicos clave
El proyecto ha permitido extraer varios puntos críticos para el diseño del proceso.
1. Interacciones arena/resina:
Tanto las arenas silíceas como las no silíceas, junto con sus características físicas —como la morfología del grano (redondeado o angular) y la granulometría (fina o gruesa)—, influyen de manera significativa cuando se combinan con resinas inorgánicas de silicato alcalino, dando lugar a variaciones en propiedades como la resistencia a flexión, la permeabilidad y la estabilidad térmica. En consecuencia, la correcta selección del sistema “arena–resina inorgánica” resulta esencial para cumplir con los requisitos de calidad del molde o macho.
2. Métodos y cinética de curado:
La química del aglutinante determina de manera crítica el mecanismo de curado. En el caso de los aglutinantes inorgánicos, el endurecimiento puede producirse por deshidratación (reversible), mediante aire caliente, procesos warm/hot box o microondas, formando puentes de silicato a través de la eliminación de agua, o bien por reacción química (irreversible), mediante la interacción con gas CO₂ o con ésteres líquidos. La ruta de curado influye fuertemente en la resistencias mecánicas, estabilidad térmica y resistencia a la humedad. Los aglutinantes inorgánicos innovadores son, por lo general, sistemas bicomponentes compuestos por un aglutinante líquido (por ejemplo, silicato sódico o un precursor geopolimérico) y un aditivo en polvo, que optimiza la fluidez, la velocidad de endurecimiento, la resistencia del macho, la estabilidad durante el almacenamiento y previene la penetración de metal.
3.Comportamiento térmico, resistencias residuales y colapsabilidad de la arena:
La arena de sílice sufre a 573°C la transición 𝛽→𝛼 del cuarzo, con una expansión volumétrica de alrededor del 2,4% que puede generar defectos en el componente fundido. En los aglutinantes inorgánicos, el puente de unión no se degrada por oxidación como en los orgánicos, sino que puede volverse semilíquido a alta temperatura, permitiendo cierta deformación sin rotura; sin embargo, alrededor de los 800ºC aparece de un segundo pico de resistencia que genera un fundido vítreo de SiO₂–Na₂O que compacta el sistema y dificulta la colapsabilidad y la extracción del macho.
Sin embargo, los nuevos sistemas inorgánicos modificados químicamente y la incorporación de aditivos han reducido esta resistencia residual, mejorando notablemente la colapsabilidad, incluso en aquellos machos complejos rodeados de metal.
4. Sensibilidad a la humedad:
cuando el curado se realiza por deshidratación (reversible), los machos almacenados en ambientes de alta humedad pueden absorber agua y degradarse, perdiendo integridad estructural; por ello es necesario controlar la humedad relativa, reducir los tiempos de almacenamiento y validar la vida útil del sistema en condiciones reales de operación.
Aspectos operacionales y económicos
La implementación de resinas inorgánicas requiere inversiones que dependerán del nivel de automatización de cada fundición y del sistema de curado de la resina (autofraguante, caja caliente, gaseado con CO₂). Algunos de los puntos críticos en este sentido son la adaptación de mezcladoras de arena, equipo de regeneración de arenas, línea de moldeo automática, disparadores de machos, etc., y el almacenamiento en condiciones de humedad optimas.
No obstante, la transición hacia aglutinantes inorgánicos también puede aportar ventajas económicas, como la eliminación de los sistemas de lavado de aminas y sus costes de mantenimiento, la reducción de los costes asociados al cumplimiento de requisitos de salud, seguridad y medioambiente, así como la disminución de la tasa de rechazo por defectos de porosidad gaseosa, gracias a una menor emisión de gases, lo que mejora el rendimiento y rentabilidad del proceso.
Regeneración de arenas
Se validaron procesos de regeneración hidrometalúrgico (laboratorio) y regeneración mecánica primaria/secundaria (industrial) para los sistemas inorgánicos. Ambos procesos mostraron bajar los parámetros clave de este tipo de sistemas (conductividad eléctrica, %Na₂O y %finos).
Mezclas con 85–100% de arena regenerada alcanzaron 1.6–2.2 MPa, valor excelente para sistemas inorgánicos autofraguantes, con propiedades estables tras ciclos repetidos, permitiendo su reutilización con ajuste de dosificación.
Conclusión
El empleo de aglutinantes inorgánicos permite reducir de forma significativa las emisiones y mejorar las condiciones ambientales en planta; sin embargo, su implantación efectiva exige un control riguroso de parámetros críticos como el curado, el desmoldeo /colapsabilidad del macho y la capacidad de regeneración de la arena. La experiencia industrial demuestra que no se trata de una simple sustitución de material, sino de un rediseño integral del proceso, que debe validarse previamente mediante pruebas piloto adaptadas a las condiciones específicas de cada planta.