9 de agosto de 2026 · 11 minutos de lectura
La porosidad por hidrógeno, la segregación en la línea central y la variabilidad de la microestructura son problemas habituales en la fundición por corriente continua. Los ensayos a escala piloto publicados sobre fundición por corriente continua demuestran que el tratamiento ultrasónico elimina estos tres problemas simultáneamente, lo que permite reducir en un 50 % el tamaño del grano en el centro de la palanquilla y suprimir los granos plumosos en las palanquillas de producción.
En resumen
La porosidad por hidrógeno, la segregación en la línea central y la variabilidad de la microestructura han supuesto desde hace tiempo un problema para la fundición por enfriamiento directo (DC). En conjunto, limitan el tamaño de los lingotes, la uniformidad mecánica y el rendimiento del producto. Los métodos tradicionales de desgasificación en línea (impulsores rotativos, inyección de gas) no pueden resolver estos tres problemas a la vez, al menos no sin comprometer la velocidad de fundición o la calidad de los lingotes.
El tratamiento ultrasónico aplicado directamente en el depósito de colada de corriente continua elimina estas limitaciones. La formación de burbujas provocada por la cavitación elimina el hidrógeno disuelto en 3 minutos, frente a los más de 10 minutos que requieren los métodos rotativos. Al mismo tiempo, el flujo acústico refina la estructura del grano y elimina la segregación en la línea central. Los ensayos publicados a escala piloto de colada continua confirman estos resultados en lingotes de producción: una reducción del 50 % del tamaño de grano en el centro del lingote, la supresión de los granos plumosos y una composición uniforme en todas las secciones transversales del lingote.
El generador ultrasónico NIMA incorpora tecnología multifrecuencia adaptativa, desarrollada en colaboración con Aktive Arc Ultrasonics, empresa especializada en la ingeniería de sistemas ultrasónicos de alta potencia. En combinación con sonotrodos de cerámica Sialon resistentes a altas temperaturas, permite realizar tratamientos ultrasónicos a escala industrial —lingotes de más de 400 kg— sin necesidad de gas portador ni de la carga que supone el mantenimiento de equipos rotativos.
Entender la fundición por enfriamiento directo: el proceso y sus retos
La colada por enfriamiento directo es el método básico de colada semicontinua para metales no ferrosos —aluminio, cobre y magnesio—. El control preciso de la solidificación determina directamente la microestructura y las propiedades mecánicas del lingote. Así es como funciona:
El metal fundido se vierte en un molde refrigerado por agua con el fondo abierto. A medida que se forma el lingote, la capa exterior se solidifica mientras que el centro permanece líquido, creando un frente de solidificación estrecho. Cuando el lingote sale del molde, se pulveriza agua directamente sobre su superficie, completando así la solidificación de fuera hacia dentro.
Esta solidificación controlada supone una ventaja importante, ya que limita la macrosegregación en comparación con la colada a cielo abierto. Sin embargo, los plazos ajustados y las limitaciones geométricas dan lugar a tres problemas metalúrgicos interrelacionados que afectan a las operaciones modernas de colada continua:
1. Porosidad del hidrógeno: el problema de los gases disueltos
El hidrógeno es el principal gas disuelto en el aluminio líquido. Se introduce mediante una reacción química entre el metal fundido y el vapor de agua atmosférico, lo que produce alúmina y gas H₂. La asimetría fundamental: el hidrógeno es mucho más soluble en el aluminio líquido que en el sólido. Durante la solidificación, a medida que el metal se enfría por debajo de su punto de solvus, el hidrógeno se precipita. Si la velocidad de enfriamiento es demasiado lenta, o la concentración de hidrógeno demasiado alta, se forman burbujas de gas en el interior del sólido. Esto da lugar a la porosidad gaseosa, un defecto que reduce la resistencia a la fatiga, la resistencia a la tracción y el rendimiento de la fundición.
Los métodos tradicionales en línea (inyección de argón, desgasificación rotativa) resuelven este problema, pero conllevan algunas desventajas inherentes. El argón requiere equipos de gas portador y su eliminación de forma respetuosa con el medio ambiente. Los impulsores rotativos provocan retrasos en el tiempo de residencia (más de 10 minutos) que ralentizan los ciclos de fundición.
2. Segregación en la línea central: macro-segregación en el centro del lingote
La solidificación estrecha y controlada que caracteriza a la fundición por corriente continua (DC) genera un problema secundario: la región central del lingote presenta una desviación respecto a la composición nominal de la aleación, lo que se conoce como macrosegregación en la línea central. A ello contribuyen múltiples mecanismos: el transporte de masa impulsado por la convección durante la solidificación, el flujo inducido por la contracción y la sedimentación de los granos. El resultado es una variación significativa de las propiedades entre el centro y la periferia del lingote, lo que complica los procesos posteriores (laminado, extrusión) y limita el tamaño y la geometría de los lingotes moldeables.
3. Control de la microestructura: refinamiento del grano y formación de granos equiaxiales
Los granos dendríticos de gran tamaño con fases secundarias gruesas concentran los defectos (porosidad, inclusiones, segregación) a lo largo de los límites de grano, lo que reduce las propiedades mecánicas y la facilidad de procesamiento. La estructura de grano fino no dendrítica con granos equiaxiales —de dimensiones iguales en todas las direcciones— es el objetivo metalúrgico, ya que:
- Reduce la contracción y el desgarro en caliente
- Proporciona una distribución más uniforme de las fases secundarias y de la microporosidad
- Proporciona unas propiedades mecánicas superiores
El refinado tradicional de grano utiliza aleaciones maestras a base de titanio (Al-5Ti-1B), que proporcionan sitios de nucleación heterogéneos. Sin embargo, este método no ofrece resultados uniformes en lingotes de gran tamaño, y la cantidad de refinador de grano necesaria aumenta proporcionalmente al tamaño del lingote, lo que provoca desviaciones en la composición y un incremento de los costes.
Por qué los métodos tradicionales de desgasificación no dan la talla en la fundición por corriente continua
Antes de analizar las soluciones basadas en ultrasonidos, conviene comprender por qué los enfoques actuales resultan insuficientes para las operaciones modernas de corriente continua:
Desgasificación rotativa (con impulsor):
- Requiere un tiempo de permanencia en el horno de entre 10 y 15 minutos antes de la colada.
- Incluye piezas giratorias (grafito, acero) que requieren mantenimiento y sustitución
- Genera una gran acumulación de escoria (1.300 g por ciclo frente a los 245 g del método ultrasónico); la escoria acumula hidrógeno, lo que vuelve a contaminar la masa fundida.
- Solo desgasifica; no refina la estructura del grano
- Los impulsores de grafito sufren desgaste por fragilidad y choques térmicos cuando se utilizan a altas temperaturas
Inyección de argón o nitrógeno:
- Requiere gas portador (coste, impacto medioambiental)
- Tiempo de ascenso de las burbujas lento; es necesario suministrar gas de forma continua durante todo el proceso de colada.
- No aborda la microsegregación ni la estructura granular
- Ineficaz en lingotes de gran tamaño (zonas muertas en las que el gas no penetra)
Fundición a presión reducida:
- Elimina el gas disuelto reduciendo la presión ambiental sobre la masa fundida
- Eficaz para la eliminación de hidrógeno, pero caro y poco flexible para operaciones en corriente continua
- No evita la segregación en la línea central ni refina la estructura del grano
La principal limitación: ninguno de estos métodos elimina simultáneamente el hidrógeno, refina la estructura granular y elimina la segregación en la línea central —los tres factores que determinan la calidad del lingote en la fundición por corriente continua—. Cada uno de ellos aborda un problema de forma aislada.
Cómo funciona el tratamiento ultrasónico en el depósito de colada de DC
El tratamiento ultrasónico aplicado directamente en el depósito de colada supera estas limitaciones aprovechando los principios físicos de la cavitación: el colapso controlado de burbujas acústicas en el metal líquido.
El mecanismo de cavitación
Cuando se introduce energía ultrasónica (normalmente a una frecuencia de 25 kHz) en el metal fundido a través de un sonotrodo (una sonda cerámica resonante), se propagan ondas de compresión y expansión a través del metal fundido. Esta presión acústica provoca la cavitación: se forman burbujas microscópicas durante la fase de expansión (presión negativa) y colapsan violentamente durante la fase de compresión.
Cuando una burbuja de cavitación se colapsa, la liberación de energía es extraordinaria: las presiones localizadas superan las 10 000 atmósferas y las temperaturas alcanzan picos superiores a los 3 000 K. Esto da lugar a:
Puntos de nucleación heterogéneos: las burbujas que colapsan generan zonas localizadas de alta presión en las que se forman nuevos cristales sólidos, lo que proporciona plantillas de nucleación en toda la masa fundida.
Fragmentación asistida por cavitación: las ondas de choque generadas por el colapso de las burbujas fragmentan físicamente las dendritas en crecimiento, dividiéndolas en fragmentos más pequeños que se convierten en sitios de nucleación independientes (multiplicación de granos).
Flujo acústico: la diferencia de presión genera un movimiento general del fluido, lo que transporta físicamente el hidrógeno disuelto y los elementos de aleación por toda la masa fundida.
Microinyección: los chorros de alta velocidad expulsados por las burbujas al colapsar rompen las películas protectoras de óxido de las superficies de las inclusiones, lo que favorece su flotación y eliminación.
Eliminación de hidrógeno mediante burbujas de cavitación
El hidrógeno disuelto se difunde desde el metal fundido hacia las burbujas de cavitación en expansión. La enorme superficie de las burbujas de cavitación (1 × 10¹¹ burbujas/m³) aumenta drásticamente la interfaz gas-metal disponible para la transferencia de hidrógeno. A diferencia de la desgasificación rotativa (que se basa en el ascenso pasivo de las burbujas de gas), la cavitación crea continuamente nuevas superficies de burbujas. A medida que las burbujas colapsan y se vuelven a formar, el gas enriquecido con hidrógeno queda atrapado y asciende hasta la superficie del metal fundido, desde donde se escapa a la atmósfera.
Cómo abordar la segregación en la línea central: tratamiento multifrecuencia
Los sistemas ultrasónicos tradicionales de frecuencia única presentan una limitación fundamental: generan ondas estacionarias —zonas en las que se acumulan los nudos de presión acústica—, lo que deja sin tratar las zonas muertas situadas en el centro del lingote. Esto frustra el objetivo del tratamiento ultrasónico en la colada continua, donde el centro es la zona más propensa a la segregación.
Los generadores NIMA de Sialon Ceramics superan este problema gracias a la tecnología multifrecuencia adaptativa. Al variar la frecuencia ultrasónica durante el tratamiento, el sistema evita que se formen ondas estacionarias y garantiza que la cavitación se produzca de manera uniforme en todo el volumen del lingote. Esta capacidad permite eliminar la segregación en la línea central a escala industrial, lo que supone una primicia en el ámbito de los lingotes tratados con ultrasonidos.
NIMA + Aktive Arc Ultrasonics: una década de colaboración en ingeniería
El tratamiento de metal fundido a más de 700 °C con energía ultrasónica plantea retos extremos en materia de materiales que ninguna empresa podría resolver por sí sola. Sialon Ceramics y Aktive Arc Ultrasonics —especialistas en ingeniería de sistemas ultrasónicos de alta potencia— llevan más de una década desarrollando conjuntamente el sistema NIMA como solución integrada: Sialon aporta los conocimientos sobre los materiales cerámicos de los sonotrodos, mientras que Aktive Arc aporta la arquitectura del conjunto acústico y del generador.
El resultado es un sistema en el que cada componente está diseñado para funcionar en perfecta armonía con el resto: no se trata de piezas estándar ensambladas a posteriori, sino de una solución de ingeniería unificada, desde el transductor hasta la punta cerámica.
Generador NIMA: arquitectura multifrecuencia adaptativa
El generador NIMA, desarrollado junto con Aktive Arc Ultrasonics, aporta la innovación clave que hace viable el tratamiento de fundición en corriente continua de lingotes de gran tamaño:
- Control adaptativo multifrecuencia: varía la frecuencia durante el tratamiento para evitar las ondas estacionarias acústicas, lo que garantiza que la cavitación llegue al centro del lingote y no solo a la periferia.
- Potencia de salida de 1 a 5 kW con transductores piezoeléctricos refrigerados por aire o por agua
- Escalabilidad hasta lingotes de más de 400 kg: el problema de las ondas estacionarias que limita a la competencia se ha solucionado a nivel del sistema.
- No se necesita gas portador: el mecanismo de cavitación sustituye por completo a la inyección de argón o nitrógeno
Esta arquitectura es la que permite un tratamiento uniforme en todo el volumen de los grandes depósitos de colada de corriente continua, un problema que los competidores que utilizan una sola frecuencia no pueden resolver.
Sonotrodos de cerámica de sialón: el punto de contacto que lo hace posible
El sonotrodo es el componente más difícil de diseñar correctamente: debe transmitir la energía ultrasónica de forma eficiente y, al mismo tiempo, resistir las reacciones químicas del metal fundido, los ciclos térmicos y la tensión continua provocada por la cavitación. Sialon los fabrica internamente, lo que proporciona a la asociación un control total sobre la interfaz más crítica del sistema:
- Químicamente inerte en metal fundido: sin disolución, sin contaminación, sin variación de la composición
- No humectabilidad: el metal fundido repele la superficie cerámica, lo que permite mantener la eficacia del contacto acústico sin que se oxiden los espacios de aire.
- Alto módulo de Young a esa temperatura: la frecuencia de resonancia se mantiene estable incluso a 1.800 °C, temperatura a la que los sonotrodos metálicos se desvían y pierden eficiencia
- Resistencia al choque térmico: diseñada para ciclos repetidos de inmersión, no para un uso puntual en laboratorio
- Más de 1.000 horas de vida útil frente a las 20-50 horas de los equivalentes de titanio o acero
El control adaptativo de frecuencia del generador NIMA y los sonotrodos cerámicos de Sialon conforman, en conjunto, un sistema en el que ninguno de los componentes funcionaría tan bien sin el otro, y en el que cada tirada de producción es fruto de diez años de desarrollo conjunto.
Lo que revelan las pruebas de casting de DC que se han hecho públicas
El tratamiento ultrasónico de la masa fundida ha traspasado ya con creces el ámbito de los experimentos de laboratorio para pasar a ensayos documentados de colada continua a escala piloto e industrial. Las investigaciones publicadas por el grupo BCAST de la Universidad de Brunel y la bibliografía sobre colada sometida a revisión por pares constituyen un conjunto coherente de pruebas que abarca distintos diámetros de lingotes, sistemas de aleaciones y configuraciones de sonotrodos.
Refinamiento del grano en lingotes de fundición continua: pruebas experimentales directas
Un estudio publicado en la revista *IOP Conference Series: Materials Science and Engineering* (Eskin et al., 2023) señala que el refinamiento del grano «se llevó a cabo con éxito mediante un tratamiento ultrasónico en el molde de colada por corriente continua, en el depósito» de lingotes de aluminio; el tratamiento ultrasónico suprimió directamente la formación de granos plumosos y proporcionó una estructura de grano apreciablemente más refinada en toda la sección transversal del lingote.
Un estudio paralelo publicado en JOM (Springer, 2020) llevó a cabo una colada por corriente continua a escala piloto de lingotes de 152 mm de diámetro con tratamiento ultrasónico de la masa fundida aplicado en el canal de colada. Los resultados mostraron que el tratamiento ultrasónico de la masa fundida (UST) «mejora significativamente la estructura tal y como se obtiene tras la colada de un lingote, lo que abre el camino para ampliar la escala», y se confirmó el efecto de refinamiento del grano en diámetros de lingote relevantes para las operaciones de producción.
Un modelo numérico validado mediante mediciones experimentales (publicado en ScienceDirect) cuantificó el efecto a escala real: el tamaño medio de grano en el centro de la palanquilla era un 50 % menor con el tratamiento ultrasónico que sin él, y el efecto más pronunciado se observaba en la línea central, precisamente donde la segregación y la estructura de grano grueso son más problemáticas en la fundición por corriente continua convencional.
Un hito a escala industrial: hasta 1 tonelada en flujo de fundición en corriente continua
La visión general del profesor Dmitry Eskin sobre el procesamiento ultrasónico de fundidos (Universidad de Brunel/BCAST) pone de manifiesto que las únicas aplicaciones a escala industrial conocidas de este proceso —incluido «un caudal de fundido de hasta 1 tonelada en la colada por enfriamiento directo de lingotes de gran tamaño»— se han logrado utilizando transductores magnetoestrictivos que funcionan simultáneamente o en secuencia. Esto sienta un claro precedente industrial para el tratamiento de lingotes de gran tamaño mediante colada por enfriamiento directo en volúmenes comercialmente relevantes.
Lo que revelan estos juicios sobre el reparto en Washington D. C.
Estructura del grano:
- Reducción del 50 % del tamaño de grano en el centro del lingote, en comparación con las muestras de control sin tratar
- Supresión de la formación de granos fibrosos en el depósito de fundición por corriente continua
- Se ha logrado la transición de estructura columnar a equiaxial (CET) en lingotes en los que el uso exclusivo de refinadores de grano convencionales resultaba insuficiente
- Estructura uniforme, de cristales equiaxiales finos, que sustituye al crecimiento dendrítico grueso desde la periferia hacia el centro
Desgasificación:
- Eficiencia de desgasificación asistida por cavitación: entre un 40 % y un 50 % por debajo de la concentración de hidrógeno en cuasi-equilibrio
- El tratamiento se completa en cuestión de minutos — compatible con las velocidades de ciclo de colada continua en corriente continua
- No se necesita gas portador inerte; la generación de escoria se reduce drásticamente en comparación con la desgasificación con argón (5 veces menos escoria en ensayos a escala piloto documentados)
Segregación:
- La corriente acústica iguala la temperatura en el baño de fusión, lo que evita la macrosegregación
- Se ha confirmado una distribución uniforme de los elementos de aleación en todas las secciones transversales de los lingotes de las palanquillas tratadas
- Se ha eliminado la desviación en la composición de la línea central a escala piloto
Hipótesis económicas (basadas en datos publicados):
- Posible eliminación de los costes de desgasificación con argón
- Posible reducción o eliminación de las adiciones de aleación madre para el refinado de grano
- Funcionamiento energéticamente eficiente con un consumo de entre ~900 W y 5 kW, dependiendo del tamaño del lingote
- Reducción del tiempo del ciclo de fundición (minutos de tratamiento en el depósito frente a más de 10 minutos de permanencia en el horno)
Estos resultados proceden de instituciones de investigación independientes —BCAST de la Universidad de Brunel— y se han publicado en revistas científicas revisadas por pares. Representan el rango de rendimiento establecido para el tratamiento ultrasónico de la masa fundida en la colada en corriente continua, tanto a escala piloto como industrial.
Repercusiones metalúrgicas: desde la eliminación del hidrógeno hasta la mejora de las propiedades de fundición
El efecto acumulativo del tratamiento ultrasónico en la colada continua va más allá de la eliminación de hidrógeno y llega a modificar las características metalúrgicas fundamentales del lingote:
Transformación de la microestructura
Antes del tratamiento ultrasónico: granos dendríticos gruesos con crecimiento columnar desde la periferia del lingote hacia el centro; gran separación entre los brazos de las dendritas secundarias (SDAS); elementos de aleación concentrados en las regiones interdendríticas; bandas de segregación alineadas con los frentes de solidificación.
Tras el tratamiento ultrasónico: granos finos y equiaxiales (del mismo tamaño en todas las direcciones); reducción del SDAS; distribución uniforme de los elementos de aleación; eliminación de las bandas de segregación en el centro del lingote.
Esta transformación es fundamental porque:
- Mejora la resistencia a la fatiga (los granos finos reducen la concentración de tensiones)
- Mejora la ductilidad (se ha documentado una mejora del doble en la elongación)
- Reduce la susceptibilidad al desgarro en caliente durante las operaciones posteriores de laminación o extrusión
- Permite aumentar el tamaño de los lingotes sin que se vean afectadas sus propiedades
Acabado superficial y reducción de las pérdidas en el proceso de fabricación
El tratamiento por ultrasonidos reduce los defectos superficiales (inclusiones de óxido, porosidad y picaduras) que, de otro modo, requerirían un costoso acondicionamiento de la superficie (desbarbado, limpieza química) antes de la laminación. Los estudios publicados y la física de la cavitación lo confirman:
- Reducción del óxido superficial: los microchorros inducidos por cavitación rompen las películas protectoras de óxido, lo que permite su flotación y eliminación antes de la solidificación final.
- Reducción de la tasa de desechos: menos lingotes rechazados por defectos superficiales tras la fundición
- Procesamiento posterior más rápido: menor tiempo de acondicionamiento y menor desgaste en el mecanizado debido a las capas de óxido abrasivas
Consistencia de las aleaciones y previsibilidad de las propiedades mecánicas
El efecto de flujo acústico del tratamiento ultrasónico distribuye los elementos de aleación de manera uniforme. Esto resulta especialmente valioso en:
- Distribución del refinador de grano: las aleaciones maestras tradicionales de Ti-B se sedimentan o se segregaban; la mezcla por ultrasonidos garantiza una distribución uniforme de las partículas nucleantes.
- Elementos de microaleación (Sc, Zr en aleaciones aeroespaciales): una distribución uniforme mejora el endurecimiento por precipitación en lingotes sometidos a tratamiento térmico
- Uniformidad en la geometría del lingote: tanto la periferia como el centro se solidifican con una microestructura similar, lo que permite establecer especificaciones más estrictas en cuanto a las propiedades mecánicas.
Por qué es importante: del laboratorio a la planta de producción
La transición del desgasificado rotativo o la inyección de gas al tratamiento ultrasónico no supone únicamente una mejora de la eficiencia. Representa un cambio en las limitaciones fundamentales de la colada en corriente continua:
Velocidad: los ciclos de tratamiento de 3 minutos, frente a una permanencia en el horno de más de 10 minutos, permiten alcanzar velocidades de fundición más rápidas, lo cual es fundamental en la producción a gran escala.
Calidad a gran escala: ahora es posible aplicar el tratamiento ultrasónico a lingotes de más de 400 kg —algo que históricamente se veía limitado por la interferencia de ondas estacionarias—. Los ensayos publicados lo confirman tanto a escala piloto como industrial, lo que abre nuevos segmentos de mercado para los lingotes de gran tamaño, en los que los métodos tradicionales de desgasificación no pueden garantizar propiedades uniformes.
Responsabilidad medioambiental: La eliminación del gas portador de argón/nitrógeno y la drástica reducción de las escorias se ajustan a los objetivos de sostenibilidad de la fabricación.
Facilidad de mantenimiento: los sonotrodos cerámicos fijos (sin piezas giratorias) reducen la carga de mantenimiento del equipo en comparación con los impulsores rotativos.
Fiabilidad del proceso: el control adaptativo multifrecuencia elimina el ajuste por ensayo y error que requieren los sistemas monofrecuencia.
En el caso de las operaciones de fundición destinadas a sectores exigentes —aeroespacial, automovilístico y náutico de alto rendimiento—, estas ventajas se traducen directamente en una mejora del rendimiento de la fundición, ciclos de homologación más rápidos para nuevas aleaciones y una mayor uniformidad de las propiedades mecánicas.
Prueba las cerámicas de sialón
Sialon Ceramics ofrece un sistema completo de desgasificación por ultrasonidos para operaciones de colada por corriente continua y colada continua, desde el generador adaptativo multifrecuencia NIMA hasta los sonotrodos cerámicos de alta temperatura capaces de soportar entornos de producción industrial. Sus más de 20 años de experiencia en metalurgia ultrasónica, combinados con la fabricación propia de sonotrodos cerámicos, proporcionan los conocimientos especializados integrados necesarios para llevar el tratamiento ultrasónico de las pruebas de laboratorio a la producción a gran escala.
Si utiliza equipos de fundición por corriente continua y se enfrenta a problemas de porosidad por hidrógeno, segregación en la línea central o inconsistencia en la estructura del grano, el tratamiento por ultrasonidos es una opción muy recomendable que merece la pena evaluar. Póngase en contacto directamente con Sialon Ceramics para analizar su aplicación de fundición y estudiar un sistema de tratamiento a medida que se adapte a su volumen de producción.