DISEÑO, CÁLCULO Y CONSTRUCCIÓN DE UN HORNO DE FUNDICIÓN DE ALUMINIO TIPO BASCULANTE Y SUS MOLDES FREY JONATHAN PEREZ PINO ARMANDO ENRIQUE SOTO PAYARES UNIVERSIDAD DE PAMPLONA FACULTAD DE INGENIERÍAS Y ARQUITECTURA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA PAMPLONA 2009 DISEÑO, CÁLCULO Y CONSTRUCCIÓN DE UN HORNO DE FUNDICIÓN DE ALUMINIO TIPO BASCULANTE Y SUS MOLDES ARMANDO ENRIQUE SOTO PAYARES 85102350044 [email protected] 3168051577 FREY JONATHAN PÉREZ PINO 1090376345 [email protected] 3162386803 Proyecto de grado presentado como requisito para optar al título de Ingeniero Mecánico DIRECTOR JUAN PABLO FLÓREZ M. INGENIERO MECÁNICO [email protected] 3163003739 UNIVERSIDAD DE PAMPLONA FACULTAD DE INGENIERÍAS Y ARQUITECTURA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA PAMPLONA 2009 AGRADESIMIENTOS A dios todo poderoso por darme cada día salud y sabiduría, para el desarrollo de mi estudio profesional. . A mis familiares por brindarme siempre confianza, apoyo y seguridad en las tomas de mis decisiones. A mi director, Ingeniero Juan Pablo Flórez, por su apoyo formativo para la realización de este proyecto. Al grupo de profesores de Ingeniería mecánica, por sus valiosas sugerencias y acertados aportes durante el desarrollo de este proyecto. Jonathan Pérez DEDICATORIA A mis padres Jerson Pérez, Marina Pino y mi hermana Vanessa Pérez, porque siempre estuvieron presentes en todas mis metas, apoyándome e incentivándome incondicionalmente, mentalizándome siempre en que las cosas son realizables siempre y cuando uno mismo lo quiera. A mi grupo de estudio los “Popichowers”, que siempre estuvieron en todo momento apoyándonos en los buenos y malos momentos que vivimos. A mi novia Kelly Padrón, porque siempre me ah brindado su cariño, compresión y constante estimulo. Jonathan Pérez AGRADESIMIENTOS Agradezco enfáticamente al departamento de física y geología, por brindarme la oportunidad de laborar en sus instalaciones, para de alguna forma subsidiar económicamente, un proyecto que no fue de ninguna forma respaldado por el departamento de ingeniería mecánica. A mi tutor el Ingeniero Juan Pablo Flórez, y a los suyos por su incesante ayuda a la hora de realizar esta labor. A Jonathan Pérez Pino, Eder José Pérez Correa, Cristian Sebastián Cárdenas, Oscar Moreno Butrón, responsables de que este grupo tuviese una buena trayectoria. A esa persona que no sabe cuánto influyo, en mis decisiones futuras. Armando Soto DEDICATORIA Primeramente a Dios que me dio, la madures y capacidad necesaria para afrontar un compromiso de los que muchos no me creyeron capaz. A mis padres por ser siempre los pilares de mi fortaleza, a la hora de flaquear en tan difícil camino. A mis hermanos por creer en mí, y por recalcarme enfáticamente, que no estaba solo. A todos lo que reconocen el trabajo de fundición, como una tarea necesaria para realizar sus vidas. A mi grupo de trabajo, por que sin ellos seguramente, este trayecto hubiese tomado más tiempo, y fue de especial agrado su compañía como amigos y como profesionales en formación, para lograr los objetivos alcanzados el día de hoy. Armando Soto TABLA DE CONTENIDO Pág. 1. DESCRIPCIÓN DE LA PROPUESTA............................................................. 12 1.1. Resumen de la propuesta .................................................................................... 12 1.2. Planteamiento del Problema ............................................................................... 12 1.3. OBJETIVOS ............................................................................................................ 13 1.3.1. Objetivo General .............................................................................................. 13 1.3.2. Objetivos Específicos ..................................................................................... 13 2. HORNOS ........................................................................................................ 14 2.1. GENERALIDADES ................................................................................................ 14 Las partes constitutivas de un horno ......................................................................... 14 2.2. CLASIFICACIÓN.................................................................................................... 14 2.2.1. De acuerdo con su temperatura de trabajo. .............................................. 14 2.2.2. De acuerdo con su uso .................................................................................. 14 2.2.3. De acuerdo con su forma de operación ..................................................... 15 2.2.4. De acuerdo con su forma de calentar ......................................................... 15 2.2.5. De acuerdo con su fuente de energía......................................................... 15 2.3. MÉTODOS DE CALENTAMIENTO EN HORNOS......................................... 15 2.4. TIPOS DE HORNOS............................................................................................. 16 2.4.1. Hornos rotatorios ............................................................................................. 16 2.4.2. Hornos de cuba ................................................................................................ 17 2.4.3. Hornos de Reverbero ..................................................................................... 18 2.4.4. Hornos de túnel ................................................................................................ 19 2.4.4.1. El túnel se divide principalmente en 3 zonas .................................... 19 2.4.5. Hornos de fundición ........................................................................................ 20 2.4.6. Horno de hogar abierto o crisol .................................................................... 20 2.4.6.1. Tipos de horno de crisol ......................................................................... 21 2.4.6.1.1. Hornos pozo ....................................................................................... 21 2.4.6.1.2. Hornos Bale-out (de espera) .......................................................... 21 2.4.6.1.3. Hornos Basculantes ......................................................................... 22 2.4.6.1.4. Horno de crisol inmerso .................................................................. 22 2.4.6.1.5. Horno rotativo de crisol.................................................................... 22 2.4.6.2. Formas de calentamiento en los hornos de crisol. ........................... 23 2.4.6.3. Medición de la temperatura ................................................................... 24 2.4.6.4. Medición de la temperatura por el color ............................................. 25 2.4.7. Horno de oxigeno básico ............................................................................... 25 2.4.8. Hornos eléctricos ............................................................................................. 25 3. MOLDES......................................................................................................... 26 3.1. MOLDEO MANUAL EN ARENA......................................................................... 27 3.1.1. Materiales empleados para la fabricación de modelos ........................... 27 3.1.2. Proceso .............................................................................................................. 28 3.1.3. Cajas de moldear ............................................................................................. 29 3.1.4. Proceso de trabajo .......................................................................................... 30 3.1.4.1. Caso 1, moldeo de una pieza simple en molde abierto .................. 30 3.1.4.2. Caso 2, moldeo de una pieza con hueco ........................................... 31 3.1.4.3. Caso 3, objeto que necesita más de dos cajas ................................ 32 3.1.4.4. Caso 4, pieza de revolución .................................................................. 33 3.1.4.4.1. Moldeo de una campana................................................................. 33 3.2 CALIDAD DE LA FUNDICIÓN ............................................................................ 36 3.2.1. Defectos de la fundición ................................................................................. 36 3.2.1.1. Métodos de inspección ........................................................................... 39 3.2.2. Metales para fundición ................................................................................... 39 3.2.3. Consideraciones para el diseño de productos .......................................... 42 4. ARENAS ......................................................................................................... 45 4.1. GENERALIDADES DE LA ARENA ................................................................... 45 4.2. PRUEBAS Y CONTROL ...................................................................................... 45 4.3. COMPOSICIÓN DE LA ARENA ......................................................................... 46 4.4. ARCILLAS ............................................................................................................... 47 4.4.1. Carbones ........................................................................................................... 48 4.4.2. Molienda ............................................................................................................ 49 4.4.3. Manteniendo el Sistema................................................................................. 50 5. REFRACTARIOS ............................................................................................ 53 5.1. GENERALIDADES DE LOS MATERIALES REFRACTARIOS .................. 53 5.2. CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES REFRACTARIOS ...................... 53 5.2.1. Refractarios ácidos .......................................................................................... 53 5.2.2. Refractarios básicos........................................................................................ 53 5.2.3. Refractarios neutros ........................................................................................ 54 5.2.4. Refractarios especiales .................................................................................. 54 5.3. DEFINICIÓN Y CONSTITUCIÓN DE LOS MATERIALES REFRACTARIOS ............................................................................................................... 57 5.4. TIPOS DE MATERIALES REFRACTARIOS ................................................... 59 5.4.1 Refractario de arcilla calcinada. ................................................................... 59 5.4.2 Refractario de Sílice. ....................................................................................... 59 5.4.3 Refractarios Aislantes..................................................................................... 59 5.4.4 Refractarios de Tipos especiales. ................................................................ 59 5.4.5 Especialidades refractarias. .......................................................................... 59 5.4.6 Concretos refractarios. ................................................................................... 59 5.4.7 Morteros refractarios....................................................................................... 59 6. DISEÑO Y CÁLCULO DEL HORNO BASCULANTE ...................................... 60 6.1. SELECCIÓN DEL CRISOL.................................................................................. 60 6.1.1. Posición del crisol en el horno ...................................................................... 61 6.1.2. Arranque del crisol o prendida del horno ................................................... 61 6.2. SELECCIÓN DEL MATERIAL REFRACTARIO ............................................. 61 6.3. CALCULO DEL TAMAÑO DE LA CÁMARA DE COMBUSTIÓN ............... 62 6.4. CALCULO DEL TAMAÑO DE LA CHAPA DE ACERO ................................ 62 6.5. CALCULO DEL CENTRO DE MASA ................................................................ 63 6.6. CÁLCULO Y DISEÑO DEL EJE ......................................................................... 65 6.7. CÁLCULO Y SELECCIÓN DEL RODAMIENTO ............................................ 68 6.7.1. Selección del rodamiento............................................................................... 68 6.7.2. Carga estática equivalente ............................................................................ 68 6.7.3. Capacidad de carga estática necesaria ..................................................... 69 6.8. CALCULO DE LA COMBUSTIÓN ..................................................................... 69 6.9. CALCULO DE TRANSFERENCIA..................................................................... 72 6.9.1. Calentamiento y vaciado................................................................................ 72 6.9.2. Calentamiento del metal ................................................................................ 72 6.9.3. Masa combustible necesaria ........................................................................ 73 7. ENCENDIDO Y PUESTA EN MARCHA DEL EQUIPO .................................. 80 8. GUIA PARA LABORATORIO DE FUNDICIÓN............................................... 86 9. GASTOS DEL PROYECTO ............................................................................ 89 10. CONCLUSIÓN ................................................................................................ 90 11. RECOMENDACIONES ................................................................................... 91 LISTA DE FIGURAS Pág. Figura 1. Tipos de calentamiento en hornos .................................................................... 16 Figura 2. Horno rotatorio con enfriador ............................................................................. 17 Figura 3. Horno de cuba – Alto horno................................................................................ 18 Figura 4. Horno de reverbero – Matin-Siemens .............................................................. 19 Figura 5. Horno túnel ............................................................................................................. 20 Figura 6. Horno de Crisol para metales no ferrosos ...................................................... 21 Figura 7. Herramientas para modelado en arena. .......................................................... 28 Figura 8. Cajones para el moldeo. ..................................................................................... 29 Figura 9. Moldeo de una pieza abierto. ............................................................................. 30 Figura 10. Procedimiento de moldeo de una pieza con hueco.................................... 31 Figura 11. Moldeado de una pieza con más de dos cajas. .......................................... 33 Figura 12. Moldeado de una pieza de campana. ............................................................ 34 Figura 13. Llenado del molde. ............................................................................................. 35 Figura 14. Algunos defectos comunes en las fundiciones ............................................ 37 Figura 15. Defectos comunes de fundiciones en arena. ............................................... 38 Figura 16. Expone el problema y ofrece algunas soluciones posibles. ..................... 42 Figura 17. Cambio de diseño para eliminar la necesidad de usar un corazón ........ 43 Figura 18. Horno ..................................................................................................................... 64 Figura 19. Ilustración de un eje ........................................................................................... 65 Figura 20. Capas de material. ............................................................................................. 75 Figura 21. Perdida de calor en paredes planas............................................................... 76 Figura 22. Resistencias térmicas ........................................................................................ 77 Figura 23. Perdida de calor en una pared plana ............................................................. 78 Figura 24. Cubrimiento de arcilla a las paredes del horno. .......................................... 80 Figura 25. Posicionando el crisol en la cámara de combustión .................................. 81 Figura 26. Alineación del canal de vaciado y ajustando el crisol con ladrillos tipo cuña. .......................................................................................................................................... 81 Figura 27. Altura con respecto al quemador .................................................................... 82 Figura 28. Encendido del ventilador centrifugo. .............................................................. 83 Figura 29. Encendido con gas............................................................................................. 83 Figura 30. Tapa superior y la entrada auxiliar implantada............................................ 84 Figura 31. Material fundiéndose. ........................................................................................ 84 Figura 32. Vaciado del aluminio. ......................................................................................... 85 Figura 33. Proceso de modelado........................................................................................ 86 LISTA DE TABLAS Pág. Tabla 1. Principales tipos de combustible que pueden ser usados en la operación de los hornos de crisol. .......................................................................................... 23 Tabla 2. Variación del calor con la temperatura. .................................................... 25 Tabla 3. Componentes de las arenas de moldeo................................................... 28 Tabla 4. Tolerancias dimensiónales típicas y acabados superficiales para diferentes procesos de fundición y metales. .......................................................... 44 Tabla 5. Refractarios empleados en procesos industriales a alta temperatura. ..... 55 Tabla 6. Condiciones que deben soportar los materiales refractarios ................... 58 1. DESCRIPCIÓN DE LA PROPUESTA 1.1. Resumen de la propuesta El objetivo de este trabajo tipo tesis de grado, es suministrar a la Universidad de Pamplona las herramientas necesarias para seguir la política de educación con calidad e impacto social, mediante la formación de recintos equipados, donde se corroboren los procesos de manufactura que imperan en el medio. 1.2. Planteamiento del Problema El conocimiento de los fundamentos de manufactura moderna, se convierten en una herramienta indispensable en la formación profesional para cualquier estudiante de ingeniería, los institutos de educación superior prestan especial atención al conocimiento en procesos de moldeo y fundición, procesos de remoción de material, procesos de deformación de metal, proceso de unión y procesos de acabado. Como se describió anteriormente el conocimiento en el proceso básico de manufactura y fundición, es necesario en el ciclo de formación profesional en ingeniería y de allí la importancia del montaje e implementación del laboratorio de fundición. Es necesario la apropiación de los equipos básicos para la operación de, hornos, moldes, tamices, arenas, apisonador, espátulas, agujas, entre otros. El diseño, cálculo y construcción de un horno de fundición tipo basculante para el laboratorio de la Universidad de Pamplona hace parte de la creación de espacios teórico práctico, que contribuyen a la formación técnica que requiere un profesional en el área de ingeniería. 1.3. OBJETIVOS 1.3.1. Objetivo General Construir un horno de fundición de aluminio tipo basculante y sus moldes. 1.3.2. Objetivos Específicos Establecer los parámetros de diseño para el horno de fundición de aluminio. Calcular los elementos y mecanismos que conforman el horno de fundición. Realizar el manual de funcionamiento para el horno de fundición de aluminio. Elaborar la guía para la práctica de laboratorio. 2. HORNOS [1], [2] 2.1. GENERALIDADES Un horno es un dispositivo en el que se libera calor y se transmite directa o indirectamente a una masa sólida o fluida con el fin de producir en ella una transformación física o química. Las partes constitutivas de un horno Elemento generador Sistema de alimentación de material Cámara principal Aislantes térmicos Sistemas de medición y control Redes de suministro de combustible o cableado de potencia (según el tipo de combustible) Ventiladores y sistemas de evacuación de gases (hornos con combustión) Redes eléctricas Recubrimiento externo La energía calorífica requerida para el calentamiento de los hornos puede proceder de: Gases calientes producidos en la combustión de combustibles sólidos, líquidos o gaseosos que calientan las piezas por contacto directo entre ambos o indirectamente a través de tubos radiantes o intercambiadores en general. 2.2. CLASIFICACIÓN La clasificación de los hornos es difícil de establecer, por ello se dice que existe casi un tipo de horno específico para cada aplicación. Por lo tanto, normalmente se clasifican desde ciertos puntos de vista: 2.2.1. De acuerdo con su temperatura de trabajo. Hornos: Temperaturas de trabajo superiores a 550 °C. Estufas: Temperaturas de trabajo inferiores a 550 °C. 2.2.2. De acuerdo con su uso Hornos de cemento Hornos de cal Hornos de coque Hornos cerámicos Hornos incineradores Alto Horno, etc. 2.2.3. De acuerdo con su forma de operación Continuos Discontinuos Periódicos 2.2.4. De acuerdo con su forma de calentar Directos Indirectos 2.2.5. De acuerdo con su fuente de energía Combustibles: sólidos, líquidos o gaseosos y mixtos. Energía eléctrica. Mixtas. 2.3. MÉTODOS DE CALENTAMIENTO EN HORNOS Dentro de los métodos de calentamiento con combustibles se encuentran, (Ver Figura 1). Directo: La llama y los gases entran en contacto con la carga. Indirecto: Sólo los gases entran en contacto con la carga. Muflas: Se calienta una recámara que tiene en su interior la carga, por lo que los gases nunca tocan la carga. Especial para cargas que reaccionan o se contaminan con los gases de combustión. Tubos de Radiantes: este sistema gasta más combustible para obtener el mismo calentamiento. La llama se encausa por un tubo que alcanza una alta temperatura. Luego el calentamiento se realiza principalmente por radiación del tubo a la carga. Figura 1. Tipos de calentamiento en hornos Recirculación: La combustión se realiza en una cámara aparte del horno. Luego mediante un ventilador se introducen los gases el horno y se hacen pasar varias veces por la carga hasta que pierdan la mayor cantidad de energía posible para luego ser evacuados. A gran velocidad: Una gran cantidad de quemadores rodea la carga, produciendo llamas directas sobre ella con el fin de alcanzar un alto gradiente de temperaturas entre la carga y sus alrededores. 2.4. TIPOS DE HORNOS [2]. 2.4.1. Hornos rotatorios Los hornos rotatorios (Ver Figura 2), constan de un cilindro largo de acero que gira alrededor de su eje. En el caso de trabajo a altas temperaturas hay que recubrir el cilindro con ladrillo refractario en su interior. Ya sea para aislarlo del exterior o para proteger el acero. Figura 2. Horno rotatorio con enfriador 2.4.2. Hornos de cuba Posee una cámara vertical llamada cuba, la cual puede ser cilíndrica o cónica. En su interior puede estar cubierta por un refractario según la temperatura de trabajo. La carga se alimenta por la parte superior llamada tragante. El producto se evacua por la parte inferior. Los gases que calientan, la carga entra a la cuba por la parte inferior y se encuentran con la carga en contracorriente. Dentro de los hornos de cuba se encuentran los horno para cal, alto horno para obtener arrabio (hierro de primera fundición), hornos de guijas para calentar aire, hidrógeno, metano, vapor de agua, o en algunos casos como recuperador de calor y el Thermofor que se usa para pirolizar (crakear) petróleo y producir oleofinas, gasolinas y aromáticos. (figura3). Figura 3. Horno de cuba – Alto horno Ref. (Curso de hornos Universidad Pontificia Bolivariana) 2.4.3. Hornos de Reverbero Es un horno cuyo hogar está separado del material que debe tratar, y en el que los gases de combustión están en contacto con el material. El objetivo de estos hornos es fundir. Consta básicamente de un recipiente refractario de forma rectangular o elíptica poco profundo (aprox. 40cm) llamado solera. Por lo general los hornos de este tipo constan de regeneradores de ladrillo a cada extremo y a un nivel más bajo que el horno, los cuales son usados para precalentar el aire. (Ver Figura 4). Figura 4. Horno de reverbero – Matin-Siemens Ref. (Curso de hornos Universidad Pontificia Bolivariana) 2.4.4. Hornos de túnel Como su nombre los dice, consta de un túnel que puede ser recto o circular, y por el interior del cual se mueve la carga de un extremo a otro. Para darle movimiento a la carga se utiliza una vagoneta movida sobre rieles o una banda de tela metálica. (Ver Figura 5). 2.4.4.1. El túnel se divide principalmente en 3 zonas Zona de precalentamiento Zona de combustión o de cochura Zona de enfriamiento Figura 5. Horno túnel Los hornos túnel son usados en la industria cerámica, ladrillera y de alimentos entre otros. 2.4.5. Hornos de fundición Cualquier proceso de producción de acero a partir del Arrabio consiste en quemar el exceso de carbono y otras impurezas presentes en el hierro. Una dificultad para la fabricación del acero es su elevado punto de fusión, 1.400ºC aproximadamente, que impide utilizar combustibles y hornos convencionales. Para superar esta dificultad, se han desarrollado 3 importantes tipos de hornos para el refinamiento del Acero, en cada uno de estos procesos el oxígeno se combina con las impurezas y el carbono en el metal fundido. Cada uno de los tres tipos de hornos, crisol, oxígeno básico y eléctrico, requieren diferentes fuentes de energía y de materias primas. La clase de instalación se escoge, por tanto, por razones económicas, la disponibilidad de materias primas o fuentes energéticas. 2.4.6. Horno de hogar abierto o crisol El horno de hogar abierto semeja un horno enorme, y se le denomina de esta manera porque contiene en el hogar (fondo) una especie de piscina larga y poco profunda (6m de ancho, por 15 m de largo, por 1 m de profundidad, aproximadamente). (Ver Figura 6). Figura 6. Horno de Crisol para metales no ferrosos Ref. (Curso de hornos Universidad Pontificia Bolivariana) 2.4.6.1. Tipos de horno de crisol [2] 2.4.6.1.1. Hornos pozo El crisol es removido del horno y llevado hasta los moldes para vaciar el metal. Este horno se puede construir sobre o bajo el nivel del suelo. En ambos casos el horno es fijo. Existen en una variedad de tamaño para acomodar crisoles desde 15 a 150 kg de capacidad de latón. Son extremadamente flexibles, tanto en relación a las aleaciones como a las cantidades. Se pueden usar crisoles distintos para diferentes aleaciones y, hasta cierto punto, crisoles de distinto tamaño en un mismo horno. 2.4.6.1.2. Hornos Bale-out (de espera) El metal es retirado del crisol con cucharas y transferido a los moldes. Se utilizan, principalmente, para fundición bajo presión, donde se necesitan pequeñas cantidades a intervalos frecuentes. Capacidades típicas en el rango de 50 kg a 500 kg de aluminio y 110 kg a 330 kg de latón. Rendimiento máximo: 240 kg de aluminio por hora. 2.4.6.1.3. Hornos Basculantes Son hornos movibles apoyados sobre un sistema de sustentación. Usualmente se les utiliza cuando es necesaria una producción relativamente grande de una aleación determinada. El metal es transferido a los moldes en una cuchara o un crisol precalentado, con la excepción de casos especiales en que es vaciado directamente. El tipo original de horno basculante, con capacidades de 70 kg a 750 kg de latón, bascula en torno a un eje central. Su desventaja es que el punto de descarga acompaña el movimiento basculante. Para superar este inconveniente se desarrolló un horno basculante de eje en la piquera, con capacidad de 200 kg a 750 kg de latón, y el modelo moderno es basculado por pistones hidráulicos, otorgando la ventaja de un mayor control en la operación de vaciado. 2.4.6.1.4. Horno de crisol inmerso Es el inverso del horno normal de crisol, en el sentido de que la llama quema dentro del crisol que está inmerso en el baño de aleación de zinc o aluminio, el cual se encuentra en un recipiente refractario. Estos hornos son fabricados con capacidad de fusión de 300 kg a 1000 kg de aluminio por hora. Sus ventajas principales respecto de hornos de llama abierta son una mayor eficiencia, que alcanza a un 40%, y pérdidas de metal de tan sólo un 1 ó 2%, otorgando una considerable economía financiera. 2.4.6.1.5. Horno rotativo de crisol Se utilizan para la recuperación de viruta, escoria y otros tipos de chatarra menuda. El horno contiene un crisol con forma de garrafa, con capacidad de 300 kg de limadura de latón y trabaja a un ángulo aproximado de 50º con respecto a la vertical. El cuerpo del horno y el crisol giran constantemente durante la fusión, trayendo el metal para el lado caliente del crisol y tirando la limadura no fundida hacia adentro y abajo del metal ya fundido. De esta forma, la rotación proporciona una fusión más rápida y también evita la adhesión de la carga a las paredes del crisol, como ocurre frecuentemente con los hornos convencionales. El formato del crisol, y especialmente el cuello estrecho, junto con las condiciones neutras o reductoras dentro del crisol, virtualmente eliminan las pérdidas por oxidación de las cargas y aseguran una alta recuperación de metal (un porcentaje típico es la recuperación de un 94% del metal de limadura de latón 60/40, conteniendo 3% de aceite). La selección del tipo y tamaño de horno dependerá de la aplicación (por ej. si es para fusión o mantención), del número de aleaciones, la producción diaria de cada aleación, la mayor pieza a ser fundida, la continuidad de alimentación de metal, el tipo de combustible. 2.4.6.2. Formas de calentamiento en los hornos de crisol [2]. En relación a la forma de energía utilizada, los hornos de crisol pueden ser operados básicamente a través de energía eléctrica o de combustibles. En relación a la energía eléctrica, los hornos más comunes son de resistencia y de inducción. En cuanto a los combustibles, se puede utilizar una serie de formas diferentes (Tabla 1). Cada forma de energía, sea eléctrica o en forma de combustible, posee sus ventajas y desventajas que deben ser aprovechadas o evitadas de acuerdo con las condiciones de producción exigidas, o en función de la política de abastecimiento adoptada por la empresa. Tabla 1. Principales tipos de combustible que pueden ser usados en la operación de los hornos de crisol. Combustible Sólido Líquido Gaseoso Tipo Leña Carbón mineral Coque de fundición Coque de petróleo Carbón vegetal Gasolina Petróleo diesel Alcohol etílico Querosene Petróleo - Fuel-Oil - OC4 Gas licuado Gas de coque Gas natural Metano Poder Calorífico (Kcal/Kg) 3800 4000 a 6000 6200 a 7500 8000 6500 a 7000 10200 11000 Kcal/litro 7300 11600 9820 10000 10900 4500 10000 8500 En la práctica, los combustibles más utilizados son petróleo y gas. El petróleo no combustiona en su estado líquido original; la manera de alcanzar una gasificación rápida consiste en proyectarlo finamente subdividido hacia el interior de la cámara de combustión. El elemento mecánico que realiza tal operación es el quemador. Los quemadores de petróleo deben cumplir los siguientes objetivos: Pulverizar el petróleo en gotitas cuyos diámetros varían desde unos 30 a 150 micrones (1 micrón = 0,001 mm). Mezclar el petróleo, ya en estado nebuloso o de vapor, con el aire. Mantener la proporción entre el aire y el petróleo. El gas combustible propicia las mejores condiciones de servicio, después de la energía eléctrica, en lo que toca a la limpieza de las instalaciones; entretanto, tiene como desventaja el peligro de explosión y el costo relativamente alto. 2.4.6.3. Medición de la temperatura La exactitud con que midan y controlen las temperaturas determinará el éxito de la operación de algunos procesos metalúrgicos, como la fundición, la refinación y el tratamiento térmico. También tendrá un profundo efecto sobre las propiedades de resistencia de muchos metales y aleaciones. La temperatura de proceso debería controlarse dentro de ±2,5 °C. Aunque a veces es posible este apretado rango, uno más práctico es de unos ±5 °C. Se deben ejecutar tres pasos en todo proceso de control de temperatura. Antes de poder establecer control, primero se debe "sentir" (detectar) la variable mediante algún mecanismo que responda a cambios en la calidad o valor de la variable. Luego, esta cantidad, o su cambio, deben ser indicados o registrada, previo a ser controlada. Siguiendo la acción de control, el último paso en la secuencia es la transmisión de la salida del controlador al "elemento final", el cual es un componente del proceso en sí. Los elementos finales envían por medio de un relé la salida del controlador y causan cambios correctivos en el proceso. Sensores de Temperatura. Como es a menudo el caso, una variable es medida y luego traducida, o convertida, a otra. Por ejemplo, las temperaturas ambientales se miden por la expansión o contracción de una columna de fluido o de un metal. Mediante calibración, estas variables se convierten a lecturas de temperatura numérica. Estos simples mecanismos, sin embargo, no se adecuan a temperaturas más elevadas. Los sensores utilizados para medir altas temperaturas son los termopares y los pirómetros. Como sea, ambos utilizan el mismo enfoque anterior; esto es, se mide una variable y se la convierte a otra. 2.4.6.4. Medición de la temperatura por el color Uno de los métodos más sencillos para exterminar la temperatura de un metal es mediante la observación del color del cuerpo caliente. Existe una correlación trivial entre la temperatura de un metal y su color (Tabla 2). Este método dará sólo estimaciones de temperatura aproximadas, excepto cuando lo aplique un observador experimentado. La principal dificultad es que la apreciación del color varíe con los diferentes materiales. Tabla 2. Variación del calor con la temperatura. COLOR Rojo tenue Rojo oscuro Cereza oscuro Rojo cereza Cereza subido Naranja oscuro Naranja Amarillo TEMP., º C 500 620 650 700 800 900 950 980 Si se necesita una indicación o un registro continuo de la temperatura, los instrumentos que se utilicen pueden ser de dos tipos: a) los sistemas mecánicos que funcionan esencialmente por efecto de la expansión de un metal, un líquido, un gas o vapor, y b) los sistemas eléctricos que funcionan por medio de la resistencia eléctrica medida, un termopar, la radiación o pirómetros ópticos. 2.4.7. Horno de oxigeno básico Es un horno en forma de pera que puede producir una cantidad aproximadamente de 300 toneladas de acero en alrededor de 45 minutos. 2.4.8. Hornos eléctricos La idea de la construcción de hornos eléctricos comenzó a tomar forma a mitad del siglo XVIII. Su utilización efectiva a escala industrial se inició solamente después de 1900, obteniéndose su máxima aceptación después de la 2ª Guerra Mundial, cuando la energía eléctrica comenzó a disminuir de precio tornándose competitiva con los combustibles tradicionales. 3. MOLDES [3], [4] El proceso de moldeo es un procedimiento de fabricación de objetos metálicos basado en verter el metal fundido en la cavidad de un molde, para obtener tras la solidificación y enfriamiento una pieza que es reproducción de la cavidad del molde. Características: Puede utilizarse tanto para formas simples como complejas Reduce o elimina los costes de otros procesos de fabricación, como el mecanizado, deformación plástica. Rentable para bajos volúmenes de producción Pueden utilizarse un gran número de aleaciones Reducido número de desperdicios generados en el proceso, que en cualquier caso se vuelven a fundir. El moldeo es una técnica que consiste en calentar el material hasta su punto de fusión y, en ese momento, verterlo en un molde con la forma de la pieza que se pretende obtener. El moldeo de piezas metálicas, aunque varía según el proceso, debe seguir unas etapas determinadas, que se recogen en el siguiente diagrama de bloques: Diagrama, de diseño de moldeos. Una vez que se ha realizado el diseño de la pieza que se desea fabricar, es necesario construir un modelo. Generalmente se elaboran en madera o yeso, de forma totalmente artesanal. A partir del modelo se construye el molde, que puede ser de arena o en coquilla; si la pieza es hueca es preciso fabricar también los machos o noyos, que son unas piezas que recubren los huecos interiores. En todos estos pasos se debe tener en cuenta el material elegido para la fabricación de la pieza. El proceso de llenado del molde se conoce como colada. El desmolde consiste en extraer la pieza del molde una vez solidificada. En muchos casos, y fundamentalmente cuando se requiere precisión, deben realizarse tratamientos de acabado sobre las piezas obtenidas. Los materiales con los que se construyen las piezas suelen ser metales y aleaciones, y deben poseer las siguientes características: Punto de fusión bajo (para ahorrar combustible). Baja tensión superficial (para reproducir fielmente el molde). Bajo coeficiente de dilatación en estado líquido (para que la contracción del metal sea pequeña). Bajo coeficiente de dilatación en estado sólido (para disminuir el peligro de formación de grietas durante el enfriamiento). Aptitud para el llenado del molde. 3.1. MOLDEO MANUAL EN ARENA Los moldes se fabrican con arenas compuestas fundamentalmente de sílice (Si02), cuyos granos se aglomeran con cierta cantidad de agua y arcilla. 3.1.1. Materiales empleados para la fabricación de modelos Los modelos se pueden realizar con una gran variedad de materiales, como madera, yeso, fundición de hierro, latón, aleaciones de aluminio y, modernamente, resinas plásticas. El material más utilizado es la madera, ya que es fácil de trabajar, relativamente barata y de poco peso. El problema que presenta es su escasa resistencia a la humedad, que se puede paliar pintando los moldes. De todas formas, es probable que la madera se utilice siempre para la construcción de piezas aisladas o de pequeñas series. (Ver Figura 7). Figura 7. Herramientas para modelado en arena. 3.1.2. Proceso Como en la arena existe una cierta proporción de agua, puede emplearse de las siguientes maneras: Húmeda: Esta técnica se conoce como moldeo en verde. Secada en la estufa, de esta forma, aumenta su cohesión. Flameada: sometida, simplemente, a un secado superficial. La arena que se debe emplear para la elaboración de moldes y machos siempre ha de poseer las siguientes propiedades: (Ver Tabla 3). Plasticidad en estado húmedo, para que pueda reproducir los detalles de los modelos. Permeabilidad, para permitir el paso a través de ella del aire y de los gases que se producen durante la colada. Refractariedad, manifestada en un punto de fusión lo suficientemente alto para resistir sin fundirse ni reblandecerse- las altas temperaturas de la colada. Cohesión, para que el molde y el macho conserven su forma al retirar el modelo. Conductividad calorífica adecuada, para que el metal o la aleación se enfríe en el molde a la velocidad deseada. Deformabilidad suficiente, que permita la contracción de la pieza al enfriarse. Tener un precio aceptable. Tabla 3. Componentes de las arenas de moldeo. Componente Proporción Sílice 75% Arcilla 20% Agua 5% 3.1.3. Cajas de moldear Son marcos (de madera, aluminio, fundición o acero) de forma y dimensiones muy variadas, destinadas a contener la arena del molde. Constan de una parte superior y de otra inferior o de fondo, provistas de espigas o clavijas y de orejas, en correspondencia, para fijar su posición durante el moldeo. Si hay más de dos, a las otras se les llama intermedias o aros. Las paredes de las cajas grandes llevan una serie de agujeros o ranuras dispuestos a tresbolillo, que facilitan la salida de los gases del molde y las aligeran de peso. (Ver Figura 8) Figura 8. Cajones para el moldeo. Las cajas utilizadas para la puesta en marcha del horno, tienen las siguientes dimensiones: Ancho: 30cm Largo: 40cm Alto: 10cm 3.1.4. Proceso de trabajo El proceso del moldeo en arena se realiza de diferentes formas, en función de la forma de la pieza a fabricar: 3.1.4.1. Caso 1, moldeo de una pieza simple en molde abierto Fases: 1. Sobre una tabla de moldeo; se coloca el modelo, por la mayor de sus caras. 2. Se coloca sobre la tabla, alrededor del modelo una caja de moldeo de tamaña adecuado. 3. Se espolvorea el modelo con talco u otra sustancia en polvo que facilite su extracción posterior. 4. Se rellena con arena y a continuación se apisona fuertemente, para evitar que se desmorone en el momento de la extracción del modelo. 5. Se le da la vuelta a la caja, se retira la tabla de moldear y a continuación se extrae el modelo. 6. Se retoca el molde de los posibles desperfectos y se espolvorea con negro de humo. 7. Se cuela el metal líquido. 8. Una vez el metal frío, se rompe el molde y se extrae la pieza. Se trata de un proceso económico, ya que la arena puede ser reutilizada, y apropiado para todo tipo de metales, sea cual sea su temperatura de fusión. Sin embargo, presenta el inconveniente de que el molde se destruye en el proceso de desmoldeo y es necesario construir uno para cada pieza. (Ver Figura 9). Figura 9. Moldeo de una pieza abierto. 3.1.4.2. Caso 2, moldeo de una pieza con hueco Según el plano de la pieza, se construye el modelo en dos mitades y la caja de machos. Las operaciones de moldeo en este caso son: (Ver Figura 10). 1) Se divide el modelo por la mitad, y una de las partes se coloca sobre una tabla de moldeo; se espolvorea con talco o similar y sobre esta parte se adapta una caja, se rellena con arena y a continuación se apisona fuertemente, para evitar que se desmorone en el momento de la extracción del modelo. Se tapa herméticamente y se le da la vuelta. 2) Se repite el proceso con la otra mitad del modelo, incorporando en este caso el bebedero, la mazarota y el canal de colada. Bebedero. Es un conducto en forma de embudo por donde se vierte el material fundido con objeto de rellenar el molde. Mazarota. Es una especie de embudo de pequeñas dimensiones, que se encuentra en comunicación con el molde y que tiene como objeto asegurar su completo llenado y permitir la evacuación de gases de su interior. Canal de colada. Sirve para conducir el metal fundido desde el bebedero hasta el molde (el vertido no se puede realizar directamente en el molde, pues éste podría sufrir alteraciones que producirían piezas defectuosas). 3) Se abre el molde y se extrae el modelo de su interior, cerrándolo de nuevo. 4) Fabricación del macho o noyo. Figura 10. Procedimiento de moldeo de una pieza con hueco 1. Unir las dos mitades de la caja de machos, introduciendo las clavijas en sus orificios y sujetarlas fuertemente. 2. Introducir la arena para machos en el hueco y apretarla. 3. Pinchar con una aguja larga para hacer el conducto de evacuación de gases. 4. Dejar endurecer la arena en la caja hasta que adquiera cierta consistencia y extraer el macho. 5. Pintarlo con negro e introducirlo en una estufa de secado a la temperatura conveniente para su completo endurecimiento. Una vez secado el molde y el macho se procede a preparar las cajas para la co1ada. Con este fin se coloca el macho en la caja inferior del molde apoyándolo en sus portadas. 6. Con objeto de facilitar la salida de gases, se hacen unos agujeros en la arena, con unas agujas, proceso llamado pinchar vientos. 7. Se vierte el metal fundido hasta rellenar el hueco originado por el modelo, dejando transcurrir el tiempo necesario para que el metal solidifique. A continuación, se rompe el molde y se elimina la arena que haya quedado adherida a la pieza, incluido el macho. 3.1.4.3. Caso 3, objeto que necesita más de dos cajas EI modelo está formado por dos partes ensambladas por clavijas y orificios. En este caso no se puede obtener el molde en dos cajas, pues sería imposible desalojar el modelo, a menos que se divida en partes, y aún así existiría el peligro de desmoronamiento y la imposibilidad de repararlo. Las operaciones para la obtención del molde son: (Ver Figura 11). 1) Obtención del hueco del molde en la caja interior. 1. Colocar sobre un lecho de arena, en una falsa caja, la mitad del modelo con orificio. 2. Colocar sobre la falsa caja la caja inferior de moldeo, con las orejas hacia abajo. 3. Se rellena con arena y a continuación se apisona fuertemente, para evitar que se desmorone en el momento de la extracción del modelo y se le da la vuelta al conjunto. 4. Se retira la falsa caja. 2) Obtención de la segunda caja (intermedia). 1. Colocar la otra mitad del modelo de forma que las clavijas se introduzcan en sus orificios. 2. Colocar el aro de forma que sus espigas se introduzcan en los orificios de las orejas. 3. Atacar la arena hasta la superficie superior del modelo. Figura 11. Moldeado de una pieza con más de dos cajas. 3) Obtención del hueco del molde en la caja superior. 1. Fabricación del macho o noyo. 4) Retirar el modelo. 1. 2. 3. 4. Levantar la caja superior. Retirar la parte superior del modelo. Levantar el aro. Retirar la parte inferior del modelo. 3.1.4.4. Caso 4, pieza de revolución También llamado moldeo con calibre o a la terraja. Permite moldear piezas que se engendran por rotación o traslación, sin el empleo de modelos. Solamente es económico para obtener un número reducido de piezas (2 ó 3); pero si es elevado resulta más económico el moldeo con modelo, que no exige personal tan especializado. 3.1.4.4.1. Moldeo de una campana Los elementos que se precisan para moldear piezas de revolución son: Terraja, plantilla o calibre.-Tabla de madera dura, con perfil biselado, que reproduce la generatriz de la superficie exterior o interior de la pieza. Brazo portarreja, gramil o bandera.-Donde se sujeta la terraja y puede deslizar y girar alrededor del árbol del calibre. Este último tiene que estar bien centrado y ha de tener suficiente resistencia para no doblarse con el peso del brazo y terraja. Las operaciones de moldeo son: (Ver Figura 12). 1) Obtención de las terrajas. Conocido el perfil de la pieza, se construyen las terrajas capaces de reproducir el perfil exterior e interior. 2) Colocar la terraja en posición de trabajo. Fases: 1. Hacer un hoyo en el suelo del taller. 2. Colocar en su posición el soporte o quicio del árbol de la terraja. 3. Colocar el árbol en la posición vertical y fijar la terraja en el gramil. 3) Preparar la arena para aterrajar. Fases: 2. Colocar la caja de fondo. 3. Echar arena de relleno y un lecho de cok para facilitar el gaseo. 4. Rellenar y apretar la caja con arena de moldeo. Pinchar vientos. 4) Aterrajar y preparar la superficie exterior. Figura 12. Moldeado de una pieza de campana. 1 2 3 Fases: Colocar la terraja A en la posición conveniente. Mover la terraja con la mano izquierda en sentido contrario a las agujas del reloj, al mismo tiempo que se va retirando la arena cortada, con la mano derecha. Retirar la terraja, alisar y espolvorear con grafito. 5º) Obtención del hueco del molde en las cajas superiores. Fases: 4. Colocar en el eje un tubo para poder retirar la caja superior sin deteriorarla. 4. Las fases siguientes son las mismas que se han descrito en el segundo caso operación de moldeo con modelo. 4. Finalmente se retira el tubo y se rellena el hueco con arena. 6º) Aterrajar de nuevo para obtener la parte inferior del molde. Fases: 1. Se sujeta sobre la terraja A, la terraja B que reproduce el perfil interior. 2. Se corta en el modelo anterior arena para que la terraja se sitúe en su posición de trabajo. 3. Se aterraja con B, cortando un espesor de arena igual al espesor de la cubeta. 4. Se retira la terraja, su brazo soporte y el árbol. 5. Se tapa con arena el orificio del árbol. En todos los casos el llenado del molde se puede efectuar de diversas formas, siempre teniendo en cuenta la forma de la pieza y evitar la solidificación antes del completo llenado. (Ver Figura 13). Figura 13. Llenado del molde. 3.2 CALIDAD DE LA FUNDICIÓN [3] Hay numerosas contingencias que causan dificultades en una operación de fundición y originan defectos de calidad en el producto. En esta sección recopilamos una lista de defectos comunes que ocurren en la fundición e indicamos los procedimientos de inspección para detectarlos. 3.2.1. Defectos de la fundición Existen defectos comunes en todos los procesos de fundición. Estos defectos se ilustran en la Figura 14, y se describen brevemente a continuación: a) Llenado incompleto. Este defecto aparece en una fundición que solidificó antes de completar el llenado de la cavidad del molde. Las causales típicas incluyen: 1) Fluidez insuficiente del metal fundido, 2) Muy baja temperatura de vaciado, 3) Vaciado que se realiza muy lentamente y/o 4) Sección transversal de la cavidad del molde muy delgada. b) Junta fría. Una junta fría aparece cuando dos porciones del metal fluyen al mismo tiempo, pero hay una falta de fusión entre ellas debido a solidificación o enfriamiento prematuro. Sus causas son similares a las del llenado incompleto. c) Metal granoso o gránulos fríos. Las salpicaduras durante el vaciado hacen que se formen glóbulos de metal que quedan atrapados en la fundición. Un buen diseño del sistema y de los procedimientos de vaciado que eviten las salpicaduras puede prevenir este defecto. d) Cavidad por contracción. Este defecto es una depresión de la superficie o un hueco interno en la fundición debido a la contracción por solidificación que restringe la cantidad de metal fundido disponible en la última región que solidifica. Ocurre frecuentemente cerca de la parte superior de la fundición, en cuyo caso se llama rechupe. El problema se puede resolver frecuentemente por un diseño apropiado de la mazarota. e) Microporosidad. Se refiere a una red de pequeños huecos distribuida a través de la fundición debida a la contracción por solidificación del último metal fundido en la estructura dendrítica El defecto se asocia generalmente con las aleaciones, debido a la forma prolongada, en que ocurre la solidificación en estos metales. f) Desgarramiento caliente. Este defecto, también llamado agrietamiento caliente, ocurre cuando un molde, que no cede durante las etapas finales de la solidificación o en las etapas primeras de enfriamiento, restringe la contracción de la fundición después de la solidificación. Este defecto se manifiesta como una separación del metal (de aquí el término desgarramiento o agrietamiento) en un punto donde existe una alta concentración de esfuerzos, causado por la indisponibilidad del metal para contraerse naturalmente. En la fundición en arena y otros procesos con molde desechable o consumible, esto se previene arreglando el molde para hacerlo retráctil. En los procesos de molde permanente se reduce el desgarramiento en caliente, al separar la fundición del molde inmediatamente después de la solidificación. Figura 14. Algunos defectos comunes en las fundiciones Algunos defectos se relacionan con el uso de moldes de arena y, por tanto, ocurren solamente en la fundición en arena. Aunque en menor grado, los otros procesos de molde desechable son también susceptibles a estos problemas. En la Figura 15, se muestran algunos de los principales defectos que ocurren en la fundición en arena: (a) Sopladuras. (b) Puntos de alfiler. (c) Caídas de arena. (d) Costras. (e) Penetración. (f) Corrimiento del molde. (g) Corrimiento del corazón. (h) Molde agrietado. Figura 15. Defectos comunes de fundiciones en arena. a) Sopladuras. Este defecto es una cavidad de gas en forma de pelota causada por un escape de gases del molde durante el vaciado. Ocurre en la superficie de la parte superior de la fundición o cerca ella. La baja permeabilidad, pobre ventilación y el alto contenido de humedad en la arena del molde son las causas generales. b) Puntos de alfiler. Es un defecto similar al de las sopladuras que involucra la formación de numerosas cavidades pequeñas de gas en la superficie de la fundición o ligeramente por debajo de ella. c) Caídas de arena. Este defecto provoca una irregularidad en la superficie de la fundición, que resulta de la erosión del molde de arena durante el vaciado. El contorno de la erosión se imprime en la superficie de la fundición final. d) Costras. Son áreas rugosas en la superficie de la fundición debido a la incrustación de arena y metal. Son causadas por desprendimientos de la superficie del molde que se descascaran durante la solidificación y quedan adheridas a la superficie de la fundición. e) Penetración. Cuando la fluidez del metal líquido es muy alta, éste puede penetrar en el molde o en el corazón de arena. Después de la solidificación, la superficie de la fundición presenta una mezcla de granos de arena y metal. Una mejor compactación del molde de arena ayuda a evitar esta condición. f) Corrimiento del molde. Se manifiesta como un escalón en el plano de separación del producto fundido, causado por el desplazamiento lateral del semi molde superior con respecto al inferior. g) Corrimiento del corazón. Un movimiento similar puede suceder con el corazón, pero el desplazamiento es generalmente vertical. El corrimiento del corazón y del molde es causado por la flotación del metal fundido. h) Molde agrietado (venas y relieves). Si la resistencia del molde es insuficiente, se puede desarrollar una grieta en la que el metal líquido puede entrar para formar una aleta en la fundición final. 3.2.1.1. Métodos de inspección Los procedimientos de inspección en la fundición incluyen: 1. Inspección visual para detectar defectos obvios como llenado incompleto, cortes fríos y grietas severas en la superficie. 2. Medida de las dimensiones para asegurarse que están dentro de las tolerancias. 3. Pruebas metalúrgicas, químicas, físicas y otras relacionadas con la calidad inherente del metal fundido. Las pruebas de la categoría 3 incluyen: a) Pruebas de presión para localizar fugas en la fundición. b) Métodos radiográficos, pruebas de partículas magnéticas, uso de líquidos penetrantes fluorescentes y pruebas supersónicas para detectar defectos superficiales o internos en la fundición. c) Ensayos mecánicos para determinar propiedades, tales como la resistencia a la tensión y dureza. Si se descubren defectos, pero éstos no son serios, muchas veces es posible salvar la fundición por soldadura, esmerilado y otros métodos de recuperación que se hayan convenido con el cliente. 3.2.2. Metales para fundición La mayoría de las fundiciones comerciales están hechas de aleaciones más que de metales puros. Las aleaciones son generalmente más fáciles de fundir y las propiedades del producto resultante son mejores. Las aleaciones de fundición pueden clasificarse en: 1. Ferrosas a. En hierros fundidos. b. Aceros fundidos. 2. No Ferrosas Aleaciones ferrosas, hierro fundido El hierro fundido es la más importante de todas las aleaciones de fundición. El tonelaje de fundiciones de hierro es varias veces mayor que el de todos los otros metales combinados. Existen varios tipos de fundición de hierro: 1) 2) 3) 4) 5) Hierro gris Hierro nodular Hierro blanco (fundición blanca). Hierro maleable. Fundiciones de aleación de hierro. Las temperaturas típicas de vaciado para hierros fundidos están alrededor de los 1400 ºC, dependiendo de la composición. Aleaciones ferrosas, acero Las propiedades mecánicas del acero lo hace un material atractivo para ingeniería, los procesos de fundición son también muy atractivos por su capacidad de generar formas complejas. Sin embargo, la fundición especializada del acero enfrenta grandes dificultades. Primero, el punto de fusión del acero es considerablemente más alto que el de los otros metales comunes de fundición. El intervalo de solidificación para los aceros de bajo carbón queda un poco abajo de los 1440 ºC. Esto significa que la temperatura de vaciado requerida para el acero es bastante alta, alrededor de los 1650 ºC. A elevadas temperaturas, la reactividad química del acero es alta. Se oxida fácilmente así que deben usarse procedimientos especiales durante la fusión y el vaciado para aislar al metal fundido del aire. Por otra parte, el acero fundido tiene una fluidez relativamente pobre, y esto limita el diseño de componentes de fundición de acero con secciones delgadas. Varias características de las fundiciones de acero justifican los esfuerzos para resolver estos problemas. La resistencia a la tensión es bastante más alta en el acero que en la mayoría de los metales de fundición, ésta puede llegar hasta cerca de 410 MPa. Las fundiciones de acero tienen mejor tenacidad que la mayoría de las aleaciones de fundición. Las propiedades de las fundiciones de acero son isotrópicas; es decir, su resistencia es prácticamente la misma en cualquier dirección. En cambio, las partes formadas mecánicamente (por ejemplo, por laminado o forjado) exhiben direccionalidad en sus propiedades. El comportamiento isotrópico del material puede ser conveniente, dependiendo de los requerimientos del producto. Otra ventaja de las fundiciones de acero es que pueden soldarse fácilmente con otros componentes de acero para fabricar estructuras o para reparar las fundiciones, sin que exista una pérdida significativa de su resistencia. Aleaciones no ferrosas Los metales para fundición no ferrosos incluyen aleaciones de aluminio, magnesio, cobre, estaño, zinc, níquel y titanio. Las aleaciones de aluminio son en general las más manejables. El punto de fusión del aluminio puro es 600 ºC por consiguiente, las temperaturas de vaciado para las aleaciones de aluminio son bajas comparadas con las de las fundiciones de hierro y acero. Las propiedades que hacen atractivas a estas aleaciones para la fundición son: su peso ligero, su amplio rango de propiedades de resistencia que se pueden obtener a través de tratamientos térmicos y su facilidad de maquinado. Las aleaciones de magnesio son las más ligeras de todos los metales de fundición. Otras propiedades incluyen resistencia a la corrosión y altas relaciones de resistencia y tenacidad al peso. Las aleaciones de cobre incluyen al bronce, latón y bronce al aluminio. Las propiedades que hacen atractivas a estas aleaciones son su resistencia a la corrosión, su apariencia atractiva y sus buenas cualidades antifricción. El alto costo del cobre es una limitación en el uso de sus aleaciones. Sus aplicaciones comprenden accesorios para tubería, aletas de propulsores marinos, componentes de bombas y joyería ornamental. El estaño tiene el punto de fusión más bajo de los metales de fundición. Las aleaciones a base de estaño son generalmente fáciles de fundir. Tienen buena resistencia a la corrosión, pero pobre resistencia mecánica, lo cual limita sus aplicaciones a ollas de peltre y productos similares que no requieren alta resistencia. Las aleaciones de zinc se usan comúnmente para fundición en dados. El zinc tiene un punto de fusión bajo y buena fluidez, propiedades, que lo hacen altamente fundible. Su mayor debilidad es su baja resistencia a la termofluencia, por tanto, sus fundiciones no pueden sujetarse prolongadamente a altos esfuerzos. Las aleaciones de níquel tienen buena resistencia en caliente y resistencia a la corrosión, propiedades que son adecuadas para aplicaciones a altas temperaturas, como motores de propulsión a chorro, componentes de cohetes, escudos contra el calor y partes similares. Las aleaciones de níquel también tienen un punto de fusión alto y no son fáciles de fundir. Las aleaciones de titanio, son aleaciones resistentes a la corrosión con una alta relación de resistencia-peso, Sin embargo, el titanio tiene un alto punto de fusión, baja fluidez y es muy propenso a oxidarse a elevadas temperaturas. Estas propiedades hacen que el titanio y sus aleaciones sean difíciles de fundir. 3.2.3. Consideraciones para el diseño de productos Si el diseñador de productos selecciona la fundición como el proceso principal de manufactura para un componente particular, serán necesarios ciertos lineamientos que faciliten la producción y eviten muchos de los defectos que se enumeran en la Figura 22. A continuación se presentan algunos lineamientos y consideraciones importantes para el diseño de fundiciones. Simplicidad geométrica. Aunque la fundición es un proceso que puede usarse para producir, formas complejas la simplificación del diseño propiciará una fundición fácil y eficiente. Al evitar complejidades innecesarias se simplifica la hechura del molde, se reduce la necesidad de utilizar corazones y se mejora la resistencia de la fundición. Esquinas. Deben evitarse esquinas y ángulos agudos, ya que son fuente de concentración de esfuerzos y pueden causar desgarramientos calientes y grietas en la fundición. Es necesario redondear los ángulos en las esquinas interiores y suavizar los bordes agudos. Espesores de sección. Los espesores de sección deben ser uniformes a fin de prevenir bolsas de contracción. Las secciones más gruesas crean puntos calientes en la fundición, debido a un mayor volumen que requiere más tiempo para solidificar y enfriar Éstos son lugares posibles donde se pueden formar bolsas de contracción. (Ver Figura 16) Figura 16. Expone el problema y ofrece algunas soluciones posibles. (a) En la parte gruesa de la intersección se puede formar una cavidad por contracción. (b) Esto se puede remediar rediseñando la pieza para reducir el espesor. (c) Usando un corazón. Ahusanúento. Las secciones de la pieza que se proyectan dentro del molde deben tener un ahusamiento o ángulos de salida, como se define en la Figura 24. El propósito de este ahusamiento en los moldes consumibles o desechables es facilitar la remoción del modelo del molde. En la fundición con molde permanente el objetivo es ayudar a remover la parte del molde. Si se usan corazones sólidos, éstos deben dotarse con ahusamientos similares en los procesos de fundición. El ahusamiento requerido necesita ser solamente de 1º para fundición en arena y de 2º a 3º para procesos con molde permanente. Uso de corazones. Puede reducirse la necesidad de usar corazones con cambios menores en el diseño de la pieza, como se muestra en la Figura 17. (a) Diseño original. (b) Rediseño. Figura 17. Cambio de diseño para eliminar la necesidad de usar un corazón Tolerancias dimensiónales y acabado superficial. Se pueden lograr diferencias significativas en la precisión dimensional y en los acabados de la fundición, dependiendo del proceso que se use. La Tabla 4, muestra una recopilación de valores típicos para estos parámetros. Tolerancias de maquinado. Las tolerancias que se especifican en muchos procesos de fundición son insuficientes para cumplir las necesidades funcionales de muchas aplicaciones. La fundición en arena es el ejemplo más característico de esta necesidad. En este caso, deben maquinarse porciones de la fundición a las dimensiones requeridas. Casi todas las fundiciones en arena deben maquinarse total o parcialmente a fin de darles funcionalidad. Por consiguiente, debe dejarse en la fundición material adicional, llamado tolerancia de maquinado para facilitar dicha operación. Las tolerancias típicas de maquinado para fundiciones de arena fluctúan entre 2 y 6 mm. Tabla 4. Tolerancias dimensiónales típicas y acabados superficiales para diferentes procesos de fundición y metales. a Los valores de rugosidad son para moldes de arena verde; para otros procesos con molde de arena, el acabado superficial es mejor b Los valores para el aluminio se aplican también al magnesio 4. ARENAS [5] 4.1. GENERALIDADES DE LA ARENA Un conocimiento básico de los materiales que constituyen un sistema de arena verde y del equipo requerido para preparar y mantener la integridad del sistema es en extremo importante para asegurar la calidad de los vaciados. La condición y tipo del equipo para preparación pueden tener un efecto pronunciado en el tipo y cantidad de las materias primas utilizadas en una operación particular. Además, el tipo de aleación, tamaño y geometría, junto con la característica de cantidad de corazón requerida por la pieza, también determinan la exacta recuperación por composición del sistema de arena. Para controlar y mantener correctamente un sistema de preparación de arena verde, se debe tener un conocimiento completo de las materias primas y las interrelaciones entre estos componentes y el equipo utilizado para la preparación. 4.2. PRUEBAS Y CONTROL Existe una variedad de pruebas de laboratorio de arena para auxiliar a los operadores y al personal de control de calidad en la eliminación de los problemas de calidad asociados con vaciado y moldeo. Los resultados de las pruebas cuantifican importantes propiedades de la arena para establecer condiciones en el sistema y finalmente ayudar a reducir la variación de la arena y las materias primas que se alimentan. La humedad: Es un aditivo de la arena extremadamente crítico que puede impactar grandemente la calidad de los vaciados y la operación del equipo para preparación de arena. La prueba de compactibilidad es el mejor método para controlar las adiciones de agua en el molino. La adición de agua variará, puesto que la cantidad de agua agregada a la arena es una función de las variables de composición y proceso. Controlar la compactabilidad cuenta para los cambios ligeros en la composición de la arena y asegura que se efectúe la correcta adición de agua para alcanzar propiedades de moldeo constantes. Si la cantidad de agua cambia drásticamente para mantener un valor meta de compactabilidad, podría indicar que otro componente de la arena se ha salido de control. Los controladores de compactabilidad automáticos instalados en línea con el molino reducen la variación y aseguran un control apropiado. 4.3. COMPOSICIÓN DE LA ARENA La arena es el principal componente de la arena verde. Las arenas verdes están normalmente hechas de arena sílice (SiO2). El tamaño y distribución de los granos de arena son en extremo importantes para controlar el acabado superficial de las piezas. Estas características también afectan la habilidad del molde para apoyar la evacuación de gases formados durante la transformación de agua a vapor y la descomposición de los constituyentes orgánicos de los aglutinantes de los corazones y los aditivos de la arena verde. La correcta distribución de la arena es también crítica para reducir la ocurrencia de defectos por expansión de arena. Capacidad refractaria – Un molde de arena verde debe resistir la temperatura de vaciado de la aleación fundida. Una arena sílice en forma pura, 98% SiO2, tiene un punto de fusión de aproximadamente 3100 F (1704 C). Si el contenido de SiO2 en la arena se reduce, entonces el punto de fusión también descenderá. Existen varios subgrupos de arena base sílice, como la arena de lago por ejemplo, que tienen porcentajes reducidos de SiO2 y temperaturas correspondientes de fusión de aproximadamente 2800 F (1538 C) dependiendo de la composición de la arena. Las temperaturas de vaciado de los hierros fundidos y las aleaciones no ferrosas están generalmente bastante abajo que estas temperaturas de fusión. Es más importante comprender que si el contenido de sílice de la arena del sistema se reduce a un nivel crítico, el acabado superficial de los vaciados de aleaciones con altas temperaturas de vaciado puede deteriorase debido a la pérdida de capacidad refractaria. Una adición constante de arena nueva en el sistema ayuda a reponer el contenido de sílice del mismo y a drenar las cantidades excesivas de ceniza, finos y arcilla destruida térmicamente. Este flujo de arena nueva puede ser el resultado de arena proveniente de corazones que es separada de las piezas durante el desmoldeo. Tipos—Aunque el sílice y los subgrupos de sílice constituyen la mayoría en los sistemas de arena, otros tipos de arena pueden ser usadas. Dependiendo de la localización geográfica de la fundición y, más importante, debido a las cualidades técnicas, otros agregados pueden ser utilizados. Existe una amplia variedad disponible de agregados para el fundidor, incluyendo olivina, cromita y zirconio. Estas arenas pueden ser utilizadas como base o arenas de careo para reducir y/o eliminar defectos de expansión y penetración de metal mientras promueve la solidificación. Área de Contacto—El área de contacto de la arena y las materias primas son también una consideración importante en la preparación y control de la arena verde. Cualquier desviación mayor en el área de contacto pudiera tener profundos efectos en las características físicas de la arena de moldeo. Esto podría ser causado por la tendencia del sistema a requerir más o menos agua para alcanzar un valor constante de compactabilidad. Obviamente, conforme el tamaño de la arena decrece, su superficie se incrementa. 4.4. ARCILLAS La arcilla es el adhesivo que mantiene la forma del molde a temperatura tanto ambiente como elevada. La adición de agua se requiere para activar la arcilla. El contenido de humedad del sistema es extremadamente crítico y puede afectar casi todas las propiedades físicas que son medidas en una fundición. La relación entre el contenido de humedad y las resistencias a la compresión en verde, en seco y en caliente se pueden ver en la Figura. 1. La mayoría de los problemas de vaciado y moldeo relacionados con la arena podrían ser causados por un exceso o deficiencia de humedad. Tipos—Existen dos tipos de arcillas naturales—bentonitas sódica y cálcica—que son utilizadas en una mayoría de operaciones de fundición. Nuevamente, el tipo de equipo, aleación y la geometría de la pieza dictarán el tipo o mezcla de arcilla utilizados por una fundición. Características Clave—Cada una realza ciertas características de la arena de moldeo. Al comparar arena de moldeo hecha con 8% de bentonita sódica con arena similar con la misma compactabilidad hecha con 8% de bentonita cálcica, la diferencia entre las arcillas puede ser vista (ver Tabla 1). La gráfica claramente indica que la bentonita sódica da como resultado resistencias a la compresión en seco y a elevada temperatura más altas. También muestra una resistencia a la tensión en húmedo sustancialmente más alta. Las elevadas propiedades en caliente y la alta resistencia en húmedo a la tensión de la bentonita sódica se requieren cuando se vacía hierro y acero para prevenir defectos tales como erosión de arena, inclusiones de arena y costras de expansión. Sin embargo, las propiedades en caliente incrementadas podrían aumentar la energía requerida para remover la arena de las piezas solidificadas, esto es incrementando el potencial de piezas rotas o con fracturas. Las bentonitas cálcicas son mejor conocidas por su habilidad para rápidamente desarrollar propiedades en verde. Ellas ofrecen un mejor flujo que la bentonita sódica (la cual tiende a ser más plástica) y una mayor deformación a iguales porcentajes de humedad. Por lo tanto, tienen una mayor habilidad para fluir libremente a través del sistema de arena y dentro de profundas y/o cerradas cavidades en un modelo. Ambas bentonitas pueden ser mezcladas en diferentes proporciones, lo cual es una práctica común. Al mezclar las arcillas, una fundición puede alcanzar en términos generales un promedio en las propiedades físicas. Cantidad de Arcilla y Agua—Cambiar la cantidad total de arcilla y agua puede alterar la resistencia a la compresión de la arena verde, la permeabilidad y otras propiedades físicas. Generalmente, un porcentaje más alto de arcilla, hasta 12%, traerá como resultado aumento en la resistencia. La cantidad de agua puede también tener un gran efecto en las resistencias a la compresión en verde, en seco y en caliente. Generalmente, incrementando el agua se incrementa la resistencia a la compresión en verde hasta un punto, referido como el punto de templado. Incrementos adicionales de agua traerán como resultado un decremento en la resistencia a la compresión en verde. Ambas resistencias a la compresión, en seco y en caliente, muestran un incremento en la resistencia conforme se incrementa la humedad dentro de un rango normal. Métodos de Control—La prueba del azul de metileno determina el porcentaje de bentonita disponible en una muestra de arena. Esta prueba de laboratorio proporciona información crítica acerca de las correctas adiciones de arcilla para mantener los niveles de ésta entre los límites de control superior e inferior. La prueba no puede diferenciar entre bentonita sódica y cálcica. Por lo tanto puede solo indicar la cantidad total de bentonita disponible en el sistema. A diferencia de la prueba del azul de metileno, la prueba AFS de la arcilla es una prueba de laboratorio que indica el porcentaje total de material fino en la arena. Esto incluye materiales menores a 20 micrones y/o materiales que sedimentan en el agua a una velocidad menor a una pulgada/minuto. Estos materiales incluyen la arcilla disponible, arcilla muerta, granos finos de arena, ceniza, coque, carbón y celulosa. Los porcentajes AFS de arcilla siempre serán más altos cuando se comparan a los del azul de metileno, debido a que contiene ambas bentonitas, disponible y térmicamente destruida, junto con cualquier otra partícula extremadamente fina. 4.4.1. Carbones Los aditivos de carbón son generalmente agregados a los sistemas de arena de fundiciones de hierro vaciado para ayudar a reducir la ocurrencia de la penetración de metal y mejorar el acabado superficial. Existen muchas teorías sobre el porqué los aditivos de carbón, tales como carbón marino, ayudan a reducir la penetración. Estas teorías incluyen la ayuda para crear una atmósfera reductora, cubriendo la superficie del molde con carbón lustroso y expansión de carbón. Métodos de Control – Ambos, el material combustible y la materia volátil, son útiles en la determinación del porcentaje de carbón en el sistema de arena. La prueba de pérdidas por ignición (PPI) indica el porcentaje total de combustibles presentes en la arena incluyendo carbón, coque, residuos de aglutinantes orgánicos de corazones, celulosa, cereales y el agua cristalina contenida en la bentonita disponible. La materia volátil contenida en el carbón es el ingrediente que ayuda a reducir la penetración del metal. A diferencia de la prueba de pérdidas por ignición (PPI), la cual mide todos los materiales combustibles incluyendo carbón y coque, la prueba de volátiles determina la cantidad de carbón activo en el sistema de arena. 4.4.2. Molienda La molienda es uno de los aspectos más importantes en el control de la arena verde. Una fundición puede mantener todas las materias primas que restituyen la arena con una especificación muy cerrada. Si tienen una molienda y/o prácticas de molienda deficientes, los problemas del control de la arena persistirán. La función de un molino es activar la bentonita disponible dentro de la arena. Esta es una tarea en extremo difícil que requiere una cantidad extrema de energía. Debido a que una mezcla de agua y arcilla es en extremo tenaz, el molino utiliza ruedas que incorporan fuerzas tanto de compresión como de corte para activar las partículas de bentonita y untar la masilla de bentonita sobre los granos de arena. Las ruedas del molino son extremadamente importantes para generar las cargas apropiadas de compresión y corte requeridas para desarrollar plenamente las propiedades físicas de la arena de moldeo. Un completo conocimiento de la secuencia del ciclo de molienda debe ser mantenido para ayudar a minimizar el tiempo de ciclo y optimizar la efectividad del molino. Adicionalmente, las variaciones en las adiciones de materias primas deben ser minimizadas. Desarrollo de la Resistencia—La prueba de la resistencia a la compresión en verde es extremadamente útil para ayudar en la determinación del grado de molienda alcanzado. Un incremento en la resistencia a la compresión en verde se dará de acuerdo a cómo está procediendo el proceso de molienda. Para maximizar la eficiencia de la molienda, todo esfuerzo debe hacerse para mantener los elementos mecánicos del molino. Es en extremo importante remplazar las piezas de desgaste ya gastadas, tales como ruedas y arados y rutinariamente ajustar estos componentes a los ajustes recomendados para maximizar su desempeño y minimizar su desgaste. Un programa de mantenimiento preventivo debe ser establecido para asegurar que el molino es efectivo. Es también importante que tanto el personal de mantenimiento como el de operación sea detalladamente entrenado. En el ambiente actual de incrementos en producción y carga proveniente de corazones al sistema, es imperativo que se efectúe todo intento para maximizar la efectividad de los molinos y el proceso de molienda. Factores que Afectan el Desarrollo de la Resistencia—La resistencia a la compresión en verde puede incrementarse o disminuirse por la cantidad y/o efectividad de la molienda. Existen también una variedad de otras variables del proceso que pueden contribuir a la variación de la resistencia a la compresión en verde. Estos podrían incluir, pero ciertamente no limitado a: arena caliente, contenido de humedad, dilución de arena de corazones, adición de arena nueva, contenido de arcilla, compactabilidad, finura del grano de arena, calibración del equipo de laboratorio, calidad y variaciones de las materias primas, mejores y más eficientes sistemas de desmoldeo y cambios en la relación arena/metal. 4.4.3. Manteniendo el Sistema Mantener un sistema de arena involucra la reducción de fluctuaciones y variaciones. Esto requiere no solamente un balance de los materiales que entran y los que salen sino también un balance de energía. En otras palabras, las adiciones de nueva arcilla deben ser efectuadas para compensar las pérdidas por destrucción térmica, colección de polvos, etc. La energía requerida para activar la arcilla en el molino debe ser mantenida y la energía calorífica inducida en la arena durante la solidificación del vaciado debe ser removida para mantener constante y balanceada. Pérdidas de Material/Cambios Durante el Reuso—La arena verde está siempre en un estado de trabajo ya sea que se encuentre en el proceso de enfriamiento, molienda, moldeo, en espera del proceso de solidificación de vaciados o templándose en un silo de arena de retorno. El hecho de que la arena verde es constantemente reciclada con pequeñas adiciones de materias primas es una de sus ventajas inherentes. Sin embargo, para conocer y controlar un sistema de arena verde, existen ciertos cambios que deben ser entendidos cuando la temperatura de la arena es elevada durante el proceso de vaciado y enfriamiento de piezas dentro del molde. Primero, el agua es removida en forma de vapor. Si la temperatura de la arena es elevada arriba de 212F (100C) el agua libre en la superficie es removida. La cantidad de agua libre removida puede ser estimada por el contenido de humedad determinado en el laboratorio de arena. Este cambio es reversible. Si la adición de calor fuera detenida en un punto debajo de aproximadamente 600F (316C), una adición de agua y molienda podrían restituir la mezcla de arena-arcilla a las propiedades normales de trabajo. Segundo, a temperaturas mayores que aproximadamente 600F (316C) para la bentonita cálcica y 1200F (648C) para la bentonita sódica, el agua cristalina, a menudo referida como agua combinada químicamente, es removida de la estructura enrejada de la bentonita. Esta etapa es irreversible y la fuerza aglutinante de la bentonita se pierde. Cuando secciones de la arena de moldeo alcanzan estas temperaturas, las bentonitas contenidas en estas áreas son térmicamente destruidas y son algunas veces llamadas arcilla muerta. Una cierta cantidad de bentonita nueva debe ser agregada después de cada ciclo del sistema para remplazar la bentonita destruida térmicamente. Aún más, arcilla adicional debe ser agregada para cubrir la arena proveniente de los corazones, así como para remplazar las pérdidas por colección de polvos y las pérdidas naturales. Dependiendo de la temperatura y la atmósfera del molde durante el vaciado, el aditivo de carbón que regresa al molino consistirá de una combinación de carbón, coque y ceniza. Si existiera oxígeno presente en el molde, a elevadas temperaturas, el carbón se quemará y formará partículas de ceniza. Si la atmósfera en el molde fuera inerte a elevadas temperaturas, el carbón sería transformado en coque. Coque y ceniza son a menudo referidos como formas muertas de carbón y deben ser remplazados. Aditivos especiales, tales como celulosa y cereal, son térmicamente destruidos a temperaturas de 250-400°F (93-204°C). Estos aditivo s deben ser remplazados. Arena Caliente—Debido a que la arena verde circula y el silicio es un excelente aislante, existe una tendencia en la temperatura de la arena a incrementarse después de múltiples ciclos. La arena caliente es uno de los más grandes problemas asociados con la arena en las actuales modernas instalaciones de fundición. La arena de retorno que entra al molino a temperaturas en exceso de 120F (48C) es considerada arena caliente. Las arenas calientes de moldeo causan una variedad de problemas incluyendo arena pegada en las tolvas y transportadores, secado incontrolable de la arena, difícil sino imposible control de la humedad en el molino, pérdida de las propiedades de la arena preparada, penetración de metal, condensación, inclusiones de arena, moldes rotos, arenas frágiles e incremento en las adiciones de arcilla. Enfriamiento de Arena—Un enfriador es el único método para enfriar arena caliente sin cambiar el tipo de vaciados, la relación arena/metal, programación de la producción y/o almacenamiento del sistema de arena. La instalación de un enfriador es a menudo la única solución práctica para un problema de arena caliente. Los enfriadores de arena de moldeo utilizan la vaporización y evaporación como el medio para reducir la temperatura de la arena. Cambiar el estado del agua de líquido a vapor requiere una considerable energía térmica y resulta en un enfriamiento de arena extremadamente eficiente. Los aspectos a considerar cuando se selecciona un enfriador incluyen el control de la humedad en la descarga, mantenimiento del equipo, pre-mezclado de la arena, tiempo adecuado de retención, habilidad para mantener el tamaño de la arena y su distribución (p.e. no crear aglomeraciones o remover material fino) y alcanzar una temperatura constante de descarga debajo de 120 ºF (48 ºC). Las condiciones atmosféricas, localización geográfica y las temperaturas de entrada de la arena y el agua deben ser conocidas para asegurar con precisión el tamaño correcto del enfriador. 5. REFRACTARIOS [6] 5.1. GENERALIDADES DE LOS MATERIALES REFRACTARIOS En las operaciones de fundición, los materiales refractarios cumplen un papel fundamental dentro del proceso, ya que tienen la función de mantener la temperatura y otorgar estabilidad estructural al horno o convertidor. Una de las dificultades que tiene la construcción del horno tipo basculante es el cálculo del revestimiento refractario. Por esta razón la determinación del espesor de ladrillo, manto cerámico y chapa de acero es relevante para determinar el estado del equipo, que se requiere para planificar los trabajos de mantención pertinentes y optimizar el proceso de fusión. El presente trabajo tiene por finalidad presentar un método confiable que permita estimar el espesor de los revestimientos refractarios en base a la temperatura de la superficie externa de los hornos. La metodología se basa en balances de energía que describen la transferencia de calor ocurrida en el horno que considera los perfiles de temperatura y los espesores de los ladrillos, manto y carcaza. Hoy en día los refractarios son materiales muy importantes en cualquier lugar donde se requieren altas temperaturas, ya sea en equipos tales como calderas, hornos de vidrio, cerámica, Hierro, cobre, acero, etc. Además de proporcionar aislamiento térmico, los refractarios pueden soportar abrasión e impactos, resistir polvos, humos, metales fundidos y escorias, en tal extensión como sean las exigencias. 5.2. CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES REFRACTARIOS 5.2.1. Refractarios ácidos Son resistentes a escorias del tipo ácidas, los básicos son resistentes a las escorias básicas y los neutros son resistentes a ambas. De acuerdo a su composición química, se tienen ladrillos de arcilla refractaria, de alta alumina, de sílice, y básicos de liga directa, convencional y química. 5.2.2. Refractarios básicos Varios refractarios se basan en el MgO (magnesia o periclasa) El MgO puro tiene un punto de fusión alto, buena refractariedad buena resistencia al ataque por los entornos que a menudo se encuentran en los procesos de fabricación de acero. Típicamente, los refractarios básicos son más costosos que los refractarios ácidos. 5.2.3. Refractarios neutros Normalmente incluyen la cromatina y la magnesita, pueden ser utilizados para separar refractarios ácidos de los básicos, impidiendo que uno ataque al otro. 5.2.4. Refractarios especiales El carbono, el grafito, es utilizado en muchas aplicaciones refractarias, particularmente cuando no hay oxígeno fácilmente disponible. Estos materiales refractarios incluyen la circonia (ZrO2), el circón (ZrO2.SiO2) y una diversidad de nitruros, carburos y boruros. Así mismo y cada vez más frecuentemente, ciertos procesos de producción específicos no pueden ser puestos en marcha si no se ha desarrollado previamente el revestimiento refractario adecuado. De todo ello se deduce el carácter estratégico de este tipo de materiales, más allá del valor en si del material o de su participación en la estructura de costes de un determinado proceso. Por otra parte, un revestimiento refractario- aislante protege a la estructura portante de las altas temperaturas y hace que las pérdidas de calor a través de las paredes de los hornos sean menores, contribuyendo de ese modo al ahorro energético, debido a un menor consumo de calor. Además, los materiales refractarios ayudan a proteger el medio ambiente asegurando que las temperaturas altas necesarias en muchos procesos no presentan un impacto perjudicial para el medio ambiente. Los principales sectores de aplicación de los materiales refractarios, así como el tipo de instalación en la que se usan pueden verse en la Tabla 5. En ella también se da la temperatura del proceso y el tipo o tipos de refractarios utilizados. Se observa que se corresponden con sectores industriales básicos de la economía de un país. Se han detallado, no de una manera exhaustiva, las aplicaciones dentro de la industria siderúrgica, ya que a ella le corresponde el mayor consumo de materiales refractarios con un 60 %, aproximadamente. Si al sector siderúrgico añadimos el de tos metales no férreos, el del vidrio, el del cemento y la cal y el cerámico tradicional el tanto por ciento de consumo anterior se eleva al 80 %. La industria de los materiales refractarios ha experimentado una extraordinaria evolución en los últimos anos, como consecuencia de las nuevas y cada vez más exigentes especificaciones impuestas por las industrias consumidoras. Esto se ha traducido, no solo en un más estricto control de las materias primas y en una mejora de los procesos de fabricación, sino en el aporte científico de técnicas que, procediendo tanto de la metalografía como de la fisicoquímica de materiales, han permitido el establecimiento de los diagramas de equilibrio de fases de los óxidos potencialmente utilizables como refractarios por su elevado punto de fusión (A12O3, CaO, SiC2, MgO, ZrO2, Cr2O3, etc), lo que ha supuesto un mejor conocimiento de la influencia de las impurezas presentes, a la temperatura y condiciones reales de trabajo de cada tipo de material. Igualmente el avance en los estudios micro estructurales han permitido prever, tanto el comportamiento ante el ataque químico o erosión de las escorias y gases presentes, como una mejor evaluación de las propiedades termomecánicas requeridas a los revestimientos refractarios. Tabla 5. Refractarios empleados en procesos industriales a alta temperatura. SECTOR INDUSTRIA PETROQUIMICA QUIMICA CRACKING TEMPERATURA PROCESO (º C) 900-1200 HORNOS 1650 INSTALACIÓN HORNOS NEGRO DE HUMO CARBON ACTIVO REACTORES OBTENCIÓN FOSFORO HORNOS DE COQUE PREPARACIÓN MATERIAS PRIMAS ACERIA FUNDICIÓN 1600 1400 1550 900-1200 REFRACTARIOS Monolíticos, aislantes. Ladrillos: silimanita, mullita. Ladrillos: corindón aislantes Monolíticos sin hierro Ladrillos monolíticos de carbono, sin hierro a base de Al2O3 con Sic. Ladrillos: silicioso Silicoaluminoso monolíticos Ladrillos carbono, semigrafito, SIC, mulliticos silicoaluminosos alta calidad. Ladrillos: silicoaluminosos, silice, magnesita Ladrillos, silimanita, silicoaluminosos alta calidad Ladrillos básicos (magnesita, dolomia MgO-C) HORNO ALTO 1700 ESTUFAS 1800 CUCHARAS TORPEDO 1500 CONVERTIDORES 1600-1700 CUCHARAS TRANSPORTE ACERO 1600 HORNO TRATAMIENTO TERMICO 900-1100 Monolíticos, ladrillos, mullita, corindón CUPULA 1100-1400 Monoliticos: siliciosos, silicoaluminosos HORNO INDUCCIÓN 1400 Monoliticos y ladrillos siliceos, dolomia, bauxit Monoliticos: siliceos, silicoaluminosos METALES NO FERREOS HORNOS DE FUSION 700-900 ALUMINIO HORNOS FUSION 900 Ladrillos: bauxitas, silicoaluminosos alta calidad monolíticos HORNOS CUBILOTE ROTETORIO 1100 Ladrillos:magnesiticos, cromo-magnesita HORNOS DE REFUSIÓN 330 Monolíticos 1250 Refractarios silicoaluminosos 1100 Monolíticos 1100 Ladrillos magnésico 420 Monolíticos PLOMO COBRE ZINC HORNO CUBILOTE, CONVERTIDORES HORNO DE ARCO HORNO DE REFUSIÓN HORNOS ROTATORIOS CELDAS DE GALVANIZADO 800 - 1600 PRECALENTADORES 800 - 1100 HORNO TUNEL 900 - 1800 HORNOS ARRASTRE 900 - 1800 HORNOS MULTICANAL 800 - 1100 PREPARACIÓN FRITAS ESMALTES: Hornos rotatorios cubilote 800 - 1800 Ladrillos: silicoaluminosos, corindón, magnesita HORNOS RODILLOS 1400 - 1700 Piezas alta alúmina HORNO FUSÓN 1650 Ladrillos siliceos: alúmina, circona electrofundida, sillicioaluminosos. HORNOS FUSIÓN 1550 Ladrillos: mulliticos, sillimanita, monolíticos. CERAMICA ESMALTES Y FRITAS Ladrillos: silicoaluminosos, mullitico, magnesita, monolíticos, sin hierro, resistentes a la abrasión. HORNOS ROTATORIOS CEMENTO VIDRIO Y FIBRAS Carbono, aislante, monolitico. Monolíticos: resistentes a la abrasión. Ladrillos: silicoaluminosos, mulliticos, corindón, silíceos Ladrillos: silicoaluminosos, mullitico, corindón. Ladrillos: silicoaluminosos, mulliticos, monolíticos. 5.3. DEFINICIÓN Y CONSTITUCIÓN DE LOS MATERIALES REFRACTARIOS Pueden existir diversas maneras de definir lo que se entiende por un material refractario. Así, según la Real Academia de la Lengua se define material refractario como aquel cuerpo que resiste la acción del fuego sin cambiar de estado ni descomponerse. Por tanto, se considera como material refractario a todo aquel compuesto o elemento que es capaz de conservar sus propiedades físicas, químicas y mecánicas a elevada temperatura. La norma española UNE (150 R836-68) define a los materiales refractarios como a aquellos productos naturales o artificiales cuya Refractariedad (Resistencia piroscópica o cono pirometrico equivalente) es igual o superior a 1500 ºC. Es decir, resisten esas temperaturas sin fundir o reblandecer. La resistencia piroscópica se determina según la norma UNE 61042 o la ISO/R 528 o la DIN EN 993-12. A su vez, son materiales cerámicos no metálicos. La definición anterior solo hace referencia a las temperaturas mínimas que debe de ser capaz de resistir un refractario, sin tener en cuenta otro tipo de solicitaciones o condiciones. Es importante precisar que la resistencia piroscopica es una condición necesaria, pero no es suficiente para que una material sea considerado como refractario, ya que además debe conservar a dichas temperaturas elevadas una resistencia mecánica y/o una resistencia a la corrosión suficientes para el empleo a que se destine. Una definición “ampliada”, que hace mención al hecho de que no es solo la resistencia a la temperatura lo que se exige a un material refractario, es la siguiente, Materiales capaces de resistir temperaturas elevadas conservando al mismo tiempo buenas propiedades operativas frente a las solicitaciones presentes en hornos y reactores industriales. En la Tabla 6, se enumeran las condiciones que usualmente deben soportar los materiales refractarios. Se encuentran clasificadas en tres grupos y hay que tener presente que en la mayoría de los casos dichas solicitaciones pueden actuar de forma simultánea. Tabla 6. Condiciones que deben soportar los materiales refractarios SOLICITACIONES TÉRMICAS MECÁNICAS QUÍMICAS TEMPERATURAS ELEVADAS COMPRESIÓN. FLEXIÓN Y TRACCIÓN ESCORIAS CAMBIOS BRUSCOS TEMPERATURA (CHOQUE TERMICO) VIBRACIÓN PRODUCTOS FUNDIDOS ABRASIÓN Y EROSIÓN, IMPACTO PRESIÓN GASES Y VAPORES ÁCIDOS Tenemos pues, que los refractarios son fundamentalmente materiales capaces de resistir altas temperaturas sin fundirse. Pero no solo eso, además deben poseer una resistencia mecánica elevada a dichas temperaturas para poder resistir sin deformarse su propio peso y el de los materiales que están en contacto sobre ellos. Dependiendo de las aplicaciones se les exigirán otras propiedades en mayor o menor grado, por ejemplo, la estabilidad química frente a los metales fundidos, las escorias, el vidrio fundido, los gases y vapores, etc. Y resistencia a los cambios bruscos de temperatura (Choque térmico). En su mayor parte los materiales refractarios están constituidos por silicatos, óxidos, carburos, nitruros, boruros, siliciuros, carbono, grafito, etc. 5.4. TIPOS DE MATERIALES REFRACTARIOS 5.4.1 Refractario de arcilla calcinada. Estos materiales se denominan también silicos aluminios por ser la Sílice y la Alúmina, los constituyentes principales de ellos. Son los más utilizados, hay dos tipos generales y cinco clases de ladrillo. 5.4.2 Refractario de Sílice. Están constituidos fundamentalmente por Óxido de Silicio (SiO2). Se distinguen dos clases de ladrillos calcinados. 5.4.3 Refractarios Aislantes. Están fabricados a base de Sílice. Existen dos grandes divisiones en los cuales se agrupan los ladrillos aislantes o sea los ladrillos aislantes quemados, o ladrillos aislantes prensados. 5.4.4 Refractarios de Tipos especiales. Son refractarios que se pueden obtener de fabricantes particulares, empleados para condiciones específicas severas, son muy costosos. Entre otros tenemos: Caolín de alto cocido, Carburos, Sulfuros, Boruros, Nitruros, entre otros. 5.4.5 Especialidades refractarias. Bajo esta denominación se agrupan los refractarios no conformados. Empleados en la construcción de revestimiento monolíticos, vaciado de pieza de gran tamaño, reparaciones y para pegar ladrillos. 5.4.6 Concretos refractarios. Son mezclas de materiales refractarios molidos con adecuada granulometría y aditivos ligantes. 5.4.7 Morteros refractarios. Utilizados para pegar ladrillos entre si y rellenar las juntas entre ellos. El mortero refractario se debe seleccionar cuidadosamente como el ladrillo en el cual va a ser usado y debe ser compatible con la composición química del ladrillo. 6. DISEÑO Y CÁLCULO DEL HORNO BASCULANTE [9], [10], [11] Una parte importante en el diseño es la construcción, donde todas las ideas en papel se cumplen y se dan a conocer tanto los éxitos como los errores en el diseño. Una buena manufactura de la pieza traerá como consecuencia: Uniformidad de propiedades mecánicas, reducción de esfuerzos en ciertas zonas y buen acabado superficial. Es importante notar que los parámetros calculados sirven de referencia, pues en su maquinado real tienen que ser modificados debido a situaciones externas por ejemplo: No contar con la herramienta adecuada, impurezas en los materiales que hace que sus propiedades no sean uniformes, el tipo de sujeción de la pieza entre otras. El tiempo y costo de construcción depende en gran manera del adecuado plan de proceso para cada pieza, apropiados parámetros de corte y uso correcto de las herramientas y máquinas herramientas. 6.1. SELECCIÓN DEL CRISOL El tamaño del crisol está determinado por las condiciones de diseño, que son: i. Fundir 20 kg de aluminio. ii. Que el material resista alta temperaturas (1000 ºC). iii. Económico. En la selección del crisol se tuvo en cuenta que el material soportara altas temperaturas, para llevar el aluminio de un estado sólido a un estado liquido. Se utilizo Hierro fundido, por cumplir con las características más optimas para el proceso. El diámetro de crisol lo asumimos de 25 cm y la altura está determinada por la relación, masa sobre volumen es decir la densidad. ρ= m v (1) ρ= Densidad m = Masa v = Volumen; v = π r 2h (2) De la anterior formula despejamos h, la cual representa la altura adecuada para fundir 20 kg de aluminio. h= 27cm 6.1.1. Posición del crisol en el horno La posición del crisol en el horno es muy importante. La base del crisol puede estar al mismo nivel o ligeramente arriba de la línea del centro del quemador. Esto es posible si colocamos el crisol sobre el bloque pedestal a una altura apropiada, el crisol se debe colocar concéntrico a la pared interior del horno y dejar espacio uniforme de combustión alrededor. 6.1.2. Arranque del crisol o prendida del horno Para los crisoles ligados con arcilla la temperatura del horno debe subir muy lentamente y particularmente para grandes tamaños del crisol; esto asegura un buen recocido y evita agrietamiento en caso de contener algo de humedad; los crisoles ligados con carbón pueden ponerse en funcionamiento más rápidamente, lo que puede favorecer el revestimiento protector que es apto para temperaturas altas, para cargar 6.2. SELECCIÓN DEL MATERIAL REFRACTARIO Esta selección del material refractario, se hace con el fin de contrarrestar las pérdidas de calor máximas que se pueden presentar, si no se cuenta con los refractarios. Basándonos en no permitir este problema, seleccionamos los siguientes materiales: [7] Ladrillo refractario Arco 2, Recto, Ref. U-33. Fibra Cerámica HPS, NUTEC-FIBRATEC Mortero, SUPERAEROFRAX Concreto, CONCRAX-1500 Las especificaciones técnicas de estos materiales está dada por el proveedor. (Ver Anexos A, B, C) 6.3. CALCULO DEL TAMAÑO DE LA CÁMARA DE COMBUSTIÓN Volumen de la cámara de combustión: vcc = mcomb * ∆h q (3) q =800 kw/m3, carga volumétrica Tomada de la tabla 3.1 pág. 15, Gereco de vapor Barzo. • • Q = m* ∆h (4) • Q = = Potencia calorífica (kj/h) • m = Flujo masico de combustible (kg/h) ∆h= Poder calorífico del combustible (kj/kg) El poder calorífico para el ACPM es de 45000 kj/kg, y la ρ=850 kg/m3, la masa de combustible necesaria es la relación entre la potencia calorífica solicitada y el poder calorífico del combustible. • m = 4.03281993*10E-4 kg/s Y el volumen de la cámara de combustión queda: vcc = 0,0362953 m3 6.4. CALCULO DEL TAMAÑO DE LA CHAPA DE ACERO Por requerimientos de diseño, de mantener un buen quemado y tener controlado la temperatura exterior del cilindro de acero, se diseño de la siguiente manera. Crisol de Hierro Fundido 5” de radio. Cámara de combustión de 3 ¼” de ancho Ladrillo Refractario 4 ½” de ancho Manta cerámica 2” de ancho Chapa de acero A-36 1/8” de espesor Entonces el diámetro de la chapa de acero seria: Diámetro exterior: (5” + 3 ¼” + 4 ½” + 2” + 1/8”)*2 Diámetro exterior: 29.75” = 75,56 cm. Y la Altura se calcula dependiendo del tamaño del crisol seleccionado y los materiales refractarios. Como el tamaño del crisol seleccionado anteriormente es de: Diámetro: 25,5 cm. Altura: 20 cm. Para evitar pérdidas en la colada se sobredimensiono la altura del mismo en un rango de 5 cm. Entonces queda de 25 cm. El espesor del material refractario utilizado en la base de la chapa que es de, 16 cm. La base del crisol es de, 7 cm. Altura de la tapa superior de la chapa hasta el crisol es de 6 cm. 6.5. CALCULO DEL CENTRO DE MASA Es el punto donde puede considerarse que está concentrada toda la masa de un cuerpo para estudiar determinados aspectos de su movimiento. El centro de masa de una esfera de densidad uniforme está situado en el centro de la esfera. El centro de masa de una varilla cilíndrica de densidad uniforme está situado a la mitad de su eje. En algunos objetos, el centro de masa puede estar fuera del objeto. ∑mY n i i Y = i =1 n ∑ mi i =1 Y = Centro de masa. y = Centro de cada figura m = Masa de cada figura Figura 18: 1. 2. 3. 4. Chapa de Acero A-36. Manta cerámica. Ladrillo refractario. crisol. (5) Figura 18. Horno Elemento Chapa Vertical Chapa Horizontal Manta Vertical Manta Horizontal Ladrillo Vertical Ladrillo Horizontal Ladrillo Base Crisol Crisol Total Masa Yi m*y 32,10625 27 866,8686935 22,31052 0,3175 7,083590817 7,662028 27,3175 209,3074491 2,171333 2,54 5,515185115 197,12 30,1075 5934,7904 12,32 9,715 119,6888 6,8 20,135 136,918 27 37,135 1002,645 307,4901 8282,817119 Sumatoria masa Centro de Masa Y 307,4901309 26,93685516 En el centro de masa, es por donde estará ubicado el eje de Acero AISI 1045, y es en donde se concentrara toda la carga en un punto. El centroide está Ubicado en: _ Y = 27cm X = 0. 6.6. CÁLCULO Y DISEÑO DEL EJE [8], [9], [11] Un eje es un elemento de máquina generalmente rotatorio y a veces estacionario, que tiene sección normalmente circular de dimensiones menores a la longitud del mismo. Tiene montados sobre sí, elementos que transmiten energía o movimiento, tales como poleas (con correas o cadenas), engranajes, levas, volantes, etc. (Ver Figura 19) Figura 19. Ilustración de un eje La geometría de un eje es tal que el diámetro generalmente será la variable que se use para satisfacer un diseño. El procedimiento general para el diseño de ejes, consiste en los siguientes pasos: • • • • • • • • • • Definición de las especificaciones de velocidad de giro y potencia de transmisión necesaria. Selección de la configuración. Elección de los elementos que irán montados sobre el eje para la transmisión de potencia deseada a los distintos elementos a los que se deba realizar tal transmisión. Elección del sistema de fijación de cada uno de estos elementos al eje. Precisar la posición de los cojinetes/rodamientos de soporte del eje. Propuesta de la forma general para la geometría del eje para el montaje de los elementos elegidos (cambios de sección oportunos). Determinación de los esfuerzos sobre los distintos elementos que van montados sobre el eje. Cálculo de las reacciones sobre los soportes. Cálculo de las solicitaciones en cualquier sección. Selección del material del eje, y de su acabado. Selección del coeficiente de seguridad adecuado, en función de la manera en que se aplica la carga (suave, impacto). Suele estar entre 1.5 y 2. Localización y análisis de los puntos críticos en función de la geometría (cambios de sección) y de las solicitaciones calculadas. Dimensionado para su resistencia. Comprobación de las deformaciones. • • Comprobación dinámica de velocidad crítica. Determinación de las dimensiones definitivas que se ajusten a las dimensiones comerciales de los elementos montados sobre el eje. Algunas recomendaciones que se deben tener en cuenta durante el diseño son: • Los ejes han de ser tan cortos como sea posible para evitar solicitaciones de flexión elevadas. Con la misma finalidad, los cojinetes y rodamientos de soporte se dispondrán lo más cerca posible de las cargas más elevadas. • Se evitarán en la medida de lo posible las concentraciones de tensiones, para lo cual se utilizarán radios de acuerdo generosos en los cambios de sección, especialmente donde los momentos flectores sean grandes, y teniendo en cuenta siempre los máximos radios de acuerdo permitidos por los elementos apoyados en dichos hombros Para el cálculo tenemos una carga axial de 150 kg w = 150kg 2 (6) Momento flector: El material utilizado es un Acero AISI 1045; Análisis químico según Norma Nacional NMX B-301 (% en peso): C 0.43-0.50 Si 0.15-0.35 Mn 0.60-0.90 P màx. 0.040 S màx. 0.050 Tipo: Acero de medio contenido de carbón. Formas y Acabados: Barra redonda, cuadrada, hexagonal y solera, laminadas o forjadas en caliente, estiradas en frío y peladas o maquinadas. Placa laminada caliente. Anillos forjados. Características: El más popular de los aceros al carbón templables es sin duda el 1045. En todo tipo de aplicaciones en donde se requiera soportar esfuerzos por encima de los 600 MPa. (61 kgf/mm2), o en el caso de diámetros mayores, en donde se necesite una superficie con dureza media, 30 a 40 Rc, y un centro tenaz. Aunque su maquinabilidad no es muy buena, se mejora con el estirado en frío, además con este acabado se vuelve ideal para flechas, tornillos, etc. de alta resistencia. Aplicaciones: Por sus características de temple, se tiene una amplia gama de aplicaciones automotrices y de maquinaria en general, en la elaboración de piezas como ejes y semiejes, cigüeñales, etc. de resistencia media. Tratamientos térmicos recomendados (valores en ºC) FORJADO NORMALIZADO 1050-1200 870-890 PUNTOS TEMPLADOREVENIDO CRÍTICOS APROX. ABLANDAMIENTOREGENERACIÓN Ac1 Ac3 820-850 650-700 800-850 Agua 300-670 730 785 enfriar al aire enfriar al horno 830-860 Aceite RECOCIDO Propiedades mecánicas mínimas estimadas según SAE J1397 RESISTENCIA A LA TRACCIÓN TIPO DE PROCESO Y ACABADO MPa (kgf/mm2)Ksi CALIENTE Y MAQUINADO ESTIRADO EN FRÍO LIMITE DE FLUENCIA MPa (kgf/mm2)Ksi RELACIÒN DE ALARGA- REDUCCIÒN DUREZA MAQUINAMIENTO DE AREA BRINELL BILIDAD EN 2" % % 1212 EF = 100% 570 58 82 310 32 45 16 40 163 630 64 91 530 54 77 12 35 179 55 S y = 45 ksi S ut = 82 ksi El Torque necesario para girar el horno, se calcula con la siguiente fórmula: T =F* T= Torque, K a= 0.75 F= fuerza, d 2 (7) d= diámetro primitivo del engrane. K b= 0.869 K c= 0.814 K e=0.57 K f= 1.75 Se = Sut * Ka*Kb*Kc*Ke*Kf Se= 14.4 kpsi 2 1 2 2 16n K f M a K fsT m d = 4 + 3 s s π e y 13 (8) d= 1 ¾” 6.7. CÁLCULO Y SELECCIÓN DEL RODAMIENTO [13] 6.7.1. Selección del rodamiento Cuando un rodamiento bajo varga está parado, efectúa lentos movimientos de oscilación, o funciona a velocidades muy bajas, su capacidad para soportar carga no viene determinada por la fatiga del material, si no por la deformación permanente en los puntos de contacto entre los elementos rodantes y los caminos de rodadura. Esto también es válido para rodamientos giratorios sometidos a elevadas cargas de choque durante una fracción de revolución. En general pueden absorberse cargas equivalentes a la capacidad de carga estática C0 , sin perjuicio alguno sobre las características de funcionamiento del rodamiento. 6.7.2. Carga estática equivalente Las cargas que tienen componente radial y axial deben ser convertidas en una carga estática equivalente. La carga estática equivalente se define como la carga radial que si se aplicase produciría la misma deformación en el rodamiento que las cargas reales. Se obtiene por medio de la ecuación general: P0 = X 0 Fr + Y0 Fa P0 = Carga estática equivalente, en N Fr = Carga radial real, en N Fa = Carga axial real, en N X 0 = Factor radial Y0 = Factor axial En las tablas de rodamientos se dan todos los datos necesarios para el cálculo de la carga estática equivalente, si la carga estática equivalente P0 calculada es menor que Fr , se toma P0 = Fr 6.7.3. Capacidad de carga estática necesaria La capacidad de carga estática necesaria C0 de un rodamiento puede determinarse por medio de la ecuación: C0 = S 0 P0 C0 = Capacidad de carga estática, en N P0 = Carga estática equivalente, en N S 0 = Factor de seguridad estático P0 = 1.5513KN S0 = 1.6 C0 = 2.4821KN Tipo de rodamiento seleccionado: Rodamiento NU 1009, rodamiento de rodillo cilíndrico. 6.8. CALCULO DE LA COMBUSTIÓN [11] Para la ingeniería el proceso de combustión es fundamental, puesto que con el se logra liberar la energía química de los combustibles, depositarla como energía interna en la masa resultante de los gases de combustión y utilizar estos últimos en procesos de transferencia de calor, los combustibles son compuestos que tienen la particularidad de tener reacciones exotérmicas de oxidación, para lograr un proceso de combustión efectivo, se requiere que en la cámara de combustión se cumplan tres condiciones: • Que el combustible y el aire estén mezclados adecuadamente, de tal manera que cada partícula de combustible se encuentre rodeada del aire suficiente para su reacción; el mecanismo utilizado para lograr la mezcla de los reactivos en la cámara de combustión es el de propiciar la mezcla dentro de ellos. Es necesario también que la mezcla aire combustible se encuentre a una temperatura determinada, llamada temperatura de ignición, para que se desencadene el proceso de combustión. Una vez iniciada la combustión se requiere que cada partícula de combustible permanezca dentro de la cámara de combustión el tiempo suficiente para que pueda reaccionar completamente al que se le llama tiempo de residencia. • • Cuando en los reactivos se utilice el aire como agente oxidante, así suceden la realidad, la reacción de un combustible hidrocarburo, cuya fórmula general es Cn H m , será: Cn H m + ( m 4 + n ) O2 + 3.76 ( m 4 + n ) N 2 → nCO2 + m 2 H 2O + 3.76 ( m 4 + n ) N 2 Donde, n = 12 m = 26 (m 4 + n ) = 18.5 kmol C12 H 26 + 18.5 ( O2 + 3.76 N 2 ) → 12CO2 + 13H 2O + 69.56 N 2 Moles aire = 18.5 (4.76)kmol Moles aire = 88.06 kmol Masa aire = 88.06 kmol*29 kg/mol Masa aire = 2553.74 kg aire Masa molar = 12kmolC 12 kg kg + 26kmolH 1 kmolC kmolH (10) (11) Masa molar = 170 kg combustible Entonces la relación teórica de Aire/combustible es: Aire 2553.74kgAire kgAire = = 15 Combustible 170kgCombustible kgCombustible (12) Con esta relación se garantiza realizar una quemada más pura y menos contaminante. (9) Entonces se obtendrá una relación de aire combustible de acuerdo a la cantidad de aire que satisface el ventilador centrífugo, y de acuerdo con la cantidad de combustible que fluye por la tubería de ¼”. Aire Características del ventilador centrífugo. Velocidad (m/s) 3 Área 0,00456038 3 Densidad Aire (kg/m ) 1293 La relación masa de Aire, variando la válvula de paso es: Áreas (m2) A 0,00456038 A/2 0,00228019 A3/4 0,00342028 A/4 0,00114009 Caudal (m3/s) Masa Aire (kg) 0,01368113393 17,68970617 0,00684056696 8,844853084 0,01026085045 13,26727963 0,00342028348 4,422426542 Combustible Altura de combustible: 0,35 m Salida de combustible: ø 5/8” Densidad Combustible: 850 kg/m3 Por torricely se calcula la velocidad de salida del combustible: v = 2gh (13) Áreas (m2) Caudal (m3/s) Masa Combustible (kg) A 0,00019793 0,000518664 0,440864248 A/2 9,8967E-05 0,000259332 0,220432124 3*A/4 0,00014845 0,000388998 0,330648186 A/4 4,9483E-05 0,000129666 0,110216062 Luego la relación masa de aire/masa de combustible es: Relación 40,12506398 Otra relación es cuando la válvula de combustible está abierta a ¼” y la válvula de aire empieza a variar: Masa Aire (kg) Masa Combustible (kg) 17,68970617 0,110216062 8,844853084 0,110216062 13,26727963 0,110216062 4,422426542 0,110216062 6.9. Relación 160,5002559 80,25012796 120,3751919 40,12506398 CALCULO DE TRANSFERENCIA 6.9.1. Calentamiento y vaciado Para desarrollar la operación de fundición, el metal se calienta hasta una temperatura ligeramente mayor a su punto de fusión y después se vacía en la cavidad del molde para que se solidifique. En esta sección consideramos varios aspectos de estos dos pasos en la fundición. 6.9.2. Calentamiento del metal Se usan varias clases de hornos, para calentar el metal a la temperatura necesaria. La energía calorífica requerida es la suma de 1) calor para elevar la temperatura hasta el punto de fusión, 2) calor de fusión para convertir el metal sólido a líquido y 3) calor para elevar al metal fundido a la temperatura de vaciado. Esto se puede expresar como: { } H = ρ V Cs (Tm − T0 ) + H f + Ct (Tp − Tm ) (14) Donde: H = Calor requerido para elevar la temperatura del metal a la temperatura de fusión, ( J ) ( ρ = Densidad, Kg / m3 ) Cs = Calor específico del material sólido, ( J / Kg °C ) Tm = Temperatura de fusión del metal, ( °C ) T0 = Temperatura inicial, generalmente la ambiente, ( °C ) ( H ) = Calor de fusión, ( J / Kg ) f ( Ct ) = Calor específico en peso del metal líquido, ( J / Kg °C ) (Tp ) = Temperatura de vaciado, (°C ) V = Volumen del metal que se calienta, ( m3 ) Entonces el calor requerido para elevar la temperatura del material es: H = 22866.089kJ En términos de potencia, lo dividimos en el tiempo necesario para llevar el aluminio en estado sólido a estado líquido. t =40minutos Entonces obtendremos que la potencia es de: i Q = 9.52753 kw 6.9.3. Masa combustible necesaria El poder calorífico promedio para el ACPM es de 45000 ( KJ / Kg ) y la densidad es 850 ( Kg / m3 ) , la masa de combustible necesaria, es entonces la relación entre la potencia calorífica solicitada (18.14768969 kw), y el poder calorífico del Combustible. • • Q = m* ∆h (15) Donde: Q = Potencia calorífica ( KJ / h ) • m = Flujo másico de combustible ( Kg / h ) • ∆h = Poder calorífico del combustible ( KJ / Kg ) De esta forma el flujo masivo del combustible es: • m = 4.03281993*10E-4 kg/s 6.9.4. Transferencia de calor [10] Del estudio de la termodinámica sabemos que el calor es energía en tránsito que tiene lugar como resultado de las interacciones entre un sistema y sus alrededores debido a una diferencia de temperatura, de esta forma la transferencia de calor juega un papel importante, en lo que se refiere a las velocidades de transferencia de energía. Existen tres modos de transferencia de calor, llamadas conducción, convección y radiación, cada uno de estos modos puede estudiarse separadamente, si bien la mayoría de las aplicaciones en ingeniería, equipos de transferencia de calor como los intercambiadores de calor, las calderas, los condensadores, los radiadores, los calentadores, los hornos, los refrigeradores y los colectores solares, están diseñados tomando en cuenta el análisis de transferencia de calor. Los problemas de esta ciencia que es encuentran en la práctica se pueden considerar en dos grupos; • • De capacidad nominal. De dimensionamiento. Los problemas de capacidad nominal tratan de la determinación de la velocidad de la velocidad de transferencia de calor para un sistema existente a una diferencia específica de temperatura. Los problemas de dimensionamiento tratan con la determinación del tamaño de un sistema con el fin de transferir calor a una velocidad determinada para una diferencia específica de temperatura. 6.9.4.1. Perdidas en la pared cilíndrica La transferencia de calor estacionaria a través de cascos cilíndricos o esféricos de varias capas se puede manejar como en las paredes planas de capas múltiples, al sumar una resistencia adicional en serie por cada capa adicional, para el caso del material refractario presente en el horno de fundición se compone de tres capas de longitud L, que se muestra en la Figura 20 se puede expresar como: Figura 20. Capas de material. • Q= T∞1 − T∞ 2 Rtotal ; T∞1 = 1000º C , T∞ 2 = 40º C (16) Donde la resistencia total ( Rtotal ) viene dada por: Rcil = Rtotal = Rtotal = ln ( r2 r1 ) 2π LK (17) 1 ln ( r2 r1 ) ln ( r3 r2 ) ln ( r4 r3 ) + + + hA 2π L1 K1 2π L2 K 2 2π L3 K 3 (18) 1 0.1143 0.0508 0.003175 + + + 600*2π *0.211725*0.47785 0.316*2π *0.211725*0.47785 0.23*2π *0.326025*0.53365 63*2π *0.376825*0.54 (19) Rtotal = 0, 77362 ºC W Q = 1240,85W (1) : Ladrillo Refractario ( 2 ) : Manta Térmica ( 3) : Chapa de acero K1 = 0,316 (W m°C ) K 2 = 0,23 (W m°C ) K3 = 63 (W m°C ) L1 = 0,1143 m L2 = 0,0508 m L3 = 0,003175 m En los libros de TRINKS (HORNOS INDUSTRIALES) encontramos valores típicas del coeficiente de transferencia de calor por convección ( h ) ; h = 600 W m 2 °C (Tabulados) 6.9.4.2. Perdidas en la pared plana (Tapa inferior del horno) En la práctica, a menudo se encuentran paredes planas que constan de varias capas de materiales diferentes, todavía se puede usar el concepto de resistencia térmica con el fin de determinar la velocidad de transferencia de calor, estable a través de esas paredes compuestas, donde la resistencia térmica de cada pared en contra de la conducción de calor viene dada por, L KA conectadas en serie y aplicando la analogía eléctrica. Es decir al dividir la diferencia de temperatura que existe entre las dos superficies a las temperaturas conocidas entre la resistencia térmica total que presentan ambas. Una mejor representación (Ver Figura 21) Figura 21. Perdida de calor en paredes planas La configuración de resistencias térmicas para la inferior del horno basculante sería la siguiente: (Ver Figura 22) Figura 22. Resistencias térmicas Donde: • Q= T∞1 − T∞ 2 Rtotal (20) • Q = Velocidad de transferencia de calor a través de la pared. T∞1 = Temperatura de llama. T∞ 2 = Temperatura de la superficie exterior de la chapa de acero. R pared = L KA (21) La resistencia total por conducción viene dada por: Rtotal = 1 L L L + 1 + 2 + 3 hA K1 A K 2 A K 3 A Rtotal = 3,85403 K1 = 0,316 (W m°C ) K 2 = 0,23 (W m°C ) K 3 = 63 (W m°C ) (22) ºC W Q = 249,0896W L1 = 0,04 m L2 = 0,0508 m L3 = 0,003175 m En los libros de TRINKS (HORNOS INDUSTRIALES) encontramos valores típicas del coeficiente de transferencia de calor por convección ( h ) ; h = 600 W m 2 °C (Tabulados). 6.9.4.3. Perdidas de calor en la pared plana (Tapa superior del horno) Figura 23. Perdida de calor en una pared plana Para la tapa superior del horno, se tomara solo el material refractario ya que por facilidades de cálculo, la chapa de acero es tan delgada que se despreciaran las pérdidas por la misma, de esta forma tendremos: • Q= T∞1 − T∞ 2 Rtotal (23) La resistencia térmica por conducción viene dada por: R pared = L KA Rtotal = 0, 20879 (24) ºC W Q = 4597 ,8716W L: 0,02m K: 0.22 (W m°C ) A: 0,435404509 m2 Pérdidas totales de transferencia de calor es: Q = 6.0878 KW 6.9.5. Tiempo de calentamiento de las paredes del horno El tiempo de calentamiento de las paredes del horno, se determino por la formula de Fourier. t= τρ c p l 2 k (25) τ = 0.2, Kg , m3 kj c p = 0.79 , kg º C l = 0.05715m 2 , w k = 0.90 mº C ρ = 1920 Obtenemos: t = 18.348 min 7. ENCENDIDO Y PUESTA EN MARCHA DEL EQUIPO Es necesario tener en cuenta las siguientes recomendaciones antes de encender el equipo, con el fin de mejorar su vida útil, y optimizar el proceso de fundición. Es necesario que antes de introducir el crisol, en cada fundición se recubran las paredes de la cámara de combustión y tapa superior del mismo, con arcilla, de esta forma se asegura que el material refractario permanezca en óptimas condiciones. (Ver Figura 24) Figura 24. Cubrimiento de arcilla a las paredes del horno. Colocar los ladrillos refractarios en el fondo de la cámara de combustión, para lograr la altura de vaciado. Posicionar el crisol en la cámara de combustión. (Ver Figura 25) Figura 25. Posicionando el crisol en la cámara de combustión Alinear el canal de vaciado del crisol, con el canal del horno, asegurando que las alturas de los canales sean las mismas, una vez lograda la alineación, realice la debida sujeción del mismo con ladrillos tipo cuña. (Ver Figura 26) Figura 26. Alineación del canal de vaciado y ajustando el crisol con ladrillos tipo cuña. Preste especial atención a la altura del combustible, ya que a alturas elevadas la gravedad se encarga de que el consumo de combustible presente excesos, la altura recomendada, de acuerdo a las pruebas de puesta a punto son las siguientes, 113 a 115 cm del suelo, como nivel de referencia. (Ver Figura 27). Figura 27. Altura con respecto al quemador Abra la válvula de regulación del C3H8 y en la parte interna del horno encienda con la ayuda de un papel u otro dispositivo, la llama para calentamiento, ardiendo esta última arroje trozos de carbón que tenga contacto con la llama. Una vez ardan las brazas, cierre la entrada de gas, y encienda el ventilador a tres cuartos del flujo de este, simultáneamente abra la válvula de alimentación de combustible muy lentamente, y espere a que el flujo en la cámara de combustión se torne turbulento. (Ver Figura 28) Figura 28. Encendido del ventilador centrifugo. Encendido el equipo, espere el calentamiento en la cámara de combustión el tiempo para que esto suceda oscila entre 10 y 15 minutos. (Ver Figura 29) Figura 29. Encendido con gas. Acople la tapa superior del horno, y prosiga a cargar el equipo por la entrada auxiliar implantada en la tapa. (Ver Figura 30) Figura 30. Tapa superior y la entrada auxiliar implantada. Una vez cargado el equipo espere un tiempo no mayor a cuarenta minutos tiempo necesario para que el material entre en un cambio de estado. (Ver Figura 31) Figura 31. Material fundiéndose. Bascule el horno con la vestidura adecuada, con el fin de que la colada se haga lo mas optima posible, y los operarios no tengan opción de lección alguna. (Ver Figura 32) Figura 32. Vaciado del aluminio. 8. GUIA PARA LABORATORIO DE FUNDICIÓN Objetivo: El objetivo de la práctica de fundición es apoyar y complementar el aprendizaje de la asignatura teórica, Procesos de Manufactura, que resida en el plan de formación del ingeniero mecánico que sugiere la Universidad de Pamplona, mediante actividades experimentales que permitan a los alumnos conocer sus bases teóricas, sin inhibir el desarrollo de su creatividad. Procedimiento de moldeo: La construcción del molde requiere la preparación previa de una reproducción casi idéntica a la pieza que se desea fabricar llamada modelo. (Ver Figura 33) Figura 33. Proceso de modelado. • De acuerdo con el tamaño del modelo, se selecciona una caja de moldeo de tamaño apropiado, que a su vez debe llevar consigo un tablero de moldeo. • Se inicia posicionando el modelo sobre el tablero de moldeo, haciendo coincidir la mayor de sus caras. • Se gira la semi-caja (Hembra) 1800. Tener presente la ubicación de los sistemas de alimentación y llenado (el modelo debe quedar al menos a 5 cm del borde de la caja). • Se tamiza un poco de arena sobre el modelo de tal forma que se aplique una capa no mayor de unos 15 mm de arena sobre el modelo. • Se compacta cuidadosamente la arena de contacto sobre el modelo (con la yema de los dedos [nunca con las palmas de las manos]), lo que producirá una copia fiel del modelo. • Se completa una cierta cantidad de arena a apisonar uniformemente sin deteriorar el modelo con el pisón. • Se siguen apisonando cantidades de arena hasta completar el molde. Finalmente se debe obtener una superficie plana y lisa (se cambia el apisonador y se elimina la cantidad de arena sobrante con un rasador). • Gire la caja 1800(Es decir dele la media vuelta a la caja de tal forma que al colocar la caja superior encima de la que contiene el molde las guías existentes en los exteriores de las cajas queden completamente alineadas). • Se espolvorea una leve cantidad de carbón molido sobre la junta de moldeo, que impida la adhesión de la arena entre las arenas de la junta de moldeo. Se debe retirar el carbón que se deposite sobre el modelo y que harán superficies brutas de colada. (El carbón se apisonara en un recipiente, hasta que tome una consistencia arenosa, luego de esto se deposita la masa de carbón en un material que cuele el carbón para que solo salga polvo, [Una media velada]). • Ubique la caja superior encima de la caja donde ahora se encuentra el molde, asegurándose que las guías de la caja superior queden perfectamente alineadas con la inferior. • Se colocan los tubos de alimentación por donde se vierte el material fundido con objeto de rellenar el molde. • Tamice capaz de arena con el fin de apisonar varias capas hasta llenar totalmente la caja superior, una vez realizado este proceso se elimina la cantidad de arena sobrante con un rasador). • Pinchar con una aguja larga para hacer el conducto de evacuación de gases. • Con la ayuda de las cucharas y las espátulas realice embudos que faciliten la acción de verter el material. • Gire los bebederos, y muévalos muy ligeramente de un lado hacia el otro, con el fin de retirarlos. • Retire la caja superior y proceda a quitar el molde, hágalo con las agujas y dándole golpes muy suaves al molde con el fin de no deteriorar el moldeo y respetar un poco las tolerancias. • Si ocurre algún deterioro al retirar el molde prosiga a resanar el molde con las herramientas apropiadas (cucharas y espátulas), una vez culminada esta etapa ensamble las cajas, y vierta el material. 9. GASTOS DEL PROYECTO Descripción Ventilador Centrifugo Crisol Materiales Refractarios Transporte de los refractarios Construcción de la chapa Construcción de los soportes Mantenimiento del motor Las chumaceras Ejes Pintura Par de engranes El volante Encamisada de un engrane Transporte del horno Transporte de los refractarios Tornillos Tubo de acero Maquinado de la boquilla Manqueras Tapa Maquinado eje del volante El encendido Racor y manquera Moldes Punzones Aro Acpm Arcilla Papelería Gastos extras Totales Costo 300.000 80.000 680.000 200.000 330.000 380.000 60.000 90.000 125.000 60.000 50.000 50.000 35.000 20.000 20.000 15.000 10.000 180.000 45.000 50.000 45.000 10.000 15.000 13.000 8.000 15.000 50.000 15.000 60.000 250.000 3.261.000 10. CONCLUSIÓN El horno de fundición citado en las pruebas de puesta a punto es el resultado, de investigación calculo y ejecución planteada en los capítulos anteriores, una vez logrado su funcionamiento se logro reiterar la concordancia entre el diseño y el funcionamiento del equipo. Uno de los principales inconvenientes, de la evaluación teórica fue la ausencia de equipos, especializados, para tales propósitos, pero que con ayuda de estudios secundarios, se logro suplir y logar igual resultados veraces. La calidad de las piezas fundidas por el horno, es igual a la de los hornos que imperan en comercio, sumado a que se pueden lograr puntos de fusión más alto con el fin de lograr fundiciones de materiales ferrosos y no ferrosos, esto se debe a que el ambiente en la cámara de combustión, fue diseñado para soportar temperaturas no mayores a 17500 C La diferencia de diámetros entre la cámara de combustión, y las paredes del crisol, cumplieron con los parámetros de diseño recomendado por los expertos en el área, todo esto con el fin de que la combustión fuera optima y se permitiera un flujo turbulento, que propicie la uniformidad de temperatura en el horno. Hay que asociar el combustible y el aire en las proporciones adecuadas, 3/4” del caudal total del aire y ¼” del caudal de combustible en el momento de encendido y abrir al máximo para la combustión. Los combustibles líquidos se rompen en pequeñas gotas por medio de un atomizador y variando el tamaño de las gotas que salen del conducto de combustible en el quemador. El Acpm se introduce dentro de la corriente de aire de combustión para asegurar una buena mezcla y estabilizar la base de la llama. 11. RECOMENDACIONES Verificar las temperaturas con una cámara termo gráfica. Para tener idea de cómo se va expandiendo el calor por todo el horno. Hacer un análisis elemental de los gases de combustión, para identificar los porcentajes que estos emanan al medio ambiente, que se produce de la quema del ACPM. Implementar un mecanismo que remplace el volteo manual del horno, haciendo más ergonómico y seguro. Programar un apagado adecuado del horno, cada vez que se realice una fundición, para conservar la textura de los ladrillos refractarios. BIBLIOGRAFÍA 1. ORDOÑEZ, Stella. Técnicas Experimentales en metalurgia. Departamento de Ingeniería Metalúrgica, Universidad de Santiago de Chile. http://www.suramericana.com/Publicacion/pdfProductos/hornos.pdf 2. Técnicas Experimentales en Metalurgia (Área Ingeniería de Materiales), Unidad Temática Nº 8 http://www.metalurgiausach.cl/TECNICAS%20EXPERIMENTALES/UNID8.p df 3. http://materias.fcyt.umss.edu.bo/tecno-II/PDF/cap-228.pdf. 4. Moldes UMSS, Facultad de Ciencias y Tecnología, Ing. Mecánica. Tecnología Mecánica II. Fundiexpo 2000. 5. Arenas, Scout M. Strobl, Simpson Technologies Corp., Aurora, Minois, U.S. Fundamentos en la preparación y control de la Arena Verde. 6. CALLISTER, William D., Introducción a la ciencia e Ingeniería de los materiales. Ed. Reverté S. A, España 1995. 7. Erecos, empresa www.erecos .com lider en materiales refractarios. http://http 8. Mecapedia - Enciclopedia Virtual de Ingeniería MecánicaÁrea de Ingeniería Mecánica - Dpto. Ingeniería Mecánica y Construcción Universitat Jaume I Castellón España. http://www.emc.uji.es/d/mecapedia/diseno_de_ejes_y_arboles_de_transmisi on.htm. 9. http://www.acerospalmexico.com.mx/1045.htm 10. Yunus A. CENGEL, Fundamentos de transferencia de calor 11. Yunus A. Cengel, Jhon M. CIMBA. A, Mecánicas de fluidos fundamentos y aplicaciones, Capitulo 5, conservación de masa y energía. 12. ÇENGEL, Yunus y BOLES, Michael. Termodinámica: Tales, 5 ed, Editorial McGraw-Hill. P. Tales. 13. Shigley, Diseño en ingeniería mecánica, Sexta edición. . ANEXOS Anexo A, Propiedades del Ladrillo Refractario U-33. Anexo B, Propiedades del mortero. Anexo C, Propiedades del concrax 1500. Anexo D, Fotos del horno de fundición. Anexo E, Planos del Horno. Anexo A Propiedades del Ladrillo Refractario U-33 Clasificación NTC - 773, ASTM C-27 Ladrillo Refractario U-33 Supetr Refractarios Super Duty Análisis Químico (%) Al2O3 SiO2 Fe2O3 TiO2 CaO MgO Alcalis Cono Pirométrico Equivalente (PCE) Temperatura equivalente (°C) NTC - 706, ASTM C-24 42.5 52.5 1.5 2.0 0.3 0.3 0.5 34 1763 Porosidad aparente (%) NTC -674, ASTM C-20 20.0 - 24.0 Densidad aparente (g/cm3) NTC -674, ASTM C-20 2.13 - 2.23 Resistencia a la compresión en frio. MPa (kg/cm2) NTC -682, ASTM C-133 25.0 - 37.0 ( 250 - 370 ) Módulo de ruptura en frio. MPa (kg/cm2) NTC -682, ASTM C-133 7.5 - 13.5 ( 75 - 135 ) Cambio lineal permanente a 1600 °C (%) NTC - 688, ASTM C -113 0.5C - 2.0C Deformación bajo carga en caliente a 1450 °C (%) NTC -1107, ASTM C -16 2.0 - 3.5 Anexo B Propiedades del mortero SUPERAEROFRAX Clasificación NTC -765, NTC – 851 Tipo de Mortero Húmedo de fraguado al aire Análisis Químico (%) Al2O3 SiO2 Fe2O3 TiO2 CaO MgO Alcalis 43.0 50.3 1.8 2.1 0.2 0.3 2.0 Cono Pirométrico Equivalente (PCE) 32 ½ Temperatura equivalente (°C) NTC - 706, ASTM C-24 1724 Refractariedad, el mortero no fluye de la junta a °C NTC -861, ASTM C -199 1600 Máximo tamaño de grano mm Agua de preparación ml/kg mortero para aplicar con palustre para aplicar por inmersión kg de mortero requerido para pegar 1000 ladrillos de 9 * 4 1/2 * 2 1/2" con palustre por inmersión Presentación Super refractario 0.6 como se entrega 60 180 160 Tambores de 35 kg Anexo C Propiedades del concrax 1500 CONCRAX 1500 Clasificación NTC -814, ASTM C -401 Clase D Análisis Químico (%) Al2O3 SiO2 Fe2O3 TiO2 CaO MgO Alcalis 49.5 39.0 1.3 2.0 7.5 0.3 0.4 Cono Pirométrico Equivalente (PCE) 32 Temperatura equivalente (°C) NTC - 706, ASTM C-24 1717 1540 Máxima temperatura de servicio recomendada °C Máximo tamaño de grano mm Material seco requerido por metro cúbico kg Agua de preparación cm3 de agua/kg de material seco NTC -988, ASTM C -860 Densidad volumétrica °C - g/cm3 ASTM C -134 Módulo de ruptura en frio °C - MPa (kg/cm2) NTC -988, ASTM C -133 5 2000 - 2100 120 - 135 110 1000 1260 1370 1480 2.00 - 2.10 1.80 - 1.85 1.85 - 1.90 1.85 - 1.90 1.95 - 2.00 110 5.0 - 8.0 1000 1.5 - 2.5 1260 4.0 - 6.0 1370 12.0 - 14.0 ( 50 - 80 ) ( 15 - 25 ) ( 40 - 60 ) ( 120 - 140 ) 1480 14.0 - 15.0 ( 140 - 150 ) Anexo D Fotos del horno de fundición . Anexo E Planos del horno Horno UNIVERSIDAD DE PAMPLONA DISEÑO, CONSTRUCCIÍON DE UN HORNO TIPO BASCULANTE PARA FUNDIR ALUMINIO. FECHA 13-01-2009 ESCALA 1:10 JONATHAN PEREZ Y ARMANDO SOTO 44,45 Chapa de acero 130 17,92 O 759,86 O 753,51 O 649,96 O 240 103,22 204,97 60,21 49,79 150 150 540 UNIVERSIDAD DE PAMPLONA 760,35 DISEÑO, CONSTRUCCIÍON DE UN HORNO TIPO BASCULANTE PARA FUNDIR ALUMINIO FECHA 13-01-2009 ESCALA 1:5 JONATHAN PEREZ Y ARMANDO SOTO Base del horno UNIVERSIDAD DE PAMPLONA DISEÑO, CONSTRUCCIÍON DE UN HORNO TIPO BASCULANTE PARA FUNDIR ALUMINIO. FECHA 13-01-2009 ESCALA 1:2 JONATHAN PEREZ Y ARMANDO SOTO Angulo de refuerzo 80 449,03 415 75° 63,5 UNIVERSIDAD DE PAMPLONA DISEÑO, CONSTRUCCIÍON DE UN HORNO TIPO BASCULANTE PARA FUNDIR ALUMINIO. FECHA 13-01-2009 ESCALA 1:1 JONATHAN PEREZ Y ARMANDO SOTO 100 Angulo inclinado 600 75° 10 200 100 UNIVERSIDAD DE PAMPLONA DISEÑO, CONSTRUCCIÍON DE UN HORNO TIPO BASCULANTE PARA FUNDIR ALUMINIO. FECHA 13-01-2009 ESCALA 1:1 JONATHAN PEREZ Y ARMANDO SOTO Angulo Plano 90 5 2 ,5 ° 63,5 O 12 100 240 5 142,55 UNIVERSIDAD DE PAMPLONA DISEÑO, CONSTRUCCIÍON DE UN HORNO TIPO BASCULANTE PARA FUNDIR ALUMINIO. FECHA 13-01-2009 ESCALA 1:1 JONATHAN PEREZ Y ARMANDO SOTO Angulo de refuerzo 200 O 10 100 10 UNIVERSIDAD DE PAMPLONA DISEÑO, CONSTRUCCIÍON DE UN HORNO TIPO BASCULANTE PARA FUNDIR ALUMINIO. FECHA 13-01-2009 ESCALA 1:1 JONATHAN PEREZ Y ARMANDO SOTO O 48 Tapas del horno R 36 60 60 760 O 751,08 O 230 O 760 O 200 O 218,56 O 80 O 14 R 13 20 230 UNIVERSIDAD DE PAMPLONA DISEÑO, CONSTRUCCIÍON DE UN HORNO TIPO BASCULANTE PARA FUNDIR ALUMINIO. FECHA 13-01-2009 ESCALA 1:5 JONATHAN PEREZ Y ARMANDO SOTO 53,37 10 20 40,01 O6 Juego de engranes y eje. 26 150 117 O 44,45 O 34,93 20 35 255 UNIVERSIDAD DE PAMPLONA DISEÑO, CONSTRUCCIÍON DE UN HORNO TIPO BASCULANTE PARA FUNDIR ALUMINIO. FECHA 13-01-2009 ESCALA 1:1 JONATHAN PEREZ Y ARMANDO SOTO Base del eje del volante 100° 233,6 R 4,67 15° 100 O 12 197,29 UNIVERSIDAD DE PAMPLONA DISEÑO, CONSTRUCCIÍON DE UN HORNO TIPO BASCULANTE PARA FUNDIR ALUMINIO. FECHA 13-01-2009 ESCALA 1:2 JONATHAN PEREZ Y ARMANDO SOTO Chumacera 1 3/4 " O 12 60 O 35 50 108,09 15 220,11 UNIVERSIDAD DE PAMPLONA DISEÑO, CONSTRUCCIÍON DE UN HORNO TIPO BASCULANTE PARA FUNDIR ALUMINIO. FECHA 13-01-2009 ESCALA 1:1 JONATHAN PEREZ Y ARMANDO SOTO Quemador UNIVERSIDAD DE PAMPLONA DISEÑO, CONSTRUCCIÍON DE UN HORNO TIPO BASCULANTE PARA FUNDIR ALUMINIO. FECHA 13-01-2009 ESCALA 1:1 JONATHAN PEREZ Y ARMANDO SOTO Boquilla del quemador 25 115 14,92 R 4,5 O 38,14 O 35 13 10 O 74 O 100 UNIVERSIDAD DE PAMPLONA DISEÑO, CONSTRUCCIÍON DE UN HORNO TIPO BASCULANTE PARA FUNDIR ALUMINIO. FECHA 13-01-2009 ESCALA 1:1 JONATHAN PEREZ Y ARMANDO SOTO Tubo de aire y de gas 76,2 R 6,35 8,7 R 3,49 340,06 470 59,94 5 16 20 O 65,2 O 10 UNIVERSIDAD DE PAMPLONA DISEÑO, CONSTRUCCIÍON DE UN HORNO TIPO BASCULANTE PARA FUNDIR ALUMINIO. FECHA 13-01-2009 ESCALA 1:2 JONATHAN PEREZ Y ARMANDO SOTO Tubo de Combustible 33,29 96,49 10 27,56 15,85 14 199,04 UNIVERSIDAD DE PAMPLONA DISEÑO, CONSTRUCCIÍON DE UN HORNO TIPO BASCULANTE PARA FUNDIR ALUMINIO. FECHA 13-01-2009 ESCALA 1:1 JONATHAN PEREZ Y ARMANDO SOTO Tubo de gas 9 10,48 16 20 20 299,94 UNIVERSIDAD DE PAMPLONA DISEÑO, CONSTRUCCIÍON DE UN HORNO TIPO BASCULANTE PARA FUNDIR ALUMINIO. FECHA 13-01-2009 ESCALA 1:1 JONATHAN PEREZ Y ARMANDO SOTO Ventilador UNIVERSIDAD DE PAMPLONA DISEÑO, CONSTRUCCIÍON DE UN HORNO TIPO BASCULANTE PARA FUNDIR ALUMINIO. FECHA 13-01-2009 ESCALA 1:5 JONATHAN PEREZ Y ARMANDO SOTO Volante 156,6 O 71,12 O 410,63 O 31,12 38,7 UNIVERSIDAD DE PAMPLONA DISEÑO, CONSTRUCCIÍON DE UN HORNO TIPO BASCULANTE PARA FUNDIR ALUMINIO. FECHA 13-01-2009 ESCALA 1:2 JONATHAN PEREZ Y ARMANDO SOTO
