Subido por Oscar Flores

DISENO CALCULO Y CONSTRUCCION DE UN HORN (1)

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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
Armand0s0t0@hotmail.com
3168051577
FREY JONATHAN PÉREZ PINO
1090376345
fjonathan_126@hotmail.com
3162386803
Proyecto de grado presentado como requisito para optar al título de
Ingeniero Mecánico
DIRECTOR
JUAN PABLO FLÓREZ M.
INGENIERO MECÁNICO
jpfm.me@gmail.com
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
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