apuntes de moldes y modelos de fundición

Diseo de moldes y modelos de fundicin. (1DFM) Matas de Haro Padilla Pg. 54

MOLDEO EN MOLDES METLICOS. COQUILLAS:

En los mtodos anteriores, hay que romper el molde para extraer la pieza moldeada, por tanto, hay que construir tantos moldes como piezas se precisen.

Las coquillas son moldes metlicos permanentes, que permiten obtener un nmero muy elevado de piezas iguales (a veces hasta 300000). Se reduce o se elimina el mecanizado posterior y se obtienen superficies ms finas y uniformes que con arena. El principal inconveniente es que son muy caras, por lo que se debe conocer a priori el nmero mnimo de piezas que hay que fabricar para que el procedimiento resulte rentable.

Moldeo en coquilla por gravedad:

Los moldes se preparan manualmente y la colada se efecta como en los moldes de arena, por su propio peso, sin ninguna presin adicional. Los moldes se fabrican de fundicin gris perltica con grafito disperso o de acero. Tienen dos o ms partes desmontables, y entre ellas queda una cavidad o hueco que reproduce la forma de la pieza, los bebederos, canales de alimentacin y mazarotas. Tambin llevan machos metlicos o de arena para obtener los huecos de la pieza. Los machos metlicos, se usan cuando se extraen con facilidad una vez solidificada la aleacin, y los de arena o yeso se destruyen despus de la colada. Cuando las piezas son pequeas, pueden emplearse las coquillas en libro, en las que ambas partes estn unidas por bisagras.

Si las piezas son voluminosas, se usa una base sobre la que se ajustan los dos bloques que forman la parte superior del molde. Los machos metlicos, se fabrican de fundiciones o aceros aleados (ms refractarios que el metal del molde); si se desalojan con facilidad, se construyen de una sola pieza con un ngulo de salida, si no, se hacen en varios trozos. Si no es posible sacarlo en varios trozos, entonces necesariamente hay que usar machos de arena o yeso. En este caso el molde se denomina semipermanente.


El sistema de distribucin se dispone en la divisin del molde, con un diseo adecuado, para evitar turbulencias y asegurar la solidificacin progresiva del metal desde la parte ms alejada de la pieza hasta la entrada.

Las coquillas disipan el calor que le comunica el metal lquido y la solidificacin tiene lugar rpidamente. Cuando se desea regular la velocidad de enfriamiento en las diversas partes del molde, se construyen coquillas provistas de aletas u orificios de


circulacin de aire, agua o aceite si el enfriamiento ha de ser forzado; por el contrario, se calientan con resistencias o aislamientos trmicos aquellas partes en que se precisa un enfriamiento ms lento.

Operaciones del moldeo en coquilla:

1. Limpieza de las diversas partes del molde con aire caliente a presin y calentamiento hasta la temperatura ms adecuada para la colada.

2. Recubrimiento de la cara interior del molde con una capa delgada de material refractario.

3. Colocacin de los machos y cierre del molde. 4. Colada del metal en el molde, dejndolo el tiempo suficiente para que la pieza

solidifique. 5. Extraccin de la pieza.

Las aleaciones empleadas para la obtencin de piezas con este proceso son a base de Pb, Sn, Zn, Al, Mg, Cu y fundicin gris.

Ventajas:

a. Precisin dimensional. b. Mejor acabado superficial. c. Menor mecanizado posterior. d. Estructura ms densa y compacta, de grano ms fino y propiedades mecnicas

ms elevadas. e. Se eliminan algunos de los defectos propios de la arena (porosidades). f. Produccin muy rpida.

Inconvenientes:

a. Slo econmicamente viable cuando es un nmero elevado de piezas. b. La forma de la pieza debe ser sencilla. c. La elevada velocidad de enfriamiento de las capas superficiales de la pieza

puede crear tensiones internas, con lo que sera necesario un recocido posterior.

Moldeo en coquilla con inversin del molde:

Empleado principalmente para obtener piezas huecas de orfebrera. Consiste en dejar que se forme una capa de metal slido en contacto con las paredes de la coquilla, y cuando ha alcanzado el espesor deseado, se invierte el molde, y se desaloja el metal


lquido que an no ha solidificado. El espesor de la capa es funcin de la temperatura de la coquilla y del tiempo transcurrido desde que se efecta la colada hasta que se invierte el molde.

Las coquillas, por lo general, se fabrican en bronce, que es buen conductor del calor. Las caractersticas mecnicas de las piezas son muy bajas, el acabado de la superficie interior es muy rugoso (debido al crecimiento dendrtico), el espesor de la capa no es uniforme, sin embargo el aspecto exterior es muy bueno. Por todo lo anterior, este moldeo se usa cuando lo que interesa es slo el aspecto de la superficie exterior (as se ahorra metal y las piezas son ms ligeras) o cuando se precisan piezas huecas, sin exigencias mecnicas, difciles de obtener con machos.

Moldeo en coquilla con presin:

El metal se introduce lquido en el hueco del molde bajo presin. Esto favorece el llenado rpido del molde y la reproduccin fiel de sus ms finos detalles, tambin se eliminan los poros en las secciones macizas de la pieza. La presin suele estar entre 1 y 50 MPa, y la velocidad de introduccin del metal en el molde es de 60 m/s aprox. Las piezas quedan totalmente terminadas y no necesitan mecanizado posterior. La precisin dimensional es de 0,1 a 0,01 mm, lo que permite obtener incluso roscas de precisin. La estructura del metal obtenido es de grano fino y sus propiedades mecnicas muy elevadas.


Segn la forma de inyectar el metal en la coquilla tenemos 2 tipos de mquinas:

Mquinas de cmara caliente: (de cuello de cisne).

Se usan para aleaciones de Pb, Sn o Zn, con temperaturas de fusin de hasta 450 C. Constan de un horno de fusin, que transfiere automticamente la aleacin lquida a un recipiente de fundicin, donde se mantiene constante el nivel y la temperatura. El llenado de la cavidad del molde se hace por medio de un mecanismo inyector que est total o parcialmente sumergido en el metal lquido, a presin con aire comprimido o con mbolo.


En las mquinas de mbolo, el cilindro est completamente sumergido y el metal lquido penetra en l a travs de un orificio lateral. Cuando la mquina se pone en funcionamiento, se cierran automticamente las dos mitades del molde. Entra en funcionamiento el mbolo que presiona al metal fundido al interior del molde. Una vez que ha solidificado la pieza, el mbolo se levanta y aspira el metal lquido del cuello de cisne. Simultneamente se abre el molde y se desaloja la pieza mediante los pernos eyectores, quedando en disposicin de repetir la operacin.

Este tipo de mquinas puede alcanzar una produccin de ms de 1000 piezas por hora. La presin sobre el metal oscila entre 0,5 y 14 MPa, dependiendo del tipo de mquina y de la aleacin colada.

La desventaja principal de este tipo de mquina deriva del contacto continuo del metal fundido con el mecanismo de inyeccin, esto limita el tipo de aleacin que se puede inyectar, as como la temperatura de colada. Si sta es muy alta, superior a 500 C, se formar xido entre las paredes del mbolo y el cilindro, que dar lugar a averas.

Mquinas de cmara fra:

El mecanismo de inyeccin se encuentra a temperatura inferior a la de colada, el metal se funde en un horno aparte y se cuela en la cmara de compresin con una cuchara o dispositivo automtico de alimentacin, que introduce slo la cantidad necesaria para cada pieza. Acta un mbolo e inyecta el metal en el hueco del molde. Normalmente tienen la cmara de compresin horizontal, excepto la tipo Polak que la tiene vertical.


La presin de estas mquinas es muy superior a las de la cmara caliente.


En estas mquinas se cuelan aleaciones a base de cobre, aluminio, magnesio y cinc, pues estas aleaciones, al ser muy contaminantes, oxidaran al mbolo de las de cmara caliente. En las de cmara fra la contaminacin se reduce al mnimo por el poco tiempo que la aleacin est en contacto con las partes de la mquina.

Composicin de las coquillas:

Estn formadas por dos mitades: Una mitad est fija a la mquina por el lugar por donde se efecta la

alimentacin, cuya cavidad de moldeo supone una pequea parte de la de la


pieza. La otra mitad, que tiene la mayor parte de la cavidad de moldeo, va montada en

un carro mvil, que le permite el acercamiento o separacin de la primera mitad. Adems, lleva una placa que empuja a los vstagos eyectores que desalojan la pieza de la cavidad del molde.

En los lugares donde la aleacin solidifica en ltimo lugar deben hacer conductos de salida de gases.

El material de la coquilla debe ser resistente al choque trmico, al ablandamiento y al desgaste a temperaturas elevadas. Se elige en funcin del tipo de aleacin y de la temperatura de colada. Para colar aleaciones a base de Pb o Sn se emplean aceros al carbono, en las aleaciones a base de Cu se requieren aceros aleados y tratados trmicamente despus de mecanizados.

MOLDEO POR CENTRIFUGACIN:

El molde tiene un movimiento de rotacin que se lo comunica al metal fundido por arrastre de sus paredes. La fuerza centrfuga )( 2 RmFc = lanza el metal lquido contra las paredes del molde y aumenta su presin, facilitando el llenado de los huecos y la solidificacin. Slo son rentables para grandes series pues las instalaciones son muy costosas.

Colada centrfuga pura:

Se usa para fabricar piezas cilndricas huecas (tubos, cilindros, rboles huecos, coronas de engranajes, camisas para motores de explosin, etc.), cuyo eje de simetra coincide con el eje de rotacin del molde. La fuerza centrfuga forma el hueco interior del molde, sin precisar machos, y hace innecesario el uso de mazarotas. Las mquinas para este tipo de colada, se pueden clasificar:

a. Por la disposicin del eje de rotacin del molde: vertical, horizontal o inclinado. b. Por la forma de suministrar el metal al molde:

i. El canal de colada y el molde no experimentan movimiento relativo. ii. Mientras que el molde gira, el canal de colada se desplaza linealmente en

direccin axial. iii. El canal de colada permanece fijo y el molde, a la vez que gira, se

desplaza linealmente con relacin al canal. c. Por el estado trmico del molde: Con o sin refrigeracin exterior, con

recubrimiento interior aislante (arenas).


Moldes con eje de rotacin vertical:

Para fabricar piezas cuyo dimetro sea mucho mayor que su longitud. La superficie interior es un paraboloide de revolucin que resulta de la accin combinada de la fuerza centrfuga y de la gravedad. Por tanto, la parte inferior tiene un espesor mayor que la superior y la diferencia es tanto mayor cuanto ms alta es y menor el nmero de revoluciones por minuto del molde. Por este motivo, su uso est limitado a piezas de poca longitud con relacin a su dimetro: coronas de engranajes, llantas, etc.

El molde gira alrededor del eje de rotacin Z, con velocidad angular constante . Al cabo de cierto tiempo, debido al rozamiento interno, toda la masa metlica lquida gira alrededor del eje Z con velocidad . Sobre el elemento de volumen dV, de masa unidad (m = 1), actan dos fuerzas:

Gravitatoria: P = -g, de componentes X = 0, Y = 0, Z = -g Centrfuga: dV) volumen de elemento del giro de radio el (siendo ,2cF = , de componentes: X = 2x, Y = 2y, Z = 0

Sustituyendo en la ecuacin de equilibrio e integrando tenemos que la diferencia de presiones o sobrepresin entre dos puntos 1 y 2 de la masa lquida, situados en la misma horizontal (Z = cte) es:

2

222

21

21

=

pp

Esta frmula nos permite calcular la velocidad angular o el nmero de rpm para


obtener una sobrepresin en un punto dado.

Moldes con eje de rotacin horizontal:

Para fabricar piezas cuya longitud es mucho mayor que su dimetro (tubos, casquillos, camisas para motores de explosin, etc.). El molde, metlico o de arena, gira rpidamente, para que la superficie cilndrica interior sea uniforme, se alcanzan aceleraciones centrfugas de 60 80g.

Segn Konstantinov, para que la pieza obtenida no tenga defectos:

iRn

.

5520

= , siendo n = rpm; = densidad en g/cm3 y Ri = radio interior de la pieza en

cm.

Molde metlico: El rotor, que acta de molde, suele ser de fundicin o de acero, mecanizado interiormente, para que reproduzca la forma exterior de la pieza.

Mtodos:

Mtodo de Watertown: Molde de fundicin de paredes gruesas, recubierto interiormente con una capa de material refractario. Alcanza 1200 1400 rpm. El metal se cuela por el extremo de mayor dimetro, controlando el volumen de metal que entra en el molde para que fluya suavemente de un extremo al otro, se distribuya uniformemente y haya continuidad de la capa solidificada. Para fabricar tubos largos de acero, camisas de acero, piezas bimetlicas (tubos de acero al carbono por el exterior y de inoxidable por el interior) etc.

Mtodo de Lavaud: Molde de fundicin envuelto con una camisa que permite la circulacin de agua para su refrigeracin. El molde al mismo tiempo que gira se desplaza linealmente con respecto al canal de colada (hasta 6 m) que est introducido en el molde. El metal fundido se va depositando en forma de hlice consiguindose un espesor uniforme. Una vez el tubo lleno, cesa el suministro de metal y el molde contina girando hasta que solidifica por completo y adquiere su resistencia.


Molde de arena: El rotor de acero o fundicin, se recubre interiormente con un molde de arena, previamente preparado. La velocidad de enfriamiento no es muy elevada.

Colada semicentrfuga:

Para fabricar piezas simtricas con relacin al eje central (ruedas con radios, ruedas dentadas, volantes, fresas de dientes rectos, etc.). Se usan moldes metlicos o de arena con machos para los huecos. La colada se realiza por la cavidad central, mientras que el molde gira alrededor de su eje vertical. Pueden usarse moldes superpuestos, que dan piezas iguales, dispuestas en pilas o racimos, con un canal central de colada y conductos de alimentacin horizontales. Por efecto de la fuerza centrfuga, el metal fundido pasa a travs de los radios hacia la periferia de la cavidad del molde, crea una elevada presin y facilita el llenado del mismo. La velocidad de rotacin no debe ser muy elevada, pues de lo contrario existe el riesgo de que el metal lquido se cuele por las juntas de las diversas partes del molde.

Colada centrifugada:

Se usa para llenar simultneamente moldes, que giran alrededor de un eje comn, que no coincide con sus ejes propios. La cavidad no es simtrica en cuanto a su forma, pero s tiene que estar equilibrada dinmicamente. En la figura hay un molde


mltiple cuyas cavidades se comunican con un bebedero central mediante canales de alimentacin horizontales. El conjunto se sita sobre una plataforma giratoria y recibe el metal lquido que, por la accin centrfuga, lo lanza a travs de los conductos de colada hacia la periferia, llenando los moldes de forma compacta.

Principales ventajas de la colada por centrifugacin:

1. Eliminacin de machos. 2. Mejor llenado del molde que en la colada de gravedad. 3. Posibilidad de obtencin de paredes muy delgadas. 4. Aumento de la densidad del metal fundido, que eleva las caractersticas

mecnicas al solidificar. 5. Se obtienen piezas ms sanas, ya que las impurezas, menos densas que el

metal lquido (escorias, arena, burbujas gaseosas, etc.), se concentran cerca del eje de rotacin, y no llegan a las piezas.

6. Mejor microestructura, con grano ms fino, porque se evita un enfriamiento prematuro al lanzar el metal rpidamente contra las paredes del molde.

Rugosidad superficial en la Fundicin y en otros procesos de Conformado.


HORNOS:

Previamente a la colada hay que obtener el metal fundido. El paso del slido al lquido (fusin), se consigue cuando la energa de vibracin de los tomos de la red cristalinas es suficientemente elevada para que se rompan las ligaduras interatmicas y adquieran un movimiento desordenado. En los metales puros y compuestos eutcticos, la fusin tiene lugar en una temperatura fija (temperatura de fusin), en las aleaciones existe un intervalo de solidificacin. La determinacin de la temperatura de colada correcta es de la mayor importancia. No es conveniente un sobrecalentamiento excesivo, ya que, a medida que aumenta la temperatura, aumenta la solubilidad de los gases en el metal lquido, y puede darse tambin la vaporizacin de los componentes ms voltiles de la aleacin. Adems, cuanto mayor es el grado de sobrecalentamiento, mayor es el tamao de grano de solidificacin. Si la temperatura de colada es demasiado baja, existe el peligro de que la aleacin no posea la debida fluidez y, en consecuencia, que no llene el molde por completo o que se originen rechupes internos.

Cantidad de calor necesario para fundir y sobrecalentar un metal o aleacin:

El calentamiento del metal o aleacin desde la temperatura ambiente hasta la de colada, la podemos subdividir en tres periodos:

Calentamiento hasta la temperatura de fusin: La cantidad de calor necesaria para calentar una masa desde una temperatura inicial hasta la temperatura de fusin, viene dada por la expresin:

)( imecQ f = ; donde ce = calor especfico medio en el intervalo de temperaturas en J / kgC.

El calor especfico medio de las aleaciones se calcula a partir de los calores especficos de los componentes, segn la regla de las mezclas:

...

...)(21

2211

++

++=

mm

cmcmCe

Fusin: En este periodo, todo el calor comunicado se invierte en destruir la red cristalina; es un calor latente, o sea, que no se pone de manifiesto por una elevacin de temperatura. El calor latente de fusin (lf), representa el calor absorbido por la unidad de masa para


transformarse de slido a lquido sin variar la temperatura; se expresa en J / kg.

Sobrecalentamiento: La cantidad de calor necesaria para el sobrecalentamiento a una determinada temperatura, despus de la fusin, nos la da la expresin:

)( fsl mCQ = , siendo Cl el calor especfica medio del metal en estado lquido. Su valor aproximado en metales se obtiene por

a

l MC 30= , donde Ma es la masa atmica.

Los hornos son dispositivos que se emplean en fundicin para suministrar al metal el calor necesario para fundirlo y sobrecalentarlo hasta la temperatura ms conveniente para la colada. Para elegir un horno, hay que tener en cuenta los siguientes factores:

1. Cantidad de metal necesario. 2. Composicin y temperatura del metal. 3. Velocidad de fusin. 4. Grado de pureza requerido en el metal. 5. Coste inicial del horno. 6. Coste bsico de la operacin. 7. Coste de los combustibles. 8. Contaminacin.

La menor contaminacin del metal durante la fusin se consigue con los hornos elctricos de induccin y de resistencia. En los de combustible, cuando el crisol se asla de ste y de sus productos de combustin.

Tipos de hornos:

Hornos de combustible:

Usan combustibles slidos (carbn vegetal, madera, hulla, coque, etc.), lquidos (gasolina, gasoil, fueloil, etc.) o gaseosos (gas natural). El calor procede de la energa desprendida en la reaccin de los elementos combustibles (C, H, S) con el comburente (oxgeno), de acuerdo con las siguientes ecuaciones:

C + O2 ----- CO2 + 335 . 105 J / kg de C 2H2 + O2 ----- 2H2O + 1419,3 . 105 J / kg de H S + O2 ----- SO2 + 105 . 105 J / kg de S

Cantidad de aire para la combustin: Las reacciones anteriores suponen un consumo terico de aire, suponemos que el combustible contiene c kilos de C, h kg de H y o kg


de O. Cantidad terica de oxgeno = )( 8

38

432

1232 kgohcohc +=+ , y en volumen a 0 C y 1

atm, )( )83

8(32

4,22)( 32 mohcOV +=

Como el porcentaje de oxgeno en el aire es del 23%, la cantidad de aire necesaria ser:

)( )83

8(23

100 kgohcAt += , y en volumen a 0 C y 1 atm, )( 324,22)( 32 mAOV t=

En la prctica, la cantidad terica de aire no es suficiente para la combustin completa, se precisa una cantidad efectiva Ae que se obtiene multiplicando el resultado anterior por un coeficiente de exceso de aire (m):

)( )83

8(23

100 kgohcmmAA te +==

El valor de m es de 1,5 a 2 para los combustibles slidos; de 1,1 a 1,2 para los lquidos y de 1 a 1,1 para los gaseosos.

Los hornos de combustible podemos subdividirlos en los grupos:

a. Hornos en los que el metal no est en contacto ni con el combustible ni con los gases de la combustin. A este grupo pertenecen los hornos de crisol, calentados por carbn, gas o derivado del petrleo.

b. Hornos en los que el metal est en contacto con el combustible y con los gases de la combustin. El horno ms representativo de este grupo es el cubilote, donde se cargan juntos la fundicin y el carbn.

c. Hornos en los que el metal est en contacto con los gases de la combustin pero no con el combustible. A este grupo pertenecen los hornos de reverbero y Martin-Siemens.

Hornos elctricos:

Se basan en la transformacin de la energa elctrica en calorfica por efecto Joule: Q = I2 R t. Q = cantidad de calor en julios, I = intensidad en amperios, R = resistencia en ohmios y t = tiempo en segundos.

La cantidad de calor (Q) tambin se puede expresar en unidades de energa elctrica. La potencia elctrica en watios es:

Pot. = Voltaje . Intensidad = V.I; la energa elctrica viene dada por = Pot. t (kWh) Por la ley de Ohm: V = R.I, entonces la energa electrica = I2 R t = V2.t / R.

Como ventajas de estos hornos: 1) mnima contaminacin del metal en la fusin, 2)


Posibilidad de regular la velocidad de calentamiento; 3) Obtencin rpida de temperaturas elevadas y fcil control de las mismas. Como inconveniente: el coste de la energa elctrica.

Los hornos elctricos pueden subdividirse en los grupos:

a. Hornos por resistencia: metlica o no metlica. b. Hornos por electrodo radiante. c. Hornos por arco, que emplean un arco elctrico, pueden ser de arco

directo o indirecto. d. Hornos por induccin, de baja o de alta frecuencia.

Cubilote:

El primer horno de este tipo lo fabric el ingls Wilkinson en 1770. Muy usado para la fundicin de moldeo por ser de construccin sencilla, de fcil uso, econmico en cuanto al consumo de combustible, de buen rendimiento. Tiene forma cilndrica, de 4 a 10 m de altura y de 0,5 a 1,5 m de dimetro interior.


Esencialmente consta de:

Coraza exterior o envolvente cilndrica de acero. Revestimiento interior de ladrillo refractario. Columnas de apoyo que sustentan la cuba. Placa de fondo o de crisol, provista de una abertura. Solera, de arena refractaria. Puerta lateral y boca de encendido, donde se inicia la combustin. Piquera y canal de escoria. Orificio y conducto por donde sales las escorias que

flotan en el metal fundido. Toberas. Conductos por donde penetra el aire para la combustin. Boca de carga, por donde se introducen las cargas en el cubilote. Chimenea, por donde salen los gases de la combustin.

Principales dimensiones de los cubilotes:

Dimetro interior: Dimensin ms importante, se calcula teniendo en cuenta que la produccin horaria del metal por metro cuadrado de seccin oscila entre los 7000 y 8000 kg / h.m2 . Por tanto, si P = produccin horaria en kg / h y Di = dimetro interior en m, tenemos que:

4.7500

2iDP

pi= , de donde

6000PDi =

Espesor del revestimiento refractario: Vara desde 0,15 m para los ms pequeos hasta 0,30 m para los mayores. Se puede disminuir empleando refrigeracin exterior.

Altura total del cubilote: Distancia entre la solera y la boca de carga. Vara desde H = 7Di para los menores, hasta H = 5Di para los mayores.

Altura del crisol: Medida desde la solera hasta el borde inferior de la fila ms baja de toberas, h = 0,6 a 0,8 Di.

Altura til: medida desde el borde superior de las toberas hasta el borde inferior de la boca de carga.

Hu = 3,7 a 5 Di, para cubilotes pequeos. Hu = 3 a 4,5 Di medianos. Hu = 2,5 a 3,5 Di grandes. Disposicin, nmero y seccin de toberas: En los cubilotes pequeos y

medianos se suele colocar una sola fila de toberas, mientras que en los mayores se colocan 2 filas. En cuanto al nmero, vara desde 2 en los pequeos, hasta 12 en los mayores. La seccin de las toberas viene determinadas por:

16.

2iDS pi= , para cubilotes pequeos.


20.

2iDS pi= , medianos.

24.

2iDS pi= , grandes.

Cargas: Los materiales que se cargan en el cubilote son:

Combustible: Se emplea carbn de coque especial para fundicin, que debe reunir las siguientes propiedades: Tamao lo ms uniforme posible. Resistencia elevada, para soportar el peso de las cargas y mantener el espacio suficiente entre los trozos, para que puedan ascender los gases y escurrir la fundicin lquida. Porcentajes bajos de cenizas (menos del 10%), azufre (menos del 1%), fsforo y humedad. Reactividad (o capacidad para reducir el CO2 a CO) lo ms baja posible. Elevada potencia calorfica.

Comburente: Normalmente aire fro o caliente. Fundentes: Su misin es formar escoria con las cenizas del coque, las

impurezas, los xidos, la arena y el revestimiento interior del horno. Tambin puede actuar como desulfurante. Se emplea carbonato clcico (CO3Ca), fluoruro de calcio (F2Ca), y otros. La cantidad de carbonato clcico empleado es de 25 a 30% del peso de coque.

Materiales metlicos: Pueden estar constituidos por lingotes de arrabio, ferroaleaciones, chatarra de fundicin y de acero. La proporcin en las cargas est relacionada con su composicin y la del producto que se desea obtener. El peso de cada carga se calcula a partir de la produccin horaria del cubilote, teniendo en cuenta que el nmero de cargas por hora suele se de 8 a 12.

Prdidas en la fusin: Para determinar la proporcin de cada uno de los componentes de las cargas, es necesario tener en cuenta que durante la fusin, los elementos de aleacin experimentan prdidas o mermas por oxidacin. As, la prdida de Si es del 12 al 20%; la de Mn, de 15 a 25%; la de Cr, de 20 a 30%; la de Mo, el 5%. El P y el Ni prcticamente no merman, y el S disminuye alrededor del 40 50%. El C apenas disminuye en las aleaciones con alto %, y en las bajas es muy difcil su control en estos hornos. La prdida total de fundicin es de 5 al 6%.

Tecnologa de la combustin: Para que la combustin del carbono con oxgeno suministre el mximo de calor, ha de darse la siguiente reaccin: C + O2 -------> CO2 + 335.105 J / kg de C Pero si la cantidad de aire es insuficiente, tiene lugar la reaccin: C + O2 -------> CO + 100,5.105 J / kg de C O sea, si la combustin se lleva a cabo con la mitad del O2 necesario se obtiene una


prdida del 70% del calor disponible. Por otra parte, aun cuando la cantidad de aire est bien dosificada para que se forme en la zona de combustin CO2, al ascender a temperaturas elevadas, se encuentra con las capas superiores de coque, con las que puede reaccionar segn la ecuacin: CO2 + C -------> 2CO - 134.105 J / kg de C Con lo que se originan prdidas de calor.

Rendimiento del cubilote: De la energa trmica Nf, producida por la combustin del coque, Nu se invierte en fundir el metal y el resto Np se pierde, en calentar las paredes del cubilote, en calor radiante, en fundir las escorias, en calentar los gases que se escapan de la chimenea, etc. As, el rendimiento ser:

pu

u

f

u

NNN

NN

+==

Puede estimarse que el rendimiento medio de un cubilote es aprox. de 40 a 45%.

Clculo del aire necesario para la combustin: A partir de la reaccin C + O2 -------> CO2 se deduce que por cada 12 kg de C puro se necesitan 32 kg de O2, y como su contenido en el aire es del 23%, la masa de aire que se necesita para quemar 1 kg de C es:

12.23100.32

=aireM

y el volumen de aire en condiciones normales: 310

.12.23100.32

324,22

324,22

mMV aireaire ==

Esto supone un consumo de 10 m3 de aire / 1kg de coque, equivalentes a 100 130 m3 / min por cada m2 de seccin del cubilote.

Presin del aire: Debe ser tal que permita su paso a travs de las cargas. Su valor viene dado por la frmula

pVSp .64= , donde p: presin en mm de agua, S: seccin neta del cubilote en m2 y Vp: volumen de aire en m3 / min por cada m2 de seccin del cubilote. En la prctica, la presin de aire vara desde 400 mm de columna de agua en los cubilotes pequeos, hasta 1100 mm en los grandes.

Hornos de crisol fijos:

Constan de una cavidad recubierta de material refractario, donde se coloca el crisol (es un recipiente de material cermico, o metlico para fundir metales) y se calienta por un combustible (slido, lquido o gaseoso), o por energa elctrica, por medio de


resistencias. El horno se denomina de foso si la cavidad est situada por debajo del nivel del suelo. Se construyen para colocar un solo crisol o para viarios crisoles simultneamente. En la actualidad se usan ms los hornos de crisol, situados por encima del suelo. Suelen ser de seccin circular. La llama penetra en forma tangencial y describe una espiral que rodea el crisol situado en el centro del horno. Cuando el metal alcanza la temperatura deseada, se extrae el crisol y se realiza la colada. Estos crisoles se emplean para fundir latn, bronce, aluminio, fundicin y acero. Suelen tener una capacidad de unos 100 kg.

Hornos de crisol basculantes:

Constan de una envolvente cilndrica de acero recubierta interiormente con material refractario. En su interior se construye el crisol, provisto de un pico de vertido que sale por el lateral del horno, que puede girar alrededor de un eje, lo que facilita la colada. Para alcanzar las mximas temperatura, se usa el tiro forzado. Los gases de la combustin salen por conductos adecuados, situados en la parte superior del horno. La capacidad puede alcanzar hasta 1 tonelada, siendo los ms usados de 300 kg.

Hornos de reverbero:

Constan de un hogar, una zona con solera y bveda y una chimenea. Se quema el combustible y la llama con los productos de la combustin se reflejan (reverberan) en el bveda o techo del horno, atraviesan la zona donde est la carga metlica y salen por la chimenea. Se usan los combustibles gaseosos, lquidos y el carbn pulverizado; que se insuflan en el horno, mezclados con aire precalentado, por medio de un quemador. Hay hornos de hasta 250 Tm de capacidad para fundir acero, que se obtiene con una composicin ms precisa que en el cubilote. Pueden fundir latones, bronces, aleaciones de aluminio, fundiciones y acero. Se pueden emplear en dplex con los cubilotes, donde se funde previamente el metal y despus se transfiere al horno de reverbero, donde se ajusta ms exactamente la composicin.


Hornos de reverbero Martin-Siemens:

Tpico horno de reverbero con recuperacin de calor. Se usa fundamentalmente para la obtencin de acero en lingotes. Consta de:

Conducto de gas natural o carbn pulverizado.

Recuperadores de calor para economizar combustible y alcanzar una temperatura elevada para fundir el acero. Formados por dos pares de cmaras que tienen una serie de conductos de ladrillo refractario. Los gases calientes que salen del horno pasan por los recuperadores, les comunican calor y cuando estn suficientemente calientes, mediante unas vlvulas automticas, se invierte el sentido de circulacin, de forma que el gas y el aire, antes de entrar en el horno, pasan por los recuperadores calientes y alcanzan temperaturas de 1000 a 1200C, llegndose a conseguir en la combustin los 1800C. Mientras, los gases de combustin pasan a travs de los otros recuperadores que ahora estn calentndose.

Crisol, en cuya bveda se refleja la llama sobre el material situado en la solera.


Hornos rotatorios:

Similares a los de reverbero. Constan de una envolvente cilndrica apoyada sobre rodillos y recubierta con material refractario. El quemador est en un extremo y en el otro la salida de gases de la combustin, que pueden pasar por un recuperador antes de ir a la atmsfera. El combustible puede ser gas, lquido o carbn pulverizado. El horno puede girar u oscilar, lo que facilita la transferencia de calor desde las paredes a la carga metlica, aumenta el rendimiento trmico y se asegura una mezcla homognea del bao fundido. La capacidad de estos hornos puede llegar hasta las 10 toneladas. Los ms grandes se suelen usar para fundir acero y fundicin, los ms pequeos, de 2 toneladas, para fundir latn, bronce y aleaciones de aluminio.

Hornos elctricos por resistencia metlica:

Producen calor por efecto Joule, al circular corriente calienta la resistencia. Se pueden conseguir temperaturas de 1000 a 1300 C. Para conseguir la resistencia (R), se usan hilos metlicos, arrollados en espiral:

SlR .= , donde R es la resistencia en ohmios, l la longitud, S la seccin del hilo y la

resistencia especfica que depende del material.

Tipos: De crisol fijo u oscilantes: anlogos a los ya descritos, pero el calor se consigue

con una resistencia que envuelve al crisol. Se usa para fundir aleaciones de cinc, de aluminio y, en general, todas aquellas que funden por debajo de 700C.

Tipo reverbero: La resistencia se sita en la parte superior de la cmara de fusin. Tiene el inconveniente de que las salpicaduras de metal lquido y los gases, corroen las resistencias y las deterioran rpidamente. Se puede evitar en parte este inconveniente interponiendo entre la resistencia y el metal fundido una pantalla metlica protectora.

Los hornos de resistencia se emplean, adems de cmo hornos de fusin, para mantener calientes o recalentar los metales fundidos en otros hornos.


Hornos elctricos por resistencia no metlica:

Usa tambin el efecto Joule. Son similares a los rotatorios, el calentamiento se efecta por una resistencia de grafito colocada en el eje de la cmara de fusin. Se emplean para fundir cobre, latn, bronce, aleaciones de aluminio, fundicin y acero. La capacidad de estos hornos no suele sobrepasar de las 2 toneladas.

Hornos elctricos de arco:

Aprovechan el calor del arco formado entre dos electrodos, o entre dos o ms electrodos y la carga metlica. El primero fue el de Stassano, que hace saltar el arco entre electrodos horizontales. Se introducen en la cavidad del horno por encima de la carga metlica, que se calienta por el calor que irradia el arco. Este mtodo se conoce como de arco indirecto.

Hornos de arco directo: Son los ms usados en las fundiciones. Constan de un crisol basculante con solera cncava recubierta de material refractario, una abertura lateral para adicionar la carga metlica, y otra para la piquera. Topdo ello va cubierto por una bveda de material refractario. En la bveda hay unos orificios por donde pasan los electrodos que se aproximan al metal y se conectan a la red elctrica, pasando la corriente a travs de los electrodos y el metal sin fundir, producindose un arco voltaico que se sostiene regulando automticamente la posicin de los electrodos, para que se mantenga el voltaje


constante mientras dura la fusin. Durante este proceso debe existir una capa de escoria en la superficie para proteger el metal y evitar su oxidacin. El proceso es rpido y permite un buen control de la temperatura y en la composicin del metal. Una vez que ha terminado el proceso, se retiran los electrodos y se procede a la colada inclinado el horno. Los ms usados son los trifsicos con capacidad entre 3 a 8 toneladas, aunque se construyen de hasta 100 toneladas. Se usan para fundir acero y fundicin gris.

Hornos de arco indirecto: Similares a los rotativos. Llevan dos electrodos horizontales de grafito que pasan por el eje de giro y de los que salta un arco elctrico por encima del metal. El calor irradiado calienta las paredes del horno y el metal. El movimiento de balanceo del horno facilita la transmisin del calor, desde las paredes al metal lquido, y la mezcla homognea de ste. Se emplean para cobre y sus aleaciones. Suelen ser de poca capacidad, de 25 a 500 kg, aunque se construyen de hasta 2 toneladas.

Hornos elctricos de induccin, de baja frecuencia, con ncleo magntico:

Se basan en el mismo principio que los transformadores. El primario lo forma una bobina en espiral que rodea a un ncleo de Fe dulce y el secundario est formado por la carga metlica situada en un canal en circuito cerrado, formando una nica espira. Al circular una corriente alterna por el primario, se produce un campo electromagntico variable en el ncleo de Fe que a su vez, induce una corriente,


tambin alterna, en el secundario. La intensidad es funcin inversa del nmero de espiras, o sea:

s

p

p

s

n

n

II

en consecuencia, en el secundario la Intensidad es muy elevada, por tanto, segn Joule Q = I2.R.t, el calor tambin ser elevado. Se usa baja frecuencia (50 Hz) de corriente alterna industrial. Se usan los hornos Ajax-Wyatt, en los que se aprovecha al mximo el flujo magntico producido por el primario en el transformador. La espira nica del secundario est formada por un canal en forma de V que contiene una fraccin del metal fundido, mientras que el resto se acumula en el crisol y se comunica directamente con l. La puesta en marcha del horno requiere que el canal est lleno con metal en estado lquido, que cierre el circuito. El calor que en l se produce se va propagando a la masa acumulada en el crisol y la funde. Cuando se alcanza la temperatura deseada, se efecta la colada y se deja suficiente metal fundido en el crisol, para que acte de circuito secundario en la carga siguiente. Esto es un inconveniente, pues se requiere un trabajo continuado durante el cual no se puede fundir ms que una clase de aleacin. Por tanto, estos hornos se emplean para fundir durante periodos relativamente largos de operacin continua. Se usan para fundir: bronces, latones, aleaciones de aluminio, e incluso fundicin gris.

Hornos elctricos de induccin, de alta frecuencia, sin ncleo:

Se emplea AC de alta frecuencia de 500 a 3000 Hz, llegndose a 20000 Hz en hornos experimentales. Son hornos de tipo de crisol basculante. El crisol est rodeado de una bobina de cobre. Al pasar la corriente de alta frecuencia por la bobina, se produce a su alrededor un campo magntico variable de la misma frecuencia, que induce corrientes parsitas de Foucault en los trozos de metal que hay en el crisol. Estas corrientes provocan el calentamiento y fusin del metal. Para aprovechar al mximo el flujo magntico, debe colocarse la bobina lo ms cerca posible de la carga metlica, para lo cual, el crisol, y la capa de material refractario que lo asla, deben tener el menor espesor posible. Adems no deben existir metales en la estructura del horno, ya que pueden calentarse excesivamente por la accin del campo magntico variable creado alrededor de la bobina. Por este motivo el crisol


est soportado por la misma bobina y el material refractario que lo asla. El conjunto del horno va montado sobre un armazn de materiales no metlicos, que no se calientan con la frecuencia de funcionamiento. Aunque su coste es elevado, consiguen fundir metales y aleaciones a elevadas temperaturas: aceros inoxidables, de corte rpido, refractarios, etc. Como pueden cerrarse hermticamente, pueden efectuar la fusin en el vaco o bajo atmsferas controladas. Su capacidad vara desde unos gramos hasta unas 10 toneladas.

apuntes de moldes y modelos de fundición

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