MOLDEO EN MOLDES METÁLICOS. COQUILLAS: En los métodos 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 metálicos permanentes, que permiten obtener un número muy elevado de piezas iguales (a veces hasta 300000). Se reduce o se elimina el mecanizado posterior y se obtienen superficies más finas y uniformes que con arena. El principal inconveniente es que son muy caras, por lo que se debe conocer a priori el número mínimo 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 efectúa como en los moldes de arena, por su propio peso, sin ninguna presión adicional. Los moldes se fabrican de fundición gris perlítica con grafito disperso o de acero. Tienen dos o más partes desmontables, y entre ellas queda una cavidad o hueco que reproduce la forma de la pieza, los bebederos, canales de alimentación y mazarotas. También llevan machos metálicos o de arena para obtener los huecos de la pieza. Los machos metálicos, se usan cuando se extraen con facilidad una vez solidificada la aleación, y los de arena o yeso se destruyen destruyen después de la colada. Cuando las piezas son pequeñas, pueden emplearse las coquillas en libro, en las que ambas partes están 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 metálicos, se fabrican de fundiciones o aceros aleados (más refractarios que el metal del molde); si se desalojan con facilidad, se construyen de una sola pieza con un ángulo 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.
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El sistema de distribución se dispone en la división del molde, con un diseño adecuado, para evitar turbulencias y asegurar la solidificación progresiva del metal desde la parte más alejada de la pieza hasta la entrada. Las coquillas disipan el calor que le comunica el metal líquido y la solidificación tiene lugar rápidamente. Cuando se desea regular la velocidad de enfriamiento en las diversas partes del molde, se construyen coquillas provistas de aletas u orificios de
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circulación de aire, agua o aceite si el enfriamiento ha de ser forzado; por el contrario, se calientan con resistencias o aislamientos térmicos aquellas partes en que se precisa un enfriamiento más lento. Operaciones del moldeo en coquilla: 1. Limpieza de las diversas partes del molde con aire caliente a presión y calentamiento hasta la temperatura más adecuada para la colada. 2. Recubrimiento de la cara interior del molde con una capa delgada de material refractario. 3. Colocación de los machos y cierre del molde. 4. Colada del metal en el molde, dejándolo el tiempo suficiente para que la pieza solidifique. 5. Extracción de la pieza. Las aleaciones empleadas para la obtención de piezas con este proceso son a base de Pb, Sn, Zn, Al, Mg, Cu y fundición gris. Ventajas: a. b. c. d.
Precisión dimensional. Mejor acabado superficial. Menor mecanizado posterior. Estructura más densa y compacta, de grano más fino y propiedades mecánicas más elevadas. e. Se eliminan algunos de los defectos propios de la arena (porosidades). f. Producción muy rápida. Inconvenientes: a. Sólo económicamente viable cuando es un número 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 sería necesario un recocido posterior.
Moldeo en coquilla con inversión del molde: Empleado principalmente para obtener piezas huecas de orfebrería. Consiste en dejar que se forme una capa de metal sólido en contacto con las paredes de la coquilla, y cuando ha alcanzado el espesor deseado, se invierte el molde, y se desaloja el metal
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líquido que aún no ha solidificado. El espesor de la capa es función de la temperatura de la coquilla y del tiempo transcurrido desde que se efectúa la colada hasta que se invierte el molde. Las coquillas, por lo general, se fabrican en bronce, que es buen conductor del calor. Las características mecánicas de las piezas son muy bajas, el acabado de la superficie interior es muy rugoso (debido al crecimiento dendrítico), 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 sólo el aspecto de la superficie exterior (así se ahorra metal y las piezas son más ligeras) o cuando se precisan piezas huecas, sin exigencias mecánicas, difíciles de obtener con machos.
Moldeo en coquilla con presión: El metal se introduce líquido en el hueco del molde bajo presión. Esto favorece el llenado rápido del molde y la reproducción fiel de sus más finos detalles, también se eliminan los poros en las secciones macizas de la pieza. La presión suele estar entre 1 y 50 MPa, y la velocidad de introducción del metal en el molde es de 60 m/s aprox. Las piezas quedan totalmente terminadas y no necesitan mecanizado posterior. La precisión dimensional es de 0,1 a 0,01 mm, lo que permite obtener incluso roscas de precisión. La estructura del metal obtenido es de grano fino y sus propiedades mecánicas muy elevadas.
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Según la forma de inyectar el metal en la coquilla tenemos 2 tipos de máquinas: Máquinas de cámara caliente: (de cuello de cisne). Se usan para aleaciones de Pb, Sn o Zn, con temperaturas de fusión de hasta 450 ºC. Constan de un horno de fusión, que transfiere automáticamente la aleación líquida a un recipiente de fundición, 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 está total o parcialmente sumergido en el metal líquido, a presión con aire comprimido o con émbolo.
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En las máquinas de émbolo, el cilindro está completamente sumergido y el metal líquido penetra en él a través de un orificio lateral. Cuando la máquina se pone en funcionamiento, se cierran automáticamente las dos mitades del molde. Entra en funcionamiento el émbolo que presiona al metal fundido al interior del molde. Una vez que ha solidificado la pieza, el émbolo se levanta y aspira el metal líquido del cuello de cisne. Simultáneamente se abre el molde y se desaloja la pieza mediante los pernos eyectores, quedando en disposición de repetir la operación. Este tipo de máquinas puede alcanzar una producción de más de 1000 piezas por hora. La presión sobre el metal oscila entre 0,5 y 14 MPa, dependiendo del tipo de máquina y de la aleación colada. La desventaja principal de este tipo de máquina deriva del contacto continuo del metal fundido con el mecanismo de inyección, esto limita el tipo de aleación que se puede inyectar, así como la temperatura de colada. Si ésta es muy alta, superior a 500 ºC, se formará óxido entre las paredes del émbolo y el cilindro, que dará lugar a averías. Máquinas de cámara fría: El mecanismo de inyección se encuentra a temperatura inferior a la de colada, el metal se funde en un horno aparte y se cuela en la cámara de compresión con una cuchara o dispositivo automático de alimentación, que introduce sólo la cantidad necesaria para cada pieza. Actúa un émbolo e inyecta el metal en el hueco del molde. Normalmente tienen la cámara de compresión horizontal, excepto la tipo Polak que la tiene vertical.
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La presión de estas máquinas es muy superior a las de la cámara caliente.
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En estas máquinas se cuelan aleaciones a base de cobre, aluminio, magnesio y cinc, pues estas aleaciones, al ser muy contaminantes, oxidarían al émbolo de las de cámara caliente. En las de cámara fría la contaminación se reduce al mínimo por el poco tiempo que la aleación está en contacto con las partes de la máquina.
Composición de las coquillas: Están formadas por dos mitades: Una mitad está fija a la máquina por el lugar por donde se efectúa la alimentación, cuya cavidad de moldeo supone una pequeña parte de la de la
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pieza. La otra mitad, que tiene la mayor parte de la cavidad de moldeo, va montada en un carro móvil, que le permite el acercamiento o separación de la primera mitad. Además, lleva una placa que empuja a los vástagos eyectores que desalojan la pieza de la cavidad del molde.
En los lugares donde la aleación solidifica en último lugar deben hacer conductos de salida de gases. El material de la coquilla debe ser resistente al choque térmico, al ablandamiento y al desgaste a temperaturas elevadas. Se elige en función del tipo de aleación 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 térmicamente después de mecanizados.
MOLDEO POR CENTRIFUGACIÓN: El molde tiene un movimiento de rotación que se lo comunica al metal fundido por arrastre de sus paredes. La fuerza centrífuga ( F c = mω 2 R) lanza el metal líquido contra las paredes del molde y aumenta su presión, facilitando el llenado de los huecos y la solidificación. Sólo son rentables para grandes series pues las instalaciones son muy costosas.
Colada centrífuga pura: Se usa para fabricar piezas cilíndricas huecas (tubos, cilindros, árboles huecos, coronas de engranajes, camisas para motores de explosión, etc.), cuyo eje de simetría coincide con el eje de rotación del molde. La fuerza centrífuga forma el hueco interior del molde, sin precisar machos, y hace innecesario el uso de mazarotas. Las máquinas para este tipo de colada, se pueden clasificar: a. Por la disposición del eje de rotación 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 dirección axial. iii. El canal de colada permanece fijo y el molde, a la vez que gira, se desplaza linealmente con relación al canal. c. Por el estado térmico del molde: Con o sin refrigeración exterior, con recubrimiento interior aislante (arenas).
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Moldes con eje de rotación vertical: Para fabricar piezas cuyo diámetro sea mucho mayor que su longitud. La superficie interior es un paraboloide de revolución que resulta de la acción combinada de la fuerza centrífuga y de la gravedad. Por tanto, la parte inferior tiene un espesor mayor que la superior y la diferencia es tanto mayor cuanto más alta es y menor el número de revoluciones por minuto del molde. Por este motivo, su uso está limitado a piezas de poca longitud con relación a su diámetro: coronas de engranajes, llantas, etc.
El molde gira alrededor del eje de rotación Z, con velocidad angular constante ω. Al cabo de cierto tiempo, debido al rozamiento interno, toda la masa metálica líquida gira alrededor del eje Z con velocidad ω. Sobre el elemento de volumen dV, de masa unidad (m = 1), actúan dos fuerzas: Gravitatoria: P = -g, de componentes X = 0, Y = 0, Z = -g Centrífuga: Fc = ω 2ρ, (siendo ρ el radio de giro del elemento de volumen dV) ,
de
componentes: X = ω2x, Y = ω2y, Z = 0 Sustituyendo en la ecuación de equilibrio e integrando tenemos que la diferencia de presiones o sobrepresión entre dos puntos 1 y 2 de la masa líquida, situados en la misma horizontal (Z = cte) es: 2 2 ρ 1 − ρ 2 p1 − p 2 = δω 2 2
Esta fórmula nos permite calcular la velocidad angular o el número de rpm para
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obtener una sobrepresión en un punto dado. Moldes con eje de rotación horizontal: Para fabricar piezas cuya longitud es mucho mayor que su diámetro (tubos, casquillos, camisas para motores de explosión, etc.). El molde, metálico o de arena, gira rápidamente, para que la superficie cilíndrica interior sea uniforme, se alcanzan aceleraciones centrífugas de 60 – 80g. Según Konstantinov, para que la pieza obtenida no tenga defectos: 5520
n=
δ . Ri
, siendo n = rpm; δ = densidad en g/cm3 y Ri = radio interior de la pieza en
cm. Molde metálico: El rotor, que actúa de molde, suele ser de fundición o de acero, mecanizado interiormente, para que reproduzca la forma exterior de la pieza. Métodos: Método de Watertown: Molde de fundición de paredes gruesas, recubierto interiormente con una capa de material refractario. Alcanza 1200 – 1400 rpm. El metal se cuela por el extremo de mayor diámetro, 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 bimetálicas (tubos de acero al carbono por el exterior y de inoxidable por el interior) etc.
Método de Lavaud: Molde de fundición envuelto con una camisa que permite la circulación de agua para su refrigeración. El molde al mismo tiempo que gira se desplaza linealmente con respecto al canal de colada (hasta 6 m) que está introducido en el molde. El metal fundido se va depositando en forma de hélice consiguiéndose un espesor uniforme. Una vez el tubo lleno, cesa el suministro de metal y el molde continúa girando hasta que solidifica por completo y adquiere su resistencia.
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Molde de arena: El rotor de acero o fundición, se recubre interiormente con un molde de arena, previamente preparado. La velocidad de enfriamiento no es muy elevada.
Colada semicentrífuga: Para fabricar piezas simétricas con relación al eje central (ruedas con radios, ruedas dentadas, volantes, fresas de dientes rectos, etc.). Se usan moldes metálicos 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 alimentación horizontales. Por efecto de la fuerza centrífuga, el metal fundido pasa a través de los radios hacia la periferia de la cavidad del molde, crea una elevada presión y facilita el llenado del mismo. La velocidad de rotación no debe ser muy elevada, pues de lo contrario existe el riesgo de que el metal líquido se cuele por las juntas de las diversas partes del molde.
Colada centrifugada: Se usa para llenar simultáneamente moldes, que giran alrededor de un eje común, que no coincide con sus ejes propios. La cavidad no es simétrica en cuanto a su forma, pero sí tiene que estar equilibrada dinámicamente. En la figura hay un molde Diseño de moldes y modelos de fundición. (1DFM)
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múltiple cuyas cavidades se comunican con un bebedero central mediante canales de alimentación horizontales. El conjunto se sitúa sobre una plataforma giratoria y recibe el metal líquido que, por la acción centrífuga, lo lanza a través de los conductos de colada hacia la periferia, llenando los moldes de forma compacta.
Principales ventajas de la colada por centrifugación: 1. 2. 3. 4.
Eliminación de machos. Mejor llenado del molde que en la colada de gravedad. Posibilidad de obtención de paredes muy delgadas. Aumento de la densidad del metal fundido, que eleva las características mecánicas al solidificar. 5. Se obtienen piezas más sanas, ya que las impurezas, menos densas que el metal líquido (escorias, arena, burbujas gaseosas, etc.), se concentran cerca del eje de rotación, y no llegan a las piezas. 6. Mejor microestructura, con grano más fino, porque se evita un enfriamiento prematuro al lanzar el metal rápidamente contra las paredes del molde.
Rugosidad superficial en la Fundición y en otros procesos de Conformado.
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HORNOS: Previamente a la colada hay que obtener el metal fundido. El paso del sólido al líquido (fusión), se consigue cuando la energía de vibración de los átomos de la red cristalinas es suficientemente elevada para que se rompan las ligaduras interatómicas y adquieran un movimiento desordenado. En los metales puros y compuestos eutécticos, la fusión tiene lugar en una temperatura fija (temperatura de fusión), en las aleaciones existe un intervalo de solidificación. La determinación 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 líquido, y puede darse también la vaporización de los componentes más volátiles de la aleación. Además, cuanto mayor es el grado de sobrecalentamiento, mayor es el tamaño de grano de solidificación. Si la temperatura de colada es demasiado baja, existe el peligro de que la aleación 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 aleación: El calentamiento del metal o aleación desde la temperatura ambiente hasta la de colada, la podemos subdividir en tres periodos: Calentamiento hasta la temperatura de fusión: La cantidad de calor necesaria para calentar una masa desde una temperatura inicial hasta la temperatura de fusión, viene dada por la expresión: Q = ce m(θ f − θ ) ; donde ce = calor específico medio en el intervalo de temperaturas en i
J / kgºC. El calor específico medio de las aleaciones se calcula a partir de los calores específicos de los componentes, según la regla de las mezclas: C e
=
(m1c1
+
m2 c 2
+
m1
+
m2
...
+
...)
Fusión: 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 elevación de temperatura. El calor latente de fusión (lf), representa el calor absorbido por la unidad de masa para Diseño de moldes y modelos de fundición. (1DFM)
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transformarse de sólido a líquido sin variar la temperatura; se expresa en J / kg. Sobrecalentamiento: La cantidad de calor necesaria para el sobrecalentamiento a una determinada temperatura, después de la fusión, nos la da la expresión: Q = C l m(θ s − θ f ) , siendo Cl el calor específica medio del metal en estado líquido. Su valor aproximado en metales se obtiene por C l
=
30 M a
, donde Ma es la masa atómica.
Los hornos son dispositivos que se emplean en fundición para suministrar al metal el calor necesario para fundirlo y sobrecalentarlo hasta la temperatura más conveniente para la colada. Para elegir un horno, hay que tener en cuenta los siguientes factores: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
Cantidad de metal necesario. Composición y temperatura del metal. Velocidad de fusión. Grado de pureza requerido en el metal. Coste inicial del horno. Coste básico de la operación. Coste de los combustibles. Contaminación.
La menor contaminación del metal durante la fusión se consigue con los hornos eléctricos de inducción y de resistencia. En los de combustible, cuando el crisol se aísla de éste y de sus productos de combustión. Tipos de hornos:
Hornos de combustible: Usan combustibles sólidos (carbón vegetal, madera, hulla, coque, etc.), líquidos (gasolina, gasoil, fueloil, etc.) o gaseosos (gas natural). El calor procede de la energía desprendida en la reacción de los elementos combustibles (C, H, S) con el comburente (oxígeno), 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 combustión: Las reacciones anteriores suponen un consumo teórico de aire, suponemos que el combustible contiene c kilos de C, h kg de H y o kg
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de O. Cantidad teórica de oxígeno = atm, V (O2 ) =
22,4 8c ( 32 3
+
32 12
c+
32 4
h−o
=
8c 3
+
8h − o (kg ) ,
y en volumen a 0 ºC y 1
8h − o) ( m 3 )
Como el porcentaje de oxígeno en el aire es del 23%, la cantidad de aire necesaria será: At
=
100 8c ( 23 3
+
8h − o) ( kg ) ,
y en volumen a 0 ºC y 1 atm,
V (O2 ) =
22,4 32
At ( m 3 )
En la práctica, la cantidad teórica de aire no es suficiente para la combustión completa, se precisa una cantidad efectiva Ae que se obtiene multiplicando el resultado anterior por un coeficiente de exceso de aire (m): Ae
=
mAt
=
m
100 8c ( 23 3
+
8h − o) (kg )
El valor de m es de 1,5 a 2 para los combustibles sólidos; de 1,1 a 1,2 para los líquidos 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 está en contacto ni con el combustible ni con los gases de la combustión. A este grupo pertenecen los hornos de crisol, calentados por carbón, gas o derivado del petróleo. b. Hornos en los que el metal está en contacto con el combustible y con los gases de la combustión. El horno más representativo de este grupo es el cubilote, donde se cargan juntos la fundición y el carbón. c. Hornos en los que el metal está en contacto con los gases de la combustión pero no con el combustible. A este grupo pertenecen los hornos de reverbero y Martin-Siemens.
Hornos eléctricos: Se basan en la transformación de la energía eléctrica en calorífica 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) también se puede expresar en unidades de energía eléctrica. La potencia eléctrica en watios es: Pot. = Voltaje . Intensidad = V.I; la energía eléctrica viene dada por ε = Pot. t (kWh) Por la ley de Ohm: V = R.I, entonces la energía electrica ε = I2 R t = V 2.t / R. Como ventajas de estos hornos: 1) mínima contaminación del metal en la fusión, 2) Diseño de moldes y modelos de fundición. (1DFM)
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Posibilidad de regular la velocidad de calentamiento; 3) Obtención rápida de temperaturas elevadas y fácil control de las mismas. Como inconveniente: el coste de la energía eléctrica. Los hornos eléctricos pueden subdividirse en los grupos: a. Hornos por resistencia: metálica o no metálica. b. Hornos por electrodo radiante. c. Hornos por arco, que emplean un arco eléctrico, pueden ser de arco directo o indirecto. d. Hornos por inducción, de baja o de alta frecuencia.
Cubilote: El primer horno de este tipo lo fabricó el inglés Wilkinson en 1770. Muy usado para la fundición de moldeo por ser de construcción sencilla, de fácil uso, económico en cuanto al consumo de combustible, de buen rendimiento. Tiene forma cilíndrica, de 4 a 10 m de altura y de 0,5 a 1,5 m de diámetro interior.
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Esencialmente consta de:
Coraza exterior o envolvente cilíndrica 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 combustión. 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 combustión. Boca de carga, por donde se introducen las cargas en el cubilote. Chimenea, por donde salen los gases de la combustión.
Principales dimensiones de los cubilotes:
Diámetro interior: Dimensión más importante, se calcula teniendo en cuenta que la producción horaria del metal por metro cuadrado de sección oscila entre los 7000 y 8000 kg / h.m2 . Por tanto, si P = producción horaria en kg / h y Di = diámetro interior en m, tenemos que: P
=
7500
π D . i 4
2
, de donde Di
=
P
6000
Espesor del revestimiento refractario: Varía desde 0,15 m para los más pequeños hasta 0,30 m para los mayores. Se puede disminuir empleando refrigeración exterior. Altura total del cubilote: Distancia entre la solera y la boca de carga. Varía 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 más baja de toberas, h = 0,6 a 0,8 Di. Altura útil: 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 pequeños. Hu = 3 a 4,5 Di “ “ medianos. Hu = 2,5 a 3,5 Di “ “ grandes. Disposición, número y sección de toberas: En los cubilotes pequeños y medianos se suele colocar una sola fila de toberas, mientras que en los mayores se colocan 2 filas. En cuanto al número, varía desde 2 en los pequeños, hasta 12 en los mayores. La sección de las toberas viene determinadas por:
S =
π D . i 16
2
, para cubilotes pequeños.
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S = S =
π D . i
2
20
π D . i 24
,
“
“
medianos.
,
“
“
grandes.
2
Cargas: Los materiales que se cargan en el cubilote son: Combustible: Se emplea carbón de coque especial para fundición, que debe reunir las siguientes propiedades: Tamaño lo más 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 fundición líquida. Porcentajes bajos de cenizas (menos del 10%), azufre (menos del 1%), fósforo y humedad. Reactividad (o capacidad para reducir el CO2 a CO) lo más baja posible. Elevada potencia calorífica. Comburente: Normalmente aire frío o caliente. Fundentes: Su misión es formar escoria con las cenizas del coque, las impurezas, los óxidos, la arena y el revestimiento interior del horno. También puede actuar como desulfurante. Se emplea carbonato cálcico (CO3Ca), fluoruro de calcio (F2Ca), y otros. La cantidad de carbonato cálcico empleado es de 25 a 30% del peso de coque. Materiales metálicos: Pueden estar constituidos por lingotes de arrabio, ferroaleaciones, chatarra de fundición y de acero. La proporción en las cargas está relacionada con su composición y la del producto que se desea obtener. El peso de cada carga se calcula a partir de la producción horaria del cubilote, teniendo en cuenta que el número de cargas por hora suele se de 8 a 12. Pérdidas en la fusión: Para determinar la proporción de cada uno de los componentes de las cargas, es necesario tener en cuenta que durante la fusión, los elementos de aleación experimentan pérdidas o mermas por oxidación. Así, la pérdida 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 prácticamente 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 difícil su control en estos hornos. La pérdida total de fundición es de 5 al 6%.
Tecnología de la combustión: Para que la combustión del carbono con oxígeno suministre el máximo de calor, ha de darse la siguiente reacción: C + O2 -------> CO2 + 335.10 5 J / kg de C Pero si la cantidad de aire es insuficiente, tiene lugar la reacción: C + ½ O2 -------> CO + 100,5.10 5 J / kg de C O sea, si la combustión se lleva a cabo con la mitad del O2 necesario se obtiene una
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pérdida del 70% del calor disponible. Por otra parte, aun cuando la cantidad de aire esté bien dosificada para que se forme en la zona de combustión CO2, al ascender a temperaturas elevadas, se encuentra con las capas superiores de coque, con las que puede reaccionar según la ecuación: CO2 + C -------> 2CO - 134.105 J / kg de C Con lo que se originan pérdidas de calor. Rendimiento del cubilote: De la energía térmica Nf, producida por la combustión 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. Así, el rendimiento será: ρ =
N u N f
=
N u N u
+
N p
Puede estimarse que el rendimiento medio de un cubilote es aprox. de 40 a 45%. Cálculo del aire necesario para la combustión: A partir de la reacción 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: M aire
=
32.100 23.12
y el volumen de aire en condiciones normales: V aire
=
22,4 M aire 32
=
22,4 32.100 32 23.12.
≈
10m 3
Esto supone un consumo de 10 m3 de aire / 1kg de coque, equivalentes a 100 – 130 m3 / min por cada m2 de sección del cubilote. Presión del aire: Debe ser tal que permita su paso a través de las cargas. Su valor viene dado por la fórmula p = 64 S .V p , donde p: presión en mm de agua, S: sección neta del cubilote en m2 y Vp: volumen de aire en m3 / min por cada m2 de sección del cubilote. En la práctica, la presión de aire varía desde 400 mm de columna de agua en los cubilotes pequeños, 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 cerámico, o metálico para fundir metales) y se calienta por un combustible (sólido, líquido o gaseoso), o por energía eléctrica, por medio de
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resistencias. El horno se denomina de foso si la cavidad está situada por debajo del nivel del suelo. Se construyen para colocar un solo crisol o para viarios crisoles simultáneamente. En la actualidad se usan más los hornos de crisol, situados por encima del suelo. Suelen ser de sección 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 latón, bronce, aluminio, fundición y acero. Suelen tener una capacidad de unos 100 kg.
Hornos de crisol basculantes: Constan de una envolvente cilíndrica 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 máximas temperatura, se usa el tiro forzado. Los gases de la combustión salen por conductos adecuados, situados en la parte superior del horno. La capacidad puede alcanzar hasta 1 tonelada, siendo los más usados de 300 kg.
Hornos de reverbero: Constan de un hogar, una zona con solera y bóveda y una chimenea. Se quema el combustible y la llama con los productos de la combustión se reflejan (reverberan) en el bóveda o techo del horno, atraviesan la zona donde está la carga metálica y salen por la chimenea. Se usan los combustibles gaseosos, líquidos y el carbón 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 composición más precisa que en el cubilote. Pueden fundir latones, bronces, aleaciones de aluminio, fundiciones y acero. Se pueden emplear en dúplex con los cubilotes, donde se funde previamente el metal y después se transfiere al horno de reverbero, donde se ajusta más exactamente la composición.
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Hornos de reverbero Martin-Siemens: Típico horno de reverbero con recuperación de calor. Se usa fundamentalmente para la obtención de acero en lingotes. Consta de: Conducto de gas natural o carbón pulverizado.
Recuperadores de calor para economizar combustible y alcanzar una temperatura elevada para fundir el acero. Formados por dos pares de cámaras 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 están suficientemente calientes, mediante unas válvulas automáticas, se invierte el sentido de circulación, 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 1200ºC, llegándose a conseguir en la combustión los 1800ºC. Mientras, los gases de combustión pasan a través de los otros recuperadores que ahora están calentándose. Crisol, en cuya bóveda se refleja la llama sobre el material situado en la solera.
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Hornos rotatorios: Similares a los de reverbero. Constan de una envolvente cilíndrica apoyada sobre rodillos y recubierta con material refractario. El quemador está en un extremo y en el otro la salida de gases de la combustión, que pueden pasar por un recuperador antes de ir a la atmósfera. El combustible puede ser gas, líquido o carbón pulverizado. El horno puede girar u oscilar, lo que facilita la transferencia de calor desde las paredes a la carga metálica, aumenta el rendimiento térmico y se asegura una mezcla homogénea del baño fundido. La capacidad de estos hornos puede llegar hasta las 10 toneladas. Los más grandes se suelen usar para fundir acero y fundición, los más pequeños, de 2 toneladas, para fundir latón, bronce y aleaciones de aluminio.
Hornos eléctricos por resistencia metálica: Producen calor por efecto Joule, al circular corriente calienta la resistencia. Se pueden conseguir temperaturas de 1000 a 1300 ºC. Para conseguir la resistencia (R), se usan hilos metálicos, arrollados en espiral: R
=
ρ .l S
, donde R es la resistencia en ohmios, l la longitud, S la sección del hilo y ρ la
resistencia específica que depende del material. Tipos: De crisol fijo u oscilantes: análogos 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 700ºC. Tipo reverbero: La resistencia se sitúa en la parte superior de la cámara de fusión. Tiene el inconveniente de que las salpicaduras de metal líquido y los gases, corroen las resistencias y las deterioran rápidamente. Se puede evitar en parte este inconveniente interponiendo entre la resistencia y el metal fundido una pantalla metálica protectora.
Los hornos de resistencia se emplean, además de cómo hornos de fusión, para mantener calientes o recalentar los metales fundidos en otros hornos. Diseño de moldes y modelos de fundición. (1DFM)
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Hornos eléctricos por resistencia no metálica: Usa también el efecto Joule. Son similares a los rotatorios, el calentamiento se efectúa por una resistencia de grafito colocada en el eje de la cámara de fusión. Se emplean para fundir cobre, latón, bronce, aleaciones de aluminio, fundición y acero. La capacidad de estos hornos no suele sobrepasar de las 2 toneladas.
Hornos eléctricos de arco: Aprovechan el calor del arco formado entre dos electrodos, o entre dos o más electrodos y la carga metálica. 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 metálica, que se calienta por el calor que irradia el arco. Este método se conoce como de arco indirecto.
Hornos de arco directo: Son los más usados en las fundiciones. Constan de un crisol basculante con solera cóncava recubierta de material refractario, una abertura lateral para adicionar la carga metálica, y otra para la piquera. Topdo ello va cubierto por una bóveda de material refractario. En la bóveda hay unos orificios por donde pasan los electrodos que se aproximan al metal y se conectan a la red eléctrica, pasando la corriente a través de los electrodos y el metal sin fundir, produciéndose un arco voltaico que se sostiene regulando automáticamente la posición de los electrodos, para que se mantenga el voltaje
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constante mientras dura la fusión. Durante este proceso debe existir una capa de escoria en la superficie para proteger el metal y evitar su oxidación. El proceso es rápido y permite un buen control de la temperatura y en la composición del metal. Una vez que ha terminado el proceso, se retiran los electrodos y se procede a la colada inclinado el horno. Los más usados son los trifásicos con capacidad entre 3 a 8 toneladas, aunque se construyen de hasta 100 toneladas. Se usan para fundir acero y fundición 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 eléctrico por encima del metal. El calor irradiado calienta las paredes del horno y el metal. El movimiento de balanceo del horno facilita la transmisión del calor, desde las paredes al metal líquido, y la mezcla homogénea de éste. 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 eléctricos de inducción, de baja frecuencia, con núcleo magnético: Se basan en el mismo principio que los transformadores. El primario lo forma una bobina en espiral que rodea a un núcleo de Fe dulce y el secundario está formado por la carga metálica situada en un canal en circuito cerrado, formando una única espira. Al circular una corriente alterna por el primario, se produce un campo electromagnético variable en el núcleo de Fe que a su vez, induce una corriente, Diseño de moldes y modelos de fundición. (1DFM)
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también alterna, en el secundario. La intensidad es función inversa del número de espiras, o sea: I s n p I p n s
en consecuencia, en el secundario la Intensidad es muy elevada, por tanto, según Joule Q = I2.R.t, el calor también será elevado. Se usa baja frecuencia (50 Hz) de corriente alterna industrial. Se usan los hornos Ajax-Wyatt, en los que se aprovecha al máximo el flujo magnético producido por el primario en el transformador. La espira única del secundario está formada por un canal en forma de V que contiene una fracción del metal fundido, mientras que el resto se acumula en el crisol y se comunica directamente con él. La puesta en marcha del horno requiere que el canal esté lleno con metal en estado líquido, que cierre el circuito. El calor que en él se produce se va propagando a la masa acumulada en el crisol y la funde. Cuando se alcanza la temperatura deseada, se efectúa la colada y se deja suficiente metal fundido en el crisol, para que actúe de circuito secundario en la carga siguiente. Esto es un inconveniente, pues se requiere un trabajo continuado durante el cual no se puede fundir más que una clase de aleación. Por tanto, estos hornos se emplean para fundir durante periodos relativamente largos de operación continua. Se usan para fundir: bronces, latones, aleaciones de aluminio, e incluso fundición gris.
Hornos eléctricos de inducción, de alta frecuencia, sin núcleo: Se emplea AC de alta frecuencia de 500 a 3000 Hz, llegándose a 20000 Hz en hornos experimentales. Son hornos de tipo de crisol basculante. El crisol está rodeado de una bobina de cobre. Al pasar la corriente de alta frecuencia por la bobina, se produce a su alrededor un campo magnético variable de la misma frecuencia, que induce corrientes parásitas de Foucault en los trozos de metal que hay en el crisol. Estas corrientes provocan el calentamiento y fusión del metal. Para aprovechar al máximo el flujo magnético, debe colocarse la bobina lo más cerca posible de la carga metálica, para lo cual, el crisol, y la capa de material refractario que lo aísla, deben tener el menor espesor posible. Además no deben existir metales en la estructura del horno, ya que pueden calentarse excesivamente por la acción del campo magnético variable creado alrededor de la bobina. Por este motivo el crisol Diseño de moldes y modelos de fundición. (1DFM)
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está soportado por la misma bobina y el material refractario que lo aísla. El conjunto del horno va montado sobre un armazón de materiales no metálicos, 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 rápido, refractarios, etc. Como pueden cerrarse herméticamente, pueden efectuar la fusión en el vacío o bajo atmósferas controladas. Su capacidad varía desde unos gramos hasta unas 10 toneladas.
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