LABORATORIO DE PROCESOS DE MOLDEO INFORME PRACTICAS 5. Y
6.
DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO DE LOS ELEMENTOS DE TAMAÑO INFERIOR A 0.02 mm DE UNA ARE NA DE MOLDEO. DETERMINACIÓN DE LA DISTRIBUCIÓN GRANULOMÉTRICA POR VÍA SECA, CÁLCULO DEL ÍNDICE DE FINURA A .F.S. Y EXAMEN DE LA FORMA DE LOS GRANOS DE LAS ARENAS.
GRUPO B2-2 Presentado a: HUBER ANAYA Universidad Industrial de Santander Facultad de Ingenierías Fisicoquímicas Escuela de Ingeniería Metalúrgica y Ciencia de Materiales 2014
INTRODUCCIÓN Desde el punto de vista mineralógico, engloba a un grupo de minerales (minerales d e la arcilla), filosilicatos en su mayor parte, cuyas propiedades físico-químicas de penden de su estructura y de su tamaño de grano, muy fino (inferior a 2 mm). La arcilla según la A.F.S está definida como todas aquellas partículas de tamaño menor a 0,02 mm. Es importante conocer la cantidad de arcilla presente en una muestra e specifica de arena con el propósito de identificar el contenido de bentonita que s e requiere, la permeabilidad de la arena, la cantidad de agua que se debe sumini strar, etc., para un buen desarrollar un buen proceso de moldeo. El análisis granulométrico constituye el principio de la determinación de las propieda des físicas y químicas de las arenas para moldeos; por lo que es fundamental la real ización del mismo. Dentro de éste podemos encontrar el número de finura de grano, el c ual nos indica el tamaño promedio de los granos de una arena dada, sirviéndonos para establecer los rangos requeridos, para comparativamente, aceptarla o rechazarla . El módulo de finura del agregado fino, es el índice aproximado que nos describe en f orma rápida y breve la proporción de finos o de gruesos que se tiene en las partículas que lo constituyen. Es un indicador de la finura de un agregado, es útil para est imar las proporciones de los agregados finos y gruesos en las mezclas de arenas para moldeo. OBJETIVOS - Determinar el porcentaje de arcilla convencional en las arenas de moldeo utili zando el método de agitación, decantación y transvase por sifón. - Conocer el proceso adecuado para la determinación de la cantidad de arcilla en u na arena de moldeo. - Determinar la distribución granulométrica de una arena de moldeo.
MARCO TEÓRICO
- Arcilla: Su componente principal es la caolinita. Está compuesta por sílice y alúmina. La alúmina pura, anhídrido (Combinación de aluminio y oxígeno) es un cuerpo muy duro. La arcilla es el adhesivo que mantiene la forma del molde a temperatura tanto am biente como elevada. La adición de agua se requiere para activar la arcilla. El c ontenido de humedad del sistema es extremadamente crítico y puede afectar casi tod as las propiedades físicas que son medidas en una fundición. La mayoría de los proble mas de vaciado y moldeo relacionados con la arena podrían ser causados por un exce so o deficiencia de humedad. - Clasificación de las arenas según el contenido de arcilla: Mezcla Magra: 4-8% de arcilla, también llamadas arenas verdes. Se utilizan en su estado natural de humedad y arcilla. Contiene la cantidad adecuada de arc illa para ser utilizada en la elaboración de moldes Semiarcillosas o semigrasas, 8-10% Grasas: También llamadas arenas secas. Poseen más del 18% de arcilla. Estos moldes que después de confeccionados se llevan a un proceso de secado. Se utiliza mucho en piezas grandes. Se logra mayor exactitud dimensional, mayor resistenci a y cohesión de la arena y mayor permeabilidad. - Propiedades físico-químicas de la arcilla: Las importantes aplicaciones industriales de este grupo de minerales radican en sus propiedades físico-químicas. Dichas propiedades derivan, principalmente, de: Su extremadamente pequeño tamaño de partícula (inferior a 2 mm) Su morfología laminar (filosilicatos) Las sustituciones isomórficas, que dan lugar a la aparición de carga en las láminas y a la presencia de cationes débilmente ligados en el espacio interlaminar. Como consecuencia de estos factores, presentan, por una parte, un valor elevado del área superficial y, a la vez, la presencia de una gran cantidad de superficie activa, con enlaces no saturados. Por ello pueden interaccionar con muy diversas sustancias, en especial compuestos polares, por lo que tienen comportamiento plás tico en mezclas arcilla-agua con elevada proporción sólido/líquido y son capaces en al gunos casos de hinchar, con el desarrollo de propiedades reológicas en suspensione s acuosas. Por otra parte, la existencia de carga en las láminas se compensa, como ya se ha c itado, con la entrada en el espacio interlaminar de cationes débilmente ligados y con estado variable de hidratación, que pueden ser intercambiados fácilmente mediant e la puesta en contacto de la arcilla con una solución saturada en otros cationes, a esta propiedad se la conoce como capacidad de intercambio catiónico y es también la base de multitud de aplicaciones industriales. Capacidad de absorción Algunas arcillas encuentran su principal campo de aplicación en el sector de los a bsorbentes ya que pueden absorber agua u otras moléculas en el espacio interlamina r (esmectitas) o en los canales estructurales (sepiolita y paligorskita). La capacidad de absorción está directamente relacionada con las características textur ales (superficie específica y porosidad) y se puede hablar de dos tipos de proceso s que difícilmente se dan de forma aislada: absorción (cuando se trata fundamentalme nte de procesos físicos como la retención por capilaridad) y adsorción (cuando existe una interacción de tipo químico entre el adsorbente, en este caso la arcilla, y el líq uido o gas adsorbido, denominado adsorbato). La capacidad de adsorción se expresa en porcentaje de absorbato con respecto a la masa y depende, para una misma arcilla, de la sustancia de que se trate. La abso rción de agua de arcillas absorbentes es mayor del 100% con respecto al peso. Hidratación e hinchamiento La hidratación y deshidratación del espacio interlaminar son propiedades característic as de las esmectitas, y cuya importancia es crucial en los diferentes usos indus triales. Aunque hidratación y deshidratación ocurren con independencia del tipo de c atión de cambio presente, el grado de hidratación sí está ligado a la naturaleza del cat ión interlaminar y a la carga de la lámina. La absorción de agua en el espacio interlaminar tiene como consecuencia la separac ión de las láminas dando lugar al hinchamiento. Este proceso depende del balance ent
re la atracción electrostática catión-lámina y la energía de hidratación del catión. A medida que se intercalan capas de agua y la separación entre las láminas aumenta, las fuerz as que predominan son de repulsión electrostática entre láminas, lo que contribuye a q ue el proceso de hinchamiento pueda llegar a disociar completamente unas láminas d e otras. Cuando el catión interlaminar es el sodio, las esmectitas tienen una gran capacidad de hinchamiento, pudiendo llegar a producirse la completa disociación d e cristales individuales de esmectita, teniendo como resultado un alto grado de dispersión y un máximo desarrollo de propiedades coloidales. Si por el contrario, ti enen Ca o Mg como cationes de cambio su capacidad de hinchamiento será mucho más red ucida. Plasticidad Las arcillas son eminentemente plásticas. Esta propiedad se debe a que el agua for ma una envuelta sobre las partículas laminares produciendo un efecto lubricante qu e facilita el deslizamiento de unas partículas sobre otras cuando se ejerce un esf uerzo sobre ellas. La elevada plasticidad de las arcillas es consecuencia, nuevamente, de su morfol ogía laminar, tamaño de partícula extremadamente pequeño (elevada área superficial) y alta capacidad de hinchamiento. Generalmente, esta plasticidad puede ser cuantificada mediante la determinación de los índices de Atterberg (Límite Líquido, Límite Plástico y Límite de Retracción). Estos lím s marcan una separación arbitraria entre los cuatro estados o modos de comportamie nto de un suelo sólido, semisólido, plástico y semilíquido o viscoso (Jiménez Salas, et al . , 1975). La relación existente entre el límite líquido y el índice de plasticidad ofrece una gran información sobre la composición granulométrica, comportamiento, naturaleza y calidad de la arcilla. Existe una gran variación entre los límites de Atterberg de diferent es minerales de la arcilla, e incluso para un mismo mineral arcilloso, en función del catión de cambio. En gran parte, esta variación se debe a la diferencia en el ta maño de partícula y al grado de perfección del cristal. En general, cuanto más pequeñas so n las partículas y más imperfecta su estructura, más plástico es el material. Arcilla Bentonita sódica y cálcica. Existen dos tipos de arcillas naturales, bentonitas sódica y cálcica que son utiliza das en la 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. Cada arcilla realza ciertas características de la arena de moldeo. La bentonita sódi ca 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 def ectos tales como erosión de arena, inclusiones de arena y costras de expansión. Sin embargo, las propiedades en caliente incrementadas podrían aumentar la energía reque rida para remover la arena de las piezas solidificadas, esto es incrementando el potencial de piezas rotas o con fracturas. Las bentonitas cálcicas son mejor cono cidas por su habilidad para rápidamente desarrollar propiedades en verde. Ellas of recen 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 sistem a de arena y dentro de profundas y/o cerradas cavidades en un modelo. Ambas bent onitas pueden ser mezcladas en diferentes proporciones, lo cual es una práctica co mún. Al mezclar las arcillas, una fundición puede alcanzar en términos generales un pr omedio en las propiedades físicas. Determinación granulométrica de una arena de moldeo. La finura de una arena de moldeo se determina por el tamaño y distribución de sus gr anos, el objeto del ensayo es obtener la curva de distribución granulométrica de la arena. La finura de la arena afecta las propiedades físicas que desarrollan las mezclas d e arena para fundición, permeabilidad, resistencia, plasticidad, etc. Cuando la arena tiene alto contenido de finos, se requiere para preparar mezclas , mayor cantidad de aglutinantes para obtener las propiedades físicas requeridas e
n el buen acabado de las piezas fundidas.
Clasificación de la arena por tamaño de grano: ARENA INDICE AFS (i) TAMAÑO DE GRANO (mm) Muy gruesa 18 1-2 Gruesa 18-35 0.5-1 Media 35-60 0.25-0.5 Fina 60-150 0.10-0.25 Muy fina 150 0.05-0.10 Tabla 1: Clasificación de la arena por tamaño de grano C) Tamaño y distribución de los granos Para determinar el tamaño de los granos de arena se efectúa un análisis granulométrico. Para esto se procede a la separación de los materiales arcillosos por medio de la levigación, después de lo cual el residuo lavado compuesto solamente de granos de síl ice se deja secar, se pesa (100g por ejemplo y se hace pasar a través de una serie de tamices metálicos de mallas decrecientes. Se pasan las cantidades de arena contenidas en cada tamiz y se hace el reparto p orcentual de los granos, que pueden representarse en un diagrama. Las series unificadas de tamices más usadas son las americanas de A.F.S (American Foundrymen`s Society) constituida por tamices numerados correlativamente, cada uno de los cuales se caracteriza por un determinado tamaño de malla. Tabla 2: Tabla Características de los tamices A.F.S Y de los tamices Fischer Con los datos obtenidos por el análisis granulométrico es posible calcular el número c onvencional que manifieste el tamaño de las clases de granos que predominan en la arena examinada. Éste número recibe el nombre de índice de grosor o de finura y se obt iene dividiendo la suma de los productos de los porcentajes contenidos en cada t amiz por un factor fijo por el porcentaje total de los granos (excluida la arcil la) Los valores de los factores para cada tamiz de la unificación americana se indican en la tercera columna de la tabla y no son otros que el número del tamiz proceden te, polco ligeras variaciones en los tres tamices mayores y en fondo. Indicando con p1,p2,p3¼ los porcentajes contenidos en cada tamiz, con, a1,a2¼los fac tores correspondientes de la tabla y con P el porcentaje total de los granos i será : AFS=
(Peso del Producto )/(% de granos retenidos (>0.02))
El numero obtenido nos da el valor medio del tamaño de los granos de la muestra: c alculando tal como se acaba de indicar representa aproximadamente el número de mal las por pulgada lineal del tamiz a través de las cuales pasaría toda la muestra si los granos fuesen de tamaño uniforme y proporcional a la superficie total de los g ranos por unidad de peso de la arena. ( con exclusión de la arena). Forma de los granos La forma de los granos permite este probable comportamiento de la arena: este ex amen se realiza en el microscopio. La distinción entre granos redondos y granos an gulosos es, como hemos advertido, puramente indicativa: de hecho no existen aren as con los granos esferoidales. El redondamiento es un fenómeno provocado por la a cción abrasiva de un grano sobre otro. Los granos bien redondeados son muy abunda ntes y no se encuentran por debajo de los tamaños del tamiz 70. Para conocer la forma de los granos que componen las arenas es necesario llevar
al microscopio una muestra considerable, para la práctica se tomaron los granos de arena retenidos en el tamiz (#7) y se observó que la forma del grano estaba entre angular y subangular. Figura. 1:.Forma de grano muestra rano redonda
Figura. 2: Forma de g
Los granos angulares y subangulares de la muestra caracterizan la arena con baja permeabilidad y baja conducción del calor.
MATERIALES Y EQUIPOS Figura 3: Vaso de precipitado de 1000 cm3 Figura 5: Vidrio de reloj (NaOH).
Figura 4: Balanza Figura 6: Soda cáustica en escamas
Figura 7: Agitador Mecánico
tro
Figura 8: Maquina tamizadora de arenas
Figura 10: Brocha
PROCEDIMIENTO PRACTICA 5.
Figura 9: Cronóme
PRACTICA 6. RESULTADOS PRACTICA 5. CALCULO DEL PORCENTAJE DE ARCILLA % de arcilla (elementos 0.02mm) = (P-p/p)*100 Dónde: P = Peso de la muestra de arena en gramos. p = Peso de la muestra de arena después de secada. % de arcilla (elementos 0.02mm) = (50g 49,52g / 50g) *100 = 0,96%
CUESTIONARIO 1. Defina arcilla AFS. La arcilla AFS es la porción de la arena con un tamaño de 20 micras (0,02 mm ó 0,0008 plg), la cual se asienta a una velocidad inferior a 25.4 mm/min, debido a esto p uede ser fácilmente extraída de la arena mediante un proceso de lavado repetitivo co mo el que indica la norma. 2. Defina que es arcilla activa y arcilla convencional y sus diferencias. Arcilla activa: el proceso para producir este tipo de arcilla se denomina acti vación, y se lleva a cabo para aumentar su área específica, esto se logra alterando la polaridad de la arcilla mediante tratamientos térmicos y acidos, la arcilla activ a que es la sustancia higroscópica con capacidad de dar cohesión a los granos de sílic e y que es susceptible de chamotizarse, siendo esta propiedad la responsable de la cohesión de la arena. Arcilla convencional: la arcilla es una roca sedimentaria o en algunos casos p uede ser un suelo, que está constituida por agregados de silicatos de aluminio h idratados, también conocida como arcilla natural es el producto únicamente de los pr ocesos geológicos que la generan es decir aquella que no ha sufrido proceso alguno que modifique sus características. 3. ¿Qué función cumple la solución de soda cáustica en este método? La soda caustica tiene como función actuar como un agente floculante en el proces o de lavado, el cual genera una adhesión de las partículas coloidales de la arena, p ara esta caso las que tengan un tamaño superior a las 20 micras, lo cual facilita su sedimentación y permite eliminar la partículas de menor tamaño. 4. ¿Por qué se requiere una altura de agua de 6º? Las arenas suelen contener arcilla AFS en suspensión con granos floculados que con tienen pequeñas partículas de arena. Estos granos tienden a asentarse en una zona in ferior a los 127mm o 5 plg, por lo tanto para el proceso de drenaje se debe cont ar con un nivel de agua superior para así garantizar una correcta separación. 5. ¿Por qué se recomienda siempre el empleo de agua destilada en el desarrollo de es te ensayo? La arcilla AFS es una partícula de carácter iónico, la cual al entrar en contacto con agua corriente, la cual a su vez contiene sustancias iónicas, puede llegar a verse alterada o activarse, formado floculos los cuales se precipitarían y no permitirían una correcta separación generando errores en las resultados del ensayo, por esta razón se recomienda el uso de agua destilada la cual gracias al proceso para su ob tención no presenta sustancias ionicas.
RESULTADOS PRACTICA 6. CÁLCULO DEL ÍNDICE DE FINURA Y REPRESENTACIÓN DE LOS RESULTADOS Tabla 3. Calculo del número de finura AFS. cantidad de la muestra retenida en el tamiz tamiz gramos % multiplicador producto 6 0 3 12 0 5 20 0,09 0,18 10 1,8 30 1,35 2,7 20 54 40 5,98 11,96 30 358,8 50 14,37 28,74 40 1149,6 70 12,63 25,26 50 1263 100 6,29 12,58 70 880,6 140 3,99 7,98 100 798 200 2,38 4,76 140 666,4 270 0,99 1,98 200 396 Bandeja 1,45 2,9 300 870 total 49,52 99,04 6438,2 Numero de finura de grano AFS = %Peso del Producto / %Granos Retenidos (>0.02) Numero de finura de grano AFS = (6438,2)/ (99,04) = 65,01 Figura 11. Índice de finura AFS (% del material retenido Vs # del tamiz). EXAMEN DE LA FORMA DE LOS GRANOS DE LAS ARENAS: Figura 12. Formas de grano según la norma AFS.
Al realizar el estudio de la forma de la arena, por medio de la lupa, se determi nó que se trataba de una arena con granos de forma subangular, lo cual se determinó al hacer un comparación con la clasificación de la forma de grano según la AFS norma. CUESTIONARIO 1. ¿Qué tipo de curva representa la distribución granulométrica de las arenas? Figura 13. Distribución granulométrica de la arena de moldeo estudiada.
La curva que representa la distribución granulométrica a una distribución cerrada, por que la arena se concentra principalmente en un intervalo de tamaños, este tipo de distribución hace que la arena se compacte más y genera moldes más densos. 2. Haga la representación gráfica de la distribución granulométrica de una arena formada por varias sedimentaciones. Figura 14. Distribución granulométrica de una arena formada por varias sedimentacion es.
Este tipo de distribución no es apta para moldeo, está formada por más de un tipo de a rena y no tiene buenas propiedades, tiene poca permeabilidad. 3. De las siguientes representaciones de la distribución granulométrica de tres aren as: Figura 15. Tipos de distribución granulométrica.
a) ¿Cuál recomendaría para combatir las dartas? Las dartas son defectos de fundición que se deben principalmente a agitaciones en el interior del molde, se erosiona parte de la arena dejando una cavidad que es llenada por el metal, la arena desprendida se encuentra generalmente como inclus iones en la parte superior de la pieza, entre las causas de este defecto debidas a la arena se encuentran algunas como: baja permeabilidad y una pobre distribuc ión de tamaños. Teniendo todo esto en cuenta la arena más recomendable seria la del ti po 3. b) Si el índice de finura es igual, ¿cuál tiene mayor permeabilidad? Si todas tiene el mismo índice de finura, la que tiene una mayor permeabilidad es la arena de tipo 1, ya que no tiene una buena distribución de tamaños, la arena es c asi toda del mismo tamaño lo que ocasiona que hayan mayores espacios libres entre los granos los cuales no son ocupados por granos de menor tamaño. c) ¿Cuál escogería usted para moldeo? Escogería la del tipo 3. Ya que es la que posiblemente tenga la mejor combinación en tre sus propiedades, porque pese a que no es la que presenta la mayor permeabili dad, por su distribución granulométrica es la que posiblemente tenga la mejor compac tibilidad de las tres. d) ¿Cuál tiene mejor plasticidad? La plasticidad es la capacidad que tiene la arena para no agrietarse durante el desmoldeo, para lo cual debe tener una distribución de tamaños como la del tipo1. e) ¿Cuál necesita menos aglomerante y por qué? La distribución que necesita la menor cantidad de aglomerante es la del tipo 2, ya que por su distribución tiene menos espacios entre los granos y esto hace que sea más fácil unirlos. f) ¿Cuál no aconseja usted para moldeo y por qué? No aconsejaría la arena del tipo 2, porque es la que tiene las peores propiedades, por su distribución abierta es la de menor permeabilidad y compactibilidad, por l o que es probable que se presenten muchos defectos de fundición. 4. De dos arenas; una con granos redondos y otra con granos angulosos, ¿cuál tendrá ma yor permeabilidad para igual índice de finura? Mediante representaciones gráficas ex plique su respuesta. Figura 16. Granos de forma redonda y granos de forma angular.
Aunque los granos de forma redonda tienen un mayor espacio entre ellos, esto no es suficiente para que tengan mayor permeabilidad, ya que los granos angulares c on formas más irregulares no están tan bien acomodados como los redondos, lo que pro duce que se les sea más fácil moverse y dejar escapar los gases en el momento de la colada. CONCLUSIONES La arena que estudiamos es apropiada para procesos de moldeo, ya que su distri bución granulométrica cerrada mostrada en la figura 3. Indica que tiene buena permea bilidad y un excelente grado de compactabilidad. como lo podemos ver en la figura 3, la distribución granulométrica de la arena ind ica que se trata de un solo tipo de arena el número de finura es un método rápido para establecer el tamaño promedio de la arena , la arena que se estudio tiene un número de finura bajo por lo tanto puede genera r pizas con un buen acabado superficial. BIBLIOGRAFÍA CONSULTADA Manual de arenas para fundición. AMERICAN FOUNDRYMEN´S SOCIETY. 1967. Ilinois, E.U .A. SISQUELLA ARGILA JUAN. Defectos de fundición. AMERICAN FOUNDRYMEN´S ASSOCIATION. 1959. E.U.A. EDOARDO CAPELLO. Tecnología de la fundición. Segunda edición. Editorial Gustavo Gili , S. A. 1971. Barcelona España. F, OUVRARD ± H, LE BRETON. Manual para el fundidor. Ediciones palestra. 1967. Es paña.
