Instituto Tecnolo ecnolo gico De D e Durango Mecatrónica Procesos de Fabricación Proceso de fundición del Acero
Unidad II Alumnos: Guillermo Eduardo Carrillo Sierra Sierra No.13040412 Jonattan Daniel Casas Gurrola No.13040413 José Guadalupe Cervantes Martínez No.13040414 Victoria de Durango a 09/03/2014
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ÍNDICE Introducción………………………………………………………………………… ..……3 ..……3 Desarrollo………………………………………………………………………………… ..5 El acero……………………………………………………………………………………..6 acero……………………………………………………………………………………..6 Obtención………………………………………………………………………………….. 7 Proceso de obtención de arrabio en el alto horno …………………………………….. ……………………………………..8 8 Proceso productivo del acero ……………………………………………………………. …………………………………………………………….9 9 Tipos de hornos eléctricos ……………………………………………………………… ………………………………………………………………10 10 Fases del proceso de horno eléctrico …………………………………………………. ………………………………………………….11 11 Transformación del acero………………………………………………………………. acero ……………………………………………………………….15 15 El moldeo a la cera perdida ……………………………………………………………. …………………………………………………………….16 16 El moldeo en cáscara…………………………………………………………………… cáscara ……………………………………………………………………17 17 Fundición (hierro)……………………………………………………………………….. (hierro) ………………………………………………………………………...19 .19 Clasificación de las fundiciones ……………………………………………………….. ………………………………………………………..20 20 Conclusiones…………………………………………………………………………….. 22 Bibliografía……………………………………………………………………………….. 23
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INTRODUCCION. Planteamiento del problema.
El proceso de a fundición dio origen en la edad de cobre como consecuencia de necesidad de desarrollar y procesar elementos que les sirvieran a nuestros antepasados para sobrevivir y además para la guerra. El proceso de fundición es muy importante porque gracias a este surge la metalurgia. ¿Qué es la metalurgia? Se define como es la técnica de la obtención y tratamiento de los metales desde minerales metálicos hasta los no metálicos y por su puesto cabe mencionar que estudia la producción de materiales, el control de calidad de procesos. Esta se ve desarrollada por que los metales en uso se deforman fácilmente y por lo tanto se inician pruebas para generar herramientas que hicieron más fácil la vida del hombre.
Justificación.
Las primeras fundiciones se hicieron durante el periodo 4000-3000 a.C., utilizando moldes de piedra y metal para el colado del cobre. Con el transcurrir del tiempo se fueron desarrollando varios procesos de colado, cada uno de ellos con sus propias características y aplicaciones, a fin de llenar requerimientos específicos de ingeniería y de servicio. Mediante el colado se manufacturan muchas piezas y componentes, incluyendo cámaras, carburadores, motores, cigüeñales, panes automotrices, equipo agrícola y para ferrocarriles, tubería y acoplamientos de plomería, herramientas eléctricas, cañones de rifle, sartenes y componentes de gran tamaño para turbinas hidráulicas. ¿Por qué es importante la fundición del acero? La fundición del acero es tan importante porque a través del descubrimiento de la fusión de metales para armas, utensilios, monedas, en algunas poblaciones se inició el proceso metalúrgico de fabricar objetos con aleaciones de cobre con estaño, aluminio, magnesio, manganeso, oro y plata.
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Objetivos
Los objetivos que persigue la correcta realización de este trabajo son:
Conocer las normas de seguridad que se deben tener en cuenta al realizar procedimientos de fundición Encontrar la importancia de la fundición como proceso de manufactura en la industria. Identificar cada uno de los pasos para llevar a cabo una fundición. Identificar los elementos de una mezcladora. Conocer el funcionamiento de un horno eléctrico Identificar las herramientas manuales requeridas en un proceso de fundición.
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DESARROLLO En los primeros siglos de la fundición, se prefería el bronce y el latón al hierro fundido, como metales de fundición. EI hierro era más difícil de fundir, debido a su más alta temperatura de fusión y a la falta de conocimientos sobre metalurgia. Además había poca demanda de productos de hierro. Pero esto empezó a cambiar entre los siglos XVI y XVII. El arte de la fundición en arena llegó a Occidente (Europa) desde China. En China, el acero se fundía en moldes de arena hacía más de 2 500 años. En 1550 se fundió el primer cañón de hierro en Europa. Las balas de cañón para esta arma se hicieron de hierro fundido a partir de 1568. Los cañones y sus proyectiles crearon una gran demanda de hierro fundido. Pero estos artículos eran más para uso militar que para uso civil. Dos productos de hierro fundido que cobraron Importancia para el público general en los siglos XVI y XVII fueron las estufas de hierro fundido y los tubos para agua del mismo metal.
Uno de los procesos de manufactura más empleados en la industria es la fundición. Esta se encarga de llevar los metales hasta el punto de fusión, para que el metal adopte la forma deseada a través de un molde. Actualmente dos tendencias están teniendo un impacto de importancia en la industria de la fundición. La primera es la constante mecanización y automatización del proceso de fundición, que ha conducido cambios significativos en el uso del equipo y de la mano de obra. Maquinaria y sistemas de control de proceso automáticos han reemplazado los métodos tradicionales de fundición. La segunda tendencia de importancia es la creciente demanda de piezas fundidas de alta calidad, con tolerancias dimensionales cerradas, y sin defectos.
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EL ACERO El Hierro puro no posee la dureza y resistencia necesarias para las aplicaciones de uso común. La adición de Carbono así como de otros elementos de aleación mejora dichas características. El acero es un material férrico, ya que contiene Hierro y además se compone de Carbono en un porcentaje inferior al 2 %.
Características del acero
Color: Blanco grisáceo. Fusibilidad: Punto de fusión muy alto (1300ºC a 1530ºC). Peso específico: Pesado (7,6 - 7,8 gr/cm²). Toxicidad (c.normales): No es tóxico
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Propiedades mecánicas del acero
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
Muy dúctil. Muy tenaz. Maleable se puede forjar. Se puede soldar. Conductividad: Conduce el calor y la electricidad, pero peor que el Hierro. P. químicas: Se oxida totalmente excepto aceros especiales inoxidables. Magnetismo: Posee propiedades magnéticas.
OBTENCION El acero se puede obtener a partir de dos cargas metálicas diferentes: el Arrabio, obtenido del alto horno, y la chatarra de acero. Dependiendo de la materia prima empleada, el proceso de obtención se realizara en uno u otro horno. Básicamente el proceso consiste en el vertido, dentro del horno, de las materias primas adecuadas al tipo de acero que se quiere obtener. Después se procede al calentamiento de dichos materiales hasta su temperatura de fusión, consiguiendo que la mezcla se vuelva homogénea. Por último, se verterá el producto final en la cuchara o en moldes, según el proceso de conformación que se le va a dar posteriormente.
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PROCESO DE OBTENCIÓN DE ARRABIO EN EL ALTO HORNO
Horno convertidor
En el convertidor se produce acero a partir del Arrabio obtenido del alto horno. Debido a la gran capacidad de producción de este procedimiento, es apto para la fabricación de grandes cantidades de acero. En los convertidores es necesario el aporte de energía para elevar la temperatura del Arrabio líquido. Se conocen dos formas de aporte de esta energía: 1. Insuflando aire en el fondo del convertidor (antiguos hornos Bessemer y Thomas). 2. Inyectando Oxígeno puro (procedimiento LD). En el proceso de conversión con Oxígeno se mezclan en un horno estos elementos: * El Arrabio procedente del alto horno. * Un cierto porcentaje de chatarras de acero. * Escorificantes o elementos que ayudan a formar la escoria y depurar por tanto el material resultante. Normalmente el escorificante más empleado es la cal.
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PROCESO PRODUCTIVO DEL ACERO Carga Estando el convertidor vacío, se gira cierto ángulo de la vertical hasta la posición de carga. Después se cargan todas las materias primas y se vuelven a colocar el convertidor en posición vertical. Soplado Se insufla el Oxígeno puro a presión (entre 10 y 14 bares). La enorme velocidad del chorro de Oxígeno al atravesar el material, hace que se eleve la temperatura del orden de los 2500ºC a 3000ºC. En esta fase se añade también la cal que ayuda a obtener la escoria. La duración de la fase es de unos 15 minutos.
Colada Una vez terminada la fase de soplado y realizado el acero, se corta la entrada de Oxígeno. Tras esperar cierto tiempo para que el material se vuelva homogéneo, se va inclinando el horno hasta que el metal va cayendo a un recipiente llamado cuchara. En este momento el metal está listo para ser procesado, por moldeo o cualquier otro método de conformación. Los aceros que se obtienen son de bajo contenido de Carbono (aceros dulces) por ejemplo, para piezas que se vayan a procesar por embutición. Para producir aceros especiales se adicionan químicos a la aleación que darán al acero las características deseadas. Pasado un tiempo para que la mezcla se vuelva homogénea, se vierte el contenido del horno, inclinándolo un cierto ángulo, en un recipiente llamado cuchara.
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TIPOS DE HORNOS ELÉCTRICOS
Hay dos tipos de hornos eléctricos, dependiendo de la forma de utilización de la energía eléctrica para producir el calor de fusión en el horno: * En los hornos de inducción se coloca la materia prima en un recipiente o crisol rodeado de una bobina por la que se hace pasar la corriente eléctrica. Las corrientes inducidas en el interior de la bobina son capaces de fundir el material. * Los hornos de arco son los hornos eléctricos más utilizados a nivel industrial. En este tipo de horno se coloca la materia prima en un recipiente o crisol en el que se encuentran una serie de electrodos colocados verticalmente. Se hace pasar corriente eléctrica a través de estos electrodos y el calor generado es el que funde el material.
Ho rn o Elé ct ri co
En los hornos eléctricos se produce acero a partir de chatarra de acero. Son grandes recipientes cilíndricos con una gruesa chapa, entre 15 y 30 mm de espesor, forrados de un material refractario, este albergará el acero durante su elaboración. Ventajas: Se puede fabricar cualquier tipo de acero con cualquier composición. Utiliza como materia prima la chatarra. Requiere menor inversión económica que otras instalaciones productoras de acero. Desventajas: Fuerte consumo de energía eléctrica. Para la fabricación de algunos tipos de aceros se tarda mucho tiempo, por lo que se requiere una buena sincronización con los procesos que necesita el metal fundido recién salido del horno.
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FASES DEL PROCESO DE HORNO ELÉCTRICO
En primer lugar se carga el horno con la materia prima, chatarras y cal para la formación de escoria. Se tapa el horno por su parte superior. En el caso de hornos de arco, se bajan los electrodos hasta una distancia apropiada. Se conecta la corriente y salta el arco que hace fundir los materiales en el interior del horno. Una vez que el material ha pasado al estado líquido se inyecta Oxígeno, para eliminar sustancias no deseadas en forma de escoria. Después se añade cal, que mejora las propiedades de dicha escoria, actuando ésta de desoxidante del material fundido. Finalmente se ajusta la composición del metal fundido añadiendo los elementos aleantes.
Aleaciones Influencia de los elementos de aleación Carbono (C).Aumenta la resistencia, el límite de elasticidad y la dureza. Disminuye la ductilidad y la maleabilidad, según el porcentaje de Carbono, los aceros se pueden dividir en: Aceros de bajo Carbono: son aquellos que tienen un porcentaje de Carbono menor o igual a 0.25%. 11
Aceros de medio Carbono: son aquellos que tienen un porcentaje entre 0.25% y 0.55% de C. Aceros de alto Carbono: aquellos que tiene más de 0.55% de C. Manganeso (Mn) o o o
Elimina la fragilidad en caliente originada por el azufre. Aumenta la facilidad para recibir el tratamiento térmico del temple. Aumenta la resistencia al desgaste y a la oxidación.
Molibdeno (Mo) o o o
Aumenta la facilidad para recibir el tratamiento térmico del temple. Aumenta la resistencia mecánica estando el material caliente. Aumenta la resistencia al desgaste.
Níquel (Ni) o o o
Eleva la resistencia de los aceros no templados. A bajas temperaturas, proporciona tenacidad. Mejora la resistencia a la corrosión.
Nitrógeno (N) | o o
Aumenta la facilidad para recibir el tratamiento térmico del temple. Aumenta la resistencia de algunos aceros inoxidables.
Oxígeno (O) o o o
Aumenta la fragilidad de los aceros. Es un elemento muy nocivo. Disminuye la resistencia al choque.
Plomo (Pb) o
Facilita su mecanizado.
Silicio (Si) o o o
Actúa como desoxidante. Aumenta la resistencia de los aceros bajos en Carbono. Se utiliza para la construcción de chapas magnéticas.
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Titanio (Ti) o o
Actúa como desoxidante. Mejora la capacidad de conformado del material.
Vanadio (V) o o o
Aumenta la facilidad para recibir el tratamiento térmico del temple. Aporta resistencia al desgaste en aceros para herramientas. Mejora la resistencia en aceros de bajo contenido en Carbono.
Wolframio (W) o o o
Confiere resistencia al desgaste en aceros de herramientas. Aumenta la facilidad para recibir el tratamiento térmico del temple. Aumenta la resistencia en aceros de medio y alto contenido de Carbono.
Aluminio (Al) o o o
Actúa como antioxidante. Limita el crecimiento del grano por formación de óxidos y nitruros. Es el elemento aleado fundamental de ciertos aceros de nitruración.
Azufre (S) o o
Hace más frágil al acero. Facilita su mecanizado.
Boro (B) o o
Aumenta la facilidad para recibir el tratamiento térmico del temple. En aceros inoxidables, aumenta su dureza.
Zirconio (Zr) o o
Actúa como antioxidante. Mejora las características del material para trabajos de embutición.
Cobalto (Co) o o o
Aumenta la resistencia a la corrosión y a la abrasión. Mejora la dureza en caliente. Hace aumentar la resistencia a la tracción.
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Cobre (Cu) o o
Hace aumentar la resistencia a la tracción. Aumenta la fragilidad estando el material caliente.
Cromo (Cr) o o o o o
Aumenta la resistencia a la corrosión y oxidación. Aumenta la resistencia a la abrasión y al desgaste. Aumenta la facilidad para recibir el tratamiento térmico del temple. Aumenta la resistencia mecánica estando el material caliente. Se utiliza para hacer aceros inoxidables.
Fósforo (P) o o o o
Eleva la resistencia y dureza en aceros bajos en Carbono. Aumenta la resistencia a la corrosión. Mejora la maquinabilidad, es decir, la facilidad de ser mecanizado. Disminuye la tenacidad.
Hidrógeno (H) o
Produce fragilidad en el acero. Es un elemento muy nocivo.
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TRANSFORMACIÓN DEL ACERO Una vez fundido el acero en los hornos adecuados, éste toma su forma líquida. Para poder obtener productos útiles es necesario solidificarlo. Existen tres formas de solidificar el acero fundido: con el proceso de moldeo, mediante la fabricación de lingotes y por colada continua. El moldeo.
El moldeo consiste en verter el acero fundido sobre moldes con la forma de la pieza que se desea obtener. La obtención de una pieza por moldeo requiere las siguientes fases: Obtención del metal líquido.
El metal es fundido en hornos de diferentes tipos, convertidores o eléctricos. La fusión de cada material debe hacerse a la temperatura adecuada. Preparación del molde.
En función de la forma y características de la pieza a obtener, se preparará el molde adecuado: bien de arena o bien metálico. Vertido del metal en el molde.
En esta etapa se vierte el metal fundido en el molde hasta su completo llenado. Enfriamiento del material.
Una vez llenado el molde de metal fundido, éste empieza a enfriarse. En esta fase el material se contrae y disminuye de volumen. Extracción de la pieza.
Una vez enfriado el material, se procede a su extracción. Dependiendo de la forma del molde, la extracción se realiza de forma diferente. Moldes no permanentes: en este caso la pieza se extrae rompiendo el molde. Moldes permanentes: la pieza se extrae abriendo las diferentes partes del mismo.
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Procedimiento de acabado
La pieza extraída del molde se compone, además de la propia pieza, del sistema de alimentación, rebabas, entre otros. Son necesarias diversas operaciones para eliminar estas partes sobrantes de la pieza. En ocasiones es necesario mecanizar alguna parte de la pieza.
EL MOLDEO A LA CERA PERDIDA El moldeo a la cera perdida es un moldeo de precisión en el que el modelo que da forma a la arena de la pieza a obtener se funde al verter el metal fundido. Normalmente el modelo suele ser de cera.
Estas son algunas de las ventajas del moldeo a la cera perdida: Ventajas:
Moldes de Cera Pérdida. Obtención de piezas con precisión dimensional y buen acabado superficial. Piezas sin rebabas. Moldeo de piezas desde varios gramos hasta 30 Kg. Posibilidad de fabricar piezas muy complejas.
El proceso del moldeo en cera perdida:
El proceso de conformación de piezas de acero a la cera perdida comienza con la construcción del moldeo patrón con la forma del objeto a conseguir en latón o bronce. Con el método de moldeo en cera, se moldea una figura exactamente igual que el modelo. Pero en lugar de verter fundido, hay que verter cera fundida. Se deben preparar tantos modelos en cera como piezas se deseen obtener. Los modelos de cera se recubren de arena. A la arena que recubre el modelo de cera se le denomina cáscara. Todo el conjunto se caliente en un horno a unos 100ºC, fundiéndose la cera y dejando el hueco exactamente igual a la pieza a obtener. En otro horno se caliente la arena hasta que se endurece a unos 1.000ºC.
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Se vierte el metal fundido en el molde de la arena, obteniéndose el objeto con la forma deseada. Después se procede al enfriamiento del material y a la rotura del molde para la extracción de la pieza. Por último se eliminarán las partes sobrantes de las piezas, como las rebabas entre otros.
EL MOLDEO EN CÁSCARA El moldeo en cáscara se caracteriza por la utilización de moldes de arena de espesores muy pequeños. Estos moldes, debido a su reducido espesor, se denominan cáscaras. El moldeo centrifugado se realiza haciendo girar el molde alrededor de un eje, con lo que la fuerza centrífuga obliga al material fundido a rellenar todas las cavidades del molde. Se utiliza este método para la obtención de piezas de revolución.
Ventajas del molde
Mayor precisión que el moldeo en arena. Moldes muy ligeros. No se necesitan cajas de moldeo. Pueden moldearse todos los metales y aleaciones.
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Desventajas del molde
Mayor precisión que el moldeo en arena. Sólo es rentable para series superiores a 500 piezas. La mezcla de arena con resina es más cara que la arena de moldeo normal.
El proceso de moldeo en cáscara sigue habitualmente las siguientes fases:
Realización de un modelo con la forma de la pieza a obtener. Preparación de una mezcla de arena con resina. Inmersión del modelo en la mezcla de arena y resina. Poco a poco se va adhiriendo una capa de arena a la superficie del modelo, llamada cáscara. Normalmente se suelen fabricar dos mitades por cada pieza a obtener. Calentamiento de las cáscaras entre 250ºC y 400ºC para endurecer la mezcla de arena y resina. Pegado de las dos cáscaras que forman en su interior la cavidad correspondiente a la forma de la pieza a obtener. Vertido del metal fundido dentro del hueco formado por las cáscaras. Enfriamiento del metal. Rotura del molde de cáscara para la extracción de la pieza. Eliminación de las partes sobrantes, rebabas entre otras.
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FUNDICIÓN (HIERRO) La fundición es una aleación de Hierro y Carbono, en el cual el porcentaje de Carbono es superior al 2.1%. La tecnología de la fundición se inició hace 2000 años, y su desarrollo está ligado a la expansión económica de cada país. Propiedades de la fundición.
Color: grisáceo. Punto de fusión: alto (1300ºC a 1450ºC). Peso específico: pesado (7.6 - 7.8 gr/cm²). Toxicidad (c.normales): no es tóxico. Propiedades mecánicas: No dúctil. No tenaz. No Maleable. No se puede forjar. Difícil de soldar. Conductividad: Conduce el calor y la electricidad, pero no muy bien, como el acero. P. químicas: Inoxidable. Magnetismo: Sólo posee propiedades magnéticas la fundición gris.
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CLASIFICACIÓN DE LAS FUNDICIONES Fundición Gris:
El porcentaje de Carbono varía entre 2.5% y 4%. Estas son algunas de sus características:
Material frágil y poco resistente a la tracción. Soportan muy bien las vibraciones, por eso se emplean para realizar las bancadas de las máquinas. Gran facilidad para ser moldeados. Pueden obtenerse piezas de formas muy complejas por moldeo. Gran resistencia al desgaste. Es uno de los materiales férricos más baratos.
La fundición gris se emplea para piezas de forma complicada y de espesores pequeños con bajas exigencias mecánicas, como carcasas, bases de máquinas (adsorción de vibraciones), calefacciones, tambores y discos de freno. Fundición Nodular (esferoidal):
Este tipo de material parte de la fundición gris a la que se le añaden pequeñas cantidades de Magnesio y/o Cesio. Tienen el grafito en forma de nódulos de forma sensiblemente esférica, por lo que se llama la fundición nodular o esferoidal. Las propiedades mecánicas son similares a la de fundición gris, excepto que son más resistentes y dúctiles que éstas. La fundición esferoidal se utiliza para elementos de construcción que deban poseer una dureza, elasticidad y resistencia mecánicas altas, como mesas de máquinas o herramientas que deben soportar grandes pesos de piezas y adsorber fuerzas de mecanizados importantes. Como: engranajes, cigüeñales, brazos de suspensión, porta mangueras, puentes traseros de camiones, entre otros. Fundición Blanca y Maleable:
La fundición blanca tiene bajos contenidos de Carbono y una velocidad de enfriamiento muy alta. Estas son algunas de sus características: o
o o o
Se llama fundición blanca porque presenta este color en la superficie de rotura. Extremadamente dura y frágil, hasta el punto de no poderse mecanizar. Gran resistencia al desgaste. Resistencia relativamente alta.
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Las aplicaciones más importantes surgen en las piezas que han de tener una resistencia al desgaste superficial importante, como boquillas de proyección de arena, rodillos para triturar, cilindros de laminar, entre otros.
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CONCLUSIÓN Dentro del proceso de formación de un ingeniero, el conocimiento de este proceso nos permitirá tomar decisiones técnicas a la hora de diseñar productos o dirigir operaciones que involucren los procesos de fundición. El proceso de fundición es un procedimiento complejo, el cual se desarrolla como dos flujos de producción paralelos, que en determinado momento se unen para dar forma y terminación a la pieza. Este consta de cinco etapas, las cuales son: 1. Preparación de mezcla 2. Moldeo 3. Fusión 4. Vertido 5. Desmolde, limpieza, acabado Cada una con su respectiva tecnología. Entonces, podemos decir que la elaboración del Acero es un proceso donde se realiza la aleación de Hierro, Carbono y otros metales, donde el carbono no supera el 2,1% en peso de la composición de la aleación.
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BLIBLIOGRAFIA
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Algunos videos que enriquecerán el conocimiento
http://www.youtube.com/watch?v=9M3T_jnRd6Y#t=13 http://www.youtube.com/watch?v=coexBFa6OUw http://www.youtube.com/watch?v=nooD-OsAG-Q
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