FABRICACIÓN DE UN HACHA DOBLE HOJA EN ACERO INOXIDABLE MARTENSITICO 440C A PARTIR DE CHATARRA
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA: Se desea fabricar una herramienta de trabajo, en este caso un hacha doble hoja (como se muestra en el anexo, la figura esquemática del modelo) a partir de chatarra de acero, en donde lo que se desea es obtener Acero Inoxidable tipo Martensítico, aplicando los conceptos siderúrgicos aprendidos en la teoría para así poder llegar a obtener dicho producto. Las siguientes preguntas se deben considerar:
¿Qué composición tiene la chatarra? ¿Qué composición final tiene el producto? ¿Cuál proceso siderúrgico se aplica para la obtención de la pieza? ¿Que tipo de horno se va a utilizar?
2. OBJETIVOS 2.1. GENERAL Obtener un acero inoxidable martensítico 440C, y aplicar esta composición química en la obtención de un hacha doble hoja.
2.2.
ESPECÍFICOS
Diseñar el modelo de una herramienta de de trabajo Construir el proceso de moldeo en arena por el cual se obtendrá obtendrá la pieza. Fundir la chatarra en el horno eléctrico de arco. Obtener la pieza con la composición deseada.
3. ALCANCE Y LIMITACIONES Obtener acero inoxidable a partir de chatarra por sustitución de mineral de hierro Al proceso siderúrgico siderúrgico de la obtención del acero deseado, en esencial a la composición química, se dificulta obtener los valores exactos, debido a que partimos de chatarra de acero al carbono con un porcentaje aproximado del 0.4% en carbono y de demás compuestos que interfieren en la composición final del acero inoxidable que se desea obtener.
4. JUSTIFICACIÓN El proyecto de fabricar una hacha doble hoja, tiene como motivo aplicar los conceptos siderúrgicos aprendidos en clase, y además investigar más sobre la proceso siderúrgico para obtener un producto. También este proyecto ayuda a adquirir conocimientos industriales para solucionar inconvenientes prácticos que se puedan presentar en una siderúrgica.
5. MARCO DE REFERENCIA.
5.1.
HORNO ELÉCTRICO.
El horno eléctrico consiste en un gran recipiente cilíndrico de chapa gruesa (15 a 30 mm de espesor) forrado de material refractario que forma la solera y alberga el baño de acero líquido y escoria. El resto del horno está formado por paneles refrigerados por agua. La bóveda es desplazable para permitir la carga de la chatarra a través de unas cestas adecuadas. La bóveda está dotada de una serie de orificios por los que se introducen los electrodos, generalmente tres, que son gruesas barras de grafito de hasta 700 mm de diámetro. Los electrodos se desplazan de forma que se puede regular su distancia a la carga a medida que se van consumiendo. Los electrodos están conectados a un transformador que proporciona unas condiciones de voltaje e intensidad adecuadas para hacer saltar el arco, con intensidad variable, en función de la fase de operación del horno. Otro orificio practicado en la bóveda permite la captación de los gases de combustión, que son depurados convenientemente para evitar contaminar la atmósfera. El horno va montado sobre una estructura oscilante que le permite bascular para proceder al sangrado de la escoria y el vaciado del baño.
Partes de horno eléctrico de arco
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.
Transformador. Conexiones de cable flexible. Brazos de los electrodos. Sujeción de los electrodos. Pórtico con brazos. Salida de humos refrigerada. Paneles refrigerados. Estructura. Estructura oscilante.
10. Cremallera. 11. Bóveda refrigerada. 12. Depósito de volteo. 13. Cuerpo hidráulico. 14. Electrodos. El proceso de fabricación de acero se divide básicamente en dos fases: la fase de fusión y la fase de afino.
Fase de fusión Una vez introducida la chatarra en el horno y los agentes reactivos y escorificantes (Principalmente cal) se desplaza la bóveda hasta cerrar el horno y se bajan los electrodos hasta la distancia apropiada, haciéndose saltar el arco hasta fundir completamente los materiales cargados. El proceso se repite hasta completar la capacidad del horno, constituyendo este acero una colada.
Fase de afino El afino se lleva a cabo en dos etapas. La primera en el propio horno y la segunda en un horno cuchara. En el primer afino se analiza la composición del baño fundido y se procede a la eliminación de impurezas y elementos indeseables (silicio, manganeso, fósforo, etc.) y realizar un primer ajuste de la composición química por medio de la adición de ferroaleaciones que contienen los elementos necesarios (cromo, níquel, molibdeno, vanadio o titanio). El acero obtenido se vacía en una cuchara de colada, revestida de material refractario, que hace la función de cuba de un segundo horno de afino en el que termina de ajustarse la composición del acero y de dársele la temperatura adecuada para la siguiente fase en el proceso de fabricación.
5.2.
CARACTERÍSTICAS DEL ACERO INOXIDABLE QUE SE DESEA OBTENER
El acero SAE 440 C es un acero inoxidable martensítico con alto carbón, diseñado para ofrecer una combinación de alta resistencia al desgaste y una moderada resistencia a la corrosión en ambientes medios. Alcanza durezas cercanas a 60HRc y ofrece una buena retención del filo.
Según la norma americana ASTM, se tiene la siguiente composición:
Composición química según la norma ASTM A 276-06 %C
%Mn(max)
%P(max
%S(max) %Si(max)
%Cr
%Mo(max)
0.95-1.20
1.00
0.04
0.03
16-18
0.75
1.00
6. METODOLOGÍA 1. Para realizar el proyecto propuesto se comenzó por la obtención de la información correspondiente a la fabricación de acero SAE 440 C. 2. Se mandó a fabricar el modelo en madera para su correspondiente moldeo en la caja. El modelo es como se muestra en las siguientes figuras.
MOLDEO DE LAS PIEZAS 3. Preparación de arena de relleno: se coge la arena y se criba, luego se mezcla con agua hasta que quede compacta. 4. Preparación arena de contacto: se coge la arena, sílice y se agrega agua y bentonita se mezclan hasta quedar compacta. 5. Se coloca la caja inferior al revés y se coloca el modelo y se tapa con la arena de contacto y luego se agrega la arena de relleno y se apisona hasta que quede completa la caja. 6. Se voltea la caja inferior y se le colocan los respectivos bebederos y se sigue a llenar completamente la caja superior colocada encima de la inferior. 7. Se saca el modelo y se hacen los respectivos canales; y luego se hace los respectivos respiraderos para que salgan los gases durante la colada.
CARGA DEL HORNO ELÉCTRICO 8. Con los resultados del análisis de la chatarra se hizo el balance de carga, el análisis químico de la chatarra es el siguiente:
ELEMENTO PORCENTAJE PESO (%) 0.36 C 0.034 Si 0.61 Mn 0.012 P 0.0084 S 98.8 Fe
EN
9. Se empezó a cargar el horno y se vertieron 250 gr de carbón (grafito), pulverizado con 7280 gr de la aleación de cromo (ferrocromo), 280 gr de Ferrosilicio, 280 gramos de ferromanganeso y 250 gramos de ferromolibdeno. Además se agregó los 22.7 kg de chatarra, 4.5 kg de caliza pulverizada. 10. Se inició la fundición en el horno, con un amperaje de 900 amperios y 80 voltios. Es decir, con 64800 Watts de potencia. En tiempo paralelo a la fusión en el horno se dejó calentando la cuchara para que no se pegara la colada, y también se calentaron las cajas de moldeo para que no quedara nada de humedad en la arena.
11. Cuando terminó el proceso de fundición, se dispuso la cuchara con trozos de aluminio para desoxidar en combinación con 100 gr correspondientes a ferromanganeso; de manera que se pudiera recibir la colada proveniente del horno eléctrico, y de ésta manera distribuirla a los dos moldes que se tenían preparados. 12. Se sacaron las piezas y se les realizó el respectivo análisis químico en el espectrómetro, ubicado en las instalaciones del INCITEMA. 13. Después de obtenidas las piezas se procedió a mecanizarlas y a realizar pruebas de dureza.
7. CÁLCULOS: Para la composición obtener la composición deseada y según la norma se hace los siguientes cálculos:
%C
%Mn(max)
%P(max
%S(max) %Si(max)
%Cr
%Mo(max)
0.95-1.20
1.00
0.04
0.03
16-18
0.75
1.00
Base de cálculo: 30 kg de acero.
C: 30000 gr * 0.01= 300 gr de grafito Si: 30000 gr * 0.07= 210 gr Mn: 30000 gr * 0.07= 210 gr Cr: 30000 gr * 0.17= 5100 g Mo: 30000 gr * 0.005= 150 gr Fe: 24030 gr.
MASA DE FERROALEACIONES: la ley de las ferroaleaciones son del 75% para el ferrosilicio y el ferromanganeso; del 70% para el ferrocromo (duro) y del 60% para el ferromolibdeno.
FeSi: 210 x
FeMn: 210 x
FeCr: 5100 x
FeMo: 150 x
= 280 gr
= 280 gr
= 7286 gr
= 250 gr
Fe que contiene las ferroaleaciones: 2500 gr. Carbono que contiene las ferroaleaciones: 20 gr
Chatarra a cargar: 22 700 gr. (con el 98.8% de Fe, y 0.36% de C) chatarra de acero al carbono.
8. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES El siguiente es el cronograma, para el segundo semestre del 2013(agostodiciembre)
Act/sem*
3º 4º 5º 6º 7º 8º 9º 10º 11º 12º 13º 14º 15º
Planteamiento X de proyecto Consulta bibliográfica Diseño y fabricación del modelo Construcción del molde Preparación horno eléctrico Preparación y análisis de la chatarra Fusión y obtención de pieza Acabado de la pieza Tratamientos térmicos Análisis composición química Entrega de resultados análisis Redacción del informe Entrega informe final(escrito)
X X
X X X X
*Act= actividad; Sem: Semana
X X X
X X X X X X
9. RESULTADOS Y ANÁLISIS. Se obtuvo la pieza exitosamente (como se puede ver en los anexos), con un peso de 12 kg, incluyendo los bebederos y los respiraderos. Además de obtuvo un disco con un peso de 13 kg, el demás material se vertió en las lingoteras.
9.1.
Ensayos químicos.
Se realizó el análisis de composición química, arrojando lo siguiente (el reporte oficial se puede ver en los anexos).
COMPOSICIÓN QUICK C Si Mn P
S
Cr
Mo
Ni
Al
Fe
1.13 0.249 1.053 0.047 0.010 18.05 0.527 0.323 0.035 78.37
Análisis: se puede ver que se cumple con la composición deseada, aunque se observa que el contenido de silicio es de 0.254%, e inicialmente el balance de carga se realizó para un porcentaje de 0.7%, esto se debe a que la el silicio reacciona muy fácilmente con el oxígeno del aire y se oxida a sílice, compuesto que va a la escoria. De igual forma se cumple con la norma. En el manganeso: se obtuvo un valor que está en el límite, o para ser más exacto lo excede en centésimas al valor de la norma que es del 1%. Se observa también que aparece un porcentaje de níquel, esto se debe al níquel que contenía la chatarra.
9.2.
Ensayos físicos.
Con una muestra del material obtenido se hace ensayo de dureza, en un durómetro Rockwell, y se realizó con punta de diamante. Y se obtiene los siguientes datos en escala C.
Nº ensayo 1 2 3 4 5
de dureza 83 74 76 75 82
Dureza: 78Rc
Análisis: se observa una dureza alta, esto se debe a los altos contenidos de los aleantes, específicamente del cromo, silicio, manganeso, molibdeno, y carbono. Los cuales aumentan la dureza de este tipo de acero. Adicionalmente la velocidad de enfriamiento influyó en la dureza, esta velocidad de enfriamiento fue alta, porque se enfrió en agua.
10. CONCLUSIONES
Después de realizado la práctica durante el semestre, y obtenido buenos resultados de puede concluir lo siguiente:
La investigación previa, los buenos cálculos en los balances de carga, y el trabajo en equipo y concienzudo en el laboratorio dio como resultado la composición planteada al comienzo. Es necesario el conocimiento de las composiciones exactas de todas las materias primas, como los son: la chatarra, los aleantes etc. para hacer un buen balance de carga y tener presente los valores de cada uno de los elementos para que en la composición final no salga valores extraños. Se aplicó todos los conocimientos aprendidos en la asignatura para completar un proceso siderúrgico, y obtener un producto final, en este caso un hacha doble hoja.
FABRICACIÓN DE UN HACHA DOBLE HOJA EN ACERO INOXIDABLE MARTENSITICO 440C A PARTIR DE CHATARRA
Realizado por: ANDRÉS MOLINA SANDOVAL CRISTIAN CAMILO VARGAS VEGA LUIS CARLOS CANTE MOLINA
Presentado a. ING. ARCESIO M EDRANO RIVERA
UNIVERSIDAD PED AG ÓGICA Y TECNOL ÓGICA D E COL OMB IA FA CUL TA D D E INGE NIERÍA ESCUELA DE METAL URGIA TUNJA 2013
