Proyecto Horno de Fundicion de Aluminio-libre

DISEÑO, CÁLCULO Y CONSTRUCCIÓN DE UN HORNO DE FUNDICIÓN DE ALUMINIO TIPO BASCULANTE Y SUS MOLDES

FREY JONATHAN PEREZ PINO ARMANDO ENRIQUE SOTO PAYARES

DISEÑO, CÁLCULO Y CONSTRUCCIÓN DE UN HORNO DE FUNDICIÓN DE ALUMINIO TIPO BASCULANTE Y SUS MOLDES

ARMANDO ENRIQUE SOTO PAYARES 85102350044 [email protected] 3168051577 FREY JONATHAN PÉREZ PINO 1090376345 [email protected] 3162386803

AGRADESIMIENTOS

A dios todo poderoso por darme cada día salud y sabiduría, para el desarrollo de mi estudio profesional. profesional. .

A mis familiares por brindarme brindarme siempre confianza, apoyo y seguridad en las tomas de mis decisiones. dec isiones.

DEDICATORIA

A mis padres Jerson Pérez, Marina Pino y mi hermana Vanessa Pérez, porque siempre estuvieron presentes en todas mis metas, apoyándome e incentivándome incondicionalmente, mentalizándome siempre en que las cosas son realizables siempre y cuando uno mismo lo quiera.

AGRADESIMIENTOS

Agradezco enfáticamente al departamento de física y geología, por brindarme la oportunidad de laborar en sus instalaciones, para de alguna forma subsidiar económicamente, un proyecto que no fue de ninguna forma respaldado por el departamento de ingeniería mecánica. A mi tutor el Ingeniero Juan Pablo Flórez, y a los suyos por su incesante ayuda a la hora de realizar esta labor.

DEDICATORIA

Primeramente a Dios que me dio, la madures y capacidad necesaria para afrontar un compromiso de los que muchos no me creyeron capaz. A mis padres por ser siempre los pilares de mi fortaleza, a la hora de flaquear en tan difícil camino. A mis hermanos por creer en mí, y por recalcarme enfáticamente, que no estaba solo.

TABLA DE CONTENIDO Pág. 1.

DESCRIPCIÓN DE LA PROPUESTA.............................................................12 1.1. Resumen de la propuesta .................................................................................... 12 1.2. Planteamiento del Problema ............................................................................... 12 1.3. OBJETIVOS ............................................................................................................ 13 1.3.1. Objetivo General .............................................................................................. 13 1.3.2. Objetivos Específicos ..................................................................................... 13 2. HORNOS ........................................................................................................14 2.1. GENERALIDADES ................................................................................................ 14 Las partes constitutivas de un horno ......................................................................... 14 2.2. CLASIFICACIÓN.................................................................................................... 14 2.2.1. De acuerdo con su temperatura de trabajo............................................... 14 2.2.2. De acuerdo con su uso .................................................................................. 14 2.2.3. De acuerdo con su forma de operación ..................................................... 15 2.2.4. De acuerdo con su forma de calentar......................................................... 15 2.2.5. De acuerdo con su fuente de energía......................................................... 15 2.3. MÉTODOS DE CALENTAMIENTO EN HORNOS ..................... 15

3.1.3. Cajas de moldear............................................................................................. 29 3.1.4. Proceso de trabajo .......................................................................................... 30 3.1.4.1. Caso 1, moldeo de una pieza simple en molde abierto .................. 30 3.1.4.2. Caso 2, moldeo de una pieza con hueco ........................................... 31 3.1.4.3. Caso 3, objeto que necesita más de dos cajas ................................ 32 3.1.4.4. Caso 4, pieza de revolución .................................................................. 33 3.1.4.4.1. Moldeo de una campana................................................................. 33 3.2 CALIDAD DE LA FUNDICIÓN ............................................................................ 36 3.2.1. Defectos de la fundición ................................................................................. 36 3.2.1.1. Métodos de inspección ........................................................................... 39 3.2.2. Metales para fundición ................................................................................... 39 3.2.3. Consideraciones para el diseño de productos.......................................... 42 4. ARENAS .........................................................................................................45 4.1. GENERALIDADES DE LA ARENA ................................................................... 45 4.2. PRUEBAS Y CONTROL ...................................................................................... 45 4.3. COMPOSICIÓN DE LA ARENA ......................................................................... 46 4.4. ARCILLAS ............................................................................................................... 47 4.4.1. Carbones ........................................................................................................... 48 4.4.2. Molienda ............................................................................................................ 49 4.4.3. Manteniendo el Sistema................................................................................. 50 5. REFRACTARIOS 53

6.5. CALCULO DEL CENTRO DE MASA ................................................................ 63 6.6. CÁLCULO Y DISEÑO DEL EJE......................................................................... 65 6.7. CÁLCULO Y SELECCIÓN DEL RODAMIENTO ............................................ 68 6.7.1. Selección del rodamiento............................................................................... 68 6.7.2. Carga estática equivalente ............................................................................ 68 6.7.3. Capacidad de carga estática necesaria ..................................................... 69 6.8. CALCULO DE LA COMBUSTIÓN ..................................................................... 69 6.9. CALCULO DE TRANSFERENCIA..................................................................... 72 6.9.1. Calentamiento y vaciado................................................................................ 72 6.9.2. Calentamiento del metal ................................................................................ 72 6.9.3. Masa combustible necesaria ........................................................................ 73 7. ENCENDIDO Y PUESTA EN MARCHA DEL EQUIPO ..................................80 8. GUIA PARA LABORATORIO DE FUNDICIÓN...............................................86 9. GASTOS DEL PROYECTO ............................................................................89 10. CONCLUSIÓN ................................................................................................90 11. RECOMENDACIONES ................................................................................... 91

LISTA DE FIGURAS Pág. Figura 1. Tipos de calentamiento en hornos .................................................................... 16 Figura 2. Horno rotatorio con enfriador ............................................................................. 17 Figura 3. Horno de cuba – Alto horno................................................................................ 18 Figura 4. Horno de reverbero – Matin-Siemens .............................................................. 19 Figura 5. Horno túnel ............................................................................................................. 20 Figura 6. Horno de Crisol para metales no ferrosos ...................................................... 21 Figura 7. Herramientas para modelado en arena. .......................................................... 28 Figura 8. Cajones para el moldeo. ..................................................................................... 29 Figura 9. Moldeo de una pieza abierto. ............................................................................. 30 Figura 10. Procedimiento de moldeo de una pieza con hueco.................................... 31 Figura 11. Moldeado de una pieza con más de dos cajas. .......................................... 33 Figura 12. Moldeado de una pieza de campana............................................................. 34 Figura 13. Llenado del molde. ............................................................................................. 35 Figura 14. Algunos defectos comunes en las fundiciones............................................ 37 Figura 15. Defectos comunes de fundiciones en arena. ............................................... 38 Figura 16. Expone el problema y ofrece algunas soluciones posibles. ..................... 42 Figura 17. Cambio de diseño para eliminar la necesidad de usar un corazón ........ 43

LISTA DE TABLAS Pág. Tabla 1. Principales tipos de combustible que pueden ser usados en la operación de los hornos de crisol. ..........................................................................................23 Tabla 2. Variación del calor con la temperatura. ....................................................25 Tabla 3. Componentes de las arenas de moldeo................................................... 28 Tabla 4. Tolerancias dimensiónales típicas y acabados superficiales para diferentes procesos de fundición y metales. ..........................................................44 Tabla 5. Refractarios empleados en procesos industriales a alta temperatura. .....55 Tabla 6. Condiciones que deben soportar los materiales refractarios ...................58

1. DESCRIPCIÓN DE LA PROPUESTA 1.1.

Resumen de la propuesta

El objetivo de este trabajo tipo tesis de grado, es suministrar a la Universidad de Pamplona las herramientas necesarias para seguir la política de educación con calidad e impacto social, mediante la formación de recintos equipados, donde se corroboren los procesos de manufactura que imperan en el medio. 1.2.

Planteamiento del Problema

El conocimiento de los fundamentos de manufactura moderna, se convierten en una herramienta indispensable en la formación profesional para cualquier estudiante de ingeniería, los institutos de educación superior prestan especial atención al conocimiento en procesos de moldeo y fundición, procesos de remoción de material, procesos de deformación de metal, proceso de unión y procesos de acabado. Como se describió anteriormente el conocimiento en el proceso básico de manufactura y fundición, es necesario en el ciclo de formación

1.3.

OBJETIVOS

1.3.1. Objetivo General Construir un horno de fundición de aluminio tipo basculante y sus moldes. 1.3.2. Objetivos Específicos 

Establecer los parámetros de diseño para el horno de fundición de aluminio.



Calcular los elementos y mecanismos que conforman el horno de fundición.



Realizar el manual de funcionamiento para el horno de fundición de aluminio.



Elaborar la guía para la práctica de laboratorio.

2. HORNOS [1], [2] 2.1.

GENERALIDADES

Un horno es un dispositivo en el que se libera calor y se transmite directa o indirectamente a una masa sólida o fluida con el fin de producir en ella una transformación física o química. Las partes constitutivas de un horno        

Elemento generador Sistema de alimentación alimentación de material Cámara principal Aislantes térmicos Sistemas de medición y control Redes de suministro suministro de combustible o cableado de potencia (según (según el tipo tipo de combustible) Ventiladores y sistemas de evacuación evacuación de gases (hornos (hornos con combustión) combustión) Redes eléctricas Recubrimiento externo

  

Hornos cerámicos Hornos incineradores Alto Horno, etc.

2.2.3. De acuerdo con su su forma de operación   

Continuos Discontinuos Periódicos

2.2.4. De acuerdo con su forma de calentar  

Directos Indirectos

2.2.5. De acuerdo con su fuente de de energía   

Combustibles: sólidos, sólidos, líquidos líquidos o gaseosos y mixtos. Energía eléctrica. Mixtas.

Figura 1. Tipos de calentamiento en hornos 

Recirculación: Recirculación: La combustión se realiza en una cámara aparte del horno.

Figura 2. Horno rotatorio con enfriador

2.4.2. Hornos de cuba

Figura 4. Horno de reverbero – Matin-Siemens

Figura 5. Horno túnel Los hornos túnel son usados en la industria cerámica, ladrillera y de alimentos entre otros.

Figura 6. Horno de Crisol para metales no ferrosos Ref. (Curso de hornos Universidad Pontificia Bolivariana)

2.4.6.1.3. Hornos Basculantes Son hornos movibles apoyados sobre un sistema de sustentación. Usualmente se les utiliza cuando es necesaria una producción relativamente grande de una aleación determinada. El metal es transferido a los moldes en una cuchara o un crisol precalentado, con la excepción de casos especiales en que es vaciado directamente. El tipo original de horno basculante, con capacidades de 70 kg a 750 kg de latón, bascula en torno a un eje central. Su desventaja es que el punto de descarga acompaña el movimiento basculante. Para superar este inconveniente se desarrolló un horno basculante de eje en la piquera, con capacidad de 200 kg a 750 kg de latón, y el modelo moderno es basculado por pistones hidráulicos, otorgando la ventaja de un mayor control en la operación de vaciado. 2.4.6.1.4. Horno de crisol inmerso Es el inverso del horno normal de crisol, en el sentido de que la llama quema dentro del crisol que está inmerso en el baño de aleación de zinc o aluminio, el cual se encuentra en un recipiente refractario. Estos hornos son fabricados con

La selección del tipo y tamaño de horno dependerá de la aplicación (por ej. si es para fusión o mantención), del número de aleaciones, la producción diaria de cada aleación, la mayor pieza a ser fundida, la continuidad de alimentación de metal, el tipo de combustible. 2.4.6.2.

Formas de calentamiento en los hornos de crisol [2].

En relación a la forma de energía utilizada, los hornos de crisol pueden ser operados básicamente a través de energía eléctrica o de combustibles. En relación a la energía eléctrica, los hornos más comunes son de resistencia y de inducción. En cuanto a los combustibles, se puede utilizar una serie de formas diferentes (Tabla 1). Cada forma de energía, sea eléctrica o en forma de combustible, posee sus ventajas y desventajas que deben ser aprovechadas o evitadas de acuerdo con las condiciones de producción exigidas, o en función de la política de abastecimiento adoptada por la empresa. Tabla 1. Principales tipos de combustible que pueden ser usados en la operación de los hornos de crisol.

Los quemadores de petróleo deben cumplir los siguientes objetivos:   

Pulverizar el petróleo en gotitas cuyos diámetros varían desde unos 30 a 150 micrones (1 micrón = 0,001 mm). Mezclar el petróleo, ya en estado nebuloso o de vapor, con el aire. Mantener la proporción entre el aire y el petróleo.

El gas combustible propicia las mejores condiciones de servicio, después de la energía eléctrica, en lo que toca a la limpieza de las instalaciones; entretanto, tiene como desventaja el peligro de explosión y el costo relativamente alto. 2.4.6.3.

Medición de la temperatura

La exactitud con que midan y controlen las temperaturas determinará el éxito de la operación de algunos procesos metalúrgicos, como la fundición, la refinación y el tratamiento térmico. También tendrá un profundo efecto sobre las propiedades de resistencia de muchos metales y aleaciones. La temperatura de proceso debería controlarse dentro de ±2,5 °C. Aunque a veces es posible este apretado rango, uno más práctico es de unos ±5 °C.

2.4.6.4.

Medición de la temperatura por el color

Uno de los métodos más sencillos para exterminar la temperatura de un metal es mediante la observación del color del cuerpo caliente. Existe una correlación trivial entre la temperatura de un metal y su color (Tabla 2). Este método dará sólo estimaciones de temperatura aproximadas, excepto cuando lo aplique un observador experimentado. La principal dificultad es que la apreciación del color varíe con los diferentes materiales. Tabla 2. Variación del calor con la temperatura. COLOR Rojo tenue Rojo oscuro Cereza oscuro Rojo cereza Cereza subido Naranja oscuro Naranja Amarillo

TEMP., º C 500 620 650 700 800 900 950 980

3.

MOLDES [3], [4]

El proceso de moldeo es un procedimiento de fabricación de objetos metálicos basado en verter el metal fundido en la cavidad de un molde, para obtener tras la solidificación y enfriamiento una pieza que es reproducción de la cavidad del molde. Características: Puede utilizarse tanto para formas simples como complejas Reduce o elimina los costes de otros procesos de fabricación, como el mecanizado, deformación plástica.  Rentable para bajos volúmenes de producción  Pueden utilizarse un gran número de aleaciones  Reducido número de desperdicios generados en el proceso, que en cualquier caso se vuelven a fundir.  

El moldeo es una técnica que consiste en calentar el material hasta su punto de fusión y, en ese momento, verterlo en un molde con la forma de la pieza que se pretende obtener.

Una vez que se ha realizado el diseño de la pieza que se desea fabricar, es necesario construir un modelo. Generalmente se elaboran en madera o yeso, de forma totalmente artesanal. A partir del modelo se construye el molde, que puede ser de arena o en coquilla; si la pieza es hueca es preciso fabricar también los machos o noyos, que son unas piezas que recubren los huecos interiores. En todos estos pasos se debe tener en cuenta el material elegido para la fabricación de la pieza. El proceso de llenado del molde se conoce como colada. El desmolde consiste en extraer la pieza del molde una vez solidificada. En muchos casos, y fundamentalmente cuando se requiere precisión, deben realizarse tratamientos de acabado sobre las piezas obtenidas. Los materiales con los que se construyen las piezas suelen ser metales y aleaciones, y deben poseer las siguientes características:     

Punto de fusión bajo (para ahorrar combustible). Baja tensión superficial (para reproducir fielmente el molde). Bajo coeficiente de dilatación en estado líquido (para que la contracción del metal sea pequeña). Bajo coeficiente de dilatación en estado sólido (para disminuir el peligro de formación de grietas durante el enfriamiento). Aptitud para el llenado del molde.

Figura 7. Herramientas para modelado en arena. 3.1.2. Proceso Como en la arena existe una cierta proporción de agua, puede emplearse de las siguientes maneras:   

Húmeda: Esta técnica se conoce como moldeo en verde. Secada en la estufa, de esta forma, aumenta su cohesión. Flameada: sometida, simplemente, a un secado superficial.

La arena que se debe emplear para la elaboración de moldes y machos siempre ha de poseer las siguientes propiedades: (Ver Tabla 3).

3.1.3. Cajas de moldear Son marcos (de madera, aluminio, fundición o acero) de forma y dimensiones muy variadas, destinadas a contener la arena del molde. Constan de una parte superior y de otra inferior o de fondo, provistas de espigas o clavijas y de orejas, en correspondencia, para fijar su posición durante el moldeo. Si hay más de dos, a las otras se les llama intermedias o aros. Las paredes de las cajas grandes llevan una serie de agujeros o ranuras dispuestos a tresbolillo, que facilitan la salida de los gases del molde y las aligeran de peso. (Ver Figura 8)

3.1.4. Proceso de trabajo El proceso del moldeo en arena se realiza de diferentes formas, en función de la forma de la pieza a fabricar: fa bricar: 3.1.4.1.

Caso 1, moldeo de una pieza simple en molde abierto

Fases: 1. Sobre una tabla de moldeo; moldeo; se coloca el modelo, por la mayor de sus caras. 2. Se coloca sobre la tabla, alrededor del modelo una caja de moldeo de tamaña adecuado. 3. Se espolvorea el modelo con talco u otra sustancia en polvo que facilite facilite su extracción posterior. 4. Se rellena con arena y a continuación se apisona fuertemente, para evitar que se desmorone des morone en el momento de la extracción del modelo. 5. Se le da la la vuelta a la caja, se retira retira la tabla de moldear y a continuación se extrae el modelo. 6. Se retoca el molde molde de los posibles desperfectos y se espolvorea con negro de humo. 7. Se cuela el metal líquido.

3.1.4.2.

Caso 2, moldeo de una pieza con hueco

Según el plano de la pieza, se construye el modelo en dos mitades y la caja de machos. Las operaciones de moldeo en este caso son: (Ver Figura 10). 1) Se divide el modelo por la mitad, y una de las partes se coloca coloca sobre una tabla de moldeo; se espolvorea con talco talco o similar y sobre esta parte se adapta una caja, se rellena con arena y a continuación se apisona fuertemente, para evitar que se desmorone en el momento de la extracción del modelo. Se tapa herméticamente y se le da la vuelta. 2) Se repite el proceso con la otra mitad del modelo, modelo, incorporando en este caso el bebedero, la mazarota y el canal de colada. Bebedero. Es un conducto en forma de embudo por donde se vierte el  Bebedero. Es material fundido con objeto de rellenar el molde.  Mazarota. Mazarota. Es una especie de embudo de pequeñas dimensiones, que se encuentra en comunicación con el molde y que tiene como objeto asegurar su completo llenado y permitir la evacuación de gases de su interior. colada. Sirve para conducir el metal fundido desde el  Canal de colada. bebedero hasta el molde (el vertido no se puede realizar directamente en el molde, pues éste podría sufrir alteraciones que producirían piezas

4. Dejar endurecer la la arena en la la caja hasta que adquiera adquiera cierta consistencia consistencia y extraer el macho. 5. Pintarlo con negro e introducirlo introducirlo en una estufa de secado a la temperatura temperatura conveniente para su completo endurecimiento. Una vez secado el molde y el macho se procede a preparar las cajas para la co1ada. Con este fin se coloca el macho en la caja inferior del molde apoyándolo en sus portadas. portadas. 6. Con objeto de facilitar la salida de gases, se hacen unos agujeros en la arena, con unas agujas, proceso llamado pinchar vientos. 7. Se vierte el metal fundido hasta rellenar rellenar el hueco originado por el modelo, dejando transcurrir el tiempo necesario para que el metal solidifique. A continuación, se rompe el molde y se elimina la arena que haya quedado adherida a la pieza, incluido el e l macho. 3.1.4.3.

Caso 3, objeto que necesita más de dos cajas

EI modelo está formado por dos partes ensambladas por clavijas y orificios. En este caso no se puede obtener el molde en dos cajas, pues sería imposible

Figura 11. Moldeado de una pieza con más de dos cajas. 3) Obtención del hueco del molde en la caja superior. 1. Fabricación del macho o noyo. 4) Retirar el modelo.

alrededor del árbol del calibre. Este último tiene que estar bien centrado y ha de tener suficiente resistencia para no doblarse con el peso del brazo y terraja. Las operaciones de moldeo son: (Ver Figura 12). 1) Obtención de las terrajas. Conocido el perfil de la pieza, se construyen las terrajas capaces de reproducir el perfil exterior e interior. 2) Colocar la terraja en posición de trabajo. Fases: 1. Hacer un hoyo en el suelo del taller. 2. Colocar en su posición el soporte o quicio del árbol de la terraja. 3. Colocar el árbol en la posición vertical y fijar la terraja en el gramil. 3) Preparar la arena para aterrajar. Fases: 2. Colocar la caja de fondo. 3. Echar arena de relleno y un lecho de cok para facilitar el gaseo. 4. Rellenar y apretar la caja con arena de moldeo. Pinchar vientos.

1 2

3

Fases: Colocar la terraja A en la posición conveniente. Mover la terraja con la mano izquierda en sentido contrario a las agujas del reloj, al mismo tiempo que se va retirando la arena cortada, con la mano derecha. Retirar la terraja, alisar y espolvorear con grafito.

5º) Obtención del hueco del molde en las cajas superiores. Fases: 4. Colocar en el eje un tubo para poder retirar la caja superior sin deteriorarla. 4. Las fases siguientes son las mismas que se han descrito en el segundo caso operación de moldeo con modelo. 4. Finalmente se retira el tubo y se rellena el hueco con arena. 6º) Aterrajar de nuevo para obtener la parte inferior del molde. Fases: 1. Se sujeta sobre la terraja A, la terraja B que reproduce el perfil interior.

3.2 CALIDAD DE LA FUNDICIÓN [3] Hay numerosas contingencias que causan dificultades en una operación de fundición y originan defectos de calidad en el producto. En esta sección recopilamos una lista de defectos comunes que ocurren en la fundición e indicamos los procedimientos de inspección para detectarlos. 3.2.1. Defectos de la fundición Existen defectos comunes en todos los procesos de fundición. Estos defectos se ilustran en la Figura 14, y se describen brevemente a continuación: a) Llenado incompleto. Este defecto aparece en una fundición que solidificó antes de completar el llenado de la cavidad del molde. Las causales típicas incluyen: 1) Fluidez insuficiente del metal fundido, 2) Muy baja temperatura de vaciado, 3) Vaciado que se realiza muy lentamente y/o 4) Sección transversal de la cavidad del molde muy delgada.

f) Desgarramiento caliente. Este defecto, también llamado agrietamiento caliente, ocurre cuando un molde, que no cede durante las etapas finales de la solidificación o en las etapas primeras de enfriamiento, restringe la contracción de la fundición después de la solidificación. Este defecto se manifiesta como una separación del metal (de aquí el término desgarramiento o agrietamiento) en un punto donde existe una alta concentración de esfuerzos, causado por la indisponibilidad del metal para contraerse naturalmente. En la fundición en arena y otros procesos con molde desechable o consumible, esto se previene arreglando el molde para hacerlo retráctil. En los procesos de molde permanente se reduce el desgarramiento en caliente, al separar la fundición del molde inmediatamente después de la solidificación.

(h) Molde agrietado.

Figura 15. Defectos comunes de fundiciones en arena.

f) Corrimiento del molde. Se manifiesta como un escalón en el plano de separación del producto fundido, causado por el desplazamiento lateral del semi molde superior con respecto al inferior. g) Corrimiento del corazón. Un movimiento similar puede suceder con el corazón, pero el desplazamiento es generalmente vertical. El corrimiento del corazón y del molde es causado por la flotación del metal fundido. h) Molde agrietado (venas y relieves). Si la resistencia del molde es insuficiente, se puede desarrollar una grieta en la que el metal líquido puede entrar para formar una aleta en la fundición final. 3.2.1.1. Métodos de inspección Los procedimientos de inspección en la fundición incluyen: 1. Inspección visual para detectar defectos obvios como llenado incompleto, cortes fríos y grietas severas en la superficie. 2. Medida de las dimensiones para asegurarse que están dentro de las tolerancias.

Las aleaciones son generalmente más fáciles de fundir y las propiedades del producto resultante son mejores. Las aleaciones de fundición pueden clasificarse en: 1. Ferrosas a. En hierros fundidos. b. Aceros fundidos. 2. No Ferrosas Aleaciones ferrosas, hierro fundido El hierro fundido es la más importante de todas las aleaciones de fundición. El tonelaje de fundiciones de hierro es varias veces mayor que el de todos los otros metales combinados. Existen varios tipos de fundición de hierro: 1) 2) 3) 4) 5)

Hierro gris Hierro nodular Hierro blanco (fundición blanca). Hierro maleable. Fundiciones de aleación de hierro.

cerca de 410 MPa. Las fundiciones de acero tienen mejor tenacidad que la mayoría de las aleaciones de fundición. Las propiedades de las fundiciones de acero son isotrópicas; es decir, su resistencia es prácticamente la misma en cualquier dirección. En cambio, las partes formadas mecánicamente (por ejemplo, por laminado o forjado) exhiben direccionalidad en sus propiedades. El comportamiento isotrópico del material puede ser conveniente, dependiendo de los requerimientos del producto. Otra ventaja de las fundiciones de acero es que pueden soldarse fácilmente con otros componentes de acero para fabricar estructuras o para reparar las fundiciones, sin que exista una pérdida significativa de su resistencia. Aleaciones no ferrosas Los metales para fundición no ferrosos incluyen aleaciones de aluminio, magnesio, cobre, estaño, zinc, níquel y titanio. Las aleaciones de aluminio son en general las más manejables. El punto de fusión del aluminio puro es 600 ºC por consiguiente, las temperaturas de vaciado para las aleaciones de aluminio son bajas comparadas con las de las fundiciones de hierro y acero. Las propiedades que hacen atractivas a estas aleaciones para la fundición son: su peso ligero, su amplio rango de propiedades de resistencia que se pueden obtener a través de

como motores de propulsión a chorro, componentes de cohetes, escudos contra el calor y partes similares. Las aleaciones de níquel también tienen un punto de fusión alto y no son fáciles de fundir. Las aleaciones de titanio, son aleaciones resistentes a la corrosión con una alta relación de resistencia-peso, Sin embargo, el titanio tiene un alto punto de fusión, baja fluidez y es muy propenso a oxidarse a elevadas temperaturas. Estas propiedades hacen que el titanio y sus aleaciones sean difíciles de fundir. 3.2.3. Consideraciones para el diseño de productos Si el diseñador de productos selecciona la fundición como el proceso principal de manufactura para un componente particular, serán necesarios ciertos lineamientos que faciliten la producción y eviten muchos de los defectos que se enumeran en la Figura 22. A continuación se presentan algunos lineamientos y consideraciones importantes para el diseño de fundiciones. Simplicidad geométrica. Aunque la fundición es un proceso que puede usarse para producir, formas complejas la simplificación del diseño propiciará una fundición fácil y eficiente. Al evitar complejidades innecesarias se simplifica la hechura del molde, se reduce la necesidad de utilizar corazones y se mejora la

(b) Esto se puede remediar rediseñando la pieza para reducir el espesor. (c) Usando un corazón. Ahusanúento. Las secciones de la pieza que se proyectan dentro del molde deben tener un ahusamiento o ángulos de salida, como se define en la Figura 24. El propósito de este ahusamiento en los moldes consumibles o desechables es facilitar la remoción del modelo del molde. En la fundición con molde permanente el objetivo es ayudar a remover la parte del molde. Si se usan corazones sólidos, éstos deben dotarse con ahusamientos similares en los procesos de fundición. El ahusamiento requerido necesita ser solamente de 1º para fundición en arena y de 2º a 3º para procesos con molde permanente. Uso de corazones. Puede reducirse la necesidad de usar corazones con cambios menores en el diseño de la pieza, como se muestra en la Figura 17.

Tabla 4. Tolerancias dimensiónales típicas y acabados superficiales para diferentes procesos de fundición y metales.

4. ARENAS [5] 4.1.

GENERALIDADES DE LA ARENA

Un conocimiento básico de los materiales que constituyen un sistema de arena verde y del equipo requerido para preparar y mantener la integridad del sistema es en extremo importante para asegurar la calidad de los vaciados. La condición y tipo del equipo para preparación pueden tener un efecto pronunciado en el tipo y cantidad de las materias primas utilizadas en una operación particular. Además, el tipo de aleación, tamaño y geometría, junto con la característica de cantidad de corazón requerida por la pieza, también determinan la exacta recuperación por composición del sistema de arena. Para controlar y mantener correctamente un sistema de preparación de arena verde, se debe tener un conocimiento completo de las materias primas y las interrelaciones entre estos componentes y el equipo utilizado para la preparación. 4.2.

PRUEBAS Y CONTROL

4.3.

COMPOSICIÓN DE LA ARENA

La arena es el principal componente de la arena verde. Las arenas verdes están normalmente hechas de arena sílice (SiO2). El tamaño y distribución de los granos de arena son en extremo importantes para controlar el acabado superficial de las piezas. Estas características también afectan la habilidad del molde para apoyar la evacuación de gases formados durante la transformación de agua a vapor y la descomposición de los constituyentes orgánicos de los aglutinantes de los corazones y los aditivos de la arena verde. La correcta distribución de la arena es también crítica para reducir la ocurrencia de defectos por expansión de arena. Capacidad refractaria – Un molde de arena verde debe resistir la temperatura de vaciado de la aleación fundida. Una arena sílice en forma pura, 98% SiO2, tiene un punto de fusión de aproximadamente 3100 F (1704 C). Si el contenido de SiO2 en la arena se reduce, entonces el punto de fusión también descenderá. Existen varios subgrupos de arena base sílice, como la arena de lago por ejemplo, que tienen porcentajes reducidos de SiO2 y temperaturas correspondientes de fusión de aproximadamente 2800 F (1538 C) dependiendo de la composición de la arena. Las temperaturas de vaciado de los hierros fundidos y las aleaciones no ferrosas están generalmente bastante abajo que estas temperaturas de fusión.

causado por la tendencia del sistema a requerir más o menos agua para alcanzar un valor constante de compactabilidad. Obviamente, conforme el tamaño de la arena decrece, su superficie se incrementa. 4.4.

ARCILLAS

La arcilla es el adhesivo que mantiene la forma del molde a temperatura tanto ambiente como elevada. La adición de agua se requiere para activar la arcilla. El contenido de humedad del sistema es extremadamente crítico y puede afectar casi todas las propiedades físicas que son medidas en una fundición. La relación entre el contenido de humedad y las resistencias a la compresión en verde, en seco y en caliente se pueden ver en la Figura. 1. La mayoría de los problemas de vaciado y moldeo relacionados con la arena podrían ser causados por un exceso o deficiencia de humedad. Tipos —Existen dos tipos de arcillas naturales—bentonitas sódica y cálcica—que son utilizadas en una 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.

Ambas bentonitas pueden ser mezcladas en diferentes proporciones, lo cual es una práctica común. Al mezclar las arcillas, una fundición puede alcanzar en términos generales un promedio en las propiedades físicas. Cantidad de Arcilla y Agua —Cambiar la cantidad total de arcilla y agua puede alterar la resistencia a la compresión de la arena verde, la permeabilidad y otras propiedades físicas. Generalmente, un porcentaje más alto de arcilla, hasta 12%, traerá como resultado aumento en la resistencia. La cantidad de agua puede también tener un gran efecto en las resistencias a la compresión en verde, en seco y en caliente. Generalmente, incrementando el agua se incrementa la resistencia a la compresión en verde hasta un punto, referido como el punto de templado. Incrementos adicionales de agua traerán como resultado un decremento en la resistencia a la compresión en verde. Ambas resistencias a la compresión, en seco y en caliente, muestran un incremento en la resistencia conforme se incrementa la humedad dentro de un rango normal. Métodos de Control —La prueba del azul de metileno determina el porcentaje de bentonita disponible en una muestra de arena. Esta prueba de laboratorio proporciona información crítica acerca de las correctas adiciones de arcilla para

Métodos de Control – Ambos, el material combustible y la materia volátil, son útiles en la determinación del porcentaje de carbón en el sistema de arena. La prueba de pérdidas por ignición (PPI) indica el porcentaje total de combustibles presentes en la arena incluyendo carbón, coque, residuos de aglutinantes orgánicos de corazones, celulosa, cereales y el agua cristalina contenida en la bentonita disponible. La materia volátil contenida en el carbón es el ingrediente que ayuda a reducir la penetración del metal. A diferencia de la prueba de pérdidas por ignición (PPI), la cual mide todos los materiales combustibles incluyendo carbón y coque, la prueba de volátiles determina la cantidad de carbón activo en el sistema de arena. 4.4.2. Molienda La molienda es uno de los aspectos más importantes en el control de la arena verde. Una fundición puede mantener todas las materias primas que restituyen la arena con una especificación muy cerrada. Si tienen una molienda y/o prácticas de molienda deficientes, los problemas del control de la arena persistirán. La función de un molino es activar la bentonita disponible dentro de la arena. Esta es una tarea en extremo difícil que requiere una cantidad extrema de energía. Debido a que una mezcla de agua y arcilla es en extremo tenaz, el molino utiliza ruedas que

incrementos en producción y carga proveniente de corazones al sistema, es imperativo que se efectúe todo intento para maximizar la efectividad de los molinos y el proceso de molienda. Factores que Afectan el Desarrollo de la Resistencia —La resistencia a la compresión en verde puede incrementarse o disminuirse por la cantidad y/o efectividad de la molienda. Existen también una variedad de otras variables del proceso que pueden contribuir a la variación de la resistencia a la compresión en verde. Estos podrían incluir, pero ciertamente no limitado a: arena caliente, contenido de humedad, dilución de arena de corazones, adición de arena nueva, contenido de arcilla, compactabilidad, finura del grano de arena, calibración del equipo de laboratorio, calidad y variaciones de las materias primas, mejores y más eficientes sistemas de desmoldeo y cambios en la relación arena/metal. 4.4.3. Manteniendo el Sistema Mantener un sistema de arena involucra la reducción de fluctuaciones y variaciones. Esto requiere no solamente un balance de los materiales que entran y los que salen sino también un balance de energía. En otras palabras, las adiciones de nueva arcilla deben ser efectuadas para compensar las pérdidas por

Segundo, a temperaturas mayores que aproximadamente 600F (316C) para la bentonita cálcica y 1200F (648C) para la bentonita sódica, el agua cristalina, a menudo referida como agua combinada químicamente, es removida de la estructura enrejada de la bentonita. Esta etapa es irreversible y la fuerza aglutinante de la bentonita se pierde. Cuando secciones de la arena de moldeo alcanzan estas temperaturas, las bentonitas contenidas en estas áreas son térmicamente destruidas y son algunas veces llamadas arcilla muerta. Una cierta cantidad de bentonita nueva debe ser agregada después de cada ciclo del sistema para remplazar la bentonita destruida térmicamente. Aún más, arcilla adicional debe ser agregada para cubrir la arena proveniente de los corazones, así como para remplazar las pérdidas por colección de polvos y las pérdidas naturales. Dependiendo de la temperatura y la atmósfera del molde durante el vaciado, el aditivo de carbón que regresa al molino consistirá de una combinación de carbón, coque y ceniza. Si existiera oxígeno presente en el molde, a elevadas temperaturas, el carbón se quemará y formará partículas de ceniza. Si la atmósfera en el molde fuera inerte a elevadas temperaturas, el carbón sería transformado en coque. Coque y ceniza son a menudo referidos como formas muertas de carbón y deben ser remplazados.

aspectos a considerar cuando se selecciona un enfriador incluyen el control de la humedad en la descarga, mantenimiento del equipo, pre-mezclado de la arena, tiempo adecuado de retención, habilidad para mantener el tamaño de la arena y su distribución (p.e. no crear aglomeraciones o remover material fino) y alcanzar una temperatura constante de descarga debajo de 120 ºF (48 ºC). Las condiciones atmosféricas, localización geográfica y las temperaturas de entrada de la arena y el agua deben ser conocidas para asegurar con precisión el tamaño correcto del enfriador.

5. REFRACTARIOS [6] 5.1.

GENERALIDADES DE LOS MATERIALES REFRACTARIOS

En las operaciones de fundición, los materiales refractarios cumplen un papel fundamental dentro del proceso, ya que tienen la función de mantener la temperatura y otorgar estabilidad estructural al horno o convertidor. Una de las dificultades que tiene la construcción del horno tipo basculante es el cálculo del revestimiento refractario. Por esta razón la determinación del espesor de ladrillo, manto cerámico y chapa de acero es relevante para determinar el estado del equipo, que se requiere para planificar los trabajos de mantención pertinentes y optimizar el proceso de fusión. El presente trabajo tiene por finalidad presentar un método confiable que permita estimar el espesor de los revestimientos refractarios en base a la temperatura de la superficie externa de los hornos. La metodología se basa en balances de energía que describen la transferencia de calor ocurrida en el horno que considera los perfiles de temperatura y los espesores de los ladrillos, manto y carcaza. Hoy en día los refractarios son materiales muy importantes en cualquier lugar donde se requieren altas temperaturas, ya sea en equipos tales como calderas,

5.2.3. Refractarios neutros Normalmente incluyen la cromatina y la magnesita, pueden ser utilizados para separar refractarios ácidos de los básicos, impidiendo que uno ataque al otro. 5.2.4. Refractarios especiales El carbono, el grafito, es utilizado en muchas aplicaciones refractarias, particularmente cuando no hay oxígeno fácilmente disponible. Estos materiales refractarios incluyen la circonia (ZrO2), el circón (ZrO2.SiO2) y una diversidad de nitruros, carburos y boruros. Así mismo y cada vez más frecuentemente, ciertos procesos de producción específicos no pueden ser puestos en marcha si no se ha desarrollado previamente el revestimiento refractario adecuado. De todo ello se deduce el carácter estratégico de este tipo de materiales, más allá del valor en si del material o de su participación en la estructura de costes de un determinado proceso. Por otra parte, un revestimiento refractario- aislante protege a la estructura portante de las altas temperaturas y hace que las pérdidas de calor a través de las paredes de los hornos sean menores, contribuyendo de ese modo al ahorro

potencialmente utilizables como refractarios por su elevado punto de fusión (A12O3, CaO, SiC2, MgO, ZrO2, Cr2O3, etc), lo que ha supuesto un mejor conocimiento de la influencia de las impurezas presentes, a la temperatura y condiciones reales de trabajo de cada tipo de material. Igualmente el avance en los estudios micro estructurales han permitido prever, tanto el comportamiento ante el ataque químico o erosión de las escorias y gases presentes, como una mejor evaluación de las propiedades termomecánicas requeridas a los revestimientos refractarios. Tabla 5. Refractarios empleados en procesos industriales a alta temperatura. SECTOR

INDUSTRIA PETROQUIMICA

QUIMICA

CRACKING

TEMPERATURA PROCESO (º C) 900-1200

HORNOS

1650

HORNOS NEGRO DE HUMO CARBON ACTIVO

1600

INSTALACIÓN

REACTORES

1400

REFRACTARIOS

Monolíticos, aislantes. Ladrillos: silimanita, mullita. Ladrillos: corindón aislantes Monolíticos sin hierro Ladrillos monolíticos de

silicoaluminosos Carbono, aislante, monolitico.

METALES NO FERREOS

HORNOS DE FUSION

700-900

ALUMINIO

HORNOS FUSION

900

Ladrillos: bauxitas, silicoaluminosos alta calidad monolíticos

HORNOS CUBILOTE ROTETORIO

1100

Ladrillos:magnesiticos, cromo-magnesita

HORNOS DE REFUSIÓN

330

Monolíticos

1250

Refractarios silicoaluminosos

1100

Monolíticos

1100

Ladrillos magnésico

420

Monolíticos

PLOMO

COBRE

ZINC

HORNO CUBILOTE, CONVERTIDORES HORNO DE ARCO HORNO DE REFUSIÓN HORNOS ROTATORIOS CELDAS DE GALVANIZADO

HORNOS ROTATORIOS CEMENTO

800 - 1600

Ladrillos: silicoaluminosos, mullitico, magnesita, monolíticos, sin hierro, resistentes a la

5.3.

DEFINICIÓN Y CONSTITUCIÓN DE LOS MATERIALES REFRACTARIOS

Pueden existir diversas maneras de definir lo que se entiende por un material refractario. Así, según la Real Academia de la Lengua se define material refractario como aquel cuerpo que resiste la acción del fuego sin cambiar de estado ni descomponerse. Por tanto, se considera como material refractario a todo aquel compuesto o elemento que es capaz de conservar sus propiedades físicas, químicas y mecánicas a elevada temperatura. La norma española UNE (150 R836-68) define a los materiales refractarios como a aquellos productos naturales o artificiales cuya Refractariedad (Resistencia piroscópica o cono pirometrico equivalente) es igual o superior a 1500 ºC. Es decir, resisten esas temperaturas sin fundir o reblandecer. La resistencia piroscópica se determina según la norma UNE 61042 o la ISO/R 528 o la DIN EN 993-12. A su vez, son materiales cerámicos no metálicos. La definición anterior solo hace referencia a las temperaturas mínimas que debe de ser capaz de resistir un refractario, sin tener en cuenta otro tipo de solicitaciones o condiciones. Es importante precisar que la resistencia piroscopica es una condición necesaria, pero no es suficiente para que una material sea

Tabla 6. Condiciones que deben soportar los materiales refractarios SOLICITACIONES TÉRMICAS

MECÁNICAS

QUÍMICAS

TEMPERATURAS ELEVADAS

COMPRESIÓN. FLEXIÓN Y TRACCIÓN

ESCORIAS

CAMBIOS BRUSCOS TEMPERATURA (CHOQUE TERMICO)

VIBRACIÓN

PRODUCTOS FUNDIDOS

ABRASIÓN Y EROSIÓN, IMPACTO PRESI N

GASES Y VAPORES CIDOS

Tenemos pues, que los refractarios son fundamentalmente materiales capaces de resistir altas temperaturas sin fundirse. Pero no solo eso, además deben poseer una resistencia mecánica elevada a dichas temperaturas para poder resistir sin deformarse su propio peso y el de los materiales que están en contacto sobre ellos.

5.4.

TIPOS DE MATERIALES REFRACTARIOS

5.4.1 Refractario de arcilla calcinada. Estos materiales se denominan también silicos aluminios por ser la Sílice y la Alúmina, los constituyentes principales de ellos. Son los más utilizados, hay dos tipos generales y cinco clases de ladrillo. 5.4.2 Refractario de Sílice. Están constituidos fundamentalmente por Óxido de Silicio (SiO2). Se distinguen dos clases de ladrillos calcinados. 5.4.3 Refractarios Aislantes. Están fabricados a base de Sílice. Existen dos grandes divisiones en los cuales se agrupan los ladrillos aislantes o sea los ladrillos aislantes quemados, o ladrillos aislantes prensados. 5.4.4 Refractarios de Tipos especiales

6. DISEÑO Y CÁLCULO DEL HORNO BASCULANTE [9], [10], [11] Una parte importante en el diseño es la construcción, donde todas las ideas en papel se cumplen y se dan a conocer tanto los éxitos como los errores en el diseño. Una buena manufactura de la pieza traerá como consecuencia: Uniformidad de propiedades mecánicas, reducción de esfuerzos en ciertas zonas y buen acabado superficial. Es importante notar que los parámetros calculados sirven de referencia, pues en su maquinado real tienen que ser modificados debido a situaciones externas por ejemplo: No contar con la herramienta adecuada, impurezas en los materiales que hace que sus propiedades no sean uniformes, el tipo de sujeción de la pieza entre otras. El tiempo y costo de construcción depende en gran manera del adecuado plan de proceso para cada pieza, apropiados parámetros de corte y uso correcto de las herramientas y máquinas herramientas. 6.1.

SELECCIÓN DEL CRISOL

De la anterior formula despejamos h, la cual representa la altura adecuada para fundir 20 kg de aluminio. h= 27cm 6.1.1. Posición del crisol en el horno La posición del crisol en el horno es muy importante. La base del crisol puede estar al mismo nivel o ligeramente arriba de la línea del centro del quemador. Esto es posible si colocamos el crisol sobre el bloque pedestal a una altura apropiada, el crisol se debe colocar concéntrico a la pared interior del horno y dejar espacio uniforme de combustión alrededor. 6.1.2. Arranque del crisol o prendida del horno Para los crisoles ligados con arcilla la temperatura del horno debe subir muy lentamente y particularmente para grandes tamaños del crisol; esto asegura un buen recocido y evita agrietamiento en caso de contener algo de humedad; los

6.3.

CALCULO DEL TAMAÑO DE LA CÁMARA DE COMBUSTIÓN

Volumen de la cámara de combustión: vcc

=

mcomb * ∆h

(3)

q

q =800 kw/m3, carga volumétrica Tomada de la tabla 3.1 pág. 15, Gereco de vapor

Barzo. •

•

Q = m* ∆h •

Q

=

•

= Potencia calorífica (kj/h)

m Flujo masico de combustible (kg/h) ∆h= Poder calorífico del combustible (kj/kg) =

(4)

Entonces el diámetro de la chapa de acero seria: Diámetro exterior: (5” + 3 ¼” + 4 ½” + 2” + 1/8”)*2 Diámetro exterior: 29.75” = 75,56 cm. Y la Altura se calcula dependiendo del tamaño del crisol seleccionado y los materiales refractarios. Como el tamaño del crisol seleccionado anteriormente es de:     

6.5.

Diámetro: 25,5 cm. Altura: 20 cm. Para evitar pérdidas en la colada se sobredimensiono la altura del mismo en un rango de 5 cm. Entonces queda de 25 cm. El espesor del material refractario utilizado en la base de la chapa que es de, 16 cm. La base del crisol es de, 7 cm. Altura de la tapa superior de la chapa hasta el crisol es de 6 cm. CALCULO DEL CENTRO DE MASA

6.6.

CÁLCULO Y DISEÑO DEL EJE [8], [9], [11]

Un eje es un elemento de máquina generalmente rotatorio y a veces estacionario, que tiene sección normalmente circular de dimensiones menores a la longitud del mismo. Tiene montados sobre sí, elementos que transmiten energía o movimiento, tales como poleas (con correas o cadenas), engranajes, levas, volantes, etc. (Ver Figura 19)

Figura 19. Ilustración de un eje La geometría de un eje es tal que el diámetro generalmente será la variable que

• •

Comprobación dinámica de velocidad crítica. Determinación de las dimensiones definitivas que se ajusten a las dimensiones comerciales de los elementos montados sobre el eje.

Algunas recomendaciones que se deben tener en cuenta durante el diseño son: Los ejes han de ser tan cortos como sea posible para evitar solicitaciones de flexión elevadas. Con la misma finalidad, los cojinetes y rodamientos de soporte se dispondrán lo más cerca posible de las cargas más elevadas. •

•

Se evitarán en la medida de lo posible las concentraciones de tensiones, para lo cual se utilizarán radios de acuerdo generosos en los cambios de sección, especialmente donde los momentos flectores sean grandes, y teniendo en cuenta siempre los máximos radios de acuerdo permitidos por los elementos apoyados en dichos hombros

Para el cálculo tenemos una carga axial de 150 kg w

2

=

150kg

(6)

una superficie con dureza media, 30 a 40 Rc, y un centro tenaz. Aunque su maquinabilidad no es muy buena, se mejora con el estirado en frío, además con este acabado se vuelve ideal para flechas, tornillos, etc. de alta resistencia. Aplicaciones: Por sus características de temple, se tiene una amplia gama de aplicaciones automotrices y de maquinaria en general, en la elaboración de piezas como ejes y semiejes, cigüeñales, etc. de resistencia media. Tratamientos térmicos recomendados (valores en ºC) FORJADO NORMALIZADO

1050-1200

870-890

PUNTOS TEMPLADOREVENIDO CRÍTICOS APROX. ABLANDAMIENTOREGENERACIÓN Ac1 Ac3 820-850 650-700 800-850 Agua 300-670 730 785 enfriar al aire enfriar al horno 830-860 Aceite RECOCIDO

Propiedades mecánicas mínimas estimadas según SAE J1397

Kb= 0.869 Kc= 0.814 Ke=0.57 Kf= 1.75 Se = Sut * K a*Kb*Kc*Ke*Kf Se= 14.4 kpsi 13

12 2 2         n 16   4  K f M a  + 3  K fsT m    d =  (8)     π     sy      se   

d= 1 ¾” 6.7.

CÁLCULO Y SELECCIÓN DEL RODAMIENTO [13]

6.7.1. Selección del rodamiento

F a

=

X 0 Y 0

Carga axial real, en N Factor radial Factor axial

=

=

En las tablas de rodamientos se dan todos los datos necesarios para el cálculo de la carga estática equivalente, si la carga estática equivalente P0 calculada es menor que F r , se toma P0 F r =

6.7.3. Capacidad de carga estática necesaria La capacidad de carga estática necesaria determinarse por medio de la ecuación: C0

=

C 0

=

P0 S 0

=

=

S 0 P0

Capacidad de carga estática, en N Carga estática equivalente, en N Factor de seguridad estático

C 0

de un rodamiento puede

mezcla de los reactivos en la cámara de combustión es el de propiciar la mezcla dentro de ellos. Es necesario también que la mezcla aire combustible se encuentre a una temperatura determinada, llamada temperatura de ignición, para que se desencadene el proceso de combustión. Una vez iniciada la combustión se requiere que cada partícula de combustible permanezca dentro de la cámara de combustión el tiempo suficiente para que pueda reaccionar completamente al que se le llama tiempo de residencia.

•

•

Cuando en los reactivos se utilice el aire como agente oxidante, así suceden la realidad, la reacción de un combustible hidrocarburo, cuya fórmula general es Cn H m , será: Cn H m

+

Donde,

(m

4 + n ) O2

n m

=

+

3.76 ( m 4 + n ) N 2

→

12

=

26

(

4

)

nCO 2 + m 2 H 2O + 3.76 (m 4 + n ) N 2

(9)

Entonces se obtendrá una relación de aire combustible de acuerdo a la cantidad de aire que satisface el ventilador centrífugo, y de acuerdo con la cantidad de combustible que fluye por la tubería de ¼”. Aire Características del ventilador centrífugo. Velocidad (m/s) 3 Área 0,00456038 3 Densidad Aire (kg/m ) 1293 La relación masa de Aire, variando la válvula de paso es: Áreas (m2) A 0,00456038 A/2 0,00228019 A3/4 0,00342028 A/4 0,00114009

Caudal (m3/s) Masa Aire (kg) 0,01368113393 17,68970617 0,00684056696 8,844853084 0,01026085045 13,26727963 0,00342028348 4,422426542

Otra relación es cuando la válvula de combustible está abierta a ¼” y la válvula de aire empieza a variar: Masa Aire (kg) Masa Combustible (kg) 17,68970617 0,110216062 8,844853084 0,110216062 13,26727963 0,110216062 4,422426542 0,110216062 6.9.

Relación 160,5002559 80,25012796 120,3751919 40,12506398

CALCULO DE TRANSFERENCIA

6.9.1. Calentamiento y vaciado Para desarrollar la operación de fundición, el metal se calienta hasta una temperatura ligeramente mayor a su punto de fusión y después se vacía en la cavidad del molde para que se solidifique. En esta sección consideramos varios aspectos de estos dos pasos en la fundición.

( H ) Calor de fusión, ( J / Kg ) f

=

( C t ) Calor específico en peso del metal líquido, ( J / Kg (T p ) Temperatura de vaciado, ( C ) =

=

C )

°

°

Volumen del metal que se calienta, ( m3 Entonces el calor requerido para elevar la temperatura del material es: V

=

H

=

22866.089kJ

En términos de potencia, lo dividimos en el tiempo necesario para llevar el aluminio en estado sólido a estado líquido. t =40minutos Entonces obtendremos que la potencia es de: i

Q = 9.52753 kw

6.9.4. Transferencia de calor [10] Del estudio de la termodinámica sabemos que el calor es energía en tránsito que tiene lugar como resultado de las interacciones entre un sistema y sus alrededores debido a una diferencia de temperatura, de esta forma la transferencia de calor juega un papel importante, en lo que se refiere a las velocidades de transferencia de energía. Existen tres modos de transferencia de calor, llamadas conducción, convección y radiación, cada uno de estos modos puede estudiarse separadamente, si bien la mayoría de las aplicaciones en ingeniería, equipos de transferencia de calor como los intercambiadores de calor, las calderas, los condensadores, los radiadores, los calentadores, los hornos, los refrigeradores y los colectores solares, están diseñados tomando en cuenta el análisis de transferencia de calor. Los problemas de esta ciencia que es encuentran en la práctica se pueden considerar en dos grupos; • •

De capacidad nominal. De dimensionamiento.

Figura 20. Capas de material. T

•

Q

=

1

∞

−

T 2

Rtotal

∞

;T 1 ∞

1000º C T

=

,

∞

2

=

40º C (16)

K 1

=

K 2

=

K 3

=

0,316 (W m C ) 0,23 (W m C ) 63 (W m C ) °

°

°

L1

=

L2

=

L3

=

0,1143 m 0,0508 m 0,003175 m

En los libros de TRINKS (HORNOS INDUSTRIALES) encontramos valores típicas del coeficiente de transferencia de calor por convección ( h ) ; h = 600W m2 °C (Tabulados) 6.9.4.2.

Perdidas en la pared plana (Tapa inferior del horno)

En la práctica, a menudo se encuentran paredes planas que constan de varias capas de materiales diferentes, todavía se puede usar el concepto de resistencia térmica con el fin de determinar la velocidad de transferencia de calor, estable a través de esas paredes compuestas, donde la resistencia térmica de cada pared en contra de la conducción de calor viene dada por, L KA conectadas en serie y aplicando la analogía eléctrica. Es decir al dividir la diferencia de temperatura que existe entre las dos superficies a las temperaturas conocidas entre la resistencia térmica total que presentan ambas. Una mejor representación (Ver Figura 21)

Figura 22. Resistencias térmicas Donde: T

•

Q •

Q

=

T 1 ∞

T 2 ∞

=

1

∞

−

T 2 ∞

Rtotal

(20)

Velocidad de transferencia de calor a través de la pared. Temperatura de llama. Temperatura de la superficie exterior de la chapa de acero.

=

=

R pared

L =

KA

(21)

La resistencia total por conducción viene dada por:

6.9.4.3.

Perdidas de calor en la pared plana (Tapa superior del horno)

Figura 23. Perdida de calor en una pared plana Para la tapa superior del horno, se tomara solo el material refractario ya que por facilidades de cálculo, la chapa de acero es tan delgada que se despreciaran las

6.9.5. Tiempo de calentamiento de las paredes del horno El tiempo de calentamiento de las paredes del horno, se determino por la formula de Fourier.

t

τ

=

ρ

0.2,

=

c p

1920

=

Kg

0.79

,

m3 kj

kg º C

0.05715 m 2 , w k 0.90 m º C

l

=

=

,

τρ c p l =

k

2

(25)

7.

ENCENDIDO Y PUESTA EN MARCHA DEL EQUIPO

Es necesario tener en cuenta las siguientes recomendaciones antes de encender el equipo, con el fin de mejorar su vida útil, y optimizar el proceso de fundición. 

Es necesario que antes de introducir el crisol, en cada fundición se recubran las paredes de la cámara de combustión y tapa superior del mismo, con arcilla, de esta forma se asegura que el material refractario permanezca en óptimas condiciones. (Ver Figura 24)

Figura 25. Posicionando el crisol en la cámara de combustión 

Alinear el canal de vaciado del crisol, con el canal del horno, asegurando que las alturas de los canales sean las mismas, una vez lograda la alineación, realice la debida sujeción del mismo con ladrillos tipo cuña. (Ver

Preste especial atención a la altura del combustible, ya que a alturas elevadas la gravedad se encarga de que el consumo de combustible presente excesos, la altura recomendada, de acuerdo a las pruebas de puesta a punto son las siguientes, 113 a 115 cm del suelo, como nivel de referencia. (Ver Figura 27).



Figura 28. Encendido del ventilador centrifugo. Encendido el equipo, espere el calentamiento en la cámara de combustión el tiempo para que esto suceda oscila entre 10 y 15 minutos. (Ver Figura 29)



Figura 30. Tapa superior y la entrada auxiliar implantada. Una vez cargado el equipo espere un tiempo no mayor a cuarenta minutos tiempo necesario para que el material entre en un cambio de estado. (Ver Figura 31)



Bascule el horno con la vestidura adecuada, con el fin de que la colada se haga lo mas optima posible, y los operarios no tengan opción de lección alguna. (Ver Figura 32)



Figura 32. Vaciado del aluminio.

8.

GUIA PARA LABORATORIO DE FUNDICIÓN

Objetivo: El objetivo de la práctica de fundición es apoyar y complementar el aprendizaje de la asignatura teórica, Procesos de Manufactura, que resida en el plan de formación del ingeniero mecánico que sugiere la Universidad de Pamplona, mediante actividades experimentales que permitan a los alumnos conocer sus bases teóricas, sin inhibir el desarrollo de su creatividad. Procedimiento de moldeo: La construcción del molde requiere la preparación previa de una reproducción casi idéntica a la pieza que se desea fabricar llamada modelo. (Ver Figura 33)

De acuerdo con el tamaño del modelo, se selecciona una caja de moldeo de tamaño apropiado, que a su vez debe llevar consigo un tablero de moldeo.

•

•

•

•

•

•

Se inicia posicionando el modelo sobre el tablero de moldeo, haciendo coincidir la mayor de sus caras. Se gira la semi-caja (Hembra) 1800. Tener presente la ubicación de los sistemas de alimentación y llenado (el modelo debe quedar al menos a 5 cm del borde de la caja). Se tamiza un poco de arena sobre el modelo de tal forma que se aplique una capa no mayor de unos 15 mm de arena sobre el modelo. Se compacta cuidadosamente la arena de contacto sobre el modelo (con la yema de los dedos [nunca con las palmas de las manos]), lo que producirá una copia fiel del modelo. Se completa una cierta cantidad de arena a apisonar uniformemente sin deteriorar el modelo con el pisón.

•

•

Tamice capaz de arena con el fin de apisonar varias capas hasta llenar totalmente la caja superior, una vez realizado este proceso se elimina la cantidad de arena sobrante con un rasador). Pinchar con una aguja larga para hacer el conducto de evacuación de gases.

Con la ayuda de las cucharas y las espátulas realice embudos que faciliten la acción de verter el material.

•

•

Gire los bebederos, y muévalos muy ligeramente de un lado hacia el otro, con el fin de retirarlos.

Retire la caja superior y proceda a quitar el molde, hágalo con las agujas y dándole golpes muy suaves al molde con el fin de no deteriorar el moldeo y respetar un poco las tolerancias.

•

Si ocurre algún deterioro al retirar el molde prosiga a resanar el molde con las herramientas apropiadas (cucharas y espátulas), una vez culminada esta etapa ensamble las cajas, y vierta el material.

•

9.

GASTOS DEL PROYECTO

Descripción Ventilador Centrifugo Crisol Materiales Refractarios Transporte de los refractarios Construcción de la chapa Construcción de los soportes Mantenimiento del motor Las chumaceras Ejes Pintura Par de engranes El volante Encamisada de un engrane Transporte del horno

Costo 300.000 80.000 680.000 200.000 330.000 380.000 60.000 90.000 125.000 60.000 50.000 50.000 35.000 20.000

10. CONCLUSIÓN El horno de fundición citado en las pruebas de puesta a punto es el resultado, de investigación calculo y ejecución planteada en los capítulos anteriores, una vez logrado su funcionamiento se logro reiterar la concordancia entre el diseño y el funcionamiento del equipo. Uno de los principales inconvenientes, de la evaluación teórica fue la ausencia de equipos, especializados, para tales propósitos, pero que con ayuda de estudios secundarios, se logro suplir y logar igual resultados veraces. La calidad de las piezas fundidas por el horno, es igual a la de los hornos que imperan en comercio, sumado a que se pueden lograr puntos de fusión más alto con el fin de lograr fundiciones de materiales ferrosos y no ferrosos, esto se debe a que el ambiente en la cámara de combustión, fue diseñado para soportar temperaturas no mayores a 17500 C La diferencia de diámetros entre la cámara de combustión, y las paredes del crisol, cumplieron con los parámetros de diseño recomendado por los expertos en el área, todo esto con el fin de que la combustión fuera optima y se permitiera un flujo

11. RECOMENDACIONES Verificar las temperaturas con una cámara termo gráfica. Para tener idea de cómo se va expandiendo el calor por todo el horno. Hacer un análisis elemental de los gases de combustión, para identificar los porcentajes que estos emanan al medio ambiente, que se produce de la quema del ACPM. Implementar un mecanismo que remplace el volteo manual del horno, haciendo más ergonómico y seguro. Programar un apagado adecuado del horno, cada vez que se realice una fundición, para conservar la textura de los ladrillos refractarios.

BIBLIOGRAFÍA 1. ORDOÑEZ, Stella. Técnicas Experimentales en metalurgia. Departamento de Ingeniería Metalúrgica, Universidad de Santiago de Chile. http://www.suramericana.com/Publicacion/pdfProductos/hornos.pdf 2. Técnicas Experimentales en Metalurgia (Área Ingeniería de Materiales), Unidad Temática Nº 8 http://www.metalurgiausach.cl/TECNICAS%20EXPERIMENTALES/UNID8.p df 3. http://materias.fcyt.umss.edu.bo/tecno-II/PDF/cap-228.pdf. 4. Moldes UMSS, Facultad de Ciencias y Tecnología, Ing. Mecánica. Tecnología Mecánica II. Fundiexpo 2000. 5. Arenas, Scout M. Strobl, Simpson Technologies Corp., Aurora, Minois, U.S. Fundamentos en la preparación y c ontrol de la Arena Verde. 6. CALLISTER, William D., Introducción a la ciencia e Ingeniería de los

ANEXOS

Anexo A, Propiedades del Ladrillo Refractario U-33. Anexo B, Propiedades del mortero. Anexo C, Propiedades del concrax 1500. Anexo D, Fotos del horno de fundición. Anexo E, Planos del Horno.

Anexo A Propiedades del Ladrillo Refractario U-33 Clasificación NTC - 773, ASTM C-27

Ladrillo Refractario U-33 Supetr Refractarios Super Duty

Análisis Químico (%) Al2O3 SiO2 Fe2O3 TiO2 CaO MgO Alcalis Cono Pirométrico Equivalente (PCE)

42.5 52.5 1.5 2.0 0.3 0.3 0.5 34

Anexo B Propiedades del mortero SUPERAEROFRAX Clasificación NTC -765, NTC – 851 Tipo de Mortero

Super refractario Húmedo de fraguado al aire

Análisis Químico (%) Al2O3 SiO2 Fe2O3 TiO2 CaO MgO Alcalis

43.0 50.3 1.8 2.1 0.2 0.3 2.0

Cono Pirométrico Equivalente (PCE)

32 ½

Anexo C Propiedades del concrax 1500 CONCRAX 1500 Clasificación NTC -814, ASTM C -401 Análisis Químico (%) Al2O3 SiO2 Fe2O3 TiO2 CaO MgO Alcalis Cono Pirométrico Equivalente (PCE) Temperatura equivalente (°C)

Clase D

49.5 39.0 1.3 2.0 7.5 0.3 0.4 32 1717

1480 14.0 - 15.0 ( 140 - 150 ) Anexo D Fotos del horno de fundición

Anexo E

Planos del horno

Horno

UNIVERSIDAD DE PAMPLONA DISEÑO, CONSTRUCCIÍON DE UN HORNO TIPO BASCULANTE PARA FUNDIR ALUMINIO. FECHA

ESCALA

44,45

Chapa de acero 130

17,92

O 759,86 O 753,51 O 649,96 O 240

103,22

204,97 60,21 150 49,79

150 540

UNIVERSIDAD DE PAMPLONA DISEÑO, CONSTRUCCIÍON DE UN HORNO TIPO BASCULANTE PARA FUNDIR ALUMINIO

760,35

FECHA

ESCALA

Base del horno


ESCALA

Angulo de refuerzo

80

449,03

415

63,5

° 5 7


ESCALA

Angulo inclinado

100

600

75°

10 200

100 UNIVERSIDAD DE PAMPLONA DISEÑO, CONSTRUCCIÍON DE UN HORNO TIPO BASCULANTE PARA FUNDIR ALUMINIO. FECHA

ESCALA

Angulo Plano

240

0 0 1

2 1

O

5 , 3 6

° 5 , 2 5

90

5

142,55 UNIVERSIDAD DE PAMPLONA DISEÑO, CONSTRUCCIÍON DE UN HORNO TIPO BASCULANTE PARA FUNDIR ALUMINIO. FECHA

ESCALA

Angulo de refuerzo

200

O

10

100

10


ESCALA

O 48

Tapas del horno

R 36 60

60

760

O 751,08

O 230 O 760 O 200

O 218,56 O 80

O 14

R 13

20

230


ESCALA

Juego de engranes y 53,37

eje.

40,01

O 6

10

26

20

150 117

O 44,45

O 34,93

20

35

255 UNIVERSIDAD DE PAMPLONA DISEÑO, CONSTRUCCIÍON DE UN HORNO TIPO BASCULANTE PARA FUNDIR ALUMINIO. FECHA

ESCALA

Base del eje del volante

100°

233,6

R 4,67

15° 100

O 12

197,29


ESCALA

Chumacera 1 3/4 "

O 12

60

O 35 50

108,09

15

220,11


ESCALA

Quemador


ESCALA

Boquilla del quemador

25

115

14,92

R 4,5

13

O 38,14 O 35

10

O 74 O 100 UNIVERSIDAD DE PAMPLONA DISEÑO, CONSTRUCCIÍON DE UN HORNO TIPO BASCULANTE PARA FUNDIR ALUMINIO. FECHA

ESCALA

Tubo de aire y de

76,2

gas

R 6,35 340,06 8,7 470 R 3,49

59,94

5

16

O 10

20

O 65,2


ESCALA

Tubo de Combustible

33,29

10

96,49 27,56 15,85

14 199,04


ESCALA

Tubo de gas

9 10,48

16

20

20

299,94


ESCALA

Ventilador


ESCALA

Proyecto Horno de Fundicion de Aluminio-libre

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