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ARENAS PARA FUNDICIÓN
Elaboró Manual: Ing. Javier Mendoza Castillo
Fecha de elaboración: 20 de Enero de 2007
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UNIDAD 1.- “Introducción a las arenas”
1.- Generalidades.
1.1.- Producción de las arenas
1.2.- Uso de las arenas
1.3.- Las arenas en Fundición
1.4.- Tipos de arenas
Ejercicio 1.- Generalidades de las arenas
2.- La sílice.
2.1.- Formas alotrópicas de la sílice
3.- Control de parámetros.
3.1.- Parámetros a considerar para el control de las arenas
Ejercicio 2.- Arenas para fundición.
Ejercicio 3.- Parametros de control de las arenas para fundición
UNIDAD 2.- “Mezclas de arenas”
1.- Mezclas.
1.1.- Mezclas para corazones
1.1.1.- Equipos periféricos.
Ejercicio 4.- Mezclas para corazones
1.2.- Mezclas para moldeo.
Ejercicio 5.- Mezclas para moldeo
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Vista a plantas de Fundición : Areas de corazones y Moldeo.
UNIDAD 3.- “Sistema de arenas”
1.- Equipo utilizado.
1.1.- Transporte de arena
1.2.- Molinos mezcladores
1.3.- Almacenamiento de la arena
1.4.- Uso de la arena en la máquina de moldeo
Ejercicio 6.- Equipo utilizado en Sistemas de moldeo
Ejercicio 7.- Identificación de equipos.
2.- Recuperación de arena.
2.1.- Didión
2.2.- Sistema de enfriamiento por agua
2.3.- Aereador
2.4.- Sistema de enfriamiento por aire (Multi-cooler, Verti-cooler)
2.5.- Mecanismo de arados
2.6.- Colector de polvos
2.7.- Aparato para medición de agua (Fluxómetro)
Ejercicio 8.- Recuperación de arenas
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UNIDAD 4.- “Control de Calidad de la arena”
1.- Sugerencia para el control de las arenas
2.- Pruebas de laboratorio
2.1.- Determinación del índice de finura o grado AFS
Práctica: Determinación del AFS e índice de finura de una arena.
2.2.- Determinación de la friabilidad
2.3.- Determinación de la densidad de los fluídos
2.4.- Determinación de la materia volátil
2.5.- Determinación de arcillas
2.6.- Determinación de la gelación de una bentonita
2.7.- Determinación del pH de una arena
2.8.- Determinación del hinchamiento de una bentonita
2.9.- Determinación de la resistencia en verde de una bentonita
2.10.- Determinación de la resistencia en verde de una arena
2.11.- Determinación de humedad de la arena
2.12.- Determinación de la temperatura de la arena
2.13.- Determinación de la compactabilidad
2.14.- Determinación de la permeabilidad
Ejercicio 9.- Pruebas de laboratorio.
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3.- Defectos en piezas vaciadas.
3.1.- Defectos por baja Resistencia de la arena de corazones
3.2.- Defectos por Arcilla Total arriba de especificación
3.3.- Defectos por Permeabilidad abajo de especificación
3.4.- Defectos por Arcilla activa abajo de especificación
3.5.- Defectos por Combustible abajo de especificación
3.6.- Defectos por alta humedad en la arena
Ejercicio 10.- Identificación de defectos en piezas vaciadas.
Recomendación: Visita guiada a Plantas de fundición: Área de análisis de rechazo.
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UNIDAD 1
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1.GENERALIDADES
Un Poco de Historia.
Arenas: Las primeras imágenes de nuestra niñez nos grabaron en la memoria, la arena en los desiertos con sus camellos, la arena en las playas de océanos y lagos, la arena con las que se construyen las casas, etc.
En el norte de México, Coahuila por ejemplo, al viajar por carretera a Torreón observamos miles de toneladas de arena, sin embargo no es adecuada para las fundiciones, tampoco la que se encuentra en los océanos.
Las fundiciones que fabrican piezas automotrices tienen que utilizar arenas del Istmo de Tehuantepeco de Texas, Oklahoma, Illinois, etc, muy lejos, muy cara la transportación, sin embargo sale más barato utilizarlas para conseguir bajos rechazos y el acabado de piezas requerido.
Las arenas de fundición tienen un origen común . La roca madre de la cuál se derivan es el granito , compuesto de feldespato , cuarzo y mica. El feldespato (silicato doble de aluminio y potasio o sodio) actúa de sustancia aglomerante de la mica y el cuarzo : bajo la acción tenaz y constante de los agentes atmosféricos se disocian los dos silicatos que componen al feldespato . El silicato de aluminio , al hidratarse se convierte en arcilla , mientras que los silicatos de potasio o de sodio (como tales , o transformados en carbonatos por la acción del anhídrido carbónico del aire ) son arrastrados por las aguas meteóricas .
De este modo se han constituido los vastos depósitos de arenas naturales , las cuales , por otra parte presentan características diferentes según que el proceso de disgregación esté mas o menos avanzado (en este último caso existen residuos de feldespato , que es fusible y disminuye la refractariedad de la arena ) y que la disociación se haya realizado en el mismo lugar donde se encuentra la arena (arenas arcillosas naturales con porcentajes variables de arcilla ) o con acciones de transporte que forman depósitos distintos de arena silícea y de arcilla.
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1.GENERALIDADES
Arenas:No siempre puede usarse la arena en la fundición tal como llega de los depósitos , sino que debe
someterse a algunos procesos de modificación , que se efectuaran después de una serie de pruebasadecuadas para el estudio de sus características técnicas. .
El conjunto de estas pruebas , lo mismo las destinadas a comprobar las características del material que llega de los depósitos , como los de la mezcla que servirá para el moldeo , constituye lo que se llama comprobación de la arena.
Los casos de modificación de las arenas se presentan cuando se procede a la mezcla de arenas de tipo diverso (sea para variar la distribución del grano , sea para rebajar o reforzar la arena ) o bien a la aglomeración del aglutinante.
En el primer caso se trabajan arenas naturales y en el segundo arenas sintéticas o aglomeradas que se obtienen partiendo de arenas silíceas lo mas puras posibles a las cuales se añaden en diversos porcentajes , sustancias aglutinantes .
El uso de las arenas sintéticas se ha incrementado notablemente en el último decenio y su empleocreciente se justifica con las innegables ventajas que presentan con respecto a las arenas naturales . En primer lugar , posee unas características mas uniformes y , por otra parte , la arena base esta exenta de polvo impalpable , ya que el aglutinante se añade en cantidades previamente comprobadas a fin de reducir al máximo el límite de humidad y obtener no solo una refractariedad más elevada , sino también una mayor permeabilidad .
En cambio , el intervalo de humedad que permite la elaboración es mucho mas restringido en las arenas sintéticas que las naturales , se secan más rapidamente y ofrecen mas dificultades para el acabado y la separación de los moldes .
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1.1.- Producción de las arenas
Las arenas son un material fino producido natural o artificialmente por la descomposición o desintegración de las rocas. Las arenas están compuestas por granos de materia mineral tal como la sílice, cromita, zirconio y olivina principalmente. Su tamaño se clasifica en un rango de 0.05 mm a 2.0 mm de diámetro. La siguiente figura muestra un esquema de cómo se van produciendo las arenas.
Las arenas se producen por cambios bruscos de temperaturas, por la fricción, por el movimiento con el aire, por efectos de la lluvia, es decir por la humedad, por el calor del sol, etc. Es entonces que las arenas se producen debido a los diferentes factores ambientales.
Granizo Calor Lluvia Aire
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Las arenas son utilizadas para diversas funciones , como son en playas artificiales, para relojes de arena, para
1.2.- Usos de las arenas
la construcción, para dar forma a un sin fin de piezas, etc. En el caso de la industria de la fundición se utiliza para darle forma a las piezas, ya que sirve como base para después obtener en una pieza con la forma que le da la arena, también se utiliza en el cubilote para instalar un piso de arena ya que es resistente a altas temperaturas, esto es el porque de la utilización de las arenas, ya que estas tienen un punto de fusión muy alto y resisten las temperaturas tan altas manejadas en la fundición.
Piezas obtenidas con arenas para Fundición
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1.3.- Las arenas en la fundición
En el diagrama general del proceso de fundición se muestran los departamentos donde se utiliza la arena para darle forma final a una pieza fundida o bien para resistir altas temperaturas,
CORAZONES
MOLDEO
FUSION
DESMOLDEO
VACIADO
ACABADO
EMBARQUES
AFINO
DISEÑO
MODELO
ARENA
ARENA
ARENA
ARENA
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1.4.- Tipos de arenas.
Naturales
Son aquellas que se utilizan en la fundición en estado natural, las cuales se encuentran ya mezcladas con el aglomerante arcilloso que les da plasticidad, por lo tanto, son difíciles de controlar. Solamente las usan algunas fundiciones pequeñas.
Entre las ventajas del uso de estas arenas tenemos las siguientes:- No se secan tan rápido como las sintéticas, lo que permite facilitar el moldeo.- El contenido de agua no es crítico, permitiendo un mayor margen de uso.- Permite dejar un mejor acabado en las piezas de fundición.-Se puede retocar y reparar los moldes con mayor facilidad.
Entre las desventajas tenemos:- El tipo y la cantidad de material arcilloso varían de un depósito a otro y por lo tanto son difíciles de controlar.El gran contenido de arcilla da a la mezcla una carácter mucho menos refractario que el de las arenas sintéticas.Ninguna de las fundiciones del mundo moderno utiliza arenas naturales por costo-beneficio
Arenas SintéticasSon arenas lavadas y tamizadas para dar un tamaño y granulometría adecuada y que se aglomeran
generalmente, con un 3 a 5% del material arcilloso determinado, teniendo una humedad del 2 al 3% suficiente para desarrollar buenas propiedades de moldeo. Se usan por todas las fundiciones grandes, automatizadas y con volúmenes importantes de producción.
Posee una refractariedad muy alta, puesto que se mezclan con contenidos bajos de arcilla.
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No contiene feldespatos, carbonatos y otras sales como impurezas que pueden actuar como fundentes, promoviendo defectos externos e internos con rechazo de las piezas.
La ventaja mayor es que se han desarrollado técnicas para controlar algunas características importantes de las arenas sintéticas, desde la extracción de los mantos naturales, en los procesos de corazones, moldeo y recuperación de la arena para llevarla cercanamente a sus condiciones originales, apoyando significativamente al medio ecológico.
En esta Materia cubriremos las más típicas de las arenas utilizadas en el presente, algunas utilizadas en cantidades muy importantes debido a su costo y características, que citamos en seguida:
Sílica:La sílice es el material sólido más abundante en la naturaleza y es excedido sólo por el oxígeno. La
sílice combinada con el oxígeno forma el óxido de silicio (SIO2), el cual se presenta en la naturaleza en diferentes formas, la arena sílica es la más común. La sílice anhídrida existe en tres formas cristalinas, cada una de ellas se comporta en varias formas alotrópicas puesto que no son estables térmicamente. No obstante que existe mucha arena sílica en la naturaleza, poca es adecuada para la industria de la fundición.
OlivinaLa olivina es una roca natural constituida por una solución sólida de fayolita FEO2 y SIO4 en la
forasterita (ortosilicato de magnesio) MG2SIO4. El contenido de fayolita es variable y condiciona su refractariedad. Convenientemente triturada, la olivina posee un material utilizado como arena de moldeo, utilizada sobre todo para los aceros al manganeso. Es conveniente señalar que se pueden hacer cucharas de colada con olivina y silicato de sodio, endurecidos con dióxido de carbono
ZirconioSilicato natural de zirconio ZrSiO4 conteniendo de 61 a 67% de ZrO2 y 33 a 35% SIO2. Por efecto
del calor se disocia a 1800°C y a 2300°C, la volatilización de la sílice es importante lo que limita su empleo como refractario. Tiene una conductividad térmica superior a la sílice, en general se aglomera
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con la bentonita y debido a su índice de finura de 120 a 140 da piezas de buen aspecto sin costras, ni rugosidades, esta arena es de costo elevado.
Chamota
Es el silicato de Aluminio, es un producto artificial obtenido por cocimiento durante 4 a 6 días a una temperatura de 500°C, es un ladrillo aglomerado con 65% de sílice y 35% de aluminio con un poco de agua. Después del cocimiento los ladrillos se trituran se tamizan. Su uso es casi exclusivo para los aceros.
La lámina siguiente nos da imágenes del tipo de arenas que estamos describiendo muy generalmente.
Arena sílica Arena olivina
Arena zirconioArena cromita
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Las arenas para la Industria de la Fundición deben tener estas características:
Algunos arenas usadas son la Badger 55 AFS, Cromita 50-55 AFS, Zirconio 72 AFS y la Recuperada. La arena más utilizada es la arena sílica, esta es relativamente pura, ya que contiene aproximadamente 98 % de sílice debido a esto debe su nombre, y es el principalmente constituyente de la mezcla para corazones y la mezcla para moldeo.. Las características que debe tener una arena son :
Que sea de alta dureza
Resistente a la abrasión
De variedad de tamaño
Resistente a altas temperaturas
Resistente a la escoria ácida
Parámetro Silice ( SiO2) Olivina 2(MgFe)O Zirconio (ZrSiO4)Disponibilidad Muy abundante Limitada Muy limitadaCosto Bajo Mediano AltoEstabilidad Buena Buena ExcelenteDilatación Elevada Mediana BajaConductividad Térmica Débil Débil ElevadaPunto de Fusión 1710 1870 2650
Que sea de baja densidad
Que sea de baja estabilidad térmica
Explotada fácilmente
Dura en una variedad de tamaño
Barata y Abundante
En la siguiente tabla se muestra la comparación de las propiedades de las arenas más utilizadas en la industria de la fundición :
Comparación entre los diferentes tipos de arenas
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Ejercicio 1“Generalidades de las arenas”
A continuación se aplicará el siguiente cuestionario a los alumnos, dandoles un tiempo aproximado de 10 minutos para elaborar las respuestas.
CUESTIONARIO
Responda en forma breve las siguientes preguntas:
1.- ¿De que materiales están compuestas las arenas?
2.- Mencione como se producen las arenas.
3.- Menciona la principal cualidad que tienen las arenas para su utilización en la fundición.
4.- Mencione que diferencia existe entre una arena natural y una arena sintética.
5.- ¿Con que elemento químico se combina la sílice para la formación de la arena y que compuesto se forma?
6.- Mencione cuales son los tres factores que se tienen como ventaja de una arena sintética a diferencia de una arena natural.
7.- Mencione al menos 5 caractarísticas que deben de cumplir las arenas para fundición.
Material Requerido: 1.- Copias del cuestionario.
2.- Hoja para respuestas.
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2. La silice
La siguiente tabla muestra las diferentes características de las arenas :
Color Blanco, crema, rosada u ocreForma Redonda, angular o subangularFinura de grano 27 a 120 AFSDistribución de grano 2 a 4 mallas
Características de las Arenas
La arena más utilizada es la arena silica y es en la que pondremos la mayor atención en el presente trabajo. La siguiente figura muestra la arena silica natural :
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2.1.- Formas alotrópicas de la sílice
Cuarzo
Densidad 2.65. Estable hasta 870°C.
Tridimita
Densidad de 2.26. Estable entre 970 y 1470 °C
Cristobalita
Densidad de 2.32. Estable entre 1470 a 1713 °C.
En una misma forma el paso de una variedad a otra es instantánea e irreversible y se efectúa a una temperatura determinada.
Cuarzo Alfa
Estable desde la temperatura ambiente hasta 473 °C, el cuarzo alfa se transforma en cuarzo beta. Esta transformación se acompaña de una dilatación del 4 % en volumen. El cuarzo alfa presenta una estructura cristalografica romboedrica.
Cuarzo Beta
Ocurre de 573 °c a 870 °C de estructura cristalina hexagonal. Durante este fenómeno la sílice sufre una expansión superior al 2.5 % del volumen inicial
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La siguiente figura nos muestra las características y las formas alotrópicas de la sílice conforme varía la temperatura :
FORMAS ALOTROPICAS DE LA SILICE
1780°
1500°
870°
575°
ESTABLE CRISTOBALITA
INESTABLE
SILICE FUNDIDA ESTABLEFUSION
FUSION 1670
INICIO DE LA FUSION TRIDIMITA CRISTOBALITAINESTABLE INESTABLEδ(Gama) δ(Gama)
δ(Gama) CUARZO INESTABLE TRIDIMITA
β(Beta)
β(Beta)
β(Beta)
β(Beta)CUARZO ESTABLE
CUARZO
ESTABLE
α(Alfa) α(Alfa)
TRIDIMITA
INESTABLE
INESTABLECRISTOBALITA
INESTABLE
T. α
CUARZO TRIDIMITA CRISTOBALITA
1710°
1970°
220°
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2.2.- Características de la silice
La arena sílice está definida por sus características físicas y por la forma de los granos, índice de finura y repartición. Debido al índice de finura se encuentran granos de diversas formas, angulares, redondos, subangulares, y aglomerados de granos más pequeños. La silica tiene poca conductividad térmica, su dilatación es importante y tiene la ventaja de ser mojada por el metal. Los defectos resultantes son las costras, cola de rata y penetración. Pueden ser utilizadas con una humedad más baja y controlada, son más económicas, y con precaución se pueden utilizar en repetidas ocasiones.
REPRESENTACION DE LAS FORMAS ALOTROPICAS DE LA SILICE
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En las siguientes tablas se muestran algunas de las principales propiedades físicas y químicas de la sílice:
Densidad 1.59-1.63 g/ccPunto de fusión 1710 °CExpansión térmica 0.018 plg/plgDureza 6 - 6-5 Mohs
Propiedades FísicasNombre del compuesto Dióxido de silicioFormula del compuesto SiO2Nombre mineralógico Cuarzo alfaReacción a alta temp. Acida
Propiedades Químicas
La siguiente tabla nos muestra la composición típica de una arena de alta pureza:
Compuesto CantidadSilice ( SiO2) 99.82Alúmina ( Al2O3 ) 0.049Oxido de Fierro ( Fe2O3 ) 0.019Oxido de Calcio ( CaO ) 0.006Dióxido de titanio 0.012
La influencia de dichas propiedades y composición química de la sílice, influyen de gran manera en las características deseadas de la arena en la preparación de moldes y corazones de arena para la obtención de piezas fundidas de alta calidad.
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3. Control de Parámetros
Los parámetros que influyen en la calidad de la arena y que se deben tomar en cuenta son los siguientes :
IMPUREZAS
POTENCIAL HIDROGENO
DEMANDA DE ACIDO
FORMA DE GRANO
DISTRIBUCION Y TAMAÑO DE GRANO
PERMEABILIDAD
HUMEDAD
Al efectuar la selección de una arena para la fabricación de corazones debe tener características similares a la arena de moldeo para que las propiedades de control no se alteren, ya que ésta es asimilada por el sistema en el área de desmoldeo o shake-out
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Un poco de Historia en relación a impurezas;
Existen poquísimos depósitos de arena sílica en el mundo (Estados Unidos y Canadá), que solo se requiere secar y cribar la arena para quitarle algunos posibles raíces. La recuperación es cercana al 100%.
Sin embargo existen otros yacimientos que requieren intensas operaciones de lavado, secado y cribado(San Luís Potosí, México) donde la recuperación del producto final es de 60-70%.
Impurezas
Cuando la impureza esta presente en la arena puede ser lavada, secada y tamizada y seleccionada haciéndola útil en un amplio rango de finura y distribuciones de grano. Sin embargo en algunos casos con contaminaciones de óxidos de hierro, no pueden eliminarse en su totalidad. Estas operaciones siempre son efectuadas por el proveedor para asegurar una calidad constante en la entrega de sus productos y minimizar los problemas a los clientes. En una arena nueva para la fabricación de corazones existen dos tipos de impurezas las cuales son propias de yacimientos estas impurezas son:
A) Nocivas
B) Útiles
A) Impurezas Nocivas
Feldespato: Son silicatos anhídridos de sodio, potasio, y calcio que bajan el punto de fusión y aumentan el valor de pH.
Mica: Tiene los mismos efectos que los feldelpastos
Carbonatos: Son carbonatos de calcio (CaCO3) insolubles en agua y calcinados, es un reactivo hidroscópicoque da enlaces débiles de los aglutinantes, se descomponen a una temperatura de 900°C.
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3.1.- Parámetros a considerar para el control de las arenas
Impurezas
Cuando la impureza esta presente en la arena puede ser lavada, secada y tamizada y seleccionada haciéndola útil en un amplio rango de finura y distribuciones de grano. Estas operaciones siempre son efectuadas por el proveedor para asegurar una calidad constante en la entrega de sus productos y minimizar los problemas a los clientes. En una arena nueva existen dos tipos de impurezas las cuales son propias de yacimientos estas impurezas son.
A) Nocivas
B) Utiles
A) Impurezas Nocivas
Feldespato: Son silicatos anhídridos de sodio, potasio y calcio que bajan el punto de fusión y aumentan el valor del pH
Mica: Tiene los mismos efectos que los feldelpastos
Carbonatos: Son carbonatos de calcio (CaCO3) insolubles en agua y calcinados, es un reactivo hidroscópico que da enlaces débiles de los aglutinantes, se descomponen a una temperatura de 900°C
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Oxido de Hierro: Es útil como impureza en un contenido máximo de 0.50 % y tiene dos efectos: Uno físico y otro químico.
a) Efectos Físicos: El óxido de hierro reacciona con la sílice formando fayolita (FeSiO) que funde a bajas temperaturas (1119°C), llena los espacios entre uno y otro grano de arena lo que permite compensar la expansión de la silíce y reducir los problemas de envenamiento.
b) Efectos Químicos: En la fabricación de corazones, Durante el vaciado del metal, la resina de los corazones inicia una descomposición llamada pirólisis generando gases como nitrógeno, fuente potencial para producir pequeños poros de gas llamados “Pin Hole” , cuando el óxido de hierro estápresente reacciona con el nitrógeno formando nitruros que forman parte de la masa de hierro
Potencial Hidrógeno
El potencial hidrogeno (pH), es la medida de acidez de un material o sustancia. El valor es determinado en el laboratorio con un instrumento llamado potenciómetro o medidor de pp..
ACIDO NEUTRO
0 7 14
ARENAS
BASICO
básicopH
ácido
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Demanda de ácido
Arena Básica
Alta demanda de ácido
Reacción entre las resinas
Disminución de la vida útil de la mezcla
Forma de grano
Grano Redondo: La forma de grano de la arena influye en la superficie específica de ésta. Es un hecho comprobado que el cuerpo geométrico que tiene mayor volumen y menor superficie es la esfera. Como consecuencia de ello cualquier otra forma diferente de las esferas tendrá mayor superficie.
Indice de angularidad para la arena redonda 1.25
Indice de angularidad para la arena angular 1.65
En cuanto al comportamiento al choque térmico de las arenas de diferentes formas de grano, se debe a su una forma natural de acomodarse). En las arenas redondas, el número de contacto entre sus granos transmiten mas fácilmente el movimiento de expansión por la acción del calor.
El tamaño y la forma de los granos de arena son consideraciones importantes en el acomodo de los granos. Los granos de arena mostrados en la siguiente figura son todos perfectamente redondos. De esta manera es fácil conseguir una densidad o compactación porque los granos de arena están muy juntos unos a otros, se necesita poco golpeteo para lograr una masa compacta de la mezcla de arena y como los granos son redondos y están tan apretados entre sí no se podrán mover sin desplazarse unos a otros al momentos de calentarlos. Es entonces que esta condición no es ideal desde el punto de vista de la expansión.
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Forma esquemática de como aumenta la superficie de una arena de grano redondo cuando se fracturan sus granos.
En general el grano redondo proporciona mayor permeabilidad cuando se apisonan y tienen menor área de contacto entre grano y grano. Como resultado presentan las siguientes características:
a) Proporciona las mejores propiedades físicas para un nivel de aglutinante dado.
b) Tienen menos superficie.
c) Fácil de hornear.
d) Requieren de menos cantidad de aglomerante.
e) Tiene mayor fluidez.
f) Son fáciles de recubrir.
g) Requieren menos tiempo de mezclado.
h) Presentan bajas resistencias al choque térmico.
i) Tienen mayores permeabilidades.
1.- Grano original
2.- Nuevas superficies al fracturarse un grano en dos partes
3.- Nuevas superficies al fracturarse el grano en cuatro partes.
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Si, por otra parte, los granos son mixtos en cuanto a forma y tamaño, como se observa en la siguiente figura, es difícil lograr un buen grado de acomodo ya que las partículas pequeñas llenarán los espacios que quedan entre los granos más grandes.
En este caso hay lugar para el movimiento de los granos durante la expansión sin que estos desplacen los granos adyacentes.
Arenas de grano mixto
En la siguiente figura los granos son de forma angular y no redonda, aunque es difícil conseguir un buen acomodo con granos angulares no tendremos problemas de expansión. De manera que un molde hecho con arena con granos uniformes muestra más esfuerzo por expansión que con granos mixtos o angulares.
Granos de arena angular
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1) Proporcionan menor permeabilidad.
2) Con frecuencia ofrecen alta resistencia en verde.
3) Requieren grandes cantidades de aglutinante.
4) Los contactos entre grano y grano son uniformes.
5) Los granos no se recubren uniformemente.
6) y generan gran cantidad de finos.
Ventajas de uso de las arenas angulares :
7) Tienen mayor superficie a recubrir.
8) Tienen menos fluidez.
9) Presentan una alta resistencia al choque térmico.
10) Tienen menor soplabilidad.
11) Requieren mayor tiempo de mezclado.
12) Las arenas tienen baja densidad.
13) Los granos son fáciles de fracturar
Granos de arena angular
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Granulometría
Tamaño de Grano : El tamaño de grano y la distribución son medidas por cribas con aberturas de diversos tamaños. La arena es sacudida a través de una serie de 6 a 8 cribas, cada grano cae a través de las aberturas mayores que él y es retenida en una criba cuya abertura es menor que él. El tamaño es usualmente expresado como el número de abertura por pulgada lineal.
Cribas: Una criba de malla 40 tiene 40 aberturas por pulgada y dejará pasar cualquier partícula que sea inferior a 1/40, reteniendo las de mayor tamaño. A mayor número de malla menor es la abertura y el tamaño de grano de arena también.
Se usan de 6 a 8 cribasEn general se busca que la arena se concentre en 2 o 3 mallas, una malla se toma en cuenta cuando en ella
se quedarón más de 10 gr. De un total de 100 gramos cribados.
1 Plg.
1 Plg.
0.15 mm.
Esquema de una malla 100
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En las siguientes ayudas visuales se muestran los números de malla y su abertura en mm. y un equios usados en laboratorios para determinación de prueba de granulometría.
Número de Abertura Malla de Malla
12 1.68 mm
20 0.84 mm
30 0.54 mm
40 0.42 mm
50 0.30 mm
70 0.21 mm
100 0.15 mm
140 0.11 mm
200 0.07 mm
270 0.05 mm
Equipo Rot Tap y Cribas para determinación de tamaño de grano
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Obtención del índice granulométrico.
El número AFS se obtiene multiplicando cada porciento retenido por el número de la ultima criba a través de la cual pasaron los granos y se obtienen varios productos, estos se suman y el resultado se divide entre 100. Por ejemplo el 0.20 se multiplica por 12 que fue el número de malla a través de la cual pasaron los granos.
0.005.00
10.0015.0020.0025.0030.0035.0040.00
12 20 30 40 50 70 100 140 200 270 F
INDICE DE FINURA : 48.3 AFS
4.32 %
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Los finos de silice aumentarán la cantidad de aglutinante, debido a que estos aumentarán el área a recubrir. El transportador de la arena por sistemas neumáticos, requiere de remover el polvo debido a que los finos pueden llegar a las tolvas en cantidades irregulares lo que puede tener efectos significativos y causar caídas inesperadas en las propiedades de la arena.
Influencia de los finos en la arena.
Comportamiento de aglutinante con relación a los finos
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Humedad
La siguiente figura muestra el efecto de la humedad sobre la permeabilidad, la fluidez y la resistencia en un estudio realizado a una arena de moldeo, esta arena se mezclo con diferentes cantidades de humedad y a cada una les midieron las variaciones de resistencia, permeabilidad y fluidez en el compactado. El circulo muestra el rango de porcentaje de humedad donde los valores de la resistencia, permeabilidad y fluidez son relativamente uniformes. El rango o los límites dentro de los cuales la permeabilidad, la resistencia y la fluidez son relativamente uniformes es entre 4.5 y 5.0 % de humedad.
91
90
89
88
87
86
85
84
83
82
80
79
% DE HUMEDAD
ARENA CON AGLUTINANTE NATURAL MEZCLADA EN MOLINO
PERMEABILIDAD
% DE LA RELACION A LA CONDICION IDEAL
7.04.0 5.0 6.0
FLUIDEZ
RESISTENCIA
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Efecto de la humedad en una mezcla de moldeo
Se ha encontrado más aconsejable trabajar siempre la arena en un punto donde todas las propiedades sean más uniformes, para de esta manera asegurar uniformidad, es decir trabajar en el punto óptimo de porcentaje de humedad.
A continuación se muestran los efectos negativos de humedad en la arena al trabajar con porcentajes fuera de rango.
Si la arena está demasiado húmeda o demasiado seca, la compactibilidad deseada y medida deben
revisarse para garantizar que la compactibilidad de la arena que se está produciendo sea la apropiada para
los requerimientos de la mezcla.
Si la arena es demasiado seca se produce un efecto negativo en la plasticidad deseada de la arena en
verde, provocando problemas en la fabricación del molde.
En la siguiente página se muestra el equipo utilizado para realizar la prueba de compactabilidad de una arena de moldeo.
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Permeabilidad
Una de las propiedades más afectadas por el tamaño de los granos de arena es el paso de los gases. En efecto las variaciones de permeabilidad, cuando se mantienen dentro de los límites habituales los porcentajes de arcilla y de humedad, siguen con cierta fidelidad las variaciones del índice de finura, además en las arenas nuevas, los finos son causados por los choques de los granos entre sí especialmente con descargas neumáticas y/o un impropio colector en el proceso de manejo debido a que todas las arenas tienden asegregarse cuando son transportadas al almacén .
Efectos Sobre la Permeabilidad
Los finos son causados por los choques de los granos entre si, especialmente con descargas neumáticas y/o un impropio colector en el proceso de manejo.
Es muy frecuente encontrar la arcilla en forma de finos debido a que tiene baja resistencia mecánica y absorbe los líquidos menos viscosos.
El efecto de los finos en la permeabilidad es muy importante por ejemplo : Granos de malla 40 tienen una permeabilidad de 550. Si agregamos diferentes tamaños de grano en porcentaje constante, la permeabilidad se ve afectada
TAMAÑO DEGRANO % FINOS PERMEABILIDAD
40 - 550140 10 250140 20 130270 10 110270 20 35
Influencia de los finos en relación al tamaño de grano y la permeabilidad
37
También al aumentar la humedad la permeabilidad de la mezcla disminuirá. Para tener una buena mezcla de arena para moldeo la permeabilidad deberá ser mayor que la resistencia.
Curva de permeabilidad base de los granos de arena de acuerdo al tamaño de grano
38
Ejercicio 2“Arenas para fundición”
En el siguiente ejercicio, el maestro aplicará a los alumnos en forma individual lo siguiente:
A.- Encuentre la respuesta, marcando cun una X la respuesta correcta.
1.- Parámetro físco que tiene la finalidad de conocer el grado de acidez que presenta una arena para fundición, el cual ayuda a generar el tiempo de vida útil de una mezcla de arena.
a) Ph (Potencial de Hidrógeno).
b) Permeabilidad.
c) Impurezas
2.- Es al principal característica que deben tener las arenas para fundición, la cual es importante para garantizar los volúmenes de producción de la fundición.
a) Granulometría.
b) Abundancia.
c) Refractariedad.
3.- Son las principales ventajas de la arena sílica en comparación con el resto de arenas compuestas de otros minerales.
a) Mayor economía, diferentesr tamaños de grano y abundancia.
b) Mayor refractarieded, control del tamaño y forma de grano y menor cantidad de impurezas.
c) Mayor cantidad de aditivos, menor resistencia a la tensión y mayor evolución de gases.
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Ejercicio 2“Arenas para fundición” (Continuación)
En el siguiente ejercicio, el maestro aplicará a los alumnos en forma individual lo siguiente:
B.- Marca si es falso o verdadero según corresponda en cada oración.
1.- Una de las propiedades más afectadas por el tamaño de los granos de arena es el paso de los gases.
a. Falso ( ) b. Verdadero ( )
2.- Los finos de silice aumentarán la cantidad de aglutinante, debido a que estos aumentarán el área a recubrir.
a. Falso ( ) b. Verdadero ( )
3.- Si la arena es demasiado seca se produce un efecto negativo en la plasticidad deseada de la arena en verde, provocando problemas en la fabricación del molde.
a. Falso ( ) b. Verdadero ( )
4.- El número AFS se obtiene multiplicando cada porciento retenido por el número de la ultima criba a través de la cual pasaron los granos y se obtienen varios productos, estos se suman y el resultado se multiplica por 100.
a. Falso ( ) b. Verdadero ( )
5.- En general el grano redondo proporciona mayor permeabilidad cuando se apisonan y tienen menor área de contacto entre grano y grano.
a. Falso ( ) b. Verdadero ( )
6.- A mayor número de malla mayor es la abertura y el tamaño de grano de arena también.
a. Falso ( ) b. Verdadero ( )
40
Ejercicio 3“Parámetros de control de las arenas para fundición”
A continuación el maestro dividirá el grupo en equipos de trabajo, dependiendo la cantidad de alumnos presentes en la clase y solicitará a cada equipo que realicen el siguiente ejercicio:
EJERCICIO
En equipo trabajarán en el desarrollo de los siguientes conceptos estudiados en el tema anterior:
1.- Desarrollar en una Hoja de Rotafolio un resúmen de los principales parámetros de control de las arenas de fundición aprendidos en la lección anterior, resaltando los siguientes puntos:
a) Concepto general de cada parámetro.
b) Importancia de control de cada parámetro.
c) Efectos favorables y efectos negativos.
2.- Se solicitará a cada uno de los equipos que emitan una calificación de equipo a cada uno de los equipos expositores, con la finalidad de que se obtenga un Ganador en relación al trabajo presentado de cada equipo.
NOTA: Durante la exposición de cada equipo, el Maestro de la clase actuará como moderador imparcial, apoyando a los equipos durante la exposición y aportando ideas a cada equipo durante la elaboración de la presentación.
Material Requerido: 1.- Hojas de rotafolio
2.- Rotafolio.
3.- Marcadores para rotafolio de diferentes colores.
4.- Cinta adhesiva.
5.- Hojas de maquina para trabajo en borrador.
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UNIDAD 2
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Parte del control de una mezcla de arena incluye mezclar el aglutinante de arcilla con los granos de arena. El mezclado permite que la arcilla se combine con los finos y el agua para formar el aglutinante de arcilla, la mezcla también es necesaria para desarrollar la plasticidad del aglutinante.
El tiempo de mezclado depende del diseño y de la condición del molino. También depende de la cantidad de aglutinante que se va a distribuir. Entre más aglutinante se agregue, más tiempo se necesitará en el ciclo de mezclado.
Una arena nueva libre de arcilla necesitará de más aglutinante que una mezcla que consista en su mayor parte de arena de retorno que ya ha sido mezclada anteriormente. Así que esta arena nueva que requiere que se le añada más aglutinante también necesitará un ciclo de mezclado más largo.
Una arena que no ha sido bien mezclada no tendrá las características que normalmente se esperarían por la distribución de granos y el volumen de arcilla en la mezcla. Por ejemplo una arena mal mezclada probablemente tendrá menor permeabilidad y menor resistencia. Esta arena no será estable bajo condiciones de calor y tendrá tendencia a agrietarse debido a las fuerzas de expansión.
En algunos casos se puede sobremezclar una arena, el sobremezclado desarrollará la resistencia máxima del aglutinante de arcilla. Esto tiende a darle al aglutinate demasiada cohesión y la arena se resistirá a la compactación. Esto significa que la capacidad de la arena a ser compactada será reducida, y por lo tanto una arena sobremezclada tendrá una menor fluidez.
Cuando se desea un ciclo de mezclado más largo, se puede evitar esta reducción de fluidez bajando inicialmente la plasticidad del aglutinante de arcilla. La plasticidad se puede reducir utilizando una menor proporción de arcilla y una proporción mayor de finos, pero al disminuir la arcilla también disminuiremos la humedad.
1.- Mezclas
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1.1.- Mezclas para corazones
Los corazones se hacen de arena y un aglomerante; deben ser lo suficientemente resistentes para insertarlos en un molde. Los corazones dan forma a las superficies interiores de una pieza moldeada que no pueden ser formadas por la superficie de la cavidad del molde.
El fabricante de patrones entrega cajas de corazones que son llenadas con arena especialmente aglomerada para producir corazones con dimensiones precisas. Los corazones se colocan en el molde y éste se cierra. A continuación, se vierte metal fundido en la cavidad del molde y se le deja solidificarse dentro del espacio definido por el molde de arena y los corazones.
Las arenas de los corazones consisten de mezclas de arena con pequeños porcentajes de aglomerante, se utilizan para producir las cavidades internas de una pieza fundida. Los corazones deben ser resistentes, duros y colapsables. Con frecuencia, los corazones deben ser retirados de una pieza fundida a través de un pequeño orificio y, por lo tanto, la arena debe colapsar después de que la pieza fundida se solidifica.
La arena del corazón generalmente es sílice.
También se usa olivino o zircón cuando las especificaciones requieren arenas para macho con mayor punto de fusión o mayor densidad.
Generalidades.
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Arena para corazones : En el siguiente diagrama se muestra el proceso de fabricación de corazones y la forma como se va tratando la arena
BÁSCULAVIAJERA
MOLINO MEZCLADOR
ARENA BADGER
55 afs
ARENACROMITA50-55 afs
ARENA ZIRCONIO72
AFS
ARENARECUPERADA
ARENAOGLEBAY
RESINA CATALIZADOR
SILICONADITIVO
MÁQUINASOPLADORA
REBABEOFORMACIÓN DEL PAQUETE
ENSAMBLE
DEPÓSITO DE
PINTURAS
HORNOS DE
SECADO
INSPECCIÓN,LIMPIEZA Y
ALMACÉN
ENVIO AMOLDEO
SEGÚN EL PROCESO
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El proceso de fabricación de mixturas para corazones involucra diferentes elementos, siendo los principales la materia prima y los equipos utilizados durante su procesamiento, el control adecuado de éstos elementos nos garantizan lo siguiente:
• Mixturas con buena resistencia a la tensión• Propiedades físicas y químicas requeridas para la fabricación de corazones• Alta vida de banco de la mixtura en la máquina sopladora de corazones• Control en el rechazo de corazón por defectos de baja resistencia• Buena colapsibilidad del corazón• Baja evolución de gases del corazón
Si revisamos haciendo un cuadro comparativo entre una mixtura preparada OK y una con bajos niveles de calidad, encontraríamos lo siguiente:
Mixtura OK Mixtura defectuosa
Buena resistencia a la tensión de la mixtura, lo cual garantiza una buena rigidez de los corazones evitando altos porcentajes de rechazo
Baja resistencia a le tensión generando rompimiento de los corazones durante la fabricación o en su Proceso. (Alto % de rechazo)
Controlada evolución de gases en los corazones, debido a una correcta relación Arena-Resinas, lo cual nos genera piezas vaciadas libres de defectos por gases atrapados.
Alta evolución de gases en los corazones, provocando una alta reactividad química durante el vaciado del metal líquido en el molde.
Alta vida de banco de la mixtura, lo cual garantiza un control en el desperdicio de materia prima y costos de fabricación del departamento
Cargas de mixtura defectuosa por reaccionarse antes de su tiempo normal, aumentando el rechazo y los costos de fabricación del departamento
Control de tiempos perdidos durante la fabricación de corazones
Grandes tiempos perdidos por paros en la producción de corazones en la máquina por mixtura reaccionada.
46
Corazones :
Un corazón es un aglomerado de arena, resina, catalizador y aditivo, y su función es dar forma interna a las cavidades o huecos de la pieza que será vaciada.
Un corazón es un agregado de material inerte, que posee un determinado grado de porosidad y una resistencia mecánica controlada suficiente para permitir ser manejado y ensamblado sin romperse. El corazón puede ser hecho de arena en verde o de arena seca o de una combinación de ambas.
Función del corazón:
Es la de formar cavidades internas rodeadas del metal o hacer posible la forma de porciones externas de una pieza vaciada. Un corazón debe ser lo suficientemente fuerte en el proceso de preparación para retener su forma sin deformación.
Después de horneado y secado debe ser capaz de resistir la erosión y deformación durante el llenado del molde. El corazón debe tener un mínimo de contracciones y expansión para reproducir formas reales. Debe tener bajo contenido de gas residual para prevenir excesos de gas a la entrada del metal yque este permanezca quieto en contacto con el durante el vaciado y solidificación.
La principal materia prima para poder formar un corazón es la arena, y las más utilizadas en planta son la Sílica, Cromita y Zirconio.
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Resinas:
Una resina es un extenso polímero hecho por el hombre, resultante de una reacción química entre dos sustancias o más con la ayuda de calor o algún catalizador.
Tipos de resinas:
Los aglomerantes de aceite son combinaciones de aceite vegetal o animal y petroquímicos. Los aglomerantes típicos de resina sintética incluyen resinas fenólicas, de fenol-formaldehido, formaldehido de úrea, formaldehido de úrea/alcohol furfurílico, isocianato fenólico e isocianato alquídico.
Aglomerantes fenólicos alcalinos sin cocción curados con éster. Se forman con un sistema de aglomerantes de dos partes consistente de una resina fenólica alcalina soluble en agua y co-reactantes de éster líquidos. Generalmente se utiliza 1.5 a 2.0% de aglomerante respecto al peso de la arena y 20 a 25% de co-reactante respecto a la resina para revestir la arena de sílice lavada y secada en las operaciones de elaboración de machos y moldes.
Sistema poliol-isocianato (principalmente para fundiciones ferrosas, aluminio, magnesio y otras alea- ciones). Los aglomerantes no ferrosos son similares al sistema PUN que consisten de una Parte I (una resina de formaldehido fenólico disuelta en una mezcla especial de solventes), una Parte II (un isocianato polimérico de tipo MDI en solventes.
Aglomerantes para moldes de cáscara. Se utilizan resinas Novolac de formaldehido fenólico y lubricante (estereato de calcio en la cantidad de 4 a 6% del peso de la resina) como agente de entrecruzamiento.
Aglomerantes de caja caliente. Las resinas se clasifican como tipos furánico o fenólico. Las de tipo furánicocontienen alcohol furfurílico, las de tipo fenólico se basan en fenol y las de tipo furánico modificado tiene ambas. Se utilizan catalizadores tanto de cloruro como de nitrato. Los aglomerantes contienen úrea y formaldehido.
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Sistema de resinas utilizado para la fabricación de corazones Caja Fría
El sistema de resinas que se utiliza para aglomerar los granos de arena en la Fabricación de Corazones Caja Fría consta de dos partes :
Resina parte I : Se utiliza una resina fenólica formada por polímeros de fenolformaldehído disueltos en una mezcla de de solventes de hidrocarburos aromáticos. Este solvente se mezcla con la resina de forma que este se pueda diluir hasta alcanzar la viscosidad deseada. El solvente se agrega para retardar el envejecimiento de la resina.
Resina parte II : También se usa un polímero metil-di-isocianato, MDI, disuelto en un solvente líquido que es muy susceptible a reaccionar con el agua formando cristales. Tiene una viscosidad muy baja lo cual permite mezclarse con facilidad.
La cantidad de resina a utilizar depende de :1. La calidad de la arena2. La complejidad del corazón a formar3. Los aditivos usados en la mezcla 4. La resistencia deseada.
Si se aumenta el porciento:
Se incrementa la evolución de gases del corazónSe incrementa la resistencia a la tensiónSe disminuye la fluidezSe incrementa la suciedad de la caja de corazonesSe incrementa el costo de la mezclaSe humedece más la mezclaSe hace más pegajosa
RESINA PARTE I
Color ámbar
RESINAPARTE II Color café
oscuro
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Se presenta el efecto contrario de los puntos anteriores. Además de tener influencia en los corazones como:
Rompimiento al salir de la cajaRompimiento en el manejoExcesivo desgaste por superficie débilRompimiento durante el sentado en el moldeIncremento durante el sentado en el moldeIncremento en el costo de fabricación por alto desperdicioDesbalanceo de inventarios
Algunos proveedores de las resinas son las siguientes firmas:
Compañía Fordath que proporciona la resina HB-95915 para Hot Box.Compañías Delta y Borden para Cold Box.
En el 2006 y de pocos años atrás dos resinas prevalecen en el mercado, la resina Furánica y la resinaFenólica, la formulación es diferente y están relacionadas con el ambiente ecológica, la velocidad de producción y la logística de la Empresa.
Ambas resinas tienen un tiempo de vida en magazine de 45 minutos, los parámetros más importantes a controlar son :
* PH (Potencial de Hidrógeno)
* Resistencia a la tensión inmediata
* Tiempo de vida
Si se disminuye el porciento:
50
Catalizadores:
Se da el nombre de catálisis a la variación en la velocidad de una reacción química por la sola prescencia de alguna sustancia que aparece inalterada en los productos de reacción. A las sustancias que tienen esta propiedad se les da el nombre de catalizadores, y de las reacciones que se efectúan en presencia de éstos se dice que son catalíticas. La variación en la velocidad de reacción por los catalizadores puede ser positiva ( aceleración ) o negativa ( retardación ). La catálisis positiva es la más importantes y la que ha sido mejor estudiada, si bien la negativa tiene también aplicación considerable en la industria.
Escogiendo el catalizador, es posible encaminar la reacción a una finalidad predeterminada y reducir al mínimo la formación de subproductos indeseables ya que tienen un impacto determinante en la ecología, costo y velocidad de producción. Esta es una de las propiedades más importantes de los catalizadores, pues en virtud de ella se puede acelerar una reacción determinada de preferencia a otras.
En resumen, se puede decir que los catalizadores son sustancias que sirven para lo siguiente :
1.- Comenzar una reacción ( en el sentido antedicho )
2.- Acelerar o retardar la reacción
3.- Encaminar la reacción a un fin específico
4.- Reducir cuanto sea posible las reacciones colaterales y de esta manera obtener un producto de gran pureza.
En otras palabras, por medio de la catálisis se obtienen mayores rendimientos de un producto más puro en un menor tiempo de reacción.
51
Los catalizadores pueden ser :
• Inorgánicos• Orgánicos• Complejo de grupos orgánicos y haluros metálicos
Pueden estar en :
• Estado líquido• Estado sólido• Estado gaseoso
La vida media de un catalizador industrial varía de 1000 a 10 000 horas, tras las cuales debe ser sustituído o regenerado.
Los catalizadores son altamente específicos en su aplicación, son escenciales en virtualmente todas las reacciones químicas industriales, especialmente en la refinación del petróleo y la fabricación sintética de productos químicos orgánicos.
Algunos ejemplos de catalizadores son .
• Amoniaco• Ácido fosfórico• Acido sulfúrico • Agua• Trietilamina
52
Catalizadores utilizados en la fabricación de corazones:
Los catalizadores utilizados para la fabricación de corazones son en la mayoría de los casos aminas de bajo peso molecular, las cuales pueden ser .
Trietilamina o TEA
Dimetiletilamina o DMEA
Dimetilisopropilamina o DMIA
Teniendo un mayor uso la dimetiletilamina por ser el catalizador más activo y mediante el cual se obtienen corazones más resistentes .
Los proveedores autorizados para proporcionar estos productos son:
Fordath con el catalizador FC-96521 (Hot Box).Petramin S.A de C.V con el catalizador DMEA (Cold Box).
53
Características de cada una de las aminas utilizadas:
1)Trietilamina (TEA)
La trietilamina es una amina de bajo peso molecular la cual tiene una gran aplicación en la industria farmaceútica algunos de sus mas importantes son como solvente, Aditivo en pinturas, intermediario en insecticidas, como estabilizador de resinas y como aglutinante de moldeo.
Su formula química es: Formula condensada: (C2H5)3N
2) Dimetiletilamina (DMEA)
La dimetiletilamina es una amina de bajo peso molecular, la cual tiene uso importante en la industria automovilística. Otros usos potenciales son como catalizadores, agentes de curado de caja fría y para productos químicos
Su formula Química es : Formula Condensada C2 H5 (CH3) 2 N
3) Dimetilisopropilamina (DMIA)
La dimetilisopropilamina es una amina de bajo peso molecular, algunos usos importantes son como intermediario químico, como catalizador y en la fabricación de productos de hule
Su formula Química es Formula condensada: (CH3) 2CHN (CH 3 ) 2
54
Efecto de la temperatura de la arena:
Las mezclas de los procesos para fabricación de corazones son muy susceptibles, por lo que se recomienda un control sobre la temperatura de las arenas al momento de la operación de mezclado.
Para obtener los mejores resultados es muy importante mantener la temperatura de la mezcla de arena entre 21°C y 26° C
Si la temperatura es menor a 21°C se tendrán los siguientes efectos:
Reducción en la eficiencia de mezclado.
Incremento en el tiempo de mezclado.
Reducción en la fluidez de la mezcla.
Resistencias bajas.
Pegado de la mezcla a las paredes de la tolva.
Si la temperatura es superior a 26°C :
Se acorta rápidamente la vida de banco de la mezcla.
Se dificulta el soplado.
Se acorta el tiempo de mezclado.
Se reduce el ciclo de gaseo.
Cuando se tienen arenas con altas temperaturas, se recomienda reducir el tiempo de mezclado sin alterar las propiedades físicas de la mezcla.
55
Efecto de la humedad en la arena:
Para la fabricación de corazones deberá controlarse el contenido de humedad en la arena. El rango normal de operación recomendado es hasta 0.25% pero los mejores resultados se obtienen de 0 a 0.1%. Actualmente algunas compañías operan con valores hasta de 0.3% máximo.
La humedad en la arena reduce la resistencia a la tensión y acorta la vida de banco de la mezcla, como se puede observar en la figura, un contenido de 0.2% es aceptable a temperatura ambiente, pero cuando la temperatura es superior a 30°C el contenido de agua en la arena debe ser menor de 0.1%. Un rango de humedad usable es de 0 a 0.25%
El agua contenida en la arena reacciona con ciertas resinas, por lo que valores arriba de 0.25% de humedad causan los siguientes efectos:
Perdida de fluidez.
Baja resistencia a la tensión.
Baja dureza del corazón.
Baja calidad.
Alto rechazo.
Baja vida de banco.
HORAS
% DE HUMEDAD DE LA ARENA
VID
A D
E B
AN
CO
(Pèr
dida
de
30.0
% d
e re
sist
enci
a a
la
tens
iòn)
.
0.1 0.2 0.4 0.50.3
2
1
Efecto de la Húmedad en relación con el Tiempo de vida de la arena
56
El aire a altas temperaturas puede contener mas vapor de agua que a bajas temperaturas, por lo que el aire de verano tiene mas vapor que en el invierno debido al efecto de la temperatura, considerando el aire saturado.
La humedad en el medio ambiente (días lluviosos y calurosos) causará problemas y para ser eliminados es necesario secar el aire utilizado para el soplado de los corazones.
El aire libre de humedad asegura una consistente y completa reactividad entre los componentes de la resina, obteniendo como consecuencia corazones de buena calidad .
Los corazones fabricados con punto de rocío en el aire menor de 0°C presentan las mejores características físicas, todos los procesos son mejorados notablemente cuando se usa aire totalmente libre de humedad.
El agua contenida en el aire causará los siguientes problemas:
Baja resistencia a la tensión.
Baja dureza.
Baja rigidez.
Rompimiento de corazones durante su extracción y manejo.
Incremento de rechazo.
Corazones fabricados en condiciones optimas son almacenados por periodos muy largos o en un medio ambiente muy húmedo, tenderán a absorber la humedad deteriorandose presentando los efectos ya mencionados.
57
Mezclado de arena para corazones:
La operación del mezclado se realiza en un molino mezclador de distintas capacidades y tipos:
Carver (Tipo Bach).- 360-400 Kg.
Kloster (Contínuo).- 150 Kg/min
El orden de adición de los componentes es el siguiente :
+ Arena+ Aditivos (Óxido de fierro, Veinseal, Macor)+ Catalizador (Según Proceso)+ Resinas
El tiempo de mezclado es de 3.5 Minutos en promedio, variando en algunos casos debido al tipo de molinos y necesidades de producción de cada Planta..
A continuación se muestran ejemplos de mezclas típicas:
HOT BOX COLD BOX
Arena Cromita/Recuperada 50/50...Resina HB 95915............................Catalizador FC-96521.....................
400 Kg.1.87 % B.A 18% B. R.
360 Kg.1.4 % B. A 0.3% B. A.
Arena Badger 100%........................Resina Total PI y PII Delta 55/45....Aditivo Macor..................................
58
1.1.1.- Equipos periféricos
.Tolva de arena.
La tolva de arenas es una estructura metálica sellada herméticamente, para evitar que la arena se contamine de humedad o algunos contaminantes externos.
Algunas características de uso de las Tolvas de arena son las siguientes:
•· Capacidad variable.
•· Estructura variable.
• Variedad para almacenar diferentes tipos de arena
• Esta situada en la parte superior del mezanine de corazones.
• Consta de tres divisiones en su interior.
• Cuenta con tres salidas de arena ( ductos).
• En cada salida tiene una compuerta manual para ser cerrada en caso de emergencia o para dar mantenimiento a las válvulas de la báscula de pesaje
1
3
2
4
5
1
3
2
4
5
1 tolva2 ducto3 compuerta4 valvula
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Báscula de pesaje.
Para preparar la mixtura para corazones una variable de gran importancia es el peso exacto de la arena para corazones que se suministra al molino mezclador.
Si existiera una mala relación peso de arena – cantidad de resinas en la preparación de la mixtura, se tendrían los siguientes efectos:
• Alta/Baja densidad de la mixtura
• Baja fluidez
• Reacción rápida de la mixtura
• Dificultad en el soplado del corazón
• Alta/Baja resistencia a la tensión de la mixtura
Importante.El pesaje de la arena en la báscula, permite una correcta relación de carga entre la arena y las resinas, logrando una uniformidad en las propiedades de cohesión, aglutinamiento y resistencia de los corazones durante su fabricación.Una arena mal pesada o con deficiente relación peso arena – cantidad de resinas provoca alto rechazo y desperdicio de materiales en el área de corazones.
1
2
3
4
1
2
3
4
1 Ducto de entrada de arena al molino.2 Cepillo guardapolvo3 Bascula4 Manguera a la casa de bolsas con polvo
60
Depósitos calorifugados.
Son depósitos que tienen la misión de controlar las resinas de corazones en óptimas condiciones físicas antes de ser inyectadas en el molino mezclador. La Temperatura de las resinas (cuatro estaciones ), de 24° a 28° C en cualquier tiempo ( temperatura atmosférica).
Algunas características de éstos depósitos son:
• Existen dos depósitos de resinas P1 y P2 para la producción de la mixtura para corazones.
• La resina es mantenida a la temperatura correcta gracias a unas resistencias controladas por una sonda termostática y un termómetro digital, estas resistencias calientan la resinas hasta la temperatura optima para su utilización en el molino.
En la siguiente figura se aprecian los dos depósitos de resinas:
Filtro
Mirilla nivel
Mirilla nivel
Deposito Resinas 2
Deposito Resinas 1
61
Bombas de resinas.
Su función es mantener en circulación la resina de los depósitos calorifugados hacia toda la línea hasta llegar a los caudalímetros los cuales medirán la cantidad exacta de resina exacta para mezclar con la arena.
Control del flujo:
· Esta se controla por medio de una válvula de dos vías , cuando el deposito de resina a mezclar esta lleno la válvula de dos vías esta cerrada para el caudalímetro pero la válvula esta abierta para que siga circulando la resina a los depósitos calorifugados.
A continuación se describen los componentes de las bombas de resinas en la siguiente figura:
Bomba o caudalimetro
Tuberia aire
Tuberia resina
Importante.Surtir la cantidad exacta de resina al molino para mezclar con la arena para la fabricación de corazones, es una de las funciones importantes de las bombas.
62
Molino Mixturador.
El molino es una cuba cilíndrica metálica , en el interior cuenta con unas aspas para el mezclado de los componentes necesarios. Su función es mezclar la arena con las resinas y los diferentes elementos utilizados en el proceso para la fabricación de corazones y trasportar la mezcla a la maquina sopladora que la solicitó.
• Capacidad del molino : 200 Kg y 300 Kg de arena
• Compuerta : Cuenta con una compuerta en un costado para la descarga de la mezcla la cual se abre por medio de un pistón neumático.
Movimientos del Molino : El movimiento de las aspas son en sentido de las manecillas del reloj y estas son movidas por medio de un motor eléctrico (parte inferior del molino).
Movimiento de traslación: Este se desliza por medio de unas ruedas que van sobre un riel las cuales son movidas por un motor eléctrico .
El molino cuenta en sus extremos una guarda de seguridad (banda negra), que al tener contacto con algún objeto , el molino se para totalmente (se tiene que restablecer de nuevo).
A continuación veremos una foto del Molino:
Importante:
Cuando la mezcla ha sido descargada a la tolva de la máquina se activa una válvula para sopletear en el interior del molino automáticamente.
Banda de seguridad
63
Ejercicio 4“Mezclas para Corazones”
En el siguiente ejercicio, el maestro aplicará a los alumnos en forma individual lo siguiente:
EJERCICIO
A.- Complete las siguientes frases de cada oración, colocando la palabra correcta según corresponda.
1.- En la siguiente ilustración se representa una tabla del efecto de la humedad en contra del tiempo de vida útil de una mezcla de arean. Anote en los espacios en blanco los efectos negativos de la humedad en relación a las resinas de la mezcla.
2.- Si la temperatura de la arena es menor a 21°C se tendrán los siguientes efectos:
______________________________________________.
Incremento en el tiempo de mezclado.
_________________________________________.
_____________________________.
Pegado de la mezcla a las paredes de la tolva.
HORAS
% DE HUMEDAD DE LA ARENA
VID
A D
E B
AN
CO
(Pèr
dida
de
30.0
% d
e re
sist
enci
a a
la
tens
iòn)
.
0.1 0.2 0.4 0.50.3
2
1
1) _______________________________________
2) _______________________________________
3) _______________________________________
4) _______________________________________
5) _______________________________________
6) _______________________________________
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Continuación
EJERCICIO
4.- En la fabricación de corazones Caja Fría se pueden utilizar tres tipos de catalizadores: DMEA, TEA y DMIA, teniendo un mayor uso la dimetiletilamina por:
a) ______________________________________________________.
b) _______________________________________________________________________.
5.- Se da el nombre de ___________ a la variación en la velocidad de una reacción química por la sola prescencia de alguna sustancia que aparece inalterada en los productos de reacción. A las sustancias que tienen esta propiedad se les da el nombre de _____________, y de las reacciones que se efectúan en presencia de éstos se dice que son ___________________.
6.- La cantidad de resina a utilizar en combinación con la arena depende de :a) _____________________________.b) ______________________________.c) Los aditivos usados en la mezcla d) ______________________________.
7.- Las arenas de los corazones consisten de ________ de arena con pequeños porcentajes de aglomerante, se utilizan para producir las ______________ de una pieza fundida. Los corazones deben ser resistentes, duros y colapsables. Con frecuencia, los corazones deben ser retirados de una pieza fundida a través de un pequeño orificio y, por lo tanto, la arena debe __________ después de que la pieza fundida se solidifica.
8.- Los Aglomerantes de caja caliente (resinas) se clasifican como tipos ___________ y _____________.
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CUESTIONARIO
B.- Conteste correctamente el siguiente cuestionario.
1.- ¿Cuál es la función de las Bombas de resinas en la preparación de la mixtura de corazones?
2.- ¿Cómo se controla el flujo de las resinas hacia los molinos mezcladores?
3.- ¿En que afecta que la temperatura de las resinas no sea de acuerdo a lo especificado?
4.- ¿Qué sucedería si existiera una mala relación peso de arena – cantidad de resinas en la preparación de la mixtura?
5.- ¿Que movimientos realiza un Molino mixturador durante su funcionamiento?
6.- ¿De que depende una correcta homogenización de las resinas?
7.- ¿Qué efectos negativos provoca una deficiente relación de Resinas Parte I y Parte II?
8.- Relice un diagrama de flujo mostrando el funcionamiento de los equipos periféricos en las mezclas para corazones.
66
1.2.- Mezclas para moldeo
Moldeo:
Es la formación del molde de arena en verde cuya finalidad es dejar impresas las formas, contornos y cavidades de piezas a producir.
Para fabricar piezas sin defectos y de buen aspecto superficial es necesario obtener moldes con las características adecuadas.
En la elaboración de un molde intervienen diversos factores: forma y tamaño del molde, grado de precisión y acabado del modelo y, finalmente, la arena de moldeo.
Propiedades exigidas a una mezcla para moldeo :
Distribución de tamaños adecuada : para permitir la evacuación de los gases y proporcionar una superficie de pieza lo menos rugosa posible.
Plasticidad : para adaptarse al modelo y reproducir con fidelidad sus detalles.
Cohesión : suficiente para que, al desaparecer el esfuerzo necesario para obtener la imprenta del molde, conserve las dimensiones del modelo.
Tenacidad: para que el molde pueda soportar pequeñas deformaciones sin desmoronarse.
Fluidez : Para permitir el llenado y por lo tanto reproducir fielmente el contorno del modelo. Es una medida de la habilidad de dar resistencia y permeabilidad uniforme en la totalidad de las superficies del molde. Un alto contenido de finos disminuye la fluidez.
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Resistencia mecánica : Para soportar los esfuerzos a los que estará sometido el molde antes, durante y después del vaciado.
Permeabilidad : Que permita la salida de los gases presentes y/o generados durante el vaciado del metal. Si excedemos el nivel de agua en la mezcla, cuando el metal fundido es vaciado y se pone en contacto con el agua de la mezcla, se produce vapor. El vapor producido debe tener forma de salirse del moldeo de arena. También debe haber espacios vacíos para permitir la salida del vapor de agua.
Resistencia a la erosión : Que permita soportar sin deterioro el paso del metal fundido.
Colapsibilidad : Facilidad para destruirse una vez cumplida su función y después poder extraer la pieza.
Tersura : Para lograr un buen acabado en la superficie de la pieza y fidelidad en los detalles.
Poder de recuperación : La mezcla debe quedar en estado apropiado para que sea factible, con pequeñas adiciones, la recuperación de las propiedades iniciales para comenzar un nuevociclo.
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Componentes de una mezcla para moldeo. Sistema AAAALas exigencias no pueden ser cumplidas por un material único, por lo que debemos recurrir a un sistema de
varios componentes.
Entendemos por arena de moldeo al sistema formado por los cinco componentes siguientes:
Refractariedad1. La arena Permeabilidad
Reproducción de detalles
Cohesión 2. El aglomerante arcilloso
( Bentonita ) Resistencia
3. El agua Plasticidad
Evitan el ataque químico y térmico del metal4. Los aditivos carbonosos
Compensan los fenómenos de dilatación y facilitan el desmoldeo
Para convertir la mezcla de los componentes 5. El mezclado citados en un sistema homogéneo
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Componentes de la mezcla para moldeo
Además de la arena que es el principal componente de la mezcla existen otros componentes que le van a conferir a la mezcla mejores propiedades :
1.- Aglomerantes arcillososLas arcillas se pueden considerar como silicatos alumínicos hidratados. Algunas arcillas son caolinitas, montmorillonitas, ilitas, aloisita y bentonitas. La más utilizada es la bentonita. El nombre de bentonita procede de un tipo de montmorillonita altamente coloidal encontrada en Benton en Wyoming en EUA. La bentonita se utiliza como aditivo en la mezcla de arena para complementar los requerimientos de colapsibilidad, tersura y resistencia a la erosión.
La industria de la fundición distingue dos tipos diferentes de bentonita : bentonita sódica natural y bentonita cálcica natural. La bentonita sódica natural tiene una resistencia a la compresión en verde moderada y una resistencia a la compresión en seco alta. Tiene alta resistencia al calor y puede ser usada como un aglutinante de arenas para hacer moldes de mezclas de arenas capaces de sostener cualquier metal fundido.
La bentonita sódica natural tiene una mayor desventaja, su alta resistencia en seco o resistencia en caliente creará algunas veces trozos duros de arena de moldeo en el desmoldeo cuando la pieza enfriada se remueve del molde. La bentonita cálcica tiene las propiedades contrarias a la bentonita sódica.
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En la siguiente tabla se muestra un análisis típico de una bentonita
Compuesto PorcentajeSiO2 60 - 62Al2O3 21 - 23Fe2O3 3 - 4MgO 2 - 3 CaO 0.5 - 1.5Na2O 2.5 - 2.7K2O 0.4 - 0.45
La bentonita se utiliza como aditivo en la mezcla de arena para complementar los requerimientos decolapsibilidad, tersura y resistencia a la erosión.
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La primera figura muestra los granos de arcilla sin aglomerante arcilloso, y la segunda figura muestra los granos de arcilla recubiertos de aglomerante arcilloso. Podemos ver que segunda figura no tiene huecos entre granos de arena -arena ya que están rodeados de arcilla.
La bentonita además de aglomerante arcilloso, sirve para compensar los fenómenos de dilatación de la arena, ya que mientras los granos de arena se dilatan al aumentar la temperatura, la arcilla se contrae, y de esta manera no hay expansión que pueda ocasionar defectos posteriores. Para producir una mezcla para moldeo bien balanceada se necesita que durante el calentamiento la contracción de la arcilla sea igual a la expansión de la arena. Es así que las dos funciones principales del aglomerante arcilloso son :
1.- Recubrir los granos de arena
2.- Servir como amortiguador de las fuerzas de expansión
Bentonita
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La siguiente tabla nos muestra diferentes arcillas y sus propiedades :
Propiedad Caolinita Bentonita Bentonita Haloisita IlitaSódica Cálcica
Tamaño de la Cristales grandes Pequeñas Pequeñas Particulas en Cristales grandespartícula lentejuelas lentejuelas forma de bastonesRefractariedad Elevada Buena Baja Muy elevada Baja
Cohesión en verde Moderada Elevada Muy alta
Cohesión en caliente Intermedia Alta Muy baja
Aptitud de apisonado Moderada Moderada Buena
Desmoldeo Excelente Mala Buena
Dilatación Poca Elevada Débil
Resistencia a la Moderada Altacomp. en verdeResistencia a la Alta Bajacomp. en secoResistencia al calor Alta Baja
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De la bentonita sódica y la cálcica se prefiere la sódica por su alta resistencia en seco o en caliente y es la más utilizada en la industria de la fundición, aunque algunas compañías prefieren usar la combinación de las dos para obtener resultados positivos en caliente y en seco.
Los ensayos principales realizados a la bentonita son :
Capacidad de retención de agua
Finura
Humedad
Aspecto
Compresión en verde
Compresión en seco
Hinchamiento
Gelación
El Laboratorio de arenas es el encargado de realizar los ensayos mencionados para asegurar las características adecuadas de la bentonita para la mezcla correcta de la arena de moldeo-
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2.- Agua
Para lograr la plasticidad del aglutinante se requiere la cantidad justa de agua. Demasiada o poco humedad evitan que el aglutinante cubra adecuadamente los granos de arena. Demasiada humedad produce una arcilla demasiado fluida. Una arcilla así tiende a escurrirse entre las partículas y bloquear los espacios. El llamado grado de temperado es la humedad que necesita la arcilla para lograr el grado de plasticidad deseado.
3.- Aditivos carbonosos.
A pesar de las características tan adecuadamente seleccionadas de las arenas y arcillas, las propiedades de una mezcla para moldeo pueden aún no reunirse y presentar algunos problemas adicionales. En estas circunstancias el uso de algún aditivo contribuye a resolverlo o mejorar una condición específica de la mezcla.
Entre los aditivos podemos tener :
Carbón marino
El carbón marino se utiliza en casi todas las mezclas de arena en verde ya que ayuda a proporcionar un mejor acabado en las piezas fundidas. El carbón marino se utiliza como relleno inerte y se combina con el aglutinante de arcilla dandole al molde mayor resistencia.
Su nombre se originó tal vez a que en Estados Unidos recibían el carbón vía marítima proveniente de minas costeras en Inglaterra. El carbón marino es un carbón bituminoso con alto contenido de volátiles, molido a varios grados de finura por pulverización el cual es seleccionado por mallas o por clasificación de aire.
La materia volátil, el combustible, el carbón fijo el contenido de azufre, la ceniza y el contenido de carbón miden la calidad del carbón marino, además del costo y la disponibilidad de producto.
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El carbón marino se clasifica de acuerdo a su finura, existiendo en el mercado los grados A,B,C,D y E. El grado A se usa para piezas pesadas, mientras que el grado “E” se usa para acabados en detalle. Para seleccionar el carbón más adecuado se deben tomar en cuenta los siguientes factores:
La finura y distribución del grano de arena
Permeabilidad de la arena
El material aglomerante
Peso de la pieza
Area superficial de la pieza
Sistema de colada
Temperatura de vaciado
Aditivos
Carbón marino
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Teorías que soportan el uso del carbón marino :
1.- Al desprenderse la sustancia volátil forma una capa protectora de gas que impide el contacto directo del metal con el molde, impidiendo la fusión y adherencia de la arena a las piezas, mejorando el acabado y facilitando la operación de la limpieza.
2.- Con la temperatura el carbón se coquiza recubriendo los granos de arenas, evitando su adherencia a la pieza y mejorando su acabado.
3.- Forma una capa de gas reductor que evita la oxidación del hierro, lo que haría bajar el punto de fusión de la arena con los consecuentes problemas derivados de esto.
Por consecuencia determinamos lo siguiente:
Excesiva cantidad de carbón marino en la mezcla de moldeo provocaría:
a) Acumulamiento masivo de gases en el molde lo que provocaría exceso de impurezas en la arena de moldeo.
b) Defectos superficiales como costra en la pieza vaciada.
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Otros Aditivos
Cereal
Son derivados del maíz como el mogúl y la dextrina que se usa como estabilizador de la humedad, ayuda a evitar los defectos por expansión , es decir se usa como amortiguador. El cereal también da colapsibilidad a la arena.
Harina de madera
Se designa con este nombre al aserrín de madera que ha sido molido a menos de 200 mallas. Su uso principal esta en la reducción de los problemas por expansión de las arenas, aumentando la colapsibilidad y facilitando el desmoldeo.
Harina de silice
Es un material de igual composición a la arena silice pero de una finura de 200 mallas, cuyo fin es tapar los poros en el molde para lograr una acabado terso. Debe cuidarse su uso ya que baja el punto de fusión de lasilice, disminuyendo su refractariedad y permeabilidad.
Oxido de hierro
Es un metal pulverizado de mineral de hierro ( hematita ) que contiene del 58 al 60 % de óxido de hierro. Su uso permite que baje el punto de fusión de la arena para de esta manera formar una capa protectora que impida la penetración del metal en la arena, mejorando el acabado de las piezas.
Brea
Le proporciona a la arena mayor plasticidad para compensar la contracción durante la solidificación
Dextrina
Es un estabilizador para la humedad contenida en la mezcla y proporciona una adhesión adicional.
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Mezcla de arena en verde :
El término en verde no se refiere al color sino significa que la mezcla todavía esta húmeda, los componentes de una arena en verde son :
Material base : Arena silica
Aglomerante arcilloso : Bentonita
Aditivo : Carbón marino
Plastificante : Agua
La operación de mezclado se realiza en un molino mezclador o mixturador . El método de moldeo en verde es y ha sido por siempre el más utilizado para piezas desde pequeñas hasta medianas de todos los metales. El proceso utiliza un molde compactado hecho de una arena húmeda. Algunas características del moldeo en verde son :
Aplicable a un amplio rango de peso de piezas
Aplicable a metales ferrosos y no ferrosos
Posibilidad de moldeo manual mecanizado y automatizado
Arena recuperable en cada ciclo
Compactable a alta y baja presión
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Las pruebas realizadas a la arena son y los rangos de trabajo de la arena son :
Permeabilidad 150- 180 Cm3/aireCompactabilidad 30 - 35 %Resistencia 20 - 23 PsiHumedad 2.4 - 2.8 %Arcilla 5.8 - 6.0 %
La compactabilidad de una arena es un factor importante para tener un buen molde. Al hacer la compactación reducimos los espacios vacíos y al reducir los espacios vacíos la permeabilidad de la mezcla de arena también será reducida, al tener mayor compactabilidad también tendremos mayor resistencia, ya que la mezcla será más fuerte entre más juntos estén unos granos de otros.
Prueba de compactabilidad Molde de arena en verde
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El Probador de Compactibilidad recoge una muestra de arena en la descarga del mezclador de arena de moldeo y realiza la prueba de compactibilidad por compresión estándar. Más adelante estudiaremos a fondo las diferentes pruebas realizadas a las arenas.
1
3
4
5
6
2
1.- Cangilón para muestra de arena.2.- Criba con agitador para tamizar la muestra3.- Cilindro metálico de 2” de diámetro4.- Cabezal para determinar la resistencia a la compresión5.- Cabezal para determinar compactabilidad y humedad6.- Paleta limpia cabezal
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Correlación entre las características de la arena y los defectos de las piezas fundidas
FINURA HUMEDAD PERMEABILIDAD RESISTENCIA FLUIDEZ DUREZA
EN VERDE
SOPLADURAS EXCESIVA ALTA BAJA ALTA ALTA
DESPRENDIMIENTOS INADECUADA BAJA BAJA BAJA
GRIETAS EN CALIENTE EXCESIVA ALTA ALTA
POROSIDADES ALTA ALTA ALTA BAJA
DARTAS EXCESIVA ALTA BAJA BAJA ALTA ALTA
COLAS DE RATA INADECUADA ALTA DESUNIFORME
EROSION INADECUADA BAJA BAJAMALA
RUGOSIDAD DISTRIBUCION ALTA ALTA BAJA BAJA BAJAMALA
PENETRACION DISTRIBUCION ALTA BAJA BAJA
VETEADO ALTA BAJA
ADHERENCIA ALTA ALTA BAJA
DESMOLDEO DIFICIL EXCESIVA ALTA BAJA ALTA ALTA
CARACTERIS TICAS DE LA ARENA
DEFECTOS
En la siguinte tabla se muestran los principales defectos de piezas fundidas y su relación con las características de la arena de moldeo.
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Ejercicio 5“Mezclas para moldeo”
En el siguiente ejercicio, el maestro aplicará a los alumnos en forma individual lo siguiente:
EJERCICIO
A.- Complemente lo siguiente en base a lo aprendido en la lección anterior.
1.- Propiedades exigidas a una mezcla para moldeo :
Distribución de tamaños adecuada :
___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________.
Plasticidad : _______________________________________________________________________.
Cohesión :
___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________.
Tenacidad: _______________________________________________________________________.
Fluidez :
____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________.
Colapsibilidad: ____________________________________________________________________.
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Continuación
2.- Para lograr la plasticidad del aglutinante se requiere la cantidad justa de _______. Demasiada o poco humedad evitan que el aglutinante cubra adecuadamente los granos de arena. Demasiada humedad produce una arcilla __________________. Una arcilla así tiende a escurrirse entre las partículas y bloquear los espacios. El llamado grado de temperado es ______________ que necesita la arcilla para lograr el grado de plasticidad deseado.
3.- La _________________ de una arena es un factor importante para tener un buen molde. Al hacer la compactación reducimos los espacios vacíos y al reducir los espacios vacíos la permeabilidad de la mezcla de arena también será reducida, al tener mayor compactabilidad también tendremos mayor _______________, ya que la mezcla será más fuerte entre más juntos estén unos granos de otros.
4.- Para seleccionar el carbón marino más adecuado en la preparación de una mezcla de moldeo se deben tomar en cuenta los siguientes factores:
La finura y _______________________________.
_____________________________________.
El material aglomerante
El Peso de la _______.
El Área superficial de la pieza
Sistema de colada
______________ de vaciado.
Los Aditivos
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Continuación
5.- El término en verde no se refiere al color de la arena, sino significa que la mezcla todavía esta húmeda, los componentes de una arena en verde son :
a) Material base : ___________________
b) Aglomerante arcilloso : ____________
c) Aditivo : _________________
d) Plastificante : _____________
6.- La bentonita además de aglomerante arcilloso, sirve para compensar los fenómenos de __________ de la arena, ya que mientras los granos de arena se dilatan al aumentar la temperatura, la arcilla se contrae, y de esta manera no hay expansión que pueda ocasionar defectos posteriores. Para producir una mezcla para moldeo bien balanceada se necesita que durante el calentamiento la contracción de la arcilla sea igual a la expansión de la arena. Es así que las dos funciones principales del aglomerante arcilloso son :
a) ________________________________.
b) ___________________________________________________.
7.- Una excesiva cantidad de carbón marino en la mezcla de moldeo provocaría:
a) _________________________________ en el molde lo que provocaría exceso de impurezas en la arena de moldeo.
b) Defectos superficiales como _________ en la pieza vaciada.
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VISITA A PLANTAS DE FUNDICIÓN
Area de corazones y moldeo
Al término de ésta Unidad se programará una serie de visitas a las diferentes Planta de Fundición como son: CIFUNSA 2, 3 y 4, CASTECH y TECHNOCAST, para darle a conocer al alumno en forma real los diferentes procesos de fabricación de corazones y los sistemas de arenas de la plantas.
Es importante mencionar algunos puntos importantes para efectuar tales visitas:
1. Contactar a personal de Plantas para autorizar visitas.
2. Cuidar la seguridad del personal, solicitando un guía por parte del personal de Planta y dotar de equipo de protección personal a los alumnos.
3. El tiempo de duración de dichas vistas deberá ajustarse según requerimientos y facilidades de lso empresas involucradas.
Además de lo anterior se solicita a la Institución “Tecnológico Juan Bosco” contar con la siguiente lista de materiales para el apoyo visual a los alumnos:
1) Diferentes muestras de arena para fundición (Silicas, cromita, zirconio, etc)
2) Muestras de aditivos en secos como son: Carbón marino, Oxidos de Hierro Rojo y Negro, Oxidos de Titanio y Hierro (Macor , Veinseal), muestras de pinturas refractarias. Refuerzos, etc.
3) Muestras de resinas y aglomerantes arcillosos (bentonitas).
4) Cribas de diferentes mallas (para laboratorio de arenas)
5) Muestras de chaplets, pijas, ferrotubos (enfriadores), molde para prueba de tensión, separadores.
6) Muestras de boquillas de soplado, botadores, orrings, capuchones, etc.
7) Muestras de diferentes corazones de los diferentes procesos de fabricación.
8) Equipos de laboratorio de arenas como son: Balanza analítica, permeámetro, máquina para resistencia (universal), Rot Tap para análisis granulométrico, mufla, phmetro, Máquina para prueba de compactabilidad, etc.
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OBJETIVO DE LA VISITA
Area de corazones y moldeo
A continuación se enlistan las partes importantes del área en que debe consistir la visita programada al área de corazones.
1. Laboratorio de arenas.
a).- Conocer equipos para realizar las diferentes pruebas de laboratorio
b).- Observar las prácticas que se realizan en el laboratorio.
2. Molinos mezcladores de corazones y moldeo.
a).- Conocer los equipos periféricos para la preparación de arenas
b).- Observar las prácticas que se realizan en el área.
c).- Conocer los materiales involucrados en la mpreparación de arenas de corazones y molddeo.
d).- Conocer el ambiente que se vive dentro del área.
Al término de la visita se encargará a los alumnos, un reporte para la siguiente sesión de clases sobre los puntos observados en el área y si existen comentarios, cuestionamientos sobre la visita.
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UNIDAD 3
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1.- Equipo utilizado.
Una de las condiciones importantes en el transporte y suministro de la arena para la preparación de arena en verde es el equipo utilizado para asegurar una correcta mezcla de los componentes.Cada una de las operaciones realizadas requieren de un control de parámetros, condiciones y requerimientos específicos, los cuales garantizan las condiciones de calidad requeridas para la preparación de moldes de excelente calidad.El sistema de arenas se compone de dos etapas que son:
1.- Suministro de arena para la preparación en el molino mezclador.2.- Manejo y suministro de la arena para su recuperación.
Para la operación del sistema de arenas de moldeo, se deben tomar en cuenta los siguientes factores: el sistema debe de funcionar dentro de los parámetros de control establecidos como:
- Temperatura de la arena recuperada
- Arena libre de impurezas (partículas metálicas,grumos,basura, etcpartículas metálicas,grumos,basura, etc.)
- Cantidad de arena en verde preparada(180 ton/hr).
- Propiedades de la arena en verde preparada (Compactabilidad, Humedad, Resistencia en verde,Permeabilidad,% de arcilla,etc)
A continuación estudiaremos los equipos necesarios para el manejo y suministro de arenas en un sistema de moldeo.
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1.1.- Transporte de arena.
Una de las condiciones importantes en el transporte y suministro de la arena de moldeo, es el movimiento constante que ésta debe de tener debido a que un almacenamiento prolongado y sin movimiento nos provocaría problemas de EMBANCAMIENTO de la arena, es decir una reacción de endurecimiento de los granos con los demás componentes del sistema (principalmente con el aglutinante Bentonita). Para controlar ésta variable se cuenta con una serie de dispositivos llamados Fluidizadores, los cuales tienen la función de inyectar una presión de aire hacia el interior de las tolvas de almacenamiento de arena, para lograr pasar la presión de aire y llevar a cabo una vibración que le ayudará a la arena a tener movimiento evitando lo mencionado anteriormente.
El sistema de bandas transportadoras está compuesto por una serie de mecanismos eléctricos y mecánicos, los cuales a través de bandas de neopreno soportadas por rodillos llevan a cabo la transportación de la arena de moldeo a través de las distintas etapas del proceso de transformación del sistema de arenas. La principal función es el abastecimiento continuo desde el recibo de la arena de retorno, la adición de arena nueva al sistema , la preparación de la mezcla de arena con los aditivos utilizados (bentonita, carbón marino y agua), el proceso de tratamiento de la arena de retorno y el suministro final al área de preparaciónde moldes.
Banda transportadora de arena
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1.2.- Molinos mezcladores.
Función del molino:
Realizar una perfecta mezcla de los componentes de la arena, logrando una homogeneidad total que nos permita garantizar las características finales del molde.
La operación de mezclado se realiza en un molino mezclador Simpson “High Speed Mullor B & P” el cual prepara la arena por lote. Está dividido en dos etapas, la etapa de recibo de arena y aditivos en la cual se lleva a cabo la operación de mezclado y la etapa de descarga de la arena mezclada. Los materiales de mezclado son arena sílica, bentonita, carbón marino y agua.
Algunas características del moldeo en verde son :
4 Aplicable a un amplio rango de peso de piezas
4 Aplicable a metales ferrosos y no ferrosos
4 Posibilidad de moldeo manual, mecanizado y AUTOMATIZADO
4 Arena recuperable en cada ciclo
4 Compactable a alta y baja presión con excelente reproducibilidad
Los principales parámetros de control son los siguientes:
4 Medición de materiales
4 Tiempo de mezclado
4 Presión,Cantidad y Calidad de Agua
4 Velocidad de adición de aditivos
4 Cantidad de aditivos
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Componentes del Molino Mezclador
Vista interior MolinoCompuerta de acceso al molino
4
Cuba de mezclado
Ducto de Extracción Medidor Hartley
Compuerta de descarga
Switch ON / OF de Medidor Hartley
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Aparato para medición de agua (Fluxometro)
El aparato para medir la cantidad de agua que será agregada al molino para el mixturado es un vaso cilíndrico graduado de cristal en su inferior hay un indicador que marca la cantidad de agua agregada al sistema.
El vaso graduado esta conectado a la tubería de agua, se cuenta con una llave que al abrir o cerrar nos mide la cantidad de agua agregada.
El agua agregada en cada mixturador varia normalmente de 4 a 12 gpm. Dependiendo de:
Si la arena preparada esta saliendo seca.
Si la arena entro muy caliente al molino
Si la compactabilidad es baja
Si existen trabajando todos los sistemas de moldeo
Si existen muchos finos en el sistema
Si la arena lleva muchos aditivos (cantidad)
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1.3.- Almacenamiento de la arena.
Otro factor importante para el uso y preparación de la arena para moldeo es su correcto almacenamiento. Para asegurar un almacenamiento seguro de la arena de moldeo, se deben tomar en cuenta los siguientes puntos:
1. La arena de moldeo debe estar en un lugar libre de humedad y materiales contaminantes que tengan efectos negativos en las propiedades requeridas de la arena, (principalmente la resistencia y la Compactabilidad).
2. Condiciones del medio ambiente para asegurar las mejores características de la arena.
3. Mantener un nivel de arena en las tolvas adecuado para garantizar el suministro hacia las diferentes máquinas de moldeo. (mínimo 3/4 de su capacidad de acuerdo a la capacidad instalada de cada sistema de arenas de cada Industria).
4. Temperatura de la arena de moldeo dentro de especificación. (la temperatura de la arena influye directamente en el comportamiento de sus propiedades físicas).
Tolvas de almacenamiento
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1.4.- Uso de la arena en la máquina de moldeo.
La finalidad del sistema de arenas es garantizar un adecuado suministro de arena hacia las máquinas de Moldeo, de fabricación de moldes de arena en verde. Además de la cantidad de arena requerida, la calidad de la arena juega un papel importante para mantener las líneas de moldeo trabajando con los estándares de calidad que garanticen un molde de buenas condiciones físicas.
Por esto es importante mencionar los siguientes factores de control de la arena al llegar a la máquina de moldeo:
1. El grado de compactabilidad deseado dependiendo del tipo de pieza que se vaya a moldear.
2. La resistencia a la compresión adecuada para que durante la compactación de la arena los granos soporten las deformaciones a causa de la fuerza mecánica aplicada.
3. La humedad dentro de especificación para lograr el grado de plasticidad deseado.
4. La arcilla activa dentro de especificación para lograr buenas condiciones de dureza y resistencia mecánica del molde. Máquina de moldeo
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Ejercicio 6“Equipo utilizado en Sistemas de moldeo”
A continuación se aplicará el siguiente cuestionario a los alumnos, dandoles un tiempo aproximado de 10 minutos para elaborar las respuestas.
CUESTIONARIO
Responda en forma breve las siguientes preguntas:
1.- Mencione las dos etapas en que se divide un Sistema de Arena de moldeo.
2.- Mencione la función básica del molino.
3.- ¿Por qué es importante el movimiento constante de la arena durante su transporte en el proceso?
4.- Mencione cuales son algunas de las principales características del moldeo en verde.
5.- Mencione que parámetros en la arena son afectados por una alta humedad de la arena en su almacenamiento.
6.- ¿Cuál es la finalidad básica de un Sistema de arenas?
7.- Mencione que factores de control se deben de asegurar a la arena durante el mezclado en el molino.
Material Rquerido: 1.- Copias del cuestionario.
2.- Hoja para respuestas.
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Ejercicio 7“Identificación de equipos”
A continuación se muestran los principales equipos utilizados en el Sistema de arenas, identifique lo que se le solicite:
Nombre del componente:
______________
Nombre del componente: ______________________
4
Nombre del componente:
__________________________
Nombre del equipo: _______________________________________
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Continuación
Nombre del equipo: __________________________
Nombre del equipo: _______________________
Nombre del equipo: __________________________
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2. - Recuperación de arena
Una de las características de la arena de moldeo, es su facilidad de retorno (recuperación), después de haber dado la forma a un molde.El objetivo del retorno de la arena es que con pequeñas cantidades de aditivos y siguiendo un proceso de cribado y separación por tamaños de grano, ésta que de en condiciones de volver a ser moldeada con las características de calidad adecuadas y sin afectar las especificaciones de proceso requeridas para la formación de moldes.En el siguiente esquema se representan las etapas en la recuperación de la arena de moldeo.
Recibo yalmacenamiento
de la arena
Fabricación delmolde
Preparación en el molino
Desmoldeo dela pieza
RETORNO DE LA ARENA
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Equipo utilizado para el sistema de retorno de una arena :
1. Didión
2. Sistema de enfriamiento por agua
3. Aereador
4. Sistema de enfriamiento por aire (Multi-cooler, Verti-cooler)
5. Mecanismos de arados
6. Colector de polvos húmedos
7. Aparato para medición de agua (Fluxometro
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2.1.- Didión.
Para darle tratamiento a las arenas existen diferentes equipos muy sofisticados, tanto para manejar arenas nuevas como para darle tratamiento a las arenas de retorno.
Uno de los equipos utilizados por las industrias es el didion, el cual es fácil de instalar, barato, silencioso, eficiente y rentable. Puede servir como reclamador, triturador rotatorio de grumos de arenas. Este equipo se encarga de triturar, lavar y clasificar grandes grumos de arena de moldeo en arena de tamaños reusables y al mismo tiempo automáticamente descarga mediante una trampa el metal y parte metálicas de desmoldeo todo en un simple paso. Mediante la adición opcional de un quemador de chorro variable, se puede reclamar al exterior la arena húmeda y bombearla.
Quemador de chorro variable
Colector de polvos / clasificador de aire
Entrada
Descarga
De arena
Trampa para
Descarga de metal
Recirculacion
Esquema de un Didión
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El didion es un tambor cilíndrico giratorio de placa localizando uno al nivel del piso y otros están en este sótano. Este tambor esta sobre dos ruedas que mediante un motor hace que gire dando movimientos giratorios al tambor, el Didion tiene un ángulo de inclinación para facilitar la salida de las piezas. El interior esta protegido por lainas.
La función es separar las piezas metálicas y la arena, esto se logra por medio de unos lainers en forma de espiral que al girar el Didion van moviendo las piezas a un extremo y al mismo tiempo van desprendiendo la arena que tiene adherencia, esta cae en uno de los orificios dentro del didion donde se encuentra otro espiral solo que en sentido contrario al primero lo cual logra que la arena vaya hacia el otro extremo de este modo la arena se descarga por un extremo en una banda de retorno y las piezas por el otro extremo son descargadas en contenedores. La siguiente figura representa un didion convencional.
Didión
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Funciones específicas del didion :
1. Desterronar completamente la arena
2. Separar magnéticamente si es posible las rebabas de hierro
3. Separar por cribado cualquier otra impureza
4. Enfriar la arena si es posible
5. Regenerar la mezcla con arena nueva para conservar la granulometria y distribución
Separador magnético
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2.2.- Sistema de enfriamiento por agua.
Después de solidificar el metal en el molde de arena se desmoldea la pieza vaciada, la arena de moldeo absorbe la temperatura transmitida por efecto del metal líquido. Una de las prácticas fundamentales para el proceso de retorno de arena es el enfriamiento de ésta para lograr una temperatura de la arena que garantice las mejores propiedades físicas y mecánicas antes de volver a agregar los aditivos necesarios (generalmente <35ºC).
Para lograr ésta condición de la arena, se utiliza un sistema de enfriamiento por medio de un dispositivo de presión de agua, después de que la arena pasó por el Didion.
Por medio de éste mecanismo se asegura el enfriamiento de la arena antes de pasar a un sistema de cribado.
Caseta de humectación. Sistema de espreado de agua.
104
2.3.- Aereador.
El aereador es un gabinete en su interior tiene dos rodillos que giran mediante un motor provisto por banda, por el aereador pasa la banda transportando la arena humectada con agua, el primer rodillo que esta en contacto con la arena tienen una lainas gruesas en toda la superficie del rodillo que sirven para desmoronar terrones y/o revolver la arena aglomerada.
El segundo rodillo que también esta en contacto con las arenas tiene en la superficie lainas mas delgadas que sirven para distribuir la arena en todo lo ancho de la banda .
El aereador esta sincronizado con la banda que transporta la arena, es decir cuando inicia el movimiento la banda automáticamente el aereador funciona.
Aereador
105
2.4.- Sistema de enfriamiento por aire (Multi-cooler, Verti-cooler).
La sección de mezcla y suspensión de la cama de arena para su enfriamiento, se lleva a cabo mediante la recepción de arena caliente proveniente del didion, la cual es previamente pre-enfriada con agua y revuelta por un aereador antes de llegar a las tolvas del Sistema de enfriamiento por aire. Los arados son los que distribuyen uniformemente la caída de arena a las tolvas del Sistema de enfriamiento por aire. Dentro de la cámara del Sistema se encuentra una serie de tubos perforados por los cuales está entrando aire proveniente de un ventilador el cual suministra un cierto volumen y presión de aire controlado automáticamente dependiendo de la cantidad de arena que le está llegando al Sistema de enfriamiento para mantener suspendida la arena y de esta manera enfriarla y reducirle su % de humedad a las especificaciones requeridas que varían de acuerdo al sistema de arenas de cada Industria. Para darnos cuenta de lo anterior mostramos un ejemplo típico de el control de éstos parámetros:
< 45ºC de temperatura de salida de la arena del Verticooler y
De 0.8 a 1.2 % de Humedad.
Este control se hace automáticamente mediante el PLC ubicado en el tablero de control del Sistema de enfriamiento y que podemos visualizar continuamente los resultados en la pantalla del Panel de control del equipo y corroborar con las pruebas del Laboratorio.
En la siguiente dipositiva mostramos un Sistema de enfriamiento por aire (Verti-cooler).
106
Recibo de arena caliente.
Ventilador.
Fluidizado.
Descarga.
Sistema de enfriamiento por aire
(Verticooler)
107
2.5.- Mecanismo de arados.
Los mecanismos de arado tienen la forma de triángulo, cada mecanismo tiene 2 triángulos abarcando totalmente el ancho de la banda.
EL material de los arados es de acero estructural y en parte inferior del arado tiene grapado hule vulcanizado para evitar el desgaste del arado.
El arado sube y baja cuando es requerido mediante un pistón neumático, la función de los arados es desviar la arena en verde a las tolvas instaladas en las maquinas de moldeo cuando sea necesario en forma manual o automática.
Otra función importante es que cuando por algún motivo de calidad, la arena se tiene que desviar para impedir que pase a la tolva de la máquina de moldeo es realizado por un arado y puede ser en automático o manual.
Pistón neumático.
Arado
108
2.6.- Colectores de polvos.
El colector de polvos es un gabinete que en uno de sus extremos tienen un motor con bandas que dan movimiento a una tubería generando una corriente de aire afuera del sistema, logrando una absorción de los finos generados durante el manejo y retorno de la arena en verde, que son arrastrados a este gabinete mediante ductos metálicos de diferente diámetro y separados mediante filtros y colectados en tolvas para su adecuada disposición.
Los ductos están localizados en partes donde se originan levantamientos de partículas finas:
Ejemplo:
- Cuando la arena cae a otra banda
- Cuando la arena cae al elevador de cangilones
Los finos se depositan en un contenedor especial de donde finalmente son retirados.
- Cuando la arena esta siendo cribada
- Cuando la arena cae al Didion
Ducto metálicoGabineteTurbinas de extracción
Colector de polvos Colección de polvos en Molino
109
2.7.- Aparato para medición de agua (Fluxómetro).
El aparato para medir la cantidad de agua que será agregada al molino para el mixturado es un vaso cilíndrico graduado de cristal en su inferior hay un indicador que marca la cantidad de agua agregada al sistema.
El agua agregada en cada mixturador varia normalmente de 4 a 12 gpm. Dependiendo de:
-Si la arena preparada esta saliendo seca.
-Si la arena entró muy caliente al molino
-Si la compactabilidad es baja
-Si existen trabajando todos los sistemas de moldeo
-Si existen muchos finos en el sistema
-Si la arena lleva muchos aditivos (cantidad)
110
Ejercicio 8“Recuperación de arena”
En el siguiente ejercicio, el maestro aplicará a los alumnos en forma individual lo siguiente:
EJERCICIO
A.- Complete las siguientes frases de cada oración, colocando la palabra correcta según corresponda.
1.- El aereador es un gabinete en su interior tiene dos rodillos que giran mediante un motor provisto por banda, por el aereador pasa la banda transportando la arena humectada con agua, el primer rodillo que esta en contacto con la arena tienen una lainas gruesas en toda la superficie del rodillo.
Funciones del aereador:
a) ______________________________________.
b) ______________________________________.
2.- Los ductos de colector de polvos están localizados en partes donde se originan levantamientos de partículas finas:
Ejemplo:
- ______________________________
- ___________________________________________
Turbinas de extracción
Colector de polvos
111
UNIDAD 4
112
1. – Sugerencias para el control de las arenas
Un programa completo de arenas no es lago sencillo. Esto debe considerar:
Pruebas y control de los insumos; pruebas y control en la estación de mezclado y control de la calidad del moldeo, entre otras cosas.
Un programa debe de considerar los siguientes factores:
• Pruebas de laboratorio de las materias primas (arena, aglutinantes, aditivos, etc..)
• Pruebas de laboratorio de las arenas de sistema y de careo
• Adición automática de todos los ingredientes en le mezclador
• Prepara la arena a un valor constante de compatibilidad
• Pruebas automatizadas en la estación de mezclado
• Adición automática de la bentonita controlada a un valor constante de resistencia
• Temperatura controlada automáticamente a menos de 50 C.
• Humedad de la arena de retorno controlada a 0.5 - 1.0 % debajo de la deseada.
113
Algunas sugerencias y consideraciones que se pueden hacer para esto son:
a) Todos los materiales deben ser comprobados bajo especificaciones
b) Debe evaluarse sin dichos materiales reúnen las especificaciones
c) Debe mantenerse informado al proveedor sobre los resultados obtenidos
d) Debe recordarse que la arena de sistema contiene a lo más 70% de sílice, el resto es arcilla y sílice recubierta de arcilla fundida. Debe mantenerse el % de sílice arriba de 60% . Para ello debe agregarse en cada ciclo sílice nueva.
e) En la área pura es más conveniente tener:
* Una distribución de 3 mallas
* Grano redondo
* Recordar que a más fino el grano, menor permeabilidad
* 96 a 99% de SiO2 en la arena
* Evitar impurezas
f) Emplear peso o volumen exacto en todos los ingredientes
g) En la adición de agua, considerar los requerimientos de todos los ingredientes presentes.}
h) En su caso , agregar el agua adicional para enfriamiento
i) Enfriar la arena debajo de 50 C
114
j) Mantener la arena húmeda durante el enfriamiento par evitar pérdidas de finos y/o aditivos.
K) Durante el mezclado
* Evitar bolas de arcilla
* Aerear la arena
* Evitar insuficientes o excesivos trabajo de molienda
l) Evitar contaminantes en el área.
m) Mantenga el equipo de laboratorio debidamente calibrado
n) Registrar todos los datos de propiedades de la arena junto con su registro detallado de la calidad de las piezas
o) Se debe recordar que además de las pruebas que se hagan a la arena, deben hacerse prueba al molde.
p) Siempre que sea posible implemente sistemas automáticos de medición en el proceso.
115
2. – Pruebas de laboratorio
La finalidad del uso del laboratorio de arenas es la de controlar todos los procedimientos del sistema de arenas, llevando a cabo una serie de registros del comportamiento de los materiales utilizados, así como la frecuencia del muestreo requerido para garantizar los resultados finales principalmente en cuanto a las propiedades exigidas a la arena de moldeo.
Lo anterior hace patente la necesidad de lograr la mejor combinación de propiedades y mantenerla. Esto constituye el control de arenas de moldeo y la mejor herramienta de éste son los ensayos de arenas, que permiten conocer la condición que tiene cada mezcla antes de ser utilizada en la fabricación de moldes.
Ensayos deconstitución
Ensayos decaracterísticas
Ensayos depropiedades
1.-Determinación delcontenido dehumedad.
2.-Determinación delcontenido dearcilla
a.- Arcilla A.F.S. b.-Arcilla activa.3.-Determinación del
contenido demateriales volátiles
1.- Indice de finura.2.- Distribución.3.- Formas de grano.4.- Densidad.
1.- Permeabilidad.2.- Resistencia a la
comprensión.3.- Resistencia al
corte.4.- Compactabilidad.5.- Fluidez.6.- Moldeabilidad.7.- Dureza.8.- Indice de Shatter.9.- Puntos de fusión.10.- Estructura de
grano.11.- Demanda de ácido
116
2.1.- Determinación del índice de finura o grado AFS
Objetivo
La finura de una arena para fundición se determina por el tamaño y distribución de sus partículas ya que esto afecta sus propiedades físicas como resistencia, permeabilidad, etc.
Equipo y herramienta
Balanza electrónica, juego de mallas, Ro-Tap, brocha de pelos
Instrucción1.- Pesar 100 gr de arena
2.- Colocar la muestra en la primer malla, la de abertura más grande, las mallas utilizadas son 20,30,40,50, 70,100,140,200,270 y -270 ( Fondo )
3.- Ensamblar las mallas de mayor abertura hasta la menor abertura y colocarlas en el Rot - Tap durante 15 minutos
4.- Pesar el contenido de cada malla para obtener el % retenido y sumar los porcientos retenidos retenido en las mallas
5.- Multiplicar el porciento retenido en cada malla por el factor, obteniéndose un producto total
Cálculo del grado finura
No. De finura = Suma de los productos / Suma de los porcientos
Equipo Rot Tap
117
Ejemplo de un análisis granulométrico
TIPO DE ARENA : RECUPERADAANALISTA :
FACTOR GRAMOS % MALLA
20 0.08 0.08 10 0.830 2.15 2.15 20 4340 10.3 10.3 30 30950 25.84 25.85 40 103470 31.5 31.51 50 1575.5
100 23.16 23.17 70 1621.9140 6.22 6.22 100 622200 0.68 0.68 140 95.2270 0.04 0.04 200 8
FONDO 0 0 300 0TOTAL 99.97 100 960 5309.4
RETENIDOGRANULOMETRIA
PRODUCTONo. DE MALLA
% = Producto =Porciento de finos = % Malla 140 + % malla 200 + % malla 270Porciento de finos = 6.94%Indice de finura = Suma de productos / 100Indice de finura = 53.094 afs
Gramos *100 / total de gramos% Retenido * factor malla
118
0
5
10
15
20
25
30
35
% RETENIDO
20 40 70 140 270
MALLAS
GRAFICA DE DISTRIBUCION
Parámetros adicionales
Arcilla = 0.08 %
Demanda de acido = 5.2 c
Arena de redonda = 100.00 %
Humedad = 0.06 %
Ph = 7.68
119
Ejercicio
% Retenido = gramos * 100 / suma de gramosProducto = % retenido * factor mallaPorciento de finos = % malla 140 + % malla 200 + % malla 270Porciento de finos =Indice de finura =
Determine el índice de finura del siguiente ejemplo, así como el porcentaje de finos de acuerdo a los siguientes valores dados en el ejemplo: (utilice una calculadora para efectuar las operaciones)
TIPO DE ARENA : RECUPERADAANALISTA :
No. FACTORMALLA GRAMOS % MALLA
20 0.07 1030 2.25 2040 10.1 3050 25.70 4070 30.5 50
100 23.25 70140 6.32 100200 0.57 140270 0.02 200
FONDO 0 300TOTAL
GRANULOMETRIARETENIDO PRODUCTO
120
0.00
5.00
10.00
15.00
20.00
25.00
30.00
35.00
% RETENIDO
20 30 40 50 70 100
140
200
270
FOND
O
MALLAS
GRAFICA DE DISTRIBUCION
Parámetros adicionales
Arcilla = 0.18 %
Demanda de ácido = 1.7 c
Arena de redonda = 90 %
Humedad = 0.18 %
Ph = 7.6
121
Grafica de distribución
70
60
50
40
30
20
10
020 30 40 50 70 100 140 200 270 270
MALLAS
% R
ETEN
IDO
Parametros adicionales
Arcilla = 0.18 %
Demanda de ácido = 1.7 c
Arena de redonda = 90 %
Humedad = 0.18 %
Ph = 7.6
122
2.2.- Determinación de la Friabilidad
Objetivo
Esta prueba se basa en la capacidad que tiene la arena para desmoronarse al ser friccionados los dos especímenes
Equipo y herramienta
Balanza, apisonador, Probador de friabilidad y moldabilidad
Instrucción
1.- Hacer dos especímenes de arenas de moldeo de 2”x2” y pesarlos
2.- Pesar los dos especímenes de arena antes de colocarlos en las mallas
3.- Colocarlos lado con lado dentro de la malla del probador de friabilidad
4.- Colocar un recipiente bajo la malla para recibir la arena
5.- Girar la malla durante un minuto
6.- Pesar la arena desprendida de los especímenes
Cálculos
% de friabilidad = Peso de la arena en el recipiente / Peso de los especímenes
Se multiplica por 100.
Probador de friabilidad
123
2.3.- Determinación de la densidad de fluidos
Objetivo
Este procedimiento cubre solamente la determinación de la densidad en gr/cc en fluidos y es aplicable a catalizadores, resinas, aceites, aminas, pinturas
Equipo y herramienta
Picnómetro, Balanza analítica
Instrucción
1.- Pesar el picnómetro vacío y limpio con tapa y registrar el peso
2.- Llenar el picnómetro de muestra hasta su máximo nivel
3.- Poner la tapa para asegurar un volumen constante y limpiar el exceso de material
4.- Pesar de nuevo el picnómetro con la muestra y registrar el peso
Cálculos para determinar la densidad
Densidad = Peso del picnómetro con muestra - Peso del picnómetro vacío
100 cc
Balanza analíitica
124
2.4.- Determinación de materia volátil
Objetivo
La determinación se basa en la diferencia de peso de la muestra a checar al ser calcinada por espacio de 8 minutos , esa diferencia será la materia volátil con que cuenta la muestra
Equipo y herramienta
Balanza analítica, horno mufla, crisoles con tapa, pinzas para crisol
Instrucción
1.- Se seca la muestra
2.- Se pesa con exactitud 1 gramo de muestra
3.- Se deposita en el crisol con tapa
4.- Se introduce a la mufla 8 minutos con las pinzas para crisol
5.- Se saca la muestra y se enfría
6.- Se pesa la muestra con precisión
Cálculos
% de materia volátil = Peso inicial – Peso Final X 100
Peso inicial
Equipo para determinar materia volátil
125
2.5.- Determinación de arcillas
Objetivo
(a).-ARCILLA A.F.S..- Se entiende por Arcilla A.F.S., La suma de todos los finos presentes en la arena, los que incluyen: arcilla activa, arcilla muerta, carbón, finos de la arena, etc.
El ensayo se realiza lavando una muestra de 50 gramos de arena seca, después de lo cual se vuelve a secar y pesar y por diferencia de peso, se calcula el % de arcilla A.F.S.. El lavado se logra por agitación sucesiva, de la muestra en un vaso con agua y eliminando por decantación los finos que quedan en suspensión en el agua.
Prueba de contenido de arcilla
126
2.5.- Determinación de arcillas
Objetivo
(b).- ARCILLA ACTIVA.-Esta es la arcilla que realmente está trabajando como aglutinante en la arena, y le confiere las propiedades plastificantes y desarrolla las propiedades mecánicas.
Este ensayo se basa con la propiedad que tiene la bentonita activa de absorber una sustancia conocida como azul de metileno. La cantidad de azul de metileno que absorbe la bentonita de una arena determinada, se relaciona contra una gráfica obtenida de una muestra patrón.
Instrucción.
1.- Se pesan 5 grs. de arena muestra
2.- Se le agrega 50ml de pirofoafato de sodio
3.- Se coloca el vaso en un vibrador ultrasónico por espacio de 5 min.
4.- Se le agrega solución de azul de metileno (aprox. 45ml)
5.- Se agita por 2 min.
6.- Con un gendarme (varilla de vidrio), se toma una gota de muestra y se coloca sobre un papel filtro.
7.- Se compara la apariencia de la muestra depositada en el papel filtro contra una tabla estándar
8.- Se calcula el % de Arcilla activa. Secuencia de prueba de arcilla activa
127
2.6.- Determinación de la gelación de una bentonita
Objetivo
El procedimiento de esta prueba esta basado en la capacidad de una bentonita de contener y contenerse en un determinado volumen de agua
Equipo y herramientas
Vaso de precipitado de 400 ml, agitador de teflón, balanza analítica
Instrucción
1.- En un vaso de precipitado, agregar 100 ml de agua y 25 gramos de bentonita
2.- Agitar enérgicamente durante tres minutos y al término de este tiempo invertir el vaso
3.- Si la gelación es positiva la mezcla permanecerá adherida al vaso, de no suceder así se dice que la bentonita tiene mala gelación o gelación negativa
Se dice que la bentonita cálcica no produce gelación
Determinación de gelación de bentonita
128
2.7.- Determinación del pH de una arena
Objetivo
El objeto de esta prueba es determinar el grado de acidez o basicidad de una muestra
Equipo y herramienta
Vaso de precipitado de 200 ml, potenciómetro, balanza y termómetro
Instrucción
1.- Pesar 10 gramos de arena del sistema perfectamente lavada y colocarlos en el vaso con 100 ml de agua destilada
2.- Ajustar el potenciómetro a la temperatura y acidez de la solución estándar, lavando inmediatamente después los electrodos con agua destilada.
3.- Ajustar la muestra a una temperatura de 25 °C
4.- Colocar la muestra en el potenciómetro introduciendo el electrodo en la muestra
5.- Tomar la lectura indicada
6.- Lavar el electrodo y dejarlo sumergido en una solución neutra buffer Determinación del pH
129
2.8.- Determinación del hinchamiento de una bentonita
Objetivo
Este procedimiento se basa en la altura o volumen que alcanza la bentonita al absorber cierta cantidad de agua
Equipo y herramienta
Probeta graduada de 100 ml, probeta graduada de 1000 ml
Cálculos para determinar el % de hinchamiento
% Hinchamiento = Volumen final / 100
Instrucción
1.- En una probeta de 1000 ml medir un volumen de 500 ml de agua y en otra de 100 ml bentonita seca
2.- Adicionar la bentonita seca a la probeta con agua de una manera lenta, esto con el propósito de evitar la acumulación de grumos al agregar rápidamente la bentonita
3.- Terminada la adición de bentonita, dejar reposar la mezcla por una hora
4.- Al término del tiempo, leer el volumen alcanzado por la bentonita
Determinación del inchamiento de bentonita
130
2.9.- Determinación de la resistencia en verde de una bentonita
Objetivo
Esta descripción esta basada en la capacidad que tiene el aglutinante de recubrir los granos de arena y contribuir a la resistencia del especímen o del molde
Equipo y herramientas
Molino Simpson, apizonador, máquina universal
Instrucción
1.- Pesar 8 kgs. de arena
2.- Pesar 640 (8%) gramos de bentonita a probar
3.- Colocar la arena y bentonita en el molino
4.- Mezclar por un minuto en seco
5.- Adicionar 240 mls de agua (3 % ) y mezclar 3 minutos
6.- Formar 5 especímenes de 2” X 2”
7.- Colocarlos en la máquina universal , romperlos y leer
la resistencia
Equipo para ensayo de resistencias
131
2.10.-Determinación de la resistencia en verde de una arena de moldeo
Objetivo
Esta descripción esta basada en la capacidad que tiene la arena para contribuir a la resistencia del especímen o del molde
Equipo y herramientas
Apizonador de arenas, máquina universal, cedazo o matriz ( malla No. 6 )
Balanza triple brazo
Instrucción
1.- Pasar la arena sobre el cedazo ( malla No. 6 )
2.- Pesar 160 gramos de arena de moldeo
3.- Depositar la arena en el especímen
4.- Llevar el espcímen al apizonador
5.- Dar tres golpes espaciados
6.- Sacar la muestra con el vástago
7.- Colocarlo en la plataforma de la máquina universal
8.- Registrar la lecturaMáquina Universal
132
2.11.- Determinación de humedad de la arena
Objetivo
Mediante este procedimiento se describe la operación del equipo, que consiste en una cámara de secado, una balanza y un procesador electrónico de información que determina la humedad de cualquier material, sea arena, bentonita, rebaba de hierro, pinturas, etc.
Equipo y herramientas
Balanza analítica, platillos de aluminio
Instrucción
1.- Conencte el equipo a la red de 110 volts
2.- Encienda primero el thermo control, después
3.- Después de conectar los aparatos se colocan los platillos
4.- Abra la compuerta y coloque el platillo de aluminio sobre le soporte y tarelo con la tecla tere de la balanza
5.- Ponga la muestra sobre el platillo y cierre el secador
6.- La rutina del secado comienza automáticamente después de pulsar la tecla entre el teclado del thermo control
7.- Después de terminar la rutina de secado se lee el resultado, se abre el secador thermo control y se retira el platillo con la muestra.
8.- Después de que se haya abierto la cubierta, el indicador del secador señala el modo básico, el thermo control esta listo para la próxima rutina de secado
Peso de la muestra de arena a evaluar (húmeda o seca).
Balanza electrónica de precisión.
133
2.12.- Determinación de la temperatura de la arena
Objetivo
Mediante este procedimiento se checa la temperatura de la arena del moldeo al hacer cambios de piezas
Equipo y herramientas
Termómetro
Instrucción
1.- Se toma una muestra de arena representativa de la máquina de moldeo
2.- Se envía al laboratorio
3.- Se introduce el termómetro en la arena
4.- Se toma el dato y se registra
Termómetros
134
2.13.- Determinación de la compactabilidad
Objetivo
Mediante este procedimiento se checa la relación entre la arcilla y la humedad de la muestra de moldeo ya que la compactación depende tanto de la adición de agua como de los aditivos
Equipo y herramientas
Apizonador de arenas, malla # 8, especímen
Instrucción1.- Tomar la muestra de arena2.- Cribar en la malla # 83.- Con una laina se hacen dos cortes y se limpia el exceso de arena4.- Se coloca en la base del apizonador checando que este en el centro5.- Se desliza despacio el brazo del apizonador6.- Se dan tres golpes pausadamente7.- Se toma la lectura en la escala del lado izquierdo
En la siguiente diapositiva se muestra una ayuda visual sobre la prueba de compactabilidad.
135
Prueba de compactabilidad
4º Se extrae la muestra y se limpia el tubo
1º Criba la arena y se arrasa
2º Se apisona con tres golpes
3º Se lee escala y el valor es el % de Compactabilidad
136
2.14.- Determinación de la permeabilidad
Objetivo
1).-Permeabilidad.-Esta es la propiedad de la arena para dejar pasar los gases del molde a través de ella.
Para este ensayo se requiere de la fabricación de probeta cilíndrica de arena aglutinada; compactada a las siguientes dimensiones :de 2” de diámetro por 2” de altura (ó 50 x 50 mm.).
a).- Fabricación de la probeta.-Se realiza en una prensa especial,llamada también prensa universal, que cuenta con cilindro de 2” de diámetro interior y un apisonador para compactar la arena.
La probeta se fabrica dejando caer desde una altura determinada una carga (6.35kG.), tres veces consecutivas. La altura de la probeta se logra poniendo en el cilindro la cantidad justa de arena, lo cual se determina por experimentación.
Mediante este procedimiento se checa la aptitud de la arena a dejar pasar el aire contenido en el molde
Masa de 6.35kg
Manivela con levaBase donde sienta el
cilindro
Escala para Compactabilidad
137
b).- Ensayo de permeabilidad.- Se realiza haciendo pasar a través de la probeta un volumen de aire (2000 c.c.), el cual pasa por un orificio de 0.5 ó 1.5 mm. De diámetro.Midiendo el tiempo (t) que tarda en pasar el volumen (V) de aire, el área transversal (A) de la probeta, su altura (h) y la presión (p) generada. Con estos datos se puede calcular la permeabilidad por la fórmula:
V= cm3 = 2000
h= cm = 5.08
p= Grs/cm3
a= cm2 =20.27
t=min.
Permeámetro
138
Ejercicio 9“Pruebas de laboratorio”
En el siguiente ejercicio, el maestro aplicará a los alumnos en forma individual lo siguiente:
EJERCICIO
A.- Conteste correctamente el siguiente cuestionario.
1.- ¿Cuál es la función de realizar las pruebas de laboratorio a las arenas para fundición?
2.- ¿A que tipo de materiales de fundición se les realiza la prueba de humedad y en que consiste?
3.- La prueba de hinchamiento de una bentonita, ¿Con que finalidad se realiza?
4.- ¿En que afecta la permeabilidad en una arena para fundiicón?
5.- ¿Por qué es importante la prueba de resistencia en verde en una arena y que factores puede alterar en el molde?
6.- ¿Qué diferencia existe entre la arcilla A.F.S. y la arcilla activa en una prueba de laboratorio de una arena para fundición?
7.- ¿Cuál es la función de la prueba de determinación de pH en una arena?
8.- ¿Qué significa el grado de friabilidad de una arena?
9.- ¿Cómo determinamos el índice de finura de una arena (AFS)?
10.- ¿Qué mallas se toman en cuenta para determinar el porcentaje de finos de una arena?
139
3. – Defectos en piezas vaciadas
La finalidad del sistema de arenas es garantizar el suministro de arena de moldeo, hacia la líneas de fabricación de moldes, asegurando la calidad total de la pieza que se va a vaciar. Los parámetros de control de los equipos y especificaciones de materiales deben ir en función de los requerimientos propios del sistema ya que de éstos dependerán las condiciones finales del molde.
De hecho el simple uso de tener arena como materia prima básica del área de moldeo y corazones, es causa fundamental de la aparición de defectos en la pieza vaciada.
AMEF.- Análisis de Modo y Efecto de la Falla.
El AMEF es una técnica de ingeniería la cual busca la solución de fallas comunes y potenciales, mediante la implementación de seguimientos continuos del proceso.
Sabemos de antemano que a toda causa procede un efecto y por consiguiente si analizamos las causas más comunes de un proceso, nos ayudará a llevar un plan de control continuo.
A continuación analizaremos los defectos más típicos relacionados con la arena de moldeo, principalmente en lo referente al sistema de preparación de la arena.
Falla potencial Efecto de la falla Causa de la falla
Acciones correctivas Contingencia
140
3.1. - Defectos por baja Resistencia de la arena de corazones
Falla potencial Efectos de laFalla potencial
Causas de la Falla potencial
Acciones Correctivas
AccionesRecomendadas Contingencia
Mixtura conBaja
Resistencia
Corazón débil
VientosTapados
Tiempo deMezclado
CortoMezcla de
ArenaAgregada en
TolvaEquivocada
En operaciónManual m.B.
AgregarCantidad de
AditivoCorrecto, deAcuerdo a las
Cartas de maquila
RevisarVelocidad del
Gusano y tiempo
Respetar losTiempos deMezclado(Operación
Manual)
RespetarParametros
De operación
RevisarMangueras de
Inyecion de resinas
Falla en Sistema
DosificadorDe resina
Las relaciones arena-resina-aditivos deben ser respetados,
así como los tiempos de
mezclado con la finalidad de
lograr una total homogenización
de la mixtura.
Arena + resina + catalizador (caja caliente) + aditivos
Tiempo de mezclado incorrecto
Corazón débil con baja resistencia
141
3.2. - Defectos por Arcilla Total arriba de especificación
Arcilla total (A.F.S.) arriba de
especificación
Falla potencial Efecto de la falla potencial
Causas de la falla potencial
Acciones correctivas
Formación de bolas de arcilla
Pin hole por alta humedad
Falla de equipo colector de finos
Exceso de adición de aditivos
Análisis diario de arcilla A.F.S.
Mantenimiento preventivo a
colector de finos
Relación Bentonita-Carbón
marino
Adición de bentonita al sistema de arenas
Pin hole
142
3.3. - Defectos por Permeabilidad abajo de especificación
Falla potencial Efecto de la falla potencial
Causas de la falla potencial
Acciones correctivas
Permeabilidad abajo de
especificación
Soplado, costra, cola de rata,
envenenamiento
Exceso de finos
Granulometría muy fina de la arena
Chequeo de permeabilidad de
acuerdo al plan de control continuo
Adicionar arena nueva al Sistema de acuerdo a Ing.
de Procesos
Costra Cola de rata Envenamiento
143
3.4. - Defectos por Arcilla activa abajo de especificación
Arcilla activa abajo de
especificación
Falla potencial Efecto de la falla potencial
Causas de la falla potencial
Acciones correctivas
Arrastre de arena por baja resistencia en
verde
Piezas crecidas
Falta de adición
Falla de adicionadores
Pesar correctamente
adiciones
Análisis de inspección-recibo
de bentonita
Programa de Mtto. Preventivo a
adicionadores
Baja calidad de la arcilla
Mtto. Preventivo a báscula
Arena caída Arrastre de arena
144
3.5. - Defectos por Combustible abajo de especificación
Falla potencial Efecto de la falla potencial
Causas de la falla potencial
Acciones correctivas
Penetración en la pieza por no
generar atmósfera reductora en el
molde
Falta de adición
Falla de adicionadores
Pesaje y carga correcta del aditivo
Análisis de inspección-recibo
Combustible abajo de
especificación (carbón marino)
Baja calidad del aditivo (carbón
marino) Determinar volátiles reales en aditivos
cada 6 meses
Exceso de Penetración
145
3.6. - Defectos por Alta Humedad en la arena
Humedad alta
Falla potencial Efecto de la falla potencial
Causas de la falla potencial
Acciones correctivas
Penetración, soplado
Piezas crecidas
Falla dosificación de agua
Falla del fluxómetro
Respetar programa de Mtto. Preventivo
del sistema de dosificación de
agua
Pieza crecida Soplado
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Ejercicio 10“Identificación de defectos en piezas vaciadas”
En el siguiente ejercicio, el maestro mostrará físicamente a los alumnos una serie de muestras mostrando los defectos relacionados con las arenas en las pie<zas vaciadas.
Objetivo de la práctica:
1) Que el alumno conozca físicamente cada uno de los defectos estudiados en la lección anterior.
2) Interactuar con el alumno para interpretar las causas que provocan dichos defectos en las piezas vaciadas y su influencia en la calidad de las mismas.
3) Motivar al alumno a que haga preguntas al respecto y analice las respuestas obtenidas.
Recomendación.
Concretar visitas guiadas a las diferentes plantas de fundición para que el alumno tenga contacto directo con el ambiente de la fundición, sobre todo haciendo énfasis en las áreas de ANALISIS DE RECHAZO de cada planta.
