MARCO TERICOFUNDICIN

Lafundicines una forma demetalurgiaextractiva. El proceso de fundicin implica calentar yreducirlamenamineral para obtener unmetalpuro, y separarlo de lagangay otros posibles elementos. Generalmente se usa comoagente reductoruna fuente decarbono, como elcoque, elcarbno elcarbn vegetalen el pasado. El carbono (o elmonxido de carbonogenerado a partir de l) saca eloxgenode la mena, dejando el metal en formaelemental. Por ello el carbono se oxida en dos etapas, primero producindose monxido de carbono y despusdixido de carbono. Como la mayora de las menas tienen impurezas, con frecuencia es necesario el uso de unfundenteo castina, como lacaliza, para eliminar lagangaacompaante en forma deescoria.

Tambin se denominafundicinal proceso de fabricar objetos con metalesfundidosmediante moldes, que suele ser la etapa siguiente a la fundicin extractiva, que es de la que trata este artculo. Las plantas para la reduccinelectrolticadelaluminiogeneralmente tambin se denominan fundiciones, aunque es un proceso completamente diferente. En ellas no sefundeel xido de aluminio sino que se disuelve enfluoruro de aluminio. Normalmente se utilizanelectrodosde carbono, pero en las plantas de diseo ms moderno se usan electrodos que no se consuman. El producto final es aluminio fundido.

Figura 1 Fundicin

Metales comunes

Las menas de los metales comunes suelen ser sulfuros. Para su obtencin en los ltimos siglos se ha usado elhorno de reverbero. Estos mantienen el combustible y los minerales de fundicin separados. Tradicionalmente se usaban para realizar la primera etapa: la formacin de dos lquidos, una escoria oxidada que contenga la mayor parte de las impurezas y unamataque sulfuro que contiene el sulfuro del metal deseado y algunas impurezas. Estos hornos de fundicin actualmente miden unos 40 m de largo, 3 m de alto y 10 m de ancho. El combustible que se quema en un extremo y su calor funde los sulfuros concentrados (generalmente tras una calcinacin parcial), que se alimenta a travs de la apertura del techo del horno. La escoria flota sobre la mata que es ms pesada, y es eliminada para su desecho o reciclado. Entonces la mata de sulfuro es enviada a unconvertidor metalrgico. Los detalles de este proceso varan entre hornos dependiendo de las propiedades de los minerales que componen la mena y de su concentracin.

Aunque los hornos de reverbero tienen un rendimiento muy bueno porque producen escorias que contienen muy poco cobre, son relativamente ineficientes energticamente y producen una concentracin baja de dixido de azufre en los gases que emiten, lo que hace difcil su captura, y por consiguiente estn siendo sustituidos por una nueva generacin de tecnologas de fundicin del cobre.Los hornos de fundicin ms recientes se basan en las tecnologas de fusin en bao, de inyectado por lanza de oxgeno, fusin autgena o los altos hornos. Algunos ejemplos de la fundicin por bao son el horno Noranda, el hornoIsasmelt, el reactor Teniente, el horno Vunyukov y la tecnologa SKS, entre otros. El inyectado por la lanza de oxgeno est representado por el reactor de fundicin Mitsubishi. La fundicin autgena supone el 50% de la fundicin de cobre del mundo. Hay muchas ms variedades de procesos de fundicin como el Kivset, Ausmelt, Tamano, EAF y BF

HISTORIA

De los siete metales conocidos en la antigedad (oro,plata,cobre,estao,plomo,mercurioyhierro) solo el oro se encuentra regularmente enforma nativaen la naturaleza. Los dems se encuentran principalmente formando parte deminerales, aunque todos ellos pueden aparecer en pequeas cantidades en forma nativa (comercialmente insignificantes). Estos minerales son principalmente xidos, sulfuros y carbonatos del metal mezclados con otros componentes comosliceyalmina. Al calcinar los carbonatos y sulfuros en contacto con el aire se convierten en xidos. Los xidos no necesitan transformacin previa en el proceso de fundicin. El monxido de carbono (CO) era (y es) el principal agente reductor elegido para la fundicin. Se produce fcilmente durante el proceso de combustin usado para calentar los minerales en el horno y como es un gas entra en contacto con la mena mineral directamente.

En elViejo Mundolos hombres aprendieron a obtener metales mediante fundicin en laprehistoria, en elVII milenio a. C.. El descubrimiento y uso de los metales tiles para la fabricacin de herramientas, el cobre y el bronce primeramente, y posteriormente el hierro, causaron un gran impacto en las sociedades humanas de la poca. El efecto fue tan generalizado que los historiadores han dividido la historia de la antigedad enEdad de Piedra,Edad del BronceyEdad del Hierro.

EnAmrica, las sociedadespreincaicasde losAndescentrales del actual Per consiguieron la fundicin del cobre y la plata independientemente al menos seis siglos antes de la colonizacin europea del siglo XVI.

Estao y plomo

Los primeros metales obtenidos por fundicin en laprehistoriafueron el estao y el plomo. Los vestigios de plomo ms antiguos conocidos son abalorios encontrados en el yacimiento deatalhykenAnatolia(Turqua), que estn datados alrededor del 6400a.C.,aunque es probable que la fundicin de este metal sea ms antigua. Como el descubrimiento de la fundicin de ambos metales se produjo varios milenios antes de la invencin de laescritura, no existen registros de cmo se produjo; pero como la fundicin tanto del plomo como del estao se puede producir simplemente poniendo alguna roca de susmenassobre unapirade madera, posiblemente su descubrimiento fue accidental.

Aunque el plomo es un metal comn su descubrimiento tuvo relativamente poco impacto en el mundo antiguo. Es demasiado blando para ser el componente estructural de herramientas o armas, salvo para los proyectiles de lashondaspor su caracterstica de ser excepcionalmente pesado, que era otro impedimento para otros usos. Posteriormente como era fcil de obtener y de dar forma enantiguedad clsicadeGreciayRomase utiliz para fabricar tuberas y recipientes para el agua (se desconoca que este uso era txico). Tambin se us el plomo como juntura en los edificios de piedra y en lasvidrieras.

El estao es mucho menos abundante que el plomo y solo un poco ms duro que l, por lo que las consecuencias que produjo por s mismo fueron incluso menores, hasta la invencin delbronce.

Cobre y bronce

Tras el estao y el plomo el siguiente metal que se consigui obtener por fundicin fue elcobre. Cmo pudo descubrirse es objeto de debate. Las hogueras se quedan 200 C por debajo de la temperatura necesaria, as que se especula que la primera fundicin de cobre pudo haberse logrado en el interior de un horno de cermica. El descubrimiento de la fundicin de cobre en losAndesque se cree que se desarrollo de forma independiente de la delviejo mundo, podra haber sucedido del mismo modo.Los primeros vestigios de fundicin de cobre, datados entre el 5500a.C. y 5000a.C., se han encontrado enPlonikyBelovode, Serbia.Se ha encontrado una cabeza de mazo enCan Hasan, Turqua, datada en el 5000a.C., aunque se cree que es la herramienta de cobre ms antigua encontrada podra haberse forjado con cobre nativo.

Al mezclarse el cobre con estao oarsnicoen las proporciones adecuadas se consigue elbronce, unaaleacinque es ms dura que el cobre. Los primerosbronces arsenicalesdatan delV milenio a. C.deAsia Menor. Las bronces incas tambin son de este tipo. El arsnico es una impureza que se encuentra con frecuencia en las menas del cobre, por lo que su descubrimiento podra haber sido accidental, pero posteriormente se aadieron minerales que contenan arsnico intencionadamente en el proceso de fundicin. Los bronces de cobre y estao son todava ms duros y resistentes y se desarrollaron alrededor del 3200a.C. tambin en Asia Menor. De nuevo el modo en que los forjadores aprendieron a producir bronces de estao es un misterio. El primero de estos bronces podra haber sido un afortunado accidente de contaminacin con estao de las menas de cobre, pero se sabe que ya en 2000a.C. se explotaban minas de estao con objeto de producir bronce. Es destacable ya que el estao es un metal escaso e incluso en su mena ms rica lacasiteritael estao representa solo el 5%. Adems se necesitan habilidades especiales (o instrumentos especiales) para encontrarla y localizar las vetas ms ricas. Pero fueran los que fueran los pasos necesarios para dominar las dificultades de estao eran conocidas alrededor de 2000a.C.

El descubrimiento de la manufactura del cobre y el bronce tuvo un impacto significativo en la historia de la antigedad. Los metales eran lo suficientemente duros como para fabricar armas ms fuertes, pesadas y resistentes con ellos y que producan mayores daos que las similares de piedra, madera o hueso. Durante varios milenios el bronce fue el material elegido para fabricar espadas, puales, hachas de batalla, puntas de lanza y flecha, adems del equipo de proteccin como escudos, cascos y diversos elementos de armadura. Pero el bronce tambin sustituy a los dems materiales en la fabricacin de herramientas comoazadas,azuelas, sierras,cinceles, clavos, cuchillos, tijeras, agujas y alfileres, jarras, ollas, calderos, espejos yarnesesde caballera, entre otros. El estao y el cobre contribuyeron a que se establecieran redes comerciales que unan alejadas regiones de Europa y Asia, e influyeron de forma importante en la distribucin de la riqueza entre los individuos y los pueblos.

Plata

Los objetos de plata empezaron a fabricarse por primera vez en cantidades significativas alrededor del 4000a.C.,y la escasez deplata nativaobligaba a obtenerla a partir de la fundicin de sus menas principales, la argentita(Ag2S) y laclorargirita(AgCl). La plata tambin aparece como impureza en las menas del plomo, y cuando las poco abundantes menas de la plata se fueron agotando la plata pas a obtenerse principalmente por la purificacin del plomo durante su fundicin, por un proceso conocido comocopelado, ya descrito por las fuentes de la Antigedad comoPlinio el Viejo. En cambio en Amrica cuando se desarrollaron independientemente los mtodos de fundicin de metales en los inicios de la Edad Media,la plata no se obtuvo por fundicin directa de sus propias menas, sino por la purificacin del oro y el cobre que contenan impurezas de plata.

La plata era un metal demasiado blando para destinarse a la fabricacin de herramientas resistentes, pero desde sus orgenes fue usado con fines ornamentales y suntuarios.

INICIOS DE LA FUNDICIN DEL HIERRO

Donde y como se produjo el descubrimiento de la fundicin del hierro es objeto de un gran debate, y permanece incierto debido a la escasez de restos arqueolgicos. Las tecnologas del hierro podran haberse originado en oriente prximo, quizs en Anatolia oriental. Existen restos arqueolgicos con herramientas fabricadas con hierro sinnquel(prueba de que no es de origenmeterico)enAnatoliaalrededor del 1800a.C.,pero tambin se han encontrado herramientas del periodo comprendido entre el 1800a.C. y 1200a.C. en el valle delGangesen laIndia,

En elAntiguo Egiptoexisten indicios de que haba trabajosmetalsticoscon hierro en algn momento entre eltercer periodo intermedio de Egiptoy ladinasta XXIII(entre el 1100750 a.C.), aunque sorprendentemente no se han encontrado pruebas de fundicin de hierro a partir de sus menas en el Egipto faranico en ningn periodo.Existen indicios de la fundicin de hierro y trabajos siderurgicos enfrica Occidentalalrededor de 1200a.C.Adems se han encontrado vestigios antiguos deacero al carbonode hace 2000 aos en el noroeste deTanzania, basados en complejas tcnicas previas al calentamiento. Estos descubrimientos podran indicar que se desarrollaron las tcnicas siderrgicas en varios lugares independientemente.Las tecnologassiderrgicasse extendieron desde elMediterrneohacia el norte a partir del 1200a.C., llegando al norte de Europa alrededor del 600a.C., ms o menos en las mismas fechas en las que llegaron aChina.

Los primero procesos siderrgicos realizados en Eurasia y frica realizaban la fundicin en pequeos hornostronco cnicos, donde la temperatura no era lo suficientemente alta para que el hierro se fundiera. As se produca una masa blanda de hierro incandescente que poda darse forma forjndolo a martillazos. Las primeros hallazgos arqueolgicos de esta tcnica se han encontrado enTell Hammeh, Jordania, datadas con carbono 14 alrededor del 930a.C.

Fundicin del hierro posterior

A partir de laEdad Mediala reduccin directa en pequeos hornos empieza a ser sustituida por un proceso indirecto. As se usa unalto hornopara producirarrabioa partir de las menas minerales, que tena que someterse a otro proceso posterior para producir barras de hierro forjables. Los procesos de esta segunda fase eran elafinoen unaferrera, y a partir de larevolucin industrial, lapudelacin. Su resultado era el hierro forjado, aunque ambos procesos han quedado obsoletos ya que actualmente casi no se fabrica. En su lugar se produceaceromediante elconvertidor Thomas-Bessemero por medio de otros procesos de fundicin reductivos como elproceso Corex.

Cinc

El cinc fue descubierto en la Edad Media, y como en laAntigedadse conocan siete metales se le denomina el octavo metal. Existe una disputa sobre si las tcnicas de fundicin del cinc puro se desarrollaron en laIndiao enChinaalrededor del siglo XIV. En cambio lasaleacionesde cinc se usaron desde antiguo. Existen piezas delatndatadas en 1000-1500a.C. se han encontrado enCanany otros objetos con contenidos de hasta el 87% de cinc han aparecido en la antigua regin deTransilvania sin embargo, por su bajo punto de fusin y reactividad qumica el metal tiende a evaporarse por lo que la verdadera naturaleza del metal no fue comprendida por los antiguos. Se sabe que la fabricacin de latn era conocida por losromanoshacia 30a.C.PlinioyDioscridesdescriben la obtencin deaurichalcum(latn) por el procedimiento de calentar en un crisol una mezcla decadmia(calamina) con cobre; el latn obtenido posteriormente era fundido o forjado para fabricar objetos. En occidente, hacia1248,Alberto Magnodescribe la fabricacin de latn enEuropa.

La fundicin y extraccin de cinc impuro se llev a cabo hacia el ao 1000 enIndiaen la obraRasarnava(c. 1200) de autor desconocido se describe el procedimiento, y los indios conocan ya la existencia del cinc como metal distinto desde laAntigedad.

PROCESO DE FUNDICION

Figura 1- Proceso de Fundicin

Proceso de fundicin realizado en altos hornos.

Figura 2 proceso de Fundicin en altos hornos

Esquema de un horno de fundicin de caones de hierro. Se aade alternativamente capas de carbn y mineral de hierro (A). En la parte inferior del horno existan unastoberaspor donde se forzaba la entrada de aire mediante unos grandesfuelles(B). En elcrisoldel horno se encontraba un orificio por el que flua elarrabioy se diriga al molde del can (C). Encima de esta abertura, pero debajo de las toberas, haba otra boca por donde se sacaba laescoria(D).

La fundicin requiere ms que la simplefusindel metal para extraerlo de la mena. La mayora de las menas minerales soncompuestosen los que el metal est combinado con eloxigeno(en losxidos), elazufre(en lossulfuros) o elcarbonoy el oxgeno (en loscarbonatos), entre otros. Para obtener el metal se debe producir unareaccin qumicadereduccinque descomponga estos compuestos. Por ello la fundicin implica usarsustancias reductorasque al reaccionar con los elementos metlicosoxidadoslos transformen en sus formas metlicas.

Calcinacin

La calcinacin es el proceso de calentar el mineral hasta altas temperaturas para disipar su materia voltil. En el caso de los carbonatos y sulfatos este proceso sirve para eliminar el azufre y el carbono no deseados, transformndolos en xidos que pueden reducirse directamente. Por ello la calcinacin en estos casos se hace en ambientes oxidantes. Algunos ejemplos prcticos son:

lamalaquita, una mena corriente delcobre, es principalmente carbonato de cobre (CuCO3). Este mineral se descompone trmicamente a CuO y CO2en varias etapas entre los 250C y 350C. Eldixido de carbonose libera en la atmsfera dejando el oxido de cobre que se puede reducir como se describe en la siguiente seccin. lagalena, el mineral ms comn delplomo, se compone principalmente de sulfuro de plomo (PbS). El sulfuro se oxida a sulfito (PbSO3) en su primera etapa de descomposicin trmica que origina oxido de plomo yanhdrido sulfurosogas (PbO y SO2). Eldixido de azufre(como el dixido de carbono en el ejemplo anterior) se disipa en la atmsfera y el oxido de de plomo se reduce incluso en una combustin abierta al aire.

Reduccin

Lareduccines la etapa final a altas temperatura de la fundicin. Aqu es cuando el xido se convierte en metal elemental. El ambiente reductor (generalmente proporcionado por el monxido de carbono que se produce por la combustin incompleta del carbono en el interior del horno poco ventilado) saca a los tomos de oxgeno del mineral puro. Las temperaturas necesarias varan en un amplio rango, tanto en la comparacin entre los distintos metales como en la relacin con el punto de fusin del propio metal. Por ejemplo:

el xido de hierro se convierte enhierrometlico alrededor de los 1250C, casi 300 grados por debajo del punto de fusin del hierro que es de 1538C; el xido de mercurio se convierte en vapor demercuriocerca de los 550C, casi 600 grados por encima de su punto de fusin de -38C.

En el caso de la fundicin del hierro. El coque quemado comocombustiblepara calentar el horno, al arder liberamonxido de carbono, que se combina con los xidos de hierro del mineral y los reduce a hierro metlico, segn la ecuacin:

Fe2O3+ 3CO 2Fe + 3CO2

En el caso de la fundicin del cobre el producto intermedio producido en la calcinacin se reduce segn la reaccin:

CuO + CO Cu + CO2

En ambos casos el gas dedixido de carbonose disipa en la atmsfera dejando el metal libre.

Fundentes

En el proceso de fundicin se usan los fundentes con varios propsitos, los principales soncatalizarlas reacciones deseadas o que se unan qumicamente a las impurezas o productos de reaccin no deseados para facilitar su eliminacin. Elxido de calcio, en forma de caliza, se usa a menudo con este propsito, ya que puede reaccionar con el dixido de carbono y el dixido de azufre producido durante la calcinacin y la reduccin mantenindolos fuera del ambiente de reaccin.

Los fundentes y la escoria pueden proporcionar un servicio secundario adicional despus de que se haya completado la etapa de reduccin, recubrir con una capa fundida el metal purificado para evitar que entre en contacto con el oxgeno, que al estar todava tan caliente se oxidara rpidamente. En la fundicin del hierro se emplea lacalizaal cargar el horno como fuente adicional demonxido de carbonoy como sustancia fundente. Este material se combina con laslicepresente en el mineral (que no se funde a las temperaturas del horno) para formar silicato de calcio, de menor punto de fusin. Sin la caliza se formara silicato de hierro, con lo que se perdera hierro metlico. El silicato de calcio y otras impurezas forman unaescoria que flota sobre el metal fundido en la parte inferior del horno.

HORNO DE CRISOL

El horno de crisol es un equipo utilizado principalmente para la fusin de metales no ferrosos. En este equipo el metal a ser fundido se encuentra en el interior de un crisol fabricado de grafito o carburo de silicio. Este crisol se posiciona en el interior de la cmara de combustin cilndrica, que a su vez est formada internamente por un revestimiento refractario y externamente por una carcasa de chapa de acero. El revestimiento refractario normalmente se confecciona a partir de ladrillos especiales y posee la finalidad de resistir el elevado calor existente en el interior de la cmara de combustin, mientras que la carcasa tiene la finalidad de sustentar todo el conjunto. El interior de la cmara de combustin debe ser perfectamente cilndrico para permitir la distribucin uniforme del calor.

El crisol se posiciona en el centro de la cmara de combustin y se apoya sobre un pedestal, tambin confeccionado a partir de material refractario. Sobre el horno existe una tapa para evitar las prdidas de calor e impedir la salida libre de la llama. Otra caracterstica importante es que el metal prcticamente no entra en contacto con la fuente de calentamiento (hecho por va indirecta) y por esto, est sujeto a poca contaminacin.

TIPOS DE HORNOS DE CRISOL:

Los diferentes tipos de horno de crisol se pueden definir de la siguiente manera:

Hornos pozo

El crisol es removido del horno y llevado hasta los moldes para vaciar el metal. Este horno se puede construir sobre o bajo el nivel del suelo. En ambos casos el horno es fijo. Existen en una variedad de tamao para acomodar crisoles desde 15 a 150 kg de capacidad de latn. Son extremadamente flexibles, tanto en relacin a las aleaciones como a las cantidades. Se pueden usar crisoles distintos para diferentes aleaciones y hasta cierto punto, crisoles de distinto tamao en un mismo horno.

Hornos Bale-out (de espera)

El metal es retirado del crisol con cucharas y transferido a los moldes. Se utilizan principalmente, para fundicin bajo presin, donde se necesitan pequeas cantidades a intervalos frecuentes. Capacidades tpicas en el rango de 50 a 500 kg de aluminio y 110 a 330 kg de latn. Rendimiento mximo: 240 kg de aluminio por hora.

Hornos Basculantes

Son hornos movibles apoyados sobre un sistema de sustentacin. Usualmente se les utiliza cuando es necesaria una produccin relativamente grande de una aleacin determinada. El metal es transferido a los moldes en una cuchara o un crisol precalentado, con la excepcin de casos especiales en que es vaciado directamente. El tipo original de horno basculante, con capacidades de 70 a 750 kg de latn, bascula en torno a un eje central. Su desventaja es que el punto de descarga acompaa el movimiento basculante. Para superar este inconveniente se desarroll un horno basculante de eje en la piquera, con capacidad de 200 a 750 kg de latn, y el modelo moderno es basculado por pistones hidrulicos, otorgando la ventaja de un mayor control en la operacin de vaciado.

Horno de crisol inmerso

Es el inverso del horno normal de crisol, en el sentido de que la llama quema dentro del crisol que est inmerso en el bao de aleacin de zinc o aluminio, el cual se encuentra en un recipiente refractario. Estos hornos son fabricados con capacidad de fusin de 300 a 1000 kg de aluminio por hora. Sus ventajas principales respecto de hornos de llama abierta son una mayor eficiencia, que alcanza a un 40% y prdidas de metal de tan slo un 1 2%, otorgando una considerable economa financiera.

Horno rotativo de crisol

Se utilizan para la recuperacin de viruta, escoria y otros tipos de chatarra menuda. El horno contiene un crisol con forma de garrafa, con capacidad de 300 kg de limadura de latn y trabaja a un ngulo aproximado de 50 con respecto a la vertical. El cuerpo del horno y el crisol giran constantemente durante la fusin, trayendo el metal para el lado caliente del crisol y tirando la limadura no fundida hacia adentro y abajo del metal ya fundido. De esta forma, la rotacin proporciona una fusin ms rpida y tambin evita la adhesin de la carga a las paredes del crisol, como ocurre frecuentemente con los hornos convencionales. El formato del crisol y especialmente el cuello estrecho, junto con las condiciones neutras o reductoras dentro del crisol, virtualmente eliminan las prdidas por oxidacin de las cargas y aseguran una alta recuperacin de metal (un porcentaje tpico es la recuperacin de un 94% del metal de limadura de latn 60/40, conteniendo 3% de aceite).

Figura 4.- Horno estacionario con coque

Figura 5 - Horno basculante

FORMAS DE CALENTAMIENTO DE UN HORNO DE CRISOL

En relacin a la forma de energa utilizada, los hornos de crisol pueden ser operados bsicamente a travs de energa elctrica o de combustibles. En relacin a la energa elctrica, los hornos ms comunes son de resistencia y de induccin. En cuanto a los combustibles, se puede utilizar una serie de formas diferentes (tabla 1). Cada forma de energa, sea elctrica o en forma de combustible, posee sus ventajas y desventajas que deben ser aprovechadas o evitadas de acuerdo con las condiciones de produccin exigidas, o en funcin de la poltica de abastecimiento adoptada.

CombustibleTipoPoder Calorfico (Kcal/Kg)

solidoLea3800

Carbn mineral4000 a 6000

Coque de fundicin6200 a 7500

Coque de petrleo8000

Carbn vegetal6500 a 7000

LiquidoGasolina10200

Petrleo disel11000 Kcal/litro

Alcohol etlico7300

Querosene11600

Petrleo - Fuel - Oil9820

OC410000

GaseosoGas licuado10900

Gas de coque4500

Gas natural10000

Metano850

Tabla 1.- Principales tipos de combustible que pueden ser usados en la operacin de los hornos de crisol

MEDICIN DE TEMPERATURA

La exactitud con que midan y controlen las temperaturas determinar el xito de la operacin de algunos procesos metalrgicos, como la fundicin, la refinacin y el tratamiento trmico. Tambin tendr un profundo efecto sobre las propiedades de resistencia de muchos metales y aleaciones. La temperatura de proceso debera controlarse dentro de 2,5C. Aunque a veces es posible este apretado rango, uno ms prctico es de 5C.

Se deben ejecutar tres pasos en todo proceso de control de temperatura. Antes de poder establecer control, primero se debe "sentir" (detectar) la variable mediante algn mecanismo que responda a cambios en la calidad o valor de la variable. Luego esta cantidad o su cambio, debe ser indicada o registrada previo a ser controlada. Siguiendo la accin de control, el ltimo paso en la secuencia es la transmisin de la salida del controlador al "elemento final", el cual es un componente del proceso en s. Los elementos finales envan por medio de un rel la salida del controlador y causan cambios correctivos en el proceso.

Sensores de Temperatura

Como es a menudo el caso, una variable es medida y luego traducida, o convertida, a otra. Por ejemplo, las temperaturas ambientales se miden por la expansin o contraccin de una columna de fluido o de un metal. Mediante calibracin, estas variables se convierten a lecturas de temperatura numrica. Estos simples mecanismos, sin embargo, no se adecan a temperaturas ms elevadas. Los sensores utilizados para medir altas temperaturas son los termopares y los pirmetros. Como sea, ambos utilizan el mismo enfoque anterior; esto es, se mide una variable y se la convierte a otra.

PUNTO DE FUSIN DE LOS METALES

Los metales se funden a diferentes temperaturas, la Tabla 2. muestra los puntos de fusin de los metales ms comunes.

Figura 2 - Intervalos de fusin de metales y sus aleaciones

CUALIDADES TCNICAS Y ECONMICAS Las principales cualidades tcnicas y econmicas que deben cumplir los hornos de fundicin se resumen de la siguiente manera:

Cualidades de Orden Tcnico

Fundir el metal tan rpido como sea posible y elevarlo a la temperatura de vaciado requerida. Mantener tanto la pureza de la carga, como precisin de su composicin. Poco tiempo de parada. Uniformidad de temperatura. Instalacin de distribucin y regulacin de temperatura. Diseo robusto del horno. El metal prcticamente no entra en contacto con la fuente de calentamiento (hecho por va indirecta) y por esto, est sujeto a poca contaminacin.

Condiciones para Mejorar la Productividad y Reducir el consumo de Combustible Realizacin de la combustin en un volumen muy reducido. Utilizacin de viento precalentado o de aire enriquecido en oxgeno. Utilizacin de un combustible de calidad. Reduccin de prdidas trmicas hacia el exterior.

Condiciones Econmicas

El obstculo mayor que confrontar todo aquel que quiere iniciarse en la escultura de metal es generalmente el alto costo del equipo para derretir metales. Un quemador a gas, los tanques, los medidores y los reguladores de presin necesarios, resulta una inversin cuantiosa. Las fundidoras de aluminio afrontan muchos factores que han tenido un gran impacto sobre su economa. Desde los costos en aumento de energa, materiales y mano de obra, hasta la amenaza de ms reglamentacin gubernamental, el enfoque de las fundidoras de aluminio se divide entre los temas relacionados con el colado y las realidades de la manufactura actual.

Entre las condiciones econmicas que este presenta tenemos:

Costes de adquisicin. Materia prima a base de la chatarra. El costo de operacin del horno. Consumo de energa.

Condiciones de Facilidad de Operacin

Facilidad de instalacin. Facilidad de carga de material. Comodidad en la ejecucin de las operaciones

MATERIALES

Construccin del Horno Pala Wincha ladrillos refractario Refractario molido Quemador a gas Plancha de hierro Crisol Tubos

Fundicin Metal a fundir Combustible Encendedor

Colada Pinzas Moldes Arena

Seguridad Guantes Respiradores Ropa adecuada

HERRAMIENTAS, EQUIPOS Y MEDIOS AUXILIARES PARA LA FUNDICIN

Durante la ejecucin de los diversos trabajos que el moldeador o fundidor realiza, ya sean artesanales o con algn desarrollo, es necesario utilizar distintos tipos de herramientas manuales para formar los moldes.

Tipos de herramientas:

Palas Picos y horquillas Reglas Agujas de ventilar Paletas de alisar Alisadores Esptulas Puntas o extractores de moldeo Martillos y macetas Mordaza o presillas

Escoriadores o Separadores de Escorias

Es el canal distribuidor intermedio de seccin generalmente trapezoidal que une el orificio de bajada con los canales de admisin a la pieza.

Tipos: Escoriador en zigzag Escoriador con cambio de direccin Separador de escoria con macho filtro Escoria con trampa angular.

TIPOS DE ENGRANAJES

La principal clasificacin de los engranajes se efecta segn la disposicin de sus ejes de rotacin y segn los tipos de dentado. Segn estos criterios existen los siguientes tipos de engranajes:

Fig. 1.8.- Pin recto de 18 dientes

Ejes paralelos: Cilndricos de dientes rectos Cilndricos de dientes helicoidales Doble helicoidales

Ejes perpendiculares: Helicoidales cruzados Cnicos de dientes rectos Cnicos de dientes helicoidales Cnicos hipoides De rueda y tornillo sinfn

Por aplicaciones especiales se pueden citar: Planetarios Interiores De cremallera

Por la forma de transmitir el movimiento se pueden citar: Transmisin simple Transmisin con engranaje loco Transmisin compuesta. Tren de engranajes

Transmisin mediante cadena o polea dentada Mecanismo pin cadena Polea dentada

CARACTERSTICAS QUE DEFINEN UN ENGRANAJE DE DIENTES RECTOS

Figura 6 Representacin de las caractersticas de un engranaje

Los engranajes cilndricos rectos son el tipo de engranaje ms simple y corriente que existe. Se utilizan generalmente para velocidades pequeas y medias; a grandes velocidades, si no son rectificados, o ha sido corregido su tallado, producen ruido cuyo nivel depende de la velocidad de giro que tengan.

Diente de un engranaje: Son los que realizan el esfuerzo de empuje y transmiten la potencia desde los ejes motrices a los ejes conducidos. El perfil del diente, o sea la forma de sus flancos, est constituido por dos curvas evolventes de crculo, simtricas respecto al eje que pasa por el centro del mismo. Mdulo: El mdulo de un engranaje es una caracterstica de magnitud que se define como la relacin entre la medida del dimetro primitivo expresado en milmetros y el nmero de dientes. En los pases anglosajones se emplea otra caracterstica llamada Diametral Pitch, que es inversamente proporcional al mdulo. El valor del mdulo se fija mediante clculo de resistencia de materiales en virtud de la potencia a transmitir y en funcin de la relacin de transmisin que se establezca. El tamao de los dientes est normalizado. El mdulo est indicado por nmeros. Dos engranajes que engranen deben tener el mismo mdulo. Circunferencia primitiva: Es la circunferencia a lo largo de la cual engranan los dientes. Con relacin a la circunferencia primitiva se determinan todas las caractersticas que definen los diferentes elementos de los dientes de los engranajes. Paso circular: Es la longitud de la circunferencia primitiva correspondiente a un diente y un vano consecutivos.

Figura 7 - Diagrama de las caractersticas que posee un engrane

ELEMENTOS DE UN ENGRANAJE

Espesor del diente: Es el grosor del diente en la zona de contacto, o sea, del dimetro primitivo. Nmero de dientes: Es el nmero de dientes que tiene el engranaje. Se simboliza como (Z). Es fundamental para calcular la relacin de transmisin. El nmero de dientes de un engranaje no debe estar por debajo de 18 dientes cuando el ngulo de presin es 20 ni por debajo de 12 dientes cuando el ngulo de presin es de 25. Dimetro exterior: Es el dimetro de la circunferencia que limita la parte exterior del engranaje. Dimetro interior: Es el dimetro de la circunferencia que limita el pie del diente. Pie del diente: Tambin se conoce con el nombre de dedendum. Es la parte del diente comprendida entre la circunferencia interior y la circunferencia primitiva. Cabeza del diente: Tambin se conoce con el nombre de adendum. Es la parte del diente comprendida entre el dimetro exterior y el dimetro primitivo. Flanco: Es la cara interior del diente, es su zona de rozamiento. Altura del diente: Es la suma de la altura de la cabeza (adendum) ms la altura del pie (dedendum). ngulo de presin.- El que forma la lnea de accin con la tangente a la circunferencia de paso, (20 25 son los ngulos normalizados). Largo del diente: Es la longitud que tiene el diente del engranaje. Distancia entre centro de dos engranajes: Es la distancia que hay entre los centros de las circunferencias de los engranajes. Relacin de transmisin: Es la relacin de giro que existe entre el pin conductor y la rueda conducida. La Rt puede ser reductora de velocidad o multiplicadora de velocidad. La relacin de transmisin recomendada tanto en caso de reduccin como de multiplicacin depende de la velocidad que tenga la transmisin con los datos orientativos que se indican:

Velocidad lenta:

Velocidad normal:

Velocidad elevada:

ESTUDIO TRMICO

DETERMINACIN DE PARMETROS

En la prctica la determinacin de parmetros de temperaturas tienen dificultades experimentales por no ser fcil medirlas superficialmente, estas no son iguales a la temperatura del aire o gas en contacto con la superficie y varan considerablemente. De bibliografa relacionada, se tiene que la temperatura exterior de las paredes puede ser varios cientos de grados superior a la temperatura del aire y es la temperatura de la pared interior que regularmente es inferior a la temperatura de la cmara del horno o de los gases a la que esta expuesta la superficie.

Los parmetros a tomar en cuenta son: Temperatura exterior (T) .- Para este caso se toma la temperatura ambiente 21C. Temperatura de diseo (Td) .- Temperatura seleccionada en base a los metales a fundir, para los cuales se disea el horno, cuyo punto de fusin es menor o igual a los 660C. (p.f. Aluminio). Tiempo de calentamiento (t) .- Es el tiempo que el crisol requiere para estar en capacidad de fundir el metal 60 minutos. Capacidad del horno .- En funcin del nmero de piezas a moldear se selecciona un crisol de una capacidad de 50 kg. Temperatura ptima de colado (Tv) .- Es la temperatura ptima en la cual el metal puede ser vertido en los moldes. Para este diseo se ha seleccionado los valores de las propiedades fsicas del Aluminio el cual tiene su punto de fusin aproximado a los 660C, temperatura seleccionada para el diseo del horno.

Smbolo Al

Densidad (p) a 20C2,7 g/cm.3

P. Funcin660C

Calor Especifico0,23 kcal/kg C

Calor Latente de Funcin94 kcal/kg

Tabla 3 - Propiedades fsicas del aluminio

ESQUEMA DE ELEMENTOS INTERNOS PRINCIPALES DEL HORNO

Figura 8 - Esquema elementos internos del horno 1. Pared refractaria.2. Crisol3. Base del Crisol 4. Cmara de Combustin ENERGA NECESARIA PARA FUNDIR EL METAL

En el proceso de la fusin debemos pasar los metales y sus aleaciones del estado slido al estado lquido, generando determinada cantidad de calor, bien definida y caracterstica para cada metal o aleacin. Como se comprende fcilmente, despus de que ha alcanzado la temperatura o punto de fusin es necesario aplicar ms calor para poder transformar el metal o la aleacin de slido a lquido. Durante este perodo la temperatura no aumenta y la cantidad de calor generada destinada solamente a disgregar el estado slido, se llama calor latente de fusin. Si cuando toda la masa es lquida, se contina generando calor, la temperatura vuelve a aumentar y el metal se recalienta.

La energa necesaria para llevar al metal a la temperatura de vertido es la suma de tres cantidades: Q1 .- Calor para elevar la temperatura del metal, desde la ambiente (55% del total). Q2 .- Calor de fusin de la aleacin o la energa necesaria para convertirla de slido en lquido, llamado calor latente de fusin (30% del total). Q3 .- Calor requerido para sobrecalentar el metal hasta la temperatura de vertido (760C) (15% del total).

Teniendo en cuenta lo expuesto se tiene que el calor necesario para fundir la carga Q es igual a la suma de los calores:

Q = Q1 + Q2 + Q3

Se tiene que el calor est determinado por la expresin: Donde: Q = Calor (Kcal/h) m = peso de la carga (kg) Cp = Calor especfico (kcal/kgC) Tf = Temperatura final igual al punto de fusin del aluminio Td (C) T0 = Temperatura inicial igual a la temperatura ambiente T (C) t = Tiempo1 (h) Datos: m = 50 Kg Cp = 0.23 Kcal/KgC Td = 660C T = 21C

Calor latente de fusin = 94 Kcal/kg

El calor necesario para fundir el metal es Q= 13198,5 kcal/h

DIMENSIONAMIENTO DE LA CMARA DE COMBUSTIN

Est relacionado con el espacio de combustin o volumen necesario para que se complete dicho proceso.

La estructura cilndrica del horno permite que haya una mejor distribucin del calor alrededor del crisol al momento de la combustin, ubicando el quemador de combustible en la parte inferior del crisol y aprovechar de mejor manera la mezcla hacia la parte superior del crisol.

Figura 9- Diagrama del flujo interno de calor

De esta manera el dimetro interno queda determinada por:

Di = Dc + 2 (ec)

Donde: Di = dimetro interno del refractario Dc = Dimetro del crisol 30 cm. Ec = Espacio de combustin 6 cm

Di= 30 cm+ 2(6 cm) = 42 cm

Partiendo del dimetro interno seleccionamos el nmero y forma de los ladrillos refractarios a usar en el diseo, para poder obtener un revestimiento circular como muestran la imagen. Seleccionamos un ladrillo con forma de arco.

Figura 10 - Construccin de Pared Refractaria

Se debe tomar en cuenta que por efecto del calor circulante se generan en los ladrillos refractarios tres fenmenos: Expansin, conduccin y ablandamiento. Especialmente con lo que se relaciona a expansin trmica que es el responsable de los esfuerzos compresivos en los ladrillos; como se conoce, todo material refractario conforme se calienta se aproxima a su temperatura de fusin y comienza a perder fortaleza cohesional y reblandece.

El ladrillo seleccionado es de marca Erecos posee temperatura de trabajo de 1600C. Utilizado en paredes de reverberos bsicos, convertidores de Cu, Al. Y en general para hornos industriales. Es importante colocar arena o polvo refractario entre el ladrillo y la coraza metlica, de manera que puede absorber las dilataciones producidas por efecto del calor. El espesor del polvo ser 0.5 cm. por lo que se tendr una pared refractaria definitiva de 12 cm. Luego el dimetro exterior del horno ser:

De = Di + espesor del refractarioDe = 42+ 2(12)= 66 cm.

Para la altura del horno, se tiene una relacin con la ubicacin del quemador que segn la industria de construccin de hornos Morgan sugiere una altura de 8 a 15 cm. desde la base del horno. Segn este criterio se construir la base que soporta el crisol de 10 cm. de alto.

Conociendo: Espesor de la base del horno7.5 cm.

Alto de la base del crisol10 cm.

Altura del crisol34 cm.

Espacio de cmara para salida de gases en la parte superior del crisol3.5 cm.

Espesor de la tapa superior7.5 cm.

Se tiene una altura del horno de63 cm

PRDIDA DE CALOR POR LAS PAREDES Como el proceso precisa una temperatura relativamente alta, es evidente que los gases abandonan el horno a grandes temperaturas con la inevitable prdida de calor para contrarrestar dicha prdida. Los gases de combustin atraviesan un laberinto construido con material refractario al que ceden su calor sensible acumulndolo en las paredes.

Figura 11- Direccin de flujo de calor por las paredes. El calor perdido por un horno debe pasar primero por conduccin a travs de las paredes a la superficie exterior y despus se debe disipar a los alrededores por conveccin. En consecuencia, los datos disponibles debe incluir a todos los otros factores necesarios para el clculo de la conduccin y conveccin, estos son: para la conduccin, el rea y resistividad de las paredes del horno, adems la temperatura interior de la pared; para la conveccin, solo el rea (asumiendo una temperatura exterior de 21C aproximadamente). La temperatura ptima de vertido del metal en los moldes; el calor necesario para fundir el metal; las dimensiones de sus paredes. As como del material que estn construidas y la emisividad de la superficie exterior; se puede calcular las prdidas de calor por conduccin y la temperatura de la superficie exterior.

Figura 12 - Diagrama de Temperaturas

Aplicando la analoga entre flujo de calor y flujo elctrico tenemos el siguiente sistema:

Figura 13 - Sentido de Temperaturas

Aplicando las ecuaciones de paredes cilndricas para calor por conduccin desde la cmara hacia el crisol tenemos:

Donde: Qk = flujo de calor necesario para fundir el metal 13198.5 Kcal/h (15347,09 w) K = Coeficiente de conductividad trmica del grafito 48.13 w/mC (Anexo A1). L = Longitud del crisol 0,34 m. T1 = temperatura de la pared exterior del crisol T0 = temperatura de la pared interior del crisol (igual a la temperatura de vertido del metal 760C R0 = radio tomado desde el centro de la cmara hasta la pared interna del crisol 0.054 m. R1 = radio tomado desde el centro de la cmara hasta la pared externa del crisol 0.030 m.

Sustituyendo tenemos que T1 = 847.774C

Tomando el flujo de calor hacia las paredes tenemos:

RTK2 = Resistencia por transferencia de calor de conduccin del refractario (C/w) R2 = Radio medido desde el centro de la cmara hasta la pared interna del refractario = 0,030 m. R3 = Radio medido desde el centro de la cmara hasta la pared externa del refractario = 0,150 m. K = Coeficiente de conductividad trmica del ladrillo refractario 1,07 w/mC (Anexo A2). L = Longitud de la pared refractaria 0,55 m. Tenemos que RTk2 = 0,435C/w

Para calcular le resistencia trmica de la placa de acero (RTk3) que recubre la pared refractaria seleccionada de un espesor de 6 mm. Aplicamos:

Donde: K = coeficiente de conductividad trmica del acero 59 w/mC (Anexo A3) R4 = 0.155 m L = 0.55 m Tenemos RTk3 = 1,299 x10-4 C/w La resistencia de transferencia de calor con el are por conveccin (RTc) que rodea el cilindro viene dado por:

Donde: Coeficiente de transferencia de calor por conveccin natural paro los gases es de (h) = 22 w/m2 C (Anexo A4)

Aplicando los datos tenemos: Rtc = 0,084C/w

Para obtener el flujo de calor perdido por las paredes es aplicamos:

QP = ( 847,774 21)/(0,435+1,299x10-4+0,084)

QP = 1592.614w

Calculamos la temperatura de la pared exterior del ladrillo teniendo T1=T2:

Reemplazando: T3 = 153,986C

La temperatura de la pared exterior en la placa de hierro T4 calculamos:

Reemplazando: T4 = 153.779C

Teniendo como una temperatura aceptable en el exterior del horno.

DIMENSIONAMIENTO DEL QUEMADOR

El gas combustible propicia las mejores condiciones de servicio, despus de la energa elctrica, facilitndonos la limpieza de las instalaciones. Uno de los sistemas ms respetuoso con el medio ambiente es el sistema GLP. El combustible bsico gasleo, es causante del siguiente porcentaje de emisiones a la atmsfera: 37% del consumo de energa final.

12% del dixido de azufre (SO2) 64% del monxido de carbono (CO) 69% de los xidos de nitrgeno (NOx) 33% de los hidrocarburos sin quemar (HC) 33% de las partculas 30% del dixido de carbono (CO2) 49% de los compuestos orgnicos voltiles

La reduccin muy por debajo de las reglamentaciones existentes y futuras en las emisiones contaminantes reguladas por la EN 589 (NOx, CO, HC y partculas) causantes de graves problemas de salud humana, nieblas contaminantes y lluvia cida. Los quemadores de GLP, dependiendo de la tecnologa utilizada (carburacin, inyeccin) reducen estas emisiones hasta un 90% respecto a la alternativa diesel. Debido a la composicin qumica del GLP, las emisiones de CO2 son hasta un 10% inferiores a las de los quemadores diesel. Las reducciones en las emisiones hidrocarburos poliaromticos y de aldehidos, consideradas sustancias con efectos cancergenos, son notablemente menores en relacin con las provocadas por los quemadores diesel. Para disear el quemador adecuado se debe tener en cuenta las cantidades de calor que intervienen en el proceso adicionando los valores de prdidas de energa y as poder contrarrestarlas. Los valores a tener en cuenta son:

El calor necesario para fundir el metal. Prdidas de calor por las paredes (conduccin y conveccin) Q = 13198.5 kcal/h Qp = 1369.64804 Kcal/h Qt = (13198.5 + 1369.64804) Kcal/h Qt = 14568.14804 Kcal/h

Para obtener el consumo de combustible en una hora aplicamos

Cp = calor especifico disponible del gas 0.340 Kcal/kgk (Anexo A5). T1 = temperatura inicial = 294k T2 = temperatura final = 1120.774k Remplazando tenemos m = 51.824 Kg/h

Usando cilindros de gas convencionales de 15 Kg se requiere de un sistema que no corte el proceso de fundicin el momento de cambiar los cilindros de gas y tener prdidas por la parada; para esto se disea un sistema de centralita la cual incrementa la presin el gas. La centralita posee una conexin para dos vlvulas de gas como se muestra en la figura 14

Figura 14 - Sistema del Quemador

El sistema consta de una vlvula reguladora de 12 Kgs a la salida de la centralita que permite regular la presin de gas con la que sale de los cilindros la cual es conducida por una boquilla hacia el interior del horno.

Figura 15 - Sistema de Centralita

DISEO DE LOS ELEMENTOS MECNICOS QUE INTERVIENEN EN LA CONSTRUCCIN DEL HORNO.

DISEO DEL CILINDRO METLICO

Un cilindro de paredes delgadas, posee tensiones que estn uniformemente distribuidas; en todo el espesor de la pared. El diseo indica dos tipos de tensiones: Tensin tangencial (presin sobre las paredes del cilindro) Tensin longitudinal (presin sobre los extremos del cilindro)

La tensin tangencial que se produce por efecto del calor, se puede decir que no tiene mayor importancia, debido a que al polvo refractario que est entre la coraza y el ladrillo, absorber las diferentes dilataciones; adems existe facilidad de salida de gases de combustin. La tensin longitudinal se producir directamente en un extremo, debido a que la base del horno es la que soportar todo el peso; siendo tambin despreciable la deformacin por el calor, la cual es absorbida por el ladrillo refractario. Por motivos de seguridad se utiliz un acero de 6 mm. de espesor para la construccin del mismo.

Determinacin De Cargas

Para determinara las cargas que se ejercen sobre la plancha de fondo, consideramos que el horno est cargado, y tenemos los siguientes esfuerzos: Debido al peso del crisol 50 Kg. (a mxima carga) Peso del metal 181.81 Kg. Peso refractario268.18 Kg.

Para encontrar el peso del refractario a utilizarse en el horno, tomamos en cuenta las dimensiones del ladrillo, dimetro interior y altura del horno; reas de la plancha de fondo y tapa fija; dndonos como resultado 84 ladrillos a utilizarse.

El peso de cada ladrillo es 2.2 Kg. Por lo tanto el peso total ser de 229.09 Kg.

Para obtener el peso final del refractario, resulta de la suma de todos los pesos es decir; del ladrillo, melaza, arcilla, vidrio y mortero obtengo un peso de 268.18 Kg.

Luego el esfuerzo a que va a estar sometido la plancha de fondo que tiene un rea de 0,3848 m2 ser 500 Kg 4900 N. Sistema De Descarga

El sistema de descarga debe ser funcional para que con el menor esfuerzo posible se pueda realizar el volteo. Cuando se trate de colar piezas inferiores a 6 Kg. se recoger el metal del crisol en cucharas o cazuelas para ser puesto en el molde. El volteo del cilindro, puede hacerse en forma mecnica, para lo cual la bancada y ms elementos que intervienen en el mecanismo, deben resistir a los esfuerzos producidos.

A continuacin se indica el cuerpo del horno con sus ejes de apoyo.

Figura 16 - Cilindro con sus Ejes de Apoyo

DISEO DE EJES

Figura 17 - Esquema en conjunto del Volante, Engranes y Ejes de Apoyo

T = F.R.2 (Para el torque multiplico por 2 porque aplico fuerza con las dos manos) T = (50 Kg. 0.3 m)2 T = 30 Kg.m (Torque mximo requerido para girar el tanque) T = 294.2 N.m

Fuerzas Que Actan En Los Engranajes Rectos:

Figura 18 - Diagrama de las Fuerzas que Actan en los Engranes Rectos

Dientes con ngulo de presin 20

Fuerzas tangenciales:

Pin:Engranaje:

Fuerzas Radiales:

Pin:Engranaje:

DISEO EJE #1 (Maquinado en acero AISI 1020 CD = estrudo en fro) Sy = 352 MPa (Anexo A17)Sut = 420 MPa E = 207 GPa

Figura 19- Diagrama de Cuerpo Libre del Eje #1

Diagrama de fuerza cortante:

Figura 20 - Diagrama de la Fuerza Cortante

Diagrama del momento flector mximo:

Figura 21 - Diagrama del Momento Flector Mximo Segn la Teora de Falla de la Energa de la Distorsin Von Misses

M = Momento flector mximo T= Momento torsor mximo Sy = Lmite a la fluencia n = Grado de seguridad

DISEO EJE #2 (Maquinado en acero AISI 1020 CD = estrudo en fro) Sy = 352 MPa (Anexo A17) Sut = 420 MPa E = 207 GPa (a)

Figura 22 - Diagrama de Cuerpo Libre del Eje #2

NOTA: Debido a que el eje es estticamente indeterminado, utilizamos el Mtodo de la Superposicin para encontrar las reacciones. (b)

Figura 23 - Diagrama de la Deflexin #1

Para el caso de la Fig. (b) utilizando la (Tabla E-9 Shigley caso#6); la deflexin en el punto G es:

(Anexo A17)

(c)

Figura 24 - Diagrama de la Deflexin #2 En el caso de la Fig. (c) para la deflexin en G, utilizamos el Apndice D pag # 762 de Beer & Jhonstons caso # 5.

(Anexo A15)

(d)

Figura 25 - Diagrama de la Deflexin #3

En el caso de la Fig. (d) para la deflexin en G, utilizamos el mismo Apndice D del caso anterior. Pero cuando

(Anexo A15)

(e)

Figura 26 - Diagrama de Fuerzas

Ya que en el punto G existe un cojinete Yg=0 por tanto:

Por equilibrio:

(-3913.8).(0.175)+(7545).(0.325)-(4900).(0.825)+ = 0

Diagrama de fuerza cortante:

Figura 27 - Diagrama de Fuerza Cortante

Diagrama del momento flector mximo:

Figura 28 - Diagrama de Momento Flector Mximo

NOTA: Para encontrar los verdaderos puntos crticos, debo realizar una semejanza de tringulos. Dichos puntos crticos se encuentran en la unin del eje con el cilindro; es decir en la soldadura de los dos extremos del cilindro. Para el diseo siempre se escoger el momento flector mximo

Semejanza entre tringulos:

Segn la Teora de Falla de la Energa de la Distorsin Von Misses

M = Momento flector mximo T= Momento torsor mximo Sy = Lmite a la fluencia n = Grado de seguridad

DISEO DE ENGRANES

Tipo De Engranajes Teniendo que bascular mecnicamente, la transmisin del movimiento giratorio del volante, se efectuar mediante engranajes de dientes rectos por ser menos costosos, y por la facilidad de adquisicin del material se construir de hierro fundido. En el diagrama a continuacin se detalla, indica la ubicacin de los engranajes en la bancada.

Figura 29 - Diagrama de los Engranajes

Dimensionamiento Para conocer datos del pin como de la rueda, hacemos un anlisis de las diferentes fuerzas que actan en un punto de contacto (Pc) de los engranajes.

Fuerzas que actan en un punto de contacto Pc.

Figura 30 - Diagrama de las Fuerzas que actan en los Engranajes.

La primera dificultad que aparece al proyectar un par de engranajes, reside en el hecho de que es necesario conocer todas las dimensiones de los engranajes; as como la forma y tamao de los dientes. Esto hace necesario estimar el dimetro de las circunferencias primitivas tanto del pin como del engrane; que creemos que ser conveniente.

Una vez situados los centros y dibujadas las circunferencias primitivas Figura 30 (a) establecemos la recta ab perpendicular a la lnea de centros y pasa por el punto de contacto Pc. La lnea de presin CC representa la accin de la fuerza resultante W Fig. 3.9.5 (b) que acta entre los engranajes.

Para el tamao y forma de los dientes, segn la (Tabla 3) estimamos que sern trabajados de acuerdo a un diametral PITH equivalente a 8.

Tabla 3.- Diametral Pitch de los Dientes DATOS: NA = 33 NB = 50 nA = 1 rpm. m = 3 mm.

Fig. 3.9.6.- Diagrama del Sistema de Engranajes

Tren De Engranajes:

TV = 1.51 rpm.

nB = 0.66 rpm.

Dimetros De Paso:Pin

Engranaje

Paso Circular

Cabeza:

Raz:

Espaciamiento:

Profundidad Total:

Profundidad De Trabajo

Espesor De Los Dientes:

Dimetro Exterior:

Pin

Engranaje

Distancia Central

Tensiones En Los Dientes De Los Engranes Esfuerzos Por Flexin:

Construccin Diagrama De Flujo De Procesos

Descripcin Del Proceso De Construccin

Una vez determinado el diseo de los materiales y las especificaciones de los mismos, se procedi a la construccin segn los planos.

Diseo Y Seleccin De Elementos

Etapas De Construccin

Construccin del cilindro metlico.

Fig. 4.- Construccin del Cilindro

Para la construccin del cilindro utilizamos la plancha de acero AISI 1020 de , la cual se procedi a cortar con plasma segn los planos. Posteriormente se procede a barolar para dar a la plancha una forma cilndrica y finalmente soldar las partes.

Construccin de la tapa fija mvil.

Fig. 4.1.- Construccin de la Tapa Se realiz los el mismo procedimiento anterior del cilindro ya que la tapa resulta de los cortes de la plancha de acero y rigindonos segn los planos.

Construccin de los engranes, ejes y volante. Fig. 4.2.- Construccin de los Engranes, Ejes y Volante

De acuerdo a los clculos realizados, procedemos a la seleccionar los materiales. Para los ejes necesitamos un eje de acero de 3 cm. de dimetro, el cual se fue seccionando conforme indican los planos. Para los engranes segn los datos obtenidos, se adquiri engranes de hierro gris fundido ASTM A48 clase 20. Para el volante se procedi a comprar una varilla redonda de y se le di la forma barolando para que nos de un volante de 30 cm. de dimetro.

Construccin de la bancada del horno

Fig. 4.3.- Construccin de la Bancada

Para la bancada se procedi a adquirir soportes en ngulos de 2 . Se seccion dichos ngulos segn los planos y posteriormente soldamos a solape y en ngulos que varan entre 90 y 145 grados. El tubo junto con el shiglor y la vlvula de gas, conforman el sistema de inyeccin del quemador. La varilla se la utiliza para el soporte del mismo, formando un trpode.

Construccin de la centralita.

Fig. 4.5.- Construccin de la Centralita

Para la construccin de la centralita utilizamos un tubo de 5 mm. de espesor un manmetro de 200 PSI, un regulador de 12 Kg/s, 3 llaves bola de 1/2 , un bushing de 1/4 , acoples y un neplo de1/4 .

Etapas De Montaje

Montaje del cilindro en bancada con sistema basculante

Fig. 4.6.- Montaje del CilindroPara el montaje se procedi a colocar las chumaceras en la bancada, posteriormente con la ayuda de un gato hidrulico logramos levantar la estructura cilndrica y as poder incrustar los ejes, colocando refuerzos en la unin del eje y del cilindro.

Montaje de pared refractaria

Fig. 4.7.- Montaje de la Pared Refractaria Para el montaje de la pared refractaria requerimos hacer un clculo para obtener una cantidad aproximada del nmero de ladrillos a utilizarse; dicho clculo se realiz haciendo una simulacin en el programa RHINO CEROS, dndonos como resultado 20 ladrillos rectos y 64 en arco. Con la ayuda del mortero fragado a aire AEROFRAX procedimos a colocar la mescla en las uniones del ladrillo. Es importante recalcar que no existe pegamento que una el cilindro metlico con los ladrillos refractarios, por lo que es de suma importancia que los ladrillos queden bien compactados y con la ayuda del mortero evitar prdidas de calor.

Montaje del crisol

Fig. 4.8.- Montaje del Crisol

Una vez colocada la pared refractaria y con la ayuda de ladrillos refractarios se construye la base del crisol. El pegamento a utilizarse es una mezcla compuesta de arcilla, melaza, slice y vidrio la cual soportar altas temperaturas y mantendr fijo el crisol. Se construye un canal para la descarga utilizando como base un ladrillo recto refractario junto con la mezcla antes indicada, sirviendo tambin como soporte para asegurar el crisol.

Montaje de la tapa fija mvil en el cilindro

Fig. 4.9.- Montaje de la Tapa

Para la colocacin de la tapa es necesario una pared refractaria logrando as la deformacin de la misma. El sistema que utilizamos para fijar la tapa consta de dos tuercas y un perno como se muestra en la figura.

Montaje del sistema centralita con el quemador

Fig. 4.9.1.- Montaje del Sistema de Quemador

Una vez realizada la construccin de la centralita y el quemador, utilizamos las mangueras como conexin de estos dos elementos para formar un solo sistema denominado quemador.

Las vlvulas reguladoras usadas en los tanques de gas son industriales.

Costos

A continuacin se detallan los costos de todos los materiales utilizados para la construccin del horno de fundicin.

6.1.- TABLA DE COSTOS

CantidadDetalleValorUnitarioValorTotal

1Quemador900

1Centralita

1Crisol500

1Plancha de acero

85Ladrillos refractarios (en arco y rectos)12.000

35 Kg. Mortero fraguado al aire AEROFRAX

4Chumaceras

1Manmetro de 200PSI

2Engranajes

2Tanques de gas

10 m.Angulos 2

3 m.Eje de transmisin (acero 3 cm)

1 galnPintura color negro

1Volante 30 cm. (varilla redonda )

1Reguladores 12 KGS RECA

Cortes con plasma

Barolado en plancha de

Accesorios (suelas, neplos, bushing, acoples, etc)

Otros

TOTAL: