UNIDAD I
PROCESOS DE FUNDICIÓN Y MOLDEO
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA DE INGENIERIA, CIENCIAS SOCIALES Y
ADMINISTRATIVAS
ENERO 2013 Escandón Guzmán Cristian A.
INDICE (PARTE 1)
I. Obtención del Hierro al Acero
II. Alto Horno
III. Minerales, Fundentes, Gases, Combustibles y Chatarra
IV. Oxidoconvertidores: Bessemer, Basico y Siemmens – Martin
V. Metodos No Convencionales:
I. Horno Eléctrico
II. Horno de Crisol
III. Proceso de Colada
IV. Cubilote
V. Método Dúplex
VI. Método Triplex
INDICE (PARTE 2)
I. Introducción a los Procesos de Fundición
II. Metodología de la fundición de una pieza
III. Tipos de Modelos de fundición
IV. Factores para una buena fundición
V. Procedimiento de Moldeo
VI. Tipos de Fundición de acuerdo al moldeo
VII. Caja de Moldeo
VIII. Arenas
IX. Tipos de Arenas
X. Pruebas para determinar tipos de Arenas
XI. Aglutinantes
XII. Corazones
XIII. Terminado y Limpieza
XIV. Moldeo por Lingotes y caracteristicas
Materia Prima él está
siempre en forma de óxido
(Fe2O3)
Eliminarle Oxígeno
(Proceso Reducción)
Mediante un
elemento reductor:
Monóxido de
Carbono (CO)
Hierro
Elemental
- Combustión
ESQUEMA PRINCIPAL
Elemento que arde (combustible) Coque (C) CO
Produce la combustión (comburente) O2
CO2 Dióxido de Carbono
Hornos y
convertidores
para la
producción del
Acero
Alto Horno
Oxido convertidores, Horno Oxigeno Básico
Siemmens – Martin
Hornos de Cubilote
Características: 8 metros aprox. de Ø , h = 70 m aprox. Duración: 5
– 7 Años
Producción: 700 – 1600 ton x 24 horas x 360 dias
Mineral
- Extracción de Yacimientos A cielo Abierto
- Extracción Betas Subterraneas
Tipos de Mineral
- Magnetita
- Hematita (80%)
- Limonita
- Siderita
Extracción
- Apartado
- Trituración (Piedra caliza)
- Molienda
- Cribado (Clasificación del material)
- Separación Electromagnética
- Concentración (Pelets)
- Tostación
Producción de Arrabio en el Alto Horno
Producción 1 ton Arrabio
2 ton de Mineral de Hierro
(Mena)
1 ton de Coque
½ ton Piedra Caliza
3 ½ ton de Aire 02
1 tonelada de hierro de
1ra Fusión del 3 al 4 % C
7 toneladas de Materia
Prima
Producción de Arrabio en el Alto Horno
Composición del Arrabio:
• Carbono 4 %
• Silicio 5 %
• Manganeso 1 %
• Azufre 4 % Proceso de Refinación
T= 900° C (ganga + cenizas + CaO)
Cal (CaO)
•Inyectarle Aire (Antes) Oxigeno
• Puro (Actualidad) o Mediante Oxidos
(Chatarra)
Combustibles: El coque es el residuo que queda después de calentar
ciertos carbones en ausencia de aire. Es un material duro quebradizo y
poroso, que contiene de 85% a 90% de carbono, junto con alto de
cenizas, azufre y fósforo.
Chatarra: Metales procedentes de estructuras inservibles, tale como
calderas, puentes, buques, automóviles, etc., se convierten en chatarra
aprovechable.
OXIDOCONVERTIDORES
Horno cuya finalidad consiste en producir aceros controlando el %
de Carbono en aleaciones de metales ferrosos o férricos (Elemento
base es el hierro).
Principal Producto: Acero Inoxidable que toma como m.p. Chatarra,
Arrabio y Hierro Esponja. (reducido)
OXIDOCONVERTIDORES
Tipos de Hornos o Convertidores:
- Bessemer
- Oxigeno Básico y Lanza de Oxigeno
- Siemmens - Martin
| BESSEMER (Mezcla de Aire, Tipo Acido)
Inyecta Aire
Hierro Convertidor Bessemer Oxidación del C, Si y Mn Adiciona
C y Mn
Queman impurezas (Fundición Especular)
Producto (verter a moldes)
Características: Construido internamente con un revestimiento Tipo
básico de Silicio o Magnesia “Actúan como fundente y es de tipo
basculante.
| BESSEMER
BASICO DE OXIGENO (BOF)
El Básico de Oxigeno utiliza Oxigeno
Puro a diferencia del Bessemer que
utiliza aire.
Son fabricados del tipo Basculante.
Se adiciona chatarra y arrabio
fundidos y se les inyecta oxigeno por
medio de una lanza sobre la
superficie del material.
BASICO DE OXIGENO (BOF)
Fundentes: Cal Escoria
Insumos: 12 – 30 % Chatarra / 70 - 88 % Arrabio
Capacidad: 50 – 350 ton
Producción: 360 ton métricas por hora
Productos Diferentes grados de Aceros Inoxidables y alta aleación
Se utiliza: En laminas, Placas y Acero Estructural así como en
carrocerias.
SIEMMENS – MARTIN (Horno de Hogar Abierto)
Horno cuyo proceso consiste en elevar a 1500 ° C el horno por un periodo de
8 -10 hrs lo cual provoca que sea un proceso muy Costoso (T° = Cte)
Se alimenta del:
- Arrabio proveniente de Alto Horno (mena)
- Chatarra, Oxigeno y Oxido de Hierro (Oxidantes)
- Aluminio y Ferromagneso (especie de fundentes)
oTipo de Horno:
- De Reverbero con capacidad 600 ton
- Revestimiento tipo básico
oEstructura : Permite Proceso regenerativo de gases:
oCombustible
oAire
oProductos: Herramientas, Tuercas, Pernos y Tornillos.
El O2 del FeO2 Oxida (C, Si e Impurezas) MO2: Escapa a la
atmosfera
SiO y PO Absorbidos por revestimiento básico
PROCESOS NOS CONVENCIONALES PARA LA OBTENCION DEL
ACERO
-Poco utilizados
-Costos elevados de producción de acero (Alta calidad)
Tipos
- Hierro esponja (reducido) Purificación por reducción
directa (HYL)
-Obtención de aceros
aleados, no aleados
y fundiciones
-Horno Eléctrico
- Horno de Crisol
- Proceso de Colada
- Cubilote
- Método Dúplex
- Método Triplex
PROCESOS NOS CONVENCIONALES PARA LA OBTENCION
DEL ACERO
I. Reducción Directa (HYL )
Hierro Esponja + Chatarra Horno Eléctrico para su refinación.
Productos: Grados diferentes de Acero de Alta aleación
(INOX) Resistentes al H2O, T
PROCESOS NOS CONVENCIONALES PARA LA OBTENCION
DEL ACERO
I. Reducción Directa (HYL )
II. H. Eléctrico
Horno cuyo proceso metalúrgico consiste en producir calor
rápidamente mediante el calentamiento de un material conductor
eléctrico al inducir una corriente eléctrica, elevando la T en donde
se encuentra contenida la m.p. sin contacto físico lo que evita
contaminar el acero por el proceso de combustión.
H. ELECTRICO
-Estructura: Basculante
-Capacidad: 20 ton
-Tiempo de Precalentado: 3 – 6 hrs
-Materia Prima: Chatarra Seleccionada ,
Piedra Caliza y Material
metálico
-Tipos de Recubrimientos :
- Básico : Piezas de Acero Fundido
- Ácido : Aceros especiales
-Ventajas: Alto control de impurezas: precisión en su composición
química
-Arco Eléctrico (78 %)
-Conexión Directa: Corriente Monofásica y Trifásica
-Conexión Indirecta: Corriente Monofásica
-Inducción (18 %)
-Alta frecuencia
-Baja frecuencia
-Resistencia ( 4 %)
-Resistencia metálica
-Resistencia No metálica
Tipos de
Hornos
Eléctricos
-Arco Eléctrico (78 %)
-Inducción (18 %)
-Resistencia ( 4 %)
Hornos
Eléctricos
III. H. CUBILOTE
Arrabio + Chatarra + Coque + Caliza + Aire Se funden en un horno
denominado cubilote T 1200 – 1500 °C Precalentado 2 – 3 hrs
-Reducción de costos (mas económico)
-Mantenimiento mínimo
-Utilización de combustible solido (coque)
-La m.p tiene intimo contacto entre si Intercambio térmico directo y
activo
-Recubrimiento refractario
-Alto rendimiento (Producción)
-Baja calidad o control metalúrgico
Aire Caliente (Recuperador)
Tipos:
Aire Frio
III. H. CUBILOTE
Características: 10 m Altura – 4 -6 m Ø
IV. H. Crisol
Horno cuya materia prima (carga metálica, fundentes, Aire) se funde
sin entrar en contacto con los gases de la combustión.
- Gas o Carbón de coque como combustible
-Aleaciones de metales no ferrosos
-Crisol:
Forrados de acero con una base interna de grafito con
ladrillos refractarios (mampostería) rodeados por coque se enciende y
alcanza incandescencia.
Revestimiento Grafito: Aglutinantes ( Arcilla y Alquitrán)
Limitados del tipo basculantes (mecánicos-hidraúlicos), por
lo que se emplea el cuchareo.
V. METODO DUPLEX
Horno Cielo Abierto
Procesos:
Horno de Cubilote
-Coladas o Vaciados continuos
-Alto control de T y vaciado del metal
-Productos: Fundición Blanca (C + Cementita), Acero, Aleaciones
especiales y Hierro fundido maleable
-Características: Resistente al impacto y al mecanizado.
-Piezas Producidas Crisol -> Horno Recocido x 3-4 dias
T= 815 – 1100 °C
-Objetivo: carburos de hierro Nodulos de Carbón de Temple
VI. METODO TRIPLEX
Horno Cielo Abierto
Procesos: Horno de Cubilote
Horno Eléctrico
-No convencional $
-Producción: Materiales especiales Herramientas de Corte
Resistencia Fricción
Resistencia al rozamiento
PROCESOS DE FUNDICIÓN.
El proceso para producir piezas u objetos útiles con metal fundido
se le conoce como proceso de fundición. Este proceso se ha
practicado desde el año 2000 ac.
Consiste en vaciar metal fundido en un recipiente con la forma de
la pieza u objeto que se desea fabricar y esperar a que se endurezca
al enfriarse.
FUNDICIÓN O COLADA
Proceso para obtener una pieza o producto de fundición donde se
cuela el metal líquido en un molde.
Para lograr la producción de una pieza fundida es necesario hacer las siguientes actividades:
1. Diseño de los modelos de la pieza y sus partes internas
2. Diseño del molde
3. Preparación de los materiales para los modelos y los moldes
4. Fabricación de los modelos y los moldes
5. Colado de metal fundido
6. Enfriamiento de los moldes
7. Extracción de las piezas fundidas
8. Limpieza de las piezas fundidas
9. Terminado de las piezas fundidas
10. Recuperación de los materiales de los moldes
TIPOS DE MODELOS DE FUNDICIÓN A LA ARENA
Modelo removible o permanentes.
Modelo desechable.
Semipermanente
Los moldes se fabrican por medio de
modelos los que pueden ser de madera, plástico, cera, yeso, arena, poliuretano, metal, etc. Si los modelos se destruyen al elaborar la pieza, se dice que éstos son desechables y si los modelos sirven para varias fundiciones se les llama permanentes.
FACTORES PARA UNA BUENA FUNDICIÓN
Procedimiento de Moldeo
Modelo
Arena
Corazones
Equipo Mecánico
Metal
Vaciado y Limpieza
PROCEDIMIENTOS DE MOLDEO.
Los Moldes se clasifican según los materiales usados.
Moldes de arena verde
Moldes con capa seca
Moldes con arena seca
Moldes de arcilla
Moldes de CO2
Moldes de Metal
Moldes Especiales
FUNCION EN MOLDES DE ARENA VERDE.
Uno de los materiales más utilizados para la fabricación de moldes
temporales es la arena sílica o arena verde (por el color cuando está
húmeda).
El procedimiento consiste en el recubrimiento de un modelo con
arena húmeda y dejar que seque hasta que adquiera dureza.
MOLDES DE ARENA VERDE
MOLDES DE ARENA VERDE
MOLDES DE ARENA
VERDE
FUNDICION EN MOLDES DE
CAPA SECA
Es un procedimiento muy parecido
al de los moldes de arena verde,
con excepción de que alrededor del
modelo (aproximadamente 10 mm)
se coloca arena con un compuesto
que al secar hace más dura a la
arena, este compuesto puede ser
almidón, linaza, agua de melaza,
etc.
El material que sirve para
endurecer puede ser aplicado por
medio de un rociador y
posteriormente secado con una
flama.
FUNDICION EN MOLDES CON ARENA SECA.
Estos moldes son hechos en su totalidad con arena verde común,
pero se mezcla un aditivo como el que se utiliza en el moldeo
anterior, el que endurece a la arena cuando se seca.
Los moldes deben ser cocidos en un horno para eliminar toda la
humedad y por lo regular se utilizan cajas de fundición.
Estos moldes tienen mayor resistencia a los golpes y soportan
bien las turbulencias del metal al colarse en el molde.
FUNDICION EN MOLDES DE ARCILLA.
Los moldes de arcilla se construyen al nivel de piso con
ladrillos o con materiales cerámicos, son utilizados para la
fundición de piezas grandes y algunas veces son reforzados con
cajas de hierro.
Estos moldes requieren mucho tiempo para su fabricación y no
son muy utilizados.
FUNDICION CON MOLDES DE CO2.
En este tipo de moldes la arena verde se mezcla con silicato de sodio
para posteriormente ser apisonada alrededor del modelo.
Una vez armado el molde se inyecta bióxido de carbono a presión
con lo que reacciona el silicato de sodio aumentando la dureza del
molde.
Con la dureza adecuada de la arena del molde se extrae el modelo,
si este fuera removible, para posteriormente ser cerrado y utilizado.
FUNDICION EN MOLDES DE METAL.
Se usan principalmente en fundición en matriz de aleaciones de bajo
punto de fusión.
Las piezas de fundición se obtienen de formas exactas con una
superficie fina, esto elimina mucho trabajo de maquinado.
FUNDICION EN MOLDES ESPECIALES.
Plástico, cemento, yeso, madera y hule, todos estos
materiales son usados en moldes para aplicaciones
particulares .
Moldeo en banco. Este tipo de moldeo es para trabajos pequeños y se fabrican en un banco que se encuentre a la mano del trabajador.
Moldeo de piso. Para piezas grandes en las que su manejo es difícil y no pueden ser transportadas de un sitio a otro.
También los procesos de moldeo pueden ser clasificados por el lugar en el que se fabrican.:
Moldeo en fosa. Cuando las piezas son extremadamente grandes y para su alimentación es necesario hacer una fosa bajo el nivel medio del piso.
Moldeo en maquina. Las maquinas hacen un numero de operaciones que el moldeador hace a mano.
MODELOS.
Es una copia de la pieza a fundir. Deberá ser sobredimensionada ya que se debe tener en cuenta la contracción de la misma una vez se haya enfriado a temperatura ambiente. Se debe dar una sobre medida en los casos en el que se dé un proceso adicional de maquinado o acabado por arranque de viruta.
El uso del modelo determina el material a usar . Para la construcción del modelo, se puede emplear desde madera, yeso o plásticos como el uretano y el poliestireno expandido (EPS) hasta metales como el aluminio o el hierro fundido u otro material suficientemente fuerte para retener su forma y resistir el desgaste
Debe tener ángulos de salida, ángulos mínimos con la dirección de desmoldeo (la dirección en la que se extraerá el modelo), con objeto de no dañar el molde de arena durante su extracción. Se recomiendan ángulos entre 0,5º y 2º.
CAJA DE MOLDEO.
Son cajas de caras abiertas en las cuales la arena se compacta redondeando el modelo. Contiene y soporta la arena durante el moldeo y permite la apertura del molde para la extracción del molde. Se alinean con pasadores y guías.
ARENAS.
Hay básicamente 2 tipos de arenas.
Arenas sílicas.
Arenas de moldeo sintéticas.
Características de Arenas sílicas.
•Disponibilidad de ella.
•Resistencia a altas temperaturas.
•Bajo costo.
•Alta duración.
•Gran variedad de tamaños.
Características de Arenas sintéticas.
Estructuras son análogas si cumplen funciones parecidas por medios
semejantes
• Genera menos gases por poca humedad. (5 %).
• Las arenas se clasifican por tamaño de grano.
• Grano grueso, mediano y fino.
• Pruebas a la que se someten las arenas.
• Prueba de dureza de moldes y corazones.
• Pruebas de finura del grano.
• Pruebas sobre contenido de humedad.
• Pruebas de permeabilidad.
Clasificación
arena de cuarzo
desintegrado
SiO2
Angular: Resiste la compactación y requiere más
humedad.
Sub ángulo: Tiene buena resistencia, aristas
redondeadas, es la mejor.
Redondo: Buena permeabilidad, baja resistencia y
Fluye bien.
Compuesto: Tiende a romperse.
TAMAÑO DE LA ARENA.
Sistema ingles mallas hasta 600
Sistema métrico (mm, micras)
malla 6 0.131” 3.32mm
malla 270 0.0021” 0.033mm
.
CORAZON DE MOLDEO.
Es cualquier proyección de arena dentro del molde.
Cuando una pieza de fundición debe tener una cavidad o hueco, como
para un agujero de tornillo se introduce en el molde alguna forma de
corazón.
Tipos de Corazón:
oCorazones de Arena verde
oCorazones de Arena seca
AGLUTINANTES PARA LA ARENA.
oAglutinantes de aceite, linaza : Estos endurece cuando se oxida
por acción del calor. Para el caso de los corazones deben
hornearse por 2 horas a una temperatura entre 180 y 220 °C
oAglutinantes solubles en agua, harina de trigo, dextrina,
almidón, también tiene que se horneado.
o Aglutinantes con resina de alcohol furfural, secados con aire
caliente, 220 °C, 10 a 20 seg.
AGENTES ORGANICOS DE LIGA.
Resinas termofragantes
Furan se cataliza con acido fosforico
Alquidisocianato
Fenosiliciosianato.
Estos fraguan a temperatura ambiente con la ayuda de un catalizador, el
más común es el furan y cataliza con acido fosforico.
Uso. Corazones chicos y grandes, incluso en moldes.
Tiene muchas ventajas sobre los demás (furan) pero es costoso por el
equipo a usar y no es recuperable.
VACIADO DE METAL.
Si son talleres pequeños se toma el metal liquido con la ayuda de una cuchara
de vaciado o con la ayuda de 2 operarios si el metal es muy pesado.
En fundiciones grandes con muchas piezas a elaborar las líneas de
vaciado se colocan cerca del horno de fusión o transportadas por
medios aéreos con grúas viajeras.
Al solidificarse la pieza se extraen de las cajas de moldeo de forma
manual o por medio de un equipo vibratorio y se recuperan las arenas
de moldeo.
Las entradas y bebederos se cortan con la ayuda una prensa o una
sierra de banda.
LIMPIEZA DE PIEZAS.
oPara la limpieza de las piezas de fundición se utilizan métodos
dependiendo del tamaño genero y forma de las piezas.
oEl método mas utilizado es el rotatorio, la maquina consiste en un
barril de limpiado.
oContiene arena que golpea las piezas constantemente y eliminado
los residuos de la arena.
oLas piezas mas grandes las cuales son difíciles de manejar a mano,
se limpia con agua a alta presion.
oLa pieza se coloca en una mesa giratoria para este fin.
La mayoría de las piezas de fundición requieren un trabajo de
esmerilado para eliminar algunos defectos y principalmente
en eliminar completamente la tez de fundición.
MOLDEO EN
LINGOTERAS.
Para fabricar los diferentes objetos
útiles en la industria metal metálica,
es necesario que el hierro se presente
en barras.
Láminas
Alambres
Placas
Tubos o perfiles estructurales
Los que se obtienen de los procesos
de rolado.
Los lingotes (cilindros con un extremo menor que el otro) o
lupias (lingotes de gran tamaño con secciones rectangulares)
pueden tener desde 25 kg hasta varias toneladas, todo
dependerá de para qué se van a utilizar y para con qué tipo
de rodillos se van a procesar.
MOLDEO EN LINGOTERAS.
Lingoteras directas.
Capacidades desde 50
hasta 6500 gramos
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