UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIAFACULTAD DE INGENIERIA INDUSTRIAL Y DE SISTEMAS

MONOGRAFA N 1 DE PROCESOS INDUSTRIALES IITRANSFERENCIA DE CALOR EN EL MOLDE DE ARENA

ALUMNOS:AGUILAR VASQUEZ, NEISSER FELIX ZELA, MANUEL

PROFESOR: CRUZ FIGUEROA, GUILLERMO

Lima, 28 de abril del 2015

INTRODUCCIN

I. FUNDICIN EN ARENA

La fundicin en arena es el proceso ms utilizado, la produccin por medio de este mtodo representa la mayor parte del tonelaje total de fundicin. Casi todas las aleaciones pueden fundirse en arena; de hecho, es uno de los pocos procesos que pueden usarse para metales con altas temperaturas de fusin, como son el acero, el nquel y el titanio. Su versatilidad permite fundir partes muy pequeas o muy grandes (vase la figura 2.9) y en cantidades de produccin que van de una pieza a millones de stas.La fundicin en arena consiste en vaciar un metal fundido en un molde de arena, dejarlo solidificar y romper despus el molde para remover la fundicin. Posteriormente la fundicin pasa por un proceso de limpieza e inspeccin, pero en ocasiones requiere un tratamiento trmico para mejorar sus propiedades metalrgicas. Se da forma a la cavidad del molde de arena recubriendo con arena un modelo o patrn (un duplicado aproximado de la parte que se va a fundir), despus se remueve el modelo para separar el molde en dos mitades.El molde contiene el sistema de vaciado y la mazarota, pero si la fundicin tiene superficies internas (por ejemplo partes huecas o agujeros) debe incluirse tambin un corazn. Como el molde se sacrifica para remover la fundicin, se tiene que hacer un nuevo molde de arena por cada parte a producir. En esta breve descripcin se puede observar que la fundicin en arena no solamente incluye operaciones de fundicin, sino tambin la fabricacin de modelos y manufactura de moldes.

La secuencia muestra en la figura los Pasos en la secuencia de produccin de la fundicin en arena. Los pasos incluyen no solamente las operaciones de fundicin si no tambin la manufactura del modelo y del molde.

I.1. MODELOS Y CORAZONESLa fundicin en arena requiere un patrn o modelo al tamao natural de la parte, ligeramente agrandado, tomando en consideracin la contraccin y las tolerancias para el maquinado de la pieza final.Los materiales que se usan para hacer estos modelos incluyen la madera, los plsticos y los metales. La madera es un material comn para modelos, por la facilidad de trabajarla y darle forma. Sus desventajas son la tendencia a la torsin y al desgaste por la abrasin de la arena que se compacta a su alrededor, lo cual limita el nmero de veces que puede usarse. Los modelos de metal son ms costosos pero duran ms. Los plsticos representan un trmino medio entre la madera y los metales. La seleccin del material apropiado para patrones o modelos depende en gran parte de la cantidad total de piezas a producir.Hay varios tipos de modelos, como se ilustra en la figura 2.11. El ms simple est hecho de una pieza, llamado modelo slido, que tiene la misma forma de la fundicin y los ajustes en tamao por contraccin y maquinado. Su manufactura es fcil, pero la complicacin surge cuando se utiliza para hacer el molde de arena. Determinar la localizacin del plano de separacin entre las dos mitades del molde e incorporar el sistema de vaciado y el vertedero de colada para un modelo slido, puede ser un problema que se dejar al juicio y habilidad del operario del taller de fundicin. Por tanto, los modelos slidos se usan solamente en producciones de muy baja cantidad.Los modelos divididos constan de dos piezas que separan la pieza a lo largo de un plano, ste coincide con el plano de separacin del molde. Los modelos divididos son apropiados para partes de forma compleja y cantidades moderadas de produccin. El plano de separacin del molde queda predeterminado por las dos mitades del molde, ms que por el juicio del operador.Para altos volmenes de produccin se emplean los modelos con placa de acoplamiento o los modelos den doble placa (superior e inferior). En un modelo con placa de acoplamiento, las dos piezas del modelo dividido se adhieren a los lados opuestos de una placa de madera o metal. Los agujeros de la placa permiten una alineacin precisa entre la parte superior y el fondo (cope y drag) del molde. Los modelos con doble placa de acoplamiento son similares a los patrones con una placa, excepto que las mitades del patrn dividido se pegan a placas separadas, de manera que las secciones de la parte superior e inferior del molde se puedan fabricar independientemente, en lugar de usar la misma herramienta para ambas. La parte (d) de la figura 2.11 incluye el sistema de vaciado y de mazarota en los modelos con placa de acoplamiento doble.

La figura muestra los Tipos de patrones utilizados en la fundicin en arena: a) modelo slido, b) modelo dividido, c) modelo con placa de acoplamiento d) modelo de doble placa superior e inferior.

Los patrones definen la forma externa de la fundicin. Si posee superficies internas, se necesita un corazn para definirlas. Un corazn es un modelo de tamao natural de las superficies interiores de la parte. El corazn se inserta en la cavidad del molde antes del vaciado, para que al fluir el metal fundido, solidifique entre la cavidad del molde y el corazn, formando as las superficies externas e internas de la fundicin. El corazn se hace generalmente de arena compactada. El tamao real del corazn debe incluir las tolerancias para contraccin y maquinado lo mismo que el patrn. El corazn, dependiendo de la forma, puede o no requerir soportes que lo mantengan en posicin en la cavidad del molde durante el vaciado. Estos soportes, llamados sujetadores, se hacen de un metal cuya temperatura de fusin sea mayor que la de la pieza a fundir. Por ejemplo, para fundiciones de hierro colado se usan sujetadores de acero. Los sujetadores quedan atrapados en la fundicin durante el vaciado y la solidificacin. En la siguiente figura se muestra un posible arreglo del corazn usando sujetadores. La porcin de los sujetadores que sobresalen de la fundicin se recortan despus.

Corazn mantenido en su lugar dentro de la cavidad del molde por los sujetadores (b) Diseo posible del sujetador (c) Fundicin con cavidad interna.I.2. MOLDES Y FABRICACIN DE MOLDES

El molde es una cavidad que tiene la forma geomtrica de la pieza que se va fundir. La arena de fundicin es slice (Si02) o slice mezclada con otros minerales. Esta arena debe tener buenas propiedades refractarias, expresadas como la capacidad de resistir altas temperaturas sin fundirse o degradarse. Otras caractersticas importantes son: el tamao del grano, la distribucin de tamaos del grano en la mezcla y la forma de los granos. Los granos pequeos proporcionan mejor acabado superficial en la fundicin, pero los granos grandes son ms permeables, para que los gases escapen durante el vaciado. Los moldes hechos de granos irregulares tienden a ser ms fuertes que los moldes de granos redondos debido al entrelazado de los granos, pero esto tiende a restringir la permeabilidad.En la fabricacin del molde, los granos de arena se aglutinan por medio de una mezcla de agua y arcilla. La proporcin tpica (en volumen) es 90% de arena, 3% de agua y 7% de arcilla. Se pueden usar otros agentes aglutinantes en lugar de la arcilla, como resinas orgnicas (por ejemplo resinas fenlicas) y aglutinantes inorgnicos (por ejemplo, silicato y fosfato de sodio). Algunas veces se aaden a la mezcla de arena y aglutinante ciertos aditivos para mejorar las propiedades del molde como la resistencia y permeabilidad.En el mtodo tradicional para formar la cavidad del molde se compacta la arena alrededor del modelo en la parte superior e inferior de un recipiente llamado caja de moldeo. El proceso de empaque se realiza por varios mtodos. El ms simple es el apisonado a mano realizado manualmente por un operario. Adems, se han desarrollado varias mquinas para mecanizar el procedimiento de empacado, las cuales operan por medio de los siguientes mecanismos: 1) compactacin de la arena alrededor del patrn o modelo mediante presin neumtica; 2) accin de sacudimiento, dejando caer repetidamente la arena contenida en la caja junto al modelo, a fin de compactarla en su lugar; y 3) lanzamiento, haciendo que los granos de arena se impacten contra el patrn a alta velocidad.Una alternativa a las cajas tradicionales para moldes de arena es el moldeo sin caja, que consiste en el uso de una caja maestra en un sistema mecanizado de produccin de moldes. Cada molde de arena se produce usando la misma caja maestra. Se estima que la produccin por este mtodo automatizado puede ascender hasta seiscientos moldes por hora.Se usan varios indicadores para determinar la calidad de la arena para el molde: 1) resistencia, capacidad del molde para mantener su forma y soportar la erosin causada por el flujo del metal lquido,depende del tamao del grano, las cualidades adhesivas del aglutinante y otros factores; 2) permeabilidad, capacidad del molde para permitir que el aire caliente y los gases de fundicin pasen a travs de los poros de la arena; 3) estabilidad trmica, capacidad de la arena en la superficie de la cavidad del molde para resistir el agrietamiento y encorvamiento en contacto con el metal fundido; 4) retractilidad, capacidad del molde para dejar que la fundicin se contraiga sin agrietarse; tambin se refiere a la capacidad de remover la arena de la fundicin durante su limpieza; y 5) reutilizacin, puede reciclarse la arena del molde roto para hacer otros moldes?. Estas medidas son algunas veces incompatibles, por ejemplo, un molde con una gran resistencia tiene menos capacidad de contraccin.Los moldes de arena se clasifican frecuentemente como arena verde, arena seca o de capa seca.Los moldes de arena verde se hacen de una mezcla de arena, arcilla y agua, el trmino "verde" se refiere al hecho de que el molde contiene humedad al momento del vaciado. Los moldes de arena verde tienen suficiente resistencia en la mayora de sus aplicaciones, as como buena retractilidad, permeabilidad y reutilizacin, tambin son los menos costosos. Por consiguiente, son los ms ampliamente usados, aunque tambin tienen sus desventajas. La humedad en la arena puede causar defectos en algunas fundiciones, dependiendo del metal y de la forma geomtrica de la pieza.Un molde de arena seca se fabrica con aglomerantes orgnicos en lugar de arcilla. El molde se cuece en una estufa grande a temperaturas que fluctan entre 204 C y 316 C. El cocido en estufa refuerza el molde y endurece la superficie de la cavidad. El molde de arena seca proporciona un mejor control dimensional en la fundicin que los moldes de arena verde. Sin embargo, el molde de arena seca es ms costoso y la velocidad de produccin es reducida debido al tiempo de secado. Sus aplicaciones se limitan generalmente a fundiciones de tamao medio y grande y en velocidades de produccin bajas.En los moldes de capa seca, la superficie de la cavidad de un molde de arena verde se seca a una profundidad entre 10 mm y 25 mm, usando sopletes, lmparas de calentamiento u otros medios, aprovechando parcialmente las ventajas del molde de arena seca. Se pueden aadir materiales adhesivos especiales a la mezcla de arena para reforzar la superficie de la cavidad.La clasificacin precedente de moldes se refiere al uso de aglutinantes convencionales, ya sea agua, arcilla u otros que requieren del calentamiento para curar. Se han desarrollado tambin moldes aglutinados, qumicamente diferentes de cualquiera de los aglutinantes tradicionales. Algunos de estos materiales aglutinantes, utilizados en sistemas que no requieren cocimiento, incluyen las resinas furnicas (que consisten en alcohol furfural, urea y formaldehdo), las fenlicas y los aceites alqudicos.La popularidad de los moldes que no requieren cocimiento est creciendo debido a su buen control dimensional en aplicaciones de alta produccin.

II. TRANSFERENCIA DE CALOR EN EL MOLDE DE ARENA

Teniendo en cuenta esta breve introduccin, la cual nos ha servido para entender cmo es que funciona el proceso de la fundicin en s. Entonces ahora vamos a analizar algunos conceptos que influyen en la transferencia de calor que existe en el molde de arena.

II.1. EL COMPORTAMIENTO DEL METAL COLADO

Cuando se vierte metal fundido en un molde, el colado empieza a enfriarse desde el interior de las superficies limitantes, debido a que el calor puede fluir solo hacia fuera a travs del molde. El metal en la superficie se enfra, ya que al principio el molde est relativamente fro.

En las condiciones actuales se produce una estructura de grano fino cerrado cerca a la superficie. Y granos ms gruesos hacia el centro donde el enfriamiento es ms lento. Si una seccin es gruesa, puede retirarse suficiente metal por contraccin que enfri y deje un vaci o cavidad como se indica en el siguiente grfico. Pero tal efecto en el colado puede evitarse, proporcionando una masa suplementaria de metal, llamada rebosadero, adyacente al colado como se muestra en la figura.

II.2. REBOSADERO

El propsito de los rebosaderos es alimentar metal lquido por gravedad dentro del cuerpo del colado para mantenerlo lleno. El rebosadero se corta despus de que ha enfriado el colado. Adems de que sirve como depsito de reserva, tambin mitiga el efecto de ariete hidrulico del metal que entra al molde y lo ventea.

La forma de rebosadero es de consideracin importante. Conforme la razn del rea sobre el volumen de una masa fundida disminuye, menos oportunidad se ofrece al escape de calor y disminuye la velocidad de solidificacin.

A continuacin se muestra una tabla con los tiempos de solidificacin para las formas comunes.

II.3. RAPIDEZ DE ENFRIAMIENTO

Las secciones delgadas se enfran con ms rapidez que las gruesas. Un resultado es que les beneficia ms un efecto de enfriamiento brusco y pueden ser ms fuertes y con grano ms fino.

Pero si una seccin es demasiado delgada, el metal que fluye en el pasaje estrecho puede solidificarse antes de que tenga oportunidad de llenar completo en la pared. El lmite ms bajo prctico del espesor de la seccin depende del diseo del colado y la fluidez del metal.

La etapa de solidificacin es crtica en todo el proceso, ya que un enfriamiento excesivamente rpido puede provocar tensiones mecnicas en la pieza, e incluso la aparicin de grietas, mientras que si es demasiado lento disminuye la productividad

A continuacin vamos a ilustrar en un grfico como es el comportamiento de lquido fundido durante el proceso de fundicin.

II.4. FLUJO DE CALOR

El tiempo total de solidificacin es el tiempo necesario para que la fundicin solidifique despus del vaciado. Este tiempo depende del tamao y de la forma de la fundicin expresada por una relacin emprica conocida como regla de Chvorinov que establece:

Donde:Ts: Tiempo de Solidificacin total, min;V: Volumen de fundicin, (m3);A: rea superficial de fundicin, (m2);n: Exponente que toma usualmente el valor de 2;Cm: Es la constante del modelo.

Dado que en 2, las unidades de Cm son 2 min/m, su valor depende de las condiciones particulares de la operacin de fundicin, entre las cuales se incluyen el material del molde (calor especfico y conductividad trmica), propiedades trmicas del metal de fundicin (calor de fusin, calor especfico y conductividad trmica), y la temperatura relativa de vaciado con respecto al punto de fusin del metal. La regla de Chvorinov indica que una fundicin con una relacin de volumen a rea superficial se enfriar y solidificar ms lentamente que otra con una relacin ms baja. Este principio ayuda en el diseo de la mazarota del molde.

El flujo del calor en la fundicin de arena es un proceso detransmisin de calorbasado en el contacto directo entre loscuerpos, sin intercambio demateria, por el que el calor fluye desde un cuerpo de mayortemperaturaa otro de menor temperatura que est en contacto con el primero:

q=KA(tf-to)

Donde:

Q: Flujo del calorK: Conductividad trmicaA: rea superficialTf: Temperatura finalTo: Temperatura inicial

III. BIBLIOGRAFA

1. https://www.youtube.com/watch?v=Ls7lz6wM-NA2. https://www.youtube.com/watch?v=1PuY64xrGcI3. Bibliografa del curso sobre fundiciones