METODOS DE FUNDICION

Principales métodos de fundición en metales[1]

El curso de procesos de manufactura II, tiene múltiples temas en su desarrollo silábico, siendo el tema de los procesos de fundición de metales el que más abarca en todo el silabo en su aplicación y son los que se aplican en la industrial actual con mayor énfasis, capaces de reproducir geometrías muy complejas, permitiendo también generar cavidades o superficies internas en las piezas de cierta complejidad. Por otra parte, tienen una gran versatilidad, permitiendo fabricar a bajo costo piezas de una gran diversidad de tamaños y formas, que no puede conseguirse con otros procesos de fabricación, y así procesar determinados materiales de difícil tratamiento mediante procesos de otros tipos elementales.

Son diversas las tecnologías que hasta la fecha se han desarrollado en el ´ámbito de los procesos de fundición en los metales. Aunque obviamente las distintas tecnologías tienen sus propias características, aplicaciones, ventajas y limitaciones, para garantizar un adecuado nivel de calidad en el producto que existen aspectos comunes a todas ellas cuyoconocimiento es indispensable para controlar un proceso de fundición.

Para desarrollar la operación de fundición del metal se calienta hasta una temperatura ligeramente mayor a su punto de fusión y posteriormente se vierte en la cavidad del molde para que se solidifique. En esta sección consideramos varios aspectos de estos pasos en la fundición.

Fundición en el alto horno del metal de arrabio.

Las fundiciones se obtienen en el Horno Alto por reducción mediante carbono. A continuación figura una de las reacciones en cadena de reducción del mineral de hierro:

El proceso simplificado es el siguiente:

• 1. Por el tragante se introduce la materia prima: mineral (piritasa, oligisto, hematites, magnetita, la siderosa o limonita), coque y fundente.

• 2. El mineral estará troceado para facilitar el contacto con los gases.

• 3. Se usa coque como combustible por su alta resistencia mecánica a alta temperatura.

• 4. Se añaden fundentes (calizas, dolomía y sílice) para facilitar la separación de la ganga del metal. Ganga y cenizas del combustible forman la escoria. Los fundentes también reaccionan con impurezas impidiendo su mezcla con el metal fundido.

• 5. El arrabio (metal fundido carburado) la colada del arrabio se cuela por la piquera mientras la de la escoria, que sobrenada, sale por las bigoteras.

• 6. El arrabio se conduce en estado líquido a la acería para su afino o a la máquina de colar.

• 7. En la máquina de colar se producen los lingotes de hierro para fabricar piezas de fundición.

• 8. La escoria, compuesta de por combinación de la sílice y de la alúmina procedentes de la ganga del mineral de hierro y de las cenizas de coque y la cal del fundente, se carga en cucharas para transportar al lugar de enfriamiento.

• 9. La escoria normal se obtiene por enfriamiento en pozos con adición de agua para que se fracturen produce las escorias utilizadas en hormigones.

• 10. La escoria granulada se obtiene por enfriamiento en baño de agua produce su desmenuzamiento dejándolas en condiciones de ser usadas para fabricar cemento.

• 11. La escoria dilatada se obtiene añadiendo menos agua inferior a la empleada para la granulada. El resultado es un Clinker celular. Se usa en hormigones ligeros con propiedades de aislante térmico y acústico.

Fig. Alto Horno

El Acero

El procedimiento más utilizado para la obtención del acero es la descarburación de la fundición, que es el material que se obtiene directamente por la reducción del mineral por el carbono. De modo que primero se carbura el mineral para después descarburarlo.

Para obtener directamente acero es necesario partir de la fase alotrópica ? pues en esta fase no se puede disolver más del 2 % de carbono siendo acero el producto final. Este acero se llama prerreducido y no es el acero que se usa habitualmente.

La materia prima para obtener acero son el arrabio o la chatarra. El acero obtenido por afino del arrabio se hace en convertidores. Cuando se utiliza la chatarra se producen en el horno eléctrico.

La eliminación del carbono en exceso se logra por oxidación generando CO y, posteriormente CO2 que escapa. Igualmente hay que eliminar los óxidos de hierro que puedan formarse, así como el fósforo y el azufre. La formación del CO es consecuencia de una formación previa de FeO:

FeO +C = Fe +CO

El proceso en el horno eléctrico es el siguiente (es el utilizado en las acerías modernas):

• 1. Se coloca la carga de chatarra y fundente que contienen cal y espato-flúor. (entre 60 y 70 toneladas). Se añade antracita en el caso de que se necesite recarburar.

• 2. En caso de que se quiera añadir níquel o molibdeno se añaden en esta fase.

• 3. La fusión de esta carga se realiza por medio de los electrodos. Este periodo de fusión dura una hora.

• 4. Se insufla oxígeno creando la atmósfera oxidante que permite la eliminación del fósforo. En esta fase se forma CO que agita el baño facilitando la reacción. Esta fase dura unos 40 minutos.

• 5. Se toman muestras para ajustar la dosificación y se elimina la escoria añadiendo coque o grafito si hay que carburar.

• 6. Se inicia el periodo reductor con la adición de una nueva escoria para eliminar el azufre. Este periodo dura media hora.

• 7. Se produce la eliminación del oxígeno de la escoria mediante polvo de coque y ferrosilicio. Se toma otra muestra para el ajuste final de los componentes. Si la temperatura es correcta se trasvasa el material del horno a las cucharas.

Los tratamientos térmicos permiten aportarle a los productos siderúrgicos propiedades determinadas mediante calentamiento y enfriamiento en determinadas condiciones.

Son los siguientes:

• Curvas de la S. Controla el tratamiento térmico de los aceros

• Normalizado. Consigue una estructura homogénea y elimina tensiones.

• Temple. Aumenta la dureza, el límite elástico y la resistencia a tracción. Disminuye la tenacidad y el alargamiento.

• Revenido. Mejora las características de los aceros templados.

• Recocido. Ablanda el acero y elimina tensiones internas

• Tratamientos isotérmicos. Elimina tensiones producidas por enfriamiento desiguales.

• Temple superficial. Consigue endurecer la superficie del producto.

• Cementación. Consigue compaginar una mínima de tenacidad y una gran dureza.

• Nitruración. Consigue una dureza extraordinaria de la superficie.

Calentamiento del metal

Se usan varias clases de hornos, para calentar el metal a la temperatura acuerdo al material por fusión administrada al material ferroso o no ferroso. La energía calorífica requerida es suma de elementos básicos:

a) Del calor para elevar la temperatura hasta el punto de fusión,

b) Del calor de fusión para convertir el metal sólido a líquido y

c) Del calor para elevar al metal fundido a la temperatura de vaciado al molde.

Esto se puede expresar bajo el análisis exhaustivo de cada uno de metales, donde su aplicabilidad se fundamente en:

a). Transferencia de calor (energía calorífica)

La ecuación tiene un valor conceptual y su cálculo es de utilidad limitada, no obstante se usa como ejemplo. El cálculo de la ecuación es complicado por los siguientes factores:

• 1) El calor específico y otras propiedades térmicas del metal sólido varían con la temperatura, especialmente si el metal sufre un cambio de fase durante el calentamiento;

• 2) El calor específico de un metal puede ser diferente en el estado sólido y en estado líquido;

• 3) La mayoría de los metales de fundición son aleaciones que funden en un intervalo de temperaturas entre sólidos y líquidos en lugar de un punto único de fusión, por lo tanto, el calor de fusión no puede aplicarse tan fácilmente como se indica arriba;

• 4) En la mayoría de los casos no se dispone de los valores requeridos en la ecuación para una aleación particular

• 5) Durante el calentamiento hay pérdidas de calor significativas.

b). Vaciado del metal fundido

Después del calentamiento, el material está listo para vaciarse. La introducción del metal fundido en el molde y su flujo dentro del sistema de vaciado y de la cavidad es un paso crítico en el proceso. Para que este paso tenga éxito, el metal debe fluir antes de solidificarse a través de todas las regiones del molde, incluida la región más importante que es la cavidad principal. Los factores que afectan la operación de vaciado son la temperatura de vaciado, la velocidad de vaciado y la turbulencia.

c). La temperatura de vaciado

Es la temperatura del metal fundido al momento de su introducción en el molde. Lo importante aquí es la diferencia entre la temperatura de vaciado y la temperatura a la que empieza la solidificación (el punto de fusión para un metal puro, o la temperatura liquidus para una aleación). A esta diferencia de temperaturas se le llama algunas veces sobrecalentamiento.

d). La velocidad de vertido o vaciado

Es el caudal con que se vierte el metal fundido que ingresa al molde. Si la velocidad es muy lenta, el metal puede enfriarse antes de llenar la cavidad. Si la velocidad de vaciado es excesiva provoca turbulencia y puede convertirse en un problema serio.

e). La turbulencia de flujo

Se caracteriza por

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