INGENIERÍA DE PLANTA

UNIDAD I

ESTRUCTURA DE UNA PLANTA INDUSTRIAL

La finalidad de una estructura organizacional es establecer un sistema de papeles que han de desarrollar los

miembros de una entidad para trabajar juntos de forma óptima y que se alcancen las metas fijadas en la

planificación.

Elementos de la organización: (requerimientos)

· Los objetivos deben ser verificables, precisos y realizables. Para que sean precisos deben ser cuantitativos y

para ser verificables deben ser cualitativos.

· Tiene que haber una clara definición de los deberes, derechos y actividad de cada persona.

· Se tiene que fijar el área de autoridad de cada persona, lo que cada uno debe hacer para alcanzar las

metas.

· Saber cómo y dónde obtener la información necesaria para cada actividad. Cada persona debe saber donde

conseguir la información y le debe ser facilitada.

¿Qué es organizar?

1. Identificar y clasificar las actividades que se tienen que realizar en la empresa.

2. Agrupamos estas actividades.

3. A cada grupo de actividades le asignamos un director con autoridad para supervisar y tomar decisiones.

4. Coordinamos vertical y horizontalmente la estructura resultante.

Estructura organizacional: (dos definiciones)

Strategor: (1988) es el conjunto de las funciones y de las relaciones que determinan formalmente las

funciones que cada unidad deber cumplir y el modo de comunicación entre cada unidad.

Mintzberg: (1984) es el conjunto de todas las formas en que se divide el trabajo en tareas distintas y la

posterior coordinación de las mismas.

La estructura organizacional es una estructura intencional de roles, cada persona asume un papel que se

espera que cumpla con el mayor rendimiento posible.

Principios de una organización:

Eficacia: una estructura organizativa es eficaz si permite la contribución de cada individuo al logro de los

objetivos de la empresa.

Eficiencia: una estructura organizativa es eficiente si facilita la obtención de los objetivos deseados con el

mínimo coste posible.

La organización formal: es el modo de agrupamiento social que se establece de forma elaborada y con el

propósito de establecer un objetivo específico. Se caracteriza por las reglas, procedimientos y estructura

jerárquica que ordenan las relaciones entre sus miembros.

La organización informal: son las relaciones sociales que surgen de forma espontánea entre el personal de

una empresa. La organización informal es un complemento a la formal si los directores saben y pueden

controlarla con habilidad.

Estructura organizativa formal

Características

· Especialización: forma según la cual se divide el trabajo en tareas más simples y cómo estas son agrupadas

en unidades organizativas.

· Coordinación y áreas de mando: hay determinados grupos bajo el mando de un supervisor.

· Formalización: grado de estandarización de las actividades y la existencia de normas, procedimientos

escritos y la burocratización.

Factores que determinan como es una estructura organizativa formal:

1. Tamaño: empresa grande:

+ complejidad

+ burocracia / estructura organizativa más compleja.

+ Especialización

2. Tecnología: la tecnología condiciona el comportamiento humano como la propia estructura organizativa.

3. Entorno sectorial y social: no es lo mismo una empresa que está en el sector agrario que en el industrial, si

la empresa está en un sector más simple la estructura es más simple.

Actividades necesarias para crear una organización

· Integrar los objetivos y los planes.

· Definir la autoridad de cada director. Establecer una jerarquía.

· Se establecen las premisas de la jerarquía.

· Definimos las necesidades de información y su flujo.

· Dotarla de personal de acuerdo con los objetivos que queremos cumplir.

Áreas de mando

· Cuántos subordinado puede tener el director bajo su mando, tiene que ser un número limitado, no puede

tener muchos subordinados por que sino no puede realizar bien su trabajo.

· La organización nos ayuda a conseguir los planes.

· El exceso de niveles es costoso y puede obstaculizar a la planificación y al control.

· Principio de amplitud la gerencia: un director debe tener únicamente los subordinados que pueda gestionar

eficientemente.

· Cuáles son las variables básicas y cómo determinamos el área de mando

1. Similitud de funciones.

2. Proximidad geográfica.

3. Complejidad de las funciones.

4. Tipo de dirección y control.

5. Coordinación que debe tener con otras áreas de mando

Teorema de Graicunas: calcula el número de relaciones que hay en una empresa dependiendo del número

de subordinados.

Factores que determinan que un área de mando sea eficiente

Hay que disminuir el número de relaciones y reducir el tiempo de duración de las relaciones.

· El entrenamiento de los subordinados, que estén capacitados.

· Claridad en la delegación de la autoridad.

· Complejidad de las tareas.

· Claridad de los planes, los planes deben ser fáciles de comprender y se deben poder llevar a la práctica.

· Velocidad de cambio o grado de cambio.

· Uso de estándares objetivos.

· Técnicas de comunicación y de control. En cuanto a la comunicación se requieren asistentes de personal.

No hay que fiarse de la memoria, si la comunicación se hace oralmente, el empleado no debe tener ningún

tipo de duda.

· Diferencias dependientes del nivel organizacional considerado. En los niveles superiores la

· Especialización es menor, con lo cual las áreas de mando tienden a ser más amplias.

· Cantidad de contacto personal. Por ejemplo, la cantidad de tiempo que se emplea en hacer reuniones.

Ventajas e inconvenientes de las áreas de mando reducidas.

Ventajas:

· La supervisión es más estrecha.

· Se puede ejercer un control mayor.

· Rapidez de la comunicación.

Inconvenientes:

· Puede haber una mayor ingerencia por parte del director.

· Mayores costes

· Aumenta la burocracia puesto que hay más niveles.

· Perdida de la información.

Ventajas e inconvenientes de las áreas de mando amplias

Ventajas:

· Los superiores tienen que delegar.

· Las políticas tienen que estar formuladas claramente.

· Los subordinados tienen que estar más capacitados.

Inconvenientes:

· Se forman cuellos de botella en las comunicaciones.

· Se produce una pérdida de control

· Se requieren unos directores de gran calidad.

Poder y autoridad

Poder: capacidad de influir en las acciones de otras personas.

Autoridad: poder que se tiene para ocupar una posición determinada y a través de esa posición el poder que

tiene una persona para tomar decisiones que afectan a otro. La autoridad es un tipo de poder. Se puede

tener autoridad sin tener poder.

Autoridad de línea

Son los responsables directos de la realización de los objetivos, mientras que las funciones de Staff son las

que ayudan a las de línea para lograr los objetivos eficientemente.

Se llama autoridad de línea por que a un superior se le concede una línea de autoridad entre sus

subordinados. De aquí surge el Principio escalar: cuanto más clara sea la línea de autoridad desde el puesto

gerencial, más alta será la línea de autoridad hasta todos los puestos subordinados y más clara será la

responsabilidad por la toma de decisiones.

Diferencias entre línea y staff

Vienen dadas por la naturaleza de las relaciones que se mantienen en la organización.

Línea: la naturaleza de sus relaciones es de autoridad.

Staff: la naturaleza de sus relaciones es de poder.

Fuentes de poder

· Poder legítimo: deriva del puesto y es aceptado.

· Poder de conocimiento: poder que se deriva de la habilidad y de la pericia.

· Poder de referencia: tiene como fuente la referencia. Se cree en las personas y en sus ideas.

· Poder de recompensa

· Poder de coacción: ligado con el legítimo y con el de recompensa.

El poder de habilidad, pericia y de conocimiento tienen una gran influencia y podrían paralizar el proceso

dentro de una organización.

Autoridad: poder legítimo, de recompensa y de coacción.

Poder: poder de habilidad, pericia y conocimiento.

La autoridad funcional es el derecho que se delega a un individuo o a un departamento para controlar

ciertos procesos, prácticas, políticas u otras cuestiones relativas a las actividades comprendidas por las

personas de otros departamentos. Esta autoridad puede ser ejercida por la autoridad lineal o por el staff.

La autoridad funcional se aplica al cómo y al cuándo, y rara vez se aplica al qué, quién y dónde.

El empleo de la autoridad funcional debe ser esporádico y debe concentrarse en el punto más alto de la

organización.

Ventajas e inconvenientes del staff

Beneficios:

· Asesora en temas complejos.

· Permite pensar en lugar de ir día a día.

Inconvenientes:

· Puede socavar a la autoridad de línea.

· Falta de responsabilidad: el staff sólo recomienda, no tiene responsabilidad.

· Puede caer en “pensar en vacío” puesto que el staff no conoce la personalidad de la empresa y toda la

información.

· Crea problemas administrativos, se pierde la unidad de mando. Puede provocar problemas sobre quien

ejerce el liderazgo.

Factores para que el staff sea eficiente:

· Atender primero a la autoridad de línea.

· La línea debe escuchar al staff.

· Comprender que el staff no critica, sino que sugiere ayudas y resuelve los problemas.

· El staff debe mantenerse informado del día a día.

· El staff debe ser anónimo y altruista.

Delegación de la autoridad.

Es la cesión y transferencia de la autoridad por parte de quien la posee hacia otras personas con el fin de

tomar decisiones y emitir instrucciones. Se delega el trabajo y la autoridad, pero nunca se delega la

responsabilidad final respecto a los resultados. La distribución de la autoridad entre los diferentes niveles

dentro de la organización es lo que se llama sistemas de dirección. Si no hay delegación de autoridad se

habla de sistema de dirección centralizado.

No puede existir un sistema de dirección totalmente descentralizado o centralizado.

El mejor sistema de dirección está comprendido en el intervalo SD1, SD2.

Tipos de centralización.

· Centralización del desempeño: nos referimos a que hay concentración geográfica.

· Centralización departamental: concentramos actividades especializadas generalmente en un

departamento.

Definimos la centralización como un aspecto de la administración, como la tendencia a restringir la

delegación en la toma de decisiones, en la que se mantiene un alto grado de autoridad en los niveles

superiores.

Proceso de delegación

1. Determinación de los resultados esperados para un puesto.

2. Se le asigna a ese puesto una serie de tareas y de actividades.

3. Se delega la autoridad para que se puedan llevar a cabo esas tareas.

4. Se responsabiliza a esa persona para el cumplimiento de esa tarea.

Autoridad desmembrada, dividida o fragmentada.

Ocurre cuando no se puede tomar decisiones sin reunir delegaciones de autoridad de dos o más personas.

Arte de delegar

Actitudes personales

· Debe haber receptividad, se debe dar una oportunidad a las ideas de los demás. Se debe aceptar con

agrado las decisiones que el subordinado haya tomado.

· Voluntad de dejar hacer. Surge la ley de la ventaja administrativa comparativa (tenemos que dejar que

nuestros subordinados tomen decisiones). Hay ocasiones en que no se cumple por que la persona que

ocupaba el puesto sigue entrometiéndose.

· Hay que admitir los errores ajenos, el supervisor observa los errores y si es pequeño no dice nada para que

el otro aprenda.

· Se debe tener confianza en los empleados. Un supervisor cuando delega la autoridad a alguien tiene que

hacerlo confiando en ese subordinado.

· Retroalimentación: el que delega la autoridad debe asegurarse de que el subordinado está usando esa

autoridad para cumplir las metas y los objetivos.

Guías para evitar una mala delegación

· Se deben definir cuales son las tareas y delegar la autoridad según los resultados esperados.

· Se deben escoger a las personas idóneas para cada tarea y que se integren con el resto del personal de la

empresa.

· Se deben mantener abiertas las líneas de información, ya que no se delega toda la autoridad y tampoco se

delega toda la información.

· Se deben establecer controles apropiados, lo mejor es establecer unos controles amplios y más que

interferir es mejor señalar cuales son las desviaciones.

· Premiar a las personas que deleguen bien, tanto a las que delegan la autoridad tanto como a las que

aceptan la autoridad.

Principios de la delegación de autoridad.

1. Principio de autoridad y de responsabilidad: la autoridad delegada debe ser proporcional a la autoridad

que se asigna.

2. Principio de definición funcional: cuanto más claramente se definan los resultados previstos, las

actividades, los límites, los canales de información... Mayor será la posibilidad de que se cumpla la Misión del

director.

3. Principio escalar: cuanto más clara sea la línea de autoridad, más eficaz será la toma de decisiones.

4. Principio de nivel de autoridad: las decisiones que sean de la competencia de un director debe tomarlas él

y no referirlas a un superior.

5. Principio de unidad de mando: cuanto más completa sea la dependencia de un empleado a un solo

superior será mejor.

6. Principio de la responsabilidad total: la responsabilidad de una persona ante su superior es total y ningún

superior puede eludir su responsabilidad por la actuación de sus empleados.

7. Principio de delegación por los resultados esperados: la autoridad delegada debe ser adecuada para

asegurar la capacidad de obtener los resultados esperados.

Factores que determinan el grado de centralización de una empresa

1. El coste de las decisiones.

2. Por el tamaño de la empresa: a mayor tamaño, mayor descentralización.

3. Por la historia y cultura de la empresa: si la empresa ha sido estable, la empresa será centralizada.

4. Disponibilidad de buenos directores: cuanto mejores sean los directores., mayor es la centralización.

5. Técnicas de control utilizadas: si son apropiadas es más fácil delegar la autoridad.

6. Dinámica empresarial: el cambio que se pueda producir en el entorno. A mayor dinamismo más

centralización (igual que en el punto 3)

7. Influencias ambientales:

· impuestos: a más impuestos, más centralización.

· Monopolio. A más monopolio, más centralización.

· Regularización precios: mayor regularización, más centralización.

· Poder sindical: a mayor poder, mayor centralización empresarial.

8. Filosofía empresarial respecto a la toma de decisiones: si el director es un déspota, la empresa esta

centralizada. En el caso contrario, la empresa está más descentralizada.

9. Uniformidad de las políticas: a mayor uniformidad, mayor descentralización.

10. Deseos de independencia: a mayores deseos, mayor descentralización.

Descentralización del desempeño

Una empresa está descentralizada para llevar a cabos sus acciones.

Reorganizar

Sirve para solucionar la autoridad desmembrada. Consiste en recuperar parte de la autoridad delegada para

volver a delegarla correctamente. No se puede recuperar toda la autoridad por que entonces estaríamos en

un sistema totalmente centralizado, tampoco se puede delegar toda la autoridad al volver a delegar por que

estaríamos en un sistema totalmente descentralizado.

Departamentalización

Departamento

Es una rama diferenciada dentro de la empresa, con un supervisor que tiene autoridad sobre la realización

de ciertas actividades específicas que realiza un grupo de personas.

· Director general => empresa

· Vicepresidente => división

· Director => departamento/ diferentes cargos dentro de una empresa

· Gerente => sucursal

· Jefe => sección

La departamentalización es la especialización dentro de la empresa y se rige por el principio de

homogeneidad. La departamentalización puede ser vertical u horizontal.

· Dep. Vertical (proceso escalar): aumenta la calidad en la dirección, para ello se crean más niveles

jerárquicos.

· Departamentalización horizontal: lo normal en una empresa es que se den las dos departamentalizaciones

a la vez, aumentando la calidad del trabajo y de la dirección y seguimos especializando se dispara el costo.

Hay que buscar el equilibrio lógico.

Departamentalización básica:

Números

Se agrupan a las personas que han de ejecutar la misma tarea bajo un mismo director siendo lo importante

el número de personas que trabajan (está cayendo en desuso).

Tiempos

Agrupa las actividades con relación al tiempo. Se usan turnos, por ejemplo, la policía, conductores de

autobuses, etc.

Ventajas:

· los servicios pueden ir más allá de la jornada laboral normal.

· el proceso de producción puede ser ininterrumpido.

· el equipo de capital caro puede usarse más tiempo.

· permite la adaptación a los horarios de algunas personas.

Inconvenientes:

· la falta de supervisión en el turno de noche.

· factor fatiga: se altera el comportamiento.

· problemas de coordinación y comunicación entre los diferentes turnos.

· elevado coste que supone utilizar varios turnos.

Departamentalización por funciones

Consiste en hacer departamentos de acuerdo a las funciones básicas de una empresa. Depende del sector en

el que esté situada la empresa para ver cuantos departamentos hay que crear.

Ventajas:

· es el reflejo lógico de las funciones que se desarrollan en la empresa.

· se mantiene el poder de las funciones principales.

· sigue el principio de especialización ocupacional. Facilita la eficiencia de la ocupación del personal.

· facilita la formación y la capacitación ya que al ser las funciones básicas las que se encuentran cerca de los

niveles superiores , estos tienen la responsabilidad sobre los resultados finales.

· permite un control estricto desde la cima.

Se aconseja a empresas que tengan pocas líneas de productos y que se encuentre en productos estables.

Inconvenientes:

· se resta importancia a los resultados globales.

· exagera la especialización.

· se reduce la coordinación entre funciones.

· toda la responsabilidad final reside en la alta dirección.

· lenta adaptación a los cambios.

· se dificulta la formación de directores generales.

La departamentalización por funciones se utiliza en empresas que trabajan en condiciones estables y que

tengan pocos productos o servicios y que sus tareas sean rutinarias.

Departamentalización por zonas geográficas

Agrupamos dependiendo de la zona donde se localice la actividad que realice la empresa.

Ventajas:

· la responsabilidad se coloca en niveles superiores.

· aprovecha los mercado locales

· mejora la coordinación regional.

· proporciona una ocasión para la formación de directores generales.

Inconvenientes:

· requiere personal de más alto nivel.

· dificulta la centralización de las funciones.

· se dificulta el control de la empresa.

Esta departamentalización depende del área de mercado, producción y operación pero no de las Finanzas.

Aumentan los problemas de control y se utiliza para dar cobertura efectiva a un mercado de consumidores.

Lo que se hace es descentralizar la producción.

Departamentalización por productos

Se da en las empresas que estaban departamentalizadas por funciones y que debido a la cantidad de

productos o servicios que oferta la empresa, la departamentalización se queda pequeña. También se utiliza

para poder dar la misma importancia a distintos productos.

Ventajas:

· focaliza la acción sobre el producto.

· facilita la especialización por producto.

· mejora la coordinación de las funciones.

· coloca a menor nivel la responsabilidad financiera.

· proporciona formación para los futuros directores.

· coloca a menor nivel la responsabilidad financiera.

· aumenta la diversificación de la empresa.

Inconvenientes:

· requiere más empleados de alta dirección.

· dificulta la centralización de las funciones económicas.

· problemas de control para la dirección general.

Conclusiones: se recomienda en circunstancias ambientales inestables, aumenta la coordinación entre los

técnicos para un mismo producto.

Departamentalización por clientes

Agrupa las actividades que reflejan un interés especial por los clientes.

Ventajas:

· estimula la especialización

· el cliente tiene la impresión de ser el único.

· facilita el conocimiento de cada tipo de cliente.

Inconvenientes:

· difícil coordinación de demandas opuestas de un mismo cliente.

· requiere un staff muy especializado.

· es difícil orientar la agrupación por clientes dentro de una empresa.

Conclusión: está orientada al exterior de la empresa al contrario que las otras especializaciones. Se utiliza

cuando se tienen varios productos o servicios pero el cliente es lo más importante.

Departamentalización orientada al mercado

Ventajas e inconvenientes: igual que en la departamentalización por productos y por clientes.

Departamentalización por proyectos

Se está realizando un proyecto para poder producir un nuevo producto. Se utiliza para facilitar el control

presupuestario.

Departamentalización multidivisional

Consiste en mezclar los criterios vistos anteriormente.

Departamentalización matricial

Es combinación de la departamentalización funcional y la departamentalización por productos. Es muy

utilizada en ingeniería y en I+D pero es muy poco utilizada en mercadotécnia. Se usa para intentar garantizar

que se cumplan los resultados, no se usa solo la departamentalización por proyectos por que puede ser que

el proyecto necesite muy poco personal o por que la duración del proyecto sea muy corta, aunque se puede

reorganizar a menudo, da más seguridad el no hacerlo. Los trabajadores prefieren estar organizados por

funciones que por proyectos.

En la práctica ocurre que los directores de proyectos en algunos casos suelen estar sobre los directores de

departamentos funcionales y surgen fricciones entre los directores funcionales y los directores por

proyectos.

Ventajas:

· se orienta hacia los resultados finales.

· mantiene la identificación profesional.

Inconvenientes:

· conflictos de autoridad entre los dos departamentos.

· no se cumple el principio de unidad de mando.

· se requiere de un buen director en cuanto a relaciones humanas.

· debido a los conflictos potenciales, cada persona de la organización va a querer que se ponga todo por

escrito

Unidades estratégicas de negocio (UEN)

Son pequeños negocios establecidos como unidades dentro de la compañía para asegurar que se promueva

y maneje un cierto producto. Es una línea de producto como si fuese un producto independiente.

Cada UEN tiene un administrador para guiar o promocionar el producto desde lo que es investigación,

producción....

Las UEN tienen sus propios planes, objetivos, staff...

Lo que se asegura la empresa con las UEN es que el producto no se pierda entre los demás.

Para considerar una UEN se deben cumplir los siguientes requisitos:

· Tener su propia misión y debe ser distinta a la de otras UEN.

· Tienen que enfrentarse a una competencia definida, diferente a la de otras UEN.

· Deben preparar sus propios planes, distintos de otras UEN

· Administrar sus propios recursos.

· Deben tener un tamaño apropiado

Grupos, comités, equipos

Comité

Es un grupo de personas a las que se les asigna como grupo un determinado asunto.

Tipos:

· Con autoridad: comités de línea, sus decisiones se llevan a cabo.

· Sin autoridad: comités de staff, comparten información.

· Formales: cuando se crea la sociedad se establece que se debe crear un comité para unos determinados

asuntos.

· Informales: surgen espontáneamente, no están establecidos por la sociedad.

· Fijos: tienen cierta asiduidad (formales).

· Temporales: existen en un momento determinado (informales).

Fases de creación de un comité:

1. los miembros se conocen entre sí.

2. se determina el objetivo de la reunión.

3. se establecen normas.

4. desempeño: se comienza a resolver la tarea.

Para estar en un comité:

Las personas deben desarrollar una serie de roles, cada persona puede asumir un papel diferente al que

tiene en la organización. Hay que fijarse mucho en los comportamientos no verbales. No es lo mismo usar

una mesa redonda (toda la gente son iguales) que usar una mesa cuadrada o rectangular, donde los de la

cabecera tienen más importancia.

Nombres de comités: comité de dirección, comisión de ventas...

Razones para que se usen los comités:

· Deliberación y juicio grupal.

· Temor a otorgar demasiado poder a una sola persona.

· reunir personas que están interesadas en un mismo asunto sobre el que la compañía tiene interés.

· coordinar un tema complicado.

· Intercambio de información.

· solucionar la autoridad desmembrada.

· motivar al grupo.

· retardar o evitar una acción.

¿por qué no se debe utilizar un comité?

1. Son caros.

2. el mínimo común denominador (lo poco en que se pueden poner de acuerdo dos personas).

3. indecisión

4. se tiende a la autodestrucción del comité, surge un líder de forma espontánea.

5. división de la responsabilidad.

6. tiranía de las minorías.

Condiciones para el buen uso de los comités.

1. definir claramente su misión y su autoridad.

2. debe tener un mínimo óptimo de miembros.

3. selección acertada de los componentes.

4. selección acertada del asunto a tratar.

5. elaborar y presentar bien los resultados.

6. no gastar más de lo que se piensa obtener.

Diferencias entre un grupo y un equipo.

· En un grupo suele haber un líder fuerte o autoritario, en el equipo el liderazgo suele ser compartido.

· En el grupo cada uno es responsable de lo que realice, en el equipo la responsabilidad es conjunta.

· En el grupo los objetivos son los de la organización, en el equipo los resultados son específicos.

· En el grupo el trabajo es individual, en el equipo el trabajo es conjunto.

· En el grupo la eficiencia se mide indirectamente, en el equipo los resultados se miden directamente.

PROCESOS INDUSTRIALES MÁS COMUNES

Proceso de manufactura

El producto de una investigación en el periódico establece que:

1. Solicitan a los ingenieros industriales en los siguientes ámbitos:

Dirección de recursos humanos Gerente de producción

Gerente de control de calidad

Supervisor de control de calidad

Gerente del producto Gerente de logística de materiales

Gerente de mantenimiento

Jefe de ingeniería industrial Gerente de ventas

Gerente de cuenta

Ingeniero de proyecto

Jefe de planeación y control de producción

1. Se definió que proceso es:

"Un conjunto de actividades con orden para lograr un objetivo"

2. Se estableció que el ingeniero industrial después de establecer objetivos claros y precisos en los procesos de manufactura hace las siguientes actividades:

Planea Organiza

Integra recursos humanos, materiales, financieros y técnicos

Aplica metodologías

Diseña sistemas

Dirige

Controla, supervisa, evalúa y retroalimenta.

La producción económica

El costo de los productos depende de las inversiones o gastos que se generan al consumir materias primas, comprar máquinas, pagar la mano de obra y el costo de vender los productos, el almacenamiento, el financiamiento, la planeación y administración, el control, el cumplimiento de los estándares y el pago de impuestos.

Los costos principales en los sistemas productivos de bienes materiales son por lo regular la maquinaria y la materia prima. Los costos de planeación, la administración ventas y el cumplimiento de estándares son para lograr aumentar la eficiencia y no son muy altos en comparación con el costo final del producto terminado. En este conjunto de gastos se ubica a la planeación del producto o el análisis o diseño de los sistemas productivos.

Uno de los principales factores a considerar en un sistema productivo es la competitividad, para ello se deberá buscar que la producción siempre sea económica, para ello se deberán tener en consideración los siguientes criterios:

Debe existir un proyecto funcional. El proyecto debe ser lo más simple posible que cumpla con los requerimientos técnicos y las exigencias del cliente. Este aspecto también se ha llamado ingeniería del producto, de nada servirá tener una estructura operativa y administrativa de gran calidad si los productos están mal diseñados.

Material adecuado. Los productos requieren cumplir con varias especificaciones dependiendo en qué van a ser utilizados o cuales son las necesidades de los clientes, puede darse el caso que el diseño sea perfecto pero el material utilizado no sea el adecuado. De nada servirá hacer productos que no tienen los materiales adecuados.

Selección o diseño de los procesos de producción. En los sistemas de fabricación existen varias maneras de producir o manufacturar los productos, la selección de los procesos de fabricación se convierte en fundamental para lograr una producción considerada como económica.

La participación del hombre en la producción. En los sistemas productivos participan las personas en dos ámbitos; El operativo en donde el hombre es un experto manejando u operando maquinaria. El otro ámbito es el de planeación y supervisión en donde se encuentran los directivos, los supervisores y el ingeniero industrial.

Para logar la participación eficiente del factor humano en la producción económica se deberá considerar:

La motivación El trato

La confianza

La capacitación

La seguridad

El proceso administrativo. EL éxito de la producción económica se encuentra garantizada al aplicar el proceso administrativo por todos los participantes, en las partes del proceso de producción.

El proceso administrativo es una herramienta que por lo regular es aplicada con gran eficiencia por los ingenieros industriales. Este en su forma más general es:

Definición clara de objetivos Planeación

Integración

Organización

Dirección

Control

En conjunción con el proceso administrativo es común la aplicación de los principios de la administración, de los cuales se destacan los siguientes:

1. No trabajar como 10 personas, sino hacer que trabajen por lo menos 10 personas. 2. Un solo mando, cuando dos dan órdenes a uno, estas nunca coinciden y se genera descontrol.

3. La responsabilidad no se delega lo que se delega es la autoridad.

4. Toda instrucción que no se supervisa, es muy probable que no se realice.

5. Un proceso siempre es mejorable, pero sólo se mejora cuando requiere ser modificado.

6. En la administración el éxito está en:

La suma

La coordinación

El control

El manejo del conocimiento

La creatividad

La información

El ingeniero industrial como líder en los procesos de manufactura

El ingeniero industrial nunca actúa solo, por lo regular requiere coordinar a personas o comunicarse con quienes toman las decisiones, por lo que se vuelve condición indispensable que el ingeniero actúe como un profesionista, seguro de su proceder, con creatividad y como líder de aquellos que van a colaborar en los proyectos o sistemas productivos.

Para lo anterior el ingeniero industrial deberá tener en consideración lo siguiente:

La capacidad para obtener y manejar la información en los momentos oportunos El desarrollo de habilidades gerenciales

La habilidad para comunicarse con sus semejantes

Conocer, comprender y entender los deseos y necesidades de los demás.

Las responsabilidades del ingeniero industrial en la manufactura

Considerando que de los ingenieros industriales una de sus actividades fundamentales en los sistemas productivos es la planeación de los procesos y que en ellos debe cuidar que la producción sea económica y eficiente. Este profesional adquiere un conjunto de responsabilidades, de las cuales deberá siempre estar pendiente. A continuación se presentan algunas de estas responsabilidades:

Diseño de los sistemas productivos

Planeación

Control y la retroalimentación en los sistemas

Seguridad

Control de calidad

Control de la contaminación ambiental

La clasificación de los procesos de manufactura

1. Procesos que cambian la forma del material Metalurgia extractiva Fundición

Formado en frío y en caliente

Metalurgia de los polvos

Moldeo de plásticos

2. Procesos que provocan desprendimiento de viruta para obtener la forma, terminado y tolerancias de las piezas deseadas.

Maquinado con arranque de viruta convencional Torno

Fresado

Cepillado

Taladrado

Brochado

Rimado

3. Procesos para acabar superficies

Por desprendimiento de viruta Por pulido

Por recubrimiento

4. Procesos para el ensamble de materiales Ensambles temporales Ensambles permanentes

5. Procesos para cambiar las propiedades físicas de los materiales. Tratamientos térmicos Tratamientos químicos

Las industrias básicas y su clasificación

Existen diferentes métodos para clasificar a las industrias básicas, los más comunes son los siguientes:

Por los sectores económicos de un país:

Sector primario. Campo Sector secundario. Industria productiva

Sector terciario. Servicios

Por el tamaño de la industria (clasificación totalmente subjetiva):

Industria de producción masiva Industria de producción moderada

Industria de producción limitada

Clasificación de la industria por el tipo de producto:

1. Alimenticia y procesado de alimentos 2. Manufacturas eléctricas y electrónicas

3. Automotriz y de transporte

4. Accesorios metálicos, plomería, acondicionamiento y refrigeración

5. Construcción

6. Mobiliarios y trabajo de la madera

7. Productos de piedra, cristal, arcilla

8. Industria extractiva.

También existen las clasificaciones por giro de producción de los cuales los sistemas más utilizados son:

Standard Industrial Clasification System (SIC's) Armonizado simple

En ambos se establece una serie de 6 números, estos van clasificando los diferentes giros que pueden desarrollarse en las industrias u organizaciones de servicios. Existen 8 grupos industriales como se vio arriba y un noveno que se refiere a los servicios y organismos no lucrativos.

Tendencias de la manufactura

A partir de 1820 las máquinas herramienta y los sistemas productivos han tenido una constante evolución que han permitido aumentar la producción y mejorar las calidades y precisiones de sus productos. También con el descubrimiento y uso de nuevos materiales se ha logrado aumentar notablemente la disponibilidad de materiales y posibilidades de fabricación y producción.

En todos los sistemas productivos existen dos factores que han generado la modernización o actualización.

1. La industria de la guerra 2. La libre competencia

La tendencia de la mayoría de los sistemas productivos es la automatización total En estos sistemas el hombre únicamente participa en:

El diseño de los sistemas La construcción de la maquinaria

En la supervisión de los sistemas

En el mantenimiento o reparación de las máquinas

También existe una gran tendencia al empleo de maquinados sin desprendimiento de viruta, lo cual es debido a la gran disponibilidad de materiales con propiedades que antes no se podían obtener con facilidad o a precios accesibles.

La generalidad de un proceso y su presentación

Los procesos en general requieren de un conjunto de documentos que permiten su manejo de manera efectiva. Algunos de estos documentos son los siguientes:

1. Diagramas de flujo 2. Planos de taller

3. Planes de trabajo

4. Manuales de proceso

5. Ordenes de producción

6. Manuales de operación

7. Software de control y seguimiento (MRP, SAP/R3)

8. Manuales de calidad

9. Manuales de organización

Clasificación de los materiales

La manera más general de clasificación de los materiales es la siguiente:

a. Metálicos Ferrosos No ferrosos

b. No metálicos Orgánicos Inorgánicos

Metales Ferrosos

Los metales ferrosos como su nombre lo indica su principal componente es el fierro, sus principales características son su gran resistencia a la tensión y dureza. Las principales aleaciones se logran con el estaño, plata, platino, manganeso, vanadio y titanio.

Los principales productos representantes de los materiales metálicos son:

Fundición de hierro gris Hierro maleable

Aceros

Fundición de hierro blanco

Su temperatura de fusión va desde los 1360ºC hasta los 1425ªC y uno de sus principales problemas es la corrosión.

Metales no Ferrosos

Por lo regular tienen menor resistencia a la tensión y dureza que los metales ferrosos, sin embargo su resistencia a la corrosión es superior. Su costo es alto en comparación a los materiales ferrosos pero con el aumento de su demanda y las nuevas técnicas de extracción y refinamiento se han logrado abatir considerablemente los costos, con lo que su competitividad ha crecido notablemente en los últimos años.

Los principales metales no ferrosos utilizados en la manufactura son:

Aluminio Cobre

Magnesio

Níquel

Plomo

Titanio

Zinc

Los metales no ferrosos son utilizados en la manufactura como elementos complementarios de los metales ferrosos, también son muy útiles como materiales puros o aleados los que por sus propiedades físicas y de ingeniería cubren determinadas exigencias o condiciones de trabajo, por ejemplo el bronce (cobre, plomo, estaño) y el latón (cobre zinc).

Materiales no Metálicos

a. Materiales de origen orgánico b. Materiales de origen inorgánico

Materiales orgánicos

Son así considerados cuando contienen células de vegetales o animales. Estos materiales pueden usualmente disolverse en líquidos orgánicos como el alcohol o los tretracloruros, no se disuelven en el agua y no soportan altas temperaturas. Algunos de los representantes de este grupo son:

Plásticos Productos del petróleo

Madera

Papel

Hule

Piel

Materiales de origen inorgánico

Son todos aquellos que no proceden de células animales o vegetal o relacionados con el carbón. Por lo regular se pueden disolver en el agua y en general resisten el calor mejor que las sustancias orgánicas. Algunos de los materiales inorgánicos más utilizados en la manufactura son:

Los minerales El cemento

La cerámica

El vidrio

El grafito (carbón mineral)

Los materiales sean metálicos o no metálicos, orgánicos o inorgánicos casi nunca se encuentran en el estado en el que van a ser utilizados, por lo regular estos deben ser sometidos a un conjunto de procesos para lograr las características requeridas en tareas específicas. Estos procesos han requerido del desarrollo de técnicas especiales muy elaboradas que han dado el refinamiento necesario para cumplir con requerimientos prácticos. También estos procesos aumentan notablemente el costo de los materiales, tanto que esto puede significar varias veces el costo original del material por lo que su estudio y perfeccionamiento repercutirán directamente en el costo de los materiales y los artículos que integraran.

Los procesos de manufactura implicados en la conversión de los materiales originales en materiales útiles para el hombre requieren de estudios especiales para lograr su mejor aplicación, desarrollo y disminución de costo. En la ingeniería la transformación de los materiales y sus propiedades tienen un espacio especial, ya que en casi todos los casos de ello dependerá el éxito o fracaso del uso de un material.

Estructura de los metales

Todos los materiales están integrados por átomos los que se organizan de diferentes maneras, dependiendo del material que se trate y el estado en el que se encuentra. Cuando un material se encuentra en forma de gas, sus átomos están más dispersos o desordenados (a una mayor distancia uno de otro) en comparación con los átomos de ese mismo material pero en estado líquido o sólido. Existen materiales en los que sus átomos siempre están en desorden o desalineados aún en su estado sólido, a estos materiales se les llama materiales amorfos, un ejemplo es el vidrio, al que se considera como un líquido solidificado.

En el caso de los metales, cuando estos están en su estado sólido, sus átomos se alinean de manera regular en forma de mallas tridimensionales. Estas mallas pueden ser identificadas fácilmente por sus propiedades químicas, físicas o por medio de los rayos X. Cuando un material cambia de tipo de malla al modificar su temperatura, se dice que es un material polimorfo o alotrópico.

Cada tipo de malla en los metales da diferentes propiedades, no obstante que se trata del mismo material, así por ejemplo en el caso del hierro aleado con el carbono, se pueden encontrar tres diferentes tipos de mallas: la malla cúbica de cuerpo centrado, la malla cúbica de cara centrada y la malla hexagonal compacta.

Cada una de estas estructuras atómicas tiene diferentes números de átomos, como se puede ver en las siguientes figuras.

Malla cúbica de cuerpo centrado

Malla cúbica de cara centrada

Malla hexagonal compacta

La malla cúbica de cuerpo de cuerpo centrado. Es la estructura que tiene el hierro a temperatura ambiente, se conoce como hierro alfa. Tiene átomos en cada uno de los vértices del cubo que integra a su estructura y un átomo en el centro. También se encuentran con esta estructura el cromo, el molibdeno y el tungsteno.

La malla cúbica de cara centrada aparece en el hierro cuando su temperatura se eleva a aproximadamente a 910ºC, se conoce como hierro gamma. Tiene átomos en los vértices y en cada una de sus caras, su cambio es notado además de por los rayos X por la modificación de sus propiedades eléctricas, por la absorción de calor y por las distancias intermoleculares. A temperatura elevada el aluminio, la plata, el cobre, el oro, el níquel, el plomo y el platino son algunos de los metales que tienen esta estructura de malla.

La malla hexagonal compacta se encuentra en metales como el berilio, cadmio, magnesio, y titanio. Es una estructura que no permite la maleabilidad y la ductilidad, es frágil.

Modificar a una malla de un metal permite la participación de más átomos en una sola molécula, estos átomos pueden ser de un material aleado como el carbón en el caso del hierro, lo que implica que se puede diluir más carbón en un átomo de hierro. Si se tiene en cuenta que el carbón es el que, en ciertas proporciones, da la dureza al hierro, entonces lo que se hace al cambiar la estructura del hierro es permitir que se diluya más carbón, con lo que se modifican sus propiedades.

Otra de las características de los metales que influye notablemente en sus propiedades es el tamaño de grano, el cual depende de la velocidad de enfriamiento en la solidificación del metal, la extensión y la naturaleza del calentamiento que sufrió el metal al ser calentado.

Grano de las estructuras metálicas

Cuando un metal en su estado líquido se enfría sus cristales se van solidificando formando estructuras dendríticas, las que crecen uniformes hasta que se encuentran con otra estructura que también ha estado creciendo, en ese lugar de encuentro de las dos estructuras se forman los límites de los granos de los materiales. Entre más lento el enfriamiento de un material, mayor uniformidad en el crecimiento de los granos, o sea estos serán de menor tamaño.

Un material con granos pequeños será más duro que un con granos grandes, debido a que los granos grandes tienden a fracturarse y deslizarse uno sobre el otro, lo que no sucede con los granos pequeños.

La mejor forma de determinar el tamaño de grano de un material es por medio de microscopio metalúrgico, el que actúa por medio de un rayo de luz que se lanza sobre una superficie pulida al espejo y limpiada con una mezcla de 3% de ácido nítrico y 97% de alcohol, para eliminar lo que se conoce como metal untado.

Microscopio para la medición de grano en un metal

Solidificación y aleación de los metales, diagrama HHC

Los metales al ser calentados pueden modificar su estado físico pasando por varias etapas, las que van desde la alteración de algunas de sus propiedades hasta en cambio de su estado sólido al líquido. El qué tan rápido o con qué tanta energía se logra un cambio de estado en un metal dependerá de los materiales que lo integran. Se debe recordar que casi nunca se utilizan metales puros. A la combinación química de dos o más metales se le llama aleación y las propiedades de las aleaciones dependen también de los metales que la integran.

Algunas de las aleaciones más utilizadas en los procesos de manufactura son:

Latón rojo o amarillo (cobre zinc) Bronce (cobre, estaño, zinc, plomo)

Aluminio, cobre, magnesio, silicio y zinc

Hierro, carbón, cobalto, tungsteno, vanadio, etc.

Cobre, oro, plata

Existen tablas y normas internacionales que especifican la nomenclatura y los componentes específicos de cada una de las diferentes aleaciones. Las aleaciones antes señaladas son sólo algunas de las más, existen cientos más de ellas.

Una de las herramientas que nos permiten conocer de manera sencilla y rápida algunas de las características de las aleaciones son los diagramas de las aleaciones. Uno de los diagramas de aleaciones más conocido y utilizado del Hierro y el carbono. También conocido como diagrama hierro, hierro, carbono (HHC). Con este diagrama se pueden obtener las temperaturas de cambio de sus estructuras cristalinas; también se pueden

conocer las temperaturas a las que se da el cambio de fase de un hierro. En función a la cantidad de carbón que contiene el metal se puede estimar la temperatura a la que se derretirá y a la que se volverá pastoso.

En el eje horizontal del diagrama de Hierro, hierro, carbono se ubica el porcentaje de carbono que puede estar diluido en el hierro y en el eje vertical se señalan las temperaturas a las que van sucediendo los cambios señalados en el cuerpo de la gráfica.

Al conocer la cantidad de carbono que tiene un hierro se pueden estimar la temperatura a la que se debe elevar para que se den los diferentes cambios de estructura o de estado. Por ejemplo si se tiene un hierro con 0.4% de carbón, se deberá elevar su temperatura hasta los 723°C para que el hierro alfa y la perlita empiecen a convertirse en austenita y ferrita. Aproximadamente a los 800°C ese mismo hierro cambiará su estructura a hierro gamma, en donde su componente principal es la austenita, a los 1480°C empieza a fundirse y arriba de los 1520°C se ha fundido todo.

A los hierros que están debajo de 0.8% de carbón se les llama hipoeutectoides y a aquellos que tienen más de 0.8% de carbón se llaman hipereutectoides. El punto eutéctico es aquel en el que se logra la máxima dilusión de carbón posible en un hierro a la menor temperatura. En caso de los hierros con carbón el punto eutéctico se da con 0.8% de carbón y a 723°C.

Cada vez que se rebasa una zona en la gráfica de HHC, se está cambiando de estructura en el hierro que se está tratando.

Hierros y aceros

De acuerdo al diagrama de hierro, hierro, carbono el hierro puede aceptar determinadas cantidades de carbón diluidas, estas cantidades nunca son superiores al 4%. En los casos en los que se rebasa el 4% de carbón el hierro es de muy baja calidad.

Los hierros más utilizados en los procesos de manufactura son los siguientes:

Hierro dulce C < 0.01

Aceros C entre 0.1 y 0.2 %

Hierro fundido C > 2.0% pero < 4.0%

Algunos ejemplos de los materiales producidos con los diferentes hierros:

Fierro "puro". Por lo regular es utilizado para la generación de aleaciones especiales. Hierro forjado. Lámina negra o material para la formación de objetos por medio de laminado o forja.

Acero. Materiales con requerimientos especiales de resistencia a la tracción, fricción y tenacidad.

Hierro fundido. Artículos sin gran calidad pero con gran dureza y muy frágiles.

Propiedades de los metales

Las principales propiedades de los materiales incluyen densidad, presión de vapor, expansión térmica, conductividad térmica, propiedades eléctricas y magnéticas, así como las propiedades de ingeniería.

En los procesos de manufactura son de gran importancia las propiedades de ingeniería, de las que destacan las siguientes:

Resistencia a la tensión Resistencia a la compresión

Resistencia a la torsión

Ductilidad

Prueba al impacto o de durabilidad

Dureza

Cada una de las propiedades antes señaladas requiere de un análisis específico y detallado, lo que se da en asignaturas como las de ciencia de materiales y resistencia de materiales. A continuación sólo se presentan algunas de sus principales características.

Resistencia a la tensión

Se determina por el estirado de los dos extremos de una probeta con dimensiones perfectamente determinadas y con marcas previamente hechas.

Al aplicar fuerza en los dos extremos se mide la deformación relacionándola con la fuerza aplicada hasta que la probeta rebasa su límite de deformación elástica y se deforma permanentemente o se rompe.

Los resultados de las pruebas de resistencia a la tensión se plasman en series de curvas que describen el comportamiento de los materiales al ser estirados.

Varias de las características de ingeniería se proporcionan con relación a la resistencia a la tensión. Así en algunas ocasiones se tienen referencias como las siguientes:

La resistencia al corte de un material es generalmente el 50% del esfuerzo a la tensión. La resistencia a la torsión es alrededor del 75% de la resistencia a la tensión.

La resistencia a la compresión de materiales relativamente frágiles es de tres o cuatro veces la resistencia a la tensión.

En los siguientes diagramas se muestran algunos de los procedimientos comunes para aplicar las pruebas de resistencia al corte, la compresión, la fatiga o durabilidad, el impacto, la torsión y de dureza.

Referencia "Procesos básicos de manufactura", Begeman

Dureza

Por lo regular se obtiene por medio del método denominado resistencia a la penetración, la cual consiste en medir la marca producida por un penetrador con características perfectamente definidas y una carga también definida; entre más profunda es la marca generada por el penetrador de menor dureza es el material.

Existen varias escalas de dureza, estas dependen del tipo de penetradores que se utilizan y las normas que se apliquen. Las principales pruebas de dureza son Rockwell, Brinell y Vickers.

Las dos primeras utilizan penetradores con cargas para generar marcas en los metales a probar, posteriormente se mide la profundidad de las marcas. En algunas publicaciones se considera a la prueba Rockwell como la prueba del sistema inglés y a la Brinell como la del sistema métrico. (Observe las tablas de relación de durezas)

La dureza Vickers se logra por medio de una prueba denominada el métodos Escleroscópico Shore en el que consiste en dejar caer un martinete de diamante de 2,3 g, sobre el material a probar y medir la altura del rebote. A mayor rebote mayor será su dureza.

PRODUCCIÓN DE METALES FERROSOS

Producción del hierro y el acero

El diagrama general de la fusión primaria del hierro integra a la mayoría de las actividades que se desarrollan en el proceso productivo. No se debe olvidar que los diagramas de flujo son una de las herramientas más utilizadas por los ingenieros industriales y que de manera automática los deben utilizar o elaborar.

El 90% de todos los metales fabricados a escala mundial son de hierro y acero. Los procesos para la obtención de hierro fueron conocidos desde el año 1200 ac.

Los principales minerales de los que se extrae el hierro son:

Hematita (mena roja) 70% de hierro

Magnetita (mena negra) 72.4% de hierro

Siderita (mena café pobre) 48.3% de hierro

Limonita (mena café) 60-65% de hierro

La mena café es la mejor para la producción de hierro, existen grandes yacimientos de este mineral en Estados Unidos y en Suecia. En todo el mundo se pueden encontrar grandes cantidades de pirita, pero no es utilizable por su gran contenido de azufre.

Para la producción de hierro y acero son necesarios cuatro elementos fundamentales:

1. Mineral de hierro 2. Coque

3. Piedra caliza

4. Aire

Los tres primeros se extraen de minas y son transportados y prepararlos antes de que se introduzcan al sistema en el que se producirá el arrabio.

El arrabio es un hierro de poca calidad, su contenido de carbón no está controlado y la cantidad de azufre rebasa los mínimos permitidos en los hierros comerciales. Sin embargo es el producto de un proceso conocido como la fusión primaria del hierro y del cual todos los hierros y aceros comerciales proceden.

A la caliza, el coque y el mineral de hierro se les prepara antes de introducirse al alto horno para que tengan la calidad, el tamaño y la temperatura adecuada, esto se logra por medio del lavado, triturado y cribado de los tres materiales.

El alto horno

En general los altos hornos tienen un diámetro mayor a 8 m y llegan a tener una altura superior de los 60 m. Están revestidos de refractario de alta calidad.

Los altos hornos pueden producir entre 800 y 1600 toneladas de arrabio cada 24 h. La caliza, el coque y el mineral de hierro se introducen por la parte superior del horno por medio de vagones que son volteados en una tolva. Para producir 1000 toneladas de arrabio, se necesitan 2000 toneladas de mineral de hierro, 800 toneladas de coque, 500 toneladas de piedra caliza y 4000 toneladas de aire caliente.

Con la inyección de aire caliente a 550°C, se reduce el consumo de coque en un 70%. Los sangrados del horno se hacen cada 5 o 6 horas, y por cada tonelada de hierro se produce 1/2 de escoria.

Alto horno

Reducción directa del mineral de hierro

Para la producción del hierro también se puede utilizar el método de reducción directa, el que emplea agentes reactivos reductores como gas natural, coque, aceite combustible, monóxido de carbono, hidrógeno o grafito. El procedimiento consiste en triturar la mena de hierro y pasarla por un reactor con los agentes reductores, con lo que algunos elementos no convenientes para la fusión del hierro son eliminados. El producto del sistema de reducción directa es el hierro esponja que consiste en unos pelets de mineral de hierro los que pueden ser utilizados directamente para la producción de hierro con características controladas.

Diagrama de producción de hierro esponja

En el método de reducción directa para procesar 1000 toneladas de mineral de hierro, se requieren 491,000 metros cúbicos de metano y con ello se obtienen 630 toneladas de hierro esponja.

Diferentes procesos de producción de hierro y acero

Una vez obtenido el arrabio o el hierro esponja es necesario refinar al hierro para que se transforme en material útil para diferentes objetos o artefactos, o sea en hierro o acero comercial. A continuación se presentan los principales procesos de fabricación de los hierros y aceros comerciales.

Proceso de pudelado

El hierro dulce es un metal que contienen menos del 0.01% de carbono y no más de 0.003% de escoria. Para su obtención se requiere del proceso conocido como pudelado, el que consiste en fundir arrabio y chatarra

en un horno de reverbero de 230 kg, este horno es calentado con carbón, aceite o gas. Se eleva la temperatura lo suficiente para eliminar por oxidación el carbón, el silicio, y el azufre. Para eliminar todos los elementos diferentes al hierro, el horno de pudelado debe estar recubierto con refractario de la línea básica (ladrillos refractarios con magnesita y aluminio). El material se retira del horno en grandes bolas en estado pastoso y el material producido se utiliza para la fabricación de aleaciones especiales de metales. Existen otros procedimientos modernos como el llamado proceso Aston, en donde en lugar del horno de reverbero se usa un convertidor Bessemer con lo que se obtienen mayor cantidad de material.

Hornos bessemer

Es un horno en forma de pera que está forrado con refractario de línea ácida o básica. El convertidor se carga con chatarra fría y se le vacía arrabio derretido, posteriormente se le inyecta aire a alta presión con lo que se eleva la temperatura por arriba del punto de fusión del hierro, haciendo que este hierva. Con lo anterior las impurezas son eliminadas y se obtiene acero de alta calidad. Este horno ha sido substituido por el BOF, el que a continuación se describe.

Horno básico de oxígeno (BOF)

Es un horno muy parecido al Bessemer con la gran diferencia que a este horno en lugar de inyectar aire a presión se le inyecta oxígeno a presión, con lo que se eleva mucho más la temperatura que en el Bessemer y en un tiempo muy reducido. El nombre del horno se debe a que tiene un recubrimiento de refractario de la línea básica y a la inyección del oxígeno. La carga del horno está constituida por 75% de arrabio procedente del alto horno y el resto es chatarra y cal. La temperatura de operación del horno es superior a los 1650°C y es considerado como el sistema más eficiente para la producción de acero de alta calidad. Este horno fue inventado por Sir Henrry Bessemer a mediados de 1800, sólo que como en esa época la producción del oxígeno era cara se inició con la inyección de aire, con lo que surgió el convertidor Bessemer, el que ya fue descrito.

Horno básico de oxígeno

Horno de hogar abierto

Es uno de los hornos más populares en los procesos de producción del acero. Un horno de este tipo puede contener entre 10 y 540 toneladas de metal en su interior. Tiene un fondo poco profundo y la flama da directamente sobre la carga, por lo que es considerado como un horno de reverbero. Su combustible puede ser gas, brea o petróleo, por lo regular estos hornos tienen chimeneas laterales las que además de expulsar los gases sirven para calentar al aire y al combustible, por lo que se consideran como hornos regenerativos.

Los recubrimientos de los hornos de hogar abrierto por lo regular son de línea básica sin embargo existen también los de línea ácida ((ladrillos con sílice y paredes de arcilla). Las ventajas de una línea básica de refractario, sobre una ácida son que con la primera se pueden controlar o eliminar el fósforo, el azufre, el silicio, el magnesio y el carbono y con la línea ácida sólo se puede controlar al carbono. El costo de la línea básica es mayor que el de la ácida.

Los hornos de hogar abierto son cargados con arrabio en su totalidad o con la combinación de arrabio y chatarra de acero. El arrabio puede estar fundido o en estado sólido. La primera carga del horno tarda 10 h en ser fundida y estar lista para la colada, pero si se agrega oxígeno se logra tener resultados en menos de 7 h, además de que se ahorra el 25% de combustible.

Horno de arco eléctrico

Por lo regular son hornos que sólo se cargan con chatarra de acero de alta calidad. Son utilizados para la fusión de aceros para herramientas, de alta calidad, de resistencia a la temperatura o inoxidables. Considerando que estos hornos son para la producción de aceros de alta calidad siempre están recubiertos con ladrillos de la línea básica.

Existen hornos de arco eléctrico que pueden contener hasta 270 toneladas de material fundido. Para fundir 115 toneladas se requieren aproximadamente tres horas y 50,000 kwh de potencia. También en estos hornos se inyecta oxígeno puro por medio de una lanza.

Los hornos de arco eléctrico funcionan con tres electrodos de grafito los que pueden llegar a tener 760mm de diámetro y longitud de hasta 12m. La mayoría de los hornos operan a 40v y la corriente eléctrica es de 12,000 A.

Estos equipos tienen un crisol o cuerpo de placa de acero forrado con refractario y su bóveda es de refractario también sostenida por un cincho de acero, por lo regular enfriado con agua. Para la carga del

horno los electrodos y la bóveda se mueven dejando descubierto al crisol, en el que se deposita la carga por medio de una grúa viajera.

Estos equipos son los más utilizados en industrias de tamaño mediano y pequeño, en donde la producción del acero es para un fin determinado, como varilla corrugada, aleaciones especiales, etc.

Horno de arco eléctrico

Horno de refinación

Estos hornos pueden ser de varios tipos, en realidad puede ser cualquier horno al que por medio de aire u oxígeno se obtenga hierro con carbón controlado, sin embargo se pueden mencionar dos de los hornos más conocidos para este fin.

Horno de inducción

Utilizan una corriente inducida que circula por una bovina que rodea a un crisol en el cual se funde la carga. La corriente es de alta frecuencia y la bovina es enfriada por agua, la corriente es de aproximadamente 1000Hz, la cual es suministrada por un sistema de motogenerador. Estos hornos se cargan con piezas sólidas de metal, chatarra de alta calidad o virutas metálicas. El tiempo de fusión toma entre 50 y 90 min, fundiendo cargas de hasta 3.6 toneladas. Los productos son aceros de alta calidad o con aleaciones especiales.

Horno de aire o crisol

Es el proceso más antiguo que existe en la fundición, también se le conoce como horno de aire. Este equipo se integra por un crisol de arcilla y grafito, los que son extremadamente frágiles, los crisoles se colocan dentro de un confinamiento que puede contener algún combustible sólido como carbón o los productos de la combustión.

Los crisoles son muy poco utilizados en la actualidad excepto para la fusión de metales no ferrosos, su capacidad fluctúa entre los 50 y 100 kg.

Hornos de crisol para metales no ferrosos

Horno de cubilote

Son equipos muy económicos y de poco mantenimiento, se utilizan para hacer fundición de hierros colados. Consisten en un tubo de más de 4 metros de longitud y pueden tener desde 0.8 a 1.4 m de diámetro, se cargan por la parte superior con camas de chatarra de hierro, coque y piedra caliza. Para la combustión del coque se inyecta aire con unos ventiladores de alta presión, este accede al interior por unas toberas

ubicadas en la parte inferior del horno. También estos hornos se pueden cargar con pelets de mineral de hierro o pedacería de arrabio sólido.

Por cada kilogramo de coque que se consume en el horno, se procesan de 8 a 10 kilogramos de hierro y por cada tonelada de hierro fundido se requieren 40kg de piedra caliza y 5.78 metros cúbicos de aire a 100 kPa a 15.5°C.

Los hornos de cubilote pueden producir colados de hasta 20 toneladas cada tres horas. Este tipo de equipo es muy parecido al alto horno, sólo sus dimensiones disminuyen notablememnte. El mayor problema de estos hornos es que sus equipos para el control de emisiones contaminantes es más costoso que el propio horno, por ello no se controlan sus emisiones de polvo y por lo tanto no se autoriza su operación.

Clasificación de los aceros

Con el fin de estandarizar la composición de los diferentes tipos de aceros que hay en el mercado la Society of Automotive Engineers (SAE) y el American Iron and Steel Institute (AISI) han establecido métodos para identificar los diferentes tipos de acero que se fabrican. Ambos sistemas son similares para la clasificación.

En ambos sistemas se utilizan cuatro o cinco dígitos para designar al tipo de acero. En el sistema AISI también se indica el proceso de producción con una letra antes del número.

Primer dígito. Es un número con el que se indica el elemento predominante de aleación. 1= carbón, 2= níquel, 3=níquel cromo, 4=molibdeno, 5=cromo, 6=cromo vanadio, 8=triple aleación, 9 silicio magnesio.

El segundo dígito. Es un número que indica el porcentaje aproximado en peso del elemento de aleación, señalado en el primer dígito. Por ejemplo un acero 2540, indica que tiene aleación de níquel y que esta es del 5%.

Los dígitos 3 y 4. Indican el contenido promedio de carbono en centésimas, así en el ejemplo anterior se tendría que un acero 2540 es un acero con 5% de níquel y .4% de carbón.

Cuando en las clasificaciones se tiene una letra al principio esta indica el proceso que se utilizó para elaborar el acero, siendo los prefijo los siguientes:

A = Acero básico de hogar abierto

B = Acero ácido de Bessemer al carbono

C= Acero básico de convertidos de oxígeno

D = Acero ácido al carbono de hogar abierto

E = Acero de horno eléctrico

A10XXX

A= Proceso de fabricación

10 = Tipo de acero

X = % de la aleación del tipo de acero

X X= % de contenido de carbono en centésimas.

Lingotes y colada continua

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. El proceso de rolado consiste en pasar a un material por unos rodillos con una forma determinada, para que al aplicar presión el material metálico adquiera la forma que se necesita. El material metálico que se alimenta a los rodillos debe tener una forma determinada, esta forma se obtiene al colar en moldes el metal fundido que será procesado, a estos productos se les llama lingotes o lupias y pueden ser secciones rectangulares, cuadradas o redondas. 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.

Colada continua

Cuando se requiere un material de sección constante y en grandes cantidades se puede utilizar el método de la colada continua, el cuan consiste en colocar un molde con la forma que se requiere debajo de un crisol, el que con una válvula puede ir dosificando material fundido al molde. Por gravedad el material fundido pasa por el molde, el que está enfriado por un sistema de agua, al pasar el material fundido por le molde frío se convierte en pastoso y adquiere la forma del molde. Posteriormente el material es conformado con una serie de rodillos que al mismo tiempo lo arrastran hacia la parte exterior del sistema. Una vez conformado el material con la forma necesaria y con la longitud adecuada el material se corta y almacena. Por este medio se pueden fabricar perfiles, varillas y barras de diferentes secciones y láminas o placas de varios calibres y longitudes. La colada continua es un proceso muy eficaz y efectivo para la fabricación de varios tipos de materiales de uso comercial.

Colada continua

Ilustración de colada continua del libro Operación de Máquinas Herramientas de Krar.

Algunos elementos químicos en la fundición del hierro

Existen muchos elementos químicos que dan las características de ingeniería a las aleaciones ferrosas, sin embargo hay algunos que se destacan por sus efectos muy definidos, a continuación se presentan algunos de estos elementos.

Carbono. Arriba del 4% baja la calidad del hierro, sin embargo se puede decir que es el elemento que da la dureza al hierro y por medio de sus diferentes formas en las que se presenta, se pueden definir varias propiedades de las aleaciones y su grado de maquinabilidad. Con base a la cantidad de carbono en el hierro las aleaciones se pueden definir o clasificar como se observó en los temas anteriores.

Silicio. Este elemento hasta un 3.25% es un ablandador del hierro y es el elemento predominante en la determinación de las cantidades de carbono en las aleaciones de hierro. El silicio arriba de 3.25% actúa como endurecedor. Las fundiciones con bajo contenido de silicio responden mejor a los tratamientos térmicos.

Manganeso. Es un elemento que cuando se agrega a la fundición arriba del 0.5% sirve para eliminar al azufre del hierro. Como la mezcla producto del azufre y el manganeso tiene baja densidad flota y se elimina en forma de escoria. También aumenta la fluidez, resistencia y dureza del hierro.

Azufre. No sirve de nada en el hierro, debe ser eliminado y controlado.

Fósforo. Es un elemento que aumenta la fluidez del metal fundido y reduce la temperatura de fusión.

PRODUCCION DE METALES NO FERROSOS

De todos los metales utilizados para la industria el 20% son no ferrosos, estos en diferentes aleaciones cubren los requerimientos de ingeniería y las propiedades químicas necesarias para fabricar artículos útiles para la industria y la sociedad. Las características fundamentales de las aleaciones no ferrosas son la resistencia a la tensión, corrosión, conductividad eléctrica y maquinabilidad.

La selección de una aleación determinada dependerá de los resultados de diferentes pruebas mecánicas, el volumen de producción, el costo de producción y las propiedades estéticas del producto.

A continuación se muestran algunas de las propiedades de los metales. En la tabla se aprecian algunas de las principales diferencias entre metales ferrosos y los que no lo son.

Metal Resistencia a la tensión

Temperatura de fusión mPa

Dureza Brinell °C

Densidad en kg/m3

Aluminio 83-310 660 30-100 2,643

Latón 120-180 870 40-80 8,570

Bronce 130-200 1040 70-130 8,314

Cobre 345-689 1080 50-100 8,906

Hierro 276-345 1360 100-145 7,689

Fundición gris 110-207 1370 100-150 7,209

Acero 276-2070 1425 110-500 7,769

Plomo 18-23 325 3.2-4.5 11,309

Magnesio 83-345 650 30-60 1,746

Níquel 414-1103 1450 90-250 8,730

Zinc 48-90 785 80-100 7,144

Estaño 19-25 390 5-12 7,208

Titanio 552-1034 1800 158-266 4,517

La mayoría de los metales no ferrosos son más resistentes a la corrosión o a la humedad, pueden utilizarse en exteriores sin pinturas o recubrimientos. Sin embargo se debe tener especial cuidado con el manejo de los metales no ferrosos ya que cada uno responde de manera particular a los efectos de la naturaleza; por ejemplo el magnesio resiste muy bien la atmósfera ordinaria, pero se corroe rápidamente con el agua de mar.

Para la producción de los metales no ferrosos se establecen como base los siguientes procesos.

1. Extracción 2. Refinado o concentrado

3. Fusión

4. Afinado

Cada uno de estos procesos se da de diferentes maneras en la producción de los metales no ferrosos, incluso en la producción algunos no se dan todos.

Extracción. Los metales no ferrosos provienen de minerales que se pueden encontrar en la superficie de la tierra o bien en yacimientos bajo la superficie. En ambos casos se deben seguir técnicas de explotación eficientes y rentables.

Refinado o concentrado, también conocido como preparación. Los minerales de los que se obtienen los metales no ferrosos nunca se encuentran en estado puro y en cantidades comerciales, por lo que se deben separar y preparar. Entre los procesos de preparación más utilizados está el pulverizar al mineral y luego mezclarlo con agua y un aceite, para que al aplicar una acción violenta se forme espuma en la que los elementos metálicos quedan suspendidos. Posteriormente se retira la espuma y con ella los minerales necesarios para la producción de los metales no ferrosos.

Fusión. Los hornos más utilizados para la fusión de los minerales de metales no ferrosos son los altos hornos (de menor tamaño que los de arrabio) y los hornos de reverbero (aquellos en los que la flama ilumina a la carga). Aunque no todos los metales no ferrosos necesitan ser fundidos primero para ser procesados.

En los hornos para la producción de los metales no ferrosos siempre existen equipos para el control de las emisiones de polvo. Más que una medida de control de la contaminación ambiental es una necesidad, ya que los polvos son valiosos porque tienen el mineral que se está procesando o porque de esos polvos se pueden obtener otros materiales con un valor representativo o rentable.

Afinado. Para lograr las características de calidad y pureza necesarias en los metales no ferrosos se pueden utilizar diferentes procesos como las tinas electrolíticas con las que el mineral adquiere niveles de calidad muy altos.

Producción del aluminio

El mineral del cual se puede obtener aluminio comercial se llama BAUXITA, la cual regularmente puede ser encontrada en minas de depósito abierto, para lograr uniformidad en el material se tritura y con agua a presión se lava para eliminar otros materiales y sustancias orgánicas. Posteriormente el material se refina para obtener a la alúmina, lo que ya es un material comercial de aluminio con el que se pueden obtener lingotes por medio del proceso de fundición.

También existe el proceso de producción de aluminio llamado BAYER, el cual consiste en:

1. La bauxita después de haber sido pulverizada y obtenida de los procesos de espumado se carga a un digestor el que contienen una solución de sosa cáustica bajo presión y a alta temperatura.

2. Producto del digestor se forma aluminato de sodio que es soluble en el licor generado.

3. Los sólidos insolubles como hierro, silicio, titanio y otras impurezas son filtrados y el licor con la alúmina se bombea a depósitos llamados precipitadores.

4. En los precipitadores se agregan uno cristales finos de hidróxido de aluminio, estos cristales se hacen circular por entre el licor concentrado para que sirvan de simientes, van creciendo en dimensiones a medida que el hidróxido de aluminio se separa del licor.

5. El hidróxido de aluminio que se adhirió a los cristales se calcina en hornos que operan por arriba de los 900ºC. Esto convierte a la alúmina en un producto de alta calidad para la fusión y obtención de aluminio de buena calidad.

6. La alúmina producto de los hornos de calcinado es procesada en tinas electrolíticas llamadas celdas reductoras. Estas tinas funcionan con un baño de ciolita (fluoruro de aluminio sódico), el ánodo es un electrodo de carbón y el cátodo es la misma tina. En estas tinas se obtiene el aluminio metálico.

7. El aluminio obtenido de las celdas reductoras es moldeado y procesado en hornos de concentración para la obtención de aluminio de alta calidad.

Para la producción de cada kilogramo de aluminio se requiere 2 kg de alúmina, los que son producto de 4 kg de bauxita y 8 kwh de electricidad.

Producción del Magnesio

El magnesio comercial se obtiene del agua de mar y conchas.

1. Las conchas son pasadas por un horno rotatorio a 1320ºC, para producir cal. 2. La cal es mezclada con agua de mar, la que tiene 1300 ppm de magnesio, lo que genera una reacción

que produce hidrato de magnesio, el que se deposita en el fondo de un tanque de sedimentación.

3. El hidrato de magnesio se extrae del tanque como una pasta a la que se le agrega ácido clorhídrico, con lo que se logra obtener cloruro de magnesio.

4. La mezcla es filtrada consecutivamente para aumentar su concentración.

5. Se realiza un secado especial hasta que el cloruro de magnesio logra obtener una concentración superior al 68%.

6. El cloruro de magnesio en forma granular se transfiere a una celda electrolítica en la el ánodo es de grafito y el cátodo es la propia tina. En la celda se hace circular corriente eléctrica a 60,000A con lo que se logra la descomposición del cloro y el magnesio.

7. El cloro con agua se convierte en ácido clorhídrico, el cual sirve para convertir al hidrato de magnesio en cloruro de magnesio en el inicio del proceso.

8. El magnesio que flota en la tina electrolítica es recogido y moldeado en lingotes de 8kg, los que posteriormente son fundidos y utilizados para las aleaciones de magnesio.

Producción del cobre

El cobre se obtiene fundamentalmente de un mineral llamado CALCOPIRITA el que contiene grandes cantidades de cobre, azufre y fierro.

1. La calcopirita es mezclada con cal y materiales silicos, los que son pulverizados por medio de molinos de quijadas y transferidos a unas tinas estratificadoras.

2. En las tinas estratificadoras el mineral es extraído al flotar con la espuma producto de la agitación. La espuma se forma al mezclar agua con aceite y agitarlos enérgicamente.

3. El mineral extraído se pasa por un horno de tostado para eliminar el azufre. Los polvos de los gases producto del horno de tostado son capturados y procesados para obtener plata, antimonio y sulfuros.

4. Los concentrados del horno de tostado son derretidos en un horno de reverbero, en este horno se elimina el hierro en forma de escoria.

5. El material derretido del horno de reverbero, que se conoce como ganga, es introducido a un horno parecido al convertidos Bessemer, del cual sus gases son utilizados para obtener ácido sulfúrico y el producto de su vaciado es cobre conocido como cobre Blister, el que tiene 98% de pureza y que puede ser refinado todavía más por métodos electrolíticos.

Producción del plomo

El concentrado de plomo o GALENA contiene 65 a 68 % de plomo.

1. La galena es pasada por un horno de tostado para eliminar en lo posible la gran cantidad de azufre que contiene este material. Los gases del horno son procesados para obtener ácido sulfúrico y el material desufurizado pasa a un mezclador.

2. El concentrado producto del horno de tostado es mezclado con caliza, arena, escoria y mena de hierro, la que es pasada a un horno de sinterizado.

3. El material aglomerado por el horno de sinterizado se pasa a un alto horno del cual se obtiene cadmio al procesar sus gases y su producto es transferido a un tanque espumador.

4. En el tanque la espuma es recogida y enviada a una marmita a la que se le agrega azufre y con ello se obtiene cobre.

5. El sedimento del tanque espumador pasa a un horno de oxidación, también conocido como horno ablandador. La escoria de este horno contiene antimonio y arsénico. El plomo deretido se pasa a una marmita de vacío.

6. En la marmita de vacío se agrega zinc con el que el oro y la plata se disuelven, las aleaciones de oro y plata en la marmita flotan y se desnatan para ser pasadas a un horno de retorta del cual se recupera el zinc por medio de un condensador y el oro y la plata por medio de un baño electrolítico.

7. El plomo derretido pasa a la cámara de vacío luego derramado en una marmita a la que se agrega sosa cáustica de la cual se obtiene el plomo de gran calidad.

Algunas aleaciones

Una aleación es la combinación química de dos o más elementos en los que al menos uno es un metal. Las aleaciones permiten mejorar las propiedades químicas y mecánicas de los materiales que se combinan. Existen gran variedad de aleaciones debidamente normalizadas, sin embargo unas de las más conocidas y utilizadas son las del cobre. A continuación se presentan algunas de las aleaciones de cobre más conocidas con sus componentes.

Nombre Cu Sn Zn Pb Ni Si Mn Al Fe Uso

Latón rojo 90 10 Trabajos duros

Latón amarillo 70 30 Cartuchos

Latón rojo con plomo 85 5 5 5 Maquinaria

Latón amarillo con plomo 72 1 24 3 Bombas

Bronce con estaño 88 8 4 Cojinetes de embarcaciones

Bronce para campanas 80 20 Campanas

Bronce para cojinetes 83 7 3 7 Cojinetes de máquinas

Bronce con silicio 95 4 1 Maquinaria de fundición

Bronce al manganeso 62 1.5 31 1 4 1.5 1.5 1.5 Alta resistencia

Bronce al aluminio 78 5 3 10 4 Resistencia a la corrosión

Plata níquel 65 4 6 5 20 Lavanderías y lecherías

PROCESOS DE FUNDICIÓN

Fundición a la arena. Arena, moldes, modelos, corazones y terminado

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 edurezca al enfriarse.

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

Moldes temporales

Los recipientes con la forma deseada se conocen como moldes, éstos se fabrican de diferentes materiales como: arena, yeso, barro, metal, etc. Los moldes pueden servir una vez o varias. En el primer caso se les conoce como moldes temporales y los que se pueden utilizan varias veces, se les conoce como moldes permanentes.

Modelos desechables y removibles

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 disponibles o desechables y si los modelos sirven para varias fundiciones se les llama removibles.

Fundición en moldes de arena

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.

Fundición 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 antorcha.

Fundición 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, como las que se muestran más adelante. Estos moldes tienen mayor resistencia a los golpes y soportan bien las turbulencias del metal al colarse en el molde.

Fundición 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.

Fundición en moldes furánicos

Este proceso es bueno para la fabricación de moldes o corazones de arena. Están fabricados con arena seca de grano agudo mezclado con ácido fosfórico, el cual actúa como acelerador en el endurecimiento, al agregarse a la mezcla una resina llamada furánica. Con esta mezcla de ácido, arcilla y resina en dos horas el molde se endurece lo suficiente para recibir el metal fundido.

Fundición 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.

También los procesos de moldeo pueden ser clasificados por el lugar en el que se fabrican.

1. 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.

2. Moldeo de piso. Para piezas grandes en las que su manejo es difícil y no pueden ser transportadas de un sitio a otro.

3. Moldeo en fosa. Cuando las piezas son extremadamente grandes y para su alimentación es necesario hacer una fosa bajo el nivel medio del piso.

Ventajas de los modelos desechables

1. Para la fabricación de moldes sin máquinas de moldeo se requiere menos tiempo. 2. No requieren de tolerancia especiales.

3. El acabado es uniforme y liso.

4. No requiere de piezas sueltas y complejas.

5. No requiere de corazones

6. El moldeo se simplifica notablemente.

Desventajas de los modelos desechables

1. El modelo es destruido en el proceso de fundición. 2. Los modelos son más delicados en su manejo.

3. No se puede utilizar equipo de moldeo mecánico.

4. No se puede revisar el acabado del molde.

Partes de un molde

1. Vasija de vaciado. Entrada del metal fundido al molde. 2. Bebedero. Conducto por el cual baja el metal fundido para la alimentación del metal al molde.

3. Corredor alimentador. Vasija inferior que permite la entrada del material a la cavidad. En algunos caso se coloca un rebosadero antes del corredor alimentador para que se atrape la escoria o partículas extrañas del metal fundido.

4. Rebosaderos. Son espacios que pueden ser ciegos o abiertos y que sirven para permitir que la escoria del material fundido flote y sea atrapada. También sirven para conocer si el material llenó en su totalidad la cavidad del molde.

Tolerancias en los modelos

En el diseño de los modelos que se utilizan para construir un molde es necesario tener en consideración varias tolerancias.

1. Tolerancia para la contracción. Se debe tener en consideración que un material al enfriarse se contrae dependiendo del tipo de metal que se esté utilizando, por lo que los modelos deberán ser más grandes que las medidas finales que se esperan obtener.

2. Tolerancia para la extracción. Cuando se tiene un modelo que se va a remover es necesario agrandar las superficies por las que se deslizará, al fabricar estas superficies se deben considerar en sus dimensiones la holgura por extracción.

3. Tolerancia por acabado. Cuando una pieza es fabricada en necesario realizar algún trabajo de acabado o terminado de las superficies generadas, esto se logra puliendo o quitando algún material de las piezas producidas por lo que se debe considerar en el modelo esta rebaja de material.

4. Tolerancia de distorsión. Cuando una pieza es de superficie irregular su enfriamiento también es irregular y por ello su contracción es irregular generando la distorsión de la pieza, estos efectos deberán ser tomados en consideración en el diseño de los modelos.

5. Golpeteo. En algunas ocasiones se golpean los modelos para ser extraídos de los moldes, acción que genera la modificación de las dimensiones finales de las piezas obtenidas, estas pequeñas modificaciones deben ser tomadas en consideración en la fabricación de los modelos.

Observe que cuando se utilizan modelos disponibles muchas de las tolerancias antes mencionadas no son aplicables.

Procesos especiales de fundición

Fundición en moldes metálicos

La fundición en moldes permanentes hechos de metal es utilizada para la producción masiva de piezas de pequeño o regular tamaño, de alta calidad y con metales de baja temperatura de fusión. Sus ventajas son que tienen gran precisión y son muy económicos, cuando se producen grandes cantidades. Existen varios tipos de moldes metálicos utilizados para la fabricación de piezas por lo regular de metales no ferrosos, a continuación se mencionan algunos de las más utilizados.

1. Fundición en matrices

En este proceso el metal líquido se inyecta a presión en un molde metálico (matriz), la inyección se hace a una presión entre 10 y 14 Mpa, las piezas logradas con este procedimiento son de gran calidad en lo que se refiere a su terminado y a sus dimensiones. Este procedimiento es uno de los más utilizados para la producción de grandes cantidades de piezas fundidas. Se pueden utilizar dos tipos de sistema de inyección en la fundición en matrices.

Cámara caliente Cámara fría

El procedimiento de fusión en cámara caliente se realiza cuando un cilindro es sumergido en el metal derretido y con un pistón se empuja el metal hacia una salida la que descarga a la matriz. Las aleaciones más utilizadas en este método son las de bajo punto de fusión como las de zinc, estaño y plomo. Las piezas que se producen son de 20 a 40 kg y se llegan a manejar presiones superiores a los 35 Mpa. Es un proceso rápido que se puede fácilmente mecanizar.

Fundición con cámara caliente

El proceso con cámara fría se lleva metal fundido por medio de un cucharón hasta un cilindro por el cual corre un pistón que empuja al metal a la matriz de fundición, las piezas obtenidas son de unos cuantos gramos a 10 kg y sólo es recomendable en trabajos de poca producción.

2. Fundición en cámara fría

Fundición con molde permanente por gravedad

Este tipo de fundición es utilizado para piezas en las que la calidad de terminado y dimensional no está sujeto a restricciones de calidad, debido a que la única fuente de energía que obliga al metal a llenar la cavidad del molde es la fuerza de la gravedad, un ejemplo de la utilización de este método el la fabricación de lingotes de metal.

La fusión de moldes de baja presión

Es un sistema de fusión que consiste en la colocación de un tallo sobre un crisol sellado, al inyectar presión al centro del crisol la única salida del metal fundido será el tallo por lo que se genera el flujo del metal por el tallo hasta que se llena la matriz y se forma la pieza.

Con este procedimiento se pueden fabricar piezas hasta de 30 kg y es rentable para grandes cantidades de piezas sin grandes requerimientos de calidad.

Fundición a vacio

3. Fundición hueca

Es un sistema de producción de piezas metálicas huecas sin corazones fijos. Consiste en vaciar metal fundido en un molde que es volteado cuando se empieza a solidificar el metal. El metal que no se ha solidificado sale del molde para ser utilizado en otra pieza y el metal solidificado forma las paredes de la pieza. El resultado son paredes delgadas de metal.

4. Fundición prensada o de Corthias

Es un proceso para producir piezas huecas pero de mayor calidad que la fundición hueca. Se vacía una cantidad específica de metal fundido en el interior de un molde con un extremo abierto por el que se introduce un corazón que obliga al metal fundido a distribuirse uniformemente en todo el molde, una vez que empieza a solidificarse el metal del molde, se extrae el corazón, lo que origina una pieza de buena

calidad. Este sistema de fundición es considerado como artesanal y sólo es rentable cuando se van a fabricar pocas piezas.

Fundición centrífuga

La fundición centrífuga es un método en el que aprovecha la fuerza centrífuga que se puede general al hacer girar el metal en tordo de un eje. Existen tres tipos de fundición centrífuga:

I. Fundición centrífuga real II. Fundición semicentrífuga

III. Centrifugado

I. Fundición centrífuga real

Es el procedimiento utilizado para la fabricación de tubos sin costura, camisas y objetos simétricos, los moldes se llenan del material fundido de manera uniforme y se hace girar al molde sobre su eje de rotación.

II. Fundición semi centrífuga

Es un método en el que el material fundido se hace llegar a los extremos de los moldes por la fuerza centrífuga que genera hacer girar a los moldes, los extremos se llenan del material fundido, con buena densidad y uniformidad. El centro tiene poco material o de poca densidad. Por lo regular el centro en este tipo de sistemas de fundición es maquinado posteriormente.

III. Centrifugado

Es un sistema donde por medio de un tallo se hace llegar metal fundido a racimos de piezas colocadas simétricamente en la periferia. Al poner a girar el sistema se genera fuerza centrífuga la que es utilizada para aumentar la uniformidad del metal que llena las cavidades de los moldes.

Procesos de fundición especiales

Proceso de fundición a la cera perdida

Es un proceso muy antiguo para la fabricación de piezas artísticas. Consiste en la creación de un modelo en cera de la pieza que se requiere, este modelo debe tener exactamente las características deseadas en la pieza a fabricar. El modelo de cera es cubierto con yeso o un material cerámico que soporte el metal fundido. Para que seque ese material cerámico se introduce a un horno, con ello el material cerámico se endurece y el modelo de cera se derrite. En el molde fabricado se vacía el metal fundido y se obtiene la pieza deseada. Es un proceso que es utilizado para la fabricación de piezas ornamentales únicas o con muy pocas copias.

Proceso de cáscara cerámica

Es un proceso parecido al de la cera perdida, sólo que en este proceso el modelo de cera o un material de bajo punto de fusión se introduce varias veces en una lechada refractaria (yeso con polvo de marmol) la que cada vez que el modelo se introduce este se recubre de una capa de la mezcla, generando una cubierta en el modelo. Posteriormente el modelo y su cáscara se meten en un horno con lo que el material refractario se endurecerá y el modelo se derrite. Así se tiene un molde listo para ser llenado con un metal y producir una fundición sólida o hueca.

Fundición en molde de yeso

Cuando se desea la fabricación de varios tipos de piezas de tamaño reducido y de baja calidad en su terminado superficial, se utiliza el proceso de fundición en molde de yeso. Este consiste en la incrustación de las piezas modelo que se desean fundir, en una caja llena con pasta de yeso, cuando se ha endurecido el yeso, se extraen las piezas que sirvieron de modelo y por gravedad se llenan las cavidades con metal fundido. El sistema anterior puede producir grandes cantidades de piezas fundidas con las formas deseadas.

TRATAMIENTOS TÉRMICOS

El tratamiento térmico es la operación de calentamiento y enfriamiento de un metal en su estado sólido para cambiar sus propiedades físicas. Con el tratamiento térmico adecuado se pueden reducir los esfuerzos internos, el tamaño del grano, incrementar la tenacidad o producir una superficie dura con un interior dúctil.

Para conocer a que temperatura debe elevarse el metal para que se reciba un tratamiento térmico es recomendable contar con los diagramas de cambio de fases como el de hierro - hierro - carbono. En este tipo de diagramas se especifican las temperaturas en las que suceden los cambios de fase (cambios de estructura cristalina), dependiendo de los materiales diluidos.

Los tratamientos térmicos han adquirido gran importancia en la industria en general, ya que con las constantes innovaciones se van requiriendo metales con mayores resistencias tanto al desgaste como a la tensión.

Endurecimiento del acero

El proceso de endurecimiento del acero consiste en el calentamiento del metal de manera uniforme a la temperatura correcta (ver figura de temperaturas para endurecido de metales) y luego enfriarlo con agua, aceite, aire o en una cámara refrigerada. El endurecimiento produce una estructura granular fina que aumenta la resistencia a la tracción (tensión) y disminuye la ductilidad.

El acero al carbono para herramientas se puede endurecer al calentarse hasta su temperatura crítica, la cual se adquiere aproximadamente entre los 1450 °F y 1525 °F (790 a 830 °C) lo cual se identifica cuando el metal adquiere el color rojo cereza brillante. Cuando se calienta el acero la perlita se combina con la ferrita, lo que produce una estructura de grano fino llamada austenita. Cuando se enfría la austenita de manera brusca con agua, aceite o aire, se transforma en martensita, material que es muy duro y frágil.

Temple (revenido)

Después que se ha endurecido el acero es muy quebradizo o frágil lo que impide su manejo pues se rompe con el mínimo golpe debido a la tensión interior generada por el proceso de endurecimiento. Para contrarrestar la fragilidad se recomienda el temple del acero (en algunos textos a este proceso se le llama revenido y al endurecido temple). Este proceso hace más tenaz y menos quebradizo el acero aunque pierde algo de dureza. El proceso consiste en limpiar la pieza con un abrasivo para luego calentarla hasta la temperatura adecuada (ver tabla), para después enfriarla con rapidez en el mismo medio que se utilizó para endurecerla.

Tabla de temperaturas para templar acero endurecido

Color Grados F Grados C Tipos de aceros

Paja claro 430 220 Herramientas como brocas, machuelos

Paja mediano 460 240 Punzones dados y fresas

Paja obscuro 490 255 Cizallas y martillos

Morado 520 270 Árboles y cinceles para madera

Azul obscuro 570 300 Cuchillos y cinceles para acero

Azul claro 600 320 Destornilladores y resortes

Recocido

Cuando se tiene que maquinar a un acero endurecido, por lo regular hay que recocerlo o ablandarlo. El recocido es un proceso para reducir los esfuerzos internos y ablandar el acero. El proceso consiste en calentar al acero por arriba de su temperatura crítica y dejarlo enfriar con lentitud en el horno cerrado o envuelto en ceniza, cal, asbesto o vermiculita.

Cementado

Consiste en el endurecimiento de la superficie externa del acero al bajo carbono, quedando el núcleo blando y dúctil. Como el carbono es el que genera la dureza en los aceros en el método de cementado se tiene la posibilidad de aumentar la cantidad de carbono en los aceros de bajo contenido de carbono antes de ser endurecido. El carbono se agrega al calentar al acero a su temperatura crítica mientras se encuentra en contacto con un material carbonoso. Los tres métodos de cementación más comunes son: empacado para carburación, baño líquido y gas.

Carburización por empaquetado

Este procedimiento consiste en meter al material de acero con bajo contenido carbónico en una caja cerrada con material carbonáceo y calentarlo hasta 1650 o 1700 °F (900 a 927 °C) durante 4 a 6 horas. En este tiempo el carbón que se encuentra en la caja penetra a la superficie de la pieza a endurecer. Entre más tiempo se deje a la pieza en la caja con carbón de mayor profundidad será la capa dura. Una vez caliente la pieza a endurecer a la temperatura adecuada se enfría rápidamente en agua o salmuera. Para evitar deformaciones y disminuir la tensión superficial se recomienda dejar enfriar la pieza en la caja para posteriormente sacarla y volverla a calentar entre 1400 y 1500 °F (rojo cereza) y proceder al enfriamiento

por inmersión. La capa endurecida más utilizada tiene un espesor de 0.38 mm, sin embargo se pueden tener espesores de hasta 4 mm.

Carburización en baño líquido

El acero a cementar se sumerge en un baño de cianuro de sodio líquido. También se puede utilizar cianuro de potasio pero sus vapores son muy peligrosos. Se mantiene la temperatura a 1500 °F (845 °C) durante 15 minutos a 1 hora, según la profundidad que se requiera. A esta temperatura el acero absorberá el carbono y el nitrógeno del cianuro. Después se debe enfriar con rapidez al acero en agua o salmuera. Con este procedimiento se logran capas con espesores de 0.75 mm.

carburización con gas

En este procedimiento se utilizan gases carburizantes para la cementación. La pieza de acero con bajo contenido carbónico se coloca en un tambor al que se introduce gas para carburizar como derivados de los hidrocarburos o gas natural. El procedimiento consiste en mantener al horno, el gas y la pieza entre 1650 y 1750 °F (900 y 927 °C). después de un tiempo predeterminado se corta el gas carburizante y se deja enfriar el horno. Luego se saca la pieza y se recalienta a 1400 °F (760 °C) y se enfría con rapidez en agua o salmuera. Con este procedimiento se logran piezas cuya capa dura tiene un espesor hasta de 6 mm, pero por lo regular no exceden de 0.7 mm.

Carburado, cianurado y nitrurado

Existen varios procedimientos de endurecimiento superficial con la utilización del nitrógeno y cianuro a los que por lo regular se les conoce como carbonitrurado o cianurado. En todos estos procesos con ayuda de las sales del cianuro y del amoniaco se logran superficies duras como en los métodos anteriores.

PROCESOS DE SOLDADURA

La soldadura es un proceso para la unión de dos metales por medio de calor y/o presión y se define como la liga metalúrgica entre los átomos del metal a unir y el de aporte.

Existen diversos procesos de soldadura los que difieren en el modo en que se aplica el calor o la energía para la unión. A continuación se presenta una manera general de agruparlos:

1. Soldadura blanda 2. Soldadura fuerte

3. Soldadura por forja

4. Soldadura con gas

5. Soldadura con resistencia

6. Soldadura por inducción

7. Soldadura por arco

8. Soldadura por vaciado

9. Soldadura por fricción

10. Soldadura por explosión

Para lograr la soldadura algunos procesos requieren sólo de fuerza para la unión, otros requieren de un metal de aporte y energía térmica que derrita a dicho metal. Cada uno de los diferentes procesos de soldadura tiene sus características de ingeniería particulares y sus costos específicos.

Existen diferentes tipos de uniones de los materiales, estas uniones se conocen como juntas y van desde las elementales hasta las más complejas, a continuación se observan algunas de las juntas de soldadura más comunes. Su aplicación dependerá fundamentalmente del tipo de material a utilizar, la apariencia de la unión y del uso que se dará a la unión.

Soldadura blanda

Es la unión de dos piezas de metal por medio de otro metal llamado de aporte, éste se aplica entre ellas en estado líquido. La temperatura de fusión de estos metales no es superior a los 430ºC. En este proceso se produce una aleación entre los metales y con ello se logra una adherencia que genera la unión. En los metales de aporte por lo regular se utilizan aleaciones de plomo y estaño los que funden entre los 180 y 370ºC.

Este tipo de soldadura es utilizado para la unión de piezas que no estarán sometidas a grandes cargas o fuerzas. Una de sus principales aplicaciones es la unión de elementos a circuitos eléctricos. Por lo regular el metal de aporte se funde por medio de un cautín y fluye por capilaridad.

Soldadura fuerte

En esta soldadura se aplica también metal de aporte en estado líquido, pero este metal, por lo regular no ferroso, tiene su punto de fusión superior a los 430 ºC y menor que la temperatura de fusión del metal base. Por lo regular se requiere de fundentes especiales para remover los óxidos de las superficies a unir y aumentar la fluidez al metal de aporte. Algunos de los metales de aporte son aleaciones de cobre, aluminio o plata. A continuación se presentan algunos de los más utilizados para las soldaduras denominadas como fuertes:

1. Cobre. Su punto de fusión es de 1083ºC. 2. Bronces y latones con punto de fusión entre los 870 y 1100ºC.

3. Aleaciones de plata con temperaturas de fusión entre 630 y 845ºC.

4. Aleaciones de aluminio con temperatura de fusión entre 570 y 640ºC

La soldadura dura se puede clasificar por la forma en la que se aplica el metal de aporte. A continuación se describen algunos de estos métodos:

Inmersión. El metal de aporte previamente fundido se introduce entre las dos piezas que se van a unir, cuando este se solidifica las piezas quedan unidas.

Horno. El metal de aporte en estado sólido, se pone entre las piezas a unir, estas son calentadas en un horno de gas o eléctrico, para que con la temperatura se derrita al metal de aporte y se genere la unión al enfriarse.

Soplete. El calor se aplica con un soplete de manera local en las partes del metal a unir, el metal de aporte en forma de alambre se derrite en la junta. Los sopletes pueden funcionar con los siguientes comburentes:

aire inyectado a presión (soplete de plomero), aire de la atmósfera (mechero Bunsen), oxígeno o aire almacenado a presión en un tanque. Los combustibles pueden ser: alcohol, gasolina blanca, metano, propano-butano, hidrógeno o acetileno.

Electricidad. La temperatura de las partes a unir y del metal de aporte se puede lograr por medio de resistencia a la corriente, por inducción o por arco, en los tres métodos el calentamiento se da por el paso de la corriente entre las piezas metálicas a unir.

Soldadura por forja

Es el proceso de soldadura más antiguo. El proceso consiste en el calentamiento de las piezas a unir en una fragua hasta su estado plástico y posteriormente por medio de presión o golpeteo se logra la unión de las piezas. En este procedimiento no se utiliza metal de aporte y la limitación del proceso es que sólo se puede aplicar en piezas pequeñas y en forma de lámina. La unión se hace del centro de las piezas hacia afuera y debe evitarse a como de lugar la oxidación, para esto se utilizan aceites gruesos con un fúndente, por lo regular se utiliza bórax combinado con sal de amónio.

La clasificación de los procesos de soldadura mencionados hasta ahora, es la más sencilla y general, a continuación se hace una descripción de los procesos de soldadura más utilizados en los procesos industriales.

Soldadura con gas

Este proceso incluye a todas las soldaduras que emplean un gas combustible para generar la energía que es necesaria para fundir el material de aporte. Los combustibles más utilizados son el metano, acetileno y el hidrógeno, los que al combinarse con el oxígeno como comburente generan las soldaduras autógena y oxhídrica.

La soldadura oxhídrica es producto de la combinación del oxígeno y el hidrógeno en un soplete. El hidrógeno se obtiene de la electrólisis del agua y la temperatura que se genera en este proceso es entre 1500 y 2000°C.

La soldadura autógena se logra al combinar al acetileno y al oxígeno en un soplete. Se conoce como autógena porque con la combinación del combustible y el comburente se tiene autonomía para ser manejada en diferentes medios. El acetileno se produce al dejar caer terrones de carburo de calcio en agua, en donde el precipitado es cal apagada y los gases acetileno. Uno de los mayores problemas del acetileno es que no se puede almacenar a presión por lo que este gas se puede obtener por medio de generadores de acetileno o bien en cilindros los que para soportar un poco la presión 1.7 MPa, se les agrega acetona.

Cilindros y reguladores para soldadura oxiacetilénica

En los sopletes de la soldadura autógena se pueden obtener tres tipos de flama las que son reductora, neutral y oxidante. De las tres la neutral es la de mayor aplicación. Esta flama, está balanceada en la cantidad de acetileno y oxígeno que utiliza. La temperatura en su cono luminoso es de 3500°C, en el cono envolvente alcanza 2100°C y en la punta extrema llga a 1275°C.

En la flama reductora o carburizante hay exceso de acetileno lo que genera que entre el cono luminoso y el envolvente exista un cono color blanco cuya longitud esta definida por el exceso de acetileno. Esta flama se utiliza para la soldadura de monel, níquel, ciertas aleaciones de acero y muchos de los materiales no ferrosos.

La flama oxidante tiene la misma apariencia que la neutral excepto que el cono luminoso es más corto y el cono envolvente tiene más color, Esta flama se utiliza para la soldadura por fusión del latón y bronce. Una de las derivaciones de este tipo de flama es la que se utiliza en los sopletes de corte en los que la oxidación súbita genera el corte de los metales. En los sopletes de corte se tiene una serie de flamas pequeñas alrededor de un orificio central, por el que sale un flujo considerable de oxígeno puro que es el que corta el metal.

En algunas ocasiones en la soldadura autógena se utiliza aire como comburente, lo que genera que la temperatura de esta flama sea menor en un 20% que la que usa oxígeno, por lo que su uso es limitado a la unión sólo de algunos metales como el plomo. En este tipo de soldadura el soplete es conocido como mechero Bunsen.

En los procesos de soldadura con gas se pueden incluir aquellos en los que se calientan las piezas a unir y posteriormente, sin metal de aporte, se presionan con la suficiente fuerza para que se genere la unión.

Soldadura por resistencia

El principio del funcionamiento de este proceso consiste en hacer pasar una corriente eléctrica de gran intensidad a través de los metales que se van a unir, como en la unión de los mismos la resistencia es mayor que en sus cuerpos se generará el aumento de temperatura, aprovechando esta energía y con un poco de presión se logra la unión. La corriente eléctrica pasa por un transformador en el que se reduce el voltaje de 120 o 240 a 4 o 12 V, y se eleva el amperaje considerablemente para aumentar la temperatura. La soldadura por resistencia es aplicable a casi todos los metales, excepto el estaño, zinc y plomo.

En los procesos de soldadura por resistencia se incluyen los de:

a. soldadura por puntos b. soldadura por resaltes

c. soldadura por costura

d. soldadura a tope

En la soldadura por puntos la corriente eléctrica pasa por dos electrodos con punta, debido a la resistencia del material a unir se logra el calentamiento y con la aplica de presión sobre las piezas se genera un punto de soldadura. La máquinas soldadoras de puntos pueden ser fijas o móviles o bién estar acopladas a un robot o brazo mecánico.

Diagrama de una máquina soldadora por puntos

La soldadura por resaltes es un proceso similar al de puntos, sólo que en esta se producen varios puntos a la vez en cada ocasión que se genera el proceso. Los puntos están determinados por la posición de un conjunto de puntas que hacen contacto al mismo tiempo. Este tipo de soldadura se puede observar en la fabricación de malla lac.

Soldadura con resaltes

La soldadura por costura consiste en el enlace continuo de dos piezas de lámina traslapadas. La unión se produce por el calentamiento obtenido por la resistencia al paso de la corriente y la presión constante que se ejerce por dos electrodos circulares. Este proceso de soldadura es continuo.

Tipos de soldadura

La soldadura a tope consiste en la unión de dos piezas con la misma sección, éstas se presionan cuando está pasando por ellas la corriente eléctrica, con lo que se genera calor en la superficie de contacto. Con la temperatura generada y la presión entre las dos piezas se logra la unión.

Soldadura por inducción

Esta soldadura se produce al aprovechar el calor generado por la resistencia que se tiene al flujo de la corriente eléctrica inducida en la piezas a unir. Por lo regular esta soldadura se logra también con presión. Consiste en la conexión de una bobina a los metales a unir, y debido a que en la unión de los metales se da más resistencia al paso de la corriente inducida en esa parte es en la que se genera el calor, lo que con presión genera la unión de las dos piezas. La soldadura por inducción de alta frecuencia utiliza corrientes con el rango de 200,000 a 500,000 Hz de frecuencia, los sistemas de soldadura por inducción normales sólo utilizan frecuencias entre los 400 y 450 Hz.

Soldadura por arco eléctrico

Es el proceso en el que su energía se obtiene por medio del calor producido por un arco eléctrico que se forma entre la pieza y un electrodo. Por lo regular el electrodo también sirve de metal de aporte, el que con el arco eléctrico se funde, para que así pueda ser depositado entre las piezas a unir. La temperatura que se genera en este proceso es superior a los 5,500°C. La corriente que se utiliza en el proceso puede ser directa o alterna, utilizándose en la mayoría de las veces la directa, debido a la energía es más constante con lo que se puede generar un arco estable. Las máquinas para corriente directa se construyen con capacidades hasta de 1,000 A, con corrientes de 40 a 95 V. Mientras se efectúa la soldadura el voltaje del arco es de 18 a 40 A.

Para la generación del arco existen los siguientes electrodos:

a. Electrodo de carbón. En la actualidad son poco utilizados, el electrodo se utiliza sólo como conductor para generar calor, el metal de aporte se agrega por separado.

b. Electrodo metálico. El propio electrodo sirve de metal de aporte al derretirse sobre los materiales a unir. Se pueden utilizar para estos electrodos máquinas para soldar de corriente directa o alterna, las segundas constan de transformadores estáticos, lo que genera bajos mantenimiento e inversión inicial. Existen máquinas de 150, 200, 300, 500, 750 y 1000 A.

c. Electrodos recubiertos. Los electrodos metálicos con un recubrimiento que mejora las características de la soldadura son los más utilizados en la actualidad, las funciones de los recubriimientos son las siguientes:

o Proporcionan una atmósfera protectora

o Proporcionan escoria de características adecuadas para proteger al metal fundido

o Facilita la aplicación de sobre cabeza

o Estabiliza el arco

o Añade elementos de aleación al metal de la soldadura

o Desarrolla operaciones de enfriamiento metalúrgico

o Reduce las salpicaduras del metal

o Aumenta la eficiencia de deposición

o Elimina impurezas y óxidos

o Influye en la profundidad del arco

o Influye en la formación del cordón

o Disminuye la velocidad de enfriamiento de la soldadura

Las composiciones de los recubrimientos de los electrodos pueden ser orgánicas o inorgánicas y estas substancias se pueden subdividir en las que forman escoria y las que son fundentes. Algunos de los principales compuestos son:

o Para la formación de escoria se utilizan SiO2, MnO2 y FeO o Para mejorar el arco se utilizan Na2O, CaO, MgO y TiO2

o Desoxidantes: grafito, aluminio, aserrín

o Para mejorar el enlace: silicato de sodio, silicato de potasio y asbestos

o Para mejorar la aleación y la resistencia de la soldadura: vanadio, cesio, cobalto, molibdeno, aluminio, circonio, cromo, níquel, manganeso y tungsteno.

Tipos de electrodos

Los electrodos para este tipo de soldadura están sujetos a norma de calidad, resultados y tipos de uso. La nomenclatura es la siguiente:

E-XX-Y-Z

La E indica que se trata de un electrodo con recubrimiento.

Los dos primeros dígitos XX se utilizan para indicar la resistencia de la soldadura a la tensión, por ejemplo cuando señalan 60 se refiere a que la resistencia a la tensión es de 60,000 lb/in2.

El tercer dígito Y se refiere a la posición en la que se puede utilizar la soldadura, por ejemplo 1 es para sobre cabeza, 2 horizontal, y 3 vertical.

Por medio del cuarto dígito Z, se especifican características especiales de la soldadura como: si es para corriente directa, alterna o ambas; si es de alta o baja penetración. En algunas ocasiones los electrodos tienen letras al final, esto depende de la empresa que los fabricó.

Para mayor información vea la siguiente tabla:

Elemento SignificadoE Electrodo para arco eléctricoXX Resistencia a la tensión en lb/in2

Y

Posición de aplicación:1 Cualquier posición2 Verticall3 Horizontal

Z

Características de la corriente0 CC invertida1 CC y CA sólo investida2 CC (directa) y CA3 CC y CA (directa)

Letras Depende de la marca de los electrodos establece las aleaciones y las características de penetración

Ejemplo: un electrodo E7013 implica que produce soldadura con 70,000 lb/in2 de resistencia a la tensión, que se puede utilizar para soldar en cualquier posición (incluso sobre la cabeza) y que se recomienda la utilización de corriente continua o corriente alterna, ambas de manera directa.

Intensidad de corriente

El amperaje que se debe aplicar para generar la soldadura es muy importante, de ello depende que no se pegue el electrodo, que la soldadura fluya entre las dos piezas o que no se perforen las piezas que se van a unir.

En la siguiente tabla se muestran las cantidades de corriente en amperes que se deben utilizar de acuerdo al grueso de los electrodos.

Intensidad de corriente aproximada para diferentes diámetros de electrodos

Diámetro del electrodo (in) Amperes para soldadura plana

Amperes para soldadura vertical y sobre la cabeza

1/16 25-70 ---3/32 60-100 ---1/8 80-150 75-1305/32 125-225 115-1603/16 140-240 125-1801/4 200-350 170-2205/16 250-500 ---3/8 325-650 ---

Una recomendación práctica que se utiliza en los talleres para hacer la determinación de la corriente, sin tener que recurrir a la tabla es la siguiente:

Convierta el diámetro del electrodo de fracciones a decimales, elimine el punto y esa será la corriente aproximada que debe utilizar con ese electrodo. Por ejemplo, si tiene un electrodo de 1/8 su conversión a decimales será 0.125, al quitarle el punto se obtiene 125, lo que indica que se deben utilizar mas o menos 125 amperes para que el electrodo funcione bien.

Soldadura por arco con hidrógeno atómico

En un sistema generador de un arco eléctrico en el que se agrega hidrógeno se liberará calor con mayor intensidad que en un arco común, la temperatura que se alcanza en este tipo de arco es superior a los 6,000 °C.

Soldadura por arco con gas protector

En este proceso la unión se logra por el calor generado por un arco eléctrico que se genera entre un electrodo y las piezas, pero el electrodo se encuentra protegido por una copa por la que se inyecta un gas inerte como argón, helio o CO2. Con lo anterior se genera un arco protegido contra la oxidación y además perfectamente controlado. Existen dos tipos de soldadura por arco protegido la TIG y la MIG.

La soldadura TIG (tungtein inert gas) es aquella en la que el electrodo de la máquina es de tungsteno, por lo que el metal de aporte se debe añadir por separado.

La soldadura MIG (metal inert gas) es la que el electrodo es de un metal que se utiliza como metal de aporte, por lo que este sistema es considerado como un proceso de soldadura continua.

Para mayor información sobre soldadura TIG y MIG hacer click aquí

Soldadura por vaciado

Con algunos materiales la unión no se puede hacer por los procedimientos antes descritos debido a que no fácilmente aceptan los metales de aporte como sus aleaciones. Para lograr la soldadura de estos metales en algunas ocasiones es necesario fundir del mismo metal que se va a unir y vaciarlo entre las partes a unir, con ello cuando solidifica las piezas quedan unidas. A este procedimiento se le conoce como fundición por vaciado.

Soldadura por fricción

En este proceso la unión se logra por el calor que se genera al girar una de las piezas a unir en contra de la otra que se encuentra fija, una vez alcanzada la temperatura adecuada se ejerce presión en las dos piezas y con ello quedan unidas.

Ilustración de un proceso que emplea calor generado por fricción para producir una soldadura

Soldadura por explosión

Esta soldadura también se llama de recubrimiento consiste en la unión de dos piezas metálicas, por la fuerza que genera el impacto y presión de una explosión sobre las proximidades a las piezas a unir. En algunas ocasiones, con el fin de proteger a las piezas a unir, se coloca goma entre una de las superficies a unir y el yunque que genera la presión.

Proceso de unión explosiva mostrando la reacción a alta velocidad que emana del punto de colisión debido a la presión ascendente

PULMETALURGIA

Se define como el arte de elaborar productos comerciales a partir de polvos metálicos.

En este proceso no siempre se utiliza el calor, pero cuando se utiliza este debe mantenerse debajo de la temperatura de fusión de los metales a trabajar. Cuando se aplica calor en el proceso subsecuente de la metalurgia de los polvos se le conoce como sinterizado, este proceso genera la unión de partículas finas con lo que se mejora la resistencia de los productos y otras de sus propiedades. Las piezas metálicas producto de los procesos de la metalurgia de los polvos son producto de la mezcla de diversos polvos de metales que se complementan en sus características. Así se pueden obtener metales con cobalto, tungsteno o grafito según para qué va a ser utilizado el material que se fabrica.

El metal en forma de polvo es más caro que en forma sólida y el proceso es sólo recomendable para la producción en masa de los productos, en general el costo de producción de piezas producto de polvo metálico es más alto que el de la fundición, sin embargo es justificable y rentable por las propiedades excepcionales que se obtienen con este procedimiento. Existen productos que no pueden ser fabricados y otros no compiten por las tolerancias que se logran con este método de fabricación.

El proceso de manera general consiste en:

1. Producción de polvo de los metales que serán utilizados en la pieza

2. Mezclado de los metales participantes

3. Conformado de las piezas por medio de prensas

4. Sinterizado de las piezas

5. Tratamientos térmicos

Diagrama para la producción de piezas por medio de polvos

Producción y caracterización de polvos

El tamaño, forma y distribución de los polvos afectan las características de las piezas a producir, por lo que se debe tener especial cuidado en la forma en la que se producen los polvos. Las principales características de los polvos a considerar son:

1. Forma 2. Finura

3. Distribución

4. Capacidad para fluir

5. Propiedades químicas

6. Compresibilidad

7. Densidad

8. Densidad

9. Propiedades de sinterización

Forma

La forma del polvo depende de la manera en la que se produjo el polvo, esta puede ser esférica, quebrada, dendrítica. Plana o angular.

Finura

La finura se refiere al tamaño de la partícula, se mide por medio de mallas normalizadas, las que consisten en cribas normalizadas, las que se encuentran entre las 36 y 850 micras.

Distribución de los tamaños de partículas

Se refiere a las cantidades de los tamaños de las partículas que participan en la composición de una pieza de polvo, esta distribución de tamaños tiene gran influencia en la fluidez y densidad de las partículas y en la porosidad final del producto.

Fluidez

Es la propiedad que le permite fluir fácilmente de una parte a otra o a la cavidad del molde. Se mide por una tasa de flujo a través de un orificio normalizado.

Propiedades químicas

Son características de reacción ante diferentes elementos. También se relacionan con la pureza del polvo utilizado.

Compresibilidad

Es la relación que existe entre el volumen inicial del polvo utilizado y el volumen final de la pieza comprimida. Esta propiedad varia considerablemente en función del tamaño de las partículas de polvo y afecta directamente a resistencia de las piezas.

Densidad aparente

Se expresa en kilogramos por metro cúbico. Esta debe ser constante siempre, para que la pieza tenga en todas sus partes la misma cantidad de polvo.

Facilidad de sinterización

La sinterización es la unión de las partículas por medio del calor. Dependerá del tipo de polvo que se esté utilizando, por lo que existen tantas temperaturas de sinterización como materiales utilizados.

Métodos para producir polvos

Todos los metales pueden producirse en forma de polvo, sin embargo no todos cumplen con las características necesarias para poder conformar una pieza. Los dos metales más utilizados para la producción de polvo para la fabricación de piezas son el cobre y el hierro. Como variaciones del cobre se utilizan el bronce para los cojinetes porosos y el latón para pequeñas piezas de máquinas. También se llegan a utilizar otros polvos de níquel, plata, tungsteno y aluminio.

Existen diferentes formas de producir polvos metalúrgicos dependiendo de las características físicas y químicas de los metales utilizados:

Con maquinado se producen partículas gruesas y se usan principalmente para producir polvos de magnesio.

En el proceso de molido se tritura el material con molinos rotatorios de rodillos y por estampado rompiendo los metales, por este método los materiales frágiles pueden reducirse a partículas irregulares de cualquier finura.

El proceso de perdigonado consiste en vaciar metal fundido en un tamiz y enfriarlo dejándolo caer en agua. En este proceso se obtienen partículas esféricas o con forma de pera. La mayoría de los metales pueden perdigonarse, pero el tamaño de las partículas es demasiado grande.

La pulverización consiste en la aspersión del metal y su enfriamiento en aire o en agua. Es un excelente método para la producción de polvo de casi todos los metales de bajo punto de fusión como el plomo, aluminio, zinc y estaño.

Algunos metales pueden convertirse en polvo con una agitación rápida del metal mientras se está enfriando. Este proceso se le conoce como granulación.

Otro procedimiento para la producción de polvo de hierro, plata y algunos otros metales es el de depósito electrolítico. Consiste en la inmersión del metal a pulverizar, como ánodos, en tinas con un electrolito, los tanques actúan como cátodos, el hierro o metal a pulverizar se mueve de los ánodos hacia los cátodos depositándose como un polvo fino que puede posteriormente utilizarse con facilidad.

Polvos especiales

Polvos prealeados: Cuando se logra la producción de un polvo de un metal previamente aleado con otro se mejoran considerablemente las propiedades de las piezas, en comparación con las que tendrían con los metales puros. Una de las ventajas de este tipo de polvos es que requieren menores temperaturas para su producción y que proporcionan la suma de las propiedades de los dos metales unidos similares a las que se obtendrían con la fundición.

Polvos recubiertos. Los polvos pueden ser recubiertos con determinados elementos cuando pasan por medio de un gas portador. Cada partícula es uniformemente revestida, cuando se sinteriza adquiere las propiedades del recubrimiento. Esto permite el uso de polvos más baratos.

Conformación

Consiste en la acción de comprimir al polvo que fluyó a un recipiente con la forma deseada de la pieza a producir. Existen varios métodos de conformación, a continuación se presentan algunos de ellos:

Prensado. Los polvos se prensan en moldes de acero con la forma requerida, la presión varía entre 20 y 1400 Mpa. Los polvos plásticos no requieren de altas presiones, como los que son más duros. La mayoría de las prensas que fueron diseñadas para otros fines pueden ser utilizadas para la producción de piezas de polvo. Pueden utilizarse prensas hidráulicas sin embargo es más común que se usen las mecánicas debido a su alta capacidad de producción.

Compactación centrífuga. Los moldes se llenan con polvos metálicos pesados y luego se centrifugan para obtener presiones de hasta 3 Mpa. Con lo anterior se obtienen densidades uniformes producto de la fuerza centrífuga en cada partícula de polvo. Posteriormente se extraen las piezas de los moldes y se sinterizan con lo que adquieren su dureza final.

Conformación por vaciado. Las piezas para tungsteno, molibdeno y otros polvos se hacen algunas veces por compactación por vaciado. Este procedimiento consiste en hacer una lechada con el polvo del metal que se va a utilizar, esta se vacía en un molde de yeso. Como el molde de yeso es un material poroso drena

gradualmente dejando una capa sólida del material metálico. Después de transcurrido el tiempo suficiente para tener una capa lo suficiente gruesa, se sinterizan las piezas de manera normal. Para objetos huecos es muy útil este procedimiento.

Extrusión

Para la fabricación de piezas largas producidas a partir de polvos metálicos, deben producirse a través del proceso de extrusión. Los métodos a utilizar para este proceso dependen de las características del polvo; algunos se extruyen en frío con un aglutinante y otros se calientan hasta la temperatura de extrusión. Generalmente el polvo se comprime en forma de lingote y posteriormente se calientan y sinterizan antes de pasarlos a la prensa para la extrusión.

Compactado por explosivos. Como su nombre lo indica la fuerza necesaria para compactar a un polvo en su molde adecuado puede ser producto de una explosión. El procedimiento es sencillo y económico sin embargo además de peligros puede que su control no sea del todo satisfactorio.

Sinterizado

Es el proceso por medio del cual con el aumento de la temperatura, las partículas de los cuerpos sólidos se unen por fuerzas atómicas. Con la aplicación de calor, las partículas se prensan hasta su más mínimo contacto y la efectividad de las reacciones a la tensión superficial se incrementan. Durante el proceso la plasticidad de los granos se incrementa y se produce un mejor entrelazamiento mecánico por la formación de un lecho fluido. Cualquier gas presente que interfiera con la unión es expulsado. Las temperaturas para el sinterizado son menores a la temperatura de fusión del polvo principal en la mezcla utilizada.

Existe una amplia gama de temperaturas de sinterizado, sin embargo las siguientes han demostrado ser satisfactorias.

Hierro 1095 °C

Acero inoxidable 1180 °C

Cobre 870 °C

Carburo de tungsteno 1480 °C

El tiempo de sinterizado varia entre los 20 y 40 minutos.

Ventajas y limitaciones del proceso de producción por la metalurgia de los polvos

Ventajas

La producción de carburos sinterizados, cojinetes porosos y bimetálicos de capas moldeadas, sólo se puede producir por medio de este proceso.

Porosidad controlada

Tolerancias reducidas y acabado superficial de alta calidad

Por la calidad y pureza de los polvos producidos, se pueden obtener también piezas de alta pureza.

No hay pérdidas de material

No se requieren operarios con alta capacitación

Limitaciones

1. Los polvos son caros y difíciles de almacenar 2. El costo del equipo para la producción de los polvos es alto

3. Algunos productos pueden fabricarse por otros procedimientos más económicamente

4. Es difícil hacer productos con diseños complicados

5. Existen algunas dificultades térmicas en el proceso de sinterizado, especialmente con los materiales de bajo punto de fusión.

6. Algunos polvos de granos finos presentan riesgo de explosión, como aluminio, magnesio, zirconio y titanio.

7. Es difícil fabricar productos uniformes de alta densidad.

Algunos productos fabricados por este procedimiento

Filtros metálicos Carburos cementados

Engranes y rotores para bombas

Escobillas para motores

Cojinetes porosos

Magnetos

Contactos eléctricos

UNIDAD II

SISTEMA DE ALMACENAMIENTO DE SÓLIDOS, LÍQUIDOS Y GASES

lmacenar productos en las plantas químicas es una de las operaciones básicas y fundamentales; se almacenan materias primas, productos medio-elaborados, catalizadores, reactivos y todos los productos acabados. Hay una sección de almacén que se emplea como carga de materias primas, otra sección que se utiliza para los productos intermedios y la sección de almacén para productos acabados, que tiene función de pulmón ante la distribución comercial. El tipo de almacenamiento cambia en función del estado físico de las materias primas y de los varios productos donde básicamente se encuentran los tres estadios físicos como sólido, líquido y gaseoso, además de estadios intermedios dependiendo sea de la naturaleza sea de la temperatura.Fundamentalmente el sistema de almacén se clasifica en dos grandes categorías:Deposito o Tanque abierto;Deposito o Tanque cerrado;A su vez, la categoría de tanques cerrados pueden ser:DA (depósito a presión ambiente),DP (depósito a presión)