UNIDAD I

PROCESOS DE FUNDICIÓN Y MOLDEO

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL

UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA DE INGENIERIA, CIENCIAS SOCIALES Y

ADMINISTRATIVAS

ENERO 2013 Escandón Guzmán Cristian A.

INDICE (PARTE 1)

I. Obtención del Hierro al Acero

II. Alto Horno

III. Minerales, Fundentes, Gases, Combustibles y Chatarra

IV. Oxidoconvertidores: Bessemer, Basico y Siemmens – Martin

V. Metodos No Convencionales:

I. Horno Eléctrico

II. Horno de Crisol

III. Proceso de Colada

IV. Cubilote

V. Método Dúplex

VI. Método Triplex

INDICE (PARTE 2)

I. Introducción a los Procesos de Fundición

II. Metodología de la fundición de una pieza

III. Tipos de Modelos de fundición

IV. Factores para una buena fundición

V. Procedimiento de Moldeo

VI. Tipos de Fundición de acuerdo al moldeo

VII. Caja de Moldeo

VIII. Arenas

IX. Tipos de Arenas

X. Pruebas para determinar tipos de Arenas

XI. Aglutinantes

XII. Corazones

XIII. Terminado y Limpieza

XIV. Moldeo por Lingotes y caracteristicas

Materia Prima él está

siempre en forma de óxido

(Fe2O3)

Eliminarle Oxígeno

(Proceso Reducción)

Mediante un

elemento reductor:

Monóxido de

Carbono (CO)

Hierro

Elemental

- Combustión

ESQUEMA PRINCIPAL

Elemento que arde (combustible) Coque (C) CO

Produce la combustión (comburente) O2

CO2 Dióxido de Carbono

Hornos y

convertidores

para la

producción del

Acero

Alto Horno

Oxido convertidores, Horno Oxigeno Básico

Siemmens – Martin

Hornos de Cubilote

Características: 8 metros aprox. de Ø , h = 70 m aprox. Duración: 5

– 7 Años

Producción: 700 – 1600 ton x 24 horas x 360 dias

Mineral

- Extracción de Yacimientos A cielo Abierto

- Extracción Betas Subterraneas

Tipos de Mineral

- Magnetita

- Hematita (80%)

- Limonita

- Siderita

Extracción

- Apartado

- Trituración (Piedra caliza)

- Molienda

- Cribado (Clasificación del material)

- Separación Electromagnética

- Concentración (Pelets)

- Tostación

Producción de Arrabio en el Alto Horno

Producción 1 ton Arrabio

2 ton de Mineral de Hierro

(Mena)

1 ton de Coque

½ ton Piedra Caliza

3 ½ ton de Aire 02

1 tonelada de hierro de

1ra Fusión del 3 al 4 % C

7 toneladas de Materia

Prima

Producción de Arrabio en el Alto Horno

Composición del Arrabio:

• Carbono 4 %

• Silicio 5 %

• Manganeso 1 %

• Azufre 4 % Proceso de Refinación

T= 900° C (ganga + cenizas + CaO)

Cal (CaO)

•Inyectarle Aire (Antes) Oxigeno

• Puro (Actualidad) o Mediante Oxidos

(Chatarra)

Combustibles: El coque es el residuo que queda después de calentar

ciertos carbones en ausencia de aire. Es un material duro quebradizo y

poroso, que contiene de 85% a 90% de carbono, junto con alto de

cenizas, azufre y fósforo.

Chatarra: Metales procedentes de estructuras inservibles, tale como

calderas, puentes, buques, automóviles, etc., se convierten en chatarra

aprovechable.

OXIDOCONVERTIDORES

Horno cuya finalidad consiste en producir aceros controlando el %

de Carbono en aleaciones de metales ferrosos o férricos (Elemento

base es el hierro).

Principal Producto: Acero Inoxidable que toma como m.p. Chatarra,

Arrabio y Hierro Esponja. (reducido)

OXIDOCONVERTIDORES

Tipos de Hornos o Convertidores:

- Bessemer

- Oxigeno Básico y Lanza de Oxigeno

- Siemmens - Martin

| BESSEMER (Mezcla de Aire, Tipo Acido)

Inyecta Aire

Hierro Convertidor Bessemer Oxidación del C, Si y Mn Adiciona

C y Mn

Queman impurezas (Fundición Especular)

Producto (verter a moldes)

Características: Construido internamente con un revestimiento Tipo

básico de Silicio o Magnesia “Actúan como fundente y es de tipo

basculante.

| BESSEMER

BASICO DE OXIGENO (BOF)

El Básico de Oxigeno utiliza Oxigeno

Puro a diferencia del Bessemer que

utiliza aire.

Son fabricados del tipo Basculante.

Se adiciona chatarra y arrabio

fundidos y se les inyecta oxigeno por

medio de una lanza sobre la

superficie del material.

BASICO DE OXIGENO (BOF)

Fundentes: Cal Escoria

Insumos: 12 – 30 % Chatarra / 70 - 88 % Arrabio

Capacidad: 50 – 350 ton

Producción: 360 ton métricas por hora

Productos Diferentes grados de Aceros Inoxidables y alta aleación

Se utiliza: En laminas, Placas y Acero Estructural así como en

carrocerias.

SIEMMENS – MARTIN (Horno de Hogar Abierto)

Horno cuyo proceso consiste en elevar a 1500 ° C el horno por un periodo de

8 -10 hrs lo cual provoca que sea un proceso muy Costoso (T° = Cte)

Se alimenta del:

- Arrabio proveniente de Alto Horno (mena)

- Chatarra, Oxigeno y Oxido de Hierro (Oxidantes)

- Aluminio y Ferromagneso (especie de fundentes)

oTipo de Horno:

- De Reverbero con capacidad 600 ton

- Revestimiento tipo básico

oEstructura : Permite Proceso regenerativo de gases:

oCombustible

oAire

oProductos: Herramientas, Tuercas, Pernos y Tornillos.

El O2 del FeO2 Oxida (C, Si e Impurezas) MO2: Escapa a la

atmosfera

SiO y PO Absorbidos por revestimiento básico

PROCESOS NOS CONVENCIONALES PARA LA OBTENCION DEL

ACERO

-Poco utilizados

-Costos elevados de producción de acero (Alta calidad)

Tipos

- Hierro esponja (reducido) Purificación por reducción

directa (HYL)

-Obtención de aceros

aleados, no aleados

y fundiciones

-Horno Eléctrico

- Horno de Crisol

- Proceso de Colada

- Cubilote

- Método Dúplex

- Método Triplex

PROCESOS NOS CONVENCIONALES PARA LA OBTENCION

DEL ACERO

I. Reducción Directa (HYL )

Hierro Esponja + Chatarra Horno Eléctrico para su refinación.

Productos: Grados diferentes de Acero de Alta aleación

(INOX) Resistentes al H2O, T

PROCESOS NOS CONVENCIONALES PARA LA OBTENCION

DEL ACERO

I. Reducción Directa (HYL )

II. H. Eléctrico

Horno cuyo proceso metalúrgico consiste en producir calor

rápidamente mediante el calentamiento de un material conductor

eléctrico al inducir una corriente eléctrica, elevando la T en donde

se encuentra contenida la m.p. sin contacto físico lo que evita

contaminar el acero por el proceso de combustión.

H. ELECTRICO

-Estructura: Basculante

-Capacidad: 20 ton

-Tiempo de Precalentado: 3 – 6 hrs

-Materia Prima: Chatarra Seleccionada ,

Piedra Caliza y Material

metálico

-Tipos de Recubrimientos :

- Básico : Piezas de Acero Fundido

- Ácido : Aceros especiales

-Ventajas: Alto control de impurezas: precisión en su composición

química

-Arco Eléctrico (78 %)

-Conexión Directa: Corriente Monofásica y Trifásica

-Conexión Indirecta: Corriente Monofásica

-Inducción (18 %)

-Alta frecuencia

-Baja frecuencia

-Resistencia ( 4 %)

-Resistencia metálica

-Resistencia No metálica

Tipos de

Hornos

Eléctricos

-Arco Eléctrico (78 %)

-Inducción (18 %)

-Resistencia ( 4 %)

Hornos

Eléctricos

III. H. CUBILOTE

Arrabio + Chatarra + Coque + Caliza + Aire Se funden en un horno

denominado cubilote T 1200 – 1500 °C Precalentado 2 – 3 hrs

-Reducción de costos (mas económico)

-Mantenimiento mínimo

-Utilización de combustible solido (coque)

-La m.p tiene intimo contacto entre si Intercambio térmico directo y

activo

-Recubrimiento refractario

-Alto rendimiento (Producción)

-Baja calidad o control metalúrgico

Aire Caliente (Recuperador)

Tipos:

Aire Frio

III. H. CUBILOTE

Características: 10 m Altura – 4 -6 m Ø

IV. H. Crisol

Horno cuya materia prima (carga metálica, fundentes, Aire) se funde

sin entrar en contacto con los gases de la combustión.

- Gas o Carbón de coque como combustible

-Aleaciones de metales no ferrosos

-Crisol:

Forrados de acero con una base interna de grafito con

ladrillos refractarios (mampostería) rodeados por coque se enciende y

alcanza incandescencia.

Revestimiento Grafito: Aglutinantes ( Arcilla y Alquitrán)

Limitados del tipo basculantes (mecánicos-hidraúlicos), por

lo que se emplea el cuchareo.

V. METODO DUPLEX

Horno Cielo Abierto

Procesos:

Horno de Cubilote

-Coladas o Vaciados continuos

-Alto control de T y vaciado del metal

-Productos: Fundición Blanca (C + Cementita), Acero, Aleaciones

especiales y Hierro fundido maleable

-Características: Resistente al impacto y al mecanizado.

-Piezas Producidas Crisol -> Horno Recocido x 3-4 dias

T= 815 – 1100 °C

-Objetivo: carburos de hierro Nodulos de Carbón de Temple

VI. METODO TRIPLEX

Horno Cielo Abierto

Procesos: Horno de Cubilote

Horno Eléctrico

-No convencional $

-Producción: Materiales especiales Herramientas de Corte

Resistencia Fricción

Resistencia al rozamiento

PROCESOS DE FUNDICIÓN.

El proceso para producir piezas u objetos útiles con metal fundido

se le conoce como proceso de fundición. Este proceso se ha

practicado desde el año 2000 ac.

Consiste en vaciar metal fundido en un recipiente con la forma de

la pieza u objeto que se desea fabricar y esperar a que se endurezca

al enfriarse.

FUNDICIÓN O COLADA

Proceso para obtener una pieza o producto de fundición donde se

cuela el metal líquido en un molde.

Para lograr la producción de una pieza fundida es necesario hacer las siguientes actividades:

1. Diseño de los modelos de la pieza y sus partes internas

2. Diseño del molde

3. Preparación de los materiales para los modelos y los moldes

4. Fabricación de los modelos y los moldes

5. Colado de metal fundido

6. Enfriamiento de los moldes

7. Extracción de las piezas fundidas

8. Limpieza de las piezas fundidas

9. Terminado de las piezas fundidas

10. Recuperación de los materiales de los moldes

TIPOS DE MODELOS DE FUNDICIÓN A LA ARENA

Modelo removible o permanentes.

Modelo desechable.

Semipermanente

Los moldes se fabrican por medio de

modelos los que pueden ser de madera, plástico, cera, yeso, arena, poliuretano, metal, etc. Si los modelos se destruyen al elaborar la pieza, se dice que éstos son desechables y si los modelos sirven para varias fundiciones se les llama permanentes.

FACTORES PARA UNA BUENA FUNDICIÓN

Procedimiento de Moldeo

Modelo

Arena

Corazones

Equipo Mecánico

Metal

Vaciado y Limpieza

PROCEDIMIENTOS DE MOLDEO.

Los Moldes se clasifican según los materiales usados.

Moldes de arena verde

Moldes con capa seca

Moldes con arena seca

Moldes de arcilla

Moldes de CO2

Moldes de Metal

Moldes Especiales

FUNCION EN MOLDES DE ARENA VERDE.

Uno de los materiales más utilizados para la fabricación de moldes

temporales es la arena sílica o arena verde (por el color cuando está

húmeda).

El procedimiento consiste en el recubrimiento de un modelo con

arena húmeda y dejar que seque hasta que adquiera dureza.

MOLDES DE ARENA VERDE

MOLDES DE ARENA VERDE

MOLDES DE ARENA

VERDE

FUNDICION EN MOLDES DE

CAPA SECA

Es un procedimiento muy parecido

al de los moldes de arena verde,

con excepción de que alrededor del

modelo (aproximadamente 10 mm)

se coloca arena con un compuesto

que al secar hace más dura a la

arena, este compuesto puede ser

almidón, linaza, agua de melaza,

etc.

El material que sirve para

endurecer puede ser aplicado por

medio de un rociador y

posteriormente secado con una

flama.

FUNDICION EN MOLDES CON ARENA SECA.

Estos moldes son hechos en su totalidad con arena verde común,

pero se mezcla un aditivo como el que se utiliza en el moldeo

anterior, el que endurece a la arena cuando se seca.

Los moldes deben ser cocidos en un horno para eliminar toda la

humedad y por lo regular se utilizan cajas de fundición.

Estos moldes tienen mayor resistencia a los golpes y soportan

bien las turbulencias del metal al colarse en el molde.

FUNDICION EN MOLDES DE ARCILLA.

Los moldes de arcilla se construyen al nivel de piso con

ladrillos o con materiales cerámicos, son utilizados para la

fundición de piezas grandes y algunas veces son reforzados con

cajas de hierro.

Estos moldes requieren mucho tiempo para su fabricación y no

son muy utilizados.

FUNDICION CON MOLDES DE CO2.

En este tipo de moldes la arena verde se mezcla con silicato de sodio

para posteriormente ser apisonada alrededor del modelo.

Una vez armado el molde se inyecta bióxido de carbono a presión

con lo que reacciona el silicato de sodio aumentando la dureza del

molde.

Con la dureza adecuada de la arena del molde se extrae el modelo,

si este fuera removible, para posteriormente ser cerrado y utilizado.

FUNDICION EN MOLDES DE METAL.

Se usan principalmente en fundición en matriz de aleaciones de bajo

punto de fusión.

Las piezas de fundición se obtienen de formas exactas con una

superficie fina, esto elimina mucho trabajo de maquinado.

FUNDICION EN MOLDES ESPECIALES.

Plástico, cemento, yeso, madera y hule, todos estos

materiales son usados en moldes para aplicaciones

particulares .

Moldeo en banco. Este tipo de moldeo es para trabajos pequeños y se fabrican en un banco que se encuentre a la mano del trabajador.

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

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

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

Moldeo en maquina. Las maquinas hacen un numero de operaciones que el moldeador hace a mano.

MODELOS.

Es una copia de la pieza a fundir. Deberá ser sobredimensionada ya que se debe tener en cuenta la contracción de la misma una vez se haya enfriado a temperatura ambiente. Se debe dar una sobre medida en los casos en el que se dé un proceso adicional de maquinado o acabado por arranque de viruta.

El uso del modelo determina el material a usar . Para la construcción del modelo, se puede emplear desde madera, yeso o plásticos como el uretano y el poliestireno expandido (EPS) hasta metales como el aluminio o el hierro fundido u otro material suficientemente fuerte para retener su forma y resistir el desgaste

Debe tener ángulos de salida, ángulos mínimos con la dirección de desmoldeo (la dirección en la que se extraerá el modelo), con objeto de no dañar el molde de arena durante su extracción. Se recomiendan ángulos entre 0,5º y 2º.

CAJA DE MOLDEO.

Son cajas de caras abiertas en las cuales la arena se compacta redondeando el modelo. Contiene y soporta la arena durante el moldeo y permite la apertura del molde para la extracción del molde. Se alinean con pasadores y guías.

ARENAS.

Hay básicamente 2 tipos de arenas.

Arenas sílicas.

Arenas de moldeo sintéticas.

Características de Arenas sílicas.

•Disponibilidad de ella.

•Resistencia a altas temperaturas.

•Bajo costo.

•Alta duración.

•Gran variedad de tamaños.

Características de Arenas sintéticas.

Estructuras son análogas si cumplen funciones parecidas por medios

semejantes

• Genera menos gases por poca humedad. (5 %).

• Las arenas se clasifican por tamaño de grano.

• Grano grueso, mediano y fino.

• Pruebas a la que se someten las arenas.

• Prueba de dureza de moldes y corazones.

• Pruebas de finura del grano.

• Pruebas sobre contenido de humedad.

• Pruebas de permeabilidad.

Clasificación

arena de cuarzo

desintegrado

SiO2

Angular: Resiste la compactación y requiere más

humedad.

Sub ángulo: Tiene buena resistencia, aristas

redondeadas, es la mejor.

Redondo: Buena permeabilidad, baja resistencia y

Fluye bien.

Compuesto: Tiende a romperse.

TAMAÑO DE LA ARENA.

Sistema ingles mallas hasta 600

Sistema métrico (mm, micras)

malla 6 0.131” 3.32mm

malla 270 0.0021” 0.033mm

.

CORAZON DE MOLDEO.

Es cualquier proyección de arena dentro del molde.

Cuando una pieza de fundición debe tener una cavidad o hueco, como

para un agujero de tornillo se introduce en el molde alguna forma de

corazón.

Tipos de Corazón:

oCorazones de Arena verde

oCorazones de Arena seca

AGLUTINANTES PARA LA ARENA.

oAglutinantes de aceite, linaza : Estos endurece cuando se oxida

por acción del calor. Para el caso de los corazones deben

hornearse por 2 horas a una temperatura entre 180 y 220 °C

oAglutinantes solubles en agua, harina de trigo, dextrina,

almidón, también tiene que se horneado.

o Aglutinantes con resina de alcohol furfural, secados con aire

caliente, 220 °C, 10 a 20 seg.

AGENTES ORGANICOS DE LIGA.

Resinas termofragantes

Furan se cataliza con acido fosforico

Alquidisocianato

Fenosiliciosianato.

Estos fraguan a temperatura ambiente con la ayuda de un catalizador, el

más común es el furan y cataliza con acido fosforico.

Uso. Corazones chicos y grandes, incluso en moldes.

Tiene muchas ventajas sobre los demás (furan) pero es costoso por el

equipo a usar y no es recuperable.

VACIADO DE METAL.

Si son talleres pequeños se toma el metal liquido con la ayuda de una cuchara

de vaciado o con la ayuda de 2 operarios si el metal es muy pesado.

En fundiciones grandes con muchas piezas a elaborar las líneas de

vaciado se colocan cerca del horno de fusión o transportadas por

medios aéreos con grúas viajeras.

Al solidificarse la pieza se extraen de las cajas de moldeo de forma

manual o por medio de un equipo vibratorio y se recuperan las arenas

de moldeo.

Las entradas y bebederos se cortan con la ayuda una prensa o una

sierra de banda.

LIMPIEZA DE PIEZAS.

oPara la limpieza de las piezas de fundición se utilizan métodos

dependiendo del tamaño genero y forma de las piezas.

oEl método mas utilizado es el rotatorio, la maquina consiste en un

barril de limpiado.

oContiene arena que golpea las piezas constantemente y eliminado

los residuos de la arena.

oLas piezas mas grandes las cuales son difíciles de manejar a mano,

se limpia con agua a alta presion.

oLa pieza se coloca en una mesa giratoria para este fin.

La mayoría de las piezas de fundición requieren un trabajo de

esmerilado para eliminar algunos defectos y principalmente

en eliminar completamente la tez de fundición.

MOLDEO EN

LINGOTERAS.

Para fabricar los diferentes objetos

útiles en la industria metal metálica,

es necesario que el hierro se presente

en barras.

Láminas

Alambres

Placas

Tubos o perfiles estructurales

Los que se obtienen de los procesos

de rolado.

Los lingotes (cilindros con un extremo menor que el otro) o

lupias (lingotes de gran tamaño con secciones rectangulares)

pueden tener desde 25 kg hasta varias toneladas, todo

dependerá de para qué se van a utilizar y para con qué tipo

de rodillos se van a procesar.

MOLDEO EN LINGOTERAS.

Lingoteras directas.

Capacidades desde 50

hasta 6500 gramos