Informe

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO

FACULTAD DE INGENIERA MECNICA-ENERGA

PROCESOS DE MANUFACTURA II

CALENTAMIENTO Y VACIADOPara desarrollar la operacin de fundicin, el metal se calienta hasta una temperatura ligeramente mayor a su punto de fusin y despus se vaca en la cavidad del molde para que se solidifique. En esta seccin consideramos varios aspectos de estos dos pasos en la fundicin.

Calentamiento del metalSe usan varias clases de hornos, para calentar el metal a la temperatura necesaria. La energa calorfica requerida es la suma de:

1) Calor para elevar la temperatura hasta el punto de fusin, 2) Calor de fusin para convertir el metal slido a lquido y 3) Calor para elevar al metal fundido a la temperatura de vaciado. Esto se puede expresar como:Transferencia de calor (energa)

Donde:

H = Calor requerido para elevar la temperatura del metal a la temperatura de fusin.

Cs = Calor especfico del material slido, (J/Kg C)( = Densidad, (Kg/m3)

Tm = Temperatura de fusin del metal, (C)

T0 =Temperatura inicial, generalmente la ambiente, (C);H f = Calor de fusin, (J/Kg)Ct = Calor especfico en peso del metal lquido, (J/KgC)Tp =Temperatura de vaciado, (C)

V = Volumen del metal que se calienta, (m3).Ejemplo 1: Calentamiento del metal para fundicin.Un volumen de 0.03m3 de una cierta aleacin eutctica (Dicho de una mezcla: Que presenta un punto de fusin bien definido y ms bajo que el de cada uno de sus componentes), se va a calentar en un crisol desde la temperatura ambiente hasta 100 C por encima de su punto de fusin. Las propiedades de la aleacin son densidad = 4160 kg/m3, punto de fusin = 700 C, calor especfico del metal = 343.32 J/kgoC en el estado slido y 297.26 J/kgoC en el estado lquido; y el calor de fusin = 167120.85 J/kg. Cunta energa calorfica se debe aadir para alcanzar el calentamiento, asumiendo que no hay prdidas?

Solucin:

Si aceptamos que la temperatura ambiente en la fundicin T0 = 26C y que las densidades en los estados lquido y slido del metal son las mismas, al sustituir los valores de las propiedades en la ecuacin (2.1) se tiene:

H = (.V.(Cs.(Tm T0 ) + Hf + Ct. (Tp Tm)(

Transferencia de calor

1Kcal = 4186.8J = 4.187KJ

H = (4160)(0.03){343.32(700-26) + 167120.85 +297.26(800-700} H = 53444917.34 J = 12765 KcalProblema 2

Una cierta aleacin eutctica se va a calentar en un crisol cuyo volumen es de 0.03m3 desde la temperatura ambiente hasta 100 C por encima de su punto de fusin. Las propiedades del metal de la aleacin son: la densidad es 4160 Kg/m3, punto de fusin es 700 C, calor especfico del metal en el estado slido es 343.32 J/KgoC, en el estado lquido 297.26 J/KgoC; y el calor de fusin es 167120.85 J/Kg. la temperatura ambiente en la fundicin lo consideramos en 26 C y las densidades en los estados lquido y slido del metal son las mismas. Se pide determinar:

1. La temperatura para elevar hasta el punto de fusin del metal.

2. La energa o calor de fusin para convertir el metal slido a lquido.

3. La energa o calor de fusin para convertir al metal fundido a la temperatura de vaciado.4. La energa calorfica que se deber aadir al crisol para alcanzar su calentamiento.

Formulario bsico de la energa calorfica:

H = (.V {CS (Tm To ) + Hf + Ct (T p Tm )}Donde:H = Calor requerido para elevar la temperatura del metal a la temperatura de fusin (J).

( = Densidad del material, (Kg/m3)

Cs = Calor especfico del material slido, (J/Kg C)

Tm = Temperatura de fusin del metal, (C)

T0 = Temperatura inicial, generalmente el ambiente, (C)

Tp = Temperatura de vaciado del metal. H f = Calor de fusin, (J/Kg)Ct = Calor especfico en peso del metal lquido, (J/KgC)

V = volumen del metal que se calienta. (m3).

Solucin: 1. La temperatura para elevar hasta el punto de fusin del metal.

El calor para elevar la temperatura hasta el punto de fusin es:

Tm = 700 C.2. La energa o calor de fusin para convertir el metal slido a lquido.

El calor de fusin del metal slido a lquido es:

Hf = (.V { Ct (T p Tm)}= 0.03*4160*(279.26*(800-26)Hf = 3486412.8J = 3486412.8J/4186.8 = 832.7Kcal= 355393.76 Kgf-m3. La energa o calor de fusin para convertir al metal fundido de vaciado.

La energa o calor de fusin del metal fundido de vaciado.

Hb = (4160)(0.03){343.32(800-26) + 167120.85} = 54019746.14J Hb =5506600Kgf.m=54019746.14J/4186.8=12902.4Kcal4. La energa calorfica que se deber aadir al crisol para alcanzar su calentamiento.

H = (.V {CS (Tm To) + H f + Ct (T p Tm)}

H = (4160)(0.03){343.32(700-26) + 167120.85 +297.26(800-700}H = 53221525.34 J=53221525.34 J/4186.8 =12711.74KcalLa ecuacin tiene un valor conceptual y su clculo es de utilidad limitada, no obstante se usa como ejemplo. El clculo de la ecuacin es complicado por los siguientes factores:

1) el calor especfico y otras propiedades trmicas del metal slido varan con la temperatura, especialmente si el metal sufre un cambio de fase durante el calentamiento;

2) el calor especfico de un metal puede ser diferente en el estado slido y en estado lquido;

3) la mayora de los metales de fundicin son aleaciones que funden en un intervalo de temperaturas entre slidos y lquidos en lugar de un punto nico de fusin, por lo tanto, el calor de fusin no puede aplicarse tan fcilmente como se indica arriba;

4) en la mayora de los casos no se dispone de los valores requeridos en la ecuacin para una aleacin particular

5) durante el calentamiento hay prdidas de calor significativas.

Vaciado del metal fundidoDespus del calentamiento, el material est listo para vaciarse. La introduccin del metal fundido en el molde y su flujo dentro del sistema de vaciado y de la cavidad es un paso crtico en el proceso. Para que este paso tenga xito, el metal debe fluir antes de solidificarse a travs de todas las regiones del molde, incluida la regin ms importante que es la cavidad principal. Los factores que afectan la operacin de vaciado son la temperatura de vaciado, la velocidad de vaciado y la turbulencia.

La temperatura de vaciado es la temperatura del metal fundido al momento de su introduccin en el molde. Lo importante aqu es la diferencia entre la temperatura de vaciado y la temperatura a la que empieza la solidificacin (el punto de fusin para un metal puro, o la temperatura lquidus para una aleacin). A esta diferencia de temperaturas se le llama algunas veces sobrecalentamiento.La velocidad de vaciado es el caudal con que se vierte el metal fundido dentro del molde. Si la velocidad es muy lenta, el metal puede enfriarse antes de llenar la cavidad. Si la velocidad de vaciado es excesiva provoca turbulencia y puede convertirse en un problema serio.

La turbulencia de flujo se caracteriza por variaciones errticas de la velocidad del fluido; cuando ste se agita, genera corrientes irregulares en lugar de fluir en forma laminar. El flujo turbulento debe evitarse durante el vaciado por varias razones. Tiende a acelerar la formacin de xidos metlicos que pueden quedar atrapados durante la solidificacin, degradando as la calidad de la fundicin. La turbulencia provoca una erosin excesiva del molde, que es el desgaste gradual de las superficies del molde debido al impacto del flujo de metal fundido. La erosin es especialmente seria cuando ocurre en la cavidad principal porque afecta la forma de la parte fundida.

Anlisis ingenieril del vaciadoVarias relaciones gobiernan el flujo del metal lquido a travs del sistema de vaciado y dentro del molde. Una relacin importante es el teorema de Bernoulli, el cual establece que la suma de las energas (altura, presin dinmica, energa cintica y friccin) en dos puntos cualquiera de un lquido que fluye es igual. Esto se puede escribir en la siguiente forma:

h = Altura, (m)

P = Presin en el lquido, (N/m2)

( = Densidad, (Kg/m3)

V = Velocidad de flujo en (m/s)g = Constante de la aceleracin gravitacional, (9.81 m/s2);

F = Prdidas de carga debidas a la friccin, (m).Los subndices 1 y 2 indican los dos puntos cualesquiera en el flujo del lquido.

La ecuacin de Bernouilli se puede simplificar de varias maneras. Si ignoramos las prdidas por friccin (la friccin afectar el flujo del lquido a travs del molde de arena) y asumimos que el sistema permanece a presin atmosfrica en toda su extensin, entonces la ecuacin puede reducirse a:

La cual puede usarse para determinar la velocidad del metal fundido en la base del bebedero de colada. Definamos un punto (1) en la parte superior del bebedero y un punto (2) en la base. Si el punto (2) se usa como referencia, entonces la altura en ese punto es cero (h2= 0) y h1 es la altura (longitud) del bebedero. Cuando se vierte el metal en la copa de vaciado y fluye hacia abajo, su velocidad inicial en la parte superior es cero (V1 = 0). Entonces la ecuacin se simplifica a que se puede resolver para la velocidad del flujo:

Donde:

v = Velocidad del metal lquido en la base del bebedero de colada, (m/s);

g = 9.81 m/s2h = Altura del bebedero (m)Otra relacin de importancia durante el vaciado es la ley de continuidad, la cual establece que la velocidad volumtrica del flujo permanece constante a travs del lquido. La velocidad del flujo volumtrico m3/s es igual a la velocidad multiplicada por el rea de la seccin transversal del flujo lquido. La ley de continuidad puede expresarse como:

Donde:

Q = Velocidad de flujo volumtrico, (m3/s);

V = Velocidad, (m/s);

A = rea de la seccin transversal del lquido, (m2)

Los subndices se refieren a cualquiera de los dos puntos en el sistema de flujo. Entonces, un incremento en el rea produce un decremento en la velocidad y viceversa.

Las ecuaciones 2.4 y 2.5 indican que el bebedero debe ser ahusado. El rea de la seccin transversal del canal debe reducirse conforme el metal se acelera durante su descenso en el bebedero de colada; de otra manera, puede aspirar aire dentro del lquido debido al incremento de la velocidad del metal que fluye hacia la base del bebedero y conducirlo a la cavidad del molde. Para prevenir esta condicin, se disea el bebedero con un ahusamiento de manera que la velocidad volumtrica de flujo vA sea misma en la parte superior y en el fondo del bebedero.

Si aceptamos que el canal alimentador de la base del bebedero a la cavidad del molde sea horizontal (y por tanto que la altura sea la misma que la de la base del bebedero), la velocidad volumtrica de flujo a travs del sistema de vaciado y dentro de la cavidad del molde permanece igual a VA en la base. Por consiguiente, podemos estimar el tiempo requerido para llenar una cavidad de volumen V como sigue:

Donde:

TMF = Tiempo de llenado del molde, (s);

V = Volumen de la cavidad del molde, (m3);

Q = Velocidad volumtrica de flujo. (m3/s)

El tiempo de llenado del molde calculado por la ecuacin 2.6 debe considerarse como tiempo mnimo, debido a que el anlisis ignora las prdidas por friccin y la posible constriccin del flujo en el sistema de vaciado; por tanto, el tiempo de llenado del molde ser mayor que el resultante de la ecuacin

Ejemplo 3 Clculos de vaciado.Un molde tiene un bebedero de colada cuya longitud es 0.20 m y el rea de la seccin transversal en la base del bebedero es 0.000258 m2. El bebedero alimenta a un canal horizontal que conduce a la cavidad del molde cuyo volumen es 0.0016387m3. Determine a) la velocidad del metal fundido en la base del bebedero, b) la velocidad volumtrica de flujo y c) el tiempo de llenado del molde.

Solucin:

a) La velocidad del flujo de metal en la base del bebedero est dada por la ecuacin.

b) La velocidad volumtrica de flujo es:

c) El tiempo requerido para llenar una cavidad de 0.0016387 m con este flujo es:

Las caractersticas del metal fundido se describen frecuentemente con el trmino fluidez, una medida de la capacidad del metal para llenar el molde antes de enfriar. Existen mtodos normales de ensayo para valorar la fluidez, como el molde espiral de prueba que se muestra en la figura 2.2, donde la fluidez se mide por la longitud del metal solidificado en el canal espiral. A mayor longitud, mayor fluidez del metal fundido.

Los factores que afectan la fluidez son la temperatura de vaciado, la composicin del metal, la viscosidad del metal lquido y el calor transferido de los alrededores. Una temperatura mayor, con respecto al punto de solidificacin del metal, incrementa el tiempo que el metal permanece en estado lquido permitindole avanzar ms, antes de solidificarse. Esto tiende a agravar ciertos problemas como la formacin de xido, la porosidad gaseosa y la penetracin del metal lquido en los espacios intersticiales entre los gramos de arena que componen el molde. Este ltimo problema causa que la superficie de la fundicin incorpore partculas de arena que la hacen ms rugosa y abrasiva de lo normal.

FIGURA 2.2 Molde espiral para ensayo de la fluidez, sta se mide por la longitud del canal espiral lleno antes de la solidificacin.Volumen del Modelo

Volumen del modelo =58990.32mm

Para calcular la seccin de entrada:

Donde

Tc (tiempo de colada)= 6seg

(coeficiente de eficiencia de rozamiento) = 0.7

hm (altura metalosttica)= 3(16.225mm) = 48.675mm.

Se = 1.47x10-5m2 = 14.7 mm2.

Tambin Se = b. e, e = 4.b, Se = 4b2, b = 1.1b y Se = b.d entonces

Tomando en cuenta la relacin para el aluminio es: Se: Sd: SD es 1:3:3, donde:

Se: seccin de entrada o ingreso

Sd: seccin de distribucin y SD: seccin de descenso, Podemos obtener:Sd = 3Se por lo tanto Sd = 44.1mm2, Asimismo, Sd = w.h y w=2h

Obteniendo:

Tambin Sd = SD, donde por lo tanto,

Donde DD : dimetro del canal de descensoLa altura metalosttica hm, tambin est definida por hm = hpc + hD + he, donde

hpc : altura del pie de colada, hD: altura del canal de descenso y he: altura del embudo.

Donde obtenemos Entonces hD = 31.175mm.

v

28.75 mm

42.86 mm

EMBED Equation.3

28.75 mm

7.01 mm

EMBED Equation.3

X 2

6.64 mm

32.45 mm

EMBED Equation.3

X 4

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED AutoCAD.Drawing.14

hm

hc

hD

Autor: Ing. Victoriano Snchez Valverde 2

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_1379064988.unknown

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