fundiciones(clase 1)

7/22/2019 Fundiciones(Clase 1)

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PROF:JORGE TORRES

CATEDRA: PROCESO ESPECIAL DE MANUFACTURA


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Otra definicin:

Se llama fundicin a aquellas aleaciones de hierro y carbono,el porcentaje se encuentra entre el 2% y el 6%.


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Debido a sus propiedades, las fundiciones suelen utilizarse para larealizacin de bloques, bancadas de mquinas, herramientas,soportes, bloques de motores, cuerpos de bombas etc.

Las fundiciones no son buenas conductoras de la electricidad y el

calor. Propiedades

Buena resistencia a la comprensin Baja resistencia a la traccin

Resistencia a las vibraciones Fragilidad Moldeabilidad en caliente Resistencia al desgaste.


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*Para lograr la produccin de una pieza fundida es necesario hacerlas siguientes actividades:

1. Diseo de los modelos de la pieza y sus partes internas2. Diseo del molde

3. Preparacin de los materiales para los modelos y los moldes4. Fabricacin de los modelos y los moldes5. Colado de metal fundido6. Enfriamiento de los moldes7. Extraccin de las piezas fundidas

8. Limpieza de las piezas fundidas9. Terminado de las piezas fundidas10.Recuperacin de los materiales de los moldes


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*MOLDES:

Moldes temporales

Los recipientes con la forma deseada se conocen como moldes,stos 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 puedenutilizan 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, plstico, cera, yeso, arena, poliuretano, metal, etc. Si losmodelos se destruyen al elaborar la pieza, se dice que stos sondisponibles o desechables y si los modelos sirven para variasfundiciones se les llama removibles.


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Fundicin en moldes de arenaUno de los materiales ms utilizados para la fabricacin de moldestemporales es la arena slica o arena verde (por el color cuando esthmeda). El procedimiento consiste en el recubrimiento de unmodelo con arena hmeda y dejar que seque hasta que adquiera

dureza.

Fundicin en moldes de capa seca

Es un procedimiento muy parecido al de los moldes de arena verde,con excepcin de que alrededor del modelo (aproximadamente 10

mm) se coloca arena con un compuesto que al secar hace ms duraa la arena, este compuesto puede ser almidn, linaza, agua demelaza, etc. El material que sirve para endurecer puede ser aplicadopor medio de un rociador y posteriormente secado con una antorcha.


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Fundicin en moldes con arena secaEstos moldes son hechos en su totalidad con arena verde comn,pero se mezcla un aditivo como el que se utiliza en el moldeoanterior, el que endurece a la arena cuando se seca. Los moldesdeben ser cocidos en un horno para eliminar toda la humedad y por

lo regular se utilizan cajas de fundicin, como las que se muestranms adelante. Estos moldes tienen mayor resistencia a los golpes ysoportan bien las turbulencias del metal al colarse en el molde.

Fundicin en moldes de arcilla

Los moldes de arcilla se construyen al nivel de piso con ladrillos ocon materiales cermicos, son utilizados para la fundicin de piezasgrandes y algunas veces son reforzados con cajas de hierro. Estosmoldes requieren mucho tiempo para su fabricacin y no son muyutilizados.


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Fundicin en moldes furnicosEste proceso es bueno para la fabricacin de moldes o corazones dearena. Estn fabricados con arena seca de grano agudo mezcladocon cido fosfrico, el cual acta como acelerador en elendurecimiento, al agregarse a la mezcla una resina llamada

furnica. Con esta mezcla de cido, arcilla y resina en dos horas elmolde se endurece lo suficiente para recibir el metal fundido.

Fundicin con moldes de CO2En este tipo de moldes la arena verde se mezcla con silicato de

sodio para posteriormente ser apisonada alrededor del modelo. Unavez armado el molde se inyecta bixido de carbono a presin con loque 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.


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Tambin los procesos de moldeo pueden ser clasificados por el lugaren el que se fabrican.

Moldeo en banco.Este tipo de moldeo es para trabajos pequeos 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 difcil y no pueden sertransportadas de un sitio a otro.

Moldeo en fosa.

Cuando las piezas son extremadamente grandes y para sualimentacin es necesario hacer una fosa bajo el nivel medio delpiso.


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Ventajas DesventajasPara la fabricacin de moldes sin mquinas

de moldeo se requiere menos tiempo.

El modelo es destruido en el proceso defundicin.

No requieren de tolerancia especiales. Los modelos son ms delicados en su

manejo.

El acabado es uniforme y liso. No se puede utilizar equipo de moldeo

mecnico.

No requiere de piezas sueltas y complejas. No se puede revisar el acabado del molde.

No requiere de corazones

1. El moldeo se simplifica notablemente.

Ventajas y Desventajas de los moldes Temporales


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*Tolerancias en los modelos

1. Tolerancia para la contraccin. Se debe tener en consideracinque un material al enfriarse se contrae dependiendo del tipo demetal que se est utilizando, por lo que los modelos debern serms grandes que las medidas finales que se esperan obtener.

2. Tolerancia para la extraccin. Cuando se tiene un modelo que seva a remover es necesario agrandar las superficies por las que sedeslizar, al fabricar estas superficies se deben considerar en susdimensiones la holgura por extraccin.

3. Tolerancia por acabado. Cuando una pieza es fabricada ennecesario realizar algn trabajo de acabado o terminado de lassuperficies generadas, esto se logra puliendo o quitando algnmaterial de las piezas producidas por lo que se debe consideraren el modelo esta rebaja de material.


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*Tolerancias en los modelos

4. Tolerancia de distorsin. Cuando una pieza es de superficieirregular su enfriamiento tambin es irregular y por ello su contraccines irregular generando la distorsin de la pieza, estos efectosdebern ser tomados en consideracin en el diseo de los modelos.

5. Golpeteo. En algunas ocasiones se golpean los modelos para serextrados de los moldes, accin que genera la modificacin de lasdimensiones finales de las piezas obtenidas, estas pequeasmodificaciones deben ser tomadas en consideracin en la fabricacinde los modelos.


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Procesos Especiales de Fundicin

Fundicin en moldes metlicos(PERMANENTES)

La fundicin en moldes permanentes hechos de metal es utilizadapara la produccin masiva de piezas de pequeo o regular tamao,de alta calidad y con metales de baja temperatura de fusin. Sus

ventajas son que tienen gran precisin y son muy econmicos,cuando se producen grandes cantidades. Existen varios tipos demoldes metlicos utilizados para la fabricacin de piezas por loregular de metales no ferrosos, a continuacin se mencionan algunosde las ms utilizados.


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1. Fundicin en matrices

En este proceso el metal lquido se inyecta a presin en un moldemetlico (matriz), la inyeccin se hace a una presin entre 10 y 14Mpa, las piezas logradas con este procedimiento son de gran calidad

en lo que se refiere a su terminado y a sus dimensiones. Esteprocedimiento es uno de los ms utilizados para la produccin degrandes cantidades de piezas fundidas. Se pueden utilizar dos tiposde sistema de inyeccin en la fundicin en matrices.

Cmara caliente

Cmara fra

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Cmara caliente

El procedimiento de fusin en cmara caliente se realiza cuando uncilindro es sumergido en el metal derretido y con un pistn se empujael metal hacia una salida la que descarga a la matriz. Las aleaciones

ms utilizadas en este mtodo son las de bajo punto de fusin comolas de zinc, estao y plomo. Las piezas que se producen son de 20 a40 kg y se llegan a manejar presiones superiores a los 35 Mpa. Es unproceso rpido que se puede fcilmente mecanizar.

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Fundicin con Cmara caliente

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Cmara FriaEl proceso con cmara fra se lleva metal fundido por medio de uncucharn hasta un cilindro por el cual corre un pistn que empuja almetal a la matriz de fundicin, las piezas obtenidas son de unoscuantos gramos a 10 kg y slo es recomendable en trabajos de poca

produccin.

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Fundic in co n molde permanente por g ravedad

Este tipo de fundicin es utilizado para piezas en las que la calidadde terminado y dimensional no est sujeto a restricciones de calidad,

debido a que la nica fuente de energa que obliga al metal a llenar lacavidad del molde es la fuerza de la gravedad, un ejemplo de lautilizacin de este mtodo en la fabricacin de lingotes de metal.

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La fus in de moldes de baja presinEs un sistema de fusin que consiste en la colocacin de un tallo sobre uncrisol sellado, al inyectar presin al centro del crisol la nica salida del metalfundido ser el tallo por lo que se genera el flujo del metal por el tallo hastaque 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 decalidad.

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Fundicin centrfuga

La fundicin centrfuga es un mtodo en el que aprovecha la fuerzacentrfuga que se puede general al hacer girar el metal en tordo de uneje. Existen tres tipos de fundicin centrfuga:

Fundicin centrfuga real

Fundicin semi-centrfuga

Centrifugado

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Procesos Especiales de FundicinI. Fundicin centrfuga real

Es el procedimiento utilizado para la fabricacin de tubos sin costura, camisasy objetos simtricos, los moldes se llenan del material fundido de manera

uniforme y se hace girar al molde sobre su eje de rotacin.

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II. Fundicin semicentrfuga

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

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Procesos Especiales de FundicinIII. Centrifugado

Es un sistema donde por medio de un tallo se hace llegar metal fundido a

racimos de piezas colocadas simtricamente en la periferia. Al poner a girar elsistema se genera fuerza centrfuga la que es utilizada para aumentar la

uniformidad del metal que llena las cavidades de los moldes.

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Proceso de fundicin a la cera perdida

Es un proceso muy antiguo para la fabricacin de piezas artsticas.Consiste en la creacin de un modelo en cera de la pieza que serequiere, este modelo debe tener exactamente las caractersticas

deseadas en la pieza a fabricar. El modelo de cera es cubierto conyeso o un material cermico que soporte el metal fundido. Para queseque ese material cermico se introduce a un horno, con ello elmaterial cermico se endurece y el modelo de cera se derrite. En elmolde fabricado se vaca el metal fundido y se obtiene la piezadeseada. Es un proceso que es utilizado para la fabricacin de piezasornamentales nicas o con muy pocas copias.

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Proceso de cscara cermica

Es un proceso parecido al de la cera perdida, slo que en esteproceso el modelo de cera o un material de bajo punto de fusin seintroduce varias veces en una lechada refractaria (yeso con polvo de

marmol) la que cada vez que el modelo se introduce este se recubrede una capa de la mezcla, generando una cubierta en el modelo.Posteriormente el modelo y su cscara se meten en un horno con loque el material refractario se endurecer y el modelo se derrite. Asse tiene un molde listo para ser llenado con un metal y producir unafundicin slida o hueca.

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Fundicin en molde de yeso

Cuando se desea la fabricacin de varios tipos de piezas de tamaoreducido y de baja calidad en su terminado superficial, se utiliza elproceso de fundicin en molde de yeso. Este consiste en la

incrustacin de las piezas modelo que se desean fundir, en una cajallena con pasta de yeso, cuando se ha endurecido el yeso, se extraenlas piezas que sirvieron de modelo y por gravedad se llenan lascavidades con metal fundido. El sistema anterior puede producirgrandes cantidades de piezas fundidas con las formas deseadas.

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Etapas de la Fundicin en moldes permanentes:

1. Precalentar el molde en hornos adecuados de calentamiento, auna temperatura de 400 C.

2. Aplicar recubrimiento refractarios sobre la superficies de la

cavidad del molde, bebedero y la mazarota.3. Cerrar apropiadamente el molde, obtener la temperaturacorrecta y vaciar el metal fundido.

4. En cuanto se comienza a solidificar el metal, retirar el macho;en caso contrario el metal fundido se contraer en la superficiedel macho metlico y lo bloquear dentro de la fundicin.

5. Sacar la fundicin despus que se solidifique.6. Limpiar el molde mediante soplado, recubrir con material

refractario, ensamblar y prepararlo para el prximo vaciado.

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Ventajas y Desventajas de los moldes permanentes

Ventajas Desventajas

Es un proceso muy rpido y el tiempo

requerido para las fundiciones grandes

es, en el peor de los casos, de 5 minutos.

El costo del molde es alto

El acabado superficial es mejor que las

de fundiciones de arena.

No es econmico para menos de 1000

Piezas

Las tolerancias dimensionales estn por

el orden de +o 0,5mm por cada 100

mm

No se puede fabricar piezas de ms de

150 Kg.

El molde se puede utilizar para fabricarentre 3000 y 5000 piezas. Es difcil de producir piezas con formascomplicadas.

No requiere de operario calificado, el de

arena s.

No es un mtodo adecuado para fundir

aleaciones de altas temperaturas.

La estructura de las piezas fabricadas

tiene una estructura de grano ms fina

Debido al efecto de enfriamiento de los

moldes metlicos, se requiere cuidado

especial para obtener buenas

fundiciones con mayor precisin

dimensional.Es econmico para la produccin en

gran escala

Se puede fundir fcilmente espesores de

2,5mm.

Mejor acabado y calidad

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CALENTAMIENTO Y VACIADO

Para desarrollar la operacin de fundicin, el metal se calienta hastauna temperatura ligeramente mayor a su punto de fusin y despusse vaca en la cavidad del molde para que se solidifique. En estaseccin consideramos varios aspectos de estos dos pasos en lafundicin.

Calentamiento del metal

Se usan varias clases de hornos, para calentar el metal a latemperatura necesaria. La energa calorfica requerida es la suma de

1) calor para elevar la temperatura hasta el punto de fusin, 2) calorde fusin para convertir el metal slido a lquido y 3) calor para elevaral metal fundido a la temperatura de vaciado. Esto se puede expresarcomo:

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H= rV{CS (Tm -To ) + Hf+Ct(Tp -Tm )}Donde:

H = Calor requerido para elevar la temperatura del metal a latemperatura de fusin, (J)r= Densidad, (Kg/m3)Cs = Calor especfico del material slido, (J/Kg C)Tm = Temperatura de fusin del metal, (C)T0 = Temperatura inicial, generalmente la ambiente, (C);Hf=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).

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Ejemplo: Calentamiento del metal para fundicin.

Un volumen de 0.03 m3 de una cierta aleacin eutctica se va acalentar en un crisol desde la temperatura ambiente hasta 100 C porencima de su punto de fusin. Las propiedades de la aleacin sondensidad = 4160 kg/m3, punto de fusin = 700 C, calor especficodel metal = 343.32 J/kgoC en el estado slido y 297.26 J/kgoC en elestado lquido; y el calor de fusin = 167120.85 J/kg. Cuntaenerga calorfica se debe aadir para alcanzar el calentamiento,

asumiendo que no hay prdidas?

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Ejemplo: Calentamiento del metal para fundicin.

Un volumen de 0.03 m3 de una cierta aleacin eutctica se va acalentar en un crisol desde la temperatura ambiente hasta 100 C porencima de su punto de fusin. Las propiedades de la aleacin sondensidad = 4160 kg/m3, punto de fusin = 700 C, calor especficodel metal = 343.32 J/kgoC en el estado slido y 297.26 J/kgoC en elestado lquido; y el calor de fusin = 167120.85 J/kg. Cuntaenerga calorfica se debe aadir para alcanzar el calentamiento,

asumiendo que no hay prdidas?

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*CALENTAMIENTO Y VACIADO

Solucin: Si aceptamos que la temperatura ambiente en la fundicin = 26 Cy que las densidades en los estados lquido y slido del metal son lasmismas, al sustituir los valores de las propiedades en la ecuacin se tiene:

H = (4160)(0.03){343.32(700-26) + 167120.85 +297.26(800-700}

= 53444917.34 J

La ecuacin tiene un valor conceptual y su clculo es de utilidad limitada, noobstante se usa como ejemplo. El clculo de la ecuacin es complicado porlos siguientes factores: 1) el calor especfico y otras propiedades trmicas delmetal slido varan con la temperatura, especialmente si el metal sufre uncambio 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 delos metales de fundicin son aleaciones que funden en un intervalo detemperaturas 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 seindica arriba; 4) en la mayora de los casos no se dispone de los valoresrequeridos en la ecuacin para una aleacin particular y 5) durante el

calentamiento hay prdidas de calor significativas.

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Vaciado del metal fundido

Despus del calentamiento, el material est listo para vaciarse. Laintroduccin del metal fundido en el molde y su flujo dentro del sistema devaciado y de la cavidad es un paso crtico en el proceso. Para que este pasotenga xito, el metal debe fluir antes de solidificarse a travs de todas las

regiones del molde, incluida la regin ms importante que es la cavidadprincipal. Los factores que afectan la operacin de vaciado son latemperatura de vaciado, la velocidad de vaciado y la turbulencia.

La temperatura de vaciado es la temperatura del metal fundido almomento de su introduccin en el molde. Lo importante aqu es la diferencia

entre la temperatura de vaciado y la temperatura a la que empieza lasolidificacin (el punto de fusin para un metal puro, o la temperatura lquiduspara una aleacin). A esta diferencia de temperaturas se le llama algunasveces sobrecalentamiento.

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La velocidad de vaciado es el caudal con que se vierte el metalfundido dentro del molde. Si la velocidad es muy lenta, el metal puedeenfriarse antes de llenar la cavidad. Si la velocidad de vaciado es excesivaprovoca turbulencia y puede convertirse en un problema serio.

La turbulencia de flujo se caracteriza por variaciones errticas dela velocidad del fluido; cuando ste se agita, genera corrientes irregularesen lugar de fluir en forma laminar. El flujo turbulento debe evitarse duranteel vaciado por varias razones. Tiende a acelerar la formacin de xidosmetlicos que pueden quedar atrapados durante la solidificacin,

degradando as la calidad de la fundicin. La turbulencia provoca unaerosin excesiva del molde, que es el desgaste gradual de las superficies delmolde debido al impacto del flujo de metal fundido. La erosin esespecialmente seria cuando ocurre en la cavidad principal porque afecta laforma de la parte fundida.

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Vaciado del metal fundidoAnlisis ingenieril del vaciado

Varias relaciones gobiernan el flujo del metal lquido a travs del sistema devaciado y dentro del molde. Una relacin importante es el teorema deBernoulli, el cual establece que la suma de las energas (altura, presin

dinmica, energa cintica y friccin) en dos puntos cualquiera de un lquidoque fluye es igual. Esto se puede escribir en la siguiente forma:

Donde:h= Altura, (m)P= Presin en el lquido, (N/m2)r = Densidad, (Kg/m3)v= Velocidad de flujo en (m/seg)g= Constante de la aceleracin gravitacional, (9.81 m/seg2);F= Prdidas de carga debidas a la friccin, (metros).Los subndices 1 y 2 indican los dos puntos cualesquiera en el flujo del lquido.

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La ecuacin de Bernoulli se puede simplificar de varias maneras. Si ignoramoslas prdidas por friccin (de seguro, la friccin afectar el flujo del lquido atravs del molde de arena) y asumimos que el sistema permanece a presinatmosfrica 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 delbebedero 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 haciaabajo, su velocidad inicial en la parte superior es cero ( v1 = 0 ). Entonces laecuacin se simplifica a

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que se puede resolver para la velocidad del flujo:

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

g= 9.81 m/seg2h = Altura del bebedero (m)

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Otra relacin de importancia durante el vaciado es la ley de continuidad, lacual establece que la velocidad volumtrica del flujo permanece constante atravs del lquido. La velocidad del flujo volumtrico m3/seg es igual a lavelocidad multiplicada por el rea de la seccin transversal del flujo lquido.

La ley de continuidad puede expresarse como:

Q = v1A1 = v2A2

Donde:Q = Velocidad de flujo volumtrico, (m3/seg);v= Velocidad, (m/seg);A = rea de la seccin transversal del lquido, (m2)

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

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Las 2 ecuaciones anteriores indican que el bebedero debe serahusado. El rea de la seccin transversal del canal debe reducirse conformeel metal se acelera durante su descenso en el bebedero de colada; de otramanera, puede aspirar aire dentro del lquido debido al incremento de la

velocidad delmetal que fluye hacia la base del bebedero y conducirlo a la cavidad delmolde. Para prevenir esta condicin, se disea el bebedero con unahusamiento de manera que la velocidad volumtrica de flujo vA sea mismaen 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 quela de la base del bebedero), la velocidad volumtrica de flujo a travs delsistema de vaciado y dentro de al cavidad del molde permanece igual a vAen la base. Por consiguiente, podemos estimar el tiempo requerido parallenar una cavidad de volumen Vcomo sigue:

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Donde:

MFT= Tiempo de llenado del molde, seg. (s);V= Volumen de la cavidad del molde, (m3);Q= Velocidad volumtrica de flujo. (m3/seg)

El tiempo de llenado del molde calculado por la ecuacin 2.6 debeconsiderarse como tiempo mnimo, debido a que el anlisis ignora las

prdidas por friccin y la posible constriccin del flujo en el sistema devaciado; por tanto, el tiempo de llenado del molde ser mayor que elresultante de la ecuacin anterior

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CALENTAMIENTO Y VACIADOVaciado del metal fundido

Ejemplo: Clculos de vaciado.Un molde tiene un bebedero de colada cuya longitud es 0.20 m y el rea dela seccin transversal en la base del bebedero es 0.000258 m2. El bebederoalimenta a un canal horizontal que conduce a la cavidad del molde cuyovolumen es 0.0016387 m3. Determine a) la velocidad del metal fundido en

la base del bebedero, b) la velocidad volumtrica de flujo y c) el tiempo dellenado del molde.

Solucin:a) La velocidad del flujo de metal en la base del bebedero

b) La velocidad volumtrica de flujo esQ= (0.000258 m2)(1.98 m/seg) = 0.00051107 m3/seg

c) El tiempo requerido para llenar una cavidad de 0.0016387 m2 con este

flujo esMFT= 0.0016387/0.0005152 = 3.2 se .


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PROBLEMASCALENTAMIENTO Y VACIADO

3. El bebedero de colada que conduce al canal de un cierto molde tiene unalongitud = 175 mm. El rea de la seccin transversal en la base del bebederoes 400 mm2. La cavidad del molde tiene un volumen = 0.001 m3.Determine a) la velocidad del metal fundido que fluye a travs de la base delbebedero, b) la velocidad volumtrica de flujo y c) el tiempo requerido parallenar la cavidad del molde.

4. La velocidad volumtrica de flujo de un metal fundido que fluye entre lacopa de vaciado y el bebedero de colada es de 820 cm3/seg. El rea de laseccin transversal = 6 cm2, en la parte superior donde la copa de vaciadoalimenta al bebedero de colada. Determine qu rea debe tener en el fondodel bebedero de colada si su longitud = 20 cm. Se desea mantener un flujo

constante entre la parte superior y el fondo, a fin de evitar aspiracin delmetal lquido.

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