llenado de fundicion

Principios básicos del diseño de canales de colada y alimentación de las piezas fundidas 1

Un conocimiento básico sobre flujo de fluidos es necesario antes de que ocurra una discusión a profundi-dad sobre el diseño de canales de colada. Un fluido es una sustancia que tiene partículas que se mueven fácilmente y cambian su posición relativa sin separación de la masa y las cuales fácilmente producen una presión. Un fluido también es definido como una sustancia, la cual tiende a fluir o adquirir el contorno o forma del recipiente que la contiene. Generalmente la idea de los fluidos es que son sustancias que están en estado líquido o en estado gaseoso.

El metal fundido es un líquido que observa algunos de los principios del flujo de fluidos exhibidos por otros líquidos, tales como el agua. Sin embargo la fluidez (habilidad para fluir) de los metales fundidos es afectada por varios factores — sobrecalentamiento, composición, viscosidad, tensión superficial, capas superficiales de oxido, películas absorbidas de gas, inclusiones suspendidas e inclusiones precipitadas durante el enfriamiento. Todos estos factores necesitan ser considerados cuando se diseña un sistema de canales de colada. Un conocimiento de los principios científicos básicos que gobiernan el flujo de fluidos es esencial para un diseño de canales de colada básico.

TEOREMA DE BERNOULLI

El teorema de Bernoulli es uno de los teoremas más útiles en relación al diseño de los sistemas de canales de colada. Este teorema establece que la suma de la energía potencial, energía cinética, energía de presión y energía de fricción de un liquido en movimiento es igual a una constante cuando todo el sistema esta completamente lleno. El balance de energía puede ser expresado como sigue:

Energía potencial + energía de presión + energía cinética + energía de fricción = constante Z+Pv +V2/2g+F=K

Donde: Z = Energía potencial; altura del líquido, pulg (centímetros) Pv = Energía de presión P = Presión estática en el liquido, lb/pulg2 (kg/cm2 ) v = Volumen especifico del liquido, pulg3 /lb (cm3/kg) V2/ 2g = Energía cinética o energía de velocidad V = Velocidad, pulg/ seg (cm/seg) g = Aceleración debida a la gravedad, 384 pulg/seg2 (981 cm/ seg2) F = Perdidas de energía por fricción, pulg (cm) K = Una Constante

La aplicación del teorema de Bernoulli es ilustrado en un sistema de colada horizontal, mostrado en la Fig. 1-1. El teorema de Bernoulli es una ayuda en la explicación de la variación de la energía potencial de un metal, presiones del metal fundido, velocidad de flujo del metal fundido y perdidas por fricción en el metal fundido.

La energía potencial es máxima cuando el metal fundido entra la copa ó el tazon de vaciado (Fig. 1-1). Después la energía potencial cambia rápidamente a energía cinética y energía de presión a medida que

1Ciencia del Llenado

2 Principios básicos del diseño de canales de colada y alimentación de las piezas fundidas

el flujo es establecido. Una vez que esto sucede, la energía potencial y las perdidas de energía por fric-ción son relativamente constantes. Es en este punto donde la energía cinética y la energía de presión se vuelven significativas, es decir, cuando la velocidad es alta la presión es baja y viceversa.

El comportamiento del metal fundido en un canal distribuidor horizontal puede ser interpretado sim-plificando el teorema de Bernoulli. Asumiendo que la energía potencial y las perdidas por fricción son relativamente constantes, la energía cinética y la energía de presión en el sistema se vuelven importantes. La Figura 1-2 muestra como este teorema es capaz de explicar los diferentes flujos observados desde dos canales de entrada localizados en la parte superior del canal distribuidor. Cuando el canal distribuidor es de tamaño uniforme a lo largo de toda su longitud como en la Fig. 1-2, la velocidad es alta y la presión es baja en la primer entrada y viceversa en la segunda. Esta condición da por resultado un volumen de metal fundido desigual que fluye a través de las entradas. En otras palabras, fluye más metal fundido a través de la entrada mas alejada del poste. La energía de velocidad y energía de presión son igualadas cuando el área transversal del distribuidor es reducida en una cantidad igual al área transversal de la primera entrada. En teoría, esto significa que una cantidad igual de metal fundido fluye a través de cada una de las entradas y que el flujo se inicia casi simultáneamente en cada una de ellas, como se observa en la Fig. 1-3

Fig. 1-2. Ilustración del corte transversal de un canal distribuidor uniforme.

Fig.1-1. Ilustración de un sistema de canales de colada horizontal básico.


(a) (b)

El teorema de Bernoulli también establece que si la energía potencial y la energía de presión perman-ecen constantes y repentinamente se encuentra un factor de fricción, la velocidad del metal fundido disminuye. Esto significa que si la corriente de metal fundido que circula a través de un sistema de colada se encuentra con un cambio brusco en la dirección, tal como una esquina a 90º, la velocidad de la cor-riente será drásticamente reducida (ver Fig. 1-4 y el video para la Fig. 1-4a). Si la esquina aguda cambia a una esquina redondeada, se perderá mucho menos velocidad al dar vuelta en dicha esquina. Esto se debe al factor de fricción menor.

En este punto esta información puede parecer arbitraria, sin embargo, un conocimiento del segundo mayor principio del flujo de fluidos, llamada Ley de Continuidad, ayudará en la comprensión de este teorema.

Fig.1-3. Demostración del corte transversal de un canal distribuidor escalonado.

Fig. 1-4. Una esquina de 90º en un sistema de colada da por resultado un alto factor de fric-ción, causando una perdida elevada en la velocidad del flujo de metal—( a) modelo de flujo para el hierro usando partículas sin masa; (b) velocidad mas alta mostrada en colores mas claros. (ver video para la Fig. 1-4a).


LEY DE CONTINUIDAD

Un segundo principio fundamental del flujo de fluidos es una ecuación de balance de masa llamada la “Ley de Continuidad.” Esta ley establece que el volumen de un fluido en movimiento dentro de un canal lleno es el mismo en todos los puntos del canal. Una manera simple de pensar de esto es, “lo que entra debe salir”. La representación matemática de esta ley es:

Q= a1v1= a2v2

Donde: Q = Caudal o régimen volumétrico, pulg3/seg (cm3/seg) a1 = Área en el punto 1, pulg2(cm2) v1 = Velocidad en el punto 1, pulg/ seg (cm/seg) a2 = Área en el punto 2, pulg2 (cm2) v2 = Velocidad en el punto 2, pulg/ seg ( cm/ seg)

Si un volumen de fluido dado pasa por un punto de un canal en un periodo de tiempo dado, entonces ese mismo volumen pasara por otro punto corriente abajo en el canal en el mismo periodo de tiempo. La velocidad y el área pueden ser diferentes en ambos puntos, pero el volumen (cantidad) es el mismo. Si el área transversal del canal es constante, entonces la velocidad del fluido en el canal también permanece constante. Sin embargo, si la sección transversal del canal cambia, la velocidad del fluido también cambia correspondientemente. Si el área transversal del canal es aumentada, la velocidad del fluido disminuye y viceversa.

Aplicación Practica

Un ejemplo es un canal distribuidor en el cual el área transversal es cambiada. La Figura 1-5 ilustra un distribuidor con una área transversal de 2 pulg2 (12.9 cm2). El metal fundido que fluye en esta parte del distribuidor tiene una velocidad de 20 pulg/seg (50.8 cm/seg). En base a la Ley de Continuidad si el área transversal del canal distribuidor es reducida a 1 pulg2 (6.45 cm2), la velocidad se incrementa a 40 pulg/seg (101.6 cm/ seg)

Fig. 1-5. El cambio en la velocidad hace visibles las líneas de flujo— (a) Patrón de flujo del metal usando partículas sin masa; (b) la velocidad más alta se muestra en colores más claros.

(a)

(b)


Este ejemplo ilustra la relación entre la velocidad y el área transversal. Reduciendo el área transversal del canal a la mitad, la velocidad del fluido es incrementada por un factor de dos (en otras palabras es doblada). Entonces esto se vuelve la base para el control del flujo de metal fundido. Para reducir la velo-cidad de una corriente de metal fundido, el canal distribuidor necesita ser agrandado como se muestra en la Fig. 1-6.

Hasta aquí la discusión es enfocada sobre la Ley de Continuidad como se aplica a los fluidos que circulan en un plano horizontal. Frecuentemente se requiere que los fluidos circulen o caigan en una dirección vertical. Las caídas o cascadas verticales crean efectos severos únicos en la corriente, lo cual también puede ser pronosticado a través del estudio del flujo de fluidos básico. La velocidad de una corriente en el inicio de la caída será bastante baja y se incrementara a medida que la corriente continúe cayendo. Esto es resultado de la gravedad que actúa sobre la corriente. La gravedad atrae la corriente hacia la tierra, acelerándola a medida que cae. La velocidad de un cuerpo o corriente dado en caída libre es dado por:

Donde: g= Aceleración debida a la gravedad, 384 pulg/ seg2 (981 cm/ seg2) h= Distancia de caída, pulg. (cm)

Mientras mas grande la distancia de caída de la corriente, tanto mas grande su velocidad. Esta ecu-ación es teórica y no se esta considerando las perdidas por fricción. Aún el aire puede impartir una perdida de velocidad sobre una corriente en caída libre. Típicamente, un cuerpo caerá hasta que alcance una velocidad máxima, punto en el cual la fricción del aire realmente impide la aceleración, y causa que aquella permanezca constante. Esta es llamada velocidad terminal. En una operación de fundición de metal típica, la velocidad terminal raramente es alcanzada. La Fig. 1-7 representa una corriente de metal en caída libre.

Puesto que la Ley de Continuidad establece que la velocidad de flujo volumétrico (cantidad) de un fluido permanece constante, el área transversal de la corriente fluida que cae disminuye a medida que esto su-cede. La razón para esto es que la velocidad se esta incrementando a través de toda la caída, explicando así la forma adelgazada de una corriente en caída libre como se muestra en las Figuras 1-8a y 1-8b (ver video para las Figuras 1-7 y 1-8a y 1-8b).

La Tabla 1-1 muestra las velocidades que pueden ser alcanzadas en las corrientes en caída antes que la corriente golpee sobre el pozo del poste o bebedero.

Fig. 1-6. El cambio en la velocidad hace visibles las líneas de flujo—(a) Patrón de flujo del metal usando partículas sin masa; (b) La velocidad más alta se muestra en colores más claros.

(a) (b)


La velocidad de una corriente descendente es independiente de la aleación vaciada. El caudal de flujo volumétrico (Q), expresado en pulg3/seg (cm3/seg) y es dado por Q = av (área x velocidad), también es independiente de la aleación. Sin embargo, la mayoría de las fundiciones, establecen su caudal o régimen de flujo en lbs/ seg (kg/seg), el cual variara en base a la aleación usada.

Ejemplo para el hierro y el aluminio: área = 1 pulg2 (6.45 cm2) altura de caída libre = 10 pulgs (25.4 cm) velocidad = 87.63 pulg/ seg (222.58 cm/seg) caudal de flujo volumétrico = área x velocidad peso del metal que fluye = ρ x caudal de flujo volumétrico, lbs/seg (kg/seg)

ρFe = 0.26 lbs/ pulg3 (0.007 kg/cm3) ρAl = 0.09 lbs/ pulg3 (0.002 kg/cm3)

Caudal de vaciado del aluminio = 8 lbs/seg (3.63 kg/seg) Caudal de vaciado del hierro = 22.8 lbs/seg (10.34 kg/seg)

Fig. 1-7. Corriente de metal en caída libre. (ver video para la Fig. 1-7).


Fig. 1-8. Ilustraciones que muestran el flujo del metal en (a) un poste recto (b) un poste cónico. (ver video para las Figs. 1-8a y 1-8b).

Tabla 1-1. Altura de caída libre y velocidad correspondiente del líquido en la base de la columna

(a)

(b)


(a)

(b)

MOMENTUM

Trabajando con flujo de fluidos, otra ley de física debe ser considerada si los sistemas de colada han de ser científicamente diseñados. La primera ley de Isaac Newton establece, “los cuerpos en movimiento en una dirección particular tienden a permanecer en movimiento en esa dirección a menos que actué sobre de ellos fuerzas opuestas”. Los objetos o una corriente liquida que están en movimiento no cam-bian fácilmente su dirección a menos que actúen fuerzas opuestas sobre ellos. Para hacerlos parar o cambiar de dirección, se debe aplicar una fuerza opuesta. Esta tendencia de los objetos por continuar en movimiento en líneas rectas y su oposición resultante a cambiar de dirección es resultado del momentum.

Aplicación Practica

Los conductores experimentados y los ingenieros de caminos son consientes de los efectos del momen-tum, cuyos efectos pueden ser disminuidos si las curvas son graduales mas bien que agudas. Los efectos de las esquinas agudas en un sistema de colada pueden ser tan peligrosos como intentar dar vueltas de 90º en un automóvil a 70 mph. Una vuelta aguda de 90º en un sistema de colada se muestra en la Fig. 1-9. Observe que la corriente fluida origina una área de alta presión donde corre hacia una fuerza opuesta. Inversamente, un área de baja presión se forma opuesta al área de alta presión. Estas áreas son creadas debidas al momentum de la corriente fluida. En un sistema de colada, una esquina aguda de arena puede ser erosionada y arrastrada hacia la corriente de metal fundido. El área de baja presión también puede causar que el aire y los gases del molde sean atraídos hacia la corriente de metal fundido.

Fig. 1-9. Ilustración del comportamiento de flujo, esquina aguda contra esquina redondeada (velocidad y líneas de flujo)—(a) Patrón de flujo del metal usando partículas sin masa; (b) La velocidad más alta se muestra en colores más claros.


Otras dos situaciones que merecen consideración se muestran en las Figuras 1-5 y 1-6. En la Fig. 1-5, hay un gran canal conectado a un canal mas pequeño. El fluido que circula en el canal tiene momentum, y cuando el canal más pequeño es alcanzado, el fluido que llena las esquinas del canal grande forma un área de alta presión en esas esquinas. Con esta acción el flujo es forzado hacia la línea central del canal. Como resultado de la Ley de Continuidad, la velocidad en el canal más pequeño es más alta que la del canal más grande. Esta velocidad más alta y el hecho de que el flujo fue forzado hacia la línea central del canal, causa que la corriente fluida se desvié de las paredes del canal más pequeño justo más allá de la unión. Esto causa que se forme un área de baja presión. Si el fluido en este canal es un líquido, existe una buena oportunidad para que el aire sea arrastrado por la corriente en este punto. De nuevo aquí hay una esquina aguda de arena u otro material de molde que pueda ser erosionado y arrastrado por el metal.

Un área similar de baja presión es desarrollada cuando una corriente fluida circula desde un pequeño canal hacia uno mas grande como se muestra en la Fig. 1-6. Debido a los efectos del momentum, la corriente desea continuar en línea recta cuando ella deja el pequeño canal. Esto forma un área de baja presión en las esquinas a medida que la corriente deja el pequeño canal y entra al canal más grande.

Fig.1-10. La inercia del metal fundido en un tazón inicialmente no permite un buen llenado de un poste cónico. (ver video para la Fig. 1-10).

Fig. 1-11. La inercia del metal fundido en un tazón no permite el buen llenado de un poste de conicidad inversa. (ver video para la Fig. 1-11).


FUERZAS DE FRICCIÓN

En todos los casos de flujo de fluidos a través de un canal, la corriente fluida es sujeta a la acción de fuerzas de fricción. Estas fuerzas causan que la velocidad de la corriente sea disminuida.

Algunas de las áreas donde los efectos de las fuerzas de fricción son importantes son las siguientes: • Perdidas de velocidad a la entrada del poste • Perdida de velocidad debida a la fricción en las paredes del poste • Perdida de velocidad debida a la curva en la base del poste • Perdida de velocidad debida a la fricción en las paredes del canal distribuidor • Perdidas de velocidad debidas a la fricción en los filtros • Perdida de velocidad debida a las vueltas en los canales del distribuidor y canales de entrada.

Estas perdidas por fricción pueden ser consideradas como componentes individuales. Sin embargo, puesto que las pérdidas por fricción son esencialmente constantes una vez que el flujo es establecido, la pérdida total del sistema usualmente es constante. Una discusión detallada de los cálculos de pérdidas por fricción esta más allá del objetivo de este libro. Sin embargo, la literatura industrial contiene numerosos ejemplos1. Los efectos de los varios tipos de vueltas sobre la velocidad de la corriente se muestran en la Fig. 1-12.

Fig.1-12. Ilustración de los factores de fricción para varias formas de sistemas distribuidores.


NUMERO DE REYNOLDS

El número de Reynolds se aplica a un sistema de canales distribuidores donde el metal en la sección fluida llena completamente el canal. El metal fundido puede fluir ya sea de una manera quieta, aerodinámica, laminar o con varios grados de turbulencia. En el flujo laminar las partículas siguen un recorrido bien definido, sin la intervención de la mas mínima turbulencia. En el flujo turbulento, el recorrido de las partículas liquidas se realizará cruzándose unas con otras en un modelo intrincado de líneas entrelaza-das con remolinos (corrientes circulares). El grado de turbulencia puede variar ampliamente desde muy ligero hasta claramente violento, dependiendo de las condiciones del flujo.

La caracterización del flujo de líquidos, incluido el metal fundido, dentro de un canal es llevada acabo con un número sin dimensiones llamado Número de Reynolds. Este número es obtenido usando la siguiente formula:

NR = vd/v

Donde: v = velocidad del liquido, pulg/seg (cm/seg) d = diámetro del canal, pulg (cm) v = viscosidad cinemática del liquido, pulg2/seg (cm2/seg)

En el caso de los canales con secciones transversales no circulares, d se toma como igual a 4 veces el radio hidráulico o:

Los valores representativos de la viscosidad cinemática de varios metales y del agua son dados en la Tabla 1-2. La viscosidad cinemática es una propiedad del líquido, la cual es definida como la viscosidad dividida por la densidad.

Ejemplos de NR en hierro y el aluminio:

Para una velocidad de vaciado de 10 lbs/seg (4.54kg/seg) con una área del canal distribuidor = 1.0 pulg2 (6.54 cm2) Velocidad en el distribuidor = velocidad de vaciado/densidad x área del distribuidor. Velocidad del aluminio en el distribuidor = 10/0.09 x 1 = 111 pulg/seg ( 282.22 cm/seg) Velocidad del hierro en el distribuidor = 10/.26 x 1 = 38.46 pulg/seg (97.69 cm/seg)

Para diámetro hidráulico = 1 pulg (2.54 cm) vFe = 0.0006 pulg2/seg (0.004 cm2) vAl = 0.002 pulg2 /seg (0.0127 cm2/seg)

NR Fe = 38.46 x 1/0.0006 = 64,100 [corresponde a 10 lbs/seg (4.54 kg/seg)] NR Al = 111.11 x 1/0.002 = 55,555 [corresponde a 10 lbs/seg (4.54 kg/seg)] Por definición ambos serán flujos turbulentos.

Tabla 1-2. Viscosidades cinemáticas


El trabajo experimental ha mostrado que para un NR de 2,000 o menos, el flujo invariablemente es suave o laminar. Cuando el NR es más grande que 2,000 pero menos que 20,000, el flujo es turbulento por natura-leza. Si el NR excede los 20,000, ocurre una severa turbulencia. Estas variaciones en el flujo son ilustradas en la Fig. 1-13. Para la mayoría de las situaciones prácticas de las fundiciones de piezas metálicas, el NR es considerablemente más grande que 2,000 y por consiguiente se presenta el flujo turbulento porque las velocidades son altas en las aplicaciones reales. Existen algunas velocidades críticas diferentes o un NR critico para cada material, lo cual puede causar potenciales defectos.

Afortunadamente para el fundidor, ha sido reconocido que ocurren dos niveles de turbulencia. Cuando NR es menor que alrededor de 20,000, existe una capa limite de metal relativamente sin alteración sobre la superficie de la corriente. La turbulencia esta confinada a la parte central de la corriente. Este tipo de flujo turbulento es considerado relativamente inofensivo porque la capa superficial no es rasgada y el arrastre de aire o gas es evitado. También la erosión de la arena de moldeo es reducida o eliminada. Cuando el NR excede 20,000, la capa superficial de la corriente es rasgada y tiene lugar una severa tur-bulencia. Bajo estas condiciones de flujo, es probable que ocurra la formación de grasa o nata (masa de óxidos), arrastre de aire, gases de molde, escoria y grasa (capa de óxidos). En los moldes de arena, el riesgo de erosión es grandemente incrementado.

Fig. 1-13. Ilustración del flujo laminar vs flujo turbulento.

Fig. 1-14. NR para hierro maleable y acero.


El grado hasta el cual las fuerzas de fricción afectan la naturaleza del flujo laminar o turbulento se muestra en la Fig. 1-14. La velocidad a la cual ocurre la interrupción en la curva frecuentemente es referido como la “velocidad critica”. Esto generalmente ocurre a un NR correspondiente de casi 2,000. Esto puede variar dependiendo de los diferentes sistemas de aleaciones metálicas. La aplicación de la velocidad critica a los defectos originados por la arena y grasa (capa de óxidos) necesita ser inves-tigada con más detalle.

Puesto que el NR es usado para predecir el grado de turbulencia en una corriente fluida, este parámetro se usa para diseñar sistemas de colada efectivos y eficientes. Los sistemas de colada son diseñados para minimizar la turbulencia, por lo cual siempre se desea un NR tan bajo como sea posible. Esto es especialmente cierto para aquellas familias de aleaciones, que son muy sensitivas a cualquier tipo de turbulencia. Algunas de estas aleaciones incluyen bronces al aluminio, aleaciones de aluminio, aleaciones de magnesio y los aceros de alta aleación.

La forma de los componentes del sistema de colada tiene un efecto significativo sobre el NR. La Fig. 1-15 ilustra la variación de los números de Reynolds para varias familias de aleaciones cuando fluyen a través de canales de forma diferente. La velocidad es constante a 20 pulg/seg (50.80 cm/seg) y el área de la sección transversal de cada una de las formas es la misma, 1 pulg.2 (6.54 cm2). Sin embargo el diámetro hidráulico de cada una de las formas difiere.

Números de Reynolds para formas de igual área de los distribuidores.

Dando:velocidad = 20 pulg/seg Redondo Cuadrado Rectangular Triangular

Area 1.00 pulg2 1.00 pulg2 1.00 pulg2 1.00 pulg2

Diam. hid. 1.13 pulg 1.00 pulg 0.92 pulg 0.78 pulg

NR, Agua 14,580 12,900 11,870 10,060

NR, Al 11,470 10,150 9,340 7,990

NR, Cu 36,450 32,260 29,680 25,160

NR, Fe 32,290 28,570 26,290 22,290

NR,, Acero 33,240 29,410 27,060 22,940

Fig. 1-15. La forma de canal afecta el Número de Reynolds.


NUMERO DE WEBERS

El número de Webers se aplica a un sistema distribuidor parcialmente lleno donde la corriente de metal no llena la sección abierta de la superficie libre. Este número es una medida de la turbulencia superficial donde el metal líquido tiene fuerzas de tensión superficial. Durante el llenado de la cavidad de la pieza, el metal líquido puede tener bastante energía para desviarse de la corriente fluida a una velocidad crítica. Esta velocidad crítica corresponde a un número de Webers cercano a 1.

El número de Webers es proporcional a la fuerza de la inercia/fuerza de la tensión superficial y es usado en la transferencia del momentum en general y en la formación de burbujas/gotitas y en los cálculos de interrupción de chorros líquidos en particular. Se define como sigue:

We = DV2ρ/gcσ

Donde: D = Longitud V = Velocidad ρ= Densidad gc = Constante dimensional σ = Tensión superficial

Por ejemplo, la velocidad critica del magnesio liquido es 1.97 pies/seg (0.6 m/seg), para el aluminio es 1.64 pies/seg (0.5 m/seg) y para el acero es alrededor de 1.31 pies/seg (0.4 m/seg).

Generalmente las fuerzas de tensión superficial se vuelven más significativas cuando hay superficies libres asociadas durante el llenado del molde. Típicamente en un sistema de colada donde el choke esta próximo al bebedero, los canales distribuidores y canales de entrada (ataques) no llenan inmediata-mente. Estos distribuidores y entradas sin llenar tienen superficies libres donde las fuerzas de tensión superficial resultan importantes.

PRESIÓN METALOSTÁTICA

Existe una tremenda cantidad y variación de la presión metalostática en el sistema durante el llenado del molde. Los ingenieros de fundición diseñan el alivio de presión para disminuir el aumento de la presión en el sistema. El diferencial de presión se mantiene cambiando durante conforme la altura del metal cambia en el sistema. En el inicio del llenado la altura total es alta y el diferencial de presión también es alto, pero durante las últimas etapas del llenado cuando las cavidades están casi llenas el diferencial de presión disminuye haciendo más dificil el llenado. La presión metalostática es dada por la formula:

P = ρgH

Donde: P = presión metalostática ρ = densidad g = aceleración de la gravedad H = altura

La altura de presión efectiva (EPH) es una función de los efectos de la energía potencial sobre el flujo de fluidos. Es necesario calcular las velocidades. La EPH afecta drásticamente los patrones de flujo y la velocidad del metal. En un sistema de colada horizontal, el caudal o régimen declina y las velocidades del metal disminuyen durante el llenado de la parte superior del molde. En un sistema de colada vertical las velocidades son diferentes en los diferentes niveles de la colada. Las ecuaciones de EPH para los tres sistemas básicos se muestran en la tabla 1-3 y Fig. 1-16.


La elevación de la parte superior del molde es un fenómeno común cuando la velocidad de vaciado llega a ser muy alta. Esta se incrementa cuando las fuerzas hacia arriba son mayores que las fuerzas hacia abajo ejercidas sobre la mitad superior del molde. Estas significativas fuerzas hacia arriba comprenden la fuerza estática sobre el molde, corazón y presión dinámica máxima debida al peso del sistema de co-lada, retardación en la compresibilidad del molde, etc. Las significativas fuerzas hacia abajo son el peso de la arena en la parte superior del molde, peso de la caja de moldeo, etc. Estas fuerzas son calculadas basándose en las siguientes ecuaciones y las dimensiones representadas en la Figura 1-17.

F(molde) = (A1[H1]+ A2H2) ρmF(corazón) = ρm (M/ρc ) - MF(estática total) = F(molde) + F (corazón)F(dinámica) = peso del sistema de colada (R)

Donde: F(molde) = Fuerza estática causada por el molde F(corazón) = Fuerza estática causada por el corazón F(estática total) = Fuerzas estáticas totales sobre la tapa H1 = Altura del área proyectada -1 H2 = Altura del área proyectada -2 A1 = Área superficial proyectada-1 A2 = Área superficial proyectada -2 M = Peso del corazón ρm = Densidad del metal liquido ρ

c = Densidad del corazón

R = Retardación

Las fundiciones calculan cuanto peso adicional agregar a la tapa (incremento de la presión hacia abajo) en base a la presión ascendente calculada. Los corazones horizontales totalmente sumergidos en el metal crean alta presión ascendente. En algunos casos las plantillas o asientos de corazón también son diseñados especialmente para minimizar la flotación de éste.

Tabla 1-3. Ecuaciones EPH para tres sistemas básicos

H = Altura del nivel del metal sobre la línea de particiónHC1 = Altura de la pieza en la parte superior del moldeHC2 = Altura total de la pieza

Fig.- 1-16. Ilustración de la altura de presión efectiva (EPH).


La presión metalostática es un factor de importancia en los sistemas de colada, sin embargo la flotación de la tapa del molde y el corazón no son bastante explorados en términos de diseño de sistemas de colada y no son discutidos en este texto.

FLUIDEZ

La fluidez es una importante variable relacionada con el flujo de metal fundido en un sistema de colada. Para el ingeniero de fundición, esto no significa el reciproco de la viscosidad sino mas bien la habilidad del metal para llenar la cavidad del molde. La fluidez generalmente es medida vaciando metal liquido dentro de una espiral de fluidez estándar o un modelo tipo serpentina donde se mide la distancia hasta la que viaja el metal antes de solidificar. La distancia hasta la cual fluye el metal fundido dentro de la espiral o serpentina da una buena indicación de la fluidez bajo esas condiciones dadas. En la Fig. 1-18 se muestran los modelos de prueba de fluidez típicos. Las aleaciones con bajos valores de fluidez tendrán problemas en el llenado de las secciones delgadas de las piezas y deben ser vaciadas a mayores veloci-dades de vaciado para asegurar el llenado completo de la pieza.

Las pruebas de fluidez no necesitan ser corridas para cada hornada (corrida, etc.) vaciada, pero pueden ser usadas para checar contra una norma técnica interna. Un punto clave es que se deben usar materia-les de molde y modelos de prueba de fluidez idénticos para todas las pruebas. Tanto las características del metal como las del molde afectan el comportamiento de la fluidez. Existen varias características que afectan la fluidez del metal, tales como: • Sobrecalentamiento del metal • Viscosidad de la aleación • Presión metalostática • Composición de la aleación • Tensión superficial • Oxido superficial • Películas de gas absorbido • Inclusiones suspendidas • Inclusiones precipitadas por enfriamiento

El sobrecalentamiento y composición de la aleación, son las más importantes. El metal fundido calentado a una temperatura más alta tiene un periodo de tiempo mayor en el molde antes de solidificar; por con-siguiente, fluye mayor distancia que una aleación calentada a una temperatura mas baja. La composición de la aleación afecta la fluidez y depende de las características de enfriamiento de las aleaciones con los elementos químicos que la componen. La mejor fluidez es observada en las aleaciones con los rangos de

Fig. 1-17. Ilustración de un vaciado dividido entre la parte superior y la parte inferior del molde.


enfriamiento más estrechos como en los metales puros y en las composiciones eutécticas. Estas aleaciones tienen pequeña o ninguna región pastosa durante el proceso de solidificación. Sin embargo, una aleación con un gran rango de enfriamiento durante el flujo a través del molde de prueba de fluidez muestra una condición, donde la aleación esta en un estado pastoso. Esta es caracterizada por el entrelazamiento de dendritas y, en algunos casos, muchas islas de material solido, rodeadas por líquido cerca de la tem-peratura de solidificación. En estos tipos de aleaciones es natural que la fluidez sea restringida.

Ciertos elementos químicos, cuando son agregados a las diferentes familias de aleaciones, ayudan a in-crementar su tiempo de vida como fluido. Por ejemplo cuando se agrega silicio al acero al carbono común y a las aleaciones de aluminio, se incrementa su fluidez. El fosforo por otra parte, ayuda a incrementar la fluidez del hierro vaciado gris y en ciertas aleaciones a base de cobre. El metalurgista de fundición debe ser consultado respecto a que elementos químicos pueden ser usados (y cuantos) para las aleaciones vaciadas en la fundición.

Fig. 1-18. Espiral para prueba de fluidez.


Mojabilidad

La mojabilidad es un fenómeno que puede describir las características de mojabilidad y no mojabilidad del material del molde por la escoria. (Fig. 1-19). La velocidad de mojabilidad depende de la viscosidad, tensión superficial y ángulo de contacto.

Coeficiente de mojabilidad = γcosθ/2η

Donde: γ = Tensión superficial η = Viscosidad θ = Angulo de contacto

Si el metal fundido moja las superficies del molde y corazones ello retarda su flujo. La mojabilidad también ayuda en la retención de la escoria en el metal. Si se llena lentamente, es posible hacer que la escoria se adhiera a las superficies del molde y corazón de arena, etc.

Fig. 1-19. Ilustración de la mojabilidad y no mojabilidad.

Fig. 1-20. Ilustración de la Ley de Stokes.


Ley de Stokes

La ley de Stokes (Fig. 1-20) calcula la velocidad vertical de las partículas de escoria. Ello asume que la separación de la escoria es posible si las condiciones de flujo son laminares. Esta condición normal-mente ocurre en la copa de vaciado. Estas condiciones también ocurren cuando el molde esta llenado completamente. La escoria flota hacia la parte superior de la pieza y sistema de colada. La velocidad vertical de una partícula de escoria en el tazón de vaciado no debe exceder 1.97 pulg/seg (50 mm/seg).

V= D2 ( ρmetal –ρescoria )g/18vρmetal

Donde: V = Velocidad vertical de la partícula de escoria D = Diámetro de la partícula de escoria ρmetal = Densidad del metal ρescoria = Densidad de la escoria g = Aceleración debida a la gravedad v = Viscosidad cinemática

Flujo Discontinuo

Además de un flujo continuo simple (regular, invariable, etc.), donde el flujo se ha establecido y estabilizado en el sistema de llenado, hay muchas cosas que pasan durante el llenado del molde las cuales lo hacen mas dependiente del tiempo y mas complicado. El flujo continuo asume que el flujo es en traslación y no rotación, es movimiento de corrientes en línea recta y conserva la cantidad de movimiento angular. Todos los términos relacionados no son incluidos. La velocidad de flujo continuo —V = V (s)—es depen-diente de la ubicación (s) y la aceleración—as = V V/ s—es debida al cambio en velocidad que resulta del cambio de posición de la partícula. La variación de la velocidad con respecto al tiempo es omitida.

En realidad todos los flujos son variables, discontinuos, debido a que la velocidad varía con el tiempo (t). En la fundición de metales usualmente la mayor parte del flujo es turbulento y al azar. En el flujo discontinuo, la velocidad es dependiente de la ubicación y del tiempo—V = V(st). La aceleración—as=V/t +V V/s—es debida a la variación de velocidad con respecto al tiempo y el termino de la aceleración V/t llega a ser un factor significativo.

La aerodinámica puede cambiar de forma con el tiempo. Si el flujo no es continuo el valor de sus pará-metros (velocidad, temperatura, densidad, etc.) en cualquier ubicación pueden cambiar con el tiempo. Puesto que el flujo dentro de la cavidad es transitorio, la cantidad de líquido, ubicación de líquido y orientación de la superficie libre cambia rápidamente. El comportamiento del flujo interior y superficial es ligeramente diferente. La superficie es la interfase entre la atmosfera y el metal fundido, la cual esta constantemente cambiando y el límite de la superficie libre deben ser considerados. En estos casos la fuerza tangencial es omitida pero la fuerza normal equilibra la presión aplicada y la tensión superficial.

REFERENCIA

1. Basic Principles of Gating and Risering, American Foundry Society/Cast Metals Institute, Des Plaines, IL (1973).

llenado de fundicion

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