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VACIADO EN ARENA

MODELOS, MOLDES Y ARENAS DE FUNDICION

1. MODELOS

Son los cuerpos cuyo perfil o forma se persigue obtener mediante el proceso de

fundición y su empleo es imprescindible ya sea para una producción en serie o

para producciones unitarias. El material a emplear depende principalmente del

número de unidades a producir.

Un modelo es una representación de un objeto, sistema o idea, de forma diferente

al de la entidad misma. El propósito de los modelos es ayudarnos a explicar,

entender o mejorar un sistema. Un modelo de un objeto puede ser una réplica

exacta de éste o una abstracción de las propiedades dominantes del objeto.

1.1 CLASIFICACIÓN DE LOS MODELOS

a. MODELO DE MADERA SUAVE

Se emplea cuando los esfuerzos aplicables son hasta de 10 kg/mm2

y las cantidades de unidades a producir son mínimas.

b. MODELOS DE MADERA DURA

Se aplica cuando las cargas fluctúan de 10 a 20 kg/mm2, se utiliza

para producir medianas cantidades de unidades.

c. MODELOS DE YESO

Empleado cuando se necesita un acabado muy fino en el producto a

obtener, su resistencia es de hasta 25 kg/mm2 y se utiliza para

producciones en serie y en grandes cantidades.

d. MODELOS DE METAL

Empleados para soportar cargas de hasta 75 kg/mm2 no presenta

permeabilidad, por lo que no es recomendable para vaciados de

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metales de alto punto de fusión, las cuales producen granes

cantidades de gases.

e. MODELOS DE MADERA REVESTIDOS CON METAL

Es el más utilizado industrialmente ya que a la vez presenta alta

resistencia a los esfuerzos y tiene cierto grado de permeabilidad.

Un modelo debe tener como características importantes la impermeabilidad la

humedad, resistencia a la temperatura y presentar superficies lo

suficientemente lisas para logar piezas con buen acabado. En el caso de la

madera y yeso, la permeabilidad se consigue mediante la aplicación de

baños de resina, los cuales presentan la propiedad de aumentar la

impermeabilidad cuando más alta es la temperatura.

La fundición en arena requiere un modelo a tamaño natural de madera,

plástico y metales que define la forma externa de la pieza que se pretende

reproducir y que formará la cavidad interna en el molde.

Lo que atañe a los materiales empleados para la construcción del modelo, se

puede emplear desde madera o plásticos como el uretano y el poliestireno

expandido (EPS) hasta metales como el aluminio o el hierro fundido.

Para el diseño del modelo se debe tener en cuenta una serie de medidas

derivadas de la naturaleza del proceso de fundición:

Debe ser ligeramente más grande que la pieza final, ya que se debe tener en

cuenta la contracción de la misma una vez se haya enfriado a temperatura

ambiente. El porcentaje de reducción depende del material empleado para la

fundición.

A esta dimensión se debe dar una sobremedida en los casos en el que se dé

un proceso adicional de maquinado o acabado por arranque de viruta.

Las superficies del modelo deberán respetar unos 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. Este ángulo se

denomina ángulo de salida. Se recomiendan ángulos entre 0,5º y 2º.

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Incluir todos los canales de alimentación y mazarotas necesarios para el

llenado del molde con el metal fundido. Si es necesario incluirá portadas, que

son prolongaciones que sirven para la colocación del macho.

2. MOLDES

Son los recipientes en los que se realiza el proceso de fundición y vaciado

final.

Pueden ser de dos tipos:

A. MOLDES NO METÁLICOS

Hechos generalmente de madera, presentan una sección cuadrada o

rectangular, con la característica de que el modelo no va en contacto

con las paredes del molde y por lo tanto tampoco el metal fundido,

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utilizando como material intermedio el denominado amortigüante que

generalmente es arena con características especiales.

El método de fundición en arena es especialmente adecuado para la

obtención de formas complicadas. En muchos casos este

procedimiento es la única solución técnica a le que se puede recurrir

para moldear piezas con machos de formas complejas.

Los moldes se pueden distinguir:

- Moldes de arena verde: estos moldes contienen arena húmeda.

- Moldes de arena fría: usa aglutinantes orgánicos e inorgánicos

para fortalecer el molde. Estos moldes no son cocidos en

hornos y tienen como ventaja que son más precisos

dimensionalmente pero también más caros que los moldes de

arena verde.

- Moldes no horneados: estos moldes no necesitan ser cocidos

debido a sus aglutinantes (mezcla de arena y resina). Las

aleaciones metálicas que típicamente se utilizan con estos

moldes son el latón, el hierro y el aluminio.

a. VENTAJAS:

- Amplia variedad de tamaños.

- Geometrías de complejidad media.

- Válido par cualquier aleación media.

- Piezas sin tensiones residuales.

- Económico: inversión en equipos reducida, para series cortas o prototipos.

b. INCONVENIENTES:

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- Tolerancias dimensionales amplias.

- Aspecto y calidad superficial pobre.

- Piezas con resistencia mecánica reducida.

- Cierta probabilidad de defectos.

- Mano de obra cualificada y especializada.

- Cadencias de producción bajas (artesanal).

- Almacenaje de moldes limitado (por ejemplo Arcilla

higroscópica)

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c. ETAPAS QUE SE DIFERENCIAN EN LA FABRICACIÓN DE

UNA PIEZA METÁLICA POR FUNDICIÓN DE ARENA

Compactación de la arena alrededor del modelo en la caja de

moldeo

Para ello primeramente se coloca cada semimodelo en una tabla,

dando lugar a las llamadas tablas modelo, que garantizan que

posteriormente ambas partes del molde encajarán perfectamente.

Actualmente se realiza el llamado moldeo mecánico, consistente en

la compactación de la arena por medios automáticos, generalmente

mediante pistones (uno o varios) hidráulica o neumática.

Colocación del macho o corazones

Si la pieza que se quiere fabricar es hueca, será necesario disponer

machos, también llamados corazones que eviten que el metal

fundido rellene dichas oquedades. Los machos se elaboran con

arenas especiales debido a que deben ser más resistentes que el

molde, ya que es necesario manipularlos para su colocación en el

molde. Una vez colocado, se juntan ambas caras del molde y se

sujetan. Siempre que sea posible, se debe prescindir del uso de

estos corazones ya que aumentan el tiempo para la fabricación de

una pieza y también su coste.

Vertido del material fundido

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La entrada del metal fundido hacia la cavidad del molde se realiza a

través de la copa o bebedero de colada y varios canales de

alimentación. Estos serán eliminados una vez solidifique la pieza. Los

gases y vapores generados durante el proceso son eliminados a

través de la arena permeable.

Enfriamiento y solidificación

Esta etapa es crítica de todo el proceso, ya que un enfriamiento

excesivamente rápido puede provocar tensiones mecánicas en la

pieza, e incluso la aparición de grietas, mientras que si es demasiado

lento disminuye la productividad. Además un enfriamiento desigual

provoca diferencias de dureza en la pieza. Para controlar la

solidificación de la estructura metálica, es posible localizar placas

metálicas enfriadas en el molde. También se puede utilizar estas

placas metálicas para promover una solidificación direccional.

Además, para aumentar la dureza de la pieza que se va a fabricar se

pueden aplicar tratamientos térmicos o tratamientos de compresión.

Desmoldeo

Rotura del molde y extracción de la pieza. En el desmoldeo también

debe retirarse la arena del macho. Toda esta arena se recicla para la

construcción de nuevos moldes.

Desbarbado

Consiste en la eliminación de los conductos de alimentación,

mazarota y rebarbas procedentes de la junta de ambas caras del

molde.

Acabado y limpieza de los restos de arena adheridos. Posteriormente

la pieza puede requerir mecanizado, tratamiento térmico, etc.

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B. MOLDES METÁLICOS

Se caracterizan porque el producto final a obtener, toma la forma del

molde ya que el metal fundido entra en contacto con las paredes del

molde necesitando este, por lo tanto, un punto de fusión es muy alto.

Se le conoce también como vaciado en RISERS.

Los moldes metálicos también llamados coquillas, sustituyen

ventajosamente a los de arena cuando se trata de fabricar grandes

series de una misma pieza. Las coquillas se componen de dos partes

principales: una el cuerpo del molde, que da la forma exterior de la

pieza y que es siempre metálica, y otra que son los machos, que

reproducen partes o entrantes de las piezas, y que pueden ser

metálicos o de arena.

El espesor de las paredes del molde depende del tamaño de las

piezas que se vayan a colar. Un molde de paredes demasiado

gruesas con relación a la pieza, tiene una inercia térmica demasiado

grande, lo que retrasa su calentamiento y posteriormente su

enfriamiento. Mientras que un molde demasiado delgado, se calienta

demasiado en cada llenado y se enfría con rapidez en cada vaciado.

Normalmente, el espesor de las paredes está comprendido entre 3 y

4 veces el grueso de la pieza, no debiendo ser inferior a 15mm, ni

superior a 60mm.

La duración de los moldes depende de la clase de material empleado

en su fabricación, del material que se moldee, y del cuidado que se

ponga en su manipulación. Un molde bien fabricado y bien utilizado

suele resistir la fundición de 20.000 a 40.000 piezas sin retoques de

importancia.

La colada en coquilla de forma complicada, se facilita imprimiéndole

a las mismas vibraciones de pequeñísima amplitud, por medio de un

mecanismo adecuado accionado por un motor eléctrico. También se

puede facilitar el llenado de la coquilla por la aspiración producida en

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su fondo por una bomba aspirante. Este procedimiento permite el

moldeo de piezas finas y muy esbeltas.

a. PRINCIPALES CONDICIONES QUE SE DEBE PRECISAR

EN LA UTILIZACIÓN DE COQUILLAS

Lubricantes que se deben emplear.

Temperaturas de colada del metal.

Temperatura a que debe mantenerse la coquilla.

Forma y velocidad de la colada.

Orden y cadencia de las operaciones de desmoldeo.

Velocidad de enfriamiento de los núcleos.

b. PRINCIPALES VENTAJAS DEL MOLDEO EN COQUILLA

Se logra mayor precisión en las cotas de las piezas que en el

moldeo con arena.

Las contracciones lineales son menores que en arena.

En el moldeo en coquilla pueden insertarse más fácilmente

que en arena las piezas metálicas que se desean colar.

Necesita menos espacio y menos manejo de materiales que

en arena.

Siempre que se deseen fabricar series de más de mil piezas,

el moldeo en coquilla resulta más económico que en arena.

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c. INCONVENIENTES QUE PRESENTA EL MOLDEO EN

COQUILLA

El elevado coste de las coquillas y de los accesorios.

El tiempo y coste de la puesta a punto de la fabricación de

cada pieza al que hay que sumar al coste de la coquilla.

d. FUNDICIÓN CENTRIFUGADA

Se caracteriza porque durante la misma el molde está animado de un

movimiento de rotación que le comunica al metal fundido por arrastre

de sus paredes. La fuerza centrífuga que se desarrolla lanza al

líquido contra las paredes del molde y aumenta su presión,

facilitando el llenado de los huecos y la solidificación. Las

instalaciones suelen ser muy costosas y sólo se amortizan fabricando

grandes series.

e. MOLDEO EN COQUILLA CON INVERSION DE MOLDE

También llamado moldeo por inversión, se emplea principalmente

para obtener piezas huecas de ornamentación y orfebrería.

Consiste en dejar que se forme una capa de metal sólido en contacto

con las paredes de la coquilla y cuando ha alcanzado el espesor

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deseado, se invierte el molde y se desaloja el metal líquido que aún

no ha solidificado.

El espesor de la capa es función de la temperatura de la coquilla, y

del tiempo transcurrido desde que se efectúa la colada, hasta que se

invierte el molde.

Las características mecánicas de las piezas son muy bajas, el

acabado de la superficie interior muy rugoso y el espesor de la capa

no es uniforme, sin embargo el aspecto exterior de la superficie es

muy bueno.

f. MOLDEO EN COQUILLA POR PRESIÓN: FUNDICIÓN A

PRESIÓN. 

Difiere del moldeo en coquilla por gravedad en que el metal en

estado líquido o pastoso se introduce en el hueco del molde bajo

presión, esto favorece el rápido llenado del molde y la reproducción

fiel de sus más finos detalles. También se asegura la eliminación de

la porosidad en las secciones macizas de la pieza.

La presión debe ser tanto más elevada cuanto mayor sea la

tendencia de la aleación a presentar sopladuras. En la práctica oscila

entre 10 y 700 kg/cm2 con una velocidad de introducción del metal

en el molde del orden de 60 m/s.

Las piezas después de eliminado el bebedero quedan

completamente terminadas y no necesitan mecanizado posterior.

La estructura del metal es de grano fino y las características

mecánicas muy elevadas. La presión se ejerce sobre el metal con

maquinas especiales que trabajan de forma automática o

semiautomática.

2.1.1 MATERIALES USADOS EN MOLDES

En el caso de los moldes no metálicos, el más utilizado es la arena

de fundición, teniéndose diferentes tipos de ellas:

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a. ARENA NATURAL O VERDE

Es aquella obtenida del lecho de los ríos y que no presenta

ningún tratamiento físico ni químico.

Moldeo de arena verde

El moldeo en arena verde consiste en la elaboración de

moldes partiendo de la mezcla de arena de sílice y

bentonita (un derivado de la arcilla) a un 30 - 35 % con una

cantidad moderada de agua. Esta primera elaboración de la

mezcla se denomina arena de contacto, tras su primera

utilización esta mezcla es reutilizable como arena de relleno,

la cual al añadirle agua vuelve a recuperar las condiciones

para el moldeo de piezas. De esta manera, se puede crear un

circuito cerrado de arenería.

Existe otro tipo de preparado de la arena, es un tipo de

preparado ya comercial, consiste en una mezcla de arena de

sílice con aceites vegetales y otros aditivos. Este tipo de

preparado no es reutilizable, ya que tras su utilización dichos

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aceites se queman perdiendo así las propiedades para el

moldeo. Por este motivo no es aconsejable su utilización en

grandes cantidades y de forma continua en circuitos de

arenería cerrados ya que su utilización provocaría el

progresivo deterioro de mezcla del preparado del circuito y por

lo tanto su capacidad para el moldeo. Este preparado facilita la

realización del moldeo manual, ya que alarga el proceso de

manipulación para realizar el modelaje.

Proceso de fundición de moldeado en verde

Existen dos tipos de moldeo en verde: el moldeo manual y

el moldeo en máquina.

Moldeo manual: Consiste en el moldeo realizado de

forma manual, y por lo tanto de una manera artesanal. Este

tipo de modelaje se está perdiendo en la actualidad debido a

la especialización, a la desaparición progresiva de los

operarios de fundición y a la utilización de las máquinas de

moldeo.

Moldeo en máquina: Consiste en el moldeo realizado

por medio de una máquina de moldeo. Existen en la

actualidad distintos tipos de maquinas para este fin:

las máquinas multifunción, máquinas multipistones y máquinas

automáticas. La utilización de este tipo de máquinas ha

facilitado la automatización de este proceso, aumentando

notablemente las cantidades productivas.

b. ARENA SECA

Es la arena del río a la cual se le ha extraído la humedad

mediante la aplicación del calor, y en algunos casos también

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los materiales aglomerantes, mediante procesos físico –

químicos.

c. ARENA CON CEMENTO

Es aquella arena que contiene material puzolanico, que le da

cierta característica de impermeabilidad. Es utilizada para

procesos de bajo punto de fusión.

d. ARENA DE CORAZÓN

Es aquella que contiene gran cantidad de materiales

aglomerantes lo que le da un aspecto compacto y pegajoso

necesario para mantener las formas del modelo en la

fundición.

Las arenas más recomendables para moldear están

compuestas por granos de silicio (SiO2) entre 80% a 95% y

material aglomerante (arcilla) entre 20% y 5%.

2.1.2 CARACTERÍSTICAS DE LAS ARENAS DE FUNDICIÓN

a. Deben ser altamente refractarias para resistir la temperatura

del material fundido (50% de refracción)

b. Deben contener material aglomerante en suficiente cantidad

para mantener la forma del modelo. A su vez el aglomerante

debe ser refractarios. Entre los principales aglomerantes

tenemos: la arcilla, melaza, resinas, aceite de linaza, desechos

orgánicos de animales, etc.

c. Debe mantener una permeabilidad alta para permitir el escape

de los gases del metal fundido en el proceso de vaciado.

d. El tamaño de grano debe ser el adecuado, así par productos

finales de tamaño pequeño, se utilizan granos de arena

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pequeña, creciendo su tamaño en relación al producto a

obtener.

e. El contenido de humedad en las arenas de fundición puede

variar promediamente entre 4 a 8% (humedad final).

2.1.3 COMPOSICIÓN ANALÍTICA DE LAS ARENAS

Se realiza mediante la determinación de los componentes principales

de la arena:

Silice Arcilla H2O

(humedad)

Aglomerantes

Método 1

Método 2

68 – 86%

50 – 95%

10 – 20%

2 – 50%

3 - 6%

1,5 – 8%

1 – 6%

-

La composición más recomendable es la que presenta un alto

contenido de silicio lo que permite la resistencia a temperaturas altas

de hasta 1780°C. Añadiendo otros compuestos como alúmina

(AlSO3) cuyo punto de fusión es de 2050°C, se logra elevar la

resistencia de la arena hasta 1850°C. En cuanto a impurezas se

puede presentar óxido férrico Fe2O3 tolerable hasta un 3% y cal

apagada hasta 1%.

3. ANALISIS DE ARENA DE FUNDICION

1. Porcentaje De Humedad

Se realiza tomando una muestra constante de arena, generalmente una libra

la cual es sometida a 100°C de temperatura durante 8 minutos. Al final se

pesa la muestra y la diferencia se compara en tablas experimentales cuya

lectura es directa dándonos porcentajes de humedad respectiva.

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2. Proporción De Sílice- Arcilla

La arena secada mediante el proceso anterior se somete a un lavado con

hidróxido de sodio disuelto con agua destilada, el cual precipita la arcilla

quedando esta en la superficie del recipiente. Del fondo es extraído el sílice,

el cual se seca igualmente a 100°C, luego se pesa y por diferencia se

determina la diferencia de arcilla y sílice.

3. Determinación De Formas De Granos

Se realiza en un atomizador sometido al vacio, el cual contiene interiormente

un serpentín en el que se vierte la arena, el atomizador sometido a un

movimiento centrifugo rotatorio determina por gravedad y por rotación en si

que los granos mas pequeños y redondeados sean los que se depositen

primero en el fondo y posterior mente los de mayor tamaño, y al final los de

forma irregular. Separándolos gradualmente se obtienen arenas similares en

cuanto a forma y tamaño.

4. Determinación Del Tamaño De Grano

Para determinar el tamaño de grano se hace uso de tamices cuya malla es

bastante pequeña. Parte del principio experimental de la siguiente igualdad:

Donde:

I: Es el número de tamiz por donde pasaría toda la arena, su numeración es

inversamente proporcional a su tamaño.

Pi: Es el porcentaje retenido de sílice en cada uno de los tamices.

Ki: Es el factor de número de tamiz relacionado con su capacidad de trabajo.

I=∑ PiKi/P

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P: Se refiere a la suma porcentual total de sílice de todos los tamices.

4. PROCESO DE VACIADO EN ARENA

Se le conoce como vaciado en molde no metálico, Es el tipo de fundición más

antiguo, su costo es bajo en comparación al resto de los métodos y no necesita

mano de obra especializada, por el contrario puede ser realizado teniendo

conocimientos generales de fundición.

Los pasos del proceso son:

a) Se coloca el molde en la tabla de moldeo, que es una superficie de madera

o metálica de una sola pieza.

b) Se ubica encima la parte inferior de la caja de moldeo, la que es de madera

reforzada en su estructura con barras metálicas.

c) Se ubica en el centro de la caja una parte simétrica del modelo, luego se

espolvorea sobre el modelo arena fina la cual previa mente ha sido cernida

en tamices de orificio fino para escoger granos pequeños. Se compacta

apisonando y se rellena toda la capacidad de la caja de moldeo con arena

más gruesa proporcional al tamaño del modelo apisonándola de tal manera

que forman una pieza compacta para que no pierda su perfil, pero que a la

vez posea cierta permeabilidad con el fin de permitir la salida de los gases en

el momento del vaciado del metal fundido.

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d) Una vez apisonada la arena hasta el borde de la tapa inferior de la caja de

moldeo se coloca otra tabla en la parte superior y se voltea todo el sistema

retirando la inicial tapa inferior.

e) Sobre la superficie de la arena al descubierto se espolvorea la denominada

arena de separación que no contiene arcilla y con tamaño de grano muy fino,

esto permite que al colocar la caja superior no se unan las dos mitades de

arena compactada.

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f) Se coloca la parte superior de la caja de moldeo y se ubica un cuerpo circular

generalmente de madera el cual formara el cono del bebedero que es por

donde ingresara el metal fundido, este cono se ubica a una distancia

equidistante del modelo más o menos equivalente a unas cuatro veces el

diámetro mayor del modelo.

g) Se coloca la otra mitad del modelo y se añade arena fina, luego se rellena

todo el resto de la caja con arena de mayor grosor apisonándola y tratando

que no se desparrame arena por los bordes o paredes laterales de ambas

cajas de moldeo.

h) Se afloja el cuerpo cilíndrico utilizado para formar el cono del bebedero

extrayéndolo y quedando así preparado el orificio.

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i) Se levanta la mitad superior de la caja de moldeo con mucho cuidado

evitando que pierda su forma y cualquier contacto con la arena para asi

evitar imperfecciones en el producto a obtener. Se coloca la caja a un

costado y se extrae el modelo quedando en espacio vacío que es por donde

ingresara el metal fundido.

j) Se escarba la arena con cucharas especiales para formar el canal del cono

del bebedero que une a este con el orificio o espacio dejado por el bebedero.

k) Se añade plummangina que es un compuesto de oxido de plomo que tiene la

característica de endurecer la superficie sobre la cual es vertido cuando se le

quita temperatura, este compuesto se añade sobre el espacio dejado por el

modelo, el canal del cono del bebedero, y en el cono mismo secándose

posteriormente con soplete o a veces en el mismo horno.

l) Se juntan nuevamente las dos mitades de la caja de moldeo sellándose

previamente con almidón, el cual es colocado alrededor tanto del espacio

dejado por el modelo como del canal del cono del bebedero, se sujetan

ambas mitades y en algunos casos se abren orificios con diámetro muy

pequeño en la caja superior para ayudar a la salida de los gases, luego se

vierte el metal fundido a través del cono del bebedero formándose la pieza a

obtener.

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m) Después de un tiempo de solidificación proporcional al tipo de metal fundido

se levanta la mitad superior, se extrae el producto obtenido luego se somete a

operaciones mecánicas de acabado.

5. VACIADO EN MOLDES METÁLICOS

Se le denomina también vaciado en lingoteras, se caracteriza porque el

producto obtenido ya sea lingote o lámina es trabajado en recipientes

generalmente de acero rápido o en algunos casos de hierro fundido teniendo

que necesariamente ser sometido a operaciones complementarias tales como

el laminado, forjado, extruccion, etc.

El producto a obtener depende bastante del tiempo de solidificación, ya que

mientras más lenta sea mayor será el tamaño de los cristales formados en su

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estructura interna, siendo un aspecto negativo porque se convierte en in

producto quebradizo y de dureza extrema.

Las lingoteras generalmente están fabricadas de hierro cubilote o de hierro de

alto horno, con 3.5 % de carbono, son cónicos, a fin de facilitar el retiro de metal

solidificado. La parte inferior de las lingoteras puede estar cerrada u abierta; si

esta abierta los moldes se colocan sobre una superficie plana.

Los lingotes enfriados son retirados (extraídos) de los moldes y bajados a pozos

de recalentamiento, donde son recalentados a una temperatura uniforme y

aproximadamente de 1200°C (2200°F) para su procesamiento subsecuente

mediante el laminado. Los lingotes pueden ser cuadrados, rectangulares o de

sección transversal redonda, y su peso va desde unos cuantos cientos de libras

hasta 40 toneladas.

Durante la solidificación de un lingote ocurren ciertas reacciones, estas

reacciones tienen influencia importante en la calidad del acero producido. Por

ejemplo: durante la fabricación de acero se pueden disolver cantidades

significativas de oxigeno y de otros gases en el metal fundido. La mayor parte

de los gases son rechazados durante la solidificación del metal, dado que el

límite de solubilidad de los gases en el metal se reduce de manera importante

conforme baja su temperatura. El oxígeno rechazado se combina con el

carbono, formando monóxido de carbono, lo que causa porosidad en el lingote

solidificado.

Dependiendo de la cantidad de gas generado durante la solidificación, se

pueden producir lingotes de acero de tres tipos: muertos, semimuertos y

efervescentes.

Acero Muerto:

Un acero muerto es una acero totalmente desoxidado, esto es, el

oxigeno ha sido eliminado y la porosidad también. En el proceso de

desoxidación, el oxigeno disuelto en el metal fundido se hace reaccionar

con electos como el aluminio, silicio, manganeso y vanadio que se

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agregan al metal fundido. Estos elementos tienen afinidad para el

oxígeno, formando óxidos metálicos. Si se utiliza el aluminio, el producto

se conoce como acero muerto de aluminio. El término muerto proviene

del hecho que el acero queda quieto después de ser vaciado en el

molde.

Las inclusiones de oxido en el baño fundido, si son suficientemente

grandes, flotan y se adhieren a (o quedan disueltos) en la escoria. Un

acero totalmente muerto esta por lo tanto libre de cualquier porosidad

causada por los gases. También esta libre de sopladuras (grandes

agujeros esféricos cerca de la superficie del lingote).

En consecuencia, las propiedades químicas y mecánicas de un lingote de

acero muerto son relativamente uniformes en todo su volumen. Debido al

encogimiento durante la solidificación, sin embargo, el lingote de este

tipo desarrolla un rechupe en la parte superior (también conocida como

cavidad de contracción); tiene la apariencia en forma de embudo. Este

rechupe puede presentar un volumen substancial del lingote; tiene que

se cortado y desperdiciado.

Acero semimuerto:

El acero semimuerto es una acero desoxidado. Contiene algo de

porosidad (comúnmente en la sección superior central del lingote) pero

tiene poco o ningún rechupe, como resultado se reduce el desperdicio. A

pesar de que es menor el rechupe en aceros semimuertos la ventaja

queda compensada por la presencia de porosidad en dicha región. Los

aceros semimuertos son de producción económica.

Acero efervescente:

En un acero efervescente, que por lo general tiene un bajo contenido de

carbono (menos de 0.15%), los gases generados son “muertos”, o

controlados, solo de manera parcial, mediante la adición de elementos

como el aluminio. Los gases producen sopladuras a lo largo del borde

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superior del lingote. La sopladuras en general no son motivos de

objeción, a menos de que rompan la película exterior del lingote.

Los aceros efervescentes tienen muy poco rechupe, y tiene una película

dúctil con un buen acabado superficial. Sin embargo, las sopladuras

pueden atravesar la película si es que no están completamente, Además,

las impurezas tienden a segregarse hacia el centro del lingote, por lo

que, los productos que se hacen con este acero pueden ser defectuosos

y debe ser inspeccionado.

5.1 LINGOTERAS

Las lingoteras son recipientes de fundición dentro de las cuales se vuelca el

acero líquido con el objeto de producir su solidificación bajo una forma

determinada.

Las lingoteras pueden ser cerradas o abiertas. En el primer caso es necesario

preparar un fondo especial o común, y en el segundo caso, como uno de los

extremos debe hacer de fondo, debe ser de menor dimensión, las cuales llevan

en su fondo un agujero con tapón extraíble para facilitar el sacado del lingote

sólido. Este tipo de moldes por lo general viene provisto de un colar refractario

removible o “mazarota caliente” que se coloca en la parte superior del molde. La

función de este collar refractario es la de hacer mas lento el enfriamiento en la

parte superior del lingote, suministrando así una reserva de metal fundido que

pueda alimentar al cuerpo principal del lingote al solidificarse éste y en

consecuencia contraerse. La mazarota caliente, reduce así al mínimo al

rechupe.

Por lo general las lingoteras poseen una forma trapezoidal, con el objetivo de

que sea mas fácil su vaciado una vez que el metal está sólido.

Las lingoteras poseen orejas a los costados que le permitirán levantarla para

desmoldar, o gorrones, y según su capacidad el espesor de sus paredes puede

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ser de entre 4 y 15 centímetros. Son muy comunes las lingoteras octogonales o

hexagonales.

También se pueden usar lingoteras cilíndricas si el peso es de unos pocos

centenares de kilos, estas lingoteras se usan cuando el producto final se va a

usar para torneado.

Existen muchos tipos de lingoteras según el uso que se le va a dar al producto,

como por ejemplo cilindros huecos para la producción de caños sin costuras,

haciendo girar el cilindro a gran velocidad.

Lingotera

6. PROCESO DE VACIADO EN LINGOTES

El vaciado del metal en las lingoteras se puede hacer de dos maneras

diferentes:

Colada directa o en caída: este proceso se usa para obtener grandes

lingotes, y consiste en ir llenando cada lingotera individualmente, ya se

haciendo pasar las lingoteras (unidas una detrás de la otra, guiadas por

rieles y pidiéndose moverse los carros que llevan las lingoteras solamente

cuando estas estén llenas) por debajo de la cuchara que vuelca el acero

fundido, y de esta manera ir llenando cada lingotera. O bien dejando las

lingoteras fijas e ir moviendo la cuchara mediante un carro por rieles,

volcando el acero fundido dentro de cada recipiente.

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Colada fuente: Consiste en alimentar los moldes por el fondo, valiéndose

de un canal común y un caño único de colada. Los canales por los que

circula el acero están recubiertos con refractarios que están unidos de

extremo a extremo cerrando cuidadosamente las juntas con arcilla. El

diámetro de los canales y el tubo de ingreso de acero depende del tamaño

de los lingotes a obtener.

Por este sistema se pueden llenar muchas lingoteras a la vez. Este proceso

no es muy rápido, lo cual permite que las impurezas suban a la parte

superior del lingote y puedan ser eliminadas, evitando defectos. Por este

proceso se tienen mas probabilidades de obtener un lingote de calidad.

6.1 REFINAMIENTO

Las propiedades y características de manufactura de aleaciones ferrosas

quedan adversamente afectadas por la cantidad de impurezas, inclusiones

y otros elementos presentes. La eliminación de las impurezas se conoce

como refinamiento; gran parte del mismo se hace en hornos de fusión o en

ollas de traslado, mediante la adición de varios elementos.

Existe una creciente demanda para aceros más limpios, aceros con

propiedades mejoradas y mas uniformes y con una mayor consistencia en

su composición. La refinación es particularmente importante en la

producción de aceros de alto grado y de aleaciones para aplicaciones de

alto rendimiento

7. PROCESO PARA LA OBTENCIÓN DE PRODUCTOS DE ACERO

1) Se calienta el horno, el cual puede ser eléctrico o de reverbero,

cargando el material a fundir.

2) Se carga el metal ya fundido en cucharas denominadas llenadoras, estos

varían de tamaño desde los que puede manejar un solo hombre hasta

los enormes cucharones movidos por grúa que contienen ciento de

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toneladas de material, tienen también un mecanismo de sujeción y

desalojo.

Consiste en un recipiente de acero recubierto interiormente con material

refractario, equipado con un sistema de muñones laterales, los cuales

sirven para levantarla, con el objeto de que la escoria que flota en la

superficie del acero fundido no entre a los lingotes, y también permiten

su movimiento ondulatorio

3) El operador controla el sistema de trabajo de la cuchara la cual tiene un

orificio en el fondo siendo graduado mediante un tapón en un sistema de

elevación exterior. El chorro va cayendo de acuerdo a la velocidad de

solidificación necesario para lo cual se necesita conocer tanto la

temperatura de fusión como el avance en solidificación del metal

fundido.

4) Una vez terminada la salida del todo el chorro liquido del metal se enfría

la cuchara generalmente con agua m para evitar problemas de

recristalización en las paredes del recipiente siendo posteriormente

tratada con ferromanganeso de potasio para su desoxidación

5) Paralelamente se procede al enfriamiento del lingote o lamina mediante

chorro de agua.

6) Transcurrido un lapso de tiempo equivalente a 10 veces el de

enfriamiento se extrae el lingote solidificado, sometiéndolo a las

operaciones complementarias.

7.1 PARTES DE UN MOLDE PARA LINGOTE

a) Bebedero: canal por el cual ingresa el metal fundido, ubicado

verticalmente, generalmente tiene sección circular presentando un

ensanchamiento en la parte superior.

b) Canal de colada: el cual puede ser de sección cuadrada o rectangular,

se utiliza para conducir el metal desde el bebedero hasta el molde final.

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c) Canales de ataque: Ubicados en el mismo plano que el canal de

colada, pero perpendicularmente a esta, sirven para controlar y

compensar la presión de los gases formados por el metal liquido.

d) Molde: ubicado al extremo de los canales de ataque, generalmente es

de acero rápido y es el que dará la forma final al producto a obtener,

posee unas orejas laterales que se utilizan para izar el molde y

separarlo del producto final.

e) Mazarota: es un cuerpo cilíndrico generalmente redondeado en sus

extremos con dimensiones idénticas al plano superior del molde,

ubicado verticalmente dentro del molde, sirve para determinar la altura

obtenida por el metal dentro del molde.

7.2 DEFECTOS EN VACIADO EN LINGOTERAS

La formación de lingotes es una de las etapas más difíciles e importantes de

las etapas de la fabricación del acero, y con frecuencia los errores que surjan

serán defectos dentro del lingote, que no podrán eliminarse con las

operaciones que le siguen aunque sean trabajos en caliente como laminado o

forjado.

Otras fallas son resultado de una mala operación y pueden ser eliminadas

corrigiendo errores en los procesos de fundido o de vaciado.

Los principales defectos que surgen en los lingotes se dan por la presencia de

alguno de estos casos:

Rechupes.

Sopladuras.

Lingotismo

Segregación.

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Inclusión de escoria.

Grietas o fisuras.

a) Rechupes:

Es una cavidad o hueco que se produce en el interior del lingote, debido a que

cuando se vierte el metal fundido en el molde, este comienza a solidificarse

desde el exterior hacia el interior del lingote, y como el volumen del metal

fundido es mayor que el del metal sólido, el metal se contrae exteriormente y

su interior cuando empieza a contraerse comienza a formarse un hueco o una

cavidad en el centro del lingote, debido a esta contracción. Generalmente

ocurre en la porción del lingote superior y central. Para evitar los rechupes

internos la lingotera se debe tener la boca superior de mayor tamaño que la

boca inferior, así el rechupe se forma en la parte superior del lingote, o

comprimiendo el lingote cuando se esta solidificando con grandes prensas

hidráulicas.

El volumen del rechupe es mayor cuanto mayor es el volumen del lingote,

aunque no tiene una relación constante.

Las partes que tienen este rechupe son inutilizables, pues las superficies no

son soldables y por lo tanto las piezas construidas por esa parte del acero

resultan quebradizas y aún peligrosas.

b) Sopladuras:

Son defectos que se producen en el interior del lingote debido a que se

desprenden gases durante la solidificación del lingote. Estos gases pueden

salir despedidos en forma de burbujas o pueden quedar atrapados en el

interior del lingote por la solidificación. Las sopladuras situadas en las

cercanías al núcleo del lingote son menos perjudiciales que las situadas en las

cercanías de la superficie, porque estas se alargan durante el laminado en

caliente y producen costuras en el acero acabado. Para eliminar estas

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sopladuras conviene ir vertiendo el acero de forma lenta en la lingotera, de

esta forma permitir que estos gases escapen o queden atrapados en la parte

superior del lingote que luego conviene cortar. Cuando el acero contiene

muchos gases conviene que el enfriamiento sea lento así tienen mas tiempo

de escapar las burbujas o sopladuras.

c) Lingotismo:

Defecto mediante el cual el producto final presente dimensiones mayores a las

requeridas debido a un enfriamiento demasiado lento lo cual origina la

formación de cristales muy grandes creándose igualmente espacios

intermoleculares mayores de lo normal, teniéndose un producto final

quebradizo y sin resistencia al esfuerzo.

d) Segregación de impurezas:

Durante la solidificación la primera porción que se solidifica es relativamente

pura en comparación con la última que lo hace. Esta solidificación selectiva se

traduce en una concentración desigual de los elementos hallados en la

aleación. En la fabricación de lingotes, la segregación viene agravada por la

acción enfriadora del molde. Las primeras porciones en contacto con el molde

se solidifican relativamente puras, mientras que las porciones centrales, las

cuales son las ultimas en solidificarse, son más ricas en los constituyentes de

punto de solidificación mas bajos del acero. Ésta es la razón para segar la

porción mas alta del lingote, puesto que cortando para quitar el rechupe

también se quita parte de las porciones del lingote donde es peor la

segregación.

Esto crea dificultades de mecanización en ciertas aplicaciones, y desigualdad

en las propiedades mecánicas.

e) Inclusiones de escoria:

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Se dan de los productos de la desoxidación, siendo las partículas de Al2O3 y

SiO2 las más numerosas. Ambos óxidos son insolubles en el acero fundido y

se elevan a la superficie muy lentamente, después de su formación.

También se da por la presencia en menor medida de fósforo, azufre,

nitrógeno, oxigeno e hidrógeno, y también de sus óxidos.

Puesto que la desoxidación se lleva a cabo hacia el final del proceso de

fabricación del acero existe un período limitado de tiempo para que lleguen a

la superficie. Esto es perjudicialmente cierto cuando se usa aluminio para

calmar un acero efervescente que se encuentra ya en la lingotera.

Algunos de estos óxidos flotan a la superficie cuando el acero se encuentra en

el molde y son finalmente cortados junto con el rechupe; pero aquellos que

permanecen como inclusiones, tienden a segregarse(con frecuencia en los

planos débiles) dando lugar a grietas internas en el lingote. La incidencia de

las inclusiones se reduce desoxidando la carga lo mas pronto posible antes de

vaciar, de manera que los óxidos tengan mayor oportunidad de flotar a la

superficie.

Pueden presentarse también dificultades debido a partículas de escoria, así

como fragmentos de revestimiento refractario ya sea del horno o de la

cuchara.

Algunos elementos de estos pueden favoreces a las propiedades del acero,

por ejemplo la presencia de azufre facilita el mecanizado(en porcentajes

adecuados), sobre todo la resistencia al choque transversal.

Estas impurezas son mas peligrosas cuando se encuentran como inclusiones

que cuando se encuentran formando una solución. Siempre y cuando la

distribución de estas impurezas sea la adecuada, no podrán perjudicar las

propiedades. Cuando decimos adecuada nos referimos al tamaño, distribución

y concentración.

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Para determinar la presencia de inclusiones se usa el método magnético, el de

fractura y el de ataque químico; para determinar el grado de impurezas de los

aceros (frecuencia y severidad de las inclusiones, su forma, dureza,

plasticidad), Para esto existen valores prefijados, según el uso que se le va a

dar al acero, se da el porcentaje de existencia de inclusiones.

f) Grietas o fisuras:

Las grietas aparecen en las superficies laterales de los lingotes, causadas por

la contracción del metal al solidificar debido a una superficie del molde rugosa

que evita la contracción uniforme del lingote.

Cuando los lingotes se cuelan por arriba, puede salpicarse metal a los lados

del molde, en donde se solidifica y oxida rápidamente. El metal que se eleva

cubre finalmente estas salpicaduras, que forman “costras” sobre la superficie

del lingote. Estas se pueden cortar antes de laminar el lingote; pero

ocasionalmente, las salpicaduras se encuentran totalmente envueltas por el

metal ascendente que las retira de la superficie del molde. Ahí forman

discontinuidades subcutáneas que dan lugar a un defecto del metal laminado

final.

Se las elimina por burilado o cortafrío neumático para poner al descubierto las

superficies oxidadas, que perteneciendo de esa manera, no soldarán por la

acción del laminado.

Estas grietas que se hacen se abren durante el laminado y se convierten

eventualmente en surcos alargados en el material acabado.

7.3 CÁLCULOS

A) Solidificación del metal fundido

En el proceso de fusión, existen siempre fenómenos de contracción, y se

realiza en tres etapas:

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Contracción liquida: sucede durante el enfriamiento desde la

temperatura de la colada hasta la de fusión

Contracción de solidificación: la cual sucede en el cambio de

estado del metal, no existiendo variación de temperatura.

Contracción sólida: sucede durante el enfriamiento desde la

temperatura de fusión hasta la temperatura de ambiente.

B) Tiempo de solidificación

Se refiere al tiempo necesario para que el metal fundido vaya solidificándose.

Durante las primeras etapas de la solidificación, se empieza a formar una

película delgada solidificada en las paredes frías del molde y, conforme pasa

el tiempo, dicha película se hace más gruesa. Con paredes de molde planas,

este espesor es proporcional a la raíz cuadrada del tiempo, así, doblar el

tiempo hará que el espesor sea 2 1.41= , o sea un 41%, mayor.

C) Ley de Chorinov

El tiempo de solidificación es función del volumen de la fundición y de su

área superficial (regla de Chvorinov), lo que se puede expresar como:

T=K(V/A)2

Donde:

T; tiempo de solidificación

K: constante de Chvorinov; depende del material del molde, de las

propiedades del metal y de la temperatura.

V: volumen de la pieza obtenida

A: área total de la pieza

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Así se puede demostrar que un metal fundido en un molde de forma cúbica

se solidificará más aprisa que en un molde esférico del mismo volumen, la

razón es que el volumen es proporcional al cubo del diámetro de la esfera,

mientras que la superficie es proporcional al cuadrado del mismo.

Los efectos en la geometría del molde y el tiempo transcurrido en el espesor

de la pared solidificada y así como su forma, algo notable es que el espesor

se incrementa con el tiempo, pero en los ángulos internos este es

relativamente menor a los ángulos externos. Esto último es causado por una

menor tasa de enfriamiento en los primeros, este efecto es utilizado

normalmente al confeccionar elementos metálicos decorativos, llamado

fundición por vaciado

D) Tiempo de colada

Es el tiempo comprendido durante el vaciado del metal fundido hasta que

empieza la solidificación, según Czikel, se plantea la formula:

T=M/C

Donde:

T: tiempo de colada del metal liquido, generalmente en segundos

M: relación del volumen sobre su área (cm)

C: coeficiente de avance: (0.015 – 0.035) para materiales ferroso (cm/seg)