Calentamiento y Vertido en Fundición

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CALENTAMIENTO Y VERTIDO EN FUNDICIÓN 1 Facultad de Ingeniería Industrial y de Sistemas PROFESOR: G. CRUZ FIGUEROA CURSO: PROCESOS INDUSTRIALES II INTEGRANTES: PELAEZ HUAMANCHUMO, MIGUEL ANGEL TORRES CUYUTUPA, ANTHONY JHONATAN

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Facultad de Ingeniera Industrial y de Sistemas

CALENTAMIENTO Y VERTIDO EN FUNDICINPROFESOR: G. CRUZ FIGUEROACURSO:PROCESOS INDUSTRIALES IIINTEGRANTES:PELAEZ HUAMANCHUMO, MIGUEL ANGELTORRES CUYUTUPA, ANTHONY JHONATAN

2015 - I

INDICE

INTRODUCCION.. 3CALENTAMIENTO Y VERTIDO 41. CALENTAMIENTO DEL METAL. 42. VERTIDO DEL METAL FUNDIDO 5.3. ANLISIS DE INGENIERA DEL VERTIDO 64. FLUIDEZ 6SOLIDIFICACIN DE LOS METALES.. 7

INTRODUCCIN

En el siguiente trabajo hablaremos de un tema muy importante para la primera parte del curso de procesos industriales II; el calentamiento y vertido que se da en una fundicin. Este tema nos evoca a cursos como Fsica en la parte transferencia de calor, donde utilizamos formulas conocidas para nosotros y donde usamos coeficientes ya estudiados en las propiedades de los materiales.Este tema se complementa con los trminos ya vistos en clase as como en el curso de ingeniera de materiales.En este trabajo desarrollamos las principales etapas en las que se da la fundicin as como los parmetros que ella tiene en cada una de sus etapas hasta el momento de su solidificacin donde ocurre la transferencia final del objeto a su medio.

CALENTAMIENTO Y VERTIDO EN FUNDICIN

Para llevar a cabo una operacin de fundido, el metal debe calentarse a una temperatura algo ms elevada que su punto de fusin y luego verterse a la cavidad del molde para que se solidifique. En esta seccin se estudian aspectos diversos de estas dos etapas de la fundicin.

5. CALENTAMIENTO DEL METAL Para calentar el metal a una temperatura de fusin suficiente para la fundicin se utilizan hornos de varias clases. La energa calorfica que se requiere es la suma de 1) el calor para elevar la temperatura al punto de fusin, 2) el calor de fusin para convertirlo de solido a lquido y 3) el calor para poner el metal fundido a la temperatura deseada para verterlo. Esto se expresa as:

Donde H= calor total que se requiere para subir la temperatura del metal a la temperatura a que se vierte, J(Btu); p= densidad, g/cm3 Lbm/in3); Cs= calor especifico por peso para temperatura de inicio, la ambiental, por lo general, c( f); Hf= calor de fusin, J/g (Btu/lbm); Ci= calor especifico por peso del metal lquido, J/g-C (Btu(lbm-F); Tp= temperatura de vertido, C( F); y v= volumen del metal que se cqalienta, cm3 (in3)

EJEMPLO: CALENTAMIENTO DE METAL PARA FUNDICIN Un metro cubico de cierta aleacin eutctica se calienta en un crisol, desde la temperatura ambiente a 100C por arriba de su punto de fusin es de 800C, calor especifico de 0.33 J/g C en estado slido y 0.29J/gC en estado lquido y solido del metal de la misma. Como un m3 es igual a 106 cm3, al sustituir los valores apropiados en la ecuacin (1) se tiene que H= (7.5)*(106)(0.33*(800-25)+160+0.29*(100))=3335*(106)La ecuacin anterior tiene valor conceptual; sin embargo, su valor de clculo es limitado y no representado al ejemplo del clculo. El empleo de la ecuacin (1) es complicado por los siguientes factores: 1) el calor especifico y otras propiedades trmicas del metal solida varan con la temperatura, en especial si el metal sufre un cambio de Fase durante el calentamiento. 2) el calor especfico de un metal puede ser diferente en el estado slido y lquido. 3) la mayora de los metales que se funden son aleaciones, y la mayor parte de estas se fundan por arriba de una temperatura que vara entre la de slidos y lquidos, ms bien que con un solo punto de fusin; as, el calor de fusin no puede aplicarse en forma tan simple como la que se ilustro. 4) en la mayora de los casos, no se disponen de los valores apropiados que se requiere en la ecuacin para una aleacin particular. 5) existen prdidas calorficas significativas hacia el ambiente durante el calentamiento.6. VERTIDO DEL METAL FUNDIDO Despus del calentamiento, el metal esta, listo para verterlo. La introduccin del metal derretido en el molde, que incluye el flujo a travs del sistema de paso y hacia la cavidad, es una etapa critica del proceso de fundicin. Para que esta etapa tenga xitos, el metal debe fluir hacia todas las regiones del molde antes de solidificarse. Los factores que afectan la operacin de vertido incluyen los siguientes: temperatura a la que se vierte, velocidad de vertido y turbulencia.La temperatura de vertido es aquella que tiene el metal derretido cuando se introduce al molde. Lo que importa aqu es la diferencia entre la temperatura a que se vierte y la que tiene al comenzar la solidificacin (el punto de fusin para un metal puro, o la temperatura de lquidos para una aleacin). Esta diferencia de temperatura en ocasiones se conoce como la de sobrecalentamiento. Este trmino tambin se emplea para la cantidad de calor que debe retirarse del metal derretido entre el vertido y el inicio de la solidificacin La velocidad de vertido se refiera a la tasa volumtrica a la que vierte el metal fundido. Si la tasa es demasiado baja, el metal se enfriara y solidificara antes de llenar la cavidad. Si la tasa de vertido es excesivo excesiva la turbulencia se vuelve un problema serio.La turbulencia en el flujo de fluido se caracteriza por variaciones errticas en la magnitud y direccin de la velocidad en el fluido. El flujo se agita y es irregular en vez de ser suave y seguir lneas de corriente, como ocurre en el flujo laminar. Debe evitarse el flujo turbulento durante el vertido. Por varias razones. Tiende acelerar la formacin de xidos del metal que pueden quedar atrapados durante la solidificacin, lo que degrada la calidad del fundido. La turbulencia tambin agrava la erosin del molde. Que es la prdida gradual de superficies del molde debido al impacto del flujo del metal derretido. Las densidades de la mayora de los metales que se funden son mucho mayores que la del agua y otros fluidos que se estudia normalmente. Estos metales fundidos tambin tienen una quimia mucho ms reactiva que cuando se encuentran a temperatura ambiente. En consecuencia, el desgaste ocasionado por el flujo de ellos en el molde es significativo, en especial en condiciones de turbulencia. La erosin es seria en especial si ocurre en la cavidad principal debido a que la forma de la pieza fundida resulta afectada7. ANLISIS DE INGENIERA DEL VERTIDOHay varias relaciones que gobiernan el flujo del metal lquido a travs de sistema de paso y dentro del molde. Un importante es el teorema Bernoulli, que establece que la suma de las energas (piezometrica, presin cintica y friccin). En dos puntos cualesquiera de un lquido que fluye son iguales. Esto se escribe de la sgt manera:

Donde h: altura piezometrica, cm (in); P= presin del lquido, N/cm2 (Lb/in2); = densidad g/cm3 (lbm/in3); V= velocidad de flujo, cm/s (in/s); G= constante de la aceleracin de la gravedad, 9.81cm/s y F= perdidas piezometricas debidas a la friccin. Los subndices 1 y 2 indican dos ubicaciones en el flujo del lquido. 8. FLUIDEZEs frecuente que las caractersticas del flujo de un metal derretido se describan con el trmino fluidez, medida de la capacidad de un metal para fluir hacia un molde y llenarlo antes de solidificarse. Los factores que afectan la fluidez incluyen la temperatura de vertido respecto del punto de fusin, la composicin del metal, la viscosidad del metal lquido y la transferencia de calor al ambiente. Una temperatura de vertido ms elevada respecto del punto de solidificacin el metal aumenta el tiempo que permaneces en estado lquido, lo que permite que fluya ms antes de solidificarse. Esto tiende a agravar ciertos problemas del fundido tales como la formacin de xidos, porosidad por gases y penetracin de metal lquido en los espacios intersticiales entre los granos de arena que forman el molde. Este ltimo problema ocasiona que la superficie del fundido contenga partculas de arena incrustadas, lo que la hace ms spera y abrasiva que lo normal.La mejor fluidez se obtiene con metales que se solidifican a temperatura constante. La composicin del metal tambin determina el calor de fusin, la cantidad de calor que se requiere para solidificar el metal a partir de su estado lquido. Un calor de fusin ms elevado tiende a incrementar la medida de la fluidez en la fundicin.

SOLIDIFICACIN DE LOS METALESUn metal puro se solidifica a una temperatura constante igual a su punto de adhesin, el cual es el mismo punto de fusin. La figura muestra una curva denominada curva de enfriamiento. La solidificacin real toma tiempo, llamado tiempo local de solidificacin, durante el cual el calor latente de fusin del metal escapa fuera del molde que lo rodeo. El tiempo total de solidificacin es aquel que transcurre entre el vertido hasta la solidificacin completa. Despus de que el fundido se ha solidificado por completo, el enfriamiento contina a la tasa indicada por la pendiente hacia abajo de la curva de enfriamiento.Debido a la accin enfriadora de la pared del molde, al principio se forma una capa delgada de metal solido en la interfaz inmediatamente despus del vertido. El espesor de esta capa se incrementa y forma una costra alrededor del metal derretido conforme la solidificacin avanza hacia el centro de la cavidad. La tasa a la que la solidificacin sucede depende de la transferencia de calor al molde, as como de las propiedades trmicas del metal.

Mayora de aleaciones. La mayor parte de aleaciones se solidifican en un rango de temperaturas en vez de a una temperatura nica. El rango exacto depende del sistema de aleacin y la composicin particular. La solidificacin de una aleacin se explica con auxilio en la siguiente figura, que muestra el diagrama de fase para un sistema particular de aleacin y la curva de enfriamiento para una composicin dada. Conforme la temperatura cae, comienza la solidificacin a la temperatura indicada por el liquidus y termina cuando alcanza el solidus. El comienzo de la solidificacin es similar al de un metal puro. Se forma una capa delgada en la pared del molde debido al gradiente de temperatura mayor en esa superficie. Luego, la solidificacin contina igual que se describi antes, con la formacin de dendritas que crecen hacia afuera de las paredes. Sin embargo, debido a la dispersin de temperatura entre el liquidus y el solidus, la naturaleza del crecimiento dendrtico es tal que se forma una zona de avance en la coexistencia metal tanto lquido como slido. Las porciones solidas son las estructuras dendrticas que se formaron lo suficiente como para atrapar islas pequeas de metal liquido en la matriz.Esta regin solida liquida tiene consistencia suave que ha dado lugar a su nombre de zona blanda. En funcin de las condiciones de solidificacin, la zona blanda puede ser relativamente angosta, o existir a travs de la mayor parte del fundido. Esta ltima condicin la favorecen factores tales como la transferencia lenta de calor a partir del metal caliente, y una diferencia grande entre las temperaturas del liquidus y el solidus. En forma gradual, las islas de lquido en la matriz dendrtica se solidifican conforme disminuye la temperatura del fundido hacia la de solidus para la composicin de la aleacin dada.Aleaciones eutcticas. Estas constituyen una excepcin al proceso general por el que se solidifican las aleaciones. Una aleacin eutctica es una composicin particular de un sistema de aleacin para el que el solidus y el liquidus estn a la misma temperatura.

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