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PROYECTO IMT

“DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UN HORNO DE BALANCEO PARA FUNDICION DE METALES NO FERROSOS”

ELABORADO POR

ALEJANDRO GARZA ESPINOZA

ASESORES:

Dra. Dora Irma Martínez Delgado

M.C. Ma. de Jesús Nañez Rodríguez

DICIEMBRE DEL 2008

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INDICE PAGINAS

Diseño del horno de balanceo…………………………………….………………………………………………………………………… 2

Objetivo

Antecedentes

Hipótesis

Marco Teórico ……………………………………………………..……………………………………………………………………………… 3

Metodología del diseño ………………………………..…….………………………………………………………………………………. 4

Diseño de Carcaza del horno de balanceo.………………………………………………………………………………………….. 4

Proceso de soldadura del horno de balanceo ……………………………………………………………………………………… 5

Proceso de colocación de base del horno de balanceo ……………………………………………………………………….. 6

Diseño de la tapa del horno de balanceo …………………………………………………………………………………………….. 7

Diseño de sujetadores del horno de balanceo …………………………………………………………………………………….. 8

Pico de sangrado …………………………………………………………………………………………………………………………………. 9

Instalación de crisol ……………………………………………………………………………………………………………………………. 10

Refractario fire cast 420………………………………………………………………………………………………………………………

Vaciado de refractario ……………………………………………………………………………………………………………………….. 11

Instrucciones de vaciado …………………………………………………………………………………………………………………….. 12

Fraguado del material …………………………………………………………………………………………………………………………. 13

Programa de costos……………………………………………………………………………………………………………………………… 14

Programa de entrega…………………………………………………………………………………………………………………………… 15

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DISEÑO DE HORNO DE BALANCEO

INTRODUCCION

En la actualidad el alumino es el metal mas importante en la vida moderna, de los no ferrosos. Esto es

debido a sus tres características principales que son:

1- Bajo peso especifico

2- Resistencia a la corrosión

3- Buena conductividad eléctrica y térmica

El aluminio fue descubierto como elemento en Inglaterra por sir Humphrey Davey en el año de 1809.

Intento separa el aluminio por reducción electrolítica de una mezcla fundida de alúmina y potasa, por lo

tanto le dio el nombre de alumium que posteriormente se convirtió en aluminium.

En 1821 m. Pierre Berthier descubre un mineral el cual se obtiene del aluminio, al que llamo bauxita por

el lugar donde se encontró la aldea de Les Baux en Arlles Francia.

MARCO TEORICO

Para la fusión de los metales se pueden usar todo tipo de hornos, sin embargo, algunas veces puede ser

mejor para una operación particular utilizar un tipo de horno específico.

Por ejemplo, los hornos de hogar abierto, son deseables en grandes fundiciones que requieren de 10 a

200 toneladas de metal fundido al mismo tiempo. En algunos casos se requiere de 1 a 5 toneladas de

metal a intervalos frecuentes, el mejor puede ser el horno eléctrico.

En otra fundición que se solo se requiere de 100 a 1000 kg de aleaciones de diversas composiciones

especiales, el horno de crisol ofrece el mejor funcionamiento y cuando las cantidades a utilizar son

menores a 150 kg, se recurre a los hornos de inducción

Las aleaciones del procedimiento de fusión para una aplicación dependen de varios factores, a

continuación se enlistan algunos de éstos.

1-Volumen del metal necesario

2- Temperatura de fusión del metal

3- Precio del equipo

4-Costo de operación

5-Grado de control durante la fusión

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PLANTEAMINETO DEL PROBLEMA

La idea principal de este proyecto, es realizar un cambio en el diseño de un horno de balanceo para así,

mejorar su ingeniería, ya que en la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica se encuentran una gran

cantidad de alumnos tomando practicas en el área de fundición, ya que el proceso de fundición es

tardado no alcanza el tiempo suficiente para realizar prácticas, debido que solamente se cuenta con un

horno de balanceo.

OBJETIVO

Aumentar la vida útil del horno, tener una mayor experiencia en el uso de éste, así como también, una

mayor participación en los alumnos a la hora de realizar prácticas de fundición.

HIPOTESIS

El rediseño de la tapa y del horno de balanceo se espera una mejora de ingeniería la cual dará mejores

resultados en cuanto a propiedades térmicas e ingeniería de diseño, con el cual se obtendrá un mejor

tiempo de vaciado y mejorará la vida útil del horno.

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METODOLOGIA DE DISEÑO

La primer meta de éste proyecto era restaurar el horno de balanceo con el que se contaba en el área de

fundición de la FIME, pero al percatarnos de que éste tenía un interior completamente inservible y

algunas otras partes del área exterior en pésimo estado, se hizo un análisis y un balance, el resultado fue

que la mejor opción sería diseñar el horno por completo, es por eso que los pasos que se explicarán a

continuación es sobre el nuevo diseño que se llevó a cabo.

DISEÑO DE CARCAZA DE HORNO DE BALANCEO

Se tomaron medidas aproximadas a las del horno inservible con el respectivo espesor del

material. El material que se utiliza en la carcasa de el horno actual, cuenta con el mismo espesor

al inservible, (3/8 “) partiendo de lámina, se pasó por el proceso de rolado para dar la medida

deseada. (fig. 1.1)

Proceso de rolado: consiste en hacer pasar alguna

pieza plana mediante tres rodillos, el cual uno de

ellos es mecánico y se ajusta de ambos lados

aplicando una presión para obtener la forma

deseada.

Maquinaria: Roladora Serie: M-10513 Marca: Bertsch Descripción: Roladora Manual de Línea Inicial,

(fig. 1.1)

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PROCESO DE SOLDADURA DE HORNO DE BALANCEO

El proceso de soldadura fue aplicado con soldadura MIG, ya que el horno requería de éste tipo debido a su alta temperatura. (fig. 1.2) Este proceso se utiliza mucho en industrias donde el tiempo y la calidad de la soldadura son cruciales. El

principio es similar a la soldadura por arco, con la diferencia en el electrodo continuo y la protección del

gas inerte lo que le dan a este método la capacidad de producir cordones más limpios.

El método MIG (Metal Inerte Gas) utiliza un gas inerte (Argón, Helio o una mezcla de ambos). Se emplea

sobre todo para soldar aceros inoxidables, cobre, aluminio, chapas galvanizadas y aleaciones ligeras.

Este método resulta similar al anterior, con la salvedad de que en los dos tipos de soldadura por

electrodo consumible protegido, MIG (Metal Inert Gas) es este electrodo el alimento del cordón de

soldadura. El arco eléctrico está protegido, como en el caso anterior, por un flujo continuo de gas que

garantiza una unión limpia y en buenas condiciones.

En la soldadura MIG, como su nombre indica, el gas es inerte; no participa en modo alguno en la

reacción de soldadura. Su función es proteger la zona crítica de la soldadura de oxidaciones e impurezas

exteriores. Se emplean usualmente los mismos gases que en el caso de electrodo no consumible, argón,

menos frecuentemente helio, y mezcla de ambos.

Soldadura

Carcasa soldada Proceso de soldadura) (fig.1.2)

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PARTE INFERIOR DE HORNO DE BALANCEO

Para la parte inferior del horno balanceo, partiendo de una hoja de acero completa de 1.22mts. X 3.048mts X 3/8”, se trazo el diámetro del horno en la hoja para ser cortada mediante corte de plasma, y posteriormente ser soldada. (fig.1.3 y 1.4) Corte con plasma El fundamento del corte por plasma se basa en elevar la temperatura del material a cortar de una forma muy localizada y por encima de los 30.000 ºC, llevando el material hasta el cuarto estado de la materia, el plasma, estado en el que los electrones se disocian del átomo. El procedimiento consiste en provocar un arco eléctrico estrangulado a través de la sección de la boquilla del soplete, sumamente pequeña, lo que concentra extraordinariamente la energía cinética del gas empleado, ionizándolo, y por polaridad adquiere la propiedad de cortar. La ventaja principal de este sistema radica en su reducido riesgo de deformaciones debido a la compactación calorífica de la zona de corte. También es valorable la economía de los gases aplicables,

ya que a priori es viable cualquiera, si bien es cierto que no debe de atacar al electrodo ni a la pieza.

Parte inferior soldada (fig.1.4) Proceso de corte con plasma (fig.1.3)

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TAPA DE HORNO DE BALANCEO

El diseño de la tapa de horno de balanceo fue mejorado, ya que en el horno de balance que se encuentra inservible no contaba con el diseño adecuado, para soportar altas temperaturas sin deformación alguna. Para la mejora de la tapa del horno de balanceo se colocaron 8 placas de refuerzo por la parte exterior del corazón de la tapa, las cuales fueron distribuidas a cierta distancia, las cuales nos ayudaran a evitar deformación en la superficie del horno de balanceo.

Vista inferior de tapa de

horno de balanceo.

Vista superior con

refuerzos de tapa de

horno de balanceo.

Soldadura de refuerzos.

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SUJETADORES DE TAPA

Los sujetadores de la tapa fueron distribuidos en 4 puntos estratégicos para ayudar la manipulación de

ésta, de tal manera que nos proporcione una mayor sujeción. Ayudará a reducir la perdida de calor, el

cual dará mejor rendimiento el combustible, por lo que el tiempo de calentamiento será mayor.

Los sujetadores están fabricados de solera de 2”x 2” x 3/8” con agujero 3/4”, se encuentra sujeto con

tornillo, tuerca templados y huasa de presión

Sujetadores de horno de

balanceo.

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FABRICACION DE FLECHA Y BUJE

Para la fabricación de las flechas y bujes del horno se utilizó acero 1045, partiendo de un material solido

se paso al proceso de torneado para dar forma y medida adecuada de acuerdo a las dimensiones del

horno con el diseño adecuado para soportar el balanceo adecuado con respecto al peso del horno en

funcionamiento

Torneado fig. Flecha y buje maquinado

Torneado

Se llama tornear a la operación de mecanizado que se realiza en cualquiera de los tipos de torno que existen. El torneado consiste en los mecanizados que se realizan en los ejes de revolución u otros componentes que tengan mecanizados cilíndricos concéntricos o perpendiculares a un eje de rotación tanto exteriores como interiores. Para efectuar el torneado los tornos disponen de accesorios adecuados para fijar las piezas en la máquina y de las herramientas adecuadas que permiten realizar todas las operaciones de torneado que cada pieza requiera. Hoy día los mecanizados complejos y de precisión se realizan en torno CNC, y las series grandes de piezas se realizan en torno automático, sin embargo aún quedan muchos mecanizados que se realizan en torno paralelo donde se requiere una buena pericia y profesionalidad a los operarios que los manejan

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Posteriormente pasaron al proceso de soldadura en el cual también se diseñaron 4 refuerzos para sujetar el exterior del buje para soportar la carga del balanceo del horno de crisol

Refuerzos laterales del buje soldados

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PICO DE SANGRADO

El pico de sangrado es por donde se realiza el vaciado del metal fundido. El crisol tiene en la parte

superior, una protuberancia para facilitar el vaciado, la cual queda directamente en el canal de

sangrado.

El pico de sangrado será recubierto con misma mezcla de refractario que se va utilizar en el interior del

horno, se agregara un concreto base, de 2.5% de aguja de acero inoxidable 304.

HORNO DE BALANCEO

Pico de sangrado

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INSTALACION DE CRISOL

El crisol es un dispositivo que normalmente está hecho de grafito con cierto contenido de arcilla y que

puede soportar elementos a altas temperaturas ya sea el oro derretido o cualquier otro metal

normalmente a más de 500ºC.

Para la instalación del crisol se ubicaran 4 ladrillos refractarios de 60% de alúmina, después se colara el

material refractario y posteriormente se asentará el crisol.

A ¾ de distancia de la base hacia la superficie, se ubicarán 4 ladrillos en distintos puntos para lograr la

sujeción del crisol.

Crisol

Ladrillo refractario

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CONCRETO FIRE Cast 420

Este tipo de concreto se denomina material refractario de fraguado en frio y es preparado con una relación de magnesia y fosfato esta mezcla actúan como junta cementante y es embebida en una matriz de áridos. El tipo de árido va a ir dependiendo de la temperatura que se desee soportar así como el tamaño de grano a la utilización que se va a trabajar, por ejemplo no es lo mismo la granulometría del refractario para una canal (la cual debe de ser más densa y de grano más fino )que la requerida para un soporte (La cual se juega con los granos gruesos medios y finos para que de un esfuerzo mucho más resistente a la compresión) aun que ambas tengan la misma composición química- Introducción. La industria refractaria, cerámica y la de construcción siempre están en busca del nuevo ligante con aplicaciones diferentes y cada vez más específicos sin dejar a un lado el costo tiempo beneficio. Un ejemplo de ellos son los ligantes fosfáticos de la industria del refractario se hace hincapié en ellos porque algunos tipos logran soportar muy altas temperaturas. Las primeras temperaturas sobre la ligas de fosfato son revisadas por kingery y más tarde por cassidi. Brevemente diremos que la característica de los cementos fosfato- magnesia es juntar un acido y una base y hacer una reacción en una solución acuosa siendo la resultante de esta reacción una sal o un hidrogel. Dentro del tiempo de fraguado se produce un gel controlada por las adiciones de fosfato magnesio. Una utilización muy común del fraguado en frio son las reparaciones exprés de carreteras pistas puentes etc.

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Desarrollo. Este concreto tiene una matriz de mulcoa 60 (60% de alúmina ,35% de sílice, 1.5 % de oxido de fierro 0.8 de oxido de titanio) bauxita (86% de alúmina 0.6% de oxido de titanio 1.3% de oxido de fierro, 11% de sílice) alúmina calcinada (al 99.7%, malla 325) ortofosfato , y magnesita Aun que los áridos y la liga por separado aguantan temperaturas que oscilan entre 1400C a 1800C, este conjunto debería de soportar alrededor de 1650C por lo tanto en un estudio de laboratorio vemos que la temperatura óptima de trabajo es de 1300C por consiguiente con una curva rápida de temperatura podemos trabajar a 1690C, a esto se debe su propiedad a la relajación molecular del material , pero también dependemos de la cantidad de liquido que la pieza pueda permear, la energía interna del material y punto de esfuerzos localizados. Las mezclas fraguaron a temperatura ambiente y su tiempo de secado fue de 15 a 20 minutos formando adherencias vulcanizadas, es decir, las juntas frías que se pudieran haber formado no se originan debido a que se vulcaniza el material. Tenemos por relación molar mgo/h3po4 es igual a 2.3, usando la cantidad de agua requerida por la porosidad del aire la plasticidad de la masa cementante. Por lo tanto al añadir cemento a la mezcla la resistencia mecánica baja drásticamente y más al incrementar la temperatura, esto lo podemos explicar con un estudio de porosidad hecho por kniceck, donde se muestra que a mayor cantidad de micro porosidad, la resistencia mecánica decrece teniendo como fundamento la ley de fick de transferencia mecánica.

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El aumento de la resistencia mecánica a alta temperatura se da por la falta de relajamiento en las extensiones interna del material

VACIADO DE REFRACTARIO

TIPO DE CONCRETO

El tipo de concreto que se utilizó en el horno es de mediana alúmina, vaciado para horno de balanceo

con la facilidad de utilizar el mismo refractario en 4 zonas distintas del horno de balanceo.

Concreto aislante

Concreto refractario colado

Concreto para piso de horno

Concreto para tapa

MATERIAL DE CONCRETO BASE ES DE CONCRETO COLADO

FORMULA

CEMENTO Ca101- 70%

ALUMINA -15%

MULCO - 65% - 60 maya 4f

BAUXITA - 20% maya 200

FIBRA ORGANICA -0.1%

DEFLOCULANTE -0.1%

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COMPOSICION QUIMICA

ALO2O3 66.7% Densidad: 165 lb/ft

Mgo 4.5% Temperatura de servicio: 1520 °C

SiO2 26.9%

TiO2 1.3%

FeO2O3 0.8%

INSTRUCCIONES DE VACIADO

Para realizar la mezcla del refractario se van añadir ¾ de material en una revolvedora automática, añadir un 13% del peso en agua, mezclar por 3 minutos, vaciar el resto del material, mezclar por 2 minutos y vaciar el material lo más pronto posible. A este tipo de material se le agrega un 29% de perlita expandida para hacerlo refractario, aislante y tenemos una composición química.

AL O2 -51% Densidad: 88.7 lb/ft

Si O2 - 42.6% Temperatura de servicio: 1990 °C

Ti O2 - 1.7%

Ca O - 2.9%

Fe O2 O3 – 1.4 %

Revolvedora

automática

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FRAGUADO DE MATERIAL

Se recomienda para alta resistencia a trabajo el siguiente tratamiento termico

Tiempo de fraguado de material: 24 hrs.

Tiempo de fraguado de pico: 5 hrs.

El horno de balanceo se le realizara un T.T.

2 hrs.- 105 °C

4 hrs.- 105 °C

4 hrs.- 300 °C

4 hrs.- 300 °C

5 hrs.- 500 °C

5 hrs.- 500 °C

Al finalizar se irá bajando de 70 °C por hora hasta llegar a la temperatura ambiente.

CURVA DE FRAGUADO DE CERAMICO

500°C

300°C

105°C

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PROGRAMA DE COSTOS DE MATERIAL

DESCRIPCION COSTO

REFRACTARIO $ 6,000

MANO DE OBRA $ 13,000

MATERIA PRIMA (METALICA) $ 4,500

PINTURA $ 500

TOTAL $ 20,000

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PROGRAMA DE ENTREGA

ENERO – JUNIO 2008

ACTIVIDAD ENERO FEBRERO MARZO ABRIL MAYO JUNIO

ANALISIS DE PROYECTO

X

DISEÑO DE PROYECTO

X X

DISEÑO DE CARCAZA METALCA

X X

INGENIERIA DE DISEÑO DE CARCAZA

X X

DOCUMENTACION DE AVANCES

X

JULIO- DICIEMBRE 2008

ACTIVIDAD JULIO AGOSTO SEPTIEMBRE OCTUBRE NOVIEMBRE DICIEMBRE

DISEÑO DE CERAMICO

X

PRUEBAS DE CERAMICO

X X

INGENIERIA DE APLICACIÓN CERAMICA

X X

FINALIZAR PROCESO

CERAMICO

X

PRUEBAS X

ENTREGA FINAL X