01-CAPITULO 01
FUNDICIN Y COLADA
CAPTULO11.1. Definicin1.2.Conceptos de colada1.3.Clculo del
tiempo de llenado y de solidificacin1.4. Clculo de mazarotas1.5.
Clculo de moldes1.6.Clculo de la presin de trabajo1.7.Clculo de la
resistencia de una aleacin de zamac1.8. Clculo de la energa
calorfica en un proceso de colada1.1. DEFINICINEl proceso de colada
permite obtener piezas o lingotes, slidos, a partir del metal
lquido, el cual hemos conseguido por procesos extractivos y de
afino sobre sus minerales.Constituye un proceso principal de
cabecera que suministra tanto piezas con su ltima forma definitiva,
como lingotes que constituyen la materia prima para otros procesos,
como la laminacin, o como la obtencin de polvos para
Pulvimetalurga.El proceso de colada consiste simplemente en llenar
un molde con el material fluido, el cual toma la forma del molde al
solidificar.Los procesos de colada permiten obtener piezas con
formas diversas y complejas en todo tipo de materiales metlicos,
cermicos y polimricos.1.2. CONCEPTOS DE COLADA Colabilidad.
Propiedad que mide la capacidad de alcanzar los puntos alejados de
la alimentacin del molde. Contraccin. Diferencia entre las
dimensiones del molde y de la pieza colada una vez fra. Esto es
debido a la contraccin de la masa lquida durante el enfriamiento, a
la contraccin durante el cambio de lquido a slido y a la contraccin
que experimenta la masa solidificada durante el enfriamiento.
Energa calorfica que se debe aportar al material en el proceso de
colada. Ser la suma del calor para elevar la temperatura desde la
temperatura ambiente hasta la temperatura de fusin, ms el calor de
fusin ms la temperatura para elevarlo desde la temperatura de fusin
hasta la de vaciado.H = V [Cs (Tm To) + Hf + Cl (Tp Tm)]donde H =
calor total requerido; = densidad (g/cm3); Cs = calor especfico en
peso para el mate- rial slido (J/g C); Cl = calor especfico en peso
para el material lquido (J/g C); To = tempera- tura ambiente (C);
Tm = temperatura de fusin (C); Tp = temperatura de vaciado (C), y V
= volumen (cm3). Eutctica. Aleacin de composicin y temperatura de
fusin definidas. Funde a menor temperatu- ra que la de los slidos
que la forman. Se define por el equilibrio. Liq Sol1 + Sol2. Ley de
continuidad. Establece que la velocidad volumtrica del flujo
permanece constante a travs del lquido.Q = v1 A1 = v2 A2donde Q =
velocidad de flujo volumtrico o caudal (cm3/s); v = velocidad de un
punto de la masa lquida (cm/s), y A = rea de una seccin transversal
del lquido. Mazarota. Depsito de metal fundido, caliente, destinado
a alimentar el molde y llenar las cavida- des de contraccin
originadas en la solidificacin. Modelo. Pieza de madera u otro
material, de la misma forma que la pieza que se desea obtener, con
dimensiones ligeramente superiores, para compensar la contraccin
del metal despus de colado. Molde. Cavidad o hueco que reproduce la
forma exterior de la pieza que se va a colar. Regla de Chvorinov.
Indica que el tiempo total de solidificacin de la fundicin despus
del vacia- do depende del tamao y forma de la pieza. Segn la
relacin:V nA )donde TST es el tiempo de solidificacin total; V, el
volumen de la fundicin; A, rea superficial de la fundicin; n, un
exponte que toma el valor 2 generalmente, y Cm, la constante del
molde. Teorema de Bernouilli. Establece que la suma de las energas
(altura, presin dinmica, energa cin- tica y presin) en dos puntos
cualesquiera de un lquido que fluye son iguales.1 2 P2 2h1 + + + F1
= h2 + + + F2g g2g
g g 2gdonde h = altura (cm); P = presin en el lquido (N/cm2); r
= densidad (g/cm3); v = velocidad de flujo (cm/s); g = constante de
aceleracin de la gravedad (981 cm/s2) y F = prdidas de carga debi-
do a la friccin (cm). Tiempo requerido para llenar el molde:V MFT =
Qdonde V es el volumen de la cavidad; Q, la velocidad volumtrica de
flujo, y MFT, el tiempo de lle- nado. Zamac. Aleacin de Zn y
Al.Fundicin y colada 31.3. CLCULO DEL TIEMPO DE LLENADO Y DE
SOLIDIFICACINProblema 1.1 1Se pretende obtener una pieza cilndrica
de volumen 1.000 cm3, en un molde de arena en el cual se ha diseado
un bebe- dero de colada de 5 cm de longitud y una seccin de 1 cm2,
tal y como muestra laFigura 1.1. 2a) Cul es el tiempo mnimo
requeri- do (ausencia de fricciones) para el llenado de la pieza?b)
Cul es el tiempo de solidificacin 10de la pieza, considerando una
cons- tante cm = 0,46 min/cm2 y n = 2?
v = 1.000 cm3
Figura 1.1SolucinPLANTEAMIENTOEl objetivo del problema es
determinar el tiempo de llenado y solidificacin en el proceso de
colada de una pieza.1. Tiempo mnimo requerido para el
llenadoPrimeramente calcularemos la velocidad del flujo en el
bebedero de colada. Aplicando el teorema de Bernouilli entre el
punto 1 y 2 de la Figura 1.1, prescindiendo de las prdidas por
friccin y trabajan- do a presin atmosfrica tendremos:2 21 2h1 + =
h2 + 2g2gsiendo v1 la velocidad en la parte superior del bebedero y
v2 en la base del bebedero. Y tomandoh2 = 0.vh1 = v2 = )2gh2gv2 =
)2 981 5 = 99,05 cm/sAplicando la ley de continuidad, calcularemos
la velocidad del flujo volumtrico:Q = v A = 99,05 (cm/s) 1 cm2 =
99,05 cm3/sEl tiempo requerido para llenar la cavidad de 1.000 cm3
es:V 1.000 cm3MTF = = = 10,1 sQ 99,05 cm3/s2.Tiempo de
solidificacin de la piezaV nello necesitaremos conocer el rea y
volumen de la pieza cilndrica.u D hV = 1.000 cm3 = D = 11,28 cm (r
= 5,64 cm)4
A ) ; paraPara el rea consideraremos dos veces las superficies
circulares y el permetro por la altura, as:A = 2 u r h + 2 u r 2 =
354,49 + 19,86 = 554,35 cm2Sustituyendo en la regla de
Chvorinov:1.000 cm3554,35 cm = 1,5 minutos tardar en
solidificar.1.4. CLCULO DE MAZAROTASProblema 1.2Para el problema
anterior, calclese cul sera la dimensin y forma de una mazarota,
para evitar los posi- bles defectos si sta no existiera.Solucin
PLANTEAMIENTO Consideraciones previas: El metal en la mazarota ha
de permanecer en fase lquida ms tiempo que el de la fundicin; por
lo tanto: TSTmazarota > 1,5 minutos. El metal que permanezca en
la mazarota es un metal de desperdicio, el cual ha de extraerse,
refun-dirse y utilizarse en fundiciones posteriores; por lo tanto,
la forma geomtrica de la mazarota ha de intentar maximizar la
relacin entre el volumen y el rea, lo que tiende a reducir el
volumen de la mazarota al mximo. Utilizaremos el mismo valor de la
constante ya que tanto la fundicin como la mazarota estn en el
mismo molde.1. Clculo de las dimensionesTomaremos el tiempo de
solidificacin en la mazarota un 20% mayor que en el molde.TST = 1,5
min 1,2 = 1,8 minComo la fundicin y la mazarota estn en el mismo
molde: Cm = 0,46; n = 2.V n V 2V V u r 2 h
A )r h = 1,978 = 2 ; = = AA2 u r 2 + 2u r h
2 r + 2 hSabiendo que D = h o D/h = 1, relacin que implica mximo
volumen en mnima superficie(2r = h)r h = 2 r h = 4 (r + h)2. Forma
de la mazarotaLa de la Figura 1.2.
2 r
+ 2 hr (2 r) = 4 (r + 2 r)2 r2 = 12 rr = 0r = 6 cm h = 12 cm12
cm12 cmFigura 1.2Problema 1.3Se pretende disear una mazarota de
forma esfrica, 2 para un molde de fundicin de acero, con forma rec-
tangular, cuyas medidas son: longitud, 200 mm; anchura, 100 mm, y
espesor, 20 mm (Figura 1.3).Ensayos previos nos permiten conocer el
tiempode solidificacin: 4 minutos.20Cul debe de ser el radio de la
mazarota para que el tiem-po de solidificacin supere en al menos el
30% el de la placa metlica?
0Figura 1.3SolucinPLANTEAMIENTOPrimeramente calcularemos la
constante Cm (min/cm2), y n = 2V nA )Calculemos el volumen de la
placa: V = 20 10 2 = 400 cm3.Calculemos el rea de la placa: A = 2
(20 10) + 2 (20 2) + 2 (10 2) = 520 cm2.400 2520 )
Cm = 6,76 min/cm2Con ello, como el molde es el mismo,
utilizaremos la misma Cm. Calculemos el nuevo TST: TST = 1,3 4 =
5,2 minutos.4u r3Volumen de la esfera = ;rea de la esfera = 4u
r234u r35,2 = 6,76 5,2 = 6,76 { 3 ) 0,77 = {
2 r = 2,63 cm o D = 5,26 cm4u r2 3 )1.5. CLCULO DE
MOLDESProblema 1.4Queremos obtener un cubo de 100 cm de lado
mediante un molde de arena, abierto a la superficie. Con- siderando
la reduccin del nivel causada por la contraccin del lquido durante
el enfriamiento, la reduc- cin de altura causada por la contraccin
por solidificacin, y la contraccin trmica del slido, calclese el
lado del molde necesario para obtener estos 100 cm de lado, siendo
el material para la fundicin el alu-
minio.SolucinPLANTEAMIENTODebemos tener en cuenta la Tabla 1.1 que
indica las contracciones que sufren los metales de fundi- cin en el
lquido, en el cambio de fase y en el enfriamiento del slido; de
esta manera, podremos cal- cular la sobredimensin del molde.Tabla
1.1Contraccin metal lquidoContraccin por solidificacinContraccin
trmica del slido
Al0,5%7,0%5,6%
Cu0,5%4,5%7,5%
1. Determinacin del tamao del moldeA la vista de la tabla
anterior, el volumen final ser:V = l 3 0,995 0,93 0,944 = (100
cm)3Contraccin metal lquido
Contraccin por solidificacin
Contraccin trmica slido1.000.000l 3= l = 104,61 cm de lado, lo
que, con las contracciones, nos proporcionael cubo de 100 100 100
cm.2. Determinacin del tamao del molde si existiera una mazorta que
proporcionara el aluminio fundidoSlo tendramos que tener en cuenta
la contraccin trmica del slido, as:l 3 9,944 = (100 cm)3 l = 101,94
cm
1.6. CLCULO DE LA PRESIN DE TRABAJOProblema 1.5En una empresa,
se estn realizando mejoras en la calidad del producto. Se sabe que
reduciendo el tama- o de los poros la calidad de las piezas
aumentara. El tamao de los poros est ligado directamente con la
presin de trabajo (vase la Figura 1.4).Si se est trabajando con
presiones de 3 Mpa, cunto tendramos que aumentar sta para reducir
los poros en un 20%?543D = 2,4087o 1,10332100510152025Presin
MpaFigura 1.4SolucinPLANTEAMIENTOHaremos uso de la grfica de la
Figura 1.4 que relaciona la presin a aplicar con el tamao de poro
deseado.1.Determinacin del tamao del moldeEl dimetro de los poros
actualmente es:D = 2,41 31,1033 = 0,72 mmEl tamao de los poros que
estamos buscando ser:D = 0,72 0,8 = 0,576 mm2. Clculo de la presin
a aplicarLuego la presin a la que debemos trabajar ser:0,576 = 2,41
o1,10330,2390 = o1,1033ln o = 1,2972 o = 3,66 Mpa (debemos aumentar
la presin en un 22%)1.7. CLCULO DE LA RESISTENCIA DE UNA ALEACIN DE
ZAMACProblema 1.6Queremos disear una biela de zamac. Los ensayos
previos a la realizacin del diseo mostraron el gr- fico anexo
(Figura 1.5), en el que se relaciona la resistencia a rotura y el
espesor de zamac conforme al modelo R = 220 + 135 e1,864 (donde R
representa la resistencia a rotura, y e el espesor de la pieza).Se
proponen dos diseos diferentes, diseo 1 y diseo 2, con un espesor
de 1,2 mm y 1,5 mm, res- pectivamente, y la misma longitud. Cul ser
la variacin en porcentaje de la fuerza mxima que sopor- ta cada uno
de los diseos?360340320300280260240220200
1,01,2
1,4
1,61,82,02,2Espesor (mm)Figura 1.5SolucinPLANTEAMIENTOHaremos
uso de la grfica de la Figura 1.5 que relaciona la resistencia con
el espesor de la pieza.1. Clculo de la fuerza para cada diseoEn el
diseo 1 (espesor 1,2), tendremos una resistencia a la ruptura:R =
220 + 135 (1,2)1,864 = 316,1 N/mm2Como R = F (N)/A(mm), tenemos que
F1 = 316,1 (N/mm2) 1,2 (mm2) = 379,32 N. En el diseo 2 (espesor 1,5
mm), tendremos una resistencia a la ruptura:R = 220 + 135
(1,5)1,864 = 283,40 N/mm2F2 = 283,40 1,5 = 425,1 N2. La variacin de
la fuerza mximaF2 F1
425,1 379,32 100 = 100 = 10,76%F2 425,1Es el aumento de la
fuerza en el diseo 2 frente al diseo 1.1.8. CLCULO DE LA ENERGA
CALORFICA EN UN PROCESO DE COLADAProblema 1.7Determnese la energa
necesaria para llevar una carga de una aleacin eutctica de
aluminio-silicio has- ta 50 C por encima de su temperatura de
fusin, a partir de los datos siguientes: Masa de la carga
........................................................ 500 kg
Temperatura ambiente
................................................20 C Temperatura de
fusin ............................................... 574 C Calor
latente de fusin ...............................................93
cal/gramo Calor especfico en estado slido
.............................. 0,23 cal/gramo C Calor especfico en
estado lquido ............................. 0,28 cal/gramo C
Densidad en estado slido .........................................
2,7 g/cm3Determnese el coste energtico por kg para la fusin,
sabiendo que el sistema funciona con energa de combustibles
derivados del petrleo de poder calorfico 9.000 kcal/kg, y de precio
0,75 /kg, siendo el rendimiento del proceso (calor equivalente
aportado a la carga/calor total suministrado en la combus- tin) del
30%.SolucinPLANTEAMIENTOPrimero, determinaremos la energa calorfica
que se debe aportar al material en el proceso de la cola- da.
Despus, calcularemos la cantidad de combustible para este aporte
calorfico. Finalmente, halla- remos el importe por kilogramo de
combustible.1. Clculo del aporte calorficoH = g V [Cs (Tm To) + Hf
+ Cl (Tp Tm)]H = 500 103 (0,23 cal/g C) (574 20) + 93 cal/g + 0,28
(624 574) = 117.210.000 calH = 117.210 kcal117.210Como slo se
aprovecha el 30% tenemos: H = kcal = 390.700 kcal0,32.Clculo de la
cantidad de combustible necesaria390.700 kcalCombustible = = 43,41
kg9.000 kcal/kg3.Costo energtico
Precio = 43,41 kg 0,75 /kg = 32,56 Precio por kilogramo de
masa:
32,56 = 0,0651 /kg500 kgv
v
P
1
2
v
v
2
)
{
r
0,995 0,993 0,944
Dimetro de poros (mm)
R (N/mm2)