Secretaría de Educación Pública Instituto Tecnológico de Colima VILLA DE ÁLVAREZ, COL., JUNIO DE 2011 QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO INDUSTRIAL PRESENTA: MARCOS PÉREZ GUILLERMO M.C. MIGUEL RÍOS FARÍAS D.I. JORGE MEZA JIMÉNEZ DIRECTORES: OPCIÓN I TESIS PROFESIONAL SEP Institutos Tecnológicos “MOLINO TRITURADOR DE TABLERO”
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Secretaría de Educación Pública
Instituto Tecnológico de Colima
VILLA DE ÁLVAREZ, COL., JUNIO DE 2011
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DEINGENIERO INDUSTRIAL
PRESENTA:MARCOS PÉREZ GUILLERMO
M.C. MIGUEL RÍOS FARÍASD.I. JORGE MEZA JIMÉNEZ
DIRECTORES:
OPCIÓN ITESIS PROFESIONAL
SEPInstitutos Tecnológicos
“MOLINO TRITURADORDE TABLERO”
INDICE
Pág.
Introducción
Capítulo I
Antecedentes generales 1
1.1 Historia de USG 2
1.2 Historia de USG en México 4
1.3 Justificación 7
1.4- Objetivos 7
1.4.1- Objetivo general 7
1.4.2 objetivos específicos 7
1.5 Planteamiento de Hipótesis 8
1.6 Alcances y limitaciones 8
Capítulo II
2 Situación actual 9
2.1 Planteamiento del problema 10
2.2 Diagnostico 11
Capítulo III
3 Marco teórico 13
3.1 Dibujo y Diseño en Ingeniería 14
3.2 Diseño de Maquinaria 15
3.2.1 El proceso de Diseño 16
3.2.1.1 Iteración 18
3.2.1.2 Identificación de la Necesidad 18
3.2.1.3 Investigación Preliminar 18
3.2.1.4 Planteamiento de Objetivos 19
3.2.1.5 Especificaciones de Desempeño 20
3.2.1.6 Ideación e Invención 20
3.2.1.7 Análisis 21
3.2.1.8 Selección 21
3.2.1.9 Creación de Prototipos y Pruebas 22
3.3 Molienda 24
3.3.1 Molinos 24
3.3.1.1 Molino de bolas 25
3.3.1.2 Molino de tubos 26
3.3.1.3 Molino de piedras 26
3.3.1.4 Molino de martillos 27
3.3.2 Clasificación en seco 28
3.3.3 Clasificación en húmedo 28
3.4 Equipo de molienda y trituración 29
3.4.1 Triturador de mandíbulas 29
3.4.2 Triturador de rodillos 29
3.4.3 Molino de bolas 30
3.4.4 Molino de martillos 31
3.4.5 Triturador de fresas 32
3.5 Materiales en Ingeniería 33
3.5.1 Materiales Metálicos 33
3.5.2 Aleaciones en Ingeniería 33
3.5.3 Clasificación y Propiedades Mecánicas Típicas de los Aceros al Carbono 35
3.6 Procesos de Fabricación 37
3.6.1 Soldadura 37
3.6.1.1 Procesos de Soldadura 38
3.6.2 Soldadura con Electrodo Metálico 39
3.6.3 Electrodos 41
3.6.4 Revestimiento para Electrodos 42
3.6.5 Corte con Soplete Oxiacetilénico 44
3.6.6 Máquinas para Tornear 45
3.6.6.1 Tipos de Máquinas para Tornear 46
3.6.6.2 Torno Básico 47
3.6.7 Operaciones en el Torno 48
3.6.7.1 Torneado Cilíndrico 48
3.6.7.2 Refrentado 48
3.6.7.3 Torneado de Conicidades 49
3.6.7.4 Roscado en el Torno 50
3.6.8 Procesos Especiales de Maquinado 51
3.6.8.1 Maquinado a Temperaturas Elevadas 52
3.6.8.2 Maquinado por Rayo Láser 53
3.6.9 Control Numérico 56
3.6.9.1 Torno Revolver Controlado por Cinta 56
Capítulo IV
4 Propuesta 58
4.1 Proceso de selección 59
4.1.1 Identificación de la Necesidad 59
4.1.2 Investigación Preliminar 59
4.1.3 Planteamiento de Objetivos 61
4.1.4 Especificaciones de Desempeño 61
4.1.5 Ideación e Invención 61
4.1.6 Selección 62
4.1.7 Creación de Prototipos y Pruebas 66
4.2 Fabricación de Molino Triturador 68
4.2.1 Selección de Materiales 68
4.2.2 Selección de Accesorios 69
4.2.3 Procesos de Fabricación utilizados para la elaboración del triturador 70
4.2.4 Resistencia del Tablero y del Par de Torsión Mínimo Necesario 71
4.2.5 Par de Torsión en el Molino Triturador de Tablero 80
4.2.6 Rendimiento del Molino Triturador 88
Capítulo V
5 Evaluación de la propuesta 92
Capítulo VI
6- Conclusión 96
Fuentes de información 97
Anexos 98
Glosario 103
Introducción
La titulación es la prueba de haber terminado los estudios profesionales que se
realizaron durante un periodo establecido en un centro de estudios. Es un proceso
por medio del cual se obtiene un titulo que garantiza la realización de un plan de
estudios completos, en el cual se llevaron varias asignaturas para conocer y preparar
a los alumnos otorgándoles herramientas valiosas para poderse desarrollar en el
medio laboral que existe hoy en día.
En el proyecto de titulación que se está realizando se usa la mayor cantidad de
conocimiento obtenidos durante el proceso de formación académica. En la planta
USG México se permitió desarrollar un proyecto para solucionar un problema de
desperdicio que se tiene desde el arranque de la fábrica.
En el presente trabajo se habla sobre la propuesta que se hace para poder recuperar
el material de desperdicio que se tiene en la planta USG México. Se describen los
problemas que se tiene con este material, la participación de los departamentos de la
empresa en este problema y las posibles soluciones que se tienen.
Se incluyen algunos temas relacionados con la trituración, potencia, maquinados,
materiales en ingeniería, procesos de fabricación, torque, granulometría y otros más.
El proyecto está basado en estos temas para realizar el prototipo y para tener
referencias de lo que se está desarrollando, realizando así una memoria de cálculo.
Se hace un análisis de la situación actual y de las alternativas con que se cuenta
para poder dar solución al problema. En base a este análisis se hace una propuesta
para cumplir con el objetivo que es recuperar el material desechado.
En esta propuesta se habla de un sistemas que se tienen que implementar para la
recuperación de los materiales, también se describe de forma general este sistema
para que se puedan entender mejor.
1
CAPITULO I
ANTECEDENTES
GENERALES
2
1.1 Historia de USG
1902-1917
Según los registros que se tienen en la planta USG Tecomán, “USG (United States
Gypsum Company) inicia sus operaciones en 1902 con 17 plantas, siendo en el año
1917 cuando lanza al mercado norteamericano el tablero de yeso Sheetrock. Desde
entonces el crecimiento constante de la empresa y el desarrollo de nuevo productos
y marcas han llevado a la compañía a ser el líder del mercado de materiales y
sistemas industrializados para la construcción.
1922-1931
La construcción en Estados Unidos tuvo un boom extraordinario y la compañía
creció. Se lanza al mercado Redimix, compuesto multiusos para el tratamiento de
juntas para tablaroca, sheetrock (tabla de yeso que se utiliza para fabricar muros en
oficinas edificios o casas habitación). USG construyo máquinas para fabricar los
paneles de yeso en Oklahoma (1922), Texas (1924) y comenzó el proceso Gypsum
en California en 1925.
En 1929 se introducen al mercado el yeso marca HIDROCAL y la línea de plafones
Acoustone.
1932-1941
La capacidad de producción de USG cayó un 20% en 1932. A pesar de la gran
depresión, la compañía tuvo ganancias cada año. Continuando con el desarrollo de
nuevos productos innovadores para el sector de la construcción, en 1936 se lanza al
mercado Joint Tape (perfacinta), cinta de papel reforzada, con resistencia a la
tensión, utilizada comúnmente para el junteo de tableros de yeso.
1942-1952
Siguiendo con la tecnología de vanguardia que caracteriza a USG, 1940 crea
Tablaroca W/R (resistencia al agua) y en 1952 con una nueva formulación: Firecode
(resistencia al fuego).
3
En ese mismo año, USG presento un concepto revolucionario: la construcción de una
comunidad de 6 hogares. Cada una diseñada y construida con productos de USG a
costo de mercado.
1960-1965
A partir de este año, USG ofrece al consumidor todos los elementos o productos
necesarios para considerarse como un sistema de construcción ya que lanza al
mercado el sistema metálico para bastidores, canal listón y tornillería.
En la división de yesos, se introduce el producto Imperial Plaster (YESO IMPERIAL)
e inicia la producción de plafones de la línea Auratone.
1985-1986
Debido al gran éxito del sistema de USG para interiores surge Durock como una
alternativa en construcción para exteriores y áreas expuestas a gran humedad. En
1986, USG adquiere los sistemas de suspensión Donn.
1987-2000
USG atraviesa por una época de crisis al vivir la posible venta de acciones de la
empresa, sin embargo en 1996 se recupera y en el 2000 construye 5 nuevas plantas.
2004
Con la entrada del siglo XXI, nuevos mercado y oportunidades se presenta para
expansión e innovación de USG.
Con el futuro a través del internet, comercio electrónico, nuevas sociedades y
mercados emergentes, USG continuara creciendo y liderando la industria de los
materiales de construcción.
Actualmente
USG es la marca más confiable por su calidad y funcionamiento acústico y contra el
fuego, desde hace ya casi 100 años. El espíritu de innovación de la empresa nos
4
permitirá conservar nuestra reputación ahora que la industria de la construcción está
ingresando en el siglo XXI y USG inicia su segundo siglo de existencia.
1.2 Historia de USG en México
USG MEXICO, S.A. DE C.V. / Yeso Panamericano, S.A. de C.V., se fundó en México
en 1965 como una empresa subsidiaria de USG. Con el tiempo se consolido como la
empresa líder en tecnología y con mayor participación de mercado en el ámbito de la
construcción de la República Mexicana.
Con plantas manufactureras, ubicadas en Puebla, Monterrey y Saltillo, así como un
puerto de embarque en Manzanillo, Colima, USG elabora distintos sistemas
constructivos líderes para el mercado de la construcción.
El éxito de USG México se basa en el apoyo de investigación y desarrollo de
productos que efectúa el centro de investigación USG, para proporcionar al cliente la
mejor calidad del mundo y una innovación constante para mantener su vanguardia
tecnológica. USG MEXICO, cuenta con una red de distribuidores autorizados en la
República Mexicana, para hacer llegar sus productos a empresas constructoras,
arquitectos, decoradores y contratistas para edificar el México de hoy.
Los clientes cuentan con una doble garantía: la del fabricante, en lo que se refiere al
cumplimiento de las respectivas normas de calidad de sus productos y la del
distribuidor, en cuanto a las especificaciones de instalación.
1969
Yeso Panamericano inicia sus operaciones en México con el nombre de CIKSA como
empresa subsidiaria de Káiser Gypsum Company, Inc., con el objetivo de contribuir al
desarrollo de la industria de la construcción y del diseño arquitectónico, lanzando al
mercado nacional un material de fácil manejo y de gran resistencia que sustituirá a
los procedimientos tradicionales constructivos y brindaría gran flexibilidad y ligereza.
A este innovador producto se le registro desde entonces como Tablaroca.
5
Con este sistema la industria de la construcción logra un avance técnico
extraordinario, por lo que se inaugura la primera planta para tableros de yeso
Tablaroca y otra más para fabricar plafones reticulares.
Las primeras obras más representativas que se llevaron a cabo fueron los hoteles
Holiday Inn y Prinnces en Acapulco, Guerrero; considerando más de 50,000 m2 de
Tablaroca instaladas. Se sigue avanzando con paso firme, demostrando que el
producto tiene características inmejorables.
Para ese entonces el Yeso Panamericano incursiona en el medio de la construcción
desarrollando aplicaciones para muros interiores, plafones y brindando la alternativa
de sistemas de plafones reticulares.
1980
Se inicia en México el sistema para casas Ypsacero, con el propósito de promover la
vivienda industrializada y demostrar la versatilidad de los sistemas de Tablaroca y
del tiempo de producción.
1984
Se construye el edificio para oficinas administrativas de PEMEX, utilizando 72,000
m2 de plafón Acoustone y 24,000 de Tablaroca para muros interiores y
recubrimientos de su estructura metálica. En este mismo año, se edificó la torre de
oficinas administrativas de Mexicana de Aviación, en la cual se emplearon tableros
de yeso tablaroca así como plafones Acoustone.
1990
Se introducen en el mercado nacional las Suspensiones Donn, Tablacemento
Durock y la línea de plafones Auratone.
1993
Se lleva a cabo la primera obra arquitectónica en la cual se emplea el tablero de
6
cemento DUROCK para la fachada de Suburbia, ubicada en la calle de Holbein,
colonia Noche Buena en el D.F. En este proyecto se instalaron 4,000 m2 de Durock.
1994
Dentro del desarrollo comercial Centro Santa Fe, se construye Liverpool utilizando
para su fachada 7,000 m2 de tablacemento Durock.
A partir de entonces, los sistemas de construcción para Tablaroca, Durock y
Plafones USG han estado presentes en la construcción de un sinnúmero de
proyectos arquitectónicos, por ejemplo en el Hotel Nikko, el Hospital 20 de
Noviembre del ISSSTE, Hospital Ángeles, Nafinsa, Oficinas Reforma Insurgentes,
Oficinas de Banamex en Santa Fe, Televisa Santa Fe, y Fondo de Cultura
Económica entre otros inmuebles ubicados en la ciudad de México, D.F.
1998
La empresa crece con la adquisición de YINSA.
2000
En estados unidos se construyen 5 plantas, mientras que en México también se
decide construir una planta en Monterrey para producir Tablaroca.
2001
Yeso Panamericano cambia su razón social por USG MEXICO.
2004
USG cumple 35 años en el mercado mexicano y actualmente cuenta con una amplia
red de distribuidores que abastecen el mercado.
2006
USG se consolida como líder en el mercado, siendo la empresa de mayores ventas
en el ramo.”
7
1.3 Justificación
En el proceso de producción de tablaroca en la planta USG Tecomán, actualmente
se genera desperdicio de producto en diversas etapas del proceso tales como; en la
etapa de mezcla, en el área de formación, en el área de secado, en las maniobras de
almacenamiento de producto terminado y en la maniobra de carga o embarque para
el envió del producto terminado. Por esta razón la empresa pretende recuperar por lo
menos un 80% de producto para hacer el proceso más productivo.
Una alternativa para solucionar este problema es fabricar un molino que triture el
producto para después integrarlo al proceso de producción.
1.4 Objetivos
1.4.1 Objetivo General
Diseñar y fabricar un prototipo para triturar tablaroca húmeda y tablaroca seca
1.4.2 Objetivos Específicos
Desarrollar el prototipo de una máquina para triturar tabla de desperdicio a
una granulometría de por lo menos ½” de diámetro.
Utilizar materiales reciclados para la construcción del prototipo.
Probar el prototipo 5 horas de trabajo.
Montar el prototipo como un nuevo proceso de producción.
8
1.5 Planteamiento de Hipótesis
Si se diseña y fabrica un molino a base de fresadoras que triture el producto cuando
mucho a ½”, entonces; se recupera el producto que actualmente es de desperdicio y
el proceso se hace más eficiente.
1.6 Alcances y limitaciones
1.6.1 Alcances
El prototipo desarrollado es para resolver el problema del desperdicio de producto
terminado que actualmente se genera en diferentes etapas del proceso de
producción de tablaroca.
1.6.2 Limitaciones
El tiempo de ejecución del proyecto.
Disponibilidad de recursos económicos.
Disponibilidad de personal de apoyo por parte de la empresa.
Recopilación de información.
9
CAPITULO II
SITUACION ACTUAL
10
2.1 Planteamiento del problema
En la planta USG Tecomán, actualmente se presenta un problema de desperdicio de
producto terminado del 1% aproximadamente de tablaroca.
Esta situación impacta en los costos de producción, baja el nivel de productividad y a
la vez genera un área de oportunidad para mejorar el proceso.
En la tabla 2.1-A se presentan los diversos productos que se fabrican actualmente en
la planta USG Tecomán.
.
Producto Dimensiones
TABLAROCA 3/8” x 1.22m x 2.44m
1/2” x 1.22m x 2.44m
1/2" x 1.22m x 3.05m
1/2" x 1.22m x 3.66m
WATER RESISTANT 1/2" x 1.22m x 2.44m
5/8” x 1.22 m x 2.44m
FIRECODE TIPO X 5/8" x 1.22m x 2.44m
5/8” x 1.22 m x 3.05m
FIRECODE TIPO C 1/2" x 1.22m x 2.44m
5/8” x 1.22m x 3.05m
W/R FIRECODE 1/2" x 1.22m x 2.44m
5/8” x 1.22m x 2.44m
SHEATING 1/2" x 1.22m x 2.44m
NUCLEO YESO FIRECODE 1” x 1.22m x 2.44m
Tabla 2.1-A. Productos fabricados actualmente en la planta USG Tecomán
11
2.2 Diagnostico
Actualmente se tiene un desperdicio del 1% de la producción total. Este desperdicio
se clasifica en dos tipos: desperdicio húmedo (Figura 2.2-1) y desperdicio seco
(Figura 2.2-2), esto depende del tiempo transcurrido después que se clasifico como
desperdicio. Esto es un problema para la empresa porque se ve afectada
económicamente.
El departamento de producción tiene que reponer el producto que se clasifico como
desperdicio para cumplir con el requerimiento de tabla por semana, esto es un gasto
porque su requerimiento de roca (yeso) aumenta, así como los demás insumos que
contiene la formula. Otro punto que afecta al departamento de producción es que
tiene que pagar para la consignación de este material y además gastos por pago a
servicios ambientales.
Figura 2.2-1. Tablero de desecho húmedo.
12
Este problema también afecta a la empresa en su imagen, ya que es una cantidad de
desperdicio considerable. Debido al estatus de la empresa es importante lograr la
recuperación del material desperdiciado y así demostrar que se tiene un proceso de
calidad confiable.
Figura 2.2-2. Tablero de desecho seco.
13
CAPITULO III
MARCO TEORICO
14
Para la realización de este proyecto se recurrió al conocimiento de varias disciplinas
de ingeniería como son: Dibujo en Ingeniería, Diseño de Maquinaria, Diseño
Mecánico, Materiales en Ingeniería y Procesos de Manufactura. Se apoyó en cada
una de ellas para obtener un proyecto más confiable y funcional.
3.1 Dibujo y Diseño en Ingeniera
[Jensen, 2004], “El termino dibujo asistido por computadora (CAD, computer-aided
drawing) se refiere a una familia de tecnologías basadas en computadoras que se
usan para crear, analizar y optimizar el diseño en la ingeniería. Normalmente los
programas CAD proporcionan una interface gráfica de usuario que permite introducir
y manipular objetos geométricos en 2 y 3 dimensiones, crear dibujos de ingeniería,
hacer análisis básicos en ingeniería como el cálculo de las propiedades de masa, y
visualizar piezas individuales y ensambles complejos.
El desarrollo de los sistemas CAD industriales empezó en la década de los años
sesenta, cuando las empresas de la industria automotriz y aeroespacial empezaron a
usar sistemas grandes con computadoras centrales. Este desarrollo continuo en la
década de los años setenta con la introducción de terminales graficas de
computadoras interactivas, y programas que habían evolucionado a partir de otros
más simples para dibujo 2-D a sistemas más complejos para geometría en 3-D. En
los años ochenta, con la introducción de computadoras personales más potentes
basadas en procesadores Intel, empresas pequeñas y medianas pudieron adquirir y
usar los nuevos sistemas CAD. En la década de los años noventa se desarrollaron
paquetes CAD más avanzados para 3-D que usaban modelado sólido y superficies
NURBS (superficie B racional no uniforme). La integración del CAD a la ingeniería y
a la manufactura fue enormemente favorable por el desarrollo de las redes de alta
velocidad y de internet.
Al mismo tiempo que se desarrollaba CAD también lo hizo la manufactura asistida
por computadora (CAM, computer-aided manufacturing) y la ingeniería asistida por
15
computadora (CAE, computer-aided engineering). El acrónimo CAD se asocia con
frecuencia con CAM (CAD/CAM) para indicar la estrecha relación entre dibujo y
manufactura. En los años noventa se empezó a usar la manufactura integrada por
computadora (CIM, computer-integrated manufacturing) y la ingeniería coincidente
como un reflejo del avance en redes y en tecnología de la comunicación.
Es muy importante que los miembros de un equipo de diseño de ingeniería tengan la
habilidad de trabajar de manera cooperativa en un ambiente organizado y
estructurado. Los grupos que trabajan en un mismo diseño o manufactura de
ingeniería pueden estar en distintos departamentos, plantas, pises o aun continentes.
El software de CAD permite el rápido intercambio de información sobre diseño o
manufactura sin importar donde se encuentren los miembros del equipo. Esta visión
global y el equipo de trabajo que requiere son características clave de la manufactura
y el diseño en el siglo XXl”.
3.2 Diseño de maquinaria
[Norton, 2005], “Un mecanismo es un dispositivo que transforma el movimiento en un
patrón deseable, y que por lo general desarrolla fuerzas muy bajas y transmite poca
potencia. Una máquina, en general, contiene mecanismos que están diseñados para
producir y transmitir fuerzas significativas. Algunos ejemplos comunes de
mecanismos pueden ser un sacapuntas, un obturador de cámara fotográfica, un reloj
análogo, una silla plegable, una lámpara de escritorio ajustable y un paraguas.
Algunos ejemplos de máquinas que poseen movimientos similares a los mecanismos
antes mencionados son un procesador de alimentos, la puerta de la bóveda de un
banco, la transmisión de un automóvil, una niveladora, un robot y un juego mecánico
de un parque de diversiones. No existe una clara línea divisora entre mecanismos y
máquinas. Difieren en un grado y no en su clase. Si las fuerzas o niveles de energía
en el dispositivo son significativos, se considera como una maquina; si no es así,
será considerado como un mecanismo. Una definición útil de trabajo de un
mecanismo es un sistema de elementos acomodados para transmitir movimiento de
16
una forma predeterminada. Esta puede ser convertida en una definición de una
maquina si se le agregan las palabras y energía después de la palabra movimiento.
Los mecanismos, si se cargan en exceso y funcionan a bajas velocidades, en
ocasiones se pueden tratar de manera estricta como dispositivos cinemáticos; es
decir, se pueden analizar cinematicamente sin considerar las fuerzas. Las maquinas
(y mecanismos que funcionan a altas velocidades), por otra parte, primero deben
tratarse como mecanismos, sus velocidades y aceleraciones analizadas
cinematicamente y, posteriormente, como sistemas dinámicos en los que sus fuerzas
estáticas y dinámicas producidas por esas aceleraciones son analizadas mediante
principios de cinética”.
3.2.1 El proceso de diseño
Diseño, invención, creatividad
[Norton, 2005], “Estos son términos conocidos pero tienen diferentes significados
para diferentes personas. Pueden englobar un sinnúmero de actividades: el diseño
de la ropa más moderna, la creación de obras arquitectónicas impresionantes, o la
ingeniería de una máquina para la fabricación de toallas faciales. El diseño de
ingeniería, el que aquí concierne, comprende estas tres actividades y muchas otras.
La palabra diseño se deriva del latín designare, que significa “diseñar” o “marcar”. El
diseño de ingeniería se ha definido como “el proceso de aplicar las diversas técnicas
y principios científicos con el propósito de definir un dispositivo, un proceso o un
sistema con suficientes detalles que permitan su realización. El diseño puede ser
simple o muy complejo, fácil o difícil, matemático o no matemático; puede implicar un
problema trivial o uno de gran importancia”. El diseño es un constituyente universal
de la práctica de ingeniería. No obstante, la complejidad de la materia por lo general
requiere que el estudiante disponga de un conjunto de problemas estructurados,
paso a paso ideados para esclarecer un concepto o conceptos particulares
relacionados con el tema particular. Los problemas de los libros de texto en general
adoptan la forma de “dados A, B, C y D, encuentre E”. Desafortunadamente, los
17
problemas de ingeniería en la vida real casi nunca están estructurados de esa
manera. Con frecuencia, en la realidad adoptan la forma de: “Lo que se necesita es
un artefacto para insertar este artificio en el orificio dentro del tiempo asignado para
la transferencia de este otro cachivache.” El ingeniero novel buscara en vano en sus
libros de texto una guía para resolver semejante problema. Este problema no
estructurado por lo general conduce a lo que comúnmente se llama “síndrome de
papel en blanco”. Con frecuencia los ingenieros se encuentran con el problema de la
hoja de papel en blanco, cavilando sobre la manera de resolver un problema mal
definido como ese.
Mucha de la educación de ingeniera se ocupa de temas de análisis, lo que significa
descomponer, desarmar, descomponer en sus partes constituyentes. Esto es muy
necesario. El ingeniero debe saber cómo analizar sistemas de varios tipos,
mecánicos, eléctricos, térmicos o fluidos. El análisis requiere un complejo
conocimiento tanto de las técnicas matemáticas apropiadas, como de la física
fundamental de la función del sistema. Pero, antes de que cualquier sistema pueda
ser analizado, debe existir, y una hoja de papel en blanco proporciona poca
sustancia para el análisis. Así, el primer paso en cualquier ejercicio de diseño de
ingeniería es el de síntesis, que significa conjuntar.
El ingeniero de diseño, en la práctica, sin importar la disciplina, continuamente
enfrenta el reto de estructurar problemas no estructurados. De manera invariable, el
problema tal como es planteado al ingeniero está mal definido e incompleto. Antes de
que se intente analizar la situación primero se debe definir con cuidado el problema,
mediante un método preliminar de ingeniería, para garantizar que cualquier solución
propuesta resolverá correctamente el problema. Existen muchos ejemplos de
excelentes soluciones de ingeniería que al final fueron rechazadas porque resolvían
el problema de manera incorrecta, es decir, no resolvían el problema que el cliente
realmente tenia.
Se ha investigado ampliamente la definición de varios “procesos de diseño” tratando
18
de proporcionar los medios para estructurar un problema no estructurado y obtener
una solución viable. Algunos de estos procesos presentan docenas de pasos, otros
solo unos cuantos.
3.2.1.1 Iteración
Antes de discutir cada uno de estos pasos a detalle es necesario señalar que este no
es un proceso en el que se procede del paso uno al diez de un modo lineal. En su
lugar, por su naturaleza, es un proceso iterativo en el cual se avanza de manera
vacilante, dos pasos hacia delante y uno hacia atrás. Es inherentemente circular.
Iterar significa repetir, regresar a un estado previo. Si, por ejemplo, lo que parece ser
gran idea, al analizarla, resulta que viola la segunda ley de la termodinámica, ¡se
puede regresar al paso de ideación y buscar otra mejor! O, si es necesario, regresar
a uno de los primeros pasos en el proceso, quizás a la investigación de fondo y
aprender más sobre el problema.
3.2.1.2 Identificación de la necesidad
Este primer paso es realizado por alguien, jefe o cliente, al decir: “Lo que se necesita
es…” Por lo general este enunciado será breve y sin detalles. Estará muy lejos de
proporcionarle un planteamiento estructurado del problema. Por ejemplo, el
enunciado del problema podría ser: “Se necesita una mejor podadora de pasto.”
3.2.1.3 Investigación preliminar
Esta es la fase más importante del proceso, y desafortunadamente con mucha
frecuencia la más ignorada. El termino investigación, utilizado en este contexto, no
debe conjurar visiones de científicos de bata blanca mezclando sustancias en
probetas. Más bien es una investigación más mundana, que reúne información de
fondo sobre la física, química u otros aspectos pertinentes del problema. Además, es
pertinente indagar si este, o un problema similar, ya ha sido resuelto con
19
anterioridad. No tiene caso reinventar la rueda. Si tiene suerte suficiente de encontrar
en el mercado una solución ya obtenida, sin duda será más económica de adquirir
que crear una solución propia. Es muy probable que este no sea el caso, pero puede
aprender mucho sobre el problema investigando el “arte” existente asociado con
tecnologías y productos similares. Muchas compañías adquieren, desarman y
analizan los productos de sus competidores, un proceso en ocasiones conocido
como “benchmarking”.
Es muy importante dedicar tiempo y energía suficiente en esta fase de investigación
y preparación del proceso para evitar la turbación de encontrar una gran solución al
problema equivocado. La mayoría de los ingenieros no experimentados (y algunos
experimentados) prestan poca atención a esta fase y pasan con demasiada rapidez a
la etapa de ideación e invención del proceso. ¡Esto debe evitarse! Hay que
disciplinarse y no tratar de resolver el problema antes de estar perfectamente
preparado para hacerlo.
3.2.1.4 Planteamiento de objetivos
Una vez que se entiende por completo el antecedente del problema como
originalmente se planteó se estará listo para replantearlo en forma de enunciado de
objetivos más coherentes. Este nuevo enunciado del problema deberá tener tres
características. Deberá ser conciso, general e incoloro en cuanto a expresiones que
predigan una solución. Deberá ser expresado en términos de visualización funcional,
lo que significa visualizar su función, en lugar de cualquier incorporación particular.
Por ejemplo, si el enunciado original de la necesidad fue “Diseñar una mejor
podadora de pasto” después de que por años se han investigado mil formas de cortar
el pasto, el ingeniero docto podría replantear el objetivo como “Diseñar un medio de
cortar el pasto”. El enunciado original del problema contiene una trampa incorporada
en la forma de las palabras coloridas “podadora de césped”. Para la mayoría de las
personas, esta frase les creara una visión de algo con aspas zumbadoras y un motor
ruidoso. Para que la fase de ideación sea más exitosa, es necesario evitar tales
20
imágenes y cortar el césped. La mayoría de ellas no se le ocurrirían en caso de que
le pidieran 10 diseños mejores de podadora de césped. ¡Debe utilizar visualización
funcional para evitar la limitación innecesaria de su creatividad!
3.2.1.5 Especificaciones de desempeño
Cuando se entiende el antecedente y se plantea el objetivo con claridad, se está listo
para formular un conjunto de especificaciones de desempeño. Estas no deberán ser
especificaciones de diseño. La diferencia es que las especificaciones de desempeño
definen lo que el sistema debe hacer, mientras que las especificaciones de diseño
definen como debe hacerse. En esta etapa del proceso de diseño no es prudente
intentar especificar cómo se tiene que lograr el objetivo. Esto se deja para la fase de
ideación. El propósito de las especificaciones de desempeño es definir y limitar con
cuidado el problema de modo que pueda ser resuelto y se puede mostrar lo que se
resolvió después del hecho.
En suma, las especificaciones de desempeño sirven para definir el problema de una
manera tan completa y general como sea posible, y como una definición contractual
de lo que se tiene que lograr. El diseño acabado puede ser probado en cuanto
cumpla con las especificaciones.
3.2.1.6 Ideación e invención
Este paso está lleno tanto de diversión como de frustración. Esta fase es
potencialmente la más satisfactoria para la mayoría de los diseñadores, pero también
la más difícil. Se ha realizado una gran cantidad de investigación para explorar el
fenómeno de “creatividad”. Esta es, y la mayoría está de acuerdo, una cualidad
humana. Ciertamente es una actividad exhibida en alto grado por todos los niños. La
velocidad y grado de desarrollo que ocurre en el ser humano desde su nacimiento a
lo largo de los primeros años de vida requiere algo de creatividad innata. Algunos
han alegado que los métodos de la educación occidental tienden a asfixiar la
21
creatividad natural de los niños al promover la conformidad y restringir la
individualidad. Desde “colorear dentro de líneas” en el jardín de niños hasta imitar los
patrones de escritura de libros de texto en grados posteriores, se suprime la
individualidad a favor de una conformidad socializante. Esto quizá sea necesario
para evitar la anarquía, pero tiene el efecto de reducir la habilidad del individuo para
pensar de manera creativa. Algunos afirman que la creatividad puede ser enseñada,
otros dicen que es heredada. No existen evidencias concretas de una u otra teoría.
Probablemente es cierto que la creatividad que se pierde o suprime puede ser
reavivada. Otros estudios sugieren que la mayoría subutiliza sus habilidades
creativas potenciales. Se puede mejorar su creatividad mediante varias técnicas.
3.2.1.7 Análisis
Una vez que en esta etapa se ha estructurado el problema, por lo menos
temporalmente, ahora se pueden aplicar técnicas de análisis más complejas para
examinar el desempeño del diseño en la fase de análisis del proceso de diseño.
(Algunos de estos métodos de análisis se analizaran en detalle en los capítulos
siguientes.) Se requiere más iteración conforme el análisis ponga de manifiesto
algunos problemas. Se deben repetir tantos pasos iniciales del proceso de diseño
como sea necesario para garantizar su éxito.
3.2.1.8 Selección
Cuando el análisis técnico indica que se tienen algunos diseños potencialmente
factibles, se debe seleccionar el mejor disponible para un diseño detallado, creación
de prototipo y pruebas. El proceso de selección casi siempre implica un análisis
comparativo de las soluciones de diseño disponibles. En ocasiones una matriz de
decisión ayuda a identificar la mejor solución al forzarlo a considerar varios factores
de manera sistemática. Cada diseño ocupa una fila en la matriz. A las columnas se
les asignan categorías en las que los diseños tienen que ser evaluados, tales como
costo, facilidad de uso, eficiencia, desempeño, confiabilidad y cualquier otra que
22
considere apropiada para el problema particular. Luego, a cada categoría se le
asigna un factor de ponderación, el cual mide su importancia relativa. Por ejemplo, la
confiabilidad puede ser un criterio más importante para el usuario que el costo, o
viceversa. Como ingeniero de diseño tiene que ejercer un juicio en cuanto a la
selección y ponderación de estas categorías. Posteriormente, el cuerpo de la matriz
se llena con números que clasifican cada diseño en una escala conveniente, tal
como del 1 al 10, en cada una de las categorías. Hay que observar que es una
clasificación subjetiva. Se deben examinar los diseños y decidir la calificación de
cada uno. Luego, las calificaciones se multiplican por los factores de ponderación
(los que en general son elegidos de modo que sumen a un número conveniente tal
como 1) y los productos sumados para cada diseño. Las calificaciones ponderadas
reciben una clasificación de diseños. Hay que ser precavido al aplicar estos
resultados y ¡tener presente el origen y subjetividad de las calificaciones y de los
factores de ponderación! Casi siempre existe la tentación de tener más fe en estos
resultados que la justificada. Después de todo, ¡se ven impresionantes! ¡Incluso
pueden ocupar varios lugares decimales! (pero no deben). El valor real de una matriz
de decisión es que descompone el problema en piezas más tratables y obliga a
pensar en el valor relativo de cada diseño en muchas categorías. Luego puede tomar
una decisión más informada en lo que se refiere al “mejor” diseño.
3.2.1.9 Creación de prototipos y pruebas
Modelos. Por último, se puede verificar la corrección o factibilidad de cualquier
diseño hasta que esté construido y probado. Esto por lo general implica la
construcción de un modelo físico del prototipo. Un modelo matemático, si bien es
muy útil, nunca puede ser una representación completa y precisa del sistema físico
real como un modelo físico, por la necesidad de simplificar las suposiciones. Los
prototipos a menudo son muy caros, pero pueden ser la forma más económica de
probar un diseño, sin tener que construir el dispositivo real de tamaño natural.
Pueden adoptar muchas formas, desde modelos a escala de trabajo, hasta
representaciones de tamaño natural, pero simplificadas, del concepto. Los modelos a
23
escala conllevan a sus propias complicaciones con respecto a la representación a la
escala apropiada de los paramentos físicos. Por ejemplo, el volumen del material
varía con el cubo de las dimensiones lineales, pero la superficie varia con el
cuadrado. La transferencia de calor al ambiente puede ser proporcional al área
superficial, mientras que la generación de calor puede ser proporcional al volumen.
Así pues, la representación a escala de un sistema, hacia arriba o hacia abajo, puede
conducir a un comportamiento diferente de aquel del sistema a escala completa. Se
debe tener cuidado al representar a escala modelos físicos. Cuando se comience a
diseñar mecanismos articulados se verá que un modelo de cartón simple con
eslabones de su elección, acoplados con mariposas como pivotes, puede decir
mucho sobre la calidad y carácter de los mecanismos del movimiento. Deberá
adquirir el hábito de elaborar modelos articulados simples en todos sus diseños de
eslabonamiento.
Las pruebas. Del modelo o prototipo pueden variar desde simplemente accionarlo y
observa su funcionamiento, hasta fijar instrumentos suficientes para medir con
precisión sus desplazamientos, velocidades, aceleraciones, fuerzas, temperaturas y
otros parámetros. Puede que se requieran pruebas en condiciones ambientales
controladas tales como alta o baja temperatura o humedad. La microcomputadora ha
hecho posible medir muchos fenómenos con precisión y a más bajo costo de lo que
se podría hacer antes”.
En el diseño y fabricación de molinos es necesario utilizar estos conocimientos antes
mencionados, para la elaboración de molinos eficientes, con las características
deseables. También es preciso profundizar en otras disciplinas del campo de la
ingeniería para complementar y tener diseños óptimos de máquinas.
A continuación se describe el concepto de molienda, algunos tipos de molinos que se
utilizan en la industria para el procesamiento y transformación de materiales y el
proceso de calcificación.
24
3.3 Molienda
[Alcántara, 2008], “La molienda es una operación unitaria, que reduce el volumen
promedio de las partículas de una muestra sólida, la reducción se lleva a cabo
dividiendo o fraccionando la muestra por medios mecánicos hasta el tamaño
deseado. Los métodos de reducción más empleados en las máquinas de molienda
son compresión, impacto, frotamiento de cizalla y cortado.
La operación de molienda se realiza en varias etapas y se han diseñado una
variedad de tipos de molinos:
La primera etapa consiste en fraccionar sólidos de gran tamaño. Para ello se utilizan
los trituradores o molinos primarios. Los más utilizados son: el de martillos, muy
común en la industria cementera y el de mandíbulas”.
3.3.1 Molinos
[Alcántara, 2008], “La molienda es la última etapa del proceso de conminución, en
esta etapa las partículas se reducen de tamaño por una combinación de impacto y
abrasión, ya sea en seco o como una suspensión en agua, también llamado pulpa.
La molienda se realiza en molinos de forma cilíndrica que giran alrededor de su eje
horizontal y que contienen una carga de cuerpos sueltos de molienda conocidos
como “medios de molienda”, los cuales están libres para moverse a medida que el
molino gira produciendo la conminución de las partículas de mena.
En el proceso de molienda partículas de 5 a 250 mm son reducidas en tamaño a 10-
300 micrones, aproximadamente, dependiendo del tipo de operación que se realice.
El propósito de la operación de molienda es ejercer un control estrecho en el
tamaño del producto y, por esta razón frecuentemente se dice que una molienda
correcta es la clave de una buena recuperación de la especie útil.
25
3.3.1.1 Molino de bolas
Los molinos de bolas (Figura 3.3.1.1-1), de piedras, de varillas, de tubos y de
compartimientos tienen una capa cónica o cilíndrica que gira sobre un eje horizontal
y se cargan con un medio de molienda, por ejemplo, bolas de acero, pedernal o
porcelana, o bien, con varillas de acero. El molino de bolas difiere del de tubo en que
es de longitud más corta y por regla general, dicha longitud no es muy distinta a su
diámetro. La alimentación a los molinos de bolas puede ser de 2.5 a 4cm (1 a 1 1/2
in) para materiales muy frágiles, aunque por lo general el tamaño máximo es de 1.3
cm (1/2 in). La mayor parte de los molinos de bolas operan con una razón de
reducción de 20 a 200:1. El tamaño usual de las bolas más grandes es de 13 cm (5
in) de diámetro.
Figura 3.3.1.1-1. Esquema de un molino de bolas.
26
3.3.1.2 El molino de tubo
El molino de tubo es largo en comparación con tu diámetro, utiliza bolas de mayor
tamaño y da un producto más fino. El molino de compartimientos que es una
combinación de los dos tipos anteriores, consiste en un cilindro dividido en una o
más secciones por medio de divisiones perforadas; la molienda preliminar se realiza
en uno de los extremos y la de acabado, en el extremo de descarga. Estos molinos
tienen una razón de longitud o diámetro superior a 2 y operan con una razón de
reducción hasta de 600:1. Los molinos de varillas o de vástago generan un producto
granular más uniforme que otros molino giratorios, reduciendo el mínimo con ello el
porcentaje de finos que en ocasiones constituyen una desventaja.
3.3.1.3 El molino de piedras
Es un molino de tubo con piedras de pedernal o cerámica como medio de molienda,
que pueden estar recubiertos con capas cerámicas u otros materiales no metálicos.
El molino de piedra (Figura 3.3.1.3-1) y roca es de tipo autógeno en el que el medio
consiste en grumos de mayor tamaño que tienen un cribado preliminar en una etapa
precedente del diagrama de flujo de molienda.
Figura 3.3.1.3-1. Molino de piedras.
27
3.3.1.4 Molino de martillos
Estos molinos que sirven para pulverizar y desintegrar, funcionan a altas
velocidades. El eje del rotor puede ser vertical u horizontal, aunque predomina esta
última modalidad. El eje sostiene a los martillos, llamados a veces agitadores, y
pueden ser elementos en forma de T, de estribo, barras o anillos fijos o pivotados al
eje o a los discos fijos que van sobre el eje. El rotor funciona dentro de un recipiente
que contiene placas o revestimientos de molienda. El especio abierto que se
conserva entre los revestimientos y el rotor es importante con respecto a la finura del
producto. La acción de molienda resulta de los impactos y la fricción entre los grumos
o partículas del material alimentado, la cubierta y los elementos de la molienda. La
finura del producto se regula cambiando la velocidad del rotor, la velocidad de
alimentación o la abertura entre los martillos y la placa de molienda, así como
cambiando la cantidad y el tipo de martillos utilizados y el tamaño de las aberturas de
descarga, ver Figura 3.3.1.4-1.
Figura 3.3.1.4-1. Molino de martillos.
28
La descarga por criba o rejilla de un molino de martillos sirve como clasificador
interno, pero su área limitada no permite un aprovechamiento eficaz cuando se
requieren aberturas pequeñas. Para satisfacer las especificaciones críticas del
tamaño máximo en la gama intermedia, el molino de martillos puede operarse en
circuito cerrado con cribas exteriores de mayor área que la que podría emplearse
dentro del molino propiamente dicho. En tal caso, la criba de descarga de este
cuenta con aberturas mayores para retener el material de tamaño excesivo dentro de
la zona de molienda.
3.3.2 Clasificación en seco
Las cribas en seco se utilizan primordialmente en circuitos de trituradores, ya que
son más eficaces a niveles de malla 4, aunque en ocasiones se emplean hasta de
malla 35.
La mayor parte de los circuitos de molienda en seco utilizan clasificadores de aire.
Hay varias clases, pero todos ellos emplean los principios del arrastre por aire y la
inercia de las partículas, que dependen del tamaño de las mismas. El tipo más
simple de clasificador de aire es el elutriador. La eficiencia de la separación aumenta
con la cantidad de elementos y estos dispositivos son eficaces en la gama de mallas
30-80.
3.3.3 Clasificación en húmedo
La molienda por vía húmeda en circuito cerrado es la regla en lo que respecta a
operaciones a gran escala, debido a su mayor producción y economía. El calcificado
en húmedo más sencillo es el depósito de asentamiento que se construye de tal
modo que los finos no tienen tiempo para asentarse, y son arrastrados en tanto que
el producto más grueso se dirige al punto de descarga central”.
29
3.4 Equipos de molienda y trituración.
Según Blandón, Hace un análisis de los equipos para la reducción del tamaño y
habla de varios equipos como son: el triturador de mandíbulas, triturador de rodillos,
molino de bolas y molino de martillos. En seguida se incluye una descripción de cada
uno de estos equipos para ver la diferencia que existe entre ellos y las diferentes
aplicaciones de cada uno.
3.4.1 En el Triturador de Mandíbulas
[Blandón, http://slbn.files.wordpress.com...], “La alimentación se recibe entre las
mandíbulas que forman una "V" (Figura 3.4.1-1). Una de las mandíbulas es fija, y la
otra choca contra ella triturando la muestra por aplastamiento.
Figura 3.4.1-1. Esquema de un triturador de mandíbulas.
3.4.2 El Triturador de Rodillos
Está formado por dos rodillos iguales que giran en sentidos contrarios y la trituración
se realiza por abrasión (Figura 3.4.2-1). Añadiendo material por la tolva de entrada,
se tritura a su paso por entre los rodillos y se recoge en la parte inferior en un
depósito adecuado.
30
Figura 3.4.2-1. Esquema de un triturador de rodillos.
3.4.3 Molino de Bolas
Está constituido por un recipiente (de tamaño variable y de distintos materiales)
relleno de bolas de un determinado diámetro (Figura 3.4.3-1). Se pueden conseguir
tamaños de partícula menores de una micra partiendo de partículas de 10-50 mm. En
la Figura 3.4.3-2 se puede ver una vista lateral del molino de bolas y de cómo actúan
los elementos moledores sobre el material.
Figura 3.4.3-1. Molino de bolas.
31
Figura 3.4.3-2. Vista lateral del molino de bolas.
3.4.4 Molino de Martillos
Se utilizan para pocas cantidades de materia y no muy dura (Figura 3.4.4-1). El
triturador gira a gran velocidad y muele las partículas de material hasta reducirlas a
polvo. Puede seleccionarse el fino obtenido con un juego de rejillas de distintas
mallas.”
Figura 3.4.4-1. Molino de martillos.
32
3.4.5 Triturador de fresas
La acción de corte de la trituradora se produce mediante una serie de elementos
cortantes que al cruzarse trituran al producto (Figura 3.4.5-1). Las fresas montadas
sobre dos ejes motores contra giratorios realizan un corte en el material.
Figura 3.4.5-1. Triturador de fresas.
En la elaboración de maquinaria, en este caso molinos, es necesario utilizar
materiales adecuados que puedan resistir las condiciones de trabajo y permitan a la
maquina operar de manera eficiente y constante sin causar problemas. Estos
materiales se eligen mediante un proceso de selección y estudio, dependiendo de las
condiciones de trabajo se hacen los cálculos correspondientes para esta selección.
La Ingeniería de Materiales nos ayuda a realizar esta selección de acuerdo al tipo de
maquinaria y trabajo.
33
3.5 Materiales en Ingeniería
3.5.1 Materiales metálicos
[F. Smith, 1998], “Estos materiales son sustancias inorgánicas que están formadas
por uno o más elementos metálicos y pueden contener también algunos elementos
no metálicos. Ejemplos de elementos metálicos son: hierro, cobre, aluminio, níquel y
titanio. Elementos no metálicos que pueden estar contenidos en los materiales
metálicos son: carbono, nitrógeno y oxígeno. Los metales tienen una estructura
cristalina en la que los átomos están dispuestos de una manera ordenada. Los
metales son en general buenos conductores térmicos y eléctricos. Muchos metales
tienen relativamente alta resistencia mecánica y son dúctiles a temperatura
ambiente, y algunos tienen elevada resistencia mecánica y son dúctiles a
temperatura ambiente, y algunos tienen elevada resistencia incluso a altas
temperaturas.
Los metales y aleaciones se dividen normalmente en dos grupos: metales y
aleaciones ferrosas, que contienen un gran porcentaje de hierro tales como aceros y
hierros fundidos, y aleaciones y metales no ferrosos, que no contienen hierro o
contienen cantidades relativamente pequeñas de hierro. Ejemplos de metales no
ferrosos son aluminio, cobre, cinc, titanio y níquel”.
3.5.2 Aleaciones en ingeniería
[F. Smith, 1998], “Los metales y aleaciones poseen muchas propiedades útiles en
ingeniería, por lo que presentan gran aplicación en los diseños de ingeniería. El
hierro y sus aleaciones (principalmente el acero) suponen aproximadamente el
noventa por ciento de la producción mundial de metales, fundamentalmente por la
combinación de buena resistencia, tenacidad y ductilidad a un coste relativamente
bajo. Cada material tiene propiedades especiales para su uso en diseños de
34
ingeniería y su elección resulta del análisis comparativo de costes con otros metales
y materiales.
Las aleaciones basadas en el hierro se denominan aleaciones ferrosas, y las que se
basan en los demás metales aleaciones no ferrosas.
La mayoría del hierro se extrae de los minerales de hierro en altos hornos de gran
tamaño. En el alto horno, el monóxido de carbono obtenido a partir del coque
(carbón) actúa como un agente reductor para reducir los óxidos de hierro para
producir arrabio bruto que contiene aproximadamente un 4% de carbono junto con
algunas impurezas, de acuerdo con la reacción característica:
El arrabio de alto horno se transfiere normalmente en estado líquido a un horno de
fabricación de acero.
Los aceros ordinarios al carbono son esencialmente aleaciones de hierro y carbono
con un contenido de hasta aproximadamente un 1.2% de carbono. La mayoría del
acero se obtiene mediante oxidación del carbón y otras impurezas del arrabio hasta
que el contenido de carbono del hierro se reduce al nivel requerido.
El proceso más utilizado habitualmente para convertir el arrabio en acero es el
soplado con oxígeno y medio básico. En este proceso, el arrabio y hasta un 30% de
chatarra de acero se cargan en un convertidor en forma de túnel revestido de
material refractario, en el que se inserta una bala de oxígeno. El oxígeno puro de la
bala reacciona con el arrabio líquido para formar óxido de hierro. Seguidamente, el
carbono del acero reacciona con el óxido de hierro para formar monóxido de
carbono.
35
Inmediatamente antes del comienzo de la reacción con oxígeno, se adicionan en
cantidades controladas fundentes formadores de escoria (principalmente cal). En
este proceso, el contenido en carbono se puede reducir drásticamente en
(aproximadamente) 22 minutos, al tiempo que se consigue una reducción en la
concentración de impurezas como azufre y fosforo.
El acero fundido procedente del convertidor se vierte, bien en moldes estacionarios o
de modo continuo, en grandes bloques rectangulares de los que se cortan
periódicamente grandes secciones. Hoy, aproximadamente el 63% del acero crudo
producido en Estados Unidos se moldea de modo continuo y este porcentaje se
espera que se incremente en los próximos años. Después de la colada, los lingotes
se calientan en un horno de termodifusión o se laminan en caliente en planchas,
palanquillas y tochos o palancones. Más tarde, las planchas se laminan en frio y en
caliente hasta obtener láminas y chapas de acero. Las palanquillas se laminan en frio
y en caliente para obtener barras, varillas y alambres; mientras que los tochos o
palancones son laminados en formas tales como vigas y raíles.
3.5.3 Clasificación y propiedades mecánicas típicas de los aceros al carbono
Los aceros al carbono reciben comúnmente su designación de acuerdo con un
código AISI-SAE de cuatro cifras. Los dos primeros dígitos son 10 e indican que el
acero es un acero ordinario al carbono. Los dos últimos dígitos indican el contenido
de carbono nominal del acero en centésimas relativas al porcentaje. Por ejemplo, el
número 1030 del código AISI-SAE para un acero indica que el acero es al carbono y
que contiene un 0.30% C nominal. Todos los aceros al carbono contienen
manganeso como elemento aleante para aumentar la resistencia. El contenido en
manganeso de la mayoría de los aceros al carbono varía entre el 0.30 y el 0.95%.
Los aceros al carbono también contienen impurezas de azufre, fosforo, silicio y otros
elementos.
En la tabla 3.5.3-A se muestran las propiedades mecánicas típicas de algunos tipos
36
de aceros al carbono del tipo AISI-SAE. Los aceros al carbono de muy bajo
contenido en carbono tienen resistencias relativamente bajas aunque presentan
ductilidades muy altas. Estos aceros se utilizan para fabricar laminas destinadas a
aplicaciones de conformado, tales como guardabarros y paneles para automóviles. A
medida que el contenido en carbono de los aceros aumenta, estos se hacen cada
vez más resistentes; pero menos dúctiles. Los aceros con contenido medio en
carbono (1020-1040) se emplean para ejes y engranajes. Los aceros de alto
contenido en carbono (1060-1095) se utilizan, por ejemplo, para las ballestas,
portamatrices, cuchillas y hojas de tijera”
Composición
Numero química
Resistencia Resistencia
AISI-SAE % en peso
a la tracción a la fluencia Elongación
de aleación C Mn Tratamiento ksi Mpa ksi Mpa (%) Aplicaciones típicas
1010 0.10 0.40 Laminado en caliente 40-60 276-414 26-45
179-310
28-47 Planchas y flejes para trefilado, cables, clavos, tornillos, bielas, barras para reforzamiento de hormigón.
Laminado en frio 42-58 200-400
23-38
159-262
30-45
1020 0.20 0.45 Recién laminado 65 448 48 331 36 Chapas de acero y secciones estructurales, ejes, engranajes.
recocido 57 393 43 297 36
1040 0.40 0.45 Recién laminado 90 621 60 414 25 Ejes, clavos, tuberías de alta resistencia a la tracción, engranajes.
Recocido 75 517 51 352 30
Revenido 116 800 86 593 20
1060 0.60 0.65 Recién laminado 118 814 70 483 17 Alambres para resortes, troqueles de forja, ruedas de ferrocarril.
Recocido 91 628 54 483 22
Revenido 160 110 113 780 13
1080 0.80 0.80 Recién laminado 140 967 85 586 12 Alambres para música, resortes helicoidales, troqueles de forja, cinceles.
Recocido 89 614 54 373 25
Revenido 189 1304 142 980 12
1095 0.95 0.40 Recién laminado 140 966 83 573 9 Troqueles, cuchillas, cizallas, hojas de tijeras, cables de alta resistencia a la tracción.
Recocido 95 655 55 379 13
Revenido 183 1263 118 814 10
Fuente: Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de Materiales, Tercera edición, Smith, William, 1998.
Templado y revenido a 315º C (600ºF).
Tabla 3.5.3-A. Propiedades mecánicas típicas y aplicaciones de los aceros de carbono
37
Una vez que se han seleccionado los materiales para la construcción del molino,
sigue la elección de procesos para la fabricación. Hoy en día existe una gran
variedad de procesos que se pueden utilizar para la fabricación y se tiene que elegir
los adecuados, esto depende del grado de exactitud, tipo de materiales y condiciones
de trabajo. En seguida se describen algunos de los procesos que se utilizan para la
elaboración de maquinaria.
3.6 Procesos de fabricación
3.6.1 Soldadura
[Amstead, 2004], “El uso de las soldaduras blanda, fuerte y por forja, es un arte
antiguo, posiblemente desde hace 3 000 años. En 1903 Thomas A. Edison, uno de
los primeros gigantes del desarrollo de la soldadura, emitió una patente para la
deposición electrolítica de níquel entre placas calientes en una atmosfera de
hidrogeno. Henry Ford, que contribuyo en los métodos de producción en soldadura,
muestra en su planta a Thomas Edison una soldadura operada manualmente para
soldar a tope por chisporroteo.
La soldadura es un proceso de ensamble de metales en el que la coalescencia se
obtiene por calor y/o presión. También se puede definir como una liga metalúrgica
efectuada por fuerzas de atracción entre átomos. Antes que estos átomos se puedan
unir, deben eliminarse los vapores absorbidos y los óxidos de las superficies en
contacto. Si se aplica una fuerza entre las dos superficies metálicas lisas a unir,
algunos cristales de fragmentaran a lo largo de las superficies y se mantendrán en
contacto. En tanto se aplique más presión, estas áreas aumentan y se efectúan otros
contactos. Siendo quebradiza la capa de óxido, esta se rompe y fragmenta conforme
el metal se deforma plásticamente. La coalescencia se obtiene cuando los límites
entre las dos superficies con planos cristalinos. El rompimiento o eliminación de las
capas de óxido en la superficie es fundamentalmente lo que sucede cuando se
efectúa una soldadura.
38
Si se añade temperatura a la presión, se facilitara la soldadura de las dos superficies,
y la coalescencia se obtendrá de la misma manera que para la soldadura por presión
en frio. Conforme se incrementa la temperatura, la ductilidad del metal de base
aumenta y la difusión atómica progresa más rápidamente. Los materiales no
metálicos entre las superficies interfaciales se ablandan, permitiendo esta
circunstancia eliminarlos o romperlos por el flujo plástico de los materiales de base.
Las soldaduras con presión y calor se hacen con mayor eficiencia, pero no son
necesariamente más resistentes si la unión átomo - átomo es las misma. Se han
desarrollado diversos procesos de soldadura que difieren ampliamente en el modo
de aplicar el calor y en el equipo usado. Estos procesos son:
3.6.1.1 Procesos de soldadura
ll. Soldadura por forja
A. Manual B. Maquina
1. Por laminado
2. Con martinete
3. Con matriz
l. Soldadura fuerte
A. Soplete D. Resistencia
B. Horno E. Inmersión
C. Inducción F. Infrarrojo
lV. Soldadura por resistencia
A. De puntos D. A tope
B. De costura E. Chisporroteo
C. De resaltes F. Percusión
lll. Soldadura con gas
A. Aire – acetileno C. Oxihidrogeno
B. Oxiacetileno D. Bajo presión
V. Soldadura por inducción
A. Alta frecuencia
Vl. Soldadura por arco
A. Electrodo de carbón
1. Protegido
2. No protegido
B. Electrodo metálico
1. Protegido
a. Arco protegido
b. Arco por puntos
c. Hidrogeno atómico
d. Gas inerte
e. arco sumergido
f. De espárragos
g. Electroescoria
2. No protegidos
a). Metal desnudo
b). De esparragos
Vll. Haz de electrones
lX. Soldadura por fricción
X. Soldadura aluminotérmica
A. Bajo presión
B. Sin presión
Xl. Soldadura por vaciado
Vlll. Soldadura por laser
Xll. Soldadura en frio
A. Bajo presión
B. Por ultrasonido
XIII. Soldadura por explosion
39
Para efectuar la soldadura, algunos de estos procesos requieren de martillado,
laminado o presión; otros llevan al metal a un estado líquido y no requiere presión.
Los procesos que usan presión requieren usualmente que las superficies del metal
sean elevadas a la temperatura suficiente para que se produzca la cohesión. Esta es
generalmente una temperatura de subfusión, pero si se alcanza la temperatura de
fusión, el metal derretido debe ser confinado por el metal solido adyacente. La
mayoría de soldaduras se efectúan a la temperatura de fusión y requieren la adición
de metal de aporte en alguna forma, también se realizan soldaduras por vaciado
cuando el metal se calienta a alta temperatura y se vacía en una cavidad entre las
dos piezas a unir.
En cualquier tipo de soldadura, la coalescencia mejora con la limpieza de las
superficies a soldar. Los óxidos superficiales se deben eliminar ya que tienden a
quedar atrapados en el metal en solidificación. Frecuentemente se utilizan fundentes
para eliminar los óxidos en escorias fusibles que flotan en el metal fundido,
protegiéndolo así de la contaminación atmosférica. En la soldadura por arco
eléctrico, el electrodo está revestido de fundente, mientras que en la soldadura por
gas y forja se usan en forma de polvo. En otros procesos, se crea una atmosfera
antioxidante en el momento en que se está efectuando la soldadura. Como se
produce oxidación rápidamente a altas temperaturas, la rapidez en la soldadura es
importante.
3.6.2 Soldadura con electrodo metálico
Poco después del desarrollo de la soldadura por electrodo de carbón, se descubrió
que, por medio del uso de un electrodo de metal con características de corriente
adecuadas, se podría derretir el electrodo por sí mismo para proporcional el metal de
soldadura necesario. En 1889 Charles Coffin emitió una patente básica para este
proceso que actualmente está en uso general. Se inicia un arco tocando a la pieza
con un electrodo y retirándolo rápidamente una corta distancia. Algunos nuevos
diseños de electrodos de metal en polvo implican una técnica de rastrilleo con el
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revestimiento moviéndose ligeramente sobre la pieza. En ambos casos, conforme el
extremo del electrodo se está derritiendo por el calor intenso, la mayor parte del
mismo se transfiere a través del arco en forma de pequeñas gotas hacia el charco de
fusión. Se pierde una pequeña cantidad por volatilización, y algunas gotas se
depositan a lo largo de la soldadura en forma de salpicaduras. El arco se mantiene al
mover uniformemente el electrodo hacia la pieza en una proporción que compense la
porción que se ha fundido y transferido a la soldadura. Al mismo tiempo el electrodo
se mueve gradualmente a lo largo de la junta.
Para la soldadura ordinaria hay poca diferencia en la calidad de la soldadura
realizada por el equipo de cd y de ca, pero la polaridad produce una gran variación
en la calidad de la soldadura. Las máquinas de ca constan principalmente de
transformadores estáticos que son simples piezas de un equipo que carecen de
partes móviles. Su eficiencia es elevada; la perdida sin descarga es despreciable; y
su mantenimiento y costos iniciales son bajos. Se construyen maquinas soldadoras
de este tipo en seis años tamaños especificados por NEMA, y se clasifican como de
150, 200, 300, 500, 750 y 1000 A. Para la soldadura manual que requiere de 200 A o
más, se prefiere un equipo de ca. El hecho de que hay menos relampagueo
magnético del arco o “explosión de arco” con un equipo ca que con uno cd es
importante en la soldadura de placas gruesas o soldadura biselada. La mayoría de
los metales no ferrosos y muchas de las aleaciones no se pueden soldar con un
equipo de ca, ya que no se han desarrollado los electrodos para este propósito.
La velocidad y facilidad de la soldadura, con máquinas soldadoras de ca y cd son
comparativamente iguales; sin embargo, para placas gruesas que usan varillas de
diámetro grande, la ca es más rápida. Las máquinas de corriente directa se pueden
usar con todo tipo de electrodos de carbón y de metal, puesto que se puede cambiar
la polaridad para adaptarla al electrodo. Con la soldadura de ca la corriente alterna
se está invirtiendo con cada ciclo y habrá de seleccionarse los electrodos que
operaran en ambas polaridades. Las soldaduras de corriente alterna operan con
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voltajes ligeramente más altos, y por lo tanto, el peligro de descarga para el operador
es mayor.
3.6.3 Electrodos
Los tres tipos de electrodos de metal (o varillas) son; desnudo, revestimiento de
fundente y grueso. El uso de los electrodos desnudos está limitado para la soldadura
de hierro forjado y acero medio. Generalmente se recomienda polaridad directa. Se
pueden efectuar mejores soldaduras con la aplicación de un revestimiento ligero de
fundente en las carillas por medio de un proceso de lavado o polvoreado. El fundente
contribuye tanto en la eliminación de óxidos indeseables como en la prevención de
su formación. Sin embargo, los electrodos de arco con revestimiento grueso son los
más importantes y los que más se emplean en todo tipo de soldaduras comerciales.
Del total de la soldadura manual que se hace actualmente, más de un 95% se hace
con electrodos revestidos.
Figura 3.6.3-1. Dibujo esquemático de la flama de arco.
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La figura 3.6.3-1 es un diagrama esquemático que muestra la acción de un arco con
electrodo densamente revestido. En un arco ordinario con alambre desnudo, el metal
depositado se afecta en algún modo por el oxígeno y nitrógeno del aire. Esto causa
la formación de óxidos y nitritos indeseables en el metal de soldadura. El propósito
de los electrodos con revestimiento grueso es el de proporcionar una protección de
gas alrededor del arco para eliminar tales condiciones y también, de cubrir el metal
de soldadura con una capa de escoria protectora que previene la oxidación del metal
superficial durante el enfriamiento. Las soldaduras efectuadas con varillas de este
tipo tienen características físicas superiores.
3.6.4 Revestimiento para electrodos
Los electrodos revestidos con materiales fundentes o escorificadores son
particularmente necesarios en las soldaduras de aleaciones y de metales no
ferrosos. Algunos de los elementos en estas aleaciones no son muy estables y se
pierden si no hay protección contra la oxidación. Los revestimientos densos permiten
también el uso de varillas para soldadura más grandes, corrientes más altas, y
velocidades de soldadura mayores. En resumen, los revestimientos desarrollan las
siguientes funciones:
1. Proporcionar una atmosfera protectora.
2. Proporcionar una escoria de características adecuadas para proteger el metal
fundido.
3. Facilitar las soldaduras de posición y de sobre cabeza.
4. Estabilizar el arco.
5. Añadir elementos de aleación al metal de soldadura.
6. Desarrollar operaciones de refinamiento metalúrgico.
7. Reducir las salpicaduras del metal de soldadura.
8. Aumentar la eficiencia de deposición.
9. Eliminar las impurezas y óxidos.
10. Influir en la profundidad de penetración del arco.
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11. Influir en la forma de cordón.
12. Disminuir la velocidad de enfriamiento de la soldadura.
13. Suministrar metal de soldadura, del metal en polvo del revestimiento.
Estas funciones no son comunes a todos los electrodos revestidos, puesto que el
revestimiento aplicado a un electrodo dado esta ampliamente determinado por la
clase de soldadura que se tiene que desarrollar. Es interesante notar que la
composición del revestimiento, es también un factor determinante en la polaridad del
electrodo. Variando el revestimiento, las varillas se pueden usar para ambas
polaridades.
Las composiciones para revestimientos se pueden clasificar como orgánicas e
inorgánicas, aunque en algunos casos se podrían usar ambos tipos. Los
revestimientos inorgánicos se pueden subdividir en compuestos fundentes y
compuesto con formaciones de escoria. Estos con algunos de los principales
compuestos empleados:
1. Componentes de formación de escoria: , y . Y algunas veces se
emplea , pero hace al arco menos estable.
2. Componentes para mejorar las características del arco: , , y
.
3. Componentes desoxidantes: grafito, aluminio y aserrín.
4. Materiales de enlace: silicato de sodio, silicato de potasio y asbestos.
5. Componentes de aleación para mejorar la resistencia de la soldadura: