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Universidad Nacional Autónoma de México. Facultad de Química. Departamento de Ingeniería Metalúrgica. Fundición Enseñanza Experimental. Practica 3. Alimentadores.

Hernández Carrillo Diana Ixchel.

Objetivos:    

Determinar las dimensiones de un alimentador de acuerdo con el método de (Adams y Taylor) y Chorinov. Identificar el tipo de alimentador que se utilizó. Determinar la diferencia entre ambos métodos. Determinar si funciono el alimentador.

Introducción: En las fundiciones en general existe una variedad de defectos que afectan a la producción de piezas, dentro de los más conocidos están los rechupes y para evitar estos defectos se han implementado sistemas de alimentación que proporcionan a una pieza de una parte adicional donde el defecto ocurra sin afectar a la pieza original. Así mismo es importante que la colada sea continua tanto afuera como adentro de la pieza, para que la solidificación sea lo más homogénea posible en cuanto a velocidad de enfriamiento se refiere, no la morfología de grano, y para eso se debe diseñar un buen sistema de alimentación y colada, para que el fluido corra sin problemas y de manera laminar y así llenar por completo la pieza sin contingencias en el molde de arena. Como se mencionó un sistema de alimentación correctamente construido debe asegurar un buen IIenado del molde en el proceso de su solidificación; contribuir a la obtención de una pieza de dimensiones exactas, sin defectos superficiales (atascamientos, oquedades, inclusiones de escoria y otros) y una solidificación dirigida de la pieza; además que el gasto de metal para el sistema de alimentación debe ser mínimo. Un sistema de alimentación debe cumplir los siguientes criterios: Criterio térmico: El alimentador y el cuello deben solidificar después de la pieza, con el fin de suministrar el metal líquido a la pieza para compensar la contracción Criterio volumétrico: La cantidad de metal que puede suministrar el alimentador debe ser igual o mayor a la que necesita la pieza para llenar su volumen de contracción. Criterio del radio de acción: El sistema de alimentación debe ser capaz de extender su acción a toda la longitud de la pieza. Para cumplir el criterio térmico se utiliza un factor denominado módulo geométrico, el cual se define como la relación entre el volumen de la pieza y el área disipadora de calor el cual se vera más adelante. Un alimentador es un recipiente (reservorio) de metal líquido cuya función es evitar que se efectué el rechupe o contracción en la pieza.

Tal rechupe se traslada al alimentador, quedando de esta forma la pieza sin rechupe. El rechupe no se puede evitar o suprimir, solamente se traslada al alimentador, en otras palabras, el alimentador tiene dos rechupes: el de la pieza y el del alimentador. (ver figura1).

Figura1. Rechupe trasladado al alimentador y concepto de volumen final del alimentador.

Cuando un metal en estado líquido pasa al estado sólido (hasta temperatura ambiente) sufre 3 contracciones:   

Contracción líquido-líquido. Contracción por solidificación. Contracción Sólido-sólido.

Las 2 primeras dan origen a rechupes en las piezas sólidas. Para evitar la presencia de tales rechupes, se diseñan y calculan alimentadores. La tercera se debe considerar para el diseño y cálculo de modelos (de fundición) ya que la pieza disminuye dimensiones al bajar desde una temperatura elevada en estado sólido, hasta la temperatura ambiente.

Los tipos de rechupes que se forman son 3 (ver figura 2). Rechupe localizado. Rechupe disperso. Rechupe mixto.

Figura2. Esquematización de los diferentes tipos de rechupe generados por las contracciones líquido – líquido y por solidificación.

Por otra parte, se consideran tres condiciones básicas para el funcionamiento de un alimentador:   

Abierto a la atmósfera Altura superior del alimentador mayor a la altura superior de la pieza Tiempo de solidificación del alimentador mayor al tiempo de solidificación de la pieza 𝑡𝑆𝐴 > 𝑡𝑆𝑃 𝑡𝑆𝐴 = Tiempo total de solidificación del alimentador. 𝑡𝑆𝑃 =Tiempo de solidificación de la pieza.

Tipos de alimentadores (Ver figura 3). Los alimentadores pueden clasificarse de acuerdo con la posición con respecto a la pieza como SUPERIORES cuando se encuentran encima de ella, o LATERALES cuando se ubican a sus costados. Además, los sistemas de alimentación pueden ser fríos o calientes de acuerdo con el orden de recorrido del metal fundido al entrar en la cavidad del molde. Un sistema caliente es aquel en el cual el metal entra primero al sistema de colada luego al sistema de alimentación y por último a la pieza, Un sistema frío es aquel en cual el metal entra primero el sistema de colada luego a la pieza y por último a los alimentadores.      

Superior (Frio) Superior (Caliente) Lateral(frio) Lateral (Caliente) Alimentador ciego (moldeo vertical) Alimentador con media esfera abajo.

Figura 3. Tipos de alimentadores.

Dimensiones del alimentador El tamaño del alimentador se calcula teniendo en cuenta los módulos de solidificación de las diferentes partes de la pieza que se desea producir. El primer paso consiste en separar la pieza en secciones con geometrías sencillas y calcular sus respectivos módulos. Se calcula teniendo en cuenta el módulo con mayor valor, ya que ésta es la sección que solidificará en último lugar Tiempo de solidificación El tiempo total de solidificación es el tiempo necesario para que la fundición solidifique después del vaciado. Este tiempo depende del tamaño y de la forma de la fundición y está expresada por una relación empírica conocida como regla de Chvorinov. Regla de Chorinov. 𝑆=

2

𝑇𝑀 − 𝑇0 ( ) √𝑘𝑚 𝜌𝑚 𝐶𝑚 √𝑡 √𝜋 𝜌𝑆 𝐻

S = Espesor solidificado 𝑇𝑀 = Temperatura de solidificación del metal (puro) 𝑇0 = Temperatura del molde (ambiente) H = Entalpía de solidificación 𝜌𝑠 = Densidad del sólido 𝑘𝑚 = Conductividad térmica del medio de moldeo 𝜌𝑚 = Densidad del medio de moldeo 𝐶𝑚 = Calor específico del medio de moldeo t = tiempo de solidificación *Se aplica a metales puros vaciados a temperatura de solidificación

𝑆=

2

𝑇𝑉 − 𝑇0 ( ) √𝑘𝑚 𝜌𝑚 𝐶𝑚 √𝑡 ̃ − 𝜌𝐿 𝐶𝐿 Δ𝑇 √𝜋 𝜌𝑆 𝐻

S = Espesor solidificado 𝑇𝑉 = Temperatura de vaciado

𝑇𝑉 > 𝑇𝑀

𝑇0 = Temperatura del molde (ambiente) ̃ = Entalpía promedio de solidificación 𝐻 𝜌𝑠 = Densidad del sólido 𝜌𝐿 = Densidad del líquido 𝐶𝐿 = Calor específico del líquido Δ𝑇= (𝑇𝑉 − 𝑇0 ) 𝑘𝑚 = Conductividad térmica del medio de moldeo 𝜌𝑚 = Densidad del medio de moldeo 𝐶𝑚 = Calor específico del medio de moldeo t = tiempo de solidificación *Se aplica a aleaciones y a temperaturas de vaciado superiores a las de solidificación, donde:

𝑆=

𝑉 𝐴

= 𝑀𝑆

𝑀𝑆 = Módulo de solidifiación V = Volumen de la pieza A = Área de transferencia de calor S = Espesor solidificado

𝑘=

2

𝑇𝑉 − 𝑇0 ) √𝑘𝑚 𝜌𝑚 𝐶𝑚 ̃ − 𝜌𝐿 𝐶𝐿 Δ𝑇 √𝜋 𝜌𝑆 𝐻 (

∴ 𝑀𝑆 = 𝑘√𝑡𝑆 Considerando que 𝑡𝑆𝐴 = 1.25𝑡𝑆𝑃

Módulo de solidificación Es de gran utilidad para el cálculo de alimentadores. Es una relación entre el área de transferencia de calor (de la pieza o alimentador) y el volumen de la pieza o alimentador. Los alimentadores se colocarán donde se encuentre un valor mayor de Ms. Con los módulos se garantiza que el metal en el alimentador solidificará después de que la pieza lo haga, sin embargo, no se sabe aún si el alimentador está en capacidad de suministrar la suficiente cantidad de metal líquido a la pieza de acuerdo con su contracción (criterio volumétrico). Esto depende de la eficiencia del sistema de alimentación, la geometría del alimentador y su posición. Para subsanar este inconveniente se establece la regla de las contracciones, ella establece que el volumen del alimentador debe ser por lo menos igual al volumen de contracción d

Distancia de alimentación Es la distancia a la cual el alimentador manda metal líquido para subsanar los rechupes. Depende del tipo de solidificación que presente una aleación. La distancia de alimentación es mayor para las aleaciones de corto rango de solidificación (ARCS) debido a que su solidificación presenta “frentes planos”. En cambios las aleaciones de rango largo de solidificación (ARLS) presentan, en su solidificación, frentes rugosos que impiden el flujo fácil. Para “aumentar” las distancias de alimentación se pueden utilizar los enfriadores externos la pieza o elemento de pieza que se desea alimentar, multiplicado por un coeficiente de seguridad que representa el rendimiento del alimentador. Métodos para el cálculo de alimentadores a) Chvorinov: Considera que 𝑡𝑆𝐴 = 1.25 𝑡𝑆𝑃 , cumpliendo con una de las tres reglas para alimentadores.𝑡𝑆𝐴 > 𝑡𝑆𝑃 𝑀𝑆𝐴 =1.12 𝑀𝑆𝑃

𝐾𝐴 𝐾𝑃

La ecuación anterior proviene de igualar la expresión que relaciona el espesor solidificado de una pieza con distintas propiedades termo-físicas de la pieza y el medio de moldeo. b) Adams – Taylor Adams & Taylor modificaron el criterio de Chvorinov, considerando que el tiempo total de solidificación de la pieza es igual al tiempo de solidificación del alimentador o sea 𝑡𝑆𝐴 = 𝑡𝑆𝑃 . Esto siempre y cuando se considere a un nuevo parámetro 𝑉𝐹𝐴 (volumen final del alimentador) (ver figura1) La ecuación que será de gran utilidad para calcular las dimensiones de los alimentadores de acuerdo con este modelo es: 𝛽 ∗ 𝑉𝑇𝑝 𝐴𝐴 1−𝛽

𝑀𝑆𝑃 + 𝑀𝑆𝐴 = Donde:

𝑉𝑃 = Volumen total de la pieza o de parte de la pieza o de la ruta de solidificación. 𝐴𝐴 = área de transferencia de calor del alimentador (en función de D). *Esta última ecuación se resuelve para D (Diámetro del alimentador) y de aquí para H (altura del alimentador).

Desarrollo experimental: 1. Selección de la pieza. 2. Dimensionamiento de la pieza de acuerdo con las tolerancias del modelo de fundición. 3. Diseño y cálculo de alimentadores, diseño y cálculo del sistema de colada. 4. Construcción de modelos: pieza, alimentador y sistema de colada, considerando los parámetros para la fabricación de modelos: ángulos de salida, contracción sólido-sólido, radios de curvatura, maquinado y pintura. 5. Prueba de moldeo, preparación de la mezcla de arena de moldeo en verde, moldeo, análisis de defectos resultantes, corrección de defectos. 6. Fusión, Moldeo y vaciado. 7. Enfriamiento y desmolde. 8. Preparación de piezas. 9. Evaluación de la calidad metalúrgica de la pieza obtenida. Resultados:

Alimentador superior frio.

Cálculo de alimentadores

Chorinov. Donde: 𝑀𝑆𝐴 = 1.12𝑀𝑆𝑃 𝑉𝑃 = (14.45 𝑐𝑚)(14.65 𝑐𝑚)(1.8 𝑐𝑚) = 381.05 𝑐𝑚3 𝐴1,2 = (2)(14.45 𝑐𝑚)(14.65 𝑐𝑚) = 423.39 𝑐𝑚2 𝐴3,4 = (2)(1.8 𝑐𝑚)(14.45 𝑐𝑚) = 52.02 𝑐𝑚2 𝐴𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = (3.7 𝑐𝑚)(1.4 𝑐𝑚) = 5.18 𝑐𝑚2 𝐴5,6 = (2)(1.8 𝑐𝑚)(14.65 𝑐𝑚) = 52.74 𝑐𝑚2 − 5.18 𝑐𝑚2 = 47.56 𝑐𝑚2 𝐴𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑃𝑖𝑒𝑧𝑎 = (423.39 + 52.02 + 47.56)𝑐𝑚2 = 522.97 𝑐𝑚2 𝑀𝑆𝑃 =

𝑉𝑃 381.05𝑐𝑚3 = = 0.7285 𝑐𝑚 𝐴𝑃 522.97𝑐𝑚2

𝐷 381.05𝑐𝑚3 (1.12) = ( ) = 0.816 6 522.97𝑐𝑚2 𝐷 = 4.896 𝑐𝑚 𝑠𝑖

𝐻 =1 𝐷

𝐻 = 4.896 𝑐𝑚

Dn= diámetro del cuello

Ln= Longitud del cuello Ln= D/3 (recomendado) Ln=

4.896 𝑐𝑚 3

= 1.632 cm

Dn= Ln + 0.2 D Ln= 1.632cm 𝑫𝒏 =

4.896𝑐𝑚 + 0.2(4.896𝑐𝑚) = 2.6112𝑐𝑚 3

Adams y Taylor

𝑀𝑆𝐴 =

𝐾 𝛽𝑉 𝑀𝑆𝑃 (𝐾𝑎 ) + 𝐴 𝑃 𝑏

𝑎

1−𝛽

𝐴 25°𝐶 𝛽1 𝑦 𝑎 550°𝐶 𝛽2 𝛽=

𝜌𝑠 − 𝜌𝑙 𝜌𝑠

𝛽1 =

2.68 − 2.362 = 0.119 2.68

𝛽2 =

2.595 − 2.362 = 0.089 2.595

Sustituyendo los valores en la ecuación anterior MSA 𝐷 = 6.53 𝑐𝑚 𝑎 𝛽1 𝐷 = 6.08 𝑐𝑚 𝑎 𝛽2

Dn= diámetro del cuello Ln= Longitud del cuello Ln= D/3 (recomendado) Ln =

6.08 =2.026 3

cm

Dn= Ln + 0.2 D Ln= 2.026 cm 𝑫𝒏 =

6.08𝑐𝑚 + 0.2(6.53𝑐𝑚) = 3.333𝑐𝑚 3

*El diámetro del alimentador que se utilizó en la práctica fue de 5 cm.

Figura 4. Graficas de temperatura Vs densidad para el cálculo de Adams y Taylor de β

Tabla No 1. Resultados de las dimensiones para el alimentador para ambos métodos, se utilizó un H/D=1

Método

Adams y Taylor

Chvorinov

D

6.08 cm

4.896 cm

H

6.08 cm

4.896 cm

Dn

3.33 cm

2.61cm

Ln

2.026cm

1.632cm

Alimentador Lateral caliente.

Chorinov. Donde: 𝑀𝑆𝐴 = 1.12𝑀𝑆𝑃 𝑀𝑆𝐴 = 1.12(1.69𝑐𝑚) 𝐷 = (1.12)(1.69𝑐𝑚) = 1.893 𝑐𝑚 6 𝐷 = 11.3568 𝑐𝑚 𝑠𝑖

𝐻 =1 𝐷

𝐻 = 11.3568 𝑐𝑚

Dn= diámetro del cuello

Ln= Longitud del cuello Ln= D/3 (recomendado) Ln=

11.3568 𝑐𝑚 3

= 3.7856 cm

Dn= Ln + 0.2 D Ln= 1.632cm 𝑫𝒏 =

11.3568𝑐𝑚 + 0.2(11.3568𝑐𝑚) = 6.06𝑐𝑚 3

Adams y Taylor

𝑀𝑆𝐴 =

𝐾 𝛽𝑉 𝑀𝑆𝑃 (𝐾𝑎 ) + 𝐴 𝑃 𝑏

𝑎

1−𝛽

𝐴 25°𝐶 𝛽1 𝑦 𝑎 700°𝐶 𝛽2 𝛽= 𝛽1 =

𝜌𝑠 − 𝜌𝑙 𝜌𝑠

2.68 − 2.38 = 0.1119 2.68 𝛽2 = 0.044

Sustituyendo los valores en la ecuación anterior MSA 𝐷 = 12.09 𝑐𝑚 𝑎 𝛽1 𝐷 = 10.91𝑐𝑚 𝑎 𝛽2

Dn= diámetro del cuello

Ln= Longitud del cuello Ln= D/3 (recomendado) Ln =

12.09 =4.03cm 3

Dn= Ln + 0.2 D Ln= 2.026 cm 𝑫𝒏 = 4.03 + 0.2(12.09𝑐𝑚) = 6.448𝑐𝑚

Tabla No 2. Resultados de las dimensiones para el alimentador para ambos métodos, se utilizó un H/D=1

Método

Adams y Taylor

Chvorinov

D

12.09 cm

11.3568cm

H

12.09 cm

11.3568cm

Dn

6.448 cm

6.06cm

Ln

4.03cm

3.7856cm

Figura 5. Alimentador y pieza solidificados

Análisis de resultados: El resultado que se obtuvo cuantitativamente en la tabla 1 por ambos métodos difiere ya que el Chvorinov respecto al de Adams & Taylor, tiene una menor respecto al calculado por Chorinov, esto se debe a que en él método de Chorinov no toma en cuenta un número mayor de consideraciones como en el método de Adams y Taylor. En las figuras 5 podemos observar que la superficie de nuestra pieza quedó libre de defectos por lo tanto el alimentador cumplió su función a pesar de que no se vacío de manera adecuada al sistema, sin embargo, se observa el rechupe generado en la parte superior del alimentador, lo cual nos da una idea de la importancia del alimentador para lograr una pieza libre de rechupes Conclusiones: 

Las dimensiones del alimentador obtenidos a partir de ambos métodos difieren (Adams & Taylor y Chvorinov) ya que son diferentes debido a las consideraciones que toma uno con (Adams & Taylor) respecto al otro.



Se utilizó un alimentador superior frio.



Se determinó que el alimentador funciona si la pieza esta sana, ya que se obtiene una pieza libre de rechupes.



El método de Adams y Taylor es más exacto que el de Chorinov ya que toma, un mayor número de consideraciones que Chorinov. Referencias:

 http://patentados.com/patente/alimentador-para-la-utilizacion-en-lafundicion-de-metal-fundido/ consultado el 12 /11/19  http://zaloamati.azc.uam.mx/bitstream/handle/11191/1737/Procesos_de_fun dicion_BAJO_Azcapotzalco.pdf?sequence=1 consultado el 13/11/19  Kalpakjian S., Scmid S. R., Manufactura, ingeniería y tecnología, Editorial Pearson, Quinta edición.