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Universidad Politécnica de Baja California

Trabajo de investigación Procesos Primarios de Manufactura.

Marlon Torres Pérez 03/04/2014

Índice I. II.

III.

Introducción…………………………………………………………………………………………………………………….…………..1 Desarrollo………………………………………………………………………………………………………………………………….….2 a) Fundiciones y Procesos de Aceración……………………………………………………………………………....2 b) Tecnología de fundición………………………………………………………………………………………………….…3 c) Tratamientos Superficiales……………………………………………………………………………………………….5 d) Tratamientos Térmicos……………………………………………………………………………………………………..5 e) Tratamientos Termoquímicos…………………………………………………………………………………………..6 f) Fundición del cobre…………………………………………………………………………………………………………...7 Conclusión…………………………………………………………………………………………………………………………………..9

Introducción La manufactura, en su sentido más amplio, es el proceso de convertir la materia prima en productos. Incluye el diseño del producto, la selección de la materia prima y la secuencia de procesos a través de cuales será manufacturado el producto.

También involucra actividades en que el producto manufacturado mismo se utiliza para fabricar otros productos. Ejemplo de estos son las grandes prensas para conformar la lámina de metal para carrocerías de automóvil, la maquinaria para fabricar pernos tuercas, y las maquinas de coser. En fin, la manufactura esta en un gran considerable número de procesos, pero esta vez nos enfocaremos en varios procesos por los que pasan los metales, como lo son la fundición, tratamientos superficiales y fundiciones del cobre. Las buenas y exitosas prácticas de fundición requieren de un control cuidadoso de un gran número de variables. Estas variables corresponden a las características particulares de los metales y aleaciones que se están fundiendo, el método de fundición, los materiales del molde y de las matrices y dados, el diseño del molde y otros parámetros del proceso. El flujo del metal fundido en las cavidades de los moles, los sistemas de alimentación, la velocidad de enfriamiento y los gases generados todo ello influye en la calidad de una fundición.

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Desarrollo 1. Fundiciones y Procesos de Aceración La fundición es un proceso en el cual se hace fluir metal fundido dentro la cavidad de un molde, donde solidifica y adquiere la forma del molde. Es uno de los procesos más antiguos de formado que remonta 6 mil años atrás y son muchos los factores y variables que debemos considerar para lograr una operación de fundición exitosa. La fundición incluye: la fundición de lingotes y la fundición de formas. El lingote es una fundición en grande de forma simple (barras rectangulares largas), diseñada para volver a formarse en otros procesos subsiguientes como laminado o forjado. La fundición de formas involucra la producción de piezas complejas que se aproximan más a la forma final deseada del producto. Este capítulo se ocupa de estas formas de fundición más que de los lingotes. Existen diversos métodos para la fundición de formas, lo cual hace de este proceso uno de los más versátiles en manufactura. Sus posibilidades y ventajas son las siguientes: · ·

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La fundición se puede usar para crear partes de compleja geometría, incluyendo formas externas e internas. Algunos procesos de fundición pueden producir partes de forma neta que no requieren operaciones subsecuentes para llenar los requisitos de la geometría y dimensiones de la parte. Se puede usar la fundición para producir partes de unos cuantos gramos hasta formas que pesan más de 100 toneladas (coronas dentales, joyería, estatuas, bloques y cabezas para motores automotrices, bases para máquinas, ruedas para ferrocarril, tubos, carcasas para bombas, etc.). El proceso de fundición puede realizarse en cualquier metal que pueda calentarse y pasar al estado líquido. Algunos métodos de fundición son altamente adaptables a la producción en masa.

Se debe mencionar también las desventajas asociadas con el proceso de fundición. Estas incluyen: · · · · · ·

Las limitaciones de algunos procesos Se pueden obtener piezas con propiedades mecánicas no homogéneas Piezas con porosidad Baja precisión dimensional Acabado deficiente de la superficie Los riesgos que los trabajadores corren durante el procesamiento 2

TECNOLOGÍA DE FUNDICIÓN

El proceso de fundiciones realiza en una fundidora. Una fundidora es una fábrica equipada para hacer moldes, fundir y manejar el metal en estado líquido, desempeñar los procesos de fundición y limpieza de las piezas terminadas. Los trabajadores que realizan estas operaciones se llaman fundidores. El primer paso que se da en el proceso de fundición es la fabricaron del molde. El molde contiene una cavidad que dará la forma geométrica de la parte a fundir. La cavidad debe diseñarse de forma y tamaño ligeramente sobredimensionados, esto permitirá la contracción del metal durante la solidificación y enfriamiento. Cada metal sufre diferente porcentajes de contracción, por tanto, la cavidad debe diseñarse para el metal particular que se va a fundir. La cavidad del molde proporciona la superficie externa de la fundición; pero además puede tener superficies internas, que se definen por medio de corazones, los cuales son formas colocadas en el interior de la cavidad del molde para formar la geometría interior de la pieza. Los moldes se hacen de varios materiales que incluyen arena, yeso, cerámica y metal. Los procesos de fundición se clasifican frecuentemente de acuerdo a los diferentes tipos de moldes. En una operación de fundición, se calienta primero el metal a una temperatura lo suficientemente alta para transformarlo completamente en líquido. Después se vierte directamente en la cavidad del molde. En un molde abierto figura 1.1(a), el metal líquido se vacía simplemente hasta llenar la cavidad abierta. En un molde cerrado figura 1.1 (b) y 1.1(c) una vía de paso llamada sistema de vaciado permite el flujo del metal fundido desde fuera del molde hasta la cavidad. El molde cerrado es la forma más importante de producción en operaciones de fundición. El sistema de vaciado en un molde de fundición es el canal o red de canales por donde fluye el metal fundido hacia la cavidad desde el exterior. El sistema de vaciado, consiste típicamente en un bebedero de colada (también llamado simplemente bebedero) a través del cual entra el metal a un canal de alimentación o corredor que conduce a la cavidad principal. En la parte superior del bebedero existe frecuentemente una copa de vaciado para minimizar las salpicaduras y la turbulencia del metal que fluye en el bebedero. En el diagrama aparece como un simple embudo en forma de cono. Algunas copas de vaciado se diseñan en forma de tazón como en la figura 1.1(c) con un canal abierto que conduce al bebedero. 3

Fig. 1.1 Dos formas de molde: (a) molde abierto, simplemente un recipiente con la forma de la parte de fundición; (b) molde cerrado, de forma más compleja que requiere un sistema de vaciado (vía de paso) conectado con la cavidad; y c) Sección transversal de un molde en tres partes

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2. Tratamientos superficiales

El principal inconveniente que presenta el acero como material de trabajo es su tendencia a oxidarse cuando entra en contacto con la atmósfera o con el agua. Por ello normalmente el acero ha de ser sometido a tratamientos superficiales que combatan esta carencia. En esencia lo que hacen todos ellos es cubrir la pieza con una capa de material que o bien no se oxida o ya está oxidado pero no permite que la corrosión pase a capas interiores. Los tratamientos superficiales más habituales son:    

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Cromado: recubrimiento embellecedor superficial para proteger de la oxidación. Galvanizado: recubrimiento superficial con zinc que se da al acero. Niquelado: similar al cromado. Pavonado: tratamiento superficial que se da a piezas pequeñas de acero, como la tortillería, consiste en aplicar una capa superficial de óxido, con el que se cubren las piezas y se evita su corrosión. Pintura: recubrimiento protector, usado en estructuras, automóviles, barcos. Tratamientos térmicos

Mediante estos procesos se consigue modificar muy significativamente las propiedades mecánicas como dureza, tenacidad y resistencia mecánica del acero. En estos procesos no hay ninguna aportación de elementos químicos nuevos al material base. Consisten en calentar el material a tratar hasta una temperatura inferior a la de fusión y mantenerlo en ella el tiempo suficiente como para que a lo largo de toda la pieza se alcance la misma temperatura, con el fin de homogeneizar el tamaño del grano, o para modificar el micro constituyente del material. Posteriormente el material puede ser enfriado a diferentes velocidades, según el tipo tratamiento que se quiera realizar. Para conseguir distintas velocidades de enfriamiento, se somete al material a un baño en agua o aceite, en calma o con agitadores, o se deja a la pieza en el interior del horno apagado a que se vaya enfriando. Hay distintos tipos de tratamientos térmicos que se aplican al acero (serán más profundamente tratados en Tecnología II): Temple, revenido, recocido y normalizado, con ellos se consigue mejora la resistencia a la tracción, disminuir la acritud, elevar la tensión de rotura, y eliminar las tensiones internas.

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Tratamientos termoquímicos En ocasiones se demandan materiales que tengan propiedades contradictorias como es por ejemplo que presenten elevada resiliencia y dureza (cigüeñales, pistones, levas,…), para ello se trata de que el alma de las piezas absorba los impactos y que la zona superficial sea la que acometa la dureza. En estos casos se modifica superficialmente la composición de los materiales sin que afecte a su composición interna, sometiéndoles a tratamientos termoquímicos. Estos se llevan a cabo en recipientes herméticos, elevando la temperatura por debajo de la de fusión y en presencia de algún elemento que se difunda hacia el interior del material base de la pieza a tratar, dependiendo de cuál sea este material se distinguen los siguientes tratamientos: 

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Cementación con carbono: se suelen emplear sólidos como el carbón o líquidos como cianuro sódico (CNNa), o gases como mezclas de monóxido de carbono y metano. Nitruración con nitrógeno: se alcanzan temperaturas alrededor de los 500ºC y en el seno de una atmósfera de amoniaco (NH3), los átomos de nitrógeno se asocian con elementos constituyentes de la aleación como el cromo constituyéndose compuestos extraordinariamente duros. Cianuración: en este tratamiento se alcanzan temperaturas del orden de 850ºC y los elementos que se difunden son: cianuro sódico, cloro y carbonato sódico. Sulfinización: se eleva a temperatura hasta 600ºC y se somete a la pieza a tratar a un baño de sales ricas en azufre, combinándose este elemento superficialmente con la pieza a tratar obteniéndose una extraordinaria dureza superficial.

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3. Fundición del Cobre

El concentrado de cobre seco con una concentración del 31 % de cobre, se somete a procesos de piro metalurgia (rama de metalurgia en que la obtención y refinación de los metales se procede utilizando calor, como en el caso de la fundición. Prácticamente todos los metales como el hierro, níquel, estaño y la mayor parte del cobre, oro y plata son obtenidos desde el mineral o su concentrado por métodos piro metalúrgico. Es el más importante y más antiguo de los métodos extractivos de metales, utilizado por el hombre) en hornos a grandes temperaturas, mediante los cuales el cobre del concentrado es transformado en cobre metálico y se separa de los otros minerales como fierro (Fe), azufre(S), sílice (Si) y otros. El proceso de fundición del cobre, se explica mediante cuatro fases: 1) Recepción y Muestreo: En esta primera fase el objetivo que tiene es que como normalmente se trabaja con concentrados de diferentes procedencias, es necesario hacer un muestreo de ellos y clasificarlos de acuerdo con la concentración de cobre, hierro, azufre, silicio y porcentaje de humedad que tengan. Y el proceso consiste en que el concentrado proveniente de la planta se almacena en canchas, desde donde se obtienen muestras que son sometidas a análisis de laboratorio para determinar los contenidos de cobre, hierro, azufre, sílice y la humedad, información que es fundamental para iniciar el proceso de fusión. El contenido máximo de humedad es de 8%, ya que con valores superiores, el concentrado se comporta como barro difícil de manipular y exige más energía para la fusión. De acuerdo con los resultados de los contenidos de cobre, el material se clasifica y almacena en silos, desde donde se despacha a los hornos de fundición de acuerdo a las mezclas que se determinen. 2) Proceso de Fusión: En esta segunda parte el objetivo que tiene es lograr el cambio de estado que permite que el concentrado pase de estado sólido haya estado líquido para que el cobre se separe de los otros elementos que componen el concentrado. Y como ocurre esto, en la fusión el concentrado de cobre es sometido a altas temperaturas (1.200 ºC) para lograr el cambio de estado de sólido a líquido. Al pasar al estado líquido, los elementos que componen los minerales presentes en el concentrado se separan según su peso, quedándolos más livianos en la parte superior del fundido, mientras que el cobre, que es más pesados concentra en la parte baja. De esta forma es posible separar ambas partes vaciándolas por vías distintas.

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3) Conversión: En esta etapa el objetivo principalmente es que Mediante el proceso de conversión se tratan los productos obtenidos en la fusión, para obtener cobre de alta pureza. Para esto se utilizan hornos convertidores convencionales llamados Pierce-Smith, en honor a sus creadores. El convertidor Pierce-Smith consiste en un reactor cilíndrico de 4,5 m de diámetro por 11 m de largo, aproximadamente, donde se procesan separadamente el eje proveniente del horno de reverbero y el metal blanco proveniente del convertidor Teniente. Este es un proceso cerrado, es decir, una misma carga es tratada y llevada hasta el final, sin recarga de material. Finamente se obtiene cobre blíster (cobre producido a partir de la fusión de la mata o eje en los hornos convertidores con una pureza de 99,5%. Este cobre es llevado a los hornos de refino y de moldeo desde donde se obtiene el cobre anódico que va al electro refinación. Su nombre proviene del aspecto que tienen los productos moldeados en su superficie (blíster = ampolla). Con una pureza de 96% de cobre. 4) Piro refinación: En esta última fase, el objetivo es que mediante la piro refinación o refinación a fuego se incrementa la pureza del cobre blíster obtenido de la conversión. Consiste en eliminar el porcentaje de oxígeno presente el este tipo de cobre, llegando a concentraciones de 99,7 % de cobre. Y la realización de esto se basa principalmente en que este es un proceso especial que se aplica en algunas fundiciones, como en la fundición de Caletones, donde el cobre blíster es sometido a un proceso final de refinación en un horno basculante, mediante la introducción de troncos de eucaliptus. En este caso, la ignición (acción o efecto de estar un cuerpo encendido por efecto del calor) de la madera permite captar el oxígeno que contiene el cobre blíster como impureza y lo transforma en anhídrido carbónico (CO2), que es liberado a la atmósfera. De esta manera, la pureza del cobre se incrementa a 99,7% y el producto se denomina cobre RAF (refinado a fuego).Y el producto final es que El cobre RAF es moldeado en placas gruesas, de forma de ánodos, de un peso aproximado de 225 kg, el cual es enviado al proceso de electro refinación (para lograr una pureza máxima del cobre)

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Conclusión A pesar de todos los tratados de libre comercio que puedan existir, lo que nos representa como país es el área de la artesanía, ya sea en sus diferentes manifestaciones; por lo tanto debemos conservar nuestras tradiciones y costumbres a pesar que somos constantemente asediados por el comercio externo. Para lograr este objetivo, se necesita que en las escuelas, más que nada universidades, se impartan asignaturas o talleres que desarrollen nuestra cultura, dándoles apoyo, motivación e incentivos para que este objetivo sea efectivo y no se termine; en especial en los sectores rurales en que todavía se conservan las costumbres de los antepasados de la artesanía, pero a medida que transcurre el tiempo, esto se va perdiendo. Por otra parte hay que proteger a las pequeñas y medianas empresas que se dedican a este rubro, porque no pueden desaparecer por la globalización, porque al fin de cuentas son ellos que promueven nuestra cultura artesanal a través del país, y en especial en las regiones que se desarrolla las materias primas para el desarrollo de estos, en este caso del cobre. Hablar sobre estos temas en particular, puede llegar a ser un tanto desarrollado por su trascendencia y extensión de cada proceso de fundición y tratamientos a cada componente que sin saber, conforma nuestra vida cotidiana como lo es la regadera y las perillas para regular la temperatura del agua, las chapas para abrir puertas, la casa donde resides, el automóvil que te transporta, las señales de tráfico en el camino, los anuncios espectaculares y todo esto es necesario para que la vida sigua en constante desarrollo de materiales nuevos, para las nuevas generaciones que están por venir. En lo personal, este trabajo quedo muy bien estudiado, todas mis dudas un tanto despejadas y sobre todo la curiosidad de saber cómo se lograba fundir algunos metales y como es que se le da la forma adecuada a través del moldeo, y como para darle forma al cobre se necesita trabajarse en frio para poder darle distintas formas a las conexiones de rosca con las que se trabajara posteriormente.

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