PAULA ANDREA RAMIREZ PANA MILENA ANGARITA A CARLOS HERNAN BENAVIDES Q CARLOS MAURICIO TARAZONA C LABORATORIO DE PROCESOS DE MOLDEO 06/04/2014 DETERMINACIÓN DE LA DISTRIBUCIÓN GRANULOMÉTRICA POR VÍA SECA, CÁLCULO DEL ÍNDICE DE FINURA A.F.S. Y EXAMEN DE LA FORMA DE LOS GRANOS DE UNA ARENA DE MOLDEO (MUESTRA B3-3). UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER DETERMINACIÓN DEL COTENIDO DE LOS ELEMENTOS DE TAMAÑO INFERIOR A 0,02mm DE UNA ARENA DE MOLDEO 1 DETERMINACIÓN DE LA DISTRIBUCIÓN GRANULOMÉTRICA POR VÍA SECA, CÁLCULO DEL ÍNDICE DE FINURA A.F.S. Y EXAMEN DE LA FORMA DE LOS GRANOS DE LAS ARENAS. PAULA ANDREA RAMIREZ P ANA MILENA ANGARITA A CARLOS HERNAN BENAVIDES Q CARLOS MAURICIO TARAZONA C PRESENTADO A: INGENIERO HUBER ANAYA UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER FACULTAD DE INGENIERIAS FISICOQUIMICAS INGENIERIA METALURGICA Y CIENCIA DE MATERIALES LABORATORIO DE HIDRO Y ELECTROMETALÚRGIA BUCARAMANGA 2014 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER DETERMINACIÓN DEL COTENIDO DE LOS ELEMENTOS DE TAMAÑO INFERIOR A 0,02mm DE UNA ARENA DE MOLDEO 2 OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL Calcular en índice de finura A.F.S y determinar la forma de los granos de la arena, mediante la representación gráfica de los elementos mayores a 0,02 mm de la misma. OBJETIVOS ESPECIFICOS Graficar la multiplicación de los pesos de la arena retenida en cada tamiz con su respectivo multiplicador Vs tamaño de partícula. Observar la forma de los granos de la arena con la ayuda de una lupa y comparar el resultado con la clasificación de la forma de las arenas ya existente. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER DETERMINACIÓN DEL COTENIDO DE LOS ELEMENTOS DE TAMAÑO INFERIOR A 0,02mm DE UNA ARENA DE MOLDEO 3 MARCO TEORICO El índice de finura es una rápida referencia para describir el tamaño medio de una partícula de una muestra de arena. Existen dos definiciones para describir este parámetro de las arenas de moldeo 1 : 1. Es el número equivalente a un tamiz que tenga ese número de mallas por pulgada lineal, por el cual pasaría justamente el 100% de la arena si la misma tuviera un tamaño de grano uniforme (es decir que todos los granos contenidos en la arena fueran exactamente del mismo tamaño), y así este Número o índice de grano, también equivale al grano medio (MK). 2. Es el número equivalente a un tamiz por el cual pasaría el 50% de la arena y retendría el 50% restante. Esto es por lo tanto también, el tamaño medio MK de los granos contenidos en la arena y el índice de finura. Según la revista FUNDIpress, el cálculo del índice de finura se emplean las proporciones en peso de las fracciones individuales de los tamices. Estas proporciones en peso son multiplicadas por los factores multiplicadores correspondientes, descritos en la tabla 1. La suma de los productos es dividido entre el peso total de la muestra: ∑ De acuerdo a la finura de las arenas para su empleo en fundición, se pueden clasificar en cinco grandes grupos, lo que se puede ver en la figura 1. 1 Arenas de sílice: Materia prima básica en la industria de la fundición. José Expósito. Texto disponible en línea en: http://www.pedeca.es/revistaonline/fundipress/45/files/assets/basic-html/page40.html. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER DETERMINACIÓN DEL COTENIDO DE LOS ELEMENTOS DE TAMAÑO INFERIOR A 0,02mm DE UNA ARENA DE MOLDEO 4 Tabla 1. Factores multiplicadores para cada tamiz. Tomada de la guía de laboratorio de procesos de moldeo de la Universidad Industrial de Santander. Figura 1. Clasificación de las arenas de acuerdo a su índice de finura. Tomada de http://www.pedeca.es/revistaonline/fundipress/45/files/assets/basic-html/page43.html Las arenas muy gruesas son empleadas fundamentalmente en la fabricación de calderas y radiadores, donde se necesita una gran permeabilidad. Las arenas medias son las arenas estándar para la fabricación de moldes y machos para su empleo en las fundiciones de base hierro grafíticas. Las arenas finas son frecuentemente empleadas para la fabricación de las arenas pre-revestidas (proceso de cáscara) producciones de pequeñas piezas altamente aleadas, y cuando se requieren piezas de poco espesor que necesitan de un gran acabado superficial. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER DETERMINACIÓN DEL COTENIDO DE LOS ELEMENTOS DE TAMAÑO INFERIOR A 0,02mm DE UNA ARENA DE MOLDEO 5 MATERIALES Y EQUIPO 11 tamices A.F.S. N°. 6-12-20-30-40-50-70-100-140-200-270. Tamizador por sacudidas. Juego de brochas. PROCEDIMIENTO Figura 2. Procedimiento para determinar el índice A.F.S y la forma de una arena de moldeo. Coloque los tamices uno encima de otro en orden creciente de abertura de malla ajustándolos perfectamente. Introducir 50 gr. de arena, en el tamiz superior (N° 6 en la serie A.F.S.) que previamente ha sido lavada, exenta de arcilla y secada a 105 – 110 °C en una estufa. Fijar la serie de tamices en el tamizador por sacudidas, y tamizar por espacio de 15 minutos. Recolectar con mucho cuidado la cantidad de arena retenida en cada tamiz, colocarla sobre un recipiente apropiado y pesarla al centigramo. La suma de los pesos del material retenido debe ser igual a la masa inicial de la arena con un error de + 0 – 0.3%. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER DETERMINACIÓN DEL COTENIDO DE LOS ELEMENTOS DE TAMAÑO INFERIOR A 0,02mm DE UNA ARENA DE MOLDEO 6 RESULTADOS La muestra de arena que se tomó para ser tamizada tenía un peso de 49,40 gramos. Después del tamizado, al sumar el retenido de cada tamiz, la muestra de arena tuvo un peso de 49,18 gramos. Esto indica que hubo una pérdida de material debido al traslado de cada tamiz a la bandeja para ser pesado. La pérdida total de arena en el proceso equivale a 0,44%. La siguiente tabla muestra los datos para obtener el índice de finura. Tabla 2. Resultados de datos para determinar el índice de finura. 50,0508337 malla peso retenido [gr] factor multiplicador peso del producto [gr] (peso retenido*factor multiplicador) bandeja 0,87 300 261 270 0,43 200 86 200 0,85 140 119 140 1,57 100 157 100 3,22 70 225,4 70 10,66 50 533 50 17,67 40 706,8 40 9,86 30 295,8 30 3,7 20 74 20 0,35 10 3,5 12 0 5 0 6 0 3 0 Suma 49,18 ----------- 2461,5 UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER DETERMINACIÓN DEL COTENIDO DE LOS ELEMENTOS DE TAMAÑO INFERIOR A 0,02mm DE UNA ARENA DE MOLDEO 7 Al comparar las formas tanto de la arena patrón (completamente circular) y la muestra de arena en estudio con ayuda de la lupa, se puede decir que esta última tiene una forma entre circular y angular, por lo que se determina que la forma de la arena en estudio es sub-angular. ANÁLISIS DE RESULTADOS En el desarrollo de la práctica y la realización de cálculos, para la muestra de arena B3-3 se obtuvo un índice de finura A.F.S igual a 50,0508337, el cual está íntimamente relacionado con la forma de los granos que la constituyen. Al comparar este valor con los valores A.F.S mostrados en la figura 1, se puede clasificar la muestra de arena como una arena con un grano grueso. Esta forma es beneficiosa para el proceso de moldeo, ya que proporciona un aumento en la permeabilidad del molde, haciendo que se disminuya la probabilidad de que se presenten defectos como las porosidades. En cuanto a la forma, los granos que conforman la muestra de arena se pueden clasificar como sub-angulares, gracias a lo observado en el laboratorio. En la figura 3 es posible apreciar los tres tipos de forma de grano para una arena de moldeo. La arena ideal es la Figura 3. Clasificación A.F.S de la forma de partícula. (Izquierda) angular, (centro) sub-angular, (derecha) redonda. redonda 2 ya que una mayor cantidad de granos pueden ser compactados en un determinado volumen, proporciona buena cantidad de permeabilidad y requiere menor cantidad de aglutinante para ser recubierto. Es por ello que se puede decir que la muestra de arena B3-3 tiene unas propiedades intermedias puesto que aumenta la permeabilidad, pero no tanto como la forma angular; y requiere menos cantidad de aglutinante para ser recubierta, que un grano angular. 2 Texto disponible en línea en: http://cdigital.dgb.uanl.mx/te/1020150052/1020150052_05.pdf. Página 4. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER DETERMINACIÓN DEL COTENIDO DE LOS ELEMENTOS DE TAMAÑO INFERIOR A 0,02mm DE UNA ARENA DE MOLDEO 8 CUESTIONARIO 1. ¿Qué tipo de curva representa la distribución granulométrica de las arenas? La distribución de los diferentes tamaños de grano es decir el porcentaje de arena retenido sobre cada tamiz (histograma), da una mejor visión de cómo están los granos cercanos entre sí, o que tan empaquetado se encontrarán cuando se forme un molde o un macho. 2. Haga la representación gráfica de la distribución granulométrica de una arena formada por varias sedimentaciones. Figura 3. Peso retenido Vs número de malla. En la figura 3, se muestra la curva de distribución granulométrica para la muestra de arena B3-3. En ella se puede observar que la mayor cantidad de granos se encuentran retenidos en la malla 50, y de cierto modo tienen una homogeneización en su tamaño. Esto de cierto modo beneficia las propiedades finales de la pieza colada, puesto que aumenta la permeabilidad de la arena previniendo la formación de porosidades. Pero al presentar granos del mismo tamaño, esta arena es mucho más difícil de compactar, por lo que se la pieza final quedará con una superficie muy rugosa. 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 50 100 150 200 250 300 P e s o r e t e n i d o [ g r ] Número de malla UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER DETERMINACIÓN DEL COTENIDO DE LOS ELEMENTOS DE TAMAÑO INFERIOR A 0,02mm DE UNA ARENA DE MOLDEO 9 3. De las siguientes representaciones de la distribución granulométrica de tres arenas a) ¿Cuál recomendaría para combatir las dartas? Las dartas son defectos superficiales que se forman por desprendimiento de la arena del molde en el momento del vertimiento del metal fundido, debido al calor irradiado por el líquido hacia el molde. Este hace que la superficie del mismo se hinche hasta un cierto límite. Cuando la superficie no soporta la hinchazón, revienta formando una grita y generando un desprendimiento de la arena, la cual queda incrustada en la pieza solidificada. Esto suele suceder cuando el molde está hecho con arena en verde de granos muy homogéneos de manera que no tienen una alta compactabilidad. Es por eso que se recomienda el empleo de una arena con una granulometría variable como se muestra en la distribución granulométrica número dos. b) Si el índice de finura es igual, ¿cuál tiene mayor permeabilidad? UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER DETERMINACIÓN DEL COTENIDO DE LOS ELEMENTOS DE TAMAÑO INFERIOR A 0,02mm DE UNA ARENA DE MOLDEO 10 La permeabilidad de una arena está íntimamente relacionada con la homogeneidad de los granos de la arena que la componen. Entre más homogéneos sean, serán más difíciles de compactar quedando intersticios distribuidos en todo el molde en igual proporción, permitiendo la liberación de gases producidos en el momento de la colada evitando las porosidades en la pieza final. Es por ello que se recomienda para este caso una distribución granulométrica homogénea, como la presentada en la distribución de tamaños de granos de arena número uno. c) ¿Cuál escogería usted para moldeo? De las distribuciones granulométricas de arena mostradas anteriormente, la que se emplearía para moldeo es la distribución número tres, puesto que presenta buena compactabilidad debido a la heterogeneidad de tamaño de grano, y buena permeabilidad ya que no existe mucha diferencia entre los tamaños de partícula y partícula, quedando algunos intersticios beneficiando dicha propiedad. d) ¿Cuál tiene mejor plasticidad? La distribución granulométrica número dos tiene la mejor plasticidad debido a que es la arena que tiene mayor cantidad de finos, los cuales en gran medida están conformados por arcilla. e) ¿Cuál necesita menos aglomerante y por qué? La arena que necesita menos aglutinante es la arena de la distribución granulométrica número 2, puesto que tiene una mayor compactabilidad debido a la heterogeneidad del tamaño de partículas y al contenido de arcilla. f) ¿Cuál no aconseja usted para moldeo y por qué? Como se mencionó en puntos anteriores, para moldeo la arena ideal de las mostradas, es la arena con distribución granulométrica de tamaño de grano número 3, puesto que los tamaños de partículas están en un punto intermedio, proporcionando buena compactabilidad y buena permeabilidad. 4. De dos arenas; una con granos redondos y otra con granos angulosos, ¿cuál tendrá mayor permeabilidad para igual índice de finura? La arena con granos angulares tendrá mayor permeabilidad debido a las variación de la forma superficial, teniendo algunas formas aguda, haciendo que sea más difícil de acomodar que una arena de granos redondo. A tener dichas formas UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER DETERMINACIÓN DEL COTENIDO DE LOS ELEMENTOS DE TAMAÑO INFERIOR A 0,02mm DE UNA ARENA DE MOLDEO 11 irregulares se crearán mayor número de sitios intersticiales aumentando la permeabilidad del sistema. CONCLUSIONES Se encontró un índice de finura para la muestra de arena B3-3 igual a 50,0508337, el cual permite clasificar esta arena como una arena de grano grueso, siendo ideal para la elaboración de moldes para piezas de acero moldeado. Según los resultados y cálculos obtenidos del desarrollo de la práctica, se puede decir que la muestra de arena B3-3 es una arena con una distribución granulométrica de tamaño de granos homogéneos, los cuales proporcionan una buena permeabilidad en molde hecho con esta arena. Se pudo determinar la forma de los granos que conforman la muestra, obteniendo como resultado una forma angular, la cual debido a su irregularidad geométrica en cada grano, proporciona una excelente permeabilidad. Gracias a la homogeneidad de tamaños de partícula, la arena no posee muy buena compacatbilidad, por lo que no al emplearla en una colada puede ocasionar defectos superficiales como las dartas. La permeabilidad y la compactabilidad dependen estrictamente de la distribución granulométrica de tamaños de los granos que componen la arena, y de la forma de cada uno de ellos. Entre más homogéneo sea el tamaño, mayor permeabilidad y menor compactabilidad; y si la forma es angular proporcionará mayor permeabilidad gracias a su geometría. OBSERVACIONES La pérdida de arena se debió primordialmente en el traspaso de la misma a la balanza, lo cual pudo afectar de cierto modo los datos. La sensibilidad de la balanza es de 1 mg, el aire y la exactitud son factores que influyen directamente en los resultados. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER DETERMINACIÓN DEL COTENIDO DE LOS ELEMENTOS DE TAMAÑO INFERIOR A 0,02mm DE UNA ARENA DE MOLDEO 12 BIBLIOGRAFÍA Arenas de sílice: Materia prima básica en la industria de la fundición. José Expósito. Texto disponible en línea en: http://www.pedeca.es/revistaonline/fundipress/45/files/assets/basic-html/page40.html Texto disponible en línea en: http://cdigital.dgb.uanl.mx/te/1020150052/1020150052_05.pdf. Página 4. Guía de laboratorio de Procesos de Moldeo. Universidad Industrial de Santander.