11/05/2014TALLER TEORICO/PRACTICO PROCESO DE DIE CASTING Instructores: ING. RUBÉN GIL GARCÍA INGENIERIA PARA FUNDICIONES ING. SALVADOR TOVAR FRANCISCO SERVICIOS COMERCIALES METALÚRGICOS S.C. TEMARIO 1. Introducción al proceso de Inyección (Die casting ) 1.1. Principios básicos de la técnica del proceso 1.2. Llenado del molde y obtención de la presión de Inyección 3. El molde 3.1. Constitución y diseño del molde de Inyección 3.2. Características 3.3. Partes del molde 2. Máquinas de inyección 3.4. Principios de diseño de moldes. 2.1. Equipo de inyección 3.5. Calentamiento molde 2.2. Características generales. 3.6. Aplicación des-moldante. 2.3. Partes principales. 3.7. Curado de moldes Montaje Molde. 3.8. 2.5. Ajuste parámetros de inyección. 3.9. Mantenimiento molde 2.6. Fases e Inyección. 4. Metales de inyección 2.7. Volumen de metal a inyectar. 4.1. Aleaciones para inyectar 2.8. Solidificación. 2.9. Máquinas de cámara caliente 4.2. Especificación de aleaciones de Aluminio Elementos de Aleación de Aleaciones de aluminio 2.4. Refrigeración y termorregulación. 2.10. Mantenimiento TEMARIO 5. Fusión de Metales 5.1. Introducción a la fusión de metales de inyección y manejo de Metal Líquido 5.2. Seguridad del proceso de fusión 6. Hornos 6.1. Central de Fusión 8. Limpieza y tratamiento de las aleaciones de Aluminio. 8.1. Sales de Limpieza 8.2. Uso y beneficios de agentes modificadores y refinadores. 9. Reciclaje de coladas y retornos 6.2. Tipo de Hornos 10. Defectos y soluciones en piezas inyectadas. 6.3. Crisol 11. 6.4. Reverbero 12. Conclusiones y aplicación de Evaluación a asistentes 7. Impurezas en aluminio líquido Costos promedio. 7.1. Hidrógeno 7.2. Inclusiones 7.3. Lodos de fusión 1 11/05/2014 Introducción al proceso de Inyección Die casting CUBIERTA DE MOLDE PLATINA ESTACIONARIA PASADOR DE EYECCIÓN PLATINA MOVIL CAMARA DE INYECCION CUCHARA SOPORTE EYECTOR Y PIÑON BLOQUE EYECTOR CAVIDAD DE MOLDE CILINDRO DE INYECCION COLADA DE ALIMENTACIO N PISTON DE INYECCION LINEA DE PARTCION DESCRIPCION DEL PROCESO La máquina de inyección es dispuesta a un costado del horno de metal líquido A continuación, metal líquido es mecánicamente vaciado al cilindro de inyección. El pistón de inyección se acciona, inyectando a alta presión, el metal en el molde El metal permanece unos instantes en el molde, donde se realiza la solidificación del metal en un breve período de tiempo. El molde se abre y se expulsan las piezas El proceso se repite una y otra vez, continuamente Principios básicos de la técnica del proceso 2 11/05/2014 Máquinas de inyección Equipo de inyección Hay varios tipos de máquinas de inyección en uso hoy en día, la mayor parte de estas máquinas son accionadas hidráulicamente y operan en forma horizontal y vertical. Estas máquinas también se caracterizan por su diferencia entre la dirección de inyección del metal al molde, ya sea vertical u horizontal y los sistemas de sujeción para mantener el molde cerrado durante la inyección Los dos tipos principales de las máquinas de inyección son: de cámara caliente y cámara fría El tipo la cámara caliente se usa principalmente para la inyección zinc y otros metales de bajo punto de fusión, sin embargo, también se utiliza para la inyección de magnesio. Máquinas de cámara caliente El tipo la cámara caliente se usa principalmente para la inyección zinc y otros metales de bajo punto de fusión, sin embargo, también se utiliza para la inyección de magnesio. En el sistema de cámara caliente, el sistema de dosificación de metal se localiza dentro del crisol mantenedor que cuenta con un sistema de inyección para transferir el metal a través de un tubo en forma de cuello de cisne, el sistema impulsa el metal por medio de émbolo de inyección, por esta razón las aleaciones de aluminio y de cobre no son adecuadas para este tipo de proceso ya que existe un ataque químico al sistema de inyección sumergido. Cuando el pistón se levanta recoge el metal descargándolo en el tubo a través de un puerto cuando el émbolo desciende, se cierra el puerto y conduce el metal a través de las boquillas en el extremo del cuello de ganso hacia el molde. Las presiones de inyección varían de 1,500 a más de 45,000 libras por pulgada cuadrada o de diez a treinta mega Pascales 3 11/05/2014 Máquinas de cámara Fría Las máquinas de cámara fría la se utilizan principalmente para la inyección de aluminio, magnesio y aleaciones de cobre, en la cámara fría la máquina se suministra el metal por medio de una cuchara o un sistema de alimentación externa, que es un horno de mantenimiento, localizado a un costado de la máquina, los componentes del sistema de alimentación no están sumergidos en el metal líquido, la cuchara vierte el metal en el cilindro de inyección, posteriormente, el émbolo avanza, se cierra el ataque decolada y descarga el metal liquido en el molde Las presiones de inyección varían de 10,000 libras por pulgada cuadrada menos 69 mega pascales para aluminio y magnesio, aunque algunas máquinas pueden ofrecer aún presiones más altas. Máquinas de inyección Partes principales de la maquina de inyección . 4 11/05/2014 Llenado del molde: Fases de Inyección Al soltar el disparo, el pistón de inyección, que debe introducir el metal líquido en el molde, marcha primero a velocidad lenta, a fin de no derramar metal a través del orificio de carga de la cámara. Por tanto, el pistón se mueve a baja velocidad hasta que ha rebasado completamente dicho orificio. A esta fase de la carrera se la llama «aproximación»; sólo es precisa en máquinas de inyección con cámara fría horizontal, si bien en las máquinas con cámara caliente también se va despacio en la primera fase, a fin de poder expulsar efectivamente el aire de la cámara de presión. Llenado del molde fases de Inyección En la segunda fase, el pistón se acelera a alta velocidad; recorre la cámara de presión y embalsa el metal líquido hasta el ataque de la pieza. Esta segunda fase se conoce con el nombre de «preparación». En la tercera fase el movimiento del pistón introduce el metal líquido a través de la abertura del ataque de colada y llena la cavidad del molde; esta última fase se denomina «llenado» o «colada». Tan pronto como la cavidad del molde está completamente llena, el pistón experimenta un frenado brusco y su velocidad cae rápidamente a cero. Llenado del molde fases de Inyección La presión de aproximación es extraordinariamente baja, mientras que; por el contrario durante la preparación existe un cierto aumento de presión. Tan pronto como el metal fundido atraviesa el ataque de colada y penetra en la cavidad del molde, se produce un nuevo aumento de presión, y la compresión que aparece con ello se tomará como determinante de la presión de llenado, en el sentido del proceso de llenado propiamente dicho. Concluido el llenado del molde, el movimiento del pistón se frena de golpe, y se produce un rápido aumento de presión hasta alcanzar la presión final efectiva. Esta presión final produce la compactación de la pieza. 5 Los moldes por lo general son manufacturados por el maquinado de bloques de acero. aceros aleados al tungsteno y molibdeno.11/05/2014 Llenado del molde fases de Inyección El molde Constitución y diseño del molde de Inyección Por lo general los moldes se producen en aceros grado herramienta. su costo de manufactura es caro. también son utilizados. 6 . pero los moldes son reutilizables para miles y cientos de miles de piezas inyectadas. pero también pueden ser vaciados y debido a los requerimientos de alta precisión. en menor medida. con alta resistencia en caliente y a las altas temperaturas. con estructura. tipo martensítica y con tratamiento térmico de envejecimiento. Partes del molde Llenado de Molde 7 . moldes combinados. que son por donde el metal fundido fluye hasta llegar a la puerta o puertas de acceso en a la cavidad del molde y generalmente son bipartidos. sin embargo también pueden ser usados para producir piezas de diseño diferente y llamándolos comúnmente. se utilizan para inyectar varias piezas idénticas.11/05/2014 Constitución y diseño del molde de Inyección Los moldes observan en su diseño un puerto de entrada del metal líquido proveniente del sistema de inyección. estos moldes de cavidades múltiples. Los moldes son generalmente de una sola cavidad o cavidades múltiples. canales llamados corredores. 11/05/2014 Llenado de Molde Llenado de Molde 2 ∗ ⁄ Donde: V= Velocidad de la corriente (cm/s) g= Aceleración de la gravedad (981 cm/s2) P= Presión de la corriente (kg/cm2) = Densidad del metal fundido (kg/cm3) Llenado de Molde Curva de presiones en el cilindro de accionamiento de una maquina de Câmara fria durante Ia colada Curva de presiones en la cavidad del molde durante la colada 8 . se mantienen en su posición por medio de la acción de la fuerza de cierre proporcionada por la máquina. En situación de inyectar. Esta superficie de contacto de ambos semimoldes es al mismo tiempo el plano de partición. los llamados semimolde bebedero y semimolde expulsor. (5) y (6) retención por corazón metálico Partición del molde Molde con superfície de partición irregular 9 .11/05/2014 Partición del molde El molde consta de dos partes principales. Partición del molde Ejemplos de partición del molde para conseguir que Ia pieza inyectada quede retenida en el semimolde expulsor: (1) pieza plana. (3) y (4) retención por contracción sobre un postizo. ambas mitades están cerradas. (2) retención por salida diferente. que con el molde abierto permite la extracción o expulsión de la pieza colada y solidificada. canales que deben ser dimensionados y dispuestos de forma adecuada. Se distinguen tres partes en este sistema de conducción.11/05/2014 Guías del molde Los moldes deben estar provistos de guías para los movimientos de apertura y cierre. Bebedero. canal y ataque representan por tanto un sistema cerrado que. que conduce el metal fundido al canal de colada. Para ello se utilizan los casquillo de guía. canal de colada y el ataque de colada propiamente dicho. a través del cual el metal fundido entra en la cavidad del molde. La conexión inmediata con el grupo de inyección la realiza el bebedero. Sistema bebedero-canal-ataque Disposici6n del bebedero en moldes para maquinas con cámara de presión horizontal 10 . llamadas bebedero. de acuerdo con las condiciones de colada. montadas en el semimolde fijo. debe disponerse de forma que el metal alcance la cavidad del molde por el camino más corto y sin turbulencias que puedan evitarse. mientras que la placa móvil de molde esta equipada con los correspondientes casquillos de guía Técnica del ataque Sistema bebedero-canal-ataque En el interior del molde y a través de los canales de circulación se realiza la conducción del metal fundido a la cavidad del molde. a fin de facilitar un ajuste preciso de ambos semimoldes. Dimensiones de la sección del canal Metales para inyección 11 . este ultimo puede calcularse de la siguiente forma: 0. La secci6n mas pequeña del cono de bebedero debe ser por lo menos igual. es muy importante que las secciones de circulaci6n desde el bebedero basta el ataque.77 Sistema bebedero-canal-ataque Con las expresiones anteriores quedan determinadas las dimensiones de la sección del canal En el caso en que sean necesarios varios canales.20 1. El canal de colada se maquinará solamente en un semimolde. las paredes laterales del canal de ben disponer de una salida suficiente (5 a 15°). La sección SL del canal debe ser del 20 al 50% mayor que la sección Sa del ataque que se alimente: 1. Bajo estas condiciones.11/05/2014 Sistema bebedero-canal-ataque Las piezas que no están provistas de bebedero central. normalmente en el móvil.5 El ancho B del canales alrededor del 70% mayor que su espesor D. En todo caso. Este canal de colada debe conducir el metal fluido al ataque por el camino mas corto y mas recto posible. Ia sección del canal principal será igual a la suma ·de las secciones de los canales secundarios que se derivan de aquel. se precisa un canal de colada para la uni6n entre el cono bebedero o la cámara fría horizontal y el ataque de la pieza. pero preferiblemente algo superior. que la secci6n máxima del canal. No obstante existe una gran variedad de aleaciones de aluminio para inyección a presión. siendo de origen de Aluminio primario o de Aluminio secundario. pero su uso implica generalmente un premio mayor a su costo. enlistadas a continuación. 12 . tiene como características relevantes: Materiales ligeros Buena resistencia a la corrosión Facilidad de inyección Buenas propiedades mecánicas Estabilidad dimensional. Los diseñadores usualmente eligen una aleación estándar.11/05/2014 Temario Aleaciones de Aluminio Especificación de aleaciones de Aluminio Elementos de Aleación de Aleaciones de aluminio Aleaciones de Zn Especificación de aleaciones de Zn Elementos de Aleación de Aleaciones de Zn Aleaciones de Aluminio Aleaciones de Aluminio Las aleaciones de aluminio utilizadas en el proceso de inyección. También existen aleaciones especiales para aplicaciones especiales. 23 Coeficiente de expansión térmica (in.sin muesca) A380 4.5 4-5 1.15 0.3 1065-1080 CARACTERISTICAS (1-más deseable.7 10.10 0.7 23 23 25 31 10.3 Conductividad Eléctrica (% IACS) 29 31 10.0 Sn 0.095 Densidad (lb.3 3-4 1.20 0.5 3.3 3-4.10 Ni 0.6 56 78. 1035-1105 1000-1100 Calor específico (Btu/lb. 0. Bal.098 0.°F) 0.8 11.15 0./in.5 2.5-11.098 0.3 11.50 0. A383 A384 A390 A413 (A13) Máxima resistencia a la tracción (ksi) 46 47 45 48 40.50 0.5 42 Límite Elástico (ksi) 24 23 22 24 35 Elongación (% in 2" G.3 Módulo de elasticidad (106 psi) 10.50 0.65 0.0 0.3 — — 0.3 55./oF) 11. lb.10 0.5 9.50 1.20 0.3 0. 1.3 Cu 0.5 10.50 3.450.5 0.3 10.6 55.0 20 19 20 0.5 11.2 Resistencia a fatiga (ksi) (limite @ 500 x 106 Ciclos) 85 120 29 3.097 0.50 1.50 Zn 0.099 20 960-1080 960-1080 945-1200 0.50 0.10 Bal.6 0.5-12 16-18 11-13 Fe 1.15 0. o rango) A360 A380 A383 A384 A390 A413 (A13) Si 9-10 7..25 Aluminio Bal. Bal.50 0.096 Rango de fusión (°F) aprox.6 Mn 0.5 Dureza(HB) 75 80 80 Resistencia al Cizallamiento (ksi) 26 27 25 A360 PROPIEDADES Resistencia al impacto Charpy (ft.) 3.11/05/2014 Composición química (% max.3) 19 3.35 0.25 Bal.5 1-2.0 1. 2-3 0.5 3.3 1.50 Bal.50 3.5-9.35 0.3 11.30 — 0.50 Mg 0. 4– menos deseable) A360 Resistencia a fractura en caliente Estanqueidad bajo presión A380 A390 A413 (A13) A383 A384 2 2 - 2 - 1 1 2 2 2 - 1 4 Pulido 3 3 - 3 - Fluidez 2 2 1 1 - 1 Resistencia a la Corrosión 3 4 3 4 - 2 Maquinabilidad Resistencia a temperaturas elevadas Tendencia a adhesión al molde 2 2 2 3 - 4 3 2 2 1 - 2 2 3 1 2 2 - Electro platinado 1 1 - 2 - 3 Apariencia de Anodizado 4 4 - 4 - 4 13 .10 0.L.5 18 0.50 0.6 67.3 Conductividad térmica (Btu/fthr.0 3./in.oF) 65.7 11.9 10.35 Ti — Total otros 0.35 0.20 — 0.23 0.4-0. que aquellas que contienen mas de 11. se consideran hipereutécticas 14 . Incrementa vaciabilidad reduce deformación en caliente y contracción durante la solidificación.11/05/2014 PRINCIPALES ELEMENTOS DE ALEACIÓN SILICIO Principal elemento de aleación de las aleaciones usadas comúnmente en la fundición del aluminio.8%.8% silicio se clasifican como hipoeutécticas. Reduce ductilidad y maquinabilidad Las aleaciones que contienen menos que 11. 11/05/2014 Estructuras resultantes Cobre Son aleaciones de mayor uso en las aleaciones de aluminio para uso automotriz. Susceptibles a tratamiento térmico. por Temple/envejecimiento. y a la corrosión. Magnesio Incrementa la resistencia a la tracción y dureza de manera especial imparte mejores propiedades a temperaturas elevadas y características de terminado superficial a espejo 15 . dureza y resistencia a la abrasión. con silicio en cantidad menor. Excelentes propiedades resistencia mecánica. sino realmente es una impureza.11/05/2014 Fierro en Aluminio El Fe no se considera como un elemento de la aleación . Efecto del Mn y el Fe 16 . fortaleciendo la fase Alfa Se combina con el Mn precipitando una estrucctura llamada escritura china Manganeso El Mn normalmente no se considera un elemento de la aleación sino que sirve de "recolector" de Fe. pero en cantidades más altas del requerido puede ser perjudicial. Aunque está presente virtualmente en todas las composiciones de las aleaciones. precipitándolo. y formación excesiva de escoria durante la fusión. reducción al efecto del "creep". y reducción de propiedades mecánicas en estado del sólido. Cadmio. Plomo.5% en la mayoría de las aleaciones sin efectos perjudiciales.11/05/2014 Zinc El Zinc es un elemento común de aleación en las aleaciones de diecasting. En concentraciones menores que 3%. hasta un nivel de 0. Níquel Es normalmente una impureza aceptable. en cantidades hasta 3%. En concentraciones mas alta se precipita un intermetálico impartiendo fragilidad. agrietamiento caliente. tienen una solubilidad muy baja se consideran como impurezas indeseables. En algunos casos el níquel se incrementa hasta un nivel de 12% como en las aleaciones usadas en la fabricación de pistones. 17 . Estaño Los elementos. Se recomienda en aplicaciones sujetas a altas temperaturas y buenas propiedades mecánicas Incrementa la resistencia a la tracción. Bismuto. Zinc tienen poco efecto en las propiedades. Es importante resaltar: “Hasta que el proceso de fusión del metal sea controlado. entonces el proceso de HPDC podra ser controlado” Fuentes de suministro La mayoría de las fundiciones de HPDC se proveen de metal bajo especificación en forma de lingote. El Proceso de HPDC inicia cuando el metal se encuentra dentro de especificación química. La condición del metal solidificado depende del control del proceso. cuidado y manejo antes de ser vaciado dentro de la cámara de inyección del metal. Otras reciben su metal en forma líquida Manufacturan su aleación en planta 18 . La preparación. es crítico para obtener los parámetros deseados de la pieza.11/05/2014 Introducción a la fusión de metales de inyección y manejo de Metal Líquido Fusión de metales de inyección (HPDC) El Proceso de HPDC involucra la solidificación de metales para crear productos. limpieza de metal. temperatura es vaciado dentro de la cámara de inyección. El conocimiento de la fusión del aluminio comienza con la comprensión de cuanta energía deberá ser adicionada al horno al fin de convertir el metal sólido a líquido Requerimientos energéticos para fusión A la temperatura a la que la convierte en un sólido líquido. se requiere de una gran cantidad de energía por el metal para realizar este cambio de fase . Calor Requerido Calor específico estado Sólido Btu/lb°F t1= Temperatura de Solidus °F L Calor Latente de fusión requerido BTU/lb CL Calor específico estado líquido Btu/lb°F t Temperatura del metal °F tL Temperatura del Líquidus °F 1 19 .) al metal cargado al horno. etc.11/05/2014 Requerimientos energéticos para fusión Los sistemas de fusión en el proceso HPDC tienen el objetivo de convertir y transferir la energía contenida en los combustibles (Gas Natural. Esto se llama calor latente de fusión. y es aproximadamente 1/3 del calor total fundir una libra de aluminio. a una temperatura por encima del punto de fusión del metal es posible calcularlo con la siguiente ecuación: 1 1 76 CL Donde. Propano. Combustóleo. Requerimientos energéticos para fusión El calor que se necesita para fundir el metal a temperatura ambiente. para cambiarlo de fase sólida a fase líquida. usualmente es inferior a la Energía H 2 que debe generarse por el combustible.28 0.09 0.12 0.de Latente líquidus de Fusión tL Líquido CL L °F BTU/lb 0.34 1 Calor Temp.24 0.11 44 787 0. Esta proporción de energía utilizada contra la generada es conocida como la eficiencia en general.06 Calor específico BTU/lb‐°F Solido CS 0.32 148 1204 43 169 1 76 Calor Temp.10 0.del Total metal requerido t H1 °F BTU/lb 1350 493 900 142 1350 510 780 113 1250 475 CL EFICIENCIA DE FUSION La energía H 1 que es absorbida por el metal. Esta diferencia es energía que se pierde debido a una variedad de razones.25 0.11/05/2014 Determinación de requerimientos energéticos para fusión Densidad Lb/ in3 Metal Al Zn Mg Zamak 3 Al (380 AA) 0.26 173 1220 0. de fusión y se expresa como: ƞ ⁄ Seguridad en el proceso de fusión SEGURIDAD DE PERSONAL 20 . Esto puede representar la diferencia entre la vida y la muerte.11/05/2014 Seguridad de operación El uso de equipo de protección y seguridad. Quemaduras FORMULARIO DE EVALUACIÓN DE RIESGOS 21 . Selección de Equipo Establecimiento de programas de seguridad. cuando se labora cerca de metal líquido es importantísimo. a fin de prever accidentes de trabajo a operarios. ………PERO SIEMPRE: • Asegurarse que el horno se mantenga en fuego bajo antes de cualquier operación de limpieza o carga • Asegurarse que las puertas permanezcan aseguradas antes de limpieza • NUNCA. 22 . PERO NUNCA.. Significando el uso de del equipo de seguridad. el equipo de seguridad apropiado. • SIEMPRE !!!!!!. SE REALICE LA TOMA DEMUESTRAS POR LAS PUERTAS.. cuando se trabaja con aluminio líquido fundido es extremadamente importante a fin de prevenir lesión alguna a los operarios del área de fundición.11/05/2014 Requerimientos de uso de Equipo de Seguridad Requerimientos Mínimos En algunas Plantas: Lentes de Seguridad Casco de seguridad Calzado con casquillo de acero Polainas en pies y piernas Accesorios resistentes a flama y a metal líquido: Respiradores (Operación de Aplicación de fundente) Guantes Chamarras antiflama Polainas “ durante la operación de vaciado” Ropa aluminizada Protectores Faciales SEGURIDAD • SIEMPRE. Utilizar. Usando el equipo de protección y seguridad Vistiendo la ropa protectora y el equipo de seguridad apropiados. la diferencia entre la vida y la muerte.. 11/05/2014 QUEMADURAS 23 . HORNOS DE CRISOL 24 .11/05/2014 Sistemas de Fusión usados en el proceso de HPDC Hornos usados en HPDC En el proceso de HPDC se utilizan principalmente los siguientes tipos de hornos para fundir el metal: Crisol Reverbero Existen varios factores que han de considerarse para seleccionar el mejor tipo de horno de fusión para una aplicación determinada. Hornos de Crisol (Resistencias eléctricas) Las resistencias eléctricas también puede son usadas como elementos calefactores en hornos de crisol.11/05/2014 Hornos de Crisol El horno de crisol consta de un crisol de Carburo de silicio-grafito por lo general con capacidad de hasta 1500 lb de aluminio. Hornos de Crisol Se calientan por la combustión de combustible (Gas ó líquido). 25 . El calor se transfiere a la carga metálica a través de las paredes del crisol. El calor se transfiere a través superficie del crisol a razón de aproximadamente 20. Pérdida de Radiación superficie expuesta es de 13000 btu/pie cuadrado-hr. insertado en una carcasa de acero con revestimiento interior de refractario.000 Btu/m²-hr. ó por medio de resistencias eléctricas embebidas en el recubrimiento refractario. Elementos de la resistencia eléctrica se disponen embebidas el revestimiento refractario. Hornos de Reverbero 26 . la facilidad de cambio de aleación y la simplicidad de la reparación. mínima necesidad de espacio. Costo de reemplazo de crisoles Requiere cuidado excesivo.11/05/2014 Tipos de Hornos de Crisol EFICIENCIA TERMICA Hornos de Crisol (Ventajas y Desventajas) Crisol hornos tienen la ventaja de un bajo costo de inversión. Entrada de calor está limitada por el espacio disponible para la combustión y el área disponible para transferencia de calor. La principal desventaja es el bajo índice de fusión. La capacidad de los hornos de reverbero es muy variable y oscila entre los 45 Kg a los 100. Hornos de Reverbero Este tipo de hornos fueron empleados en el procesamiento de metales.000 Kg que tienen los empleados para la fusión de metales férreos y no férreos. especialmente en la producción de piezas de aluminio. Transferencia de Calor Radiación Flama a la Carga Refractario (mayor) Convección 27 . que refleja (o reverbera) el calor producido. inclusive para la para la fusión de la fundición de hierro.11/05/2014 Hornos de Reverbero Horno de reverbero es generalmente rectangular. cubierto por una bóveda de materiales refractarios y con chimenea. por la combustión de combustibles sólidos. líquidos o gaseosos Tales hornos se usan en la producción de aleaciones de metales no ferrosos. 1 MW (44%) Calor a Baño metálico 28 .11/05/2014 Transferencia de Calor Diagrama Sankey Calor Total Ingresado al Horno Calor Disponible a carga Análisis térmico 2.115 MW (0.46%) Calor a Paredes 1. 1.50 MW 100% Calor a Chimenea Horno reverbero 60 Ton.35 MW (53%) Calor Total Ingresado 0. en comparación con la de otros tipos de hornos. La Flama calienta directamente la carga oxidándola Oscila entre 5 y 12% por cada libra de aluminio fundido. 29 . por la acumulación en el área de carga y en la cámara secundaria. En cuanto a la merma metálica . El metal líquido. Un potencial problema es la dificultad de limpieza de este tipo de hornos. donde se realiza la carga y se mantiene hasta su fusión.11/05/2014 Hornos de Reverbero Los hornos de reverbero son clasificados convencionalmente como: Hornos de Cámara Seca Hornos de Cámara Húmeda Reverbero de Energía Eléctrica Radiante Hornos de Cámara Seca El horno de cámra seca consiste observa un área refractaria inclinada con una pendiente. es el más alto. Hornos de Cámara Seca EFICIENCIA La eficiencia en el consumo de combustible es muy bajo siendo entre el 18% al10 % El consumo de combustible por libra es de aproximadamente 3000 a 5000 BTU/lb de aluminio fundido. se aloja en una cámara de retención secundaria. esta posa es conectada por medio de un arco sumergido. una posa donde se alojan las piqueras para vaciar el metal hacia las ollas de transferencia. 30 . Comúnmente se observa en el extremo opuesta de la posa de carga.11/05/2014 Hornos de Cámara Húmeda Los hornos de reverbero de cámara húmeda son los sistemas más utilizados para la fundición de aluminio de Die Casting. separada de la cámara principal . Estas innovaciones han incrementado la eficiencia de consumo de combustible y reducción de mermas metálicas. tales como la distancia del techo a la línea de metal y quemadores de gas radiantes (flama plana) instalados en la bóveda. generación óxidos y problemas. Hornos de Cámara Húmeda Este tipo de hornos han sido optimizados a fin obtener una mayor eficiencia de fusión. Consiste esencialmente en una poza de carga exterior. Con quemadores a gas tipo radiantes. Se ahorra energía debido al intercambio energético entre la carga fría y la carga caliente. por agitación y disminución de temperatura de operación. El equipo asegura una homogenización química por la circulación forzada .11/05/2014 Hornos de Cámara Húmeda EFICIENCIA El horno de reverbero de cámara húmeda no se utiliza normalmente para carga por lotes. ofrece grandes ventajas: Una homogenización térmica y química en todo el baño. el horno utiliza aproximadamente 3. La carga es fundida más rápido debido a las fuerzas de convección.000 BTU por libra de metal. Reducción notable a la formación de lodos. una bomba de circulación. El diseño del horno ofrece una baja pérdida metálica por fusión en relación a otros diseños de unidades de fusión. En un Horno de Reverbero de energía radiante. La eficiencia de operación se incrementa de manera general de un 1215%. 31 . Está diseñado para procesos continuos de producción de alto volumen. Optimización de Hornos de reverbero. La pérdida metálica de metal por fusión se estima de 3 a 5% en una práctica normal. estos dispositivos aseguran la circulación del metal en todo el horno. por la acción de la agitación mecánica. Estas cifras se basan en carga fría Optimización de Hornos de reverbero CIRCULACION DE METAL EN HORNOS En hornos de gran capacidad. que descarga directamente a la poza de carga. observando una recuperación térmica más lenta. Tiene un área de carga remota. es necesario cargar metal líquido para iniciar su operación . separados por un arco sumergido (o una puerta). La radiación eléctrica en un horno de reverbero es similar a los hornos de reverbero a combustóleo o gas. La cámara del metal permanece tranquila. sin agitación. La merma metálica es aproximadamente 1% por cada libra de aluminio fundido. porque no existe ningún proceso de combustión. Este horno seno inicia su operación un arranque en frío. que en un horno alimentado por combustible fósil.11/05/2014 Hornos reverberos de Energía Eléctrica Radiante Hornos Reverberos de Energía Eléctrica Radiante Este tipo de Hornos es relativamente un nuevo concepto en hornos. Basado en una operación de carga fría eficiencia la eficiencia de fusión es de aproximadamente 70 a 75 %. Este horno utiliza aproximadamente 820 BTU por libra de metal fundido. al agregar metal frío. sin generar formación de escorias. 32 . de una cámara térmica aislada donde se incorporan elementos de calefacción de carburo de silicio que radian el calor al metal líquido. 11/05/2014 Hornos Reverberos de Energía Eléctrica Radiante 33 . Usualmente mantienen 9 veces más que lo que funden. no tienen una buena rapidez de recuperación energética. ó perderá temperatura. El horno siempre deberá estar conectado a la línea de energía. Los Hornos reverbero eléctricos presentan el mismo problema que los de gas. Alta calidad de metal.1 lb/hr de CO2 a “CERO” Características en contra: Los Hornos reverbero eléctricos.11/05/2014 Características positivas de los hornos de reverbero eléctricos No se requiere obtener permisos para gases efluentes y se requiere menos energía para la operación. Operación silenciosa. la generación de óxidos en sus paredes interiores. su recuperación energética es lenta. Las emisiones se reducen de 148. 34 . Inclusive nunca se sabe si el horno está en operación. hasta que metal frio es adicionado al mantenedor. En teoría es correcto. y el horno es vaciado 5 pulgadas y se adiciona 500 lb de metal 10 grados más frío que el metal del interior. (presentándose coladas frías. HORNOS DE MANTENIMIENTO Si el horno requiere de 10 KW para mantener temperatura en el mantenedor en condiciones normales. Desde este momento la temperatura el baño entero deberá de incrementarse varios grados. y se adiciona un ventilador que sopla en la carcasa del horno o en la poza. Para realizar este incremento el sistema. Si un horno mantiene 2400 lb (~ 1000 kg)el horno tiene una potencia de solo 15-18 KW. 35 .(para refrescar el área). a fin de no afectar el proceso. o KW) para superar la pérdida de calor y elevar la temperatura del metal "X" número de grados a la brevedad posible. los hornos mantenedores son con sistema de calentamiento eléctrico. En la mayoría de las plantas de USA. porosidad). rechupes.11/05/2014 HORNOS DE MANTENIMIENTO HORNOS DE MANTENIMIENTO Todos pensamos que los hornos de mantenimiento realizar la tarea de mantener la temperatura del metal a una temperatura predeterminada. con sistemas de calefacción con capacidad de calentamiento mínimo. requiriendo un diagnóstico de problemas potenciales. algunos de estos con los hornos no tienen control proporcional completo. Para empeorar aún más las cosas. Usualmente estos hornos operan siempre al 100%. el horno requerirá más de una hora para recuperarse a su temperatura de operación. Obviamente esto una operación deficiente. en función de mantenimiento requerido. deberá tener suficiente energía (BTU. el suministro de metal fundido de la central de fusión. Los hornos mantenedores de Gas tienden a recuperarse más rápido que los hornos eléctricos. cambia. a fin de compensar la caída de la temperatura mediante el aumento de potencia energía a los elementos calefactores de manera gradual y con la rapidez suficiente para hacer un mantenimiento adecuado. El fundidor depende de la potencia del horno de mantenimiento o los controles de suministro de combustible para mantener temperatura requerida. casi instantáneamente. Al momento es vaciado el nuevo metal. Debido a que el horno. Para cada aleación y molde. la frecuencia de alimentación a hornos de mantenimiento. la temperatura del horno de mantenimiento deberá de ser mantenido dentro de un rango de ±15°C. pueden ser más eficientes. si el metal agregado a un horno es mas caliente que el metal del horno el cambio de temperatura se puede calcular de la forma siguiente: ∆ Si el metal está más frío que el metal del mantenedor el cambio de la temperatura se puede determinar: ∆ 36 . HORNOS DE MANTENIMIENTO (Consideraciones Generales) Este cambio de temperatura dependerá de la cantidad y la temperatura del material transferido horno de mantenimiento. para saber cuándo la temperatura del metal comienza a bajar. la temperatura del horno mantenedor. el manejo de temperatura del metal líquido hacia las máquinas de inyección es una consideración crítica. Pero si los hornos son diseñados o. es necesario. se vacía de manera continua. HORNOS DE MANTENIMIENTO (Consideraciones Generales) La evaluación del tamaño de los hornos de mantenimiento y ollas de transferencia. con suficiente potencia (KW) instalada y controles totalmente proporcionales.11/05/2014 HORNOS DE MANTENIMIENTO Algunos instrumentos no controlan la temperatura con la suficiente frecuencia. HORNOS DE MANTENIMIENTO (Consideraciones Generales) Por ejemplo: si el mantenedor es de 500 libras capacidad. la diferencia de temperatura máxima permitida entre la olla de transferencia y el horno mantenedor sería: ∆ 1 F= 0.25 ∆ 10° 1 0.25 y la temperatura de fusión debe mantenerse dentro de un margen de ± 10 grados °F. 0.20.25 0. el factor F en la ecuación 0. libra. °F Peso del material en horno. 0.11/05/2014 HORNOS DE MANTENIMIENTO (Consideraciones Generales) Donde: ∆ Cambio de la Temperatura en el horno mantenedor. etc. Peso del material líquido vaciado en el mantenedor. libras.°F HORNOS DE MANTENIMIENTO (Consideraciones Generales) Si =F donde F es una fracción de la expresión se reduce a: ∆ (0.) 1 Los corchetes indican el valor absoluto de la diferencia de temperatura.25 10 ° = 50°F (10°C) 37 . °F Temperatura del metal vaciado en el mantenedor. Temperatura de fusión horno el mantenedor.10. Esta expresión ser utilizada para estimar la desviación máxima de temperatura admisible entre la olla y el horno mantenedor para un rango permisible determinado de temperatura en el horno para que un determinado temperatura en olla de transferencia.30. 15 = 76°F (25°C) Lo que significa que el material fundido en olla puede desviarse ±50 °F de la temperatura deseada de horno si nunca se vacía más de un 25% Si la temperatura de la olla esta de más de 50 °F por encima de la temperatura deseada. Es importante reconsiderar cual es el crecimiento esperado de nuestra planta para substituir y seleccionar el horno adecuado al crecimiento de nuestra empresa.15 (85% de capacidad del horno mantenedor) 1 0.11/05/2014 HORNOS DE MANTENIMIENTO (Consideraciones Generales) Y para F= 0.15 10 ° 0. HORNO MANTENEDOR DE ALEACIONES DE ZINC 38 . Pero recientemente las operaciones se han convertido en operaciones de clase mundial. la temperatura del material fundido en el mantenedor se elevará por encima del máximo permitido: ±10°F TIPOS DE HORNOS DE MANTENIMIENTO Usualmente en México los mantenedores son de tipo crisol. En virtud del tamaño de las operaciones establecidas en México. aislantes materiales de sílica micro porosa. Origen: Japón desde 15 años.11/05/2014 HORNOS DE MANTENIMIENTO Hornos reverberos de elementos calefactores radiantes Mantenedores con elementos calefactores inmersos Equipos de última tecnología. Mantenedores con elementos calefactores inmersos 39 . La temperatura de vaciado es de 1250°F siendo 105°F menos que los mantenedores de gas normales. utilizados como fusores ó mantenedores. Excelentes resultados en ahorro de energía. Nuevo diseño mejorado: Refractarios de alta densidad en cara de trabajo . siendo posible optimizar esta hasta un 76% por la utilización de equipos de circulación de metal líquido en las operaciones de fusión. Produce menos pérdida de metal por oxidación. Mantenedores con elementos calefactores inmersos La vida en los elementos reportada es en promedio de 2 años y más de 5 años la vida de las mangas protectoras Es posible cambiar los elementos calefactores durante la operación y puede permanecer en operación con un solo de los elementos Las capacidades oscilan desde 2000 lb con una unidad de potencia de 30KW y hasta 9000 lb con una unidad de potencia de 90 KW. acumulación de escorias. Uso de Energía mínima: Menos de 15 BTU /lb con Tapas en posas Menos de 22 BTU's /lb durante Producción. Produciendo una menor estratificación térmica.11/05/2014 Mantenedores con elementos calefactores inmersos Mantenedores con elementos calefactores inmersos El horno utiliza elementos eléctricos cubiertos con fundas de Sialon. localizados en baño de aluminio. 40 . Temperatura de carcasa de 45 a 50°C. Temperatura de operación 675‐ 680°C . estas pérdidas de calor de la olla de transferencia puede ser estimadas. 41 .11/05/2014 Ollas de transferencia Dependiendo del tamaño de la operación del nuestra empresa. mismas que son transportadas por montacargas adaptados. La olla se muestra en la figura tiene una capacidad de 2. refinación.). Pérdida de calor en ollas de transferencia La pérdida en la carcasa se puede estimar en función a la superficie expuesta de la olla al medio y su temperatura. ó grúas viajeras. Pérdida de calor en ollas de transferencia El manejo del metal comúnmente genera pérdidas de calor. Se observa la desventaja de generar turbulencia en el metal cuando se vacía el metal.000 libras de aluminio líquido. consecuentemente de temperatura. (desgasificación. etc. La mayor pérdida de calor de la superficie superior al aire por convección y radiación Para aluminio la práctica normal es usar 13.000 Btu/ft² por hora como la pérdida de calor de la superficie del material fundido expuesto al aire. Como todos sabemos es el método más común para transferir el metal a los hornos mantenedores. es común el uso de las ollas de transferencia. pero ofrece la ventaja de realizar tratamientos de preparatorios del metal en la misma olla. 11/05/2014 Impurezas en aluminio líquido IMPUREZAS Impurezas metálicas Disueltas Inclusiones No-Metálicas Hidrógeno solubilizado Compuestos Intermetálicos Precipitados 42 . 19 >4.5-5 0.6 2.2-0. Inclusiones No-Metálicas típicas TIPO Tabla ll Inclusiones en aleaciones de aluminio FORMULA MORFOLOGIA DENSIDAD Oxidos Al2O3 g/cm MgO MgAl2O4 Sales Nitruros Cloruros Fluoruros Al4C3 SiC AlN Boruros TiB2 Lodos AlB2 Al(FeMnCr)Si Carburos Partículas Películas Partículas Películas Partículas Películas Partículas Partículas Partículas Partículas Películas Partículas Películas Partículas Partículas 3.58 3.22 3.5-0. Magnesio. Cd.26 3 DIMENSIONES (micras) 0.11/05/2014 Impurezas metálicas Disueltas Elementos fuera de compsición. en las aleaciones de Diecasting.3 10-5000 0.36 3.0 0.5 1-30 3.1-5 10-5000 0.97 3. Elementos pesados Sn.1-5 10-10000 0.66 2.25 10-50 4. Pb.1-3 43 . debido a la gran diferencia de solubilidad entre liquido y estado del sólido.11/05/2014 Hidrógeno El Hidrógeno es el único gas con solubilidad en aluminio liquido. El Hidrógeno causa problemas en la pieza de aluminio. Intermetálicos Precipitados FACTOR DE LODOS Fe+2Mn+3Cr====> 1.8 44 . Tratamientos del Metal Líquido 45 .11/05/2014 Dependencia del Factor de Lodos Limpieza y tratamiento de las aleaciones de Aluminio. por lo que deben ser eliminados del baño antes de inyectar. Sin embargo. La adición de chatarra. estos fundentes. mientras que los Fundentes de cobertura actúan como una barrera para la superficie del material líquido. baja temperatura) Los Fundentes de limpieza son utilizados para eliminar los óxidos de la fusión. evitando la formación de óxido. Si estos óxidos no se remueven formaran parte del producto inyectado. pueden utilizarse para ambos fines. TIPOS SALES Cubertura y limpieza Exotérmicas Limpieza de paredes de Horno Desgasificado Refinación de grano Sales de Limpieza Cubertura y limpieza (Bajo Flúor . tienden a formar rápidamente una película de óxido de aluminio. Comúnmente los denominamos como escorias. La cantidad de fluoruros imparte una mayor eficacia y permite. los fluoruros pueden liberar humos nocivos. a alta temperatura. pero también los elementos de aleación tienden a formar parte de estos óxidos. la operación a temperaturas más bajas. Siendo mezclas (Mecánicas o pre fundidas) de compuestos químicos que actúan en el baño. Bajo contenido de Sodio . especialmente en estado líquido. Los fundentes libre de Sodio son utilizados en las aleaciones hipereutécticas ( >12% contenido de silicio). 46 . para diferentes rangos de temperatura. Generalmente. lingotes o metal líquido.11/05/2014 Sales de Limpieza El aluminio es químicamente muy activo. La mayoría son óxidos de aluminio. generan agitación en el baño y acusan una película de óxido de aluminio que se suspende en el metal líquido. originando defectos. Los fundentes se ofrecen en el mercado. realizando diferentes efectos en función a su tipo. Las superficies recién expuestos. Sales de Limpieza A fin de eliminar estos óxidos se emplean las sales de limpieza o fundentes. ya que el sodio puede interferir con los elementos de refinación del grano. recomendándose utilizar productos con bajos contenidos de fluoruros. al medio ambiente. se incrementa la dificultad de alimentar y reduce las propiedades mecánicas de un casting. a un grano grueso. remueven el hidrógeno y también óxidos y otras impurezas. pero muy bajo en la fase sólida.11/05/2014 Sales de Limpieza Exotérmicas Este tipo se aplican directamente a las escorias para la liberación de metal atrapado en las escorias de fusión y reducir las pérdidas. 47 . Limpieza de paredes de Horno La acumulación de óxido paredes del horno tiende a deteriorar la vida del horno. Todo metal que no ha sido desgasificado es vulnerable a presentar este tipo de defectos.. Si la acumulación no se mantiene bajo control. más fino es el tamaño de grano. es muy soluble en las aleaciones de aluminio líquido. en la matriz de la pieza. Al momento que el aluminio se solidifica. Ventajas de la refinación de grano incluyen: Dispersión de porosidad. Una mejor estanqueidad de la presión a través de la prevención de porosidades. que es un material que es muy difícil de quitar. el boro y el Zirconio son populares los refinadores de grano. hidrógeno disuelto el exceso de líquido se expele de y forma burbujas. El titanio. Sales de Limpieza Refinación de grano Tamaño de grano en las aleaciones de aluminio se refiere al tamaño de los cristales de aluminio en una pieza de fundición. Prevención de puntos calientes. los óxidos con la acción el nitrógeno tiende a formar corindón. siendo como una siembra de lluvia en nubes apliando hielo seco. Al aumentar el tamaño de grano. Refinado de grano hace que los granos más pequeños mediante el aumento del número de núcleos de cristalización solidificación. El tamaño de los cristales está directamente relacionado con el número de granos o núcleos formados en las primeras etapas de la solidificación. Para estos casos de limpieza de paredes se recomiendan estos fundentes a fin de ablandar la acumulación y que sea más fácil su remoción. haciendo que el trabajo de limpieza del horno sea más difícil y disminuyendo el volumen del horno. Sales de Limpieza Desgasificado El hidrógeno. entre más granos existen. Los fundentes de desgasificado. Posteriormente desorción en la superficie.H + se encuentra en equilibrio la disolución es reversible Por reducción de la presión parcial del gas solubilizado. Presión parcial del Hidrógeno Difusividad en el metal Difusividad en el límite de la burbuja Coeficiente de actividad Tensión superficial del baño 48 . Por reducción de la temperatura del metal líquido. Transporte del Hidrógeno en el baño a la vecindad de burbujas de gas que solubilicen este gas por convección y difusión. Factores que afectan la desgasificación Factores físico-químicos que afectan la remoción de H 2 Constante de equilibrio.11/05/2014 DESGASIFICACION DE ALUMINIO Teoría de Desgasificación Ya que la solución Al. Tiempo de proceso largo Inyección de gases al baño Proceso muy sencillo Su efectividad depende del tamaño de burbujas Desgasificación al vacío 49 . atmósferas secas.11/05/2014 Factores de operación que afectan la remoción de Hidrógeno Volumen del metal a tratar Tipo de gas de inyección Flujo de gas Diámetro de burbujas de gas de lavado Tiempo de tratamiento Temperatura Aleación Efectos de Hidrógeno Métodos de Desgasificación Desgasificación Natural Bajas Temperaturas de proceso. 11/05/2014 Métodos de Inyección de gases al baño Inyección de gases al metal Estáticas Tubos :Grafito. Cerámicos. Metálicos Tapones porosos Dinámicas Unidades de Flecha rotor Compuestos Químicos clorados Sólidos ó pulvurolentos Hexacloroetano. Cloruro de Manganeso Comparativo de gases de Inyección Tipos de Gases de Inyección Gases de Inyección Inertes Argón o Nitrógeno Activos Cloro Hexafloruro de Azufre Compuestos clorados 50 . 11/05/2014 Comparativo de eficiencia de desgasificación de diferentes gases Comparativo de eficiencia de desgasificación de Ar N2 Tubo de Grafito con Dispersor de gases 51 . Unidades Flecha Rotor En el mercado se encuentran disponibles varios sistemas: RFP Reading Foundry SINF Pirotek RDU. impartiendo dirección generando burbujas muy pequeñas (1/8”) incrementando el área de contacto hasta 64 veces. el ensamble se encuentra acoplado a un sistema motriz que imparte giro Al momento que el gas emerge de la lanza. las burbujas generadas son dispersadas por el rotor.11/05/2014 Tubos de Inyección Unidades Flecha Rotor El gas de lavado es inyectado a través de la flecha. en su extremo inferior se localiza un rotor . su diferencia radica en el tipo de rotor usado 52 . MDU Foseco STAR Ladle Degasser Metaullics Operan bajo el mismo principio. 11/05/2014 53 .