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UNIVERSIDAD CENTROAMERICANA
“JOSÉ SIMEÓN CAÑAS”
DESARROLLO E IMPLEMENTACIÓN DE PRUEBAS DE
LABORATORIO PARA ARENAS DE FUNDICIÓN
TRABAJO DE GRADUACIÓN PREPARADO PARA LA
FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA
PARA OPTAR AL GRADO DE
INGENIERO MECÁNICO
POR:
ABEL JOSUÉ CAMPOS MORENO
MAYO 2005 SAN SALVADOR, EL SALVADOR, C.A.
RECTOR
JOSÉ MARÍA TOJEIRA, S.J.
SECRETARIO GENERAL
RENÉ ALBERTO ZELAYA
DECANO DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA Y
ARQUITECTURA
CELINA PÉREZ RIVERA
COORDINADOR DE LA CARRERA DE INGENIERÍA
MECÁNICA
MARIO CHÁVEZ
DIRECTOR DEL TRABAJO
CARLOS RIVAS
LECTOR
NELSON MARCÍA
DEDICATORIA
Dedico este trabajo a mis compañeros Enrique Erazo y Angel Monroy por su gran
colaboración, ayuda y compañerismo; que aunque no pudieron estar presentes en este
trabajo sus aportes y dedicación están presentes en él. Y a pesar de las dificultades siempre
salimos adelante y nunca nos rendimos; Dios llene sus vidas de bendiciones.
i
RESUMEN EJECUTIVO
La arena es el material básico que emplea el fundidor, tanto para la fundición de hierro
como para el acero. Se estima que por cada tonelada de piezas coladas de fundición de
hierro, se emplea una tonelada de arena. Este proceso es el más rápido y menos costoso.
La mayoría de moldes para colada en arena son unitarios (destruibles). Por lo que no se
mantienen las mismas propiedades de la arena en distinta fundiciones y esta se vuelve una
práctica de prueba y error.
El estudio de las arenas de moldeo es una de las ramas principales de la tecnología de la
fundición. Por tanto, el laboratorio de ensayo de arenas debe ser convertido en un
instrumento esencial para el control diario del trabajo del taller de fundición. Ya que se
podrá manejar una fórmula estándar, conociendo las proporciones adecuadas para la arena
de fundición durante el proceso.
En nuestro país, la industria de la fundición todavía es un arte para el fundidor, así como la
preparación de las mezclas para moldes. La costumbre es que se emplean determinadas
tierras de moldeo para cada clase de trabajo y la habilidad del moldeador, que
frecuentemente es un hombre muy experimentado, consigue resultados tan buenos, como
los logrados en las mejores plantas de arenas; dada su experiencia, le basta con aplastar la
tierra en su puño para advertir sus cualidades. Sus mezclas son un secreto bien guardado, y
se emplean un sin fin de variedades de ellas.
El control de la preparación y conservación de la arena dentro de límites predeterminados
de humedad, aglutinación, permeabilidad y otras propiedades, desempeña un papel
importante en la preparación de buenos moldes, la reducción del trabajo de rebaba y la
posibilidad de alcanzar el máximo rendimiento en buenas piezas coladas.
ii
Dentro de la industria de la fundición, existe equipo de laboratorio para pruebas de arenas,
el cual puede ser explotado al máximo para conocer las propiedades de la arena con la que
ahí se trabaja.
El presente trabajo tiene como finalidad, mostrar los equipos, su funcionamiento y las
condiciones necesarias para su operación durante las pruebas de arena, documentar los
procesos presentes en estas y saber interpretar los resultados obtenidos.
iii
ÍNDICE CONTENIDO PÁGINA
RESUMEN EJECUTIVO………………………………………………………... i
SIGLAS…………………………………………………………………................. v
ABREVIATURAS………………………………………………………………… v
SIMBOLOGÍA……………………………………………………………………. v
PRÓLOGO………………………………………………………………............... vi CAPÍTULO 1 PROPIEDADES Y CARACTERÍSTICAS DE LAS ARENAS DE MOLDEO……………………………………………………………………... 1
INTRODUCCIÓN…………………………………………………….............. 1
CARÁCTER REFRACTARIO………………………………………………. 1
COHESIÓN Y RESISTENCIA……………………………………………… 2
PERMEABILIDAD…………………………………………………………… 3
MOLDABILIDAD…………………………………………………………….. 4
CAPÍTULO 2 DESCRIPCIÓN DE LOS EQUIPOS…………………………… 5
APISONADOR (SAND RAMMER)…………………………………………. 5
PERMEÁMETRO…………………………………………………………….. 8
MÁQUINA UNIVERSAL DE ESFUERZOS………………………............... 9
TAMIZADOR…………………………………………………………………. 10
FRIABILIDAD / MOLDABILIDAD………………………………………… 11
PRUEBA AZUL DE METILENO……………………………………………. 12
MEDIDOR DE HUMEDAD (BOMBA SPEEDY)…………………............... 13
CAPÍTULO 3 LABORATORIO DE FUNDICIÓN……………………………. 15
EQUIPO 1 APISONADOR DE ARENA (SAND RAMMER)……................ 17
EQUIPO 2 PRUEBA FRIABILIDAD Y MOLDABILIDAD………………. 22
EQUIPO 3 MÁQUINA UNIVERSAL DE ESFUERZOS…………............... 28
EQUIPO 4 PERMEÁMETRO……………………………………….............. 30
EQUIPO 5 ANÁLISIS GRANULOMÉTRICO TAMIZADOR……………. 33
EQUIPO 6 DETERMINAR CONTENIDO DE ARCILLA………............... 36
EQUIPO 7 DETERMINAR PRUEBA DE HUMEDAD……………………. 38
EQUIPO 8 CONTENIDO DE ARCILLA AZUL DE METILENO............... 41
DETERMINAR CONTENIDO DE ARCILLA TOTAL………............... 45
iv
DETERMINAR CONTENIDO DE ARCILLA DISPERSADA………… 50
DETERMINAR ARCILLA SUPRIMIDA……………………….............. 52
MÉTODO DEL MATERIAL EQUIVALENTE…………………………. 52
EQUIPO 9 BALANZA DIGITAL……………………………………………. 54
EQUIPO 10 MEZCLADORA………………………………………………… 56
CAPÍTULO 4 CONTROL DE ARENA PARA PIEZAS DE FUNDICIÓN...... 57
CONCLUSIONES……………………………………………………………... 60
CONCLUSIONES………………………………………………………………… 62
RECOMENDACIONES………………………………………………………….. 63
GLOSARIO……………………………………………………………………….. 64
REFERENCIAS…………………………………………………………………... 65
BIBLIOGRAFÍA………………………………………………………………….. 66
ANEXOS
HOJAS DE CÁLCULO……………………………………………………….. A-1
v
SIGLAS
AFS American Foundry Society (Sociedad Americana de Fundidores)
ABREVIATURAS
I.F. Índice de Finura
F.C. Factor de Calibración
M. Metileno
Req. Requerido
% Porcentaje
Alr. Alrededor
SIMBOLOGÍA
Ws Peso retenido en el tamiz considerado.
Wt Peso total retenido por todos los tamices.
Xi Porcentajes de retenido en la malla o tamiz.
mi Factor multiplicativo del grado de finura.
ni Factor multiplicativo del área de superficie.
vi
PRÓLOGO
El capítulo I consta de la descripción de las propiedades físicas y características
fundamentales para las arenas de moldeo como son: moldabilidad, cohesión o resistencia,
permeabilidad y carácter refractario.
El capítulo II se refiere a la descripción del equipo, presente en industrias de fundición,
para análisis de las propiedades de sistemas de arena de moldeo. Los equipos son:
Apisonador (Sand Rammer), Tamizador, máquina de Friabilidad y Moldabilidad, Máquina
Universal de Esfuerzos, Prueba de azul de metileno y accesorio de ultrasonido, Equipo de
permeabilidad (Permeámetro) y Medidor de humedad (Bomba Speedy).
El Capítulo III recopila las guías de laboratorio que serán utilizadas por el encargado del
laboratorio. En estas se despliega información específica de cada práctica de tal forma que
el encargado tenga claro el procedimiento que se debe llevar a cabo sin necesidad de
referirse a ningún otro documento.
El Capítulo IV presenta la implementación del laboratorio para control de arenas de moldeo
en la construcción de los moldes. Este capítulo busca mostrar la optimización de los
recursos y la obtención de mejoras por medio del control de los parámetros mediante el uso
del laboratorio actual.
1
1. PROPIEDADES Y CARACTERÍSTICAS DE LAS ARENAS DE MOLDEO.
INTRODUCCIÓN
Las propiedades físicas más importantes pueden resumirse bajo los conceptos de
moldabilidad, cohesión o resistencia, permeabilidad y carácter refractario. Estas
propiedades están más o menos relacionadas unas con otras y con las menos conocidas
propiedades de las arenas a temperaturas elevadas. La capacidad de afluencia y la
deformabilidad de las arenas están muy relacionadas con su facilidad de trabajo y se les
presta cada vez más atención en la investigación. A parte de las consideraciones
económicas de precio y facilidad de suministro es necesario tener en cuenta estas
propiedades para decidir la posibilidad de hémelo de una arena para moldeo.
CARÁCTER REFRACTARIO
Es la capacidad de la arena para mantener su integridad. En otras palabras, la arena del
molde no se funde, tuerce ni se deforma en presencia de altas temperaturas.
La refractariedad de una arena se determina por la temperatura a que puede someterse sin
presentar signos de fusión. La refractariedad viene asegurada por la sílice cuyas
características por otra parte resultan siempre modificadas por la presencia de otros
elementos. La vitrificación de una arena disminuye en proporción inversa a su contenido
en otros materiales.
También la forma y el tamaño de los granos tiene una notable influencia sobre la
refractariedad: Los granos angulosos sellan más fácilmente que los esféricos, y los finos
más que los gruesos.
El grado de refractariedad que se exige de una arena de fundición depende, naturalmente,
del metal que deba colarse: La arena para acero debe poder resistir temperaturas de 1350 a
1400 ºC.
2
Si la arena llega a fundirse o deformarse durante el proceso de colada, podría quedar
incluida en la pieza fundida. Estos defectos ocasionarían productos de baja calidad y la
inutilización de la arena.
COHESIÓN O RESISTENCIA
La cohesión de una arena es consecuencia directa de la acción del aglutinante y depende de
la naturaleza y contenido de este último y del porcentaje de humedad.
La cohesión se puede establecer por medio de las pruebas que determinan las cargas de
ruptura por compresión y por tracción. La más importante es la primera, porque indica si la
arena, al moldearse, será capaz de soportar las fuerzas a que será sometido el molde durante
las diversas operaciones. La resistencia a la cortadura corresponde al índice de plasticidad.
La forma de los granos también influye sobre la cohesión. En igualdad de otras
condiciones, una arena de granos angulosos presenta una cohesión menor que una arena de
granos redondos, porque en estas últimas las superficies de contacto son mayores.
En igualdad de forma, la cohesión queda influida por el tamaño de los granos. En general,
las cohesiones más elevadas se obtienen con arenas de granos muy gruesos o muy finos.
En el primer caso, la superficie total de los granos es menor que la de los granos finos y,
por lo tanto, el revestimiento de arcilla de los granos resultará de más espesor, confiriéndole
por ello mayor cohesión; en el caso de la arena fina se tendrá una capa ligera de arcilla en
torno a los granos, pero, en compensación, serán mucho más numerosas las superficies de
contacto.
Por las mismas razones del juego de las superficies de contacto, también la distribución
granulométrica de la arena influye en su resistencia: Una arena muy uniforme presenta una
cohesión menor que otra distribuida en un mayor número de cedazos.
3
PERMEABILIDAD
La permeabilidad es la propiedad que permite a la arena ser atravesada por los gases y que
permite la evacuación de estos del molde en el momento de la colada.
La permeabilidad tiene una enorme importancia: si es escasa, la evacuación del gas resulta
muy difícil o casi imposible, provocando la ebullición del metal líquido y la consiguiente
formación de sopladuras de la pieza.
La permeabilidad queda establecida en función del volumen de los huecos existentes en una
aglomeración de arena. En consecuencia, depende de la forma, del tamaño y de la
distribución de los granos, y es siempre mayor en una arena de granos gruesos que en una
de granos finos. Una arena de granos muy uniformes (distribuida entre un numero limitado
de cedazos adyacentes) es más permeable que otra que en igualdad de índice de grosor
tenga los granos de tamaños menos uniformes.
La forma de los granos influye, por regla general, de manera opuesta a lo que podría
creerse: Una arena de granos redondos tiene, teóricamente, un número de huecos mayor
que otra de granos angulosos; pero, en realidad, la segunda es más permeable que la
primera, porque los granos angulosos se comprimen unos contra otros menos
apretadamente que los granos redondos.
La permeabilidad de una arena determinada aumenta con la humedad hasta cierto límite
(4% a 6%), después del cual disminuye.
Tanto la cohesión como la permeabilidad están influidas por:
El grado de elaboración de la arena y el tiempo que se invierte en mezclarla. La
permeabilidad aumenta con la prolongación del tiempo de mezcla hasta un valor límite, lo
cual se explica fácilmente teniendo en cuenta la acción del acto de la mezcla sobre la
distribución uniforme del aglutinante sobre todos los granos.
4
El grado de compresión, porque, cuanto más comprimida esta una arena, tanto más
disminuye su permeabilidad, al tiempo que aumenta su cohesión sobre todos los granos.
MOLDABILIDAD
La moldabilidad de una arena de fundición, gracias a esta se llenan todos los huecos del
modelo y se desliza hacia la superficie del mismo y no necesariamente en la dirección del
atacado. Es evidente que cuanto mayor sea la capacidad de deslizamiento de la arena, tanto
más fácilmente podrá ser comprimida en sus justos límites, mientras que, si es poco
deslizante, la dureza del molde en determinados puntos del mismo puede resultar
insuficiente para resistir la acción mecánica del metal líquido, con posibilidad de defectos.
Naturalmente un grado excesivo de deslizamiento es perjudicial porque, en tal caso, la
arena con un atacado normal, se comprime demasiado, el molde resulta excesivamente duro
y no puede absorber la dilatación que provoca en la arena la acción del calor. De este modo
se pueden producir grietas en la superficie del molde, con los consiguientes defectos en la
pieza.
Esta característica tiene especial importancia para escoger una arena para el moldeo a
máquina, y será tanto mayor cuanto menores sean el tamaño de los granos y la cohesión o
resistencia en verde. Por otra parte, recordemos que, respecto a la cohesión, el
deslizamiento es una propiedad secundaria y que, dado que no pueden obtenerse el máximo
de cohesión con el máximo de deslizamiento, si es necesario se sacrifica esta última.
5
2. DESCRIPCIÓN DE LOS EQUIPOS.
A continuación se presenta la descripción de los equipos encontrados en laboratorios de
arena, se habla un poco del funcionamiento, y se describen algunas de sus partes más
esenciales.
APISONADOR DE ARENA
APISONADOR DE ARENA SAND RAMMER
Sand Rammer Construido bajo las especificaciones de la AFS (Sociedad Americana de Fundidores), esta unidad es usada para preparar especimenes para varias pruebas estandarizadas que incluyen compresión en arena verde, resistencia a la fractura y permeabilidad. Cuando se equipa con los accesorios opcionales, este puede ser utilizado para pruebas de compactibilidad y fluidez. El sand Rammer o apisonador provee de energía de compactación que reduce la variabilidad asociada con la compactación manual.
ACCESORIOS Precision Specimen Tube
El Tubo de Especimenes de precisión es usado con el Sand Rammer para las pruebas de compactibilidad para formar especimenes según AFS estandarizados de 2in x 2in de diámetro, que son requeridos para otras pruebas como son compresión de arena verde, resistencia a la fractura y permeabilidad. Contiene las especificaciones de la AFS en dimensiones, grosor de pared y acabado.
6
Cup Pedestal
La tapa de pedestal es usada junto con el tubo de espécimen. El tubo de espécimen es centrado en la depresión de la tapa, lo que forma una superficie superior de la tapa de pedestal. La superficie del fondo de la tapa posee una protuberancia que adapta el tubo de espécimen al Sand Rammer o en el accesorio del espaciador del tubo de llenado.
Stripping Post
El poste de extracción es usado junto con el Tubo de especimenes. Facilita la extracción directa del espécimen del tubo sin realizar cualquier alteración en este.
Specimen Tube Conditioner
El acondicionador de tubos de espécimen es usado para limpiar y lubricar el tubo cada vez que el espécimen es extraído de este. Previene la formación de barro y oxido, etc. que causan fricción y afectan la energía de compactación proporcionada. Este acondicionador consiste en un limpiador montado sobre un soporte que puede ser empernado a la base del Sand Rammer.
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Sand Rammer Base
Esta base permite aislar el Sand Rammer de su lugar de instalación independientemente de donde este sea montado. Esta reduce las variaciones entre laboratorios y asegura resultados consistentes. El Sand Rammer se atornilla directamente a la base.
Compactability Accessory
Este accesorio, ahora estándar para el Sand Rammer, es usado para compactabilidad en moldes de arena verde.
Density Indicador
El indicador de densidad, que se monta sobre el Sand Rammer es útil para determinar el peso del espécimen y la densidad del corazón compactado en la arena de moldeo en lb/pie cúbico. Este elimina la prueba y error de determinar el peso de un espécimen con el peso apropiado para uno estándar de 2in después de haber compactado un peso específico de arena.
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PERMEÁMETRO PERMEÁMETRO
Electric Permeameter
El permeámetro eléctrico es una unidad compacta recomendada para laboratorios de control de producción. Este emplea el método del orificio y la caída de presión se muestra en el indicador de presión de 5in (127mm) de diámetro, graduado directamente en unidades de permeabilidad AFS. El indicador de presión está provisto de 3 escalas codificadas de 3 colores, una para valores de permeabilidad mayores de 50(orificio grande), uno para valores permeabilidad menores de 50(orificio pequeño) y un tercero para la presión.
La unidad no usa agua o mercurio. Un simple arreglo de elevador es usado para expandir un O-ring para formar un sello dentro del tubo de espécimen. La presión requerida (10 cm de agua) es mantenida por un ventilador de alta velocidad. Un dispositivo de liberación flotante de presión es usado para mantener la presión de aire constante a pesar de los cambios en la línea de voltaje.
Medidor de Permeabilidad para moldes El medidor de permeabilidad para molde tiene una cabeza de contacto de cara de hule conectada por una manguera de hule a un adaptador de campana que se sitúa en un medidor de permeabilidad que posee las especificaciones de AFS. Es usado para medir la permeabilidad de moldes de producción y corazones en unidades AFS de permeabilidad, y para revisar AFS 2x2 in diámetro para tubo de espécimen.
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MÁQUINA UNIVERSAL DE ESFUERZOS.
MÁQUINA UNIVERSAL DE ESFUERZOS Universal Sand Strength Machine
Mide precisamente el esfuerzo de compresión para moldes de arena en compresión en verde (parte inferior) y en seco (parte superior de la máquina).
Existen accesorios disponibles para medir arena en verde y seco en esfuerzo cortante deformación en verde y para medir esfuerzos en: tensión, de partimiento y transversales.
La máquina consiste en 4 partes mayores una base pesada, peso en péndulo, brazo de empuje robusto y un motor de accionamiento. El peso en péndulo se balancea en cojinetes de bola sobre eje de acero al carbón. Varias cabezas de prueba pueden fácilmente adaptarse al brazo de empuje.
Motor Drive Accessory Este accesorio es para ser usado junto a Universal Sand Strength Machine.
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TAMIZADOR
TAMIZADOR Ro-Tap Sieve Shaker
El Tamizador de arena es una máquina aprobada por la AFS para determinar la fineza de la arena de fundición. Este es designado para clasificar de manera certera y consistente todos los tipos de muestras de laboratorio. Utiliza un movimiento circular en la horizontal y acción de golpeteo para alcanzar la separación completa.
El tamizador es designado para mallas estándar de 8in (203mm) de diámetro. La unidad contiene un reloj cronómetro, es totalmente sellado, con un motor 1/4HP, mecanismos de transmisión sellados, con fácil manejo de las mallas y un plato de soporte ajustable. Esta máquina es virtualmente libre de mantenimiento (mínima lubricación) para varios años.
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FRIABILIDAD / MOLDABILIDAD
FRIABILIDAD / MOLDABILIDAD Friability and Moldability Tester
El medidor de friabilidad y moldabilidad mide la habilidad de la arena compactada de moldeo para resistir la abrasión o desgaste en los primeros pequeños milímetros en la superficie de un molde. Dos especimenes según norma AFS (2in diámetro x 2in alto) son colocados lado a lado en una malla cilíndrica de 7in de diámetro y son rotadas uno con otro. La cantidad de arena desgastada de los especimenes luego de un minuto es recogida y pesada. El peso de la arena removida, dividida por el peso original de los especimenes y multiplicada por 100 es reportado como el porcentaje de friabilidad. Un valor de friabilidad superior a 11% indica una tendencia a producir defectos por suciedad y pérdidas en calidad de superficie en la fundición.
Un reloj cronómetro ajustable controla la prueba, y la unidad incluye una bandeja de recolección como también una brocha y un tamiz de malla ancha (para pretamizar la muestra), para usar en la prueba de moldabilidad. En esta prueba 200 gramos de arena suelta son colocados en la malla cilíndrica y rotados por 10 segundos. El peso de arena pasando por la malla dividido por dos nos da el índice de moldabilidad para arena no compactada.
Mientras que la prueba de moldabilidad ha tenido éxito por la prueba de compactabilidad para expresar el grado de amase de la arena de moldeo, es todavía útil para monitorear el funcionamiento para los controles de la moldabilidad en la mezcladora automática.
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AZUL DE METILENO - PRUEBA PARA DETERMINAR CANTIDAD DE ARCILLA
PRUEBA DE AZUL DE METILENO Methylene Blue Clay Tester
Prueba de arcilla de Azul de metileno Esta prueba hace posible la determinación rápida y precisa del contenido de arcilla o aglutinante empleada en las arenas de moldeo. El uso de una solución preliminar simple produce respuesta comparable de la cantidad de arcilla o aglutinante para poder determinarse valores confiables y significativos de esta en las arenas de fundición. Además de su uso para las arenas del sistema, puede también ser utilizado para la prueba de los envíos entrantes de la bentonita y de los materiales premezclados. Es una prueba simple y no se requiere ningún entrenamiento especial. Incluye la solución del azul de metileno, el papel de filtro, beakers del acero inoxidable y un vídeo de entrenamiento.
Accesorio Ultrasónico para la Prueba de Azul de Metileno. La arcilla en las arenas de producción se distribuye de diversas formas. La parte de la arcilla se puede encerrar en terrones, o conjuntamente con los otros aditivos. Si deseamos determinar la arcilla viva total, es necesario analizar los terrones y las capas pesadas por el tratamiento adicional. Esto se puede lograr con el uso de este accesorio. Siete minutos de fregar reducen los terrones y las capas pesadas de modo que toda la arcilla viva esté libre para reaccionar. Incluye la cubierta, y un O-ring
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MEDIDOR DE HUMEDAD
MEDIDOR DE HUMEDAD (BOMBA SPEEDY) Speedy Moisture Tester
El medidor rápido de humedad es portátil y no requiere de conexión eléctrica. Este opera con el principio de presión de gas generado, siendo proporcional a la humedad luego de reaccionar con el reactivo de rapidez. Útil en la moledora y en mezclas de corazón que contienen aceites volátiles que pueden perderse por calor.
También es útil en otra gran variedad de materiales (tierra, barros, polvos, químicos, etc.)
Escalas disponibles con un 10% o 20% de rango de humedad. Los rangos pueden duplicarse si se emplean muestras más pequeñas.
Incluye balanza y peso ensamblado, medidor de presión ensamblado, taza medidor y dos brochas en una maleta portátil.
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EQUIPO LABORATORIO DE ARENA
Tamizador Accesorio ultrasonido
Apisonador Permeámetro
Máquina Universal Azul de Metileno
Friabilidad /
Moldabilidad
Medidor de humedad
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3. LABORATORIO DE FUNDICIÓN.
PROPIEDADES DE LAS ARENAS DE MOLDEO.
Dentro del laboratorio de arena en la industria de fundición, encontramos los siguientes
equipos para realizar pruebas a las arenas de moldeo:
1. Equipo 1: Apisonador de Arena (Sand Rammer).
2. Equipo 2: Prueba de Friabilidad y Moldabilidad.
3. Equipo 3: Máquina Universal.
4. Equipo 4: Permeámetro.
5. Equipo 5: Tamizador
6. Equipo 6: Determinación contenido de arcilla.
7. Equipo 7: Equipo para Prueba de Humedad.
8. Equipo 8: Determinación de contenido de arcilla Azul de Metileno.
9. Equipo 9: Balanza Digital.
10. Equipo 10: Mezcladora
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OBJETIVOS
• Ajuste, limpieza y conocimiento de los elementos constituyentes de los equipos que
se encuentren en el laboratorio para su utilización y correcto funcionamiento.
• Familiarizarse con el manejo de los diferentes equipos utilizados en la medición de
las principales propiedades de las arenas de moldeo.
• Conocer los métodos de ensayo para evaluar algunas de las propiedades y de las
características de las arenas de moldeo; de igual manera aprender, cómo se deben
ejecutar los correspondientes ensayos
Nota:
Todas las pruebas que se describen a continuación, nos podrán ayudar a determinar
cuales son las mejores características de las arenas en base a la experimentación.
A continuación se describen los pasos que se deben seguir a la hora de realizar las pruebas,
para la utilización correcta de los equipos, así como los datos obtenidos.
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EQUIPO 1.
APISONADOR DE ARENA (SAND RAMMER).
Procedimiento para la preparación del espécimen.
1. Obtener una muestra representativa de la arena de moldeo. Inmediatamente
zarandear la arena a través del tamiz con el embudo especial y colocar en un
contenedor. Cerrar el contenedor firmemente para prevenir la perdida de humedad.
Recipiente de para almacenamiento de la arena.
Recipiente cerrado para evitar perdida de humedad.
Zarandeo de la muestra de Arena con ayuda del Embudo Especial.
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2. Colocar el tubo de espécimen sobre la copa de pedestal cerrando el tubo por la parte
inferior.
Tubo de espécimen y copa pedestal. Copa pedestal colocada en parte inferior.
3. Para la prueba, pesar entre 145 a 165 gramos de arena con ayuda de la balanza
digital y trasferirlos al interior del tubo de espécimen. (anote el valor seleccionado)
Peso de muestra Llenado del tubo de espécimen con ayuda del embudo.
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4. Coloque el conjunto en el equipo para fabricar las probetas y deje descender
lentamente el apisonador. No gire el tubo espécimen ni la copa de pedestal antes de
dar los golpes.
Levantamiento de pesa Colocación del Tubo Espécimen
5. Dar tres golpes seguidos con el apisonador a una velocidad moderada, en intervalos
de aproximadamente uno cada segundo. Al final de esto, el tope del vástago del
apisonador debe quedar dentro de las marcas de tolerancia del aparato, ubicadas en
su extremo superior.
Movimiento de manivela para golpes con el apisonador
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Tolerancia Incorrecta Tolerancia Correcta
6. Si no obtiene el peso de la probeta que cumpla el ítem anterior, repita el proceso de
preparación de la muestra patrón (eligiendo otro peso entre 145 a 165 gr.) siempre
usando arena de moldeo no compactada hasta que después del tercer golpe la marca
horizontal se encuentre entre las marcas de tolerancia.
7. Se anota el valor de la compactibilidad, la densidad de la arena y el peso
correspondiente a este ensayo, ya que serán los valores a ser usados en todas las
experiencias de esta sesión de práctica que estudiará una sola mezcla de arena de
moldeo.
Lectura de compactibilidad y tolerancias Lectura de Densidad de la Arena Compactada
21
8. Para extraer la probeta del tubo de espécimen sin ninguna alteración se utiliza el
poste de extracción, con lo cual estamos listo para realizar las pruebas
correspondientes sobre el espécimen.
Retirando copa de pedestal. Extracción de la probeta con el poste
9. Una vez extraído el espécimen, el tubo se pasa por el trapo acondicionador, para ser
limpiado y lubricado.
Limpieza del tubo de espécimen
22
EQUIPO 2
EQUIPO PARA PRUEBA DE FRIABILIDAD Y MOLDABILIDAD.
Principio de prueba de Friabilidad:
Los primeros pequeños milímetros de la arena en la superficie de un molde son de mucha
importancia, ya que están relacionadas muchas veces con la cantidad de defectos que
presenta la pieza fundida y esto nos puede reducir costos asociados con el proceso. Si esta
capa se desgasta fácilmente, o desmorona bajo dirección normal del molde, este molde es
demasiado friable para esta aplicación.
El problema puede existir con las mezclas consideradas arenas de alto esfuerzo, y con una
compactibilidad que muchos trabajadores de fundición considerarían normal. Las grietas
visibles no son un dispositivo de aviso de friabilidad, pero puede desmoronarse un poco la
superficie bajo presiones leves, o simplemente por la fuerza de la gravedad, lo que puede
suceder por las vibraciones normales que se dan en el área de moldeo.
El método para medir la friabilidad de la arena es simple.
Procedimiento para la realización de la prueba.
1. Obtener una muestra representativa de la arena de moldeo. Inmediatamente
zarandear la arena a través del tamiz con el embudo especial y colocar en un
contenedor. Cerrar el contenedor firmemente para prevenir la perdida de humedad.
Zarandeo de arena Contenedor de almacenamiento
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2. Colocar la bandeja recolectora, bajo la pantalla del aparato.
3. Ajustar el reloj automático en 60 segundos.
4. Preparar dos probetas (espécimen), bajo la norma en el apisonador de arena.
Colocación del Tubo de Espécimen
Tres golpes con el peso, para estandarizar la probeta
Extracción de probeta.
5. Colocar ambas probetas, una a la vez, sobre sus lados en la pantalla rotatoria.
Asegúrese que cada una de las probetas toque la parte posterior de la pantalla y que
la probeta se mantiene pegada a la otra durante el giro.
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6. Presionar el botón de arranque, este se encuentra en el centro de la cara del reloj,
este permite que la pantalla gire, provocando que la superficie de las dos probetas
se desgaste. Utilizar la bandeja para recolectar la arena que esta pasando a través de
la pantalla.
Accionamiento de reloj Recolección de arena
7. Utilizando la balanza, pesamos la cantidad de arena que paso por la pantalla.
Dividiendo el peso obtenido, en gramos, por el peso combinado de las dos probetas
al inicio, en gramos, lo multiplicamos por 100 y determinamos el porcentaje de
friabilidad.
Peso de arena recolectada en bandeja.
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8. Un valor de friabilidad superior a 11% indica una tendencia a producir defectos por
suciedad y pérdidas en calidad de superficie en la fundición. Por lo que hay que
cambiar esta arena y buscar una mejor combinación de componentes.
Principio de prueba de Moldabilidad:
La característica de una arena que determine la facilidad con que la arena se acomodara en
un molde se llama moldeabilidad. Arenas con alto índice de moldabilidad son fáciles de
acomodar, produciendo un molde con el mínimo de espacios vacíos en la superficie.
Inversamente, si la arena posee un bajo índice de moldabilidad se dificultara acomodarla
dentro del molde y la superficie del molde puede tener grandes espacios vacíos.
Los que han zarandeado arena en patrones saben que es resistente, la mezcla de arenas
cohesivas dificulta el zarandeo mientras que facilita el trabajo, pero los golpes la zarandean
con facilidad. La pantalla giratoria forma una prueba muy sensible y simple para medir el
importante índice de moldabilidad de la arena.
La prueba de Friabilidad y Moldabilidad están basadas en el principio de la energía
requerida en el moldeo y esta es proporcional a la energía requerida para separar los granos
de la arena adheridos en grupos debida al apisonamiento. La cantidad de arena que pasa a
través de la pantalla en cierto intervalo de tiempo es la medida de la energía requerida para
esta separación.
Procedimiento para la realización de la prueba.
1. Colocar la bandeja recolectora, bajo la pantalla del aparato.
26
Colocar bandeja bajo aparato
2. Asegurar una muestra representativa de la arena de moldeo y rápidamente colocarla
dentro de un contenedor sellado para evitar cualquier pérdida de humedad.
3. Se pasa rápidamente a través de la zaranda del embudo especial y se pesan 200
gramos con ayuda de la balanza digital. Luego, estos se colocan dentro del aparato.
200 gramos Transferirlos al aparato Arena dentro del aparato
4. Ajustar el reloj automático en 10 segundos.
27
Botón de arranque (color rojo)
5. Presionar el botón de arranque, este se encuentra en el centro de la cara del reloj,
este permite que la pantalla gire. Utilizar la bandeja para recolectar la arena que esta
pasando a través de la pantalla.
6. Usando la balanza digital, se pesa la cantidad de arena que paso a través de la
pantalla, y se divide el peso en gramos por dos con lo que se determina el índice de
moldabilidad.
7. Remover la pantalla del equipo y descartar la arena remanente que se encuentra en
la pantalla. La unidad esta lista para otra prueba.
Limpieza de pantalla con ayuda de brocha.
8. Valores alrededor de 80 para el índice de moldabilidad indica que la arena posee
buena moldabilidad. Valores alrededor de 20 puede indicar que la arena esta un
poco dura lo que puede producir numerosos vacíos en la superficie el molde.
28
EQUIPO 3.
MÁQUINA UNIVERSAL DE ESFUERZOS.
Procedimiento para realizar pruebas de compresión y cortante para arena en verde.
1. Obtener una muestra representativa de la arena de moldeo y preparar una probeta
(espécimen), bajo la norma en el apisonador de arena.
Probeta bajo norma AFS.
2. Colocar la probeta en la máquina universal entre los platos de aplastamiento, en la
parte inferior del equipo.
Máquina Universal Esfuerzos. Platos de aplastamiento para compresión.
Platos de aplastamiento para cortante.
29
3. Una vez colocada la probeta entre los platos, se acciona el motor, para empezar
aplicar la fuerza genera por el péndulo a medida que este se desplaza. Parándose el
motor en el momento en que ocurre la fractura de la probeta.
Motor de
accionamiento Switch de encendido
para el motor.
Probeta fracturada en compresión. Probeta fracturada en cortante.
4. Luego de fracturada la probeta, se lee en la escala de la media luna el valor de
esfuerzo alcanzado, en esta escala se identifica si la prueba se realiza en seco o en
verde y el tipo de fuerzas aplicadas, ya sean estas fuerzas cortantes o fuerzas de
compresión.
Esfuerzos según la aplicación. Imán para realizar la lectura
sobre la escala. Escala.
30
EQUIPO 4.
PERMEÁMETRO.
Procedimiento para utilización del permeámetro.
1. Seleccionar el orificio con el que se va a trabajar, para esto es necesario aflojar la
tapadera roscada que ajusta la placa que contiene los orificios. Cuando la “L” es
visible en la placa, el orificio grande esta en línea. Cuando la “S” es visible, el
orificio pequeño esta en línea
2. La palanca de vacío debe estar accionada hacia la parte trasera del equipo, se
acciona el equipo por medio del regulador de voltaje hasta alcanzar la lectura de
permeabilidad cero en la escala del aparato, una vez logrado esto se deja funcionar
el equipo por cinco minutos hasta estabilizar la lectura.
Ajuste de orificio
Permeámetro. Palanca de vacío Regulador de Voltaje. Lectura de CERO
Permeabilidad.
31
3. Preparar un tubo de espécimen con la arena que se desea analizar, coloque el
cilindro con la probeta de arena de moldeo, en el cabezal del aparato.
Colocar tubo espécimen
4. Accione la palanca para crear el vacío, desplazándola hacia el frente del aparato.
Palanca
5. Se procede a tomar la lectura de permeabilidad, esta se lee directamente de la escala
que se encuentra en la carátula del aparato.
Vista de la carátula
32
En esta carátula existen dos escalas para medir la permeabilidad, se identifican según el
diámetro del agujero por el cual pasa el aire, si el valor de permeabilidad es conocido y es
superior a 50 se utiliza la escala con el agujero de diámetro 1.5 identificada en la carátula
con el color rojo. Si el valor de permeabilidad es menor que 50 se utiliza la escala con el
agujero de diámetro 0.5 identificada en la carátula con el color azul.
CALIBRADORES MAESTROS DEL PERMEÁMETRO.
El permeámetro eléctrico esta equipado con calibradores maestros, estos consisten en
orificios de precisión y tienen estampado un factor de calibración para el valor de
permeabilidad. Cuando es chequeado el equipo, el valor de calibración puede variar en un
5% del valor estampado en él.
Calibradores maestros
Para chequear el equipo, el calibrador es colocado sobre el tubo de espécimen; como se
muestra en la figura, y se realiza la prueba como se describió anteriormente. Esperando que
la lectura de permeabilidad este dentro de lo esperado.
El valor de calibración para el orificio pequeño es
de 34.2.
33
EQUIPO 5
ANÁLISIS GRANULOMÉTRICO USANDO TAMIZADOR
1. Pesar 50 gramos de arena seca para fundición.
2. Colocar la muestra pesada en el tamiz superior de la serie de mallas (U.S. Series 6-
12-20-30-40-50-70-100-140-270-finos).
3. Haga vibrar el aparato durante 15 minutos.
Cronómetro.
4. Determine el Índice Granulométrico AFS, de acuerdo a las siguientes instrucciones:
4.1 Pese cuidadosamente la arena silícea retenida en cada uno de los tamices y el
recipiente o bandeja de los finos. Para ello, debe utilizar una hoja de papel
donde coloque la arena contenida en cada una de ellas, de manera que las
pérdidas por errores experimentales sean mínimas.
34
Pesar arena de cada tamiz Coloque cada arena en una hoja de papel
4.2 Calcular el % de retenido en cada malla. El porcentaje de retenido en cada una
de las mallas, según la expresión:
% de retenido en la malla = (Ws/Wt)x100
Donde Ws es el peso retenido en el tamiz considerado; y Wt es el peso total
retenido.
4.3 Determinar la sumatoria de porcentajes de retenido en la malla. (∑Xi)
4.4 El peso de arena silícea retenido en cada tamiz, multiplicarlo por cada factor
dado en la Tabla dada en la siguiente página. (Xi mi)
4.5 Sumar los productos anteriores. (∑(Xi mi))
4.6 Calcular el Índice Granulométrico AFS así:
Índice Granulométrico AFS = [∑(Xi mi)/∑Xi]
Donde Xi es el porcentaje de arena silícea retenida en el tamiz i; y m es el
factor multiplicante para cada malla.
35
5. Área superficial de la arena Silícea.
El área superficial de la arena libre de arcilla se puede determinar como un subproducto del
análisis granulométrico. El uso de los factores de área superficial permite una aproximación
cuantitativa a la determinación del área total superficial de los granos de arena en cm2/g; la
cual se calcula así:
Área Superficial Calculada = [∑(Xini)/Xi]
Donde Xi es el porcentaje de retenidos en cada tamiz; y n es el factor multiplicante de área
superficial para cada malla.
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EQUIPO 6
EQUIPO PARA DETERMINAR CONTENIDO DE ARCILLA.
Procedimiento para la realización de la prueba.
1. Obtener una muestra representativa de la arena de moldeo. Secar a 115 ºC al
menos unos 250 gramos.
2. Pesar 50 gramos de esa arena previamente secada y colocarla en un vaso de
vidrio específico. Pesar la arena cuando esté a la temperatura ambiente.
3. Agregar 475 ml de agua destilada y 25 ml de solución de pirofosfato de sodio al
1,5 %.
4. Colocarle el agitador mecánico y agitar durante 5 minutos, dejando sedimentar
durante 10 minutos y sifonear posteriormente.
37
5. Al remanente en el vaso, agregar nuevamente agua destilada, agitar y dejar
decantar durante 10 minutos, sifoneando posteriormente.
6. Al remanente en el vaso, agregar nuevamente agua destilada, agitar, y dejar
decantar durante 5 minutos y sifonear.
7. Continuar el proceso descrito hasta que el agua extraída del vaso por sifoneo sea
completamente clara.
8. Remover del recipiente los granos de arena, secarlos a 110ºC por un mínimo de
tres (3) horas.
9. Pesar la arena base cuando esté a la temperatura ambiente.
10. Determinar el contenido de arcilla en esa arena, mediante:
% de arcilla = 2 x (pérdida de peso).
11. Hacer dos ensayos adicionales.
38
EQUIPO 7
EQUIPO PARA PRUEBA DE HUMEDAD.
Procedimiento para la realización de la prueba.
1. Llenar una copa de medida con carburo de calcio, hacerlo dos veces.
Llenado de copa de medida
2. Colocar el carburo de calcio en la tapa de la bomba.
Depositar las dos medidas de carburo de calcio en la tapa
3. Pese rápidamente la muestra de arena en la balanza tarada de la bomba.
Pesar arena en balanza
39
4. Deposite la arena en el cuerpo de la bomba hasta el fondo.
Depositar arena en el cuerpo de la
bomba.
5. Cerrar la bomba usando la tapa de la bomba cuidando no derramar el carburo de
calcio.
Cierre de la bomba. Ajustar tornillo
6. Agite vigorosamente la bomba durante 5 segundos con el dial viendo hacia
abajo, luego rápidamente ponga el dial viendo hacia arriba. De ligeros golpes al
cuerpo de la bomba y manténgalo durante 1 minuto. Repita para una segunda y
tercera mezcla a intervalos de 1 minuto.
Agite por 5 segundos luego
gire y de ligeros golpes
40
7. Una vez más agite la bomba Speedy y con el dial colocado horizontalmente a la
altura de los ojos tome la lectura del medidor.
Tome la lectura
8. Lentamente suelte el tornillo para aliviar la presión en dirección lejos del operario. Vacíe el contenido de la bomba y limpie completamente la bomba usando el cepillo provisto.
Libere la presión, dirección lejos del operario.
Limpie completamente la bomba con el cepillo.
41
EQUIPO 8
EQUIPO PARA DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO DE ARCILLA AZUL DE
METILENO
La prueba de azul de metileno mide la cantidad de arcilla presente por determinación de la
capacidad de intercambio de la arcilla. El número de iones intercambiables presentes son
determinados por el reemplazo de estos iones con tintura de azul de metileno, el cual está
estandarizado en términos de mililitros de tintura por cada porcentaje de arcilla. La
bentonita comercial de alta resistencia requiere aproximadamente 5.0 ml de azul de
metileno por cada porcentaje de bentonita. Este valor puede variar dependiendo en la
pureza y naturaleza de la bentonita también como del tratamiento mecánico previo en la
titulación.
Los primeros procesos de azul de metileno los cuales incluían el uso de ácido fueron
limitados a sistemas que empleasen una sola bentonita. La máquina de prueba de azul de
metileno utiliza Tetra Sodio Pirofosfato como una solución preliminar, y con este
procedimiento la mayoría de bentonita del occidente y meridional requerirán cantidades
equivalentes de azul de metileno. Esto hace posible el control de sistemas de arena de
fundición que contienen la mezcla de ambos tipos de bentonita.
Usando el proceso de ácido para bentonitas meridionales solo han requerido únicamente la
mitad de la cantidad de azul de metileno requerido por la bentonita occidental. Una mezcla
de dos arcillas representaba un problema real ya que no había forma de determinar la
cantidad de arcilla viva en el sistema.
Desde que la razón de quema no es la misma para estos dos tipos de arcilla, no se puede
asumir una proporción constante entre ambas arcillas. Con respuesta desigual la arcilla total
solo podía calcularse asumiendo una proporción constante la cual no era justificada por lo
anterior.
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Ensamble
Botella de llenado, pedestal y base,
bureta, motor agitador, base de taza
para beaker, soportes y mangueras.
1. Prepare un litro de solución preliminar. Pese 20 gramos de tetra sodio de pirofosfato
usando la balanza. Disuelva los 20 gramos en un litro de agua destilada. Para ayudar
al químico a disolver es bueno calentar el agua antes de agregarle el químico.
Pirofosfato de sodio Pese 20 gramos y disuelva en un litro de agua destilada.
2. Si se emplea agua caliente, deje que la solución llegue hasta temperatura ambiente,
y posteriormente vierta la solución en la botella la cual conforma la parte baja de la
pipeta repetidora.
43
Ensamble de pipeta
repetidora.
ACCESORIO DE ULTRASONIDO
Este accesorio es utilizado para determinar el contenido total de arcilla viva.
Preparación de equipo.
1. agregue 10 gotas de agente humectante (Wetting agent) al tanque del accesorio
10 gotas de Wetting agent
2. Llene el tanque con agua limpia hasta la marca de nivel aproximadamente 43mm
desde el fondo del tanque.
Llenar hasta la marca de nivel de
agua en tanque
44
3. Coloque la cubierta plástica con el orificio interno.
Cubierta plástica
4. Antes de cada prueba enciéndalo con 15 minutos de anticipación, para que el equipo
opere a potencia completa.
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DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO TOTAL DE ARCILLA
1. Tome una muestra representativa de 10 o 15 gramos de arena del sistema para ser
probada. Remueva cualquier escoria o materia contamínate que pudiese estar
presente en dicha muestra. Seque la muestra hasta peso constante utilizando un
horno o el foco de secado.
Arena del sistema a analizar Secado de la muestra
2. Pese 5 gramos para la prueba de arcilla total de azul de metileno. Transfiera esta
muestra a uno de los beakers de 250ml de acero inoxidable. Deslice el “O-ring”
sobre el beaker tal que se encuentre localizado ¼” o 6mm de la sección acampanada
del beaker.
Pesar 5 gramos de arena de sistema Transferirlos al beaker 250ml y colocar el
O-ring en este
46
3. Incline la pipeta repetidora a la derecha hasta llenar el receptáculo superior hasta
que el líquido (tetra sodio de pirofosfato) se derrame en el tubo de medida,
llenándolo con 50 ml hasta el borde de dreno. luego incline la pipeta repetidora
hacia la izquierda y vacíe el contenido del tubo en el beaker de 250ml que contiene
la muestra de arena.
Inclinar pipeta repetidora a la derecha Inclinar pipeta a la izquierda
4. Transfiera el beaker, el cual contiene la muestra y la solución preliminar de tetra
sodio de pirofosfato, hacia el accesorio de ultrasonido. Deslice hacia abajo el beaker
por el agujero de la cubierta del aparato. Esto debería posicionar el beaker de tal
forma que ¼” o ½” (6 a 12mm) de éste estén sumergidos. El nivel de agua del
tanque debe estar llena aproximadamente 43mm sobre el fondo del tanque.
El beaker es deslizado a través de la cubierta
plástica, el O-ring situado entre ambos.
47
5. Encienda la unidad de ultrasonido para que opere durante 5 minutos. Vea la acción
dentro del beaker. Los granos de arena deben vibrar y chocar uno contra otro y
contra el fondo y los lados del beaker. Esta agitación hará un efecto abrasivo sobre
los granos y demás aditivos de la superficie de los granos.
Encendido de la unidad 5 minutos Agitación de la mezcla
6. Al final de los 5 minutos apague la unidad de ultrasonido y remueva el beaker y
colóquelo bajo la bureta. La bureta debe estar llena hasta el borde de rebalse. Mueva
el tornillo de la bureta de tal forma que el azul de metileno fluya hacia el beaker,
deje caer suficiente azul de metileno para que pueda reaccionar con 80 al 90% de
arcilla presente en el sistema de arena.
Colocar beaker bajo bureta Girar el tornillo de la bureta y llenar beaker
con 80-90% de Azul de metileno requerido.
48
7. Introduzca el beaker debajo del agitador, y ajústelo en la base del soporte de taza.
Encienda el motor y déjelo agitar la arena y el azul de metileno por 2 minutos para
asegurar contacto completo entre el azul de metileno y la arcilla viva.
Colocar beaker bajo agitador Encender agitador por 2 minutos
8. Remueva el beaker de acero inoxidable del agitador momentáneamente haga
descansar la cara interna del beaker con la orilla del disco agitador para drenar el
líquido remanente en el disco.
9. Tome una hoja de papel filtro. Usando la varilla de vidrio mezcle una o dos veces.
posteriormente tome una sola gota de la solución del beaker y colóquela en el papel
filtro. Vea la formación de un aro azul verde en las afueras del contorno de la gota.
Si la cantidad de azul de metileno no es excesiva no habrá formación de aro a los
alrededores de la mancha oscura. Por conveniencia se recomienda que el papel filtro
descanse sobre el segundo beaker limpio mientras se agregan las gotas de la
solución de prueba. Esto permitirá que el líquido seque más rápidamente y que el
papel no se manche con azul de metileno.
49
Se toma una gota con la varilla de vidrio y se coloca sobre el papel filtro, ver formación
de aro.
10. Agregue azul de metileno en pasos de 1 ml. Mezcle la solución por 2 minutos
después de la adición de cada mililitro y verifique utilizando la varilla de vidrio y el
papel filtro. Alrededor de 4 o 5ml en adiciones deberán ser requeridos para alcanzar
el punto final, el cual se evidenciará por la formación del aro verde como se explico
arriba. Para mantener el seguimiento se recomienda que las gotas se agreguen
alrededor de la circunferencia del papel filtro y cada gota debe ser identificada por
el número de ml que requirieron.
Formación de aro. Cada gota indica la
cantidad de ml requeridos.
50
11. Para reverificar el punto de finalización es recomendable colocar el beaker bajo el
agitador y mezclar por 2 minutos de agitación para asegurar el contacto completo
del azul de metileno con toda la arcilla. Si no se vuelve a formar el aro después de la
agitación adicional, agregue otro ml de azul de metileno y repita la prueba. Repita
hasta que el aro persista.
12. Divida el número de ml requeridos para alcanzar el primer aro significativo por el
número de ml requeridos por cada porcentaje de arcilla, el cual es denominado
como el factor de calibración, tal como se determina por el método de material
equivalente.
DETERMINACIÓN DE ARCILLA DISPERSADA
En sistemas de arena, no toda la arcilla presente en su forma propia contribuye a la
resistencia de la mezcla. Alguna de la arcilla se presenta en terrones, en colonias y puede
estar atrapada por otros aditivos. Para máxima resistencia, la arcilla debe ser dispersada y
completamente distribuida sobre los granos. Esto es un caso aleatorio. Hay una diferencia
usual entre la cantidad total de arcilla presente, la dispersada y la arcilla que trabaja; la
arcilla que está en su forma propia para contribuir en la resistencia del molde.
1. Para determinar la arcilla dispersada, pese 5 gramos de una muestra seca de arena
de sistema, agregue 50ml de solución de pirofosfato de sodio de la pipeta repetidora
y coloque el beaker de acero inoxidable bajo el motor agitador. Mezcle por 2
minutos. Rellene la bureta hasta la marca de cero (hasta que una gota o dos se
derramen en la parte superior)
2. Remueva el beaker del agitador, colóquelo bajo la bureta y agregue 80% de azul de
metileno estimado para esta muestra de arena. Mezcle con el agitador por 2 minutos
para que el azul de metileno entre en contacto con la arcilla. Usando la varilla de
vidrio, haga una gota de prueba en una pieza limpia de papel filtro. Si el aro azul
51
verde no aparece, agregue otro mililitro de azul de metileno y mezcle por otros 2
minutos. Repita hasta que el aro aparezca.
3. Desde que la aparición de aro puede deberse al contacto pobre entre el azul de
metileno y la arcilla, coloque nuevamente el beaker bajo el agitador y mezcle por 2
minutos más. Una vez más, haga la prueba de la gota en el papel filtro y revise de
que el aro se haga presente nuevamente. Si desaparece luego de los 2 minutos
adicionales de mezcla, agregue otro mililitro de azul metileno, mezcle y revise la
formación del aro. El punto final son los mililitros requeridos para que el aro
persista incluso luego de los 2 minutos extra de mezcla.
Nota: La prueba de arcilla dispersada es una herramienta útil para determinar la
condición de la arcilla presente en sistemas de arena. La mayoría de empresas de
fundición no requieren la prueba de arena dispersa y suprimida como parte de
programa normal de control. Basándose únicamente en la prueba de arcilla total con
azul de metileno.
4. Cuando la prueba se lleva a cabo apropiadamente, únicamente cuatro o cinco puntos
de pruebas deberán ser requeridos. Si demasiados incrementos de mezcla y prueba
son requeridos, aumentará la posibilidad que mucha de la cubierta de arcilla ha sido
dañada. La prueba es alguna forma sensible al tiempo, y se hace necesario utilizar
muchos puntos de prueba, será mejor comenzar con una nueva muestra, empezando
con un volumen de azul de metileno mayor.
5. Divida el número de mililitros requeridos para alcanzar el primer aro persistente por
el número de mililitros requeridos por cada porcentaje de arcilla (factor de
calibración), como se determinó con el método de material equivalente.
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DETERMINACIÓN DE LA ARCILLA SUPRIMIDA
La arcilla suprimida es definida como la diferencia entre la arcilla total y la arcilla dispersa.
La arcilla suprimida es la cantidad de arcilla viva atrapada en terrones o que de otra forma
es inaccesible al azul de metileno. Es una medida del grado de la trituración y provee la
manera en la cual los aditivos interactúan. También puede actuar como sistema de alarma,
alertando de la acumulación de contaminantes en los sistemas de arena.
Cuando la arena suprimida es mayor que 0.7% por una mezcla de bentonita, la arena de
sistema y la formulación debe ser cuidadosamente estudiada.
MÉTODO DE MATERIAL EQUIVALENTE
El factor de calibración es el número de mililitros de azul de metileno requeridos por cada
porcentaje de bentonita equivalente o arcilla. Este factor puede ser determinado fácilmente
usando el presente método.
1. Si más de un aglutinante es empleado en el sistema de arena, prepare 0.5 gramos de
muestra en la razón o proporciones de cada elemento a la cual estas son agregadas a
la arena. A esta mezcla agregue 4.5 gramos de arena base.
2. Transfiera la arcilla y arena en el beaker inoxidable y agregue 5 gramos de carburo
de silicio. Seguidamente agregue 50ml de solución de pirofosfato y utilice el
accesorio de ultrasonido por 7 minutos para asegurar completa dispersión de la
arcilla.
53
3. Llene la bureta hasta que una o dos gotas salgan de la parte superior en el borde de
sobre flujo y agregue 80 a 85% de la estimación requerido de azul de metileno.
Mezcle con el motor agitador por 2 minutos.
4. Usando la varilla de vidrio haga la prueba de gota en una pieza nueva de papel
filtro y agregue otro mililitro de azul de metileno, repita si el punto final no es
alcanzado. Puede haber alguna diferencia en la aparición del punto central usando
únicamente material equivalente, pero el aro debe haber reaccionado con azul de
metileno.
5. Para determinar el factor de calibración divida el volumen total de azul de metileno
requerido por 10. Así el porcentaje total de arcilla se obtendrá de la división entre
los mililitros de azul de metileno requerido entre este factor de calibración.
5 gramos de carburo de silicio (color negro)
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EQUIPO 9.
BALANZA DIGITAL.
Procedimiento para utilizar la balanza:
1. La balanza debe estar colocada sobre una superficie plana y estar nivelada para
no tener errores de lecturas. Para asegurar que esto no ocurra, nos ayudamos del
nivel que la misma balanza posee.
Balanza Digital. Nivel Balanza desnivelada
2. Si la balanza no esta nivelada, se procede a nivelarla por medio de las patas
regulables de color verde colocada en sus extremos, hasta lograr su nivelación.
Patas reguladoras, se encuentran en ambos extremos de la balanza.
55
Balanza Bien Nivelada
3. Una vez nivelada, se coloca el recipiente sobre el cual se desea pesar, y se
regresa a cero la lectura, y así tenemos una balanza tarada, solo para obtener el
peso de la muestra deseada sin necesidad de cálculos adicionales.
Botón para regresar a cero la lectura de la balanza.
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EQUIPO 10.
MEZCLADORA.
Este equipo sirve para homogenizar las mezclas de los aglutinantes con las arenas y los
demás aditivos que se utilizan en la formulación de las arenas de moldeo.
Mezcladora
Se introducen las cantidades de los componentes que se desean mezclar, se tapa y se hecha
andar por 15 minutos. El agua se agrega poco a poco durante el proceso de mezclado.
Agregando componente para la mezcla.
Una vez transcurridos los 15 minutos se para y se extrae la mezcla, para empezar el proceso
de fabricación de los moldes.
57
4. CONTROL DE ARENA PARA PIEZAS DE FUNDICIÓN
Partiendo del sistema de arena utilizado para piezas fundidas, se determinaron todos los
parámetros de control presentes en dicho sistema como son: índice de finura, resistencia a
la compresión y corte en verde, porcentaje de humedad, índice de moldabilidad y
friabilidad, y contenido de arcilla.
Los parámetros antes mencionados determinaron las condiciones para el moldeo. Partiendo
de estos datos se generaron dos nuevas formulaciones, es decir cambios en las razones de
los elementos presentes en el sistema de arena (bentonita, carbón marino, agua, arena
nueva y arena reutilizable).
Con las dos nuevas formulaciones (A-DM y B-DM), se procedió a realizar las respectivas
mezclas para los dos nuevos sistemas de arena de fundición. Seguidamente se realizaron las
pruebas de laboratorio que igualmente determinaron sus respectivos parámetros de control,
tal como se mencionó anteriormente.
Se preparó suficiente arena para realizar dos moldes por cada nueva formulación. El
procedimiento seguido para construir los moldes corresponde al empleado actualmente. El
procedimiento de construcción se detalla a continuación:
Preparación de mezcla por formulación.
Tamizado por formulación, arena nueva y
reutilizable. Tamizado final arena nueva
58
Agregar los aglutinantes en razones. Mezcla de todos los elementos.
Foto formulación A-DM (arena de contacto) Foto formulación B-DM (arena de contacto) Construcción y colocación del molde.
Construcción de molde parte inferior Parte superior molde
Colocación del molde para llenado El molde se separa de la caja
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Preparación para llenado Crisol de llenado
Llenado del molde y extracción de las piezas.
Llenado de molde Pieza fundida y separada del molde
Pieza de cada formulación Piezas por cada formulación
60
CONCLUSIONES
Partiendo del monitoreo de los parámetros presentes en los sistemas de arena generados, las
proporciones de los elementos que las constituyen pueden optimizarse. Es decir, tratar de
emplear la mayor cantidad de arena reutilizable, menor cantidad de aglutinantes y demás
aditivos.
Los parámetros determinados para cada formulación cumplen con las exigencias del
proceso de fundido y colada. Las características finales de las nuevas piezas son similares a
las de la formulación actual. Por tanto, el objetivo alcanzado mediante estos análisis llevó a
optimizar la formulación del sistema de arena y al mismo tiempo observar mejoras en las
piezas finales, presentando ahorro y optimización en los recursos al implementar las nuevas
formulaciones.
Según el análisis de la fórmula actual, los porcentajes son: Para las nuevas fórmulas propuestas, sus porcentajes son: Fórmula A, malla fina
Fórmula B, malla actual
Arena reutilizable 79%Arena nueva 16%Bentonita 2% Carbón marino 2%
Arena reutilizable 88%Arena nueva 8% Bentonita 2% Carbón marino 2%
Arena reutilizable 88.5%Arena nueva 8% Bentonita 1.5% Carbón marino 2%
61
Datos comparativos de las formulaciones probadas
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
Arena reutilizable Arena nueva Bentonita Carbón marino
Fórmula actualFórmula A-DMFórmula B-DM
Tabla comparativa entre consumo de recursos por cada formulación
Recurso Fórmula actual Fórmula A-DM Fórmula B-DM
Arena reciclada 20 carretadas 22.3 carretadas 22.4 carretadas Arena nueva 4 carretadas 2 carretadas 2 carretadas Carbón marino 4 bolsas 4 bolsas 3 bolsas Bentonita 4 bolsas 4 bolsas 4 bolsas
Consumo de Recurso
0
5
10
15
20
25
Arena reciclada Arena nueva Carbón marino Bentonita
Recurso
Car
reta
da o
bol
sas
s
Fórmula actual
Fórmula A-DM
Fórmula B-DM
62
5. CONCLUSIONES
La experimentación aplicada juntamente con herramientas como el análisis de la arena de
fundición, el cual se realiza con los aparatos y metodologías antes descritas, permite a las
industrias de la fundición el perfeccionamiento de sus formulaciones en sistemas de arena y
la optimización de los recursos.
Un constante monitoreo de las propiedades requeridas para cierta formulación de un
sistema de arena permitirá determinar las condiciones actuales de esta. Así, los operarios
sabrán cuando debe ser reemplazado o agregado cierto componente durante el proceso de
fundición para la realización de los moldes.
Es importante contar con los manuales de cada uno de los equipos, ya que de esta manera
se facilita la familiarización, la reparación, la adecuación del laboratorio en sus
instalaciones y las precauciones necesarias para un correcto y seguro funcionamiento de los
equipos.
La elaboración de esta guía de procedimientos para análisis de sistemas de arena permitirá
al encargado del laboratorio tomar decisiones y generar nuevos cambios en las
formulaciones. La presente guía buscará facilitar la comprensión y el adiestramiento a
futuros operarios en el manejo de los equipos.
63
6. RECOMENDACIONES
Proporcionar al laboratorio de pruebas de arena, los instrumentos y reactivos para realizar
las pruebas, como también que el lugar sea el adecuado tanto en la disposición de los
equipos, así como su limpieza.
Que el laboratorio sea una escuela del tratamiento de las arenas de moldeo, donde los datos
recopilados sean de ayuda para la medición con precisión de las diferentes propiedades de
estas, así monitoreando sus propiedades.
Que este laboratorio posea un responsable de realizar todas las pruebas a las arenas de
moldeo, de los equipos a los cuales se ha realizado un manual, y que este formule,
proponga y dirija la elaboración de las arenas de contacto principalmente, y señale cuales
serán las arenas de relleno.
Que se realicen las pruebas que se pueden realizar en tiempo real en el lugar de la
fundición, así exactamente antes de realizar los moldes, como la prueba de permeabilidad y
la prueba de humedad con el Speedy Moisture.
Que se ensaye la arena reutilizable, para ser utilizada únicamente como arena de contacto a
la cual según las pruebas de arcilla entre otras, esta poseía una gran cantidad de este
aglutinante superior al 10% en la escala de arcilla efectiva del total de la muestra, suficiente
para que esta arena no se le agreguen más aglutinantes como la bentonita. Así, se ensayará
después de cada uso en una fundición si es apta para que se pueda utilizar en otra
fundición, o si será apta con la mezcla con arena nueva o bentonita, según los datos de las
propiedades de la arena reutilizable.
64
GLOSARIO
Arena de contacto: es la arena de buena calidad que se encuentra alrededor del modelo
para fundición y que tendrá contacto con el metal líquido que conformará la pieza final
deseada.
Arena de relleno: a diferencia de la arena de contacto, esta arena es de menor calidad y de
configuración distinta. La arena de relleno servirá para formar el resto de la arena del molde
para la pieza de fundición.
Esfuerzo de compresión: es la fuerza por unidad de área aplicada sobre un elemento
haciendo que este se comprima. La unidad empleada en la máquina universal de esfuerzos
es lb/in2.
Esfuerzo cortante: es el esfuerzo que actúa tangencialmente a la superficie del material.
Dado también para la máquina universal en lb/in2.
Esfuerzo en seco (dry): es el esfuerzo en compresión o cortante aplicado a una probeta la
cual ha sido secada por la acción de un horno hasta llegar a peso constante.
Esfuerzo en verde (green): es el esfuerzo en compresión o cortante aplicado a una probeta
la cual contiene humedad, es decir formada por arena recién preparada.
Friabilidad: parámetro que indica el grado de desgaste que puede sufrir la superficie de la
arena de un molde.
Moldabilidad: indica el grado o la capacidad en que la arena tiende a llenar todos los
espacios para formar el molde de la pieza.
Permeabilidad: indica la facilidad en la que los gases son evacuados del molde durante la
colada.
65
REFERENCIAS
American Foundry Society (http://www.afsinc.org), promueve y provee conocimientos y
servicios que fortalecen a la industria de la metalúrgica de fundición para beneficio de sus
consumidores y asociados.
Equipo Dietert (http://www.dietertlab.com/) página oficial de la empresa Dietert encargada
de fabricación de equipo para pruebas de arena. En esta página se puede encontrar todo el
listado e información de los equipos para realizar los distintos análisis para sistemas de
arena.
66
BIBLIOGRAFÍA
Howard, E. D., [1962] Tratado práctico de fundición. Editorial Aguilar, S.A. Ediciones,
Madrid, España.
Kazanas, H.C., Baker y G.E., Gregor, T. [1986] Procesos Básicos de Manufactura. Editorial
McGraw Hill, México, D.F., México
Díaz Deleón, M. A., Payés Gutiérrez, J. E., Quijada Cuellar, C. A. y Rivas Bonilla, W. A.
[1998] Metodología investigativa para la optimización del proceso de fundición de
aluminio en molde de arena. Trabajo de graduación presentado para optar al grado de
ingeniero mecánico en la Universidad Centroamericana “José Simeón Cañas”, San
Salvador, El Salvador.
Quintero Omar [2004] Laboratorio de Fundición MT-2384. Universidad Simón Bolívar,
Caracas, Venezuela. Disponible en Web: http://www.dsm.usb.ve/materiales/guias/mt-
2384%20(guia).pdf
Strobl Scott M. [2000] Fundamentos en la preparación y control de la Arena Verde.
Simpson Technologies Corp. Aurora, Illinois, U.S. Disponible en Web :
http://www.moderncasting.com/Spanish/arena_verde.pdf
ANEXOS
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