PROCESO DE MOLDEO EN ARENA CON SILICATO DE SODIO Y ENDURECIDO CON CO2 TRABAJO DE PROCESOS DE MOLDEO
PROCESO DE MOLDEO EN ARENA CON SILICATO DE SODIO Y ENDURECIDO CON CO2
ANDY FABIAN QUINTERO CASTILLO ALBERT RENE ALBARRACIN DIEGO FERNANDO
DOCENTE:
UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍAS INGENIERÍAS METALURGICA Y CIENCIA DE MATERIALES FACULTAD DE INGENIERIA FISICO-QUIMICAS FISICO -QUIMICAS 2011
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PROCESO DE MOLDEO EN ARENA CON SILICATO DE SODIO Y ENDURECIDO CON CO2 TABLA DE CONTENIDO INTRODUCCIÓN
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OBJETIVOS
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1. PROCESOS DE MOLDEO EN ARENA AGLOMERADA CON SILICATO DE SODIO Y ENDURECIDA CON CO2
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1.1 DEFINICIÓN
6
1.2 MATERIAS PRIMAS EMPLEADAS EN EL PROCESO
6
1.2.1 Arena de sílice
6
1.2.2 Arenas de moldeo no silíceas.
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1.2.3 Silicato de sodio.
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1.2.4 Dióxido de carbono
10
1.2.5 Aditivos
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1.3 MECANISMO DE ENDURECIMIENTO CON CO2
13
1.3.1 Métodos de gaseamiento
13
1.3.2 Factores que influyen en el gaseado.
15
1.3.3 Aspectos a tener en cuenta en el gaseado gaseado C02
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1.4 VIDA DE BANCO DE LA ARENA .
18
1.5 ELABORACIÓN DE LOS MOLDES Y MACHOS
18
1.5.3 Endurecimiento de los machos sin desmontar
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1.5.4 Untos
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1.6 PROPIEDADES DE LOS MOLDES Y MACHOS ELABORADOS MEDIANTE EL PROCESO SILICATO DE SODIO CO2 19 1.6.1 Propiedades a altas temperaturas
19
1.6.2 Colapsibilidad Colapsibil idad
20
1.7 ASPECTOS IMPORTANTES DEL PROCESO
21
1.7.1 Precisión dimensional.
21
1.7.2 Fundiciones sólidas.
21
1.7.3 Defectos superficiales de las piezas coladas. coladas.
21 2
PROCESO DE MOLDEO EN ARENA CON SILICATO DE SODIO Y ENDURECIDO CON CO2 1.8 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL PROCESO
21
CONCLUSIONES
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BIBLIOGRAFÍA
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PROCESO DE MOLDEO EN ARENA CON SILICATO DE SODIO Y ENDURECIDO CON CO2 INTRODUCCIÓN
El proceso de moldeo en arenas al silicato de sodio CO2 es un proceso de moldeo de fraguado en frio que se ha probado desde sus inicios en los años 50s como un proceso excepcionalmente versátil para todo tipo de fundiciones a pequeña y a grande escala. La versatilidad de este proceso, es aprovechada particularmente en usos que implican la producción a gran velocidad y técnicas automáticas de fraguado. Se tratará de mostrar aspectos como: Componentes de la mezcla, procesos de fabricación de la mezcla, incluyendo el mecanismo de endurecimiento de esta, procesos de moldeo con esta arena ó fabricación de moldes y machos, propiedades de los moldes y machos elaborados con este tipo de arena, algunos aspectos metalúrgicos de este proceso de moldeo y por último las aplicaciones más conocidas. El
propósito de este trabajo es conocer con el grado de
profundidad permitido por la bibliografía disponible, todos los aspectos del proceso de moldeo en arenas al silicato de sodio CO 2.
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PROCESO DE MOLDEO EN ARENA CON SILICATO DE SODIO Y ENDURECIDO CON CO2 OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL Teniendo en cuenta las diferentes características del proceso de moldeo en arenas aglomeradas con silicato de sodio y endurecidas con CO2, determinar sus ventajas y desventajas presentadas en el proceso, para así tener la facultad de implementarlo bajo ciertos criterios según se la situación de moldeo presentada OBJETIVOS ESPECÍFICOS y
Conocer las propiedades físicas de los moldes y machos elaborados mediante este proceso y también las propiedades de las piezas metálicas obtenidas mediante fundición empleando dichos moldes y/o machos.
y
Identificar las principales características y propiedades del proceso de moldeo en arenas aglomeradas con silicato de sodio y endurecidas con CO2.
y
Adquirir la capacidad de seleccionar el proceso de moldeo más adecuado para un determinado uso, en función de las ventajas y desventajas que cada proceso de moldeo presenta.
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PROCESO DE MOLDEO EN ARENA CON SILICATO DE SODIO Y ENDURECIDO CON CO2 1. PROCESOS DE MOLDEO EN ARENA AGLOMERADA CON SILICATO DE SODIO Y ENDURECIDA CON GAS CARBÓNICO
1.1 DEFINICIÓN Es una técnica que se basa en el endurecimiento del material de moldeo (arena y el aglomerante de silicato sódico) mediante ácido carbónico o bien con arenas aglutinadas con silicato sódico. Se emplea fundamentalmente en la fabricación de machos y en algunos casos muy concretos para moldes. La mezcla del material de moldeo, es decir la arena y el aglomerante de silicato sódico se endurece por inyección del dióxido de carbono (CO2) también llamado con frecuencia iniciador. El silicato sódico reacciona con el dióxido de carbono transformándose en pocos segundos en sosa y ácido silícico en forma de gel que provoca la aglutinación de los granos de arena en el molde.
1.2 MATERIAS PRIMAS EMPLEADAS EN EL PROCESO
Esencialmente, los únicos materiales requeridos para desarrollar el proceso de silicato de sodio (CO2) es una base refractaria tal como arena de sílice, de cromita, de zirconio o de olivino, un aglomerante que en este caso es el silicato de sodio y una fuente de dióxido de carbono. Algunos aditivos agregados, como arcillas, polvo de carbón mineral y derivados de carbohidratos como azúcares y almidones se usan con el fin de mejorar las características de la arena en el desmoldeo y mejorar el acabado superficial de las piezas coladas.
1.2.1
Arena de sílice
Cualquier arena limpia de sílice se puede utilizar para el proceso de silicato de sodio - CO 2 , pero para mejores resultados es necesario la selección y el control cuidadoso de la arena, especialmente donde se practica la producción mecanizada del molde y del macho. La arena es un material de ocurrencia natural por lo que puede variar la forma y tamaño de grano, el contenido de arcilla y el contenido de agua. Por estas razones se debe realizar en cuanto sea posible el control cuidadoso de cada carga de arena destinada a este uso con el fin de controlar las siguientes características: 6
PROCESO DE MOLDEO EN ARENA CON SILICATO DE SODIO Y ENDURECIDO CON CO2
Influencia los siguientes aspectos del proceso: Las fuerzas endurecedoras durante el gaseamiento con CO2 cambios en las fuerzas en enlace en los moldes y machos durante el almacenaje La permeabilidad de los moldes y machos durante la distribución de C02 en el gaseamiento. La calidad superficial de las piezas coladas y
y
y
TAMAÑO Y FORMA DE GRANO
y
La granulometría más adecuada es de 60 a 100 A.F.S. repartida en 3 ó 4 tamices
CONTENIDO DE ARCILLA
CONTENIDO DE AGUA
TEMPERATURA
CONTENIDO MINERAL
Puede causar reducciones en la vida de banco de la mezcla e influenciar las fuerzas de enlace en ésta, resultando moldes y corazones con baja cohesión y superficies y bordes frágiles. No debe superar ni ser menor al 1%. El exceso de agua puede disminuir la resistencia en verde y la capacidad endurecedora del CO2, además de ocasionar defectos como sopladuras. La reacción de endurecimiento entre el CO2 y el silicato de sodio es muy lenta a bajas temperaturas y no tiene muchos efectos endurecedores por debajo de 10°C a menos de suministrar en exceso el gas. La temperatura idónea de la arena es aproximadamente 20°C. Se requiere un contenido alto de sílice para contar con buenas propiedades refractarios. Si las arenas contienen más de 0.5% de óxidos de potasio y de sodio (principalmente como los feldespatos y mica) en las partículas mayores de 0.1 milímetros esta se puede quemar. DE igual forma los óxidos de calcio y de magnesio no deben exceder el 1%. Las arenas de mar contienen carbonato de calcio el cual puede ocasionar problemas en la colada, al descomponerse a temperaturas alrededor de 800°C.
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PROCESO DE MOLDEO EN ARENA CON SILICATO DE SODIO Y ENDURECIDO CON CO2 1.2.2
Arenas de moldeo no silíceas
Para aplicaciones especiales de este proceso de moldeo, en los que se requiera una buena resistencia al calor y a la penetración del metal, por ejemplo en las fundiciones de acero de alto manganeso pueden ser requeridas las arenas especiales de moldeo tales como zirconita, olivino o cromita en vez de las arenas de sílice. Otra razón para usar arenas especiales es el requerimiento de un bajo coeficiente de dilatación térmica, como lo tienen estas arenas y no la arena silícea. Por lo general se usan como arena de contacto, debido a sus altos costes. 1.2.2.1 Cromita: La composición química debe ser: Cr 203 mínimo 44 %, Fe203 máximo 26%, Si02 máximo 4%. CaO máximo 0.5%, Al 203, MgO y otros compuestos máximo 0·5%. Los granos de arena de cromita deben ser de angulares a sub-angulares y la distribución granulométrica adecuada se muestra en la siguiente tabla.
Tabla 1. Distribución granulométrica de la arena de cromita empleada para el proceso silicato de sodio CO2 1.2.2.2 Arenas de zircón: Deben tener la siguiente composición química para ser usadas en el proceso silicato de sodio CO 2: Zr02 mínimo 63%. SiO2 del 32% al 36%, Fe203 máximo 0.8%. Los granos de arena de cromita deben ser de angulares a subangulares y la distribución granulométrica adecuada se muestra en la siguiente tabla.
Tabla 2. . Distribución granulométrica de la arena de zircón empleada para el proceso silicato de sodio CO2 8
PROCESO DE MOLDEO EN ARENA CON SILICATO DE SODIO Y ENDURECIDO CON CO2 1.2.2.2 Arenas de olivino: Deben tener la siguiente composición química para ser usadas en el proceso silicato de sodio CO2: fosferita (Mg2Si04) aproximadamente 90% y 10% de fayalita (Fe2Si04). Los granos de arena de cromita deben ser de angulares a sub-angulares y la distribución granulométrica adecuada se muestra en la siguiente tabla.
Tabla 3. Distribución granulométrica de la arena de olivino empleada para el proceso silicato de sodio CO2 1.2.3
Silicato de sodio
El silicato de sodio está formado por una mezcla de sílice (SiO 2), Óxido de sodio (Na2O) y agua (H2O). Es obtenido del vidrio en polvo, es altamente soluble y para el uso en la industria fundidora comúnmente se encuentra en solución alcalina. Variando las proporciones de cada componente, varían también las propiedades del aglutinante. Estas proporciones se valoran por la relación de los componentes sólidos SiO2/Na2O que se denomina módulo. Esta solución de silicato es producida comercialmente en un rango de módulos moleculares de sílice y soda entre 1:1 y 4.1:1. La variación del módulo y también la dilución da una diferencia amplia entre las propiedades físicas y químicas de la solución. Industrialmente se emplean 2 tipos de soluciones de silicato de sodio: Una con solo silicato de sodio, y otra que contiene aditivos como azúcar y melazas. La gran mayoría de estos silicatos poseen un modulo 2:1. 1.2.3.1 Sistema Silicato Soda Agua: Pequeños cambios en el contenido de agua, tiene un efecto importante en las propiedades del silicato de sodio y puede ser apreciado en el diagrama de fase del sistema SiO2 Na2O H2O.
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PROCESO DE MOLDEO EN ARENA CON SILICATO DE SODIO Y ENDURECIDO CON CO2 1.2.3.2 Porcentajes de adición de silicato de sodio: Los porcentajes de adición de silicato de sodio varían en función de varios factores, como, por ejemplo, la forma de grano, la finura de la arena, la calidad del silicato de sodio y el tipo de mezclador empleado.
Con mucha frecuencia en la industria se emplean molinos de aspas utilizados en la preparación de la arena verde, para mezclar la arena con silicato de sodio. Para compensar la deficiencia de la dispersión, se aumentan las adiciones de silicato de sodio hasta proporciones tan altas como el 6% en algunos casos, pero a la vez este porcentaje tan elevado es perjudicial y costoso si tenemos en cuenta que el porcentaje de silicato de sodio utilizado varía generalmente entre el 3% y el 4% aproximadamente. Los resultados óptimos se logran con adiciones de silicato de sodio entre valores del 3.5% al 4.5%. El éxito radica en el buen mezclado de la arena, el respectivo silicato de sodio y un buen mecanismo de gaseado. Se debe tener en cuenta que para arenas de granulometría gruesa se usan cantidades de silicato de sodio entre el 2% y el 2-5%, mientras que las arenas de granulometría fina requieren cantidades de silicato por encima del 5%. Pequeñas cantidades de silicato de sodio en la mezcla produce una vida de banco corta. Un exceso de silicato de sodio produce mezclas con acumulaciones de arena en forma de bolas y caja de machos difíciles de desmoldear. Los moldes y machos construidos con arena que contiene un exceso de silicato de sodio requieren de tiempos más largos para poder ser empleados además de tener baja resistencia a la compresión. Un exceso de silicato de sodio requiere por consiguiente un aumento en la adición de CO2 . 1.2.4 Dióxido de carbono
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PROCESO DE MOLDEO EN ARENA CON SILICATO DE SODIO Y ENDURECIDO CON CO2 1.2.5 Aditivos Las mezclas de arenas para moldear o para fabricación de machos pueden contener otras materias diferentes a la arena
y
al aglomerante. Estas materias son llamadas aditivos y son
usadas para mejorar el acabado superficial de las piezas fundidas o inhibir las reacciones químicas entre el metal caliente y el macho de arena durante el vaciado. Muchas veces también se requiere agregar
desmoronantes.
El aditivo se debe aplicar a la arena antes de
agregar el silicato de sodio. Los aditivos más usados son las arcillas y el polvo de carbón mineral. No se deben usar aditivos ácidos ya que éstos reaccionan con el silicato de sodio. 1.2.5.1 Arcilla: Es agregada a la mezcla para: y
Aumentar la resistencia en verde de la mezcla con el fin de prevenir las distorsiones y rebabas cuando los patrones son sacados de los moldes antes de ser gaseados.
y
Para mejorar la cualidad de manipulación de las arenas aglutinadas con silicato de sodio.
y
Para prevenir que la caja de corazones se pegue al patrón.
y
Para mejorar la colapsibilidad de los moldes.
Hay dos clases de arcillas que son usadas como aditivos a las arenas aglutinadas con silicato de sodio, la caolinita y la bentonita (de calcio o de sodio). Cuando es necesario incluir arcilla como aditivo se deben tener en cuenta los siguientes puntos: y
Es preferible utilizar caolinita en un 2% al 3% para obtener la resistencia en verde
adecuada. y
Si se añade arcillas de bentonita, para obtener alta resistencia en verde. Se debe saber que al gasear la mezcla se pierde parte de esa resistencia.
y
Puede ocurrir que la mezcla requiere de agua adicional, normalmente de 0.5% por cada 1% - 2% de arcilla. Esta agua debe ser bien dispersada en la arena antes de añadir el silicato de sodio y la arcilla.
y
La adición de arcilla puede disminuir la fluidez de la mezcla, lo cual da como resultado corazones de baja densidad (mala compactación) cuando se usan máquinas sopladoras de corazones.
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PROCESO DE MOLDEO EN ARENA CON SILICATO DE SODIO Y ENDURECIDO CON CO2 1.2.5.2 Carbón mineral en polvo: Su función es mejorar el acabado superficial de las piezas coladas y facilitar la colapsibilidad del molde. El carbón en polvo usado para las fundiciones es producto del carbón bituminoso y contiene aproximadamente el 30% de material volátil. El carbón en polvo de grano grueso comenzó a usarse en las mezclas de arena para producir piezas fundidas de gran sección. Con grandes adiciones de carbón en polvo de tamaño de grano fino se puede provocar un deterioro en la resistencia. La velocidad de la reacción de endurecimiento en una mezcla de arena es influenciada por la calidad del carbón en polvo; para grandes adiciones el endurecimiento ocurre rápidamente. 1.2.5.3 Brea (Alquitrán): Es usado al igual que el carbón en polvo para obtener una buena colapsibilidad y un buen acabado superficial. La brea en polvo fluye libremente; este polvo está constituido de partículas esferoidales. Este material contiene cerca del 92% de carbón que tiene un total de materia volátil entre el 50% y 60%. Normalmente se añade en una proporción del 0.5% - 1% de la arena aglutinada con silicato de sodio. La adición de más del 1% no tiene efectos considerables sobre la resistencia después del gaseado.
1.2.5.4 Carbohidratos: La dextrina puede ser añadida para aumentar la resistencia en verde de la mezcla y ayudar a la colapsibilidad; el almidón puede ser usado para el mismo propósito. Estas sustancias pueden incrementar la consistencia de la mezcla, causando una reducción de la fluidez de la misma y problemas cuando se soplan corazones de diseño complicado. La dextrina desarrolla mayor resistencia en verde y es menos dañina a la resistencia después del gaseado y a la vida de banco de la mezcla que el almidón. Ambas sustancias ayudan al desmoldeo en igual forma.
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PROCESO DE MOLDEO EN ARENA CON S LICATO DE SODIO Y ENDURECIDO CON CO2
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El moldeo al CO2 es un procedimiento para endurecer los moldes y mac os sin n ecesidad d e
cocerlos
Para esto se emplea ar ena e trasiliciosa me clada con silicato de sodio como aglomerante en
lugar de arcilla. El molde o mac o se pr epara como si fu ese de arena en verd e y cuando está
terminado se hace pasar a través de su masa una corrient e de dióxido de carbono.
Se ha propu esto que en el mecanismo de endurecimiento con CO2 dos mecanismos
alternativos están implicados
l. Una reacción química en medio alcalino que implica la formación de gel de sílice.
.
Na2O SiO2 +
H2O
+
CO2
Na2CO3
+
.
SiO2 H2O Gel de sílice
2. La deshidratación fí sica del silicato de sodio acuoso debido al contacto con CO2 seco qu e produce la aparición de un vidrio de gran viscosidad.
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proceso. El gaseado con CO2 pu ede realizarse ant es del d esmodelado del molde o macho o bien d espu és el d esmod elado. En este caso la arena deberá conten er algo de arcilla, para qu e
el molde tenga suficiente resisten cia en verde. 131 ¡
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Son varias las técnicas empleadas para endurecer moldes y machos y
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13
PROCESO DE MOLDEO EN ARENA CON SILICATO DE SODIO Y ENDURECIDO CON CO2 y
Gaseamiento
a través de una capucha ó capilla usadas generalmente para el gaseado
después del desmontaje en verde.
y
Gaseamiento
a través de agujas perforadas de 3 a 6 mm de diámetro, espaciadas de
100 a 150 mm en la arena. Por medio de estas agujas se sopla el gas al molde o macho y se recomienda contar con un método de succión de gas por medio de una bomba de vacío, ubicado por el otro extremo del molde o macho. Este sistema es usado en la producción repetitiva de machos.
y
Gaseamiento
a través de respiraderos en la base de la caja de macho; esto implica
generalmente el uso de cajas de macho de doble pared.
La producción mecanizada del macho usando ventiladores o sopladores para el endurecimiento puede emplear cualesquiera de los métodos mencionados. Se debe tener en cuenta que el CO2 como todo fluido tomará los caminos en el molde o macho que le proporcionen menor resistencia a su paso, por lo tanto si el molde o macho poseen un diseño complicado se debe diseñar un ingenioso mecanismo de gaseamiento de forma que toda la pieza quede uniformemente endurecida.
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PROCESO DE MOLDEO EN ARENA CON SILICATO DE SODIO Y ENDURECIDO CON CO2 1.3.2 Factores que influyen en el gaseado 1.3.2.1 Concentración de silicato de sodio: En los primeros instantes del endurecimiento con el CO2, este ocurre generalmente a una taza más rápida cuando la mezcla usada contiene bajas concentraciones de silicato de sodio. A medida que la cantidad de silicato de sodio en una mezcla se aumenta, las fuerzas aglomerantes se desarrollan progresivamente más lentamente, aunque se puede lograr muy alta resistencia con un tiempo de gaseado extendido. La explicación para esto es que en las concentraciones de silicato de sodio bajas, las películas finas de aglomerante que rodean los granos de arena facilitan una reacción rápida con CO 2, debido a que existe una mayor área de contacto entre los reactantes; mientras a concentraciones altas de silicato de sodio se forman películas más gruesas y la reacción con el CO 2 se llevará a cabo más lentamente. 1.3.2.2 Módulo del silicato de sodio Módulo bajo: Estos silicatos poseen alto grado de deshidratación; como consecuencia el gaseado no es efectivo
debido a que el mecanismo de
endurecimiento será dirigido por deshidratación. Aunque presentan algunas ventajas: 1. Mayor control en la duración del gaseado y en flujo de CO2. 2. La vida de banco de las mezclas es a menudo más larga. 3. Los moldes y los corazones conservan mas sus fuerzas de cohesión durante el almacenaje y sus superficies también se conserva más. Modulo alto: Se forma una película aglomerante gruesa al inicio, la cual con el paso del tiempo se encoge, originando microfisuras que rompen la continuidad de la película, lo que produce una reducción en las propiedades del macho con la aparición de la fragilidad. Sin embargo son preferibles los silicatos de módulo alto que de módulo bajo, pues proporcionan las siguientes ventajas: 1. Un aumento substancial en el índice de desarrollo de la reacción de endurecimiento con el CO2 2. El porcentaje de aprovechamiento del CO2 suministrado aumenta. 3.
Mejores propiedades a altas temperaturas.
4. Mayor endurecimiento a temperatura ambiente, a lo que haya concluido el proceso. 15
PROCESO DE MOLDEO EN ARENA CON SILICATO DE SODIO Y ENDURECIDO CON CO2 1.3.2.3. Función del tiempo en el gaseado: Usando un flujo de gas constante, la fuerza aglomerante aumenta progresivamente con el paso del tiempo de gaseado. Se debe tener en cuenta que en muchos casos hay un período inicial de algunos segundos al principio del gaseado en el cual no se desarrolla ninguna fuerza. Posteriormente se da un aumento rápido en el desarrollo de las fuerzas a medida que continúa el gaseado.
1.3.2.4. Cambios de temperatura durante el gaseado: Durante el endurecimiento, ocurre una reacción exotérmica entre el silicato de sodio y el C02 formando gel de sílice, carbonato sódico y bicarbonato sódico. Por lo tanto ocurren cambios de temperatura dentro de los moldes y machos a una rata dependiente del flujo de CO 2. La temperatura aumenta muy poco al comienzo del endurecimiento. A medida que el tiempo de gaseado avanza, las fuerzas de enlaces aumentan gradualmente hasta alcanzar las máximas posibles. Para ese instante la temperatura de la mezcla ha aumentado cerca de 8°F (4.5°C). Tener en cuenta: 1. Las cantidades excesivas de gas serán requeridas para alcanzar un buen nivel de fuerza. 2. Cualquier reducción de temperatura en la arena inhibirá el desarrollo de la dureza y llevará al despilfarro de CO2. 3. Los moldes y corazones tendrán áreas poco duras localizadas producto de altos flujos de gas en esas zonas.
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PROCESO DE MOLDEO EN ARENA CON SILICATO DE SODIO Y ENDURECIDO CON CO2 En resumen, el control del tiempo de gaseado y del flujo de CO 2 es necesario para producir el endurecimiento uniforme de moldes y machos. El control del flujo del CO 2 es importante por dos razones: 1. Las fuerzas de enlace de moldes y de corazones durante el almacenaje es afectado de forma vital por el flujo empleado de gas. 2. La distribución eficiente del CO2 a través de moldes y corazones durante la operación de endurecimiento depende del control del flujo del gas.
1.3.3 Aspectos a tener en cuenta en el gaseado CO2 Cuando el consumo es bajo se pueden usar cilindros de gas comprimido. Cuando se consumen grandes cantidades se puede comprar en forma líquida y almacenarse en tanques. También se puede comprar hielo seco y usar un convertidor para hacerlogas. Mucho aglomerante necesita un volumen muy grande de gas para desarrollar la resistencia deseada Gaseados
prolongados a baja presión dan más alta resistencia que gaseados cortos a
alta presión La presión de manómetro que se recomienda esta en el rango de 1.4 - 3,5 Kg/cm2 Se ha comprobado que la arena que se endurece ofrece menor resistencia al paso del gas que la no endurecida, el gas tiende a canalizarse a través de la arena endurecida. Se debe evitar el sobre gaseado porque un exceso de CO2 produce bicarbonato de soda, según la siguiente reacción:
Na2CO3 + CO2 + H2O
2Na2HCO3
El agua pará esta reacción en particular se toma del gel de sílice, dejando SiO2 que no tiene las características necesarias para mantener los granos de arena fuertemente unidos.
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PROCESO DE MOLDEO EN ARENA CON SILICATO DE SODIO Y ENDURECIDO CON CO2 1.4 VIDA DE BANCO DE LA ARENA Las mezclas de arena que contienen silicatos de modulo 2:1 poseen una vida de banco relativamente larga lo que permite su uso prolongado sin una reducción importante en fuerzas las fuerzas de cohesión dadas por el gaseamiento. Cuando la mezcla se expone al ambiente se forma una corteza en la superficie, debido principalmente a la evaporación del agua. Se debe almacenar la mezcla de arena en envases sellados, o simplemente cubriéndola del contacto directo con el ambiente y de esta manera la vida de banco puede ser prolongada. Un aumento en el modulo del silicato viene acompañado por una relación mayor de aire endurecedor por tal razón la vida de banco de una mezcla de arena de altos módulos de silicato posee comparativamente una vida de banco más corta. Sin embargo, si se toman las precauciones para preparar tales mezclas con el contenido en agua óptimo y se tiene cuidado en el almacenamiento el deterioro de la vida útil de la mezcla es controlado.
1.5 ELABORACIÓN DE LOS MOLDES Y MACHOS El proceso silicato de sodio CO 2 es ampliamente utilizado para la fabricación de moldes. Debido a la gran flexibilidad del proceso, éste se ha adoptado al moldeo de piso, al ensamble de los machos y al moldeo mecanizado. En muchos usos ha sustituido el moldeo en verde, y el moldeo en seco, debido a la gran velocidad de fraguado. Este proceso es también una buena opción para el moldeo mecanizado gracias a su excelente exactitud dimensional y su alta velocidad de endurecimiento. 1.5.1 Endurecimiento de los machos sin desmontar: El proceso de silicato de sodio CO2 es ideal para el trabajo de endurecimiento de machos. Con este proceso, los corazones se pueden endurecer en su propia caja, sin necesidad de desmontarlos. Los corazones resultan fuertes, rígidos e idénticos a su molde y se pueden manejar y utilizar inmediatamente, o almacenar sin miedo de que ocurra alguna distorsión. Las siguientes ventajas son las obtenidas usando el proceso silicato de sodio - CO2 para el endurecimiento de los machos. y
Se obtienen machos muy exactos.
y
No ocurre distorsión del macho durante el desmontaje ni durante el transporte.
y
El manejo del proceso se facilita enormemente. 18
PROCESO DE MOLDEO EN ARENA CON SILICATO DE SODIO Y ENDURECIDO CON CO2 1.5.4 Untos Para la mayoría de los usos es necesario aplicar una capa de pintura a los moldes o corazones hechos por el proceso de silicato CO2 antes de someterlos al contacto con el metal liquido. Las razones de esta práctica son: La mejora del acabado superficial Reducir la posibilidad de que la superficie de la arena se queme al momento de la colada Prevenir la penetración del metal en un molde o macho Las pinturas se componen generalmente de los siguientes materiales. Base refractaria. Agentes de suspensión. Aglomerante Portador líquido. Para el uso en los moldes y corazones elaborados con el proceso silicato CO2, el portador líquido debe ser isopropanol o alcohol desnaturalizado industrial. 1.6 PROPIEDADES DE LOS MOLDES Y MACHOS ELABORADOS MEDIANTE EL PROCESO SILICATO DE SODIO CO2 1.6.1 Propiedades a altas temperaturas El silicato de sodio, al ser un material inorgánico, no es descompuesto por el calor y por lo tanto no ocurre la destrucción del enlace a diferencia de lo que ocurre con los aglomerantes orgánicos. De hecho, las características a altas temperaturas de las arenas al silicato-CO 2 son únicas. 1.2.1.1 Resistencia en caliente.: La resistencia en caliente, en el sistema arena silicato Co2, se acostumbra a medir por el esfuerzo retenido después del calentamiento y posterior enfriamiento a temperatura ambiente. A los 200°C ocurre un aumento en la resistencia del material, debido a la deshidratación del silicato de sodio que no se alcanzó a gasear. Entre los 300°C y los 600°C se da un ablandamiento de la unión de la película de gel de sílice que rodea loa granos de arena. A más altas temperaturas (800°C a 900°C) es posible la aparición de uniones de tipo cerámico lo que explica el aumento de la resistencia a esas temperaturas.
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PROCESO DE MOLDEO EN ARENA CON SILICATO DE SODIO Y ENDURECIDO CON CO2 1.6.1.2 Cambios de volumen por las altas temperaturas: La dilatación a altas temperaturas se puede minimizar con la adición de óxido de hierro ó arcilla. También se puede adicionar entre el 2% y el 4% de alúmina o bauxita para retrasar muy efectivamente el efecto de la expansión térmica.
Fig. . Expansión térmica de machos de 2in x 2in.
1.6.2 Colapsibilidad En general se observa una pobre colapsibilidad de los machos elaborados en el proceso silicato de sodio CO2. Esta propiedad depende primordialmente de cuatro factores: y
Temperatura alcanzada por el molde ó macho
y
Aditivos
y
Módulo del silicato de sodio
y
Porcentaje de adición del silicato de sodio
Los silicatos de modulo bajo son los más difíciles de desarenar, mientras que los de modulo alto (alrededor de modulo 3) presentan la mejor colapsibilidad siempre y cuando sean empleados el mismo día de su elaboración. Pequeños porcentajes de exceso de silicato de sodio provocan dificultades en el momento de desarenar el macho. Por tal motivo, se debe ensayar y utilizar el mínimo porcentaje de silicato, con el que se reduce el tiempo de desarenado.
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PROCESO DE MOLDEO EN ARENA CON SILICATO DE SODIO Y ENDURECIDO CON CO2 1.7 ASPECTOS IMPORTANTES DEL PROCESO
1.7.1 Precisión dimensional: Uno de los principales beneficios obtenidos en la producción de moldes y corazones por el proceso de Silicato CO es la alta precisión dimensional. Este 2
aspecto es atribuido al hecho que el endurecimiento se efectúa antes de que los moldes sean sacados de sus patrones o cajas de corazones y por otro lado a la rigidez o estabilidad dimensional que poseen los moldes o corazones cuando son expuestos al metal fundido.
1.7.2 Fundiciones sólidas: El movimiento de las paredes del molde durante el desmodelado da como resultado un engrandecimiento de la cavidad del molde, el cual al ser llenado de metal fundido y la subsiguiente solidificación de éste produce problemas de falta de solidez y precisión.
El uso del proceso de Silicato de sodio CO2
minimiza estos problemas.
Consecuentemente este proceso es usado en la producción de moldes y corazones donde la alta precisión dimensional y solidez es esencial.
1.7.3 Defectos superficiales de las piezas coladas
1.7.3.1 Porosidad: La baja evolución de gases producidos en las arenas aglutinadas con silicato de sodio, hace que este tipo de defectos sean muy poco comunes en este proceso. Cuando se presentan es generalmente debido a una mala distribución o un defectuoso endurecimiento del Silicato de sodio causado por una mala mezcla de la arena. 1.7.3.2. Acabado superficial: Los moldes ó corazones hechos por el proceso de Silicato de sodio CO2 tienen normalmente una capa protectora que previene la penetración del metal y la formación de quemaduras de la arena.
1.8 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL PROCESO 1.8.1 Ventajas Sencillez operativa, No sensible a la calidad de la arena. Bajos costos de producción. Los machos y moldes son de gran dureza y buena exactitud dimensional. Buen acabado superficial en la pieza colada 21
PROCESO DE MOLDEO EN ARENA CON SILICATO DE SODIO Y ENDURECIDO CON CO2 Los moldes y machos pueden ser almacenados ya que tienen una gran estabilidad. No es necesario la cocción. Los corazones pueden hacerse por cualquier medio normal de fabricación, debido a la alta fluidez de la arena. El proceso es rápido: los corazones y moldes se pueden apisonar y endurecer en minutos. Los corazones y moldes tienen una mínima evolución de gases.
1.8.2
Desventajas Presenta dificultades para el desmoldeo (regular colapsibilidad). La arena no puede ser utilizada nuevamente (salvo como relleno). Los procesos de recuperación de la arena previamente utilizada son costosos. Casi siempre las cajas de machos deben ser desarmables y su acabado superficial es inferior a otros procesos. En particular se destaca adversamente el bajo aprovechamiento del CO2 durante el proceso de soplado al molde, el cual se estima en el orden de solo el 20%. Como el proceso de gaseado es manual, la calidad del molde dependerá del operador. Debe usar materiales adicionales a fin de mejorar la colapsibilidad. Para corazones delgados se necesita una armadura de acero .
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PROCESO DE MOLDEO EN ARENA CON SILICATO DE SODIO Y ENDURECIDO CON CO2 CONCLUSIONES
Los procesos de moldeo en arenas aglomeradas con silicato de sodio y endurecidas con gas carbónico son un procedimiento verdaderamente versátil para la industria fundirá debido sus bajos costos y altas velocidades de desarrollo. Los moldes y machos elaborados mediante esta técnica poseen excelentes propiedades físicas e igualmente proporcionan muy buenos acabados a las piezas coladas con ellos. Es un proceso económico y ampliamente utilizado por ser una técnica de fraguado en frio que proporciona excelentes resultados.
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PROCESO DE MOLDEO EN ARENA CON SILICATO DE SODIO Y ENDURECIDO CON CO2 BIBLIOGRAFÍA
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