SAND RECLAMATION: ADECUACIÓN DE ARENAS PARA FUNDICIÓN

DAVID STEVEN CALAMBAS G.1* , JEFFERSON MURILLO S.1** , LAURA MARCELA BERNAL M.1***

1. Fundición, Escuela de Ingeniería de Materiales, Universidad del Valle, Cali, Colombia. *david.calambas@correounivalle.edu.co**jefferson.murillo@correounivalle.edu.co

***laura.bernal@correounivalle.edu.co

RESUMEN

En la industria de la fundición es indispensable contar con arena que contenga propiedades óptimas para la creación de moldes o machos, sin que afecte el acabado y la funcionalidad de la pieza a realizar. Por esta razón los procesos de adecuación de arenas han ganado importancia a través de los años ya que facilitan la recuperación de gran cantidad de arena para ser reutilizada posteriormente. A continuación se exponen __ métodos con los cuales se lleva a cabo la adecuación de arena requerida en fundición. También se desarrolla el procedimiento experimental realizado mediante el lavado de arena (método de recuperación mojada) debido a su utilidad en el laboratorio.

Palabras clave: adecuación, arena, fundición, recuperación, reutilización, métodos.

ABSTRACT

In the foundry industry is essential to have optimal properties sand for the creation of mold or core without affecting the finish and functionality of the part to be produced. Therefore sand reclamation process has gained importance in recent years because they facilitate the recovery of large amount of sand to be reused later. Below __ methods by which the necessary adjustment is made in the foundry sand reclamation are exposed. The experimental procedure performed by washing sand (wet method of recovery) due to its utility in the laboratory is also developed.

Key words: foundry, methods, reclamation, reused, sand.

1. INTRODUCCIÓN

Uno de los procesos de manufactura más empleados en la industria es la fundición. La producción en moldes de arena representa la mayor parte del tonelaje total de fundición. Casi todas las aleaciones pueden fundirse en arena, de hecho, es uno de los pocos procesos que pueden usarse para metales con altas temperaturas de fusión. Su versatilidad permite fundir partes muy pequeñas o muy grandes en cantidades de producción que van desde una pieza a millones de éstas.

Dado que el principal residuo del proceso de fundición es la arena, las industrias han mostrado un gran interés utilizando varios métodos para re-utilizarla, con el fin de reducir los costos del proceso, tener control de la estructura química y prevenir daños medioambientales por su extracción o desecho.

2. ESTADO DEL ARTE

En la preparación de moldes en la industria de la fundición se requieren materiales que desarrollen propiedades de cohesión, plasticidad y resistencia para reproducir el modelo de la pieza; deben ser refractarios, permeables para la evacuación de gases que se producen al vaciar el molde y ser disgregables para que faciliten extracción de la pieza, estos materiales son las arenas [5]. Las arenas se pueden clasificar según el contenido de arcilla: mezcla magra (4-8 % de arcilla), semigrasa (8-10% de arcilla) o grasa(>18% arcilla) también llamadas arenas secas. Según su origen: Naturales o Sintéticas. Según se les haya empleado o no en el proceso: Nueva (primera vez en el proceso) o Vieja (arena reutilizada).

La adecuación o recuperación de arenas utilizadas en procesos de fundición ha sido definida por la AFS 4S-Sand Reclamation and Re-Use Committee como el tratamiento físico, químico o térmico de un agregado refractario (arena) para permitir su reutilización sin disminuir significativamente sus propiedades útiles originales requeridas en la aplicación en cuestión [3]. Al finalizar el proceso de adecuación se debe entregar una arena regenerada con una distribución de grano que sería similar a una arena nueva seleccionada para dar un cierto acabado de calidad. Generalmente, la arena que pasa por un proceso de recuperación optimiza sus propiedades, debido a la eliminación de impurezas, desechos orgánicos, polvo, metales, aglutinantes, etc. Sin embargo, se debe tener en cuenta el tipo de aglutinante utilizado en la fundición para poder hacerle un tratamiento adecuado y no alterar sus propiedades.

El principal objetivo de la adecuación es el de reducir el costo total de la arena, que incluye no solo la compra, sino también el costo de la carga (transporte) y la eliminación. Por otra parte deja de provocar grandes daños medioambientales debido a la difícil extracción de grandes cantidades de material en el suelo, además de minimizar el daño que provocan las sustancias químicas que se encuentran en los desechos de las arenas.

En cualquier sistema de recuperación que se utilice se deben poseer ciertos requisitos para poder desarrollar el mecanismo de recuperación adecuado [1], entre los que se encuentran:

➢ Eliminar una cantidad controlada de capa de aglutinante sobre el grano de arena. ➢ El proceso debe eliminar grumos que tienden a ser altos en impurezas.➢ Debe quitar el metal, ya que el ácido de los aglutinantes reacciona con las partículas

metálicas y una cierta cantidad de catalizador se utilizará en esta reacción.➢ Retirar el material inerte y orgánico a un mínimo nivel aceptable que depende de la

arena utilizada, el sistema aglutinante, y el metal a verter.

Se pueden caracterizar los métodos de adecuación o recuperación de arenas como primario y secundario. El primario es en el cual la arena recuperada no puede ser utilizada debido a que no tienen la suficiente calidad para la realización de moldes. Las técnicas utilizadas principalmente son las que contienen vibraciones o tambores giratorios. En el secundario se remueven completamente los aglutinantes residuales, y es gracias a este método de recuperación que la arena conserva o mejora sus propiedades y puede ser reutilizada [3]. De este tipo de métodos se destacan: Tratamiento térmico, tratamiento mecánico (en seco), y lavado húmedo

2.1. Tratamiento o recuperación Térmica

En la recuperación térmica se lleva la arena a una temperatura mayor a 600 °C para eliminar completamente los aglutinantes residuales y materia orgánica. En el proceso, se hace pasar la arena de la planta a través de una torre de limpieza que elimina las partículas metálicas antes de la entrada en el horno. El horno posee una mezcla de gas y aire que proporciona el medio de fluidización que, al encender la superficie del lecho de arena a través de boquillas de gas piloto, separa la arena una vez quemados el aglutinante y los residuos. Normalmente, la unidad térmica funciona con gas natural o LPG y opera a temperaturas de entre 670ºC y 720ºC dependiendo del tipo de aglomerante utilizado [4]. Después, la arena es transportada a un lecho fluidizado que posee menor temperatura que el anterior, para reforzar el proceso de enfriado.

Se considera que este tipo de tratamiento posee mayor eficiencia debido a que la arena cambia de fase irreversiblemente al ponerse en contacto con temperaturas mayores a 600 °C, aumentando el coeficiente de expansión térmica durante el proceso, disminuyendo la expansión provocada al momento del vertimiento del metal fundido.

2.2. Tratamiento o recuperación mecánica (en seco)

Se utiliza este método para desgastar las partículas de arena entre ellas en un medio seco (aire). El primer paso es romper los materiales desiguales y extraer por medio de un separador magnético los elementos residuales. Posteriormente, el producto se lleva a la unidad de lavado. El principio del lavado en seco es agitar los granos de arena en una corriente de aire de modo que las partículas choquen entre sí, eliminando así los agregados finos. El grado de limpieza del proceso está determinado por la arena recuperada al finalizar el desgaste. El contenido total de arcilla en la arena recuperada varía de 0,5% a 2,5% de arcilla en función del diseño de la planta [1].

2.3. Recuperación mojada o lavado húmedo

Este proceso es útil para separar arenas de arcilla unida según su tamaño. Con ayuda de maquinaria se lleva a cabo al introducir arena a un triturador, donde los elementos más grandes se eliminan y los granos más finos caen a un tanque colector, que el llenado con agua. Posteriormente, es llevada a un tanque donde de la suspensión se elimina el 70% de sólidos e impurezas, para después ser llevada al lavador. En el lavador, la suspensión se lanza por un impulsor que se mueve a alta velocidad, mezclando y refregando los granos de arena uno contra el otro vigorosamente. La mezcla se vierte a un segundo tanque y se deja asentar la arena. Luego se clasifican los granos de arena, extirpando más impurezas [1]. Después, la arena pasa a un cilindro de deshidratación, que lava el agua y comprime la arena, la que finalmente queda con un aproximadamente 8% de humedad. Para finalizar, la arena se vierte en un horno rotatorio tipo secador dónde seca por completo. Para separar componentes orgánicos se aconseja recurrir a combinando este método con el térmico.

En general al no poseer maquinaria, el procedimiento consta de la mezcla de arena y agua en razón de 2000 galones por tonelada de arena, que se agita enérgicamente hasta humedecer completamente la arena y empezar a desprender la arcilla y otras impurezas. Se deja reposar la mezcla hasta que las partículas más finas desciendan y se procede a decantar el agua. El proceso se repite las veces necesarias para retirar con el agua la mayor cantidad de arcilla.

3. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Para realizar la recuperación práctica de la arena se aplico el metodo de Recuperacion mojada descrito en la sección 2.3. Se utilizaron 2 baldes de 5 galones, suficiente arena, una manguera y agua. El tratamiento se inicia al llenar ambos baldes de arena hasta la mitad (cerca de 2,5 galones de arena en cada balde). Después, se procede a llenar el espacio restante de los baldes con agua hasta completar los 5 galones de capacidad y se comienza a mezclar, agitando con ayuda de una vara por alrededor de 5 minutos para separar las impurezas que tenia la arena. Esta mezcla se dejó en reposo por una hora para promover el descenso de partículas finas. Pasada la hora, se decanta por medio de una manguera el agua con algunas de las impurezas que quedaba en la superficie. Este proceso se repite de 5 a 8 veces, observando cada vez que el agua quedaba con menos impurezas. Se espera que la arena quede lo más limpia y óptima posible para que, después del secado, se desarrolle el proceso de caracterización de la arena.4. BIBLIOGRAFÍA

[1] SIMPSON Technologies. Sand Reclamation: Application # 500. p. 89-01. [En linea] <http://www.jcarpenterenvironmental.com/pdf/SIMPSONSandReclamation500.pdf> [Citado en 24 de Agosto de 2015]

[2] A.D. SARKAR. Mould and core Material for the Steel Foundry. 1era edición. Gran Bretaña: Pergamon press. 1967. p. 102-109.

[3] G. S. PATANGE; M. P. KHOND; H. J. RATHOD; K. B. CHHADVA. Investigation of foundry waste sand reclamation process for small and medium scale indian foundry. International Journal of Industrial Engineering & Technology. Vol. 3. 2013. p.1-6.

[4] EUSKATFUND. Recuperadoras térmicas de arena para todas las fundiciones. [En línea] <http://www.euskatfund.com/es/recuperadoras-termicas-de-arena-para-todas-las-fundiciones-36-6.html>. [Citado en 24 de Agosto de 2015]

[5] UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA. Arenas para fundición. [En linea] <www.unalmed.edu.co/~fundicio/documentacion/Arenas.ppt> [Citado en 24 de Agosto de 2015]