llenado de moldes ilc-310 fundiciÓn usm1 sistemas de llenado de moldes pieza alimentaciÓncanales

LLENADO DE MOLDES ILC-310 FUNDICIÓN USM

1

SISTEMAS DE LLENADO DE MOLDES

PIEZAPIEZA

ALIMENTACIÓNALIMENTACIÓN

CANALESCANALES


2

Sistema de Canales

Canal de distribución

sa

Sd

Sc

Sa = ∑ sa

Embudo o basin de colada

Ataques

Descendente o jitio

Pié


3

Escalonamiento

Sd : Sección del canal descendente.

Sc : Sección del canal distribuidor.

Sa : Sección total de los ataques.

Escalonamiento: Relación entre las secciones del sistema de canales referidas a la sección del canal descendente Sd.

1 -- Sc/Sd -- Sa/Sd

Sd -- Sc -- Sa

Sd/ Sd -- Sc/ Sd -- Sa/ Sd


4

Escalonamiento (Cont.)

Aleaciones poco oxidables en estado líquido: Escalonamiento convergente.

Moldes unitarios: 1 - 2 - 1Moldes múltiples: 1 - 1 - 1

SISTEMA CONVERGENTE :

A Presión: Secuencia Sd - Sc- Sa decreciente.

SISTEMA DIVERGENTE :

En depresión: Secuencia Sd - Sc- Sa creciente.

1 > Sc/Sd > Sa/Sd

1 < Sc/Sd < Sa/Sd

Aleaciones oxidables en estado líquido: Escalonamiento divergente.

1 -- H i -- H i


5

Flujo de Colada El Teorema de Bernoulli establece que la suma de las energías

(Potencial, presión, cinética y fricción) en dos puntos cualquiera de un líquido que fluye son iguales.- O sea:

H1 + P1/ρ + v12/2g +F1 = H2 + P2/ρ + v2

2/2g +F2

En la que: H = altura del metal, in. (cm) P = Presión sobre el líquido, lb/in2 (N/cm2) ρ = densidad, lbm/in3 (g/cm3) v = velocidad del flujo, in/seg (cm/s) g = constante de aceleración gravitacional:

386 in/seg2 ( 981 cm/seg2) F = pérdida de carga debida a la fricción, in (cm).


6

Flujo de Colada (Cont.)

Si se ignora por el momento las pérdidas de carga por fricción y suponemos que el sistema se mantendrá a presión atmosférica, la ecuación se reduce a:

H1 + v12/2g = H2 + v2

2/2g

Si definimos el punto 1 en la parte superior del jitio y el punto 2 en su pie yusamos este punto como plano de referencia,entonces H2 = 0 y H1 es la altura del jitio.

Durante la colada se mantiene el jitio lleno,por lo que v1 = 0.

Entonces: H1 = v22/2g

H

2

1


7


Por lo tanto:

v = √ 2 g H

En la que: v = velocidad del metal en el pie del jitio, in/seg (cm/s) g = 386 in/seg2 ( 981 cm/seg2) H = altura del jitio, in. (cm)

La ley de Continuidad establece que el flujo volumétrico permanece constante a través del líquido.

El flujo volumétrico (in3/seg o cm3/seg) es igual a la velocidad por el área transversal del líquido que fluye.


8


Esta Ley se puede expresar como:

Q = v1 A1 = v2 A2

En la que:

Q = Flujo volumétrico, in3/seg (cm3/s) v = velocidad del metal, in/seg (cm/s) A = área de la sección transversal del líquido, in2 (cm2)

Se ve que un aumento en el área implica una disminución de la velocidad y viceversa, debido a lo cual los jitios se diseñan con conicidad invertida para evitar que el aumento de velocidad al descender el metal pueda introducir burbujas de aire dentro del molde.


9


Si el canal que continúa al jitio es horizontal (manteniendo la misma altura H del pie del jitio), el flujo en volumen a través de los ataques y en la cavidad del molde permanecerá igual al del pie del jitio.

Según esto, se puede estimar el tiempo requerido para llenar la

cavidad de un molde de volumen V según:

Tc = V / QEn la que: Tc : Tiempo de llenado del molde, seg. V : Volumen total de la cavidad, in3 (cm3)

Q : Velocidad de flujo volumétrico, in3/seg (cm3/s)


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Ecuación del FLUJO DE COLADA. O sea que : Q = V / Tc y Q = v x Sd

Y : v = √ 2 g H => Q = V / Tc = Sd x √ 2 g H

Esta relación es un caso ideal en el que no están consideradas las pérdidas de carga derivadas de la fricción del metal líquido con las paredes del molde.

Para considerarlas, se introduce el Coeficiente de Vaciado “B”, que depende de la geometría del sistema de llenado, con lo que la ecuación del flujo de llenado queda:

Q = V / Tc = (Sd/B) x √ 2 g H

De donde:

Sd = (V / Tc ) x (B/√ H ) x 1/ √2 g

Y : v = √ 2 g H => Q = V / Tc = Sd x √ 2 g H

Esta relación es un caso ideal en el que no están consideradas las pérdidas de carga derivadas de la fricción del metal líquido con las paredes del molde.

Para considerarlas, se introduce el Coeficiente de Vaciado “B”, que depende de la geometría del sistema de llenado, con lo que la ecuación del flujo de llenado queda:

Q = V / Tc = (Sd/B) x √ 2 g H

De donde:

Sd = (V / Tc ) x (B/√ H ) x 1/ √2 g


11

Ecuación del FLUJO DE COLADA (Cont.)

Sd =0.0360 x (V / Tc ) x (B/ H ) (in2)

Sd =0.0226 x (V / Tc ) x (B/ H ) (cm2)

Sistema Inglés CGS

V in3 cm3

H in cm

Tc seg seg

Sd in2 cm2

La ecuación queda entonces:

Al tener definida el área del jitio (Sd), el área de las secciones de los demás componentes del sistema de canales se obtienen del escalonamiento definido por el metal a fundir.

A continuación veremos el cálculo de cada variable de la ecuación.


12

VOLÚMEN a LLENAR ( V )

Comprende el volumen líquido total de la cavidad del molde, es decir:

En la que: Vc = Volumen de la pieza líquida; Vm = Volumen total de montantes líquidos.

Como vimos anteriormente:

Y:

V = Vc + Vm in3, [ cm3 ]

Vc = Vp (sól.) x (ds / dl) = P / dl in3 , [ cm3 ]

Vm = Σ vm in3 , [ cm3 ]


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ALTURA METALOSTÁTICA ( H )

Es la diferencia de altura entre dos superficies libres sucesivas de metal líquido y controla la presión de llenado.

Se presentan dos casos:

1 .- MOLDE LLENADO POR ARRIBA.

H

Hi = Hf = H


14

ALTURA METALOSTÁTICA ( H ) 2 .- MOLDE LLENADO POR ABAJO.

Hi

Hf H

HfHiH

+=

2


15

COEFICIENTE DE VACIADO ( B ). El coeficiente “B” se introduce para considerar las pérdidas de

carga que experimenta el flujo de metal debido a la geometría del sistema de canales.

Es el coeficiente por el cual debe dividirse el flujo de un sistema ideal sin pérdidas de carga para obtener el del sistema real con pérdidas.

Los sistemas tipos que se indican a continuación son los mas comúnmente utilizados.- Para cada uno de ellos se indica su Coeficiente “B”, el que varía entre 1 y 3, o la manera de calcularlo.

El valor indicado entre paréntesis se debe agregar cuando el ataque queda frente a una pared perpendicular a él y que esté muy próxima.- Puede ser una pared de molde o de alma que interfiera en el ingreso del metal en la cavidad.


16

COEFICIENTE B.- SISTEMA “A” - Sin canal de distribución.

- Un solo ataque.

La

1 – 2 %

r = d5%

Ld

Ø d

5 %

b

Sd

2 d a

Ø d

12, 5 %


17

COEFICIENTE B.- SISTEMA “A” (Cont.)1.a) Caja baja Ld < 15 cm

Ataque comúnCanal de bajada cilíndrico o ligeramente divergente (< 2%) Sa = Sd 1 < a/b 4

Ld 10 cm La 10 cm

B = 1.4 (+ 0.15)1.b) Caja baja Ld < 15 cm Ataque finoCanal de bajada cilíndrico o ligeramente divergente ( < 2%) Sa = 0.8 Sd a / b > 4 Ld 10 cm La 10 cm

B = 1.6 ( + 0.15 )


18

COEFICIENTE B.- SISTEMA “A” (Cont.)1.c) Caja alta Ld > 15 cm

Ataque comúnCanal de bajada cilíndrico o convergente

Sa = Sd 1 < a/b 4

Ld 50 cm La 10 cm

B = 1.6 ( + 0.15 )

1.d) Caja alta Ld > 15 cm Ataque finoCanal de bajada cilíndrico o convergente

Sa = 0.8 Sd a / b > 4

Ld 50 cm La 10 cm

B = 1.8 ( + 0.15 )


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COEFICIENTE B.- SISTEMA “A” (Cont.)

Observación:

Este sistema A es muy económico, pero habitualmente no se usa, puesto que facilita el ingreso de arena, escoria y otras impurezas a la cavidad del molde.

Por otra parte, la fuerza del chorro de metal inicial puede producir defectos por erosión en las paredes del molde o almas.

Es preferible usar el sistema “D”, con un solo ataque, en especial si se debe fundir piezas con exigencias mecánicas, en las que estos defectos no son admisibles.


20

COEFICIENTE B.- SISTEMA “B”

Caja Baja: Ld < 15 cm Caja Alta: Ld > 15 cm

•Sin canal de distribución•Varios ataques

r = d

Ld

b

Ø d

La

Sa’Sa


21

COEFICIENTE B.- SISTEMA “B” (Cont.) Si consideramos:

n = número de ataques.

SA = Sección total de los ataques.

sa = Sección de un solo ataque.

SA < Sd sa = SA / n

Sa’ = Sección de unión del ataque con el pié del canal de bajada.

Y: sa < Sa’ < ( Sd / n) ( sistema convergente)


22

COEFICIENTE B.- SISTEMA “B” (Cont.) Las relaciones entre n, Sd, SA, y B se encuentran en la

siguiente tabla:

Coeficiente de vaciado B

Ld y La Ld = 20-100 cm n Sd SA

+/- 10 cm La +/- 50 cm 2 1 0,7 1.7 (+0.25) 2.3 (+0.20) 3 1 0,6 2.0 (+0.35) 2.6 (+0.30) 4 1 0,5 2.3 (+0.40) 2.9 (+0.35)

>4 1 0,5 2.3 (+0.40) 2.9 (+0.35)


23

COEFICIENTE B.- SISTEMA “C”

Con canal de distribución horizontal de sección uniforme.

Ataques en ducha.

Sd = Sc = SA

Sa = SA / n n = número de ataques

L0

Lc

dSd

Ld

SaSc

Caídas de metal a la pieza


24

COEFICIENTE B.- SISTEMA “C” (Cont.)

Para este caso tenemos:

L = Ld + ( Lo + Lc )/ 3En la que:

L (cm) < 40 100 180 300 400 500 700 1000

1,8 2 2,3 2,6 2,9 3,1 3,5 4,1 B

+ 0.15 + 0.15 + 0.10 + 0.10 + 0.10 + 0.10 +0.10 +0.10


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COEFICIENTE B.- SISTEMA “D”

Lc

R=d

Ø dLd

Lo

Sd

Sc

n ataques de sección Sa

LC

Con canal de distribución horizontal de sección uniforme Escalonamiento 1 - 2 – 1

Sc = 2 Sd Sa = Sd Sa = SA / n


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COEFICIENTE B.- SISTEMA “D” (Cont.) Para cajas bajas Ld < 15 cm, canal de bajada cilíndrico o ligeramente divergente.

Para cajas altas Ld > 15 cm, canal de bajada cilíndrico o convergente.

L = Ld + ( Lo + Lc )/ 3

L (cm) < 40 100 180 300 400 500 700 1000

1,8 2 2,3 2,6 2,9 3,1 3,5 4,1 B

+ 0.15 + 0.15 + 0.10 + 0.10 + 0.10 + 0.10 +0.10 +0.10


27

TIEMPO DE LLENADO.- ( TC ). El TIEMPO DE LLENADO, o TIEMPO DE COLADA (Tc) depende de la manera de llenado del molde:

Moldes llenados por arriba (colada en lluvia o ducha)

Sist. 1 Tc > Tf : Metales que solidifican en capas finas.

Sist. 2 Tc < Tf : Metales que solidifican en capas

gruesas.

Tf : Tiempo necesario para que el metal del fondo de la cavidad inicie la solidificación.


28

TIEMPO DE LLENADO.- ( TC ). (Cont.)

TsT fTTa Tiempo

Θv

Θf Θs

0

Θ1

Θ2

Θ0

Θ3

Θ4

Θq

Θ

Θa

Temperatura

LEYENDA

Θ0 : Temp. inic. entrada a Basin.

Θ1 : Temp. inic. entrada a cavidad.(salida de ataques).

Θ2 : Temp. ataques molde lleno.

Θ3 : Temp. en el fondo, molde lleno.

Θ4 : Temp. en superficie al comenzar solidificación del fondo.

Θq : Temp. inic. solidificación.

Θv : Temp. en chorro de cuchara.

Θa : Temp. en ataque ( en este caso, de superficie de metal).

Θf : Temp. en el fondo.

Θs : Temp. en la superficie metálica.

Ta : Tiempo de inicio entrada de metal a cavidad.

T : Tiempo en que se llena la cavidad ( sin montantes).

Tf : Tiempo inicio solidificación del fondo.

Ts : Tiempo inicio solidificación de superficie.

Θa

H

ΘS

ΘF

ΘV


29


Moldes llenados por abajo.- (colada en fuente) Sistemas 3 y 4

QS

Qp

QFQ

a

QV

Hi

Hf

H

ΘpΘS

Θv

TfTsTTa0

Θ1

Θ0

Θ3

Θq

Θ

Tiempo

Temperatura

Θ2

ΘfΘp

Θa

LEYENDA Θ0 : Temp.inic.entrada a Basin.

Θ1 : Temp. inic.entrada a cavidad.(salida de ataques).

Θ2 : Temp. ataques molde lleno.(en este caso, temp. en el fondo molde lleno)

Θ3 : Temp. en superficie, molde lleno.




Θa : Temp. en ataque ( en este caso, del fondo del molde).



































Siempre: Tc < Tp

En que: Tp : Tiempo para que el metal de la superficie libre inicie la solidificación.

TP

P


30

Tiempo de Solidificación.- ( Tq ).

Se define Tq como el tiempo necesario para que el metal comience a solidificar (Tq = Tf ó Tq = Tp), según el sistema.

Tq depende de : Tipo de Metal.

Grado de sobrecalentamiento ∆ Θs ∆ Θs = Θa – Θq

En la que: Θa = Temp. en la salida de los ataques. Θq = Temp. del líquidus.

Tipo de molde y su temperatura.

Modulo de enfriamiento de la pieza

Con estos parámetros se determina Tq desde el gráfico

“Tiempo de enfriamiento del metal hasta el líquidus”.


31

Tiempo de Solidificación.- ( Tq ).(Cont.)TIEMPO DE ENFRIAMIENTO HASTA EL LIQUIDUS

Sobrecalentamiento Δ θS [ºC]

200175

150

125

100

50

9080

70 60

Aceros

Cupro-Aluminios

Bronces y latones

Fierro Fundido

Aluminio

MODULO [ mm ][ Tq ] =TIEMPO DE ENFRIAMIENTO HASTA EL LIQUIDUS [ seg.]


32


Resistencia del Molde: Dependiendo del tipo de arena

utilizada y en especial del tipo de aglomerante, la resistencia a la radiación de la superficie del metal líquido en el proceso de llenado será diferente.- Para considerar esta situación, definimos:

T´ < Tg T´ = Tiempo parcial de llenado de zona del molde expuesto

a radiación. Tg = Tiempo critico de llenado, mas allá del cual aparecen

defectos en la pieza por daño en la superficie interna del molde.

Referido a zonas criticas del molde y no al molde completo.


33


Tipo de Arena Tg

Silicio – Arcillosa en verde fina (AFS>100) 3 – 5 seg.

Silicio – Arcillosa en verde gruesa (AFS<100)

5 – 12 seg.

Silicio – Arcillosa en seco 15 – 30 seg.

Rígidos: Cemento, CO2, Resinas fenol. fur. 20 – 60 seg.


34

Determinación del Tiempo de Llenado.- ( TC ). Para determinar Tc se debe tener en cuenta los criterios siguientes:

• Aleaciones con rango estrecho de solidificación (capas finas) deben ser colados lentamente.

• Aleaciones con rango amplio (capas gruesas) rápidamente.

• Sistema por abajo (fuente): Tc ≤ Tq

• Sistema por arriba (ducha): Tc ≥ 2Tq

• T´ < Tq

• Llenar los moldes en el menor Tiempo posible, lo que implica un compromiso económico, pues para disminuir Tc se requieren canales de mayor dimensión, con el consiguiente aumento del metal de retorno.


35

Determinación del Tiempo de Llenado.- ( TC ).

Modo de Llenado Metal Solidificado por:

Capas Finas Capas Gruesas

Por arriba T q` =

Sistema 11.8 Tq

Sistema 20.9 Tq

Por abajo Tq` =

Sistema 30.8 Tq

Sistema 40.6 Tq

T q`es referencial, pero corresponde al Tc max de cada sistema, por lo tanto:

Tc ≤ Tq`

Se recomienda:

•Usar Tq como base.

•Determinar Tq` según el sistema de colada escogido, según:


36

TEMPERATURA DE VACIADO (Θv)

La temperatura en la cuchara de colada debe considerar las pérdidas producidas en el contacto del metal con las paredes del sistema de canales.

Si: Θv = Temperatura de vaciado. Θq = Temperatura del líquidus. ∆ Θs = Sobrecalentamiento. Θa = Temperatura en los ataques. ∆ Θ = Pérdida de ºT en los canales. Entonces:

Θv = Θq + ∆ Θs + ∆ Θ

Sobrecalentamiento: ∆ Θs = Θa – Θq

Pérdida en canales: ∆ Θ = Θv – Θa


37

TEMPERATURA DE VACIADO (Θv)

∆Θs = Θv – ∆Θ - Θq

• Si Θv es impuesta, entonces:

• Si es posible elegir ∆ Θs, entonces:

Θv = Θq + ∆Θs + ∆Θ

En ambos casos se necesita calcular la perdida de temperatura en los canales, entre el embudo y el (ó los) ataque ∆ Θ.


38

Temperatura del líquidus.- [Θq]

Aleación Θq + 10º C

Acero (C: .25 - .30%) 1510

Fe Fdo. eut. posforoso (Ce = 4.5) 1130

Bronce 980

Latón común 900 – 930

Latón de alta resistencia 980

Cobre 1080

Cupro aluminio 10% 1030

Aluminio (99.7%) 655

Aluminio 13% Si 570

Aluminio 4 – 10% Cu 630

Otras aleaciones de Aluminio 630 - 650


39

Temperatura del líquidus.- [Θq]


40

Temperatura del líquidus.- Valores de ∆ Θq

118 ( C = .66)Tungsteno

0< 1Aluminio

8< 3Silicio

1.5< 18Cromo

2< 1Vanadio

2< .3Molibdeno

4< 9Níquel

5< .3Cobre

5< 1.5Manganeso

25< .08Azufre

30< .7Fósforo

1004Carbono

913.3 < C < 3.7Carbono

852.8 < C < 3.2Carbono

802.3 < C < 2.7Carbono

751.6 < C < 2.2Carbono

70.5 < C < 1.5Carbono

65C < .5Carbono

∆ Θq [ ºC]Tenor t [ % ]Elemento Aleante

118 ( C = .66)Tungsteno

0< 1Aluminio

8< 3Silicio

1.5< 18Cromo

2< 1Vanadio

2< .3Molibdeno

4< 9Níquel

5< .3Cobre

5< 1.5Manganeso

25< .08Azufre

30< .7Fósforo

1004Carbono

913.3 < C < 3.7Carbono

852.8 < C < 3.2Carbono

802.3 < C < 2.7Carbono

751.6 < C < 2.2Carbono

70.5 < C < 1.5Carbono

65C < .5Carbono

∆ Θq [ ºC]Tenor t [ % ]Elemento Aleante


41

Pérdida de Temperatura en los Canales.- (∆ Θ ) Debido a que no es posible el cálculo exacto de estas pérdidas, en

especial con piezas reales y de geometría compleja, actualmente existen programas computacionales de simulación que calculan estas pérdidas aplicando las Leyes de Transferencia de Calor a un modelo tridimensional usando las técnicas de elementos finitos.

El siguiente procedimiento se basa en determinaciones empíricas de laboratorios y ensayos en fundiciones.

Se considerará un sistema de canales con: Canal descendente, Canal distribuidor horizontal, n ataques.


42

Pérdida de Temperatura en los Canales.- (∆ Θ )

d = diámetro del canal de bajada. C` = lado de sección cuadrada del canal de distribución.

C’Lo Lc

n ataques de sección SaH

R = d

Ø d

Sd

Ld


43

Pérdida de Temperatura en los Canales.- (∆ Θ )

La siguiente tabla da la pérdida de temperatura ∆ Θo en ºC, después de un tiempo To en [seg], para un trecho unitario de largo Lfo

= 100 cm. y con B = 2.


44

Pérdida de Temperatura en los Canales.- (∆ Θ ) a.) Aleaciones poco oxidables.-

a.1) Determinar largo ficticio LF:

-Para sistemas 1 – 2 – 1 de canal uniforme: LF = LD + 1,5 LO + 4 L

-Para sistemas 1 – 1 – 1 de canal decreciente: LF = LD + LO + 2 LC

a.2) Multiplicar LF por la pérdida de Temp. ∆Θo de la tabla:


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Pérdida de Temperatura en los Canales.- (∆ Θ )b.) Aleaciones oxidables.-

Para sistemas 1- √ Hi - √ Hi decreciente:b.1) Suponer pérdida estimada ∆Θo’ en LD y Lo según:

•Aleaciones ligeras: 10ºC• Cuprosas: 15º C

• Aceros y Fierros: 20º C

b.2) Calcular LF = 2Lc

b.3) Determinar ∆Θo para H = 10 cm.

b.4) Calcular:


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Diagrama de Cálculo Sistema de Canales

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