Definición del problema

Definición del problema: Actualmente se desarrolla un proyecto de cooperación entre la UCA-DON BOSCO-FIES (MINISTERIO DE EDUCACIÓN) en el cual se pretende elaborar un rodete de acero inoxidable para una turbina de una central hidroeléctrica en el país. Sin embargo la empresa fundidora no cuenta con la experiencia necesaria para realizar este trabajo. Por esta razón, las universidades involucradas como parte del proyecto han decidido comprar un software especializado en fundición con el cual se pretende realizar una simulación del proceso de llenado de la pieza y garantizar un producto sin defectos físicos. Actualmente en el país, no se cuenta con personal capacitado para utilizar este tipo de software ya que la gran mayoría de las empresas de fundición emplean métodos tradicionales (empíricos). Objetivo general Apoyar al proyecto en el proceso de fundición del rodete de acero inoxidable a través de la simulación del mismo en el programa QuikCAST. Objetivos específicos Apoyar a las empresas fundidoras del país para que puedan emplear este programa en sus procesos de fundición a través de un manual de usuario de fácil comprensión. Determinar la factibilidad del uso del material exotérmico que permita aumentar la eficiencia del proceso de fundición. Validar el correcto funcionamiento del programa en los procesos de fundición a través de un caso práctico. Sentar las bases para el desarrollo de este tipo de tecnologías en El Salvador. Límites y Alcances Límite: El trabajo de graduación se limitará a brindarle un apoyo a la empresa fundidora encargada de este proyecto. Los materiales que se emplearán para realizar la validación del software de simulación de alimentación y llenado en fundición serán únicamente acero inoxidable y aluminio. El tiempo para realizar este trabajo será desde marzo hasta julio del presente año. Durante la realización del proyecto solo se trabajará con los programas QuikCAST e Inventor. La validación de la simulación del programa se realizará a través de la colada del metal líquido en moldes de arena preparados para esa finalidad

Alcances: Utilizando un modelo en escala reducida se realizará una fundición en aluminio en el laboratorio de la universidad, utilizando un molde de arena con el fin de validar al software empleado en la simulación. Generar un manual de usuario para el software QuikCAST que sea de fácil comprensión para cualquier empresa o persona que se interese en la fundición y desee emplear estas tecnologías. Identificar posibles problemas en el proceso de fundición a través del software y proveer herramientas a quien lo utilice para minimizar los defectos en la fundición.

Antecedentes El origen del acero inoxidable data del siglo XIX. En ese momento se conocía que el hierro aleado con metales como cobre y níquel era más resistente a la oxidación que el hierro ordinario. En 1872 se fabricaron aceros con 5% de cromo obteniendo mayor resistencia a la corrosión las aleaciones anteriores. En Francia entre 1904 y 1911, Leon Guillet se convirtió en la primer persona en producir y explorar, metalúrgica y mecánicamente, los aceros inoxidables en tres clases distintas: Austeníticos, Ferríticos y Martensíticos. En 1911 la investigación del alemán Philip Monnart describió el fenómeno de pasividad de los aceros inoxidables (resaltando la importancia de tener una aleación con el 11% de cromo como mínimo). Él destacó la necesidad emplear aleaciones de bajo carbono y demostró la contribución del molibdeno para obtener la resistencia a la corrosión. Actualmente el Instituto Americano del Hierro (AISI) ha categorizado 60 tipos de aceros inoxidables convencionales (Austeníticos, Ferríticos y Martensíticos). Posteriormente los aceros inoxidables de endurecimiento por precipitación han surgido como una cuarta clase dentro de esta clasificación. Más recientemente, los aceros inoxidables austenoferríticos (dúplex), que contienen aproximadamente 50% de ferrita y 50% de austenita están siendo promovidos para ambientes agresivos en donde la resistencia a la corrosión por tensiones es de gran importancia. En la actualidad los aceros inoxidables son utilizados para equipos empleados en procesos químicos y petroquímicos, entre otros, ya que ofrecen una elevada resistencia a la corrosión, resistencias a temperaturas elevadas y poseen excelentes propiedades mecánicas así como un bajo costo de mantenimiento. Además se utilizan en equipos empleados en procesamiento de alimentos y bebidas, equipos farmacéuticos, equipos militares, recipientes, barriles de cerveza, instrumentos quirúrgicos, agujas hipodérmicas, ollas, sartenes, cubiertos, lavadoras, lavavajillas y otros utensilios de cocina debido a que proveen excelentes condiciones de higiene además de su resistencia a la corrosión y duración a largo plazo. Otras aplicaciones de los aceros inoxidables son: cámaras de combustión, sistemas de escape y filtros automotrices, vagones de ferrocarril, paneles de aislamiento térmico, intercambiadores de calor.

Fundición de aceros inoxidables La utilización de los metales, marca dentro de la historia de nuestro planeta una etapa tan decisiva como los más grandes descubrimientos modernos, a tal punto de que podría considerarse la base de nuestro desarrollo actual. Su importancia ha sido tal, que historiadores deciden definir las épocas o eras haciendo alusión a este hecho: edad de piedra o edad de bronce. El cambio de la piedra se da por la necesidad de mejores materiales para la fabricación de herramientas y armas de fuego, algo vital para el hombre de esas épocas, ya que necesitaban objetos que les permitieran sobrevivir. Todo esto forzó la búsqueda de nuevos materiales de construcción y es aquí donde se empiezan a utilizar los metales, lo que da paso al nacimiento de la metalúrgica. La fundición de metales es una tecnología muy antigua, de la cual no se tiene una fecha exacta de su inicio. Se estima que nace cuando los antiguos hombre empiezan a explotar el oro y el bronce, pero no conoce otro método de creación de piezas que el de dar martillazos hasta que luego comprenden que el cobre se quiebra con los golpes, pero observan que al calentarlo este se funde y se pueden crear piezas a partir de moldes, que luego se solidifican cuando se enfrían. En el desarrollo de este trabajo entenderemos por fundición como un proceso en el cual se hace fluir metal fundido dentro de la cavidad de un molde, donde se enfría y adquiere la forma de dicho molde. Existen diversas formas de clasificar los procesos de fundición se optara por clasificarlos según el tipo de molde que se utilice: moldes permanentes o moldes desechables. 

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Moldes permanentes: es aquel tipo de fundición donde el molde utilizado está construido por un material duro, que puede ser metal o cerámica, que permite que éste sea utilizado repetidas veces. Esto genera que los tiempos de producción sean menores y se puedan producir piezas más rápido, en otras palabras se pueden usar para producir piezas en serie. Moldes desechables: es el tipo de fundición donde el molde utilizado debe ser destruido para sacar la pieza que contiene, lo cual vuelve este proceso poco práctico si se busca producir en serie una pieza. Con la utilización de moldes desechables gran parte del tiempo utilizado para hacer una pieza se dedica en la fabricación del molde.

Aceros aleados Los aceros aleados son aceros al carbono que poseen una diversidad de elementos químicos que pueden llegar a ser desde un 1% hasta un 50% del peso del aleado y cuyo propósito es proveerle mejores propiedades mecánicas. Los dos tipos principales de esta clasificación son:  

Aceros de alta aleación Aceros de baja aleación

La diferencia entre ambos grupos radica en el porcentaje en peso de aleantes que contiene. Algunos autores definen un acero de baja aleación como el que tiene como máximo 4% en peso de aleantes, mientras que otros autores aumentan el límite de porcentaje hasta un 8%. Se puede decir que todos los aceros son aleaciones, pero no todos estos aceros entran en la categoría de aceros aleados ya que lo que influye es que contengan varios elementos aleantes aparte del Carbono. El acero de bajo carbono contiene entre 0.1 y 1% del peso del aleante, por lo que se considera uno de los aceros más simples que existen actualmente. Algunas de las razones principales para trabajar con aceros aleados es para mejorar sus propiedades mecánicas y también para que su resistencia a la corrosión sea mayor que la normal si se va a trabajar en ambientes en que es de suma importancia este aspecto. Otra razón es que al bajar el contenido de carbono del acero (0.1 o 0.3%) y reduciendo los elementos aleantes que contiene, se puede llegar a incrementar su soldabilidad y conformación, manteniendo su resistencia mecánica. Algunos de los principales elementos aleantes son:  Manganeso  Níquel  Cromo  Molibdeno  Vanadio  Silicio  Boro Además de estos elementos aleantes también se encuentran otros, que son utilizados en menor proporción, los cuales son: Aluminio, Cobalto, Cobre, Cerio, Niobio, Titanio, Tungsteno, Estaño, Zinc, Plomo y Zirconio.

Acero inoxidable Estos aceros son, según la norma EN 10088, aleaciones férreas que poseen un porcentaje del 10.5% de cromo como mínimo. El acero inoxidable se emplea principalmente en las aplicaciones en las que se requiere que el equipo pueda tener una alta resistencia a la corrosión. Debido a que para estos aceros se tienen múltiples combinaciones de elementos y proporciones, se tienen catalogados en 5 tipos principales, los cuales son:     

Austeníticos Ferríticos Martensíticos Dúplex Endurecimiento por precipitación

Ferroaleantes

Los ferroaleantes son aquellas aleaciones que se forman al alear hierro con uno o más elementos. Estas aleaciones se caracterizan por poseer el prefijo “ferro” precediendo al nombre del elemento aleado, junto con el porcentaje del contenido del elemento. En caso que se tenga más de un elemento aleado los porcentajes de cada uno de ellos se muestran en el orden en que se denotan los elementos. Algunos de los ferroaleantes más utilizados son ferromanganeso, ferrotitanio, ferrosilicio, silicomanganeso, etc. Los ferroaleantes son capaces de funcionar como desoxidantes cuando se trabaja en la colada del acero y pueden trabajar en la incorporación de los aleantes a ser incluidos en los aceros aleados.

Hornos de fusión En todos los procesos de fundición debe calentarse el metal hasta llevarlo a su punto de fusión, con lo que se convierte a un estado líquido, y así se pueda vaciar dentro del molde. El calentamiento y la fusión se realizan dentro de hornos de fundición y a continuación se presentan los principales hornos utilizados para el proceso de fusión, poniendo un principal interés en los hornos de inducción, ya que este será el utilizado para el desarrollo de este trabajo. 

Cubilotes: es un horno cilíndrico vertical equipado con un bebedero de sangrado ubicado cerca de su base. Consiste en una carcasa grande de plancha de acero revestida con material refractario. Se utiliza en la fundición de hierro principalmente. El cubilote es básicamente un tubo vertical que sirve de soporte al refractario que lo recubre interiormente.

Figura 1. Diseño común para un horno del tipo cubilote.

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Hornos calentados a fuego directo: este tipo de horno tiene un pequeño hogar abierto donde se calienta el metal mediante un quemador, el cual se localiza a un lado del horno. El techo del horno ayuda al calentamiento, ya que refleja la flama hacia abajo (contra la carga). Comúnmente se utiliza gas natural como combustible para ese tipo de horno. Comúnmente este tipo de horno es utilizado para fundir materiales no ferrosos como por ejemplo cobre y aluminio. Horno de crisol: utiliza un recipiente llamado crisol, el cual está hecho de material refractario (puede ser por ejemplo de: arcilla y grafito o de acero aleado) el cual sirve para mantener la carga que se fundirá. El calor en este tipo de horno proviene de una llama generada comúnmente por la combustión de algún aceite o gas o incluso carbón pulverizado. Se utiliza para fundir aleaciones no ferrosas como por ejemplo: aluminio, bronce, latón, entre otras. Existen tres tipos de hornos de crisol: 1. De crisol móvil: en este tipo de horno una vez que la carga se funde, el crisol se extrae del horno y se utiliza para verter la colada en los moldes. 2. De crisol estacionario: este posee un quemador integrado y el crisol no se mueve, por lo tanto la carga tiene que ser extraída con cucharas fuera del recipiente. 3. De crisol basculante: este tipo de horno por lo general también posee un quemador integrado, con la diferencia que el dispositivo entero se inclina para vaciar la carga.

Figura 2. Tipos de horno de crisol: a) crisol móvil; b) crisol estacionario; c) crisol basculante.

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Horno de arco eléctrico: la carga se funde por el calor generado por un arco eléctrico. Normalmente este tipo de horno posee configuraciones de dos o tres electrodos. Los hornos de arco eléctrico tienen un consumo de potencia alto, lo cual se traduce en costos altos, pero se compensa con sus grandes capacidades de fusión. Se utilizan principalmente para fundir: aceros, aceros inoxidables, aceros aleados o aceros de herramientas.

Figura 3. Ejemplo de horno de arco eléctrico.

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Horno de inducción: un horno de inducción es un equipo eléctrico que utiliza una corriente inducida para fundir la carga, es decir, están formados por una unidad de potencia o inversor que inyecta corriente de frecuencia alterna y variable a una bobina; la corriente que pasa por la bobina forma un campo electromagnético. La fuerza y magnitud de este campo varía en función de la potencia y corriente que pasa a través de la bobina y su número de espiras. El calor se genera por efecto de la corriente alterna y del campo electromagnético, que generan corrientes secundarias en la carga. Cuando el metal es cargado en el horno, el campo electromagnético penetra la carga y le induce la corriente que lo funde; una vez la carga está fundida, el campo y la corriente inducida agitan el metal, la agitación es producto de la frecuencia suministrada por la unidad de potencia, la geometría de la bobina, densidad, permeabilidad magnética y resistencia del metal fundido. Existen dos tipos básicos de hornos de inducción: el horno sin núcleo de alta frecuencia, el cual está formado por un crisol rodeado totalmente por una bobina, la cual es enfriada por agua, a través de la cual pasa la corriente que genera el campo electromagnético lo que calienta el crisol y hace que se funda el material dentro de este. El segundo tipo es el horno de núcleo o de canal, de baja frecuencia, los cuales son utilizados comúnmente para fundir materiales no ferrosos.

Figura 4. Ejemplo de horno de inducción.

Refractarios del horno de inducción Todos los hornos utilizados para la fundición de materiales utilizan materiales refractarios los cuales son capaces de resistir elevadas temperaturas sin fundirse ya que su refractariedad es superior a los 1500°C. El propósito de utilizar materiales refractarios en los hornos de inducción es contener el material fundido, disminuir la transferencia de calor con el ambiente, protege la bobina de inducción en los hornos de este tipo, evita la penetración de metal fundido y soporta cambios bruscos de temperatura. Los materiales refractarios por su comportamiento químico pueden ser clasificados en tres grupos: 

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Materiales refractarios ácidos: son aquellos que contiene sílice apisonable, estos materiales son los más usados en los hornos de inducción. Ya que resiste con mayor facilidad los choques térmicos Refractarios básicos: son los materiales que contiene en su mayoría magnesia y dolomita, estos refractarios no son utilizados en los hornos de inducción ya que presentan poca resistencia a los choques térmicos. Materiales refractarios neutros: son los cuales están formado en mayor proporción por alúmina. Estos materiales tiene una resistencia al choque térmico mayor los refractarios básicos.

Los materiales refractarios son fabricados por medio de proceso de sinterización y crecimiento de grano. El proceso de sinterización es el nombre que se le da el proceso de densificación de un material poli cristalino. Este proceso es un tratamiento térmico de un polvo metálico o cerámico, compactado a una temperatura inferior al punto de fusión de la mezcla, con el fin de incrementar la fuerza y resistencia de la pieza.

Desgaste del material refractario A medida se realizan distintos procesos de fusión el material refractario tiende a desgastarse en el caso de los hornos de inducción el revestimiento refractario surge desgaste como consecuencia del

desprendimiento dado por el metal sobre las superficies de las paredes del crisol a casusa por el campo de inducción electro-magnético del horno. El desgaste del refractario ocurre con mayor frecuencia en tres lugares bien definidos:   

En la interfaz del metal y escoria Unión del piso con las paredes a su alrededor Áreas pobres de revestimiento generadas en su instalación

Para la determinación del desgaste en el revestimiento de los hornos se utilizan cuatro métodos los cuales son:  

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Inspección visual: en este método se revisa diariamente el crisol, sus paredes de revestimiento, el fondo y la parte superior Medición de diámetro interior: las mediciones directas del diámetro interior del horno de inducción es uno de los métodos para cuantificar el consumo por desgaste del revestimiento y así poder programar el cambio del mismo. En este método se deben tomas medidas del desgaste del crisol después de cada colada. Chequeo de las características eléctricas del horno: cuando se obtiene la máxima potencia con un voltaje más bajo de lo usual es un indicio que es revestimiento se ha reducido Midiendo la temperatura del revestimiento y temperatura del agua de enfriamiento: debido que la temperatura de la bobina de inducción no debe pasar los 45°C, ya que si llega a los 60°C se corre el riesgo que se forman incrustaciones que tienen a obstaculizar el flujo del refrigerante.

Para la fundición de los aceros inoxidables se recomienda que el material refractario con el cual debe está hecho el crisol sea de óxido de zirconio ya que este material tiene a ser resistente a las incrustaciones lo cual impide que el material fundido adquiera impurezas como carbono y es resistente a los choques térmicos.

Materiales exotérmicos Polvos exotérmicos, aislantes y exotérmicos-aislantes se utilizan como medio auxiliar para la alimentación de piezas de acero y para todo tipo de hierro. Su función principal es formar una capa protectora sobre el metal que fluirá por las mazarotas, la cual contrarrestará o disminuirá las pérdidas de calor por radiación, permitiendo una mejor solidificación de la pieza ya que el metal sigue fluyendo en estado líquido totalmente.

El proceso de solidificación depende entre otros factores del tamaño que tengan las mazarotas, asi pues, a mayor tamaño de la mazarota, la velocidad de solidificación disminuye. Por esta razón el polvo de cobertura, así como el revestimiento lateral de las mismas, deben presentar características diferentes acordes con su tamaño ya sean exotérmicas o aislantes, es decir, las mazarotas pequeñas requieren polvos exotérmicos y polvos aislantes y las intermedias una combinación de ambas características.

Arenas utilizadas La selección de arenas empleadas en la fabricación de los moldes para la fundición pueden parecer simples, pero en realidad forman una parte de suma importancia dentro del proceso por lo que su composición y estado debe ser cuidadosamente controlado. Si se ha seleccionado arena sílice, estas se constituyen por granos de cuarzo (dióxido de silicio, SiO2) y arcillas (silicatos hidratados de aluminio). Las principales características que se busca la arena del molde posea son:     

Resistencia Permeabilidad Estabilidad térmica Refractabilidad Reutilización

Existen tres tipos principales de arenas que se emplean en la fabricación de los moldes para la fundición, los cuales son: 

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Arena de sílice Esta arena es la más común ya que cumple con los requerimientos necesarios para componer el molde y permite la fundición de la manera adecuada, y también por ser la que posee la mejor relación entre calidad y precio. Arena de cromita Esta arena posee una alta propiedad refractaria y una alta resistencia a la penetración del material. Al tener estas características se emplea en las fundiciones en las que se exponga el molde a las altas temperaturas del material fundido por tiempo prolongado. Arena de olivino Este es un tipo especial de arena, la cual se compone de un tipo de roca eruptiva básica de volcán. Se compone de fosterita (94%), fayalita (6%) y cromita y talco (0.5% cada uno). Este tipo de arena se emplea principalmente en la fundición de piezas de baja expansión, ya que tiene buenas propiedades de enfriamiento y su resistencia a la penetración del material fundido es buena.

Moldes de arenas

Los moldes para fundición son las concavidades formadas con la geometría exacta de la pieza que se desea fundir. Ya que estos moldes están formados por arena, es necesario que cuenten con un material que pueda aglutinarla para que no se deforme el molde. Para ello se suele trabajar con una proporción de 90% de arena, 7% de bentonita (o en algunos casos resinas orgánicas o aglutinantes inorgánicos) y 3% de agua.

Fabricación del molde Al tener la composición adecuada de la arena que se desea utilizar se procede a la fabricación del molde. Generalmente, el proceso de fabricación de la concavidad del molde con la forma de la pieza se realiza al colocar la pieza entre la arena y compactar la misma a su alrededor. Para ello se emplea una caja de moldeo para que se pueda comprimir la arena de manera adecuada. La manera de comprimir la arena puede ser realizada manualmente por el operario o por métodos automatizados como lo son: compactar la arena por presión neumática, sacudimiento (dejar caer por gravedad la arena de la caja con el molde repetidamente) y lanzar a alta velocidad la arena para que choque contra el patrón. Otra manera diferente de la mencionada anteriormente en la que se trabaja con cajas de moldeo distintas para cada molde, es en la que se utiliza una sola caja maestra dentro de un sistema de producción de moldes. Al realizar este procedimiento se pueden llegar a fabricar hasta 600 moldes en 1 hora. Los moldes se pueden clasificar a su vez dependiendo del estado de la arena que se emplea para su fabricación en dos tipos principales: 

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Molde de arena verde Este tipo de moldes se caracterizan por ser fabricados a partir de arena, bentonita y agua pero con la particularidad de que el molde está húmedo mientras se realiza el vaciado en la fundición. Este tipo de moldes posee buenas características que favorecen la fundición y a su vez tienen un bajo costo, por lo que son ampliamente utilizados en la actualidad. Una de las desventajas de este tipo de moldes es que ya que se trabaja con una mezcla de arena húmeda, esto puede ocasionar algunos defectos físicos en la pieza fundida. Molde de arena seca Como su nombre lo indica, se diferencia del molde de arena verde en que la mezcla de arena en este caso está completamente seca. La mezcla de arena en este caso se realiza con aglomerantes orgánicos que sustituyen la arcilla. Otra diferencia es que este molde se debe secar antes que pueda ser utilizado. Para ello se seca en una estufa en temperaturas entre 204oC y 316oC y con ello se logra que se refuerce el molde y la forma de la pieza quede endurecida. Debido a que se debe realizar un proceso previo sobre el molde para su secado, esto incrementa su precio y disminuye su producción, por lo que se limita a fundiciones medianas y grandes pero en menor proporción que las de los moldes de arena verde.

Pintura del molde

La pintura para moldes es un producto que se emplea específicamente en las áreas que estarán en contacto con el material fundido, y cuyo propósito es el de darle brindarle un agregado especial a la pieza fundida (acabado superficial) según se quiera en cada aplicación o el simple hecho de no permitir que el material fundido se pueda colar dentro del molde de arena. Otras funciones que desempeña la pintura son:    

Controlar el régimen térmico del material fundido en el molde. Facilidad de desmoldeo Eliminar defectos superficiales por erosión Modificar la estructura de solidificación del material fundido por acciones fisicoquímicas o en la superficie de la aleación.

Estas funciones implican que se controle la transferencia de calor que se desarrolla entre el molde y el material fundido el proceso de vaciado, y con ello la solidificación se realiza de una manera más lenta y esto produce una pieza con un mejor estructura.

Clasificación de defectos físicos en la pieza fundida Durante el proceso de fundición de una pieza se pueden presentar distintos problemas que ocasionan defectos físicos en la pieza tales como: 

Llenado incompleto. Este defecto surge cuando el material fundido se solidifica antes de completar el llenado de la cavidad del molde. Este fenómeno es causado por: caudal del metal fundido insuficiente, baja temperatura durante la operación de vaciado, el vaciado se realiza muy lentamente o la una sección transversal de la cavidad del molde es muy angosta.

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Junta fría Este fenómeno surge cuando dos porciones del metal fluyen al mismo tiempo, pero existe un enfriamiento prematuro en una de las secciones. Sus causas pueden ser las mismas que las de llenado incompleto.

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Gotas frías Esto ocurre durante el proceso de vaciado en el cual se forman glóbulos de metal que quedan atrapados en la fundición. Este defecto se puede prevenir realizando un buen diseño del sistema y de los procedimientos de vaciado que eviten las salpicaduras.

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Cavidad por contracción. Este defecto provoca una depresión de la superficie o un hueco interno en la fundición causado por la contracción por solidificación que limita la cantidad de metal fundido disponible en la última región que se solidifica. Este fenómeno tiende a ocurrir en la parte superior de la fundición, llamada comúnmente como rechupe. Este defecto se corrige con un diseño apropiado de la mazarota.

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Micro porosidad Esto ocurre cuando se forman una red de pequeños huecos distribuidos a través de la fundición debido a la contracción por solidificación del último metal fundido en la estructura dendrítica. Este defecto se asocia generalmente con las aleaciones, debido a la forma prolongada, en que ocurre la solidificación en estos metales.

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Desgarramiento en caliente. Este defecto, también conocido como agrietamiento caliente, ocurre cuando en aquellas partes de la pieza que no se encuentran aun completamente solidificadas y que presenta la menor resistencia a la tracción, cuando por una causa cualquiera, la contracción en estado sólido no puede efectuarse normalmente este fenómeno se presenta con mayor frecuencia en zonas donde exista concentración de esfuerzos. Para evitar este defecto se recomienda convertir la arena en deformable por un medio cualquiera; moldeado en verde, en lugar de moldeado en seco por ejemplo.

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Sopladuras Este defecto es una cavidad de gas en forma de pelota causada por un escape de gases del molde durante el vaciado. Tienen a ocurrir superficie o parte superior de la pieza de fundición. La baja permeabilidad, pobre ventilación, y alto contenido de humedad en la arena son las causas generales de este problema.

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Puntos de alfiler Es un problema similar al defecto por sopladura que involucra la formación de numerosas cavidades pequeñas de gas en la superficie de la pieza de función o en algunos casos ligeramente por debajo de la pieza.

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Caídas de arena Este defecto provoca irregularidades en las superficies de la pieza fundida, que resulta de la erosión del molde de arena durante el vaciado. El contorno de la erosión se imprime en la superficie de la fundición final.

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Costras Son arenas rugosas en la superficie de la pieza de función debido a la incrustación de arena y metal. Son causadas por desprendimientos de la superficie del molde que se desprenden durante la solidificación y quedan adheridas a la superficie de la pieza.

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Penetración Ocurre cuando la fluidez del metal líquido es elevada, este puede penetrar en el molde o en el corazón de arena. Después de la solidificación, la superficie de la fundición presenta una mezcla de granos de arena y metal. Una mejor compactación del molde de arena ayuda a evitar este problema.

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Corrimiento del molde Se manifiesta como un escalón en el plano de separación de la pieza fundida, causado por el desplazamiento lateral del semi-molde superior con respecto al inferior.

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Corrimiento del corazón Es un movimiento vertical en el cual el corazón del molde es desplazado por el metal fundido.

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Agrietamiento del molde Este fenómeno aparece cuando la resistencia del molde es insuficiente, se puede generar una grieta en la cual el metal líquido puede entrar para formar una aleta en la pieza de fundición.

Control de calidad final del producto Para el control de calidad de las piezas fundidas es necesario tomar en cuenta los dos grandes aspectos que con lleva el proceso de fundición como los producción y calidad de la pieza fundida Los controles concernientes al proceso de producción son: 

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Calidad de la materia prima: este aspecto se refiere a las características que poseen las materias primas que son necesaria para la fundición en la mayoría de casos estas fuentes son chatarra de acero, la cual exige un control que va desde la inspección visual hasta el análisis químico. Por estos métodos es posible determinar si el material es aleado o está contaminado con otro elemento que puede ser perjudicial para las propiedades mecánicas que se desea conseguir con la fundición. Fundición: durante el proceso de fundición en necesario llevar un estricto control de la temperatura del horno y la colada ya que estos factores pueden ocasionar defectos en las piezas, así mismo es necesario que durante este proceso se toman muestras para determinar el porcentaje de los elementos que componen la aleación y comprobar asa si está dentro del rango requerido. Calidad de la arena de moldeo: es de vital importancia que se tenga un arena para el molde adecuada, para ello es necesario que se efectúen pruebas para determinar que el molde no está demasiado húmedo, esta propenso a sufrir erosión durante la vaciada e incluso y es lo suficientemente flexible para evitar desgarramiento en las piezas Proceso de colada: es importante remover toda la escoria generada durante el proceso de fundición para eliminar todas las impurezas de las materias, así mismo es necesario tener un excelente control de la temperatura y la velocidad de la colada al momento de verter la colada en el molde. Tiempo de desmolde: se debe tener el cuidado de dejar enfriar la pieza fundida el tiempo antes de extraerla del molde.

El control de calidad que es necesario para evaluar si el proceso de fundición fue exitoso es el siguiente: 

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Inspección visual de la pieza: es necesario realizar esta prueba para descartar que la pieza sufra de algún defecto como rechupes en zonas no deseas, superficies con escoria por mencionar algunos de los defectos que pueda presentar. Si la pieza no presenta estos defectos entonces debe para por la siguiente etapa. Análisis macro y micro estructural: para corroborar que durante el proceso de solidificación se ha obtenido la granulometría necesaria para la pieza. es necesario que durante el proceso

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de fundición parte de la colada que con la cual se funde la pieza sea colocada en un molde aparte con la forma de una probeta para el ensayo a tensión y de esta pieza se puede tomar una muestra para realizar este análisis ya que es un ensayo destructivo. Ensayo de tensión: esta prueba se realiza con el fin de determinar si la aleación posee las propiedades mecánicas establecidas en las normas internacionales. Esta prueba se realiza en la probeta con las dimensiones que la norma indica, con parte de la colada con al que se fundió la pieza en la maquina universal, así se determinan el esfuerzo de fluencia y esfuerzo máximo que soporta el material. Es importante aclarar que si el material necesita ser tratado térmicamente ese procedimiento debe ser realizado previamente antes de realizar el ensayo a tensión.

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Ensayos no destructivos: las pruebas que a continuación se hacen mención soy pruebas que se hacen directamente sobre la pieza fundida ya que por medio de estas pruebas es posible determinar si existen defectos internos en la pieza como falta de homogeneidad en las propiedades mecánicas. a) Prueba con rayos X: con esta prueba es posible determinar si existen fallas internas como porosidades, inclusiones o grietas que no son visibles superficialmente b) Macrografía magnética: este ensayo solo es aplicable en aquellas piezas que pueden ser magnetizables, y determina fallas superficiales e internas no muy profundas. c) Método por ultrasonido: en este ensayo se hacen pasar unas ondas ultrasónicas a través de la pieza para detectar fallas internas por medio de una discontinuidad que se presenta durante la prueba.

Método de ultrasonido: este ensayo es funciona de manera similar al método supersónico. Pero los resultados que proporciona tienen mayor exactitud por lo que generalmente es el último ensayo que se realiza para comprobar la calidad de la fundición.

Normas ASTM y propiedades mecánicas del acero inoxidable A nivel mundial las normas que rigen las características que deben presentar los aceros inoxidables vienen dados por las normas DIN (Deutsches Institut für Normung) y las normas americanas ASTM (American Society for Testing Materials) y AISI (American Iron and Steel Institute)

Norma AISI La norma AISI ha categorizado 60 tipos convencionales de aceros inoxidables en cuatro clases distintas de acuerdo a su estructura cristalina las cuales son: Austeníticos, Ferríticos, Martensíticos y aceros inoxidables de endurecimiento por precipitación (AustenoFerríticos). Establece que a partir del grado estarán agrupados todos los aceros pertenecientes a una misma clase, a partir de la norma AISI 420 se encuentran la clase de aceros Martensíticos; los aceros Ferríticos estarán agrupados desde la norma AISI 430, la clasificación de los aceros Austeníticos

estarán designados a partir del grado AISI 304, la cuarta clase esta designada a partir del grado AISI 200.

Ejemplos de aplicaciones que se les da a estos materiales según su clasificación bajo la norma AISI Aceros austenoferríticos agrupados en la serie 200 AISI 201/J4 Este material es un sustituto al acero AISI 304, con la diferencia que posee un nivel más bajo de níquel, normalmente se utiliza en aparatos domésticos, escaleras, estructura automotriz y en aplicaciones de uso estructural por su dureza con exposición limitada a la corrosión. Su bajo porcentaje de níquel está entre 1.00 a 4.00 pero es compensado por la contribución mejorada de los elementos que la compone la aleación los cuales son: carbono, manganeso, cobre y nitrógeno. AISI 202/JSL AUS Este acero también es un sustituto del acero AISI 304 por su idéntica respuesta mecánica, con un mayor porcentaje de níquel que el acero AISI 201 entre 4 y 6 porciento. Este acero se usa en aparatos domésticos, escaleras, gancho, productos para embutidos extra profundos o en otras aplicaciones con exposición limitada a la corrosión. Aceros Austeníticos agrupados en la serie 300 AISI 301 Se utiliza esta aleación con un propósito estructural de alta resistencia como por ejemplo: correas transportadoras, herraje, aeronaves, carrocerías, vagones de ferrocarril. AISI 304 Ampliamente utilizado con finalidad estructural, este material es utilizado en equipos para industria química, naval, farmacéutica, refinería de petróleo. Además es utilizado para instalaciones criogénicas, tanque de almacenamiento de cerveza, equipos lácteos, turbinas de vapor entre otras. Aceros Martensíticos agrupados en la serie 400 AISI 420 Este acero se utiliza para la fabricación de: Válvulas, bombas, tornillos, cerraduras; tubería de control de la calefacción, cubiertos, instrumentos de medición, ejes de funcionamiento, máquinas de la minería.

Aceros Ferríticos agrupados en la serie 400 AISI 430 Utilizado en la fabricación de: Utensilios domésticos, monedas, lavadoras, equipos de fabricación de ácido nítrico, calentadores, reflectores, pilas, recubrimiento de la cámara de combustión de los motores diesel, puertas de cajas fuertes. Norma DIN EN La norma europea DIN EN 10088 concerniente a los aceros inoxidables esta segmentada en 5 partes las cuales son:  

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Parte 1 Lists of stainless steels, la cual proporciona la composición química y datos de referencia de propiedades mecánicas de los materiales Parte 2 Technical delivery condition for sheet, plate and strip of corrosion resisting steels for general purposes, indica las propiedades técnicas y composiciones químicas de los materiales empleados en el conformado de las secciones estructurales. Parte 3 Technical delivery conditions for semi-finished products, bars, rods, wire, sections an bright products of corrosion resisting steels for general proposes, proporciona las propiedades técnicas y composiciones químicas de los materiales empleados en productos largos. Parte 4 Technical delivery conditions for sheet/plate and strip of corrosion resisting steels for construction purposes, proporciona las propiedades técnicas y composiciones químicas de los materiales empleados en productos planos para construcción. Parte 5 Technical delivery conditions for bars, rods, wire, sections and bright products of corrosion resisting steels for construction purposes, proporciona las propiedades técnicas y composiciones químicas de los materiales empleados en productos largos para construcción.

La nomenclatura utilizada por esta norma incluye la denominación numérica única para cada tipo de acero y su nombre respectivamente. Por ejemplo, el acero inoxidable AISI 304L le corresponde el número 1.4307 y su nombre X2CrNi18-9 en la norma europea donde su número y nombre significa lo siguiente:

A continuación se presenta los valores mínimos especificados para las propiedades mecánicas de los aceros inoxidables más comunes según la norma DIN EN 10088-2 en la tabla 1, seguidamente se presentan la composición química de estos aceros en la tabla 2 Tabla 1. Propiedades mecánicas especificadas para los aceros inoxidables usuales según EN 10088-2.

Tabla 2. Composición química según EN 10088-2

Normas ASTM Las normas A743/ A743M, A744/A744M son las normas de especificaciones estándar para la fundición de aleaciones hierro-cromo, hierro-cromo-níquel, resistentes a la corrosión para aplicaciones generales y servicio severo respectivamente. La norma A890/A890M corresponde a las especificaciones para la fundición de hierro-cromo-níquel-molibdeno resistente a la corrosión, acero dúplex (austenoferritico) para uso general. En cada uno de estos se especifica la composición química de cada aleación los tratamientos términos necesarios de realizar según el tipo de acero, el procedimiento de reparación por soldadura necesario para cada material con su tratamiento térmico para aliviar tensiones generadas por la soldadura, y el procedimiento de cómo realizar una prueba de dureza y tensión en los materiales.

Estructura preliminar del trabajo Al finalizar el trabajo se espera poder validar el software QuikCAST a través de la obtención de una pieza fundida de aluminio en el laboratorio de la UCA con su correspondiente simulación junto con un manual de usuario del programa para que el mismo pueda ser usado por cualquier persona interesada en ello. Adicionalmente al haber validado el software se presentarán una serie de recomendaciones para la empresa fundidora que puedan facilitar la fundición del rodete de acero inoxidable a emplearse en el proyecto de la central hidroeléctrica. En base a los puntos a tratar del proyecto mencionados anteriormente y según los criterios que se definieron para trabajar se ha establecido la siguiente estructura con la que se espera llevar a cabo el trabajo de la mejor manera posible y cumplir con los objetivos planteados. 1. Generalidades 1.1 Definición del problema 1.2 Objetivos 1.2.1 Objetivo general 1.2.2 Objetivos específicos 1.3 Límites y alcances 1.4 Antecedentes 1.4.1 Fundición 1.4.2 Hornos para fundición 1.4.2.1 Refractario de los hornos 1.4.3 Arenas de fundición 1.4.4 Molde para fundición 1.4.5 Normas ASTM para fundición 1.5 Metodología 2. Fundición de acero inoxidable 2.1 Horno para fundir acero inoxidable 2.1.1 Refractario usado para fundir acero inoxidable 2.2 Arena para fundir acero inoxidable 2.3 Molde de fundición de acero inoxidable 2.3.1 Pintura de fundición utilizada 2.4 Materiales Ferroaleantes 2.4.1 Propiedades 2.4.2 Tipos 2.5 Variables principales involucradas. 2.6 Control de calidad final del producto 2.7 Aplicaciones industriales del material 2.7.1 Rodetes de turbinas Hidroeléctricas 2.7.1.1 Normas ASTM

3. Prueba para validación del software 3.1 Modelo de pieza para fundición en aluminio 3.1.1 Diseño de pieza para fundición 3.1.2 Impresión del modelo en 3D 3.2 QuikCAST 3.3 Simulación de la pieza para fundición 3.4 Construcción del molde en arena 3.5 Análisis de resultados 4. Cálculo y análisis del molde para fundición 4.1 Diseño de la pieza en Inventor de rodete de acero inoxidable 4.2 Dimensionamiento del sistema de alimentación del molde para el rodete 4.2.1 Modelo final para simulación para el rodete 5. Simulación del rodete de acero inoxidable 5.1 Simulación 1 – En base a normas 5.2 Simulación 2 – Analizando los efectos de la temperatura 5.3 Simulación 3 – Analizando los efectos de la presión 5.4 Simulación 4 – Analizando los efectos de la velocidad 5.5 Simulación 5 – Analizando los efectos del material exotérmico 6. Conclusiones y recomendaciones Capítulo 1 Generalidades

En este capítulo se plantean las bases del proyecto en función de los objetivos que se han planteado, los límites y alcances definidos y los antecedentes del mismo para darle solución al problema que se trata de resolver. Además se ha definido una metodología adecuada que permita alcanzar los objetivos planteados y para ello se ha definido una calendarización de las actividades a realizar con su correspondiente encargado. Capítulo 2 Aspectos de fundición

En este capítulo se presentan los diferentes métodos de fundición que existen y junto con ello se describen algunas de las características y distintas aplicaciones para los materiales principales que se funden en la actualidad. Luego se describen algunas de las diferentes variables involucradas en el proceso de fundición como lo son la temperatura, la presión, el material exotérmico y la velocidad de vaciado del material.

Capítulo 3

Cálculo y análisis del molde para fundición

En este capítulo se presenta el diseño de la pieza de la cual se realizará la fundición a través del programa Inventor y el cual será utilizado para la simulación que permita validar el software. Ya que el programa QuikCAST solo permite ingresar un diseño final sobre el cual se debe realizar la simulación y no permite modificarlo al haberlo ingresado, al diseño inicial de la pieza se le agregarán los canales de alimentación, mazarota, etc. con el fin de poder realizar la simulación de la manera adecuada y para lo cual se basará su cálculo Capítulo 4 Simulación

En este capítulo se realizarán diferentes simulaciones que involucren a las variables de fundición previamente mencionadas y se detallarán los efectos que producen dichos cambios en las variables sobre la fundición de la pieza que sea simulada. Adicionalmente se realizará una simulación que se rija bajo la norma ASTM A743 con la cual se pretende dar una idea clara de los resultados esperados según lo establecido en ella. Luego se realizarán las demás simulaciones en base al modelo de la norma al modificar los parámetros de cada una de las variables, haciendo una simulación para cada variable independiente para así poder definir el proceso óptimo para la fundición esperada al haber realizado todas las simulaciones necesarias. Capítulo 5 Prueba para validación del software

En este capítulo se realizará una simulación de una pieza en aluminio y luego al haber obtenido el resultado óptimo según el software QuikCAST se procederá a realizar dicha fundición en aluminio según las recomendaciones del software para comprobar si el programa funciona de manera correcta y es capaz de predecir y evitar posibles fallos y de esa manera se podrá validar el software para que las recomendaciones a entregar a la empresa encargada de fundir el rodete de acero inoxidable estén bien fundamentadas. Algunos pasos adicionales a considerar en este capítulo serán la obtención de la arena para realizar el molde de la pieza, la creación del molde junto con los cálculos teóricos previos de los canales de alimentación y la impresión en 3D de la pieza que se fundirá, la cual será diseñada por completo en el software Inventor.

Capítulo 6

Conclusiones y recomendaciones

En este capítulo se presentan las conclusiones del trabajo realizado y se definen las recomendaciones principales a entregar a la empresa fundidora para facilitar su proceso de fundición según las recomendaciones encontradas en base al software mencionado previamente.

Metodología El tipo de metodología a utilizar será experimental al simular (o recrear) distintas condiciones durante el proceso de fundición para observar cual es el efecto que provoca el cambio de una variable en el producto final y luego poder determinar cuáles son los parámetros de estas variables que definen el proceso óptimo para la fundición. Se realizaran simulaciones a través del programa Quikcast para la fundición de una pieza de aluminio cambiando en cada escenario variables como: temperatura de la colada, presión, velocidad del metal líquido y la presencia de material exotérmico en la fundición, y a través de las cuales se pueda comprobar que los resultados del programa se cumplan con exactitud en la pieza fundida de aluminio. Todo esto con el propósito de determinar cuáles son las condiciones óptimas en las que se debe realizar el proceso de fundición para producir una pieza de acero inoxidable con la mínima cantidad de heterogeneidades físicas. De esta manera se podrán hacer recomendaciones basadas en la simulación de un rodete de una turbina para central hidroeléctrica con el fin de identificar las condiciones necesarias para fundir esta pieza en acero inoxidable del proyecto de cooperación en que participa la Universidad Centroamericana “José Simeón Cañas” UCA y la Universidad Don Bosco.

Programación y división del trabajo

NOMBRE DE TAREA

COMIENZO

FIN

1. Generalidades Definición del problema

07/04/2014 07/04/2014

11/04/2014 07/04/2014

Efraín, Daniel y Jonathan

Objetivos

07/04/2014

07/04/2014

Efraín, Daniel y Jonathan

Objetivo general

07/04/2014

07/04/2014

Objetivo específico

07/04/2014

07/04/2014

Límites y alcances

09/04/2014

09/04/2014

Antecedentes

09/04/2014

09/04/2014

Situación actual

11/04/2014

11/04/2014

Metodología

11/04/2014

11/04/2014

Efraín, Daniel y Jonathan

Programación y división del trabajo

11/04/2014

11/04/2014

Efraín, Daniel y Jonathan

2. Aspectos de fundición

14/04/2014

25/04/2014

Métodos de fundición

21/04/2014

21/04/2014

Efraín, Daniel y Jonathan

Propiedades de los materiales

23/04/2014

23/04/2014

Efraín, Daniel y Jonathan

Características de los materiales aleantes

23/04/2014

23/04/2014

Aplicaciones industriales del material

23/04/2014

23/04/2014

Variables principales involucradas

14/04/2014

18/04/2014

Temperatura

14/04/2014

18/04/2014

Efraín

Presión

14/04/2014

18/04/2014

Jonathan

Material

14/04/2014

18/04/2014

Daniel

28/04/2014

09/05/2014

Diseño de la pieza en Software CAD

28/04/2014

02/05/2014

Efraín, Daniel y Jonathan

Dimensionamiento del sistema de alimentación del molde 4. Prueba para validación del software Modelo de pieza para fundición en aluminio

05/05/2014

09/05/2014

Efraín, Daniel y Jonathan

12/05/2014

23/05/2014

12/05/2014

12/05/2014

Efraín, Daniel y Jonathan

Simulación de la pieza para fundición

14/05/2014

16/05/2014

Efraín, Daniel y Jonathan

Construcción del molde en arena

16/05/2014

21/05/2014

Efraín, Daniel y Jonathan

3. Calculo y análisis del molde para fundición

ENCARGADO/A

Efraín, Daniel y Jonathan

Análisis de resultados

23/05/2014

23/05/2014

Efraín, Daniel y Jonathan

5. Simulación

26/05/2014

27/06/2014

Efraín, Daniel y Jonathan

6. Conclusiones y recomendaciones

30/06/2014

04/07/2014

Efraín, Daniel y Jonathan

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