UNIVERSIDAD DE CHILE FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS Y MATEMÁTICAS DEPARTAMENTO INGENIERIA MECÁNICA

DISEÑO DEL PROCESO DE FABRICACIÓN

DE UNA PIEZA FUNDIDA,

LIFTER MOLINO SAG

MEMORIA PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL MECÁNICO

LUIS MAURICIO MUÑOZ ASTORGA

PROFESOR GUÍA:

RUBEN FERNANDEZ URRUTIA

MIEMBROS DE LA COMISIÓN:

AQUILES SEPÚLVEDA OSSES

HERNAN BOBADILLA RAVANAL

SANTIAGO DE CHILE

2018

Resumen Ejecutivo

La minería en Chile es uno de los rubros de la economía más relevantes para el país y debido a los desafíos de competitividad que enfrentamos a nivel global, es necesario avanzar en establecer mejoras de productividad y costos en los procesos mineros, los cuales involucran variados equipos, cuya operación y mantención afectan la productividad y costos del proceso. Muchos de estos equipos requieren repuestos, partes y piezas que deben ser fabricadas.

Durante los años 2000 al 2005 a cargo del área de Ingeniería y Control Producción de División Talleres de Codelco Chile, el autor de este trabajo, preparó y diseñó sistemas de alimentación para fundir revestimientos de molinos, chancadoras y otras piezas para variados equipos de la industria minera.

Con el fin de fomentar el uso de métodos de fabricación para piezas fundidas estandarizados, traspasar la experiencia acumulada y oportunidades de mejora en costos y plazos con el uso de nuevas tecnologías, el objetivo de este trabajo es diseñar el proceso de fabricación de un revestimiento de Molino SAG (lifter) para la etapa de validación de pieza prototipo o primera pieza, que permite iniciar la producción total de un conjunto de revestimientos.

El alcance de este trabajo incluye desde el diseño del sistema de alimentación del prototipo, hasta el análisis de resultados, con una validación teórica y verificación práctica de los resultados; además de una estimación de costos y determinación de oportunidades de mejora que aseguren una pieza fundida de acuerdo a las especificaciones establecidas.

Existen muchas restricciones para la fabricación de piezas fundidas, asociadas fundamentalmente a la infraestructura y equipamiento disponible por los fabricantes, variables que afectan la productividad y el costo de fabricación.

Se concluye que se cumplieron los objetivos de este trabajo, se estudió y diseñó el proceso de fabricación de un lifter de molino SAG y se logró fabricar una pieza prototipo que cumpliera con las especificaciones establecidas.

Se determinaron oportunidades de mejora en los costos y plazos de fabricación.

Del análisis y estudio realizado se confirma que la experiencia en la fabricación de piezas fundidas es clave para diseñar y establecer un método de alimentación, ya que las estimaciones y cálculos nos determina sólo una propuesta de solución para la alimentación de la primera pieza a fundir y no necesariamente una solución final. Conocer las limitaciones del proceso de fabricación y la presencia en terreno para validar la propuesta, son dos aspectos claves en el diseño y definición del método de alimentación.

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Tabla de contenido

1 Introducción ............................................................................................................................. 1

1.1 Antecedentes generales del proyecto ................................................................................ 1

1.2 Motivación ........................................................................................................................ 2

1.3 Objetivos y alcances ......................................................................................................... 4

2 Antecedentes ............................................................................................................................ 5

2.1 Minería en Chile ............................................................................................................... 5

2.2 El lifter y su importancia en la molienda .......................................................................... 5

2.3 Proceso de Fundición ........................................................................................................ 7

2.4 Proceso de fabricación para piezas metálicas fundidas en molde de arena. ..................... 9

2.4.1 Fabricación del Modelo ........................................................................................... 10

2.4.2 Fabricación de molde en arena ................................................................................ 12

2.4.2.1 Componentes de un molde ................................................................................... 12

2.4.2.2 Teoría asociada al flujo de metal en el molde...................................................... 13

2.4.3 Colada ...................................................................................................................... 14

2.4.3.1 Estructuras cristalinas y sus características.......................................................... 15

2.4.3.2 Diagrama de fases ................................................................................................ 16

2.4.3.3 Diagrama de fases Eutéctico ................................................................................ 16

2.4.3.4 Diagrama de Fase Hierro-Carbono ...................................................................... 17

2.4.4 Solidificación de aceros ........................................................................................... 20

2.4.4.1 Mecanismos de crecimiento ................................................................................. 22

2.4.4.2 Crecimiento planar ............................................................................................... 23

2.4.4.3 Crecimiento dendrítico ........................................................................................ 23

2.4.4.4 Curva de enfriamiento ......................................................................................... 25

2.4.4.5 Tiempo de solidificación de metales en fundición .............................................. 27

2.4.5 Estructuras y defectos de solidificación .................................................................. 28

2.4.5.1 Estructuras de solidificación ................................................................................ 28

2.4.5.2 Defectos de solidificación .................................................................................... 30

2.4.6 Otros defectos en fundición de metales ................................................................... 32

2.4.7 Diseño y definición de sistema de alimentación ..................................................... 34

2.4.8 Enfriamiento y desmolde de la pieza fundida ......................................................... 35 ii

2.4.9 Limpieza de la pieza fundida ................................................................................... 35

2.4.10 Controles .................................................................................................................. 35

2.4.10.1 Ensayos no destructivos ................................................................................... 36

2.5 Nuevas tecnologías ......................................................................................................... 36

2.5.1 Impresión en plástico: .............................................................................................. 37

2.5.2 Impresión en arena................................................................................................... 37

2.5.3 Impresión en metal .................................................................................................. 37

3 Metodología ........................................................................................................................... 40

3.1 Estudio y análisis de especificaciones ............................................................................ 41

3.2 Cálculo y diseño de método ............................................................................................ 41

3.3 Cálculo y diseño de canales de alimentación .................................................................. 42

3.4 Diseño esquema de alimentación .................................................................................... 42

3.5 Fabricación prototipo pieza fundida ............................................................................... 43

3.6 Calculo de costos ............................................................................................................ 43

3.7 Simulación y optimización ............................................................................................. 43

4 Resultados .............................................................................................................................. 44

4.1 Presentación de resultados .............................................................................................. 44

4.1.1 Estudio y análisis de especificaciones ..................................................................... 44

4.1.2 Cálculo y diseño de método de alimentación .......................................................... 45

4.1.3 Cálculo y diseño de canales de alimentación .......................................................... 53

4.1.4 Diseño alimentación ................................................................................................ 55

4.1.5 Trabajo en terreno .................................................................................................... 57

4.1.5.1 Confección del modelo ........................................................................................ 57

4.1.5.2 Confección del molde .......................................................................................... 58

4.1.5.3 Desmoldeo ........................................................................................................... 59

4.1.5.4 Resultados de controles prototipo 1 ..................................................................... 60

4.1.6 Mejora alimentación ................................................................................................ 61

4.1.7 Resultados de controles prototipo 2 ........................................................................ 61

4.1.8 Costos ...................................................................................................................... 63

4.1.9 Simulación ............................................................................................................... 65

4.1.9.1 Enfriamiento prototipo N°1 ................................................................................. 65

4.1.9.2 Solidificación prototipo N°1 ................................................................................ 70

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4.1.9.3 Simulación de cavidades (rechupes) .................................................................... 72

4.1.9.4 Otras simulaciones ............................................................................................... 75

4.1.10 Optimización ........................................................................................................... 77

4.2 Análisis e interpretación de resultados ........................................................................... 79

5 Conclusiones .......................................................................................................................... 82

5.1 Cumplimiento de objetivos ............................................................................................. 82

5.2 Conclusiones generales ................................................................................................... 82

6 Bibliografía............................................................................................................................. 84

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Índice de anexos

Anexo A: Catálogo de mangas Foseco .......................................................................................... 87 Anexo B: Catálogo de canales de cerámica Refrata ...................................................................... 88 Anexo C: Control dimensional del modelo al salir de su fabricación ........................................... 89 Anexo D: Control dimensional del modelo al ingresar para moldeo ............................................ 90 Anexo E: Informe de ultrasonido prototipo N°1 ........................................................................... 91 Anexo F: Informe de ultrasonido prototipo N°2 ........................................................................... 93 Anexo G: Planilla llenado Simulación MAGMA ......................................................................... 95

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Índice de figuras

Figura 1.1: Vistas de un lifter (medidas en milímetros) .................................................................. 3 Figura 1.2: Diagrama ubicación lifter en molino SAG (fuente URL www.directindustry.fr) ........ 3 Figura 1.3: Ejemplo de lifter fundidos (fuente División Talleres Codelco 2004) ........................... 3 Figura 2.1: Figura esquemática de la trayectoria de partículas y bolas en un molino SAG [1] ...... 6 Figura 2.2: Diagrama de procesos de fundición de metales [3] ...................................................... 7 Figura 2.3: Etapas del proceso de fundición en arena [3] ............................................................... 8 Figura 2.4: Esquema de modelo en molde de arena con doble caja [8] ........................................ 10 Figura 2.5: Tipos de modelos que se emplean en la fundición de moldes con arena [4]: ............ 10 Figura 2.6: Ejemplo de modelo en placa (B) y su uso en un molde de doble caja (A) [10].......... 11 Figura 2.7: Ejemplo de modelos en madera fabricados A: Spider Cup y B: Lifter (fuente División Talleres Codelco Chile 2004) ........................................................................................................ 11 Figura 2.8: Diseño típico de molde en arena y sistema de alimentación. [4] ................................ 13 Figura 2.9: Estructuras Cristalinas a) CCI, b) CCC, c) HC [9] ..................................................... 15 Figura 2.10 Diagrama de fase Eutéctico Cu-Ag [7] ..................................................................... 17 Figura 2.11: Diagrama Hierro- Carbono [7] .................................................................................. 18 Figura 2.12 Representación esquemática de la formación de perlita a partir de la austenita [7] .. 19 Figura 2.13: Estructuras de aceros hipoeutectoides.[7] ................................................................. 19 Figura 2.14 Se crea una interfase cuando se forma un sólido a partir de un líquido. [8] .............. 20 Figura 2.15: La energía libre del sistema sólido-líquido, cambia según el tamaño del sólido, es un embrión si su tamaño es inferior al radio crítico (r*) y es un núcleo si es mayor. [8] .................. 21 Figura 2.16: Temperatura y distancia de la interfase sólido-líquido en el crecimiento planar.[8] 23 Figura 2.17: Crecimiento de dendrita y relación distancia interfase sólido-líquido y temperatura.[8] .............................................................................................................................. 24 Figura 2.18: Micrografía de dendritas en acero. [8] ...................................................................... 24 Figura 2.19: Variación de temperatura frente al tiempo de una metal, inicialmente fundido que está siendo enfriado.[4].................................................................................................................. 25 Figura 2.20: Esquema de solidificación de una aleación.[3] ......................................................... 26 Figura 2.21: Distribución de la temperatura en la interfaz pared molde y metal líquido durante la solidificación de los metales en fundición. .................................................................................... 27 Figura 2.22: Desarrollo de estructura en una pieza colada [8] ...................................................... 29 Figura 2.23: Estructura de grano característica de un fundido de aleación [4] ............................. 29 Figura 2.24 Desarrollo de estructura preferida en un moldeo [3] ................................................. 30 Figura 2.25: Contracción de un fundido cilíndrico durante la solidificación y enfriamiento.[4] .. 31 Figura 2.26: Tipos de macrocontración, a) cavidades, b) rechupes, c) montante para compensar contracción.[8] ............................................................................................................................... 32 Figura 2.27: Defectos reales detectados en piezas fundidas .......................................................... 33 Figura 3.1: Proceso de fabricación de prototipo de una pieza fundida ......................................... 41 Figura 4.1: Geometría y principales dimensiones de la pieza a fundir.......................................... 44

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Figura 4.2: Separación de pieza en 4 zonas para análisis (medidas en mm) ................................. 46 Figura 4.3: Cálculo de volumen y área Zona 1.............................................................................. 46 Figura 4.4: Cálculo de volumen y área Zona 2.............................................................................. 47 Figura 4.5 Cálculo de volumen y área Zona 3 ............................................................................... 47 Figura 4.6: Cálculo de volumen y área Zona 4.............................................................................. 47 Figura 4.7: Análisis por zona de lifter ........................................................................................... 49 Figura 4.8 Esquemas posibles de alimentación de lifter ............................................................... 50 Figura 4.9: Diseño de alimentación de moldeo para prototipo lifter ............................................. 55 Figura 4.10: Fabricación de modelo de lifter ................................................................................ 57 Figura 4.11: Fabricación de moldeo de lifter vista frontal ............................................................ 57 Figura 4.12: Fabricación de moldeo de lifter vista lateral ............................................................. 57 Figura 4.13: Fabricación de moldeo de lifter guías perforaciones ................................................ 57 Figura 4.14: Fabricación de moldeo de lifter placa inferior en terreno ......................................... 57 Figura 4.15: Fabricación de moldeo de lifter placa superior en terreno ........................................ 57 Figura 4.16: Caja sobre placa ........................................................................................................ 58 Figura 4.17: Ubicando montantes en molde .................................................................................. 58 Figura 4.18: Ubicando canales en molde....................................................................................... 58 Figura 4.19: Apisonando arena en molde 1 ................................................................................... 58 Figura 4.20: Apisonando arena en molde 2 ................................................................................... 58 Figura 4.21: Llenado de molde con arena 1 .................................................................................. 58 Figura 4.22: Llenado de molde con arena 2 .................................................................................. 58 Figura 4.23: Terminación superficie moldeo ................................................................................ 58 Figura 4.24: Molde terminado ....................................................................................................... 58 Figura 4.25: Prototipo desmoldeado .............................................................................................. 59 Figura 4.26: Prototipo con montantes quebrados .......................................................................... 59 Figura 4.27: Prototipos desmoldeado 2 ......................................................................................... 59 Figura 4.28: Prototipo para controles de END .............................................................................. 59 Figura 4.29: Extracto informe de ultrasonido a piezas prototipo N°1 ........................................... 60 Figura 4.30 Nueva disposición y tamaño de montantes. ............................................................... 61 Figura 4.31: Extracto informe de ultrasonido a piezas prototipo N°2 ........................................... 62 Figura 4.32: Distribución de costo directo de una pieza fundida .................................................. 64 Figura 4.33: Simulación MAGMA 5 inicio enfriamiento lifter prototipo N°1 ............................. 66 Figura 4.34: Simulación MAGMA 5 enfriamiento orejas prototipo N°1 ..................................... 66 Figura 4.35: Simulación MAGMA 5 enfriamiento extremo lifter prototipo N°1 ......................... 67 Figura 4.36: Simulación MAGMA 5 primeras zonas en enfriarse lifter prototipo N°1 ................ 67 Figura 4.37: Simulación MAGMA 5 extremo y zona entre pernos primeras en enfriarse, lifter prototipo N°1 ................................................................................................................................. 68 Figura 4.38: Simulación MAGMA 5 última zona en enfriarse lifter prototipo N°1 ..................... 68 Figura 4.39: Simulación MAGMA 5 corte de enfriamiento lifter prototipo N°1 ......................... 69 Figura 4.40: Simulación MAGMA 5 corte última zona en enfriarse lifter prototipo N°1 ............ 69 Figura 4.41: Simulación MAGMA 5 solidificación lifter prototipo N°1 ...................................... 70

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Figura 4.42: Simulación MAGMA 5 solidificación lifter prototipo N°1, en rojo primeras zonas solidificadas. .................................................................................................................................. 70 Figura 4.43: Simulación MAGMA 5 solidificación lifter prototipo N°1, extremo del lifter solidificado. ................................................................................................................................... 71 Figura 4.44: Simulación MAGMA 5 se muestran las zonas ya solidificadas del lifter prototipo N°1. ................................................................................................................................................ 71 Figura 4.45: Simulación MAGMA 5, se muestra la primera cavidad (rechupe) que aparece en el extremo del lifter prototipo N°1. ................................................................................................... 72 Figura 4.46: Simulación MAGMA 5, se muestra la segunda cavidad (rechupe) que aparece entre perforaciones del lifter prototipo N°1. ........................................................................................... 72 Figura 4.47: Simulación MAGMA 5, se muestra crecimiento de cavidades y contracción de montantes del lifter prototipo N°1. ................................................................................................ 73 Figura 4.48: Simulación MAGMA 5, se muestras cavidades finales en montantes y cavidades en la pieza que son defectos internos. ................................................................................................ 73 Figura 4.49: Simulación MAGMA 5, vista lateral en corte de las cavidades. .............................. 74 Figura 4.50: Simulación MAGMA 5, vista frontal de las cavidades. ........................................... 74 Figura 4.51: Simulación MAGMA 5, trazo de partículas 1. ......................................................... 75 Figura 4.52: Simulación MAGMA 5, trazo de partículas 2. ......................................................... 75 Figura 4.53: Simulación MAGMA 5, trazo de partículas 3. ......................................................... 75 Figura 4.54: Simulación MAGMA 5, trazo de partículas 4. ......................................................... 75 Figura 4.55: Simulación MAGMA 5, trazo de partículas 4. ......................................................... 76 Figura 4.56: Simulación 2 MAGMA 5, cavidades de menor nivel. .............................................. 77 Figura 4.57: Simulación 3 MAGMA 5, cavidades de menor nivel y distantes del centro del lifter. ....................................................................................................................................................... 78

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Índice de tablas

Tabla 2.1: Efecto causado por el cambio de diseño del lifter (configuración del molino) sobre la capacidad de producción en Minera Alumbrera [1] (tdp: toneladas por día) .................................. 6 Tabla 2.2: Arenas de fundición y sus características [5] ............................................................... 12 Tabla 2.3: Valores referenciales de algunos materiales ................................................................ 22 Tabla 2.4 Contracción de distintos metales materiales [4] ............................................................ 31 Tabla 4.1: Composición química de la aleación del lifter a fundir................................................ 45 Tabla 4.2: Cálculo de módulos por zona ....................................................................................... 47 Tabla 4.3: Análisis de módulos por esquemas y cálculo de kg montante estimado ...................... 51 Tabla 4.4: Análisis y selección de manga ..................................................................................... 52 Tabla 4.5: Costos de pieza fundida ................................................................................................ 63 Tabla 4.6: Costos de prototipos N°1 y N°2 ................................................................................... 64 Tabla 4.7: Comparación costos prototipos y simulaciones ........................................................... 78

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1 Introducción

1.1 Antecedentes generales del proyecto

El presente trabajo presenta, en base a la experiencia del autor en División Talleres de Codelco Chile, las etapas del proceso de fabricación por fundición de un revestimiento de molino SAG en aleación de acero cromo molibdeno (alta tenacidad y resistencia al desgaste) denominado lifter (figura 1.1), las consideraciones en su fabricación, y sus aspectos relevantes y críticos.

Se exponen las etapas del proceso de fabricación de la pieza fundida, las consideraciones del proceso basada en la experiencia en la fabricación y la teoría que la respalda, así como también los análisis y toma de decisiones en el proceso de diseño y fabricación.

Fabricar una pieza fundida implica análisis, decisiones, pruebas, estudios y trabajo en equipo, todo lo que permite la fabricación de la primera de la pieza fundida (prototipo) que cumpla con las especificaciones técnicas requeridas, tanto en geometría como en la homogeneidad del material y características del acero. Lo anterior asegura que la pieza fabricada posea una prestación y duración esperada al ser utilizada.

Se presenta el proceso de fabricación de un lifter de Molino SAG en acero cromo molibdeno (alto cromo) hasta la confección de la pieza fundida prototipo aprobada.

Se inicia con la definición del sistema de alimentación de la pieza fundida, la fabricación de modelo en madera, la confección del molde en arena, la colada del molde, el enfriamiento de la pieza en el molde, el desmoldeo de la pieza prototipo y limpieza de la pieza prototipo.

Se finaliza con los chequeos y análisis de la pieza prototipo, para verificar que el prototipo posee calidad y cumple con las especificaciones técnicas requeridas.

La metodología de fabricación de piezas fundidas no ha experimentado grandes cambios en los últimos 20 años. La experiencia adquirida por el autor en la fabricación de piezas fundidas en División Talleres de Codelco Chile, como Jefe de Ingeniería y Control Producción entre los años 2000 al 2005, permite afirmar que el proceso de fabricación de piezas fundidas está basado en gran medida en la experiencia y know how del personal, por lo que, en este trabajo se espera poder transmitir algo de esta experiencia.

Con el fin de validar los resultados obtenidos se realiza una simulación del proceso de fundición con el software de modelamiento MAGMA 5, que permite la comparación y verificación del sistema de alimentación, generando mejoras y optimizaciones, herramientas que permiten disminuir los costos y tiempos de fabricación de las piezas fundidas.

Para finalizar, se realiza un análisis de los costos involucrados y oportunidades de mejora. 1

1.2 Motivación

Entre los equipos que se emplean en la extracción minera para el procesamiento de mineral, se cuenta con los molinos Semiautógenos (SAG), que son más eficientes que los equipos de molienda convencional y permiten reducir el tamaño de la partícula de mineral (proceso molienda fina) para la siguiente etapa de flotación.

Estos equipos están recubiertos interiormente por revestimientos de acero altamente resistentes al desgaste y a la abrasión, para protegerlos de la constante fricción con el mineral y en menor medida el impacto de bolas de aceros sobre el casco del molino. También estos revestimientos, con su geometría, cumplen la función adicional de maximizar la eficiencia del molino, tanto en la molienda como en el uso de la energía.

Por lo anterior, es clave que los revestimientos de molinos sean piezas que cumplan con las especificaciones técnicas definidas en geometría y en la calidad del material, ya que fracturas de revestimientos y/o desgastes prematuros pueden dañar el molino, mermar la capacidad productiva (disponibilidad) y aumentar los costos de producción.

Uno de estos revestimientos es el lifter (alzador), ver figura 1.1, que permite soportar otros revestimientos dentro del molino, transportar el mineral a través del molino hacia su descarga y levantar la carga de mineral para la molienda.

Lifters con defectos superficiales como grietas, defectos internos como rechupes o porosidades, y con diferencias respecto a la aleación definida o a la geometría especificada, pueden producir desgaste prematuro de los revestimientos y obligar a detener el molino en forma no programada o anticipada, con la consiguiente disminución de disponibilidad del equipos, utilización y pérdida de producción.

Los revestimientos del molino SAG se fabrican en acero fundido de aleación cromo-molibdeno en moldes de arena, por lo que este trabajo se centrará en el diseño de la alimentación de un lifter fundido, hasta la etapa del prototipo fundido y aprobado, que asegure una pieza fundida libre de defectos superficiales, con calidad de acero homogénea, de la geometría requerida, con porosidades y rechupes dentro de estándar requerido en la especificación. En las figuras 1.2 y 1.3 se puede apreciar la ubicación de los lifter en el molino SAG y ejemplos de lifter fundidos respectivamente.

Durante los años 2000 al 2005 estando a cargo de la Ingeniería y Control Producción de la División Talleres de Codelco Chile, el autor preparó y diseñó sistemas de alimentación para fundir lifters y otras piezas para diferentes empresas y equipos de la industria minera. Los métodos de alimentación se basan en la experiencia acumulada y son validados con cálculos y estándares predefinidos. Basado en estas experiencias, se diseñará un método de alimentación y se verificará que optimice los recursos y permita obtener una pieza fundida prototipo que cumpla con las especificaciones requeridas.

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Figura 1.1: Vistas de un lifter (medidas en milímetros)

Figura 1.2: Diagrama ubicación lifter en molino SAG (fuente URL www.directindustry.fr)

Figura 1.3: Ejemplo de lifter fundidos (fuente División Talleres Codelco 2004)

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1.3 Objetivos y alcances

A continuación se presentan los objetivos generales y específicos de esta memoria de título, así como los alcances del trabajo a desarrollar.

Objetivo General

• Diseñar el proceso de fabricación de un revestimiento lifter de Molino SAG fundido en acero

cromo molibdeno, que asegure una pieza prototipo homogénea, sin defectos, y que cumpla con las especificaciones técnicas requeridas.

Objetivos Específicos

• Estudiar el sistema de alimentación de un lifter prototipo que permita fundir una pieza homogénea y libre de defecto de acuerdo a especificación técnica.

• Determinar los parámetros de colada para la pieza prototipo fundida. • Verificar que el prototipo fundido cumpla con las especificaciones técnicas requeridas,

dimensionales y de defectos superficiales e internos, y especificar las correcciones necesarias.

• Estimar los costos de la pieza prototipo fundida.

Alcances

Los alcances de esta memoria son los siguientes:

• Este trabajo se concentra en asegurar la fabricación de una pieza prototipo fundida homogénea, sin defectos y de acuerdo a las especificaciones y plano. Sobre la base de la experiencia en División Talleres, realizando un estudio teórico con verificación práctica.

• Fabricación del prototipo hasta su aprobación, no considera la producción de las piezas que son parte del juego de revestimientos del molino SAG.

• Las etapas para la fabricación del prototipo consideradas son: diseño de la alimentación, verificación del diseño para fundir la pieza prototipo y verificación de la calidad final del prototipo hasta la etapa de limpieza. No considera los tratamientos térmicos y los eventuales mecanizados de la pieza.

• El molde de arena y el acero de aleación utilizado para la colada de la pieza prototipo, no son parte del alcance de este trabajo y se consideran que cumplen con las especificaciones técnicas.

• Se realiza una simulación del proceso de fundición con el software de modelamiento MAGMA 5, que permite la comparación y verificación del sistema de alimentación y generar mejoras y optimizaciones. Esta simulación se realizó por medio del apoyo y facilidades de la empresa Dipromet.

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2 Antecedentes

2.1 Minería en Chile

La demanda de cobre y el incremento que se espera con el consumo de este comoditie en electrónica, vehículos eléctricos e infraestructura, proyecta a América Latina como un lugar apropiado para el aumento de desarrollo de proyectos mineros, con un 58% de la producción total mundial. El monto total de inversiones proyectadas hasta el 2023 es de US$248.401 millones con 115 iniciativas, de esto Chile posee el 30% con 29 iniciativas. En la actualidad, Chile es el principal productor de cobre del mundo, con un 31,5% de participación de la oferta mundial, liderazgo que hoy se ve amenazado por el desarrollo del potencial minero de otros países de América Latina. Lo anterior implica desafíos para el país en disminución de los costos operacionales y mejoras de productividad. [2]

Según estudios de Cochilco [2], en el subproceso de la planta concentradora en la industria minera en general, el 49% del OPEX (Operating Expense, Gasto Operacional) corresponde a molienda, con un 19% asociado a costos de mantención y reparación; además se ha detectado un conjunto de insumos críticos que afectan la sustentabilidad de la minería en Chile, considerando los procesos y subprocesos más relevantes de la minería. En el caso de la molienda SAG se consideran insumos críticos las bolas y barras de molienda, así como su servicios de mantención y reparación, con riesgos de desabastecimiento y con alta incidencia en el costo de producción.

2.2 El lifter y su importancia en la molienda

En la Molienda semiautógena (SAG) los revestimientos en su interior juegan un papel clave en la protección del casco del molino contra el desgaste y la abrasión, así como también en la eficiencia de la molienda, ya que la geometría de algunos revestimientos como el lifter de la figura N°1, permiten conducir la carga de mineral dentro del molino hacia la descarga del mismo y levantar (alzar) el mineral junto a un porcentaje menor de bolas de acero para producir la molienda del mineral. El diseño apropiado y características del lifter permite aumentos importantes en el movimiento de la carga e incremento de la velocidad de molienda, tal como lo determinó Rajamani [1]. La geometría de los lifter, sus ángulos y el espaciamiento entre los lifter afectan la eficacia del proceso de molienda en el molino SAG, ya que las bolas de molino pueden ver restringida su salida y tomar trayectorias inusuales, no cayendo en la base de la carga del molino, reduciendo la eficacia de la molienda y la capacidad de producción. Además, las trayectorias inusuales de las bolas pueden hacer golpear estas contra las corazas de acero en zonas que no están protegidas por la carga, ver figura 2.1, generando daños en las corazas. Mediante simulaciones, se ha demostrado que el ángulo de la superficie del lifter es la variable

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más relevante para ajustar la trayectoria de la bola [1]. En efecto, el aumento del ángulo de inclinación hace que la bola caiga en la base de la carga en lugar de chocar contra la coraza del molino.

El diseño adecuado de los lifter produce un importante aumento de la capacidad de producción de un molino SAG y la extensión de la vida útil de los lifter, ver tabla 2.1. Por ejemplo, el espacio entre los lifter es clave en la velocidad de molienda, ya que esta se ve maximizada en razones de 4:1 espacio del lifter y radio de altura.

Tabla 2.1: Efecto causado por el cambio de diseño del lifter (configuración del molino) sobre la capacidad de producción en Minera Alumbrera [1] (tdp: toneladas por día)

Figura 2.1: Figura esquemática de la trayectoria de partículas y bolas en un molino SAG [1]

Mes tpd de diseño tpd real Configuración de molino

oct-97 86.283 42.383 SAG 1& 2: 72 filas x coraza bototonov-97 85.478 50.143 SAG 1& 2: según lo anteriordic-97 87.507 54.038 SAG 1& 2: según lo anteriorene-98 84.881 70.805 SAG !:coraza, SAG 2: 48 x 30°feb-98 83.433 66.354 SAG 1& 2: según lo anteriormar-98 87.156 71.049 SAG 1: corazas Hi-lo, SAG 2: 48 x 30° *abr-98 86.694 67.424 SAG 1: 48 X 25°; SAG 2: 48 X 30° **may-98 87.988 85.060 SAG 1& 2: según lo anterior

6

Los lifters de acero fundido son producidos en moldes de arena, ya que por las dimensiones de los primeros, el molde en arena es más económico, pues la arena puede ser recuperada y permite el colapso del molde al producirse la contracción de la pieza fundida al enfriarse, sin dañar o generar grietas en la pieza fundida.

2.3 Proceso de Fundición

Para la fabricación de piezas metálicas existen variados procesos industriales. Entre ellos se encuentra la fundición, donde se funde el metal, se vierte en la cavidad de un molde con la reproducción en negativo de la pieza a fundir, se deja enfriar y solidificar. Los moldes existen en dos tipos: los moldes permanentes y los moldes desechables [3][4]. En la figura 2.2 se presenta un diagrama con los procesos de fundición de metales [3] y se detallan diferentes tipos de moldes permanentes y desechables:

• Los moldes desechables se hacen con materiales que colapsan o se rompen al extraer la pieza fundida, estos materiales como la arena se pueden volver a utilizar. Los moldes desechables son útiles en la fabricación de toda clase de metales y para piezas de cualquier dimensión. [3][4]

• Los moldes permanentes son útiles en la fundición de piezas pequeñas, sencillas y en gran cantidad, y se adaptan bien para metales de bajo temperatura de fusión. (cobre, aluminio, zinc, plomo, etc.). [3][4]

• En el método por crecimiento de monocristales, generalmente para álabes de turbinas, el metal fundido se vacía en un molde cerámico con una base metálica de enfriamiento que permite que los granos puedan crecer en forma de columna unidireccional. [3][4]

Figura 2.2: Diagrama de procesos de fundición de metales [3]

7

De los moldeo desechables, el moldeo en arena es el método más común y antiguo, utilizado en piezas de gran tamaño por su colapsabilidad y menor costo. En la figura 2.3 se presenta un diagrama del proceso típico de fundido con molde desechable en arena:

Figura 2.3: Etapas del proceso de fundición en arena [3]

Algunas características que favorecen el uso de moldes de arena en piezas de mediano o gran tamaño como un lifter son:

• Las paredes del molde son permeables lo que favorecen el escape de gases, vapores y aire.[3][4]

• La colapsabilidad del molde no permanente o desechable facilitan la contracción de la pieza al solidificarse, evitando generar grietas o tensiones superficiales. [3][4]

• La solidificación del metal es más lenta al ser la arena un mal conductor de calor, lo que facilita el llenado del molde con el metal líquido. [3][4]

• Se pueden fabricar piezas de formas muy variadas y complejas. [3][4] • El costo de los moldes no es elevado en comparación con los moldes permanentes. [3][4] • Se pueden incluir en el molde piezas sueltas (almas) que se insertan al molde y permiten

obtener formas huecas en la pieza a fundida. [3][4]

Algunas de las etapas y factores críticos a considerar en el proceso de fundición en arena y el subproceso de colada son:

• Flujo del metal fundido dentro de la cavidad del molde: Corresponde al proceso de vertido del metal fundido líquido dentro de la cavidad del molde, el metal líquido fluye por los canales de alimentación sin turbulencia y llena la cavidad del molde. Algunos

8

factores claves son: no se debe dañar la cavidad del molde, el metal debe estar a la temperatura adecuada para que fluya por toda la cavidad del molde, se debe evitar que el metal líquido solidifique antes de tiempo.[3][4]

• La solidificación y el enfriamiento del metal dentro del molde: Una vez vertido el total del metal dentro de la cavidad del molde este comienza a solidificar, en esta etapa: el diseño del molde, el tiempo de enfriamiento y el sistema de alimentación deben permitir que la contracción del metal al enfriarse no produzca defectos en la pieza, como grietas por cambios bruscos de temperatura o tensiones residuales, cavidades internas (rechupes) o porosidades por diferencias de tiempos de solidificación en distintos sectores del molde. [3][4]

• La influencia del tipo de material en el molde: El tipo de material (metal), entrega la información básica sobre el comportamiento en el flujo al verter dentro de la cavidad del molde al solidificar. [3][4]

Por lo anterior, la definición y cálculo del sistema de alimentación influye de manera directa sobre los factores críticos mencionados en el párrafo anterior, al determinar cómo finalmente el flujo del metal llenará la cavidad del molde y como el metal solidificará.

2.4 Proceso de fabricación para piezas metálicas fundidas en molde de arena.

Una vez definida o seleccionada la pieza metálica a fundir, cuyas propiedades mecánicas, características físicas y geométricas están establecidas en su especificación técnica y en el plano de fabricación, se realizan las siguientes etapas para su fabricación:

a) Fabricación del modelo b) Definición y Cálculo de sistema de alimentación c) Elaboración del molde en arena d) Colada: Vertido del metal fundido en el molde e) Enfriamiento y desmolde f) Limpieza g) Controles y ensayos no destructivos

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2.4.1 Fabricación del Modelo

La fabricación del modelo se realiza en madera por medios artesanales, en la figura 2.4 se aprecia un esquema de como un modelo se utiliza en un molde de arena de doble caja para generar la cavidad en el molde donde se vaciará el metal líquido.

En la figura 2.5 se aprecian algunos tipos de modelos que se emplean en fundiciones de arena.

Las consideraciones que se deben tomar en cuenta al momento de fabricar un modelo entre otras son: la contracción del metal al enfriarse, los ángulos de salida pieza para el desmolde y tipo de modelo a utilizar de acuerdo a las cajas disponibles donde se fabricará el moldeo, algunas de estas características se aprecian en la figura 2.6. [4][8]

Figura 2.4: Esquema de modelo en molde de arena con doble caja [8]

Figura 2.5: Tipos de modelos que se emplean en la fundición de moldes con arena [4]:

a) sólido, b) de deslizamiento, c) de placas ajustadas y d) de placas superior e inferior (base)

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Figura 2.6: Ejemplo de modelo en placa (B) y su uso en un molde de doble caja (A) [10]

En la figura 2.7 se pueden apreciar 2 ejemplos de modelos confeccionado en madera para la fabricación de un Spider Cup y un lifter.

Figura 2.7: Ejemplo de modelos en madera fabricados A: Spider Cup y B: Lifter (fuente División Talleres Codelco Chile 2004)

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2.4.2 Fabricación de molde en arena

El molde en arena se fabrica con mezcla de arena auto fragante (resina y catalizador) cubriendo totalmente la placa modelo de la pieza a fundir, dentro de una caja metálica,

Las arenas utilizadas para la fabricación del molde son de Sílice (sobre 96% de SiO2), por ser más económicas que otras y 90% recuperables por medios mecánicos y térmicos. Además, esta arena posee una alta refractabilidad (resistencia a la temperatura), mayor índice de sinterización (temperatura de fusión de los cristales de arena), lo que evita que la arena se sinterice (queme), produzca gases, deformaciones del molde y defectos superficiales en la pieza fundida.[5]

En la tabla 2,2 se presentan diferentes tipos de arenas para fundición y sus características.

Finalmente, con el fin de mejorar la refractabilidad del molde, se aplican pinturas refractarias (en base de Zirconio) en su superficie interior y en particular de la zona de contacto del molde con el metal líquido.

Es recomendable que la arena sea de buena calidad, es decir: con bajo porcentaje de finos, granos de arena redondeados y porcentaje de Sílice (SiO2) sobre 96%, ya que esto permite asegurar la compactación de la mezcla de arena y aglomerante, evitando deformaciones, disminuyendo la contracción del molde y evita la aparición de gases en el metal.[4][5]

Tabla 2.2: Arenas de fundición y sus características [5]

2.4.2.1 Componentes de un molde

Basado en el sistema típico de alimentación para fundir una pieza en un molde de arena, se identifican las siguientes partes de un molde, las mismas que se aprecian en la figura 2.8:[4][8]

• Embudo de vertido o vaso: es donde se vierte el metal líquido

ZIRCONITA CROMITA OLIVINA SILICE BRASIL

ORIGEN U.S.AAustralia

República de Sud AfricaAustralia

NoruegaU.S.A. Brasil

COLOR Crema blanco Negro Verde plomizo Crema/café claro

DENSIDAD A GRANELY SECA (libra/pie cúbico) 160-185 155-165 100-125 85-100

FORMA GRANO Redonda/Angular Angular Angular Redonda/Angular

DlLATACION TERMICA 0,003 0,005 0,0083 0,02

PUNTO FUSION (slnter) 3700 - 4000° F2037-2204° C

3200 - 3600° F1760-1982° C

2800 - 3200° F1537 - 1760°C

2600 - 3200° F1426 - 1760° C

TENDENCIA P.H. Acida / Neutra Neutra básica Básica Acida / Neutra

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• Bebedero o jitio: es donde fluye el metal líquido hacia el molde. • Caja de moldeo: Caja metálica que contiene el molde en arena, generalmente en dos partes,

molde tapa y fondo (superior e inferior). • Molde: Arena endurecida con resinas que contiene la cavidad interior con el negativo de la

pieza a fundir. • Vaciadero o canal de alimentación: Regula el flujo del metal líquido hacia la cavidad,

también se denomina ataque. • Mazarota o Montante: Volumen de metal adicional que por gravedad permite llenar los

espacios generados por la contracción del metal al solidificarse, evitando cavidades interiores.

Figura 2.8: Diseño típico de molde en arena y sistema de alimentación. [4]

2.4.2.2 Teoría asociada al flujo de metal en el molde

El diseño del sistema de alimentación de la pieza fundida debe tener en consideración que el flujo del metal líquido dentro de la cavidad del molde está regulado por los siguientes principios:

Teorema de Bernoulli: Gobierna el flujo de un fluido (metal líquido) dentro de la canal de alimentación y cavidad dentro del molde y establece que la energía de un fluido en movimiento, en un régimen de circulación cerrado, permanece constante a los largo de su recorrido y consta de tres componentes:[3][4]

• Energía cinética: energía debida a la velocidad del fluido. • Energía potencial gravitacional: energía debida a la altitud de la columna del fluido. • Energía de flujo: energía que un fluido contiene debido a su presión.

𝑣𝑣2

2𝑔𝑔+ 𝑃𝑃

𝜌𝜌𝑔𝑔+ ℎ + 𝐹𝐹 = 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 (1)

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donde 𝑣𝑣=velocidad del fluido, cm/s; 𝑔𝑔 =aceleración de gravedad, 981cm/s2; 𝑃𝑃=presión del líquido, N/cm2; 𝜌𝜌=densidad, g/cm3; ℎ=altura piezométrica, cm; 𝐹𝐹=pérdidas por fricción, cm.

Esta ecuación se puede simplificar considerando que la presión es constante, la velocidad inicial es cero y la altura base es cero, quedando:

𝑣𝑣 = �2 ∗ 𝑔𝑔 ∗ ℎ (2)

Que permite calcular la velocidad de entrada al molde.

Ley de Continuidad: Establece que el caudal permanece constante a los largo del flujo del fluido, en las diferentes secciones, es decir:[3][4]

𝑄𝑄 = 𝑣𝑣1𝐴𝐴1 = 𝑣𝑣2𝐴𝐴2 (3)

donde 𝑄𝑄=Caudal, cm3/s; 𝑣𝑣=velocidad, cm/s; 𝐴𝐴=área de la sección, cm2.

Principio de Pascal: La presión ejercida en el interior del molde es igual en todas sus direcciones y es equivalente a la presión que ejerce la masa de metal desde la altura máxima de alimentación, se debe asegurar que la presión metalostática total ejercida en el molde no sea mayor que el peso de la caja y la levante, o sea mayor que la resistencia de las paredes del molde y dañe el interior de este al ser vertido el metal.

2.4.3 Colada

El metal se funde en hornos para preparar la aleación que corresponde, hasta alcanzar la temperatura de vaciado del metal en el molde, la fluidez del acero es de vital importancia para asegurar el llenado completo de las cavidades del molde antes que se inicie la solidificación. En el vaciado se deben evitar flujos turbulentos que puedan afectar o dañar el molde, con la consiguiente posibilidad de defectos superficiales, para esto el número de Reynolds, que representa la relación entre las fuerzas de inercia y de viscosidad de un fluido, debe ser menor a 20.000, sobre este valor se consideran flujos turbulentos y sobre 100.000 flujos turbulentos severos, flujos con número de Reynolds entre 2.000 y 20.000 que representan mezclas de flujos laminar y turbulentos, no se consideran dañinos en fundición, este régimen se alcanza disminuyendo la velocidad del metal o la altura de alimentación (Principio de Torricelli) [3][4]. El número de Reynolds está definido por la siguiente ecuación:

𝑅𝑅𝑐𝑐 = 𝜌𝜌∗𝑣𝑣∗𝑑𝑑𝜇𝜇

(4)

donde 𝑅𝑅𝑐𝑐=número de Reynolds; 𝜌𝜌=densidad del fluido; 𝑣𝑣=velocidad del fluido; 𝑑𝑑=diámetro de la sección del canal; 𝜇𝜇=viscosidad dinámica del fluido.

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La fluidez del metal líquido también depende de las características de la aleación y en particular del intervalo de solidificación (fase sólido a liquido), a menor intervalo mayor fluidez y viceversa.

En este caso la pieza a fundir en acero al carbono cromo-molibdeno, a continuación se explican las características de los metales y las fases de las aleaciones Hierro- Carbono.

2.4.3.1 Estructuras cristalinas y sus características

Los materiales cuyos átomos se sitúan en una disposición periódica a lo largo de grandes distancias atómicas se denominan cristalinos, los pequeños grupos de átomos que forman un patrón repetitivo se denominan celdas unitarias. Los metales son materiales cristalinos y estos se clasifican en diferentes sistemas cristalinos dependiendo de la disposición geométrica de los átomos en la celda unitaria, en la figura 2.9 se muestras las diferentes estructuras cristalinas:[7][9]

• CCI: Estructura Cristalina Cúbica Centrada en el Interior • CCC: Estructura Cristalina Cúbica Centrada en las Caras • HC: Estructura Hexagonal Compacta

Figura 2.9: Estructuras Cristalinas a) CCI, b) CCC, c) HC [9]

El conocimiento de la estructura cristalina de un sólido metálico permite calcular su densidad teórica mediante la relación:[7]

𝜌𝜌 = 𝑛𝑛𝑛𝑛𝑉𝑉𝐶𝐶𝑁𝑁𝐴𝐴

(5)

donde 𝜌𝜌= densidad; 𝑐𝑐=número de átomos de cada celda unitaria; 𝐴𝐴=peso atómico; 𝑉𝑉𝐶𝐶=volumen de la celda unitaria;𝑁𝑁𝑛𝑛= número de Avogadro (6,022 x 1023 átomos/mol).

La densidad de un fluido es directamente proporcional a su viscosidad y por ende indirectamente proporcional a su fluidez.[9]

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Soluciones sólidas metálicas

Cuando los metales se combinan, los átomos se pueden agrupar formando distintos compuestos químicos o soluciones sólidas, dependiendo si las proporciones de los elementos son fijas (compuestos) o varían ligeramente de un punto a otro del material (soluciones), toda solución sólida es una aleación.

Una solución sólo se forma cuando los átomos de un elemento (soluto) se dispersan en el interior de la estructura cristalina de otro elemento (disolvente) y original un material de carácter metálico y de composición macroscópica uniforme. El disolvente es el que tiene la mayor proporción e impone su estructura cristalina.[7]

Las soluciones sólidas puedes ser sustitutivas o intersticiales, en las primeras el átomo reemplaza un átomo del disolvente y en la segunda los átomos se introducen en los intersticios (espacios entre átomos) del disolvente.[7]

2.4.3.2 Diagrama de fases

El Diagrama de fases o Diagrama de Equilibrio de una aleación en particular, entrega la mayoría de información sobre el control de la microestructura o estructura de fases de una aleación.

Se define fase como una porción homogénea de un sistema que tiene características físicas y químicas similares, por ejemplo si un metal puede existir en dos o más formas, por ejemplo con estructuras cristalinas CCC y CCI, cada una de estas estructuras es una fase separada por que difiere en sus propiedades físicas.[7]

En el caso del hierro puro posee una estructura cristalina CCI a temperatura ambiente, cambia a CCC a los 912° y vuelve a cambiar a CCI a los 1394°, esta capacidad de cambiar de estructuras se denomina polimorfismo.[9]

Existen tipos comunes de diagramas de fases:

• Diagramas de Fases unitarios de un componente, donde un elemento se grafica en sus fases asociado a dos variables, Presión y Temperatura.

• Diagramas de Fases Binarios (de dos componentes), para aleaciones binarias de 2 componentes, donde una variable es la temperatura y la otra el % de una componente, a presión constante, generalmente 1 atm.

2.4.3.3 Diagrama de fases Eutéctico

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Una forma común de diagrama de fases de aleaciones binarias, es el Diagrama de Fases Eutéctico, en este tipo de diagrama de fases aparecen 3 regiones monofásicas α, β y líquido, en el ejemplo de la figura 2.10, la fase α rica en Cu con la plata como soluto, la fase β rica en plata donde el cobre es el soluto. Dos regiones solido-líquido (α+L y β+L) y una de solución sólida α+β.

La isoterma a 779° a una concentración de Ag a 71,9% define lo que se llama punto Eutéctico, donde la fase líquida bajo los 779° se transforma 100% en fase sólida α+β, lo que se denomina reacción eutéctica (fácil de fundir). La reacción eutéctica en el enfriamiento es similar a la solidificación de un componente puro y la solidificación de un eutéctico resulta siempre en un producto bífásico.

Figura 2.10 Diagrama de fase Eutéctico Cu-Ag [7]

2.4.3.4 Diagrama de Fase Hierro-Carbono

En el diagrama hierro-carbono de la figura 2.11, el hierro puro al calentarse, experimenta dos cambios de estructura cristalina antes de fundir, a temperatura ambiente la fase estable se llama ferrita o hierro α con estructura CCI, a 912°C la ferrita se transforma en austenita de estructura CCC o hierro γ , hasta los 1394°C donde nuevamente se transforma para fundir finalmente a los538°C.

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Figura 2.11: Diagrama Hierro- Carbono [7]

La aleación Hierro-Carbono, en concentraciones de 0,76% de Carbono presenta un punto eutéctico a 727°C, donde la ferrita limita una solución sólida denominada perlita, compuesta por ferrita o hierro α y cementita F3C, que presenta un crecimiento en capas o laminas alternas de la dos fases α y F3C.

En la figura 2.12 está la representación esquemática de la formación de perlita a partir de la austenita. Las direcciones de difusión de los átomos se indican mediante flechas.

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Figura 2.12 Representación esquemática de la formación de perlita a partir de la austenita [7]

Las aleaciones por debajo de los 0,76% de carbono se denominan aleaciones de acero hipoeutectoides.[7]

En la figura 2.13 se muestra una representación esquemática de las microestructuras de un acero hipoeutectoide de composición C0 (por debajo de 0,76% de C en peso), cuando se enfría desde la fase austenítica hasta por debajo de la temperatura eutectoide.

Figura 2.13: Estructuras de aceros hipoeutectoides.[7]

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2.4.4 Solidificación de aceros

Los aceros inician su solidificación de acuerdo al cambio total de energía: [8]

∆𝐺𝐺 = 43𝜋𝜋𝑟𝑟3∆𝐺𝐺𝑣𝑣 + 4𝜋𝜋𝑟𝑟2𝜎𝜎𝑠𝑠𝑠𝑠 (6)

dónde ∆𝐺𝐺=cambio total de energía; ∆𝐺𝐺𝑣𝑣=energía libre por unidad de volumen; 𝜎𝜎𝑠𝑠𝑠𝑠=energía de superficie libre.

Cuando el líquido se enfría justo por debajo del punto de fusión, la energía asociada a la estructura cristalina del sólido es menor que la energía del líquido, esta diferencia se denomina energía libre por unidad de volumen ∆𝐺𝐺𝑣𝑣, que es la energía que impulsa la solidificación. Por otra parte, cuando se crea el sólido se forma una interfase sólido-liquido (figura 2.14), con una energía asociada denominada energía de superficie libre 𝜎𝜎𝑠𝑠𝑠𝑠, por lo que el cambio total de energía es la suma de ambas que está representado en la figura 2.15.

Figura 2.14 Se crea una interfase cuando se forma un sólido a partir de un líquido. [8]

20

Figura 2.15: La energía libre del sistema sólido-líquido, cambia según el tamaño del sólido, es un embrión si su tamaño es inferior al

radio crítico (r*) y es un núcleo si es mayor. [8]

Nucleación Homogénea: Cuando la temperatura real del líquido está por debajo de la temperatura de solidificación (subenfriamiento) se inicia la formación de la fase sólida, cuando esta supera el radio crítico forma una partícula llamada núcleo, cuando el radio es menor se denomina embrión que es inestable. El radio crítico se determina por la siguiente ecuación:

𝑟𝑟∗ = 2𝜎𝜎𝑠𝑠𝑠𝑠𝑇𝑇𝑓𝑓∆𝐻𝐻𝑓𝑓∆𝑇𝑇

(7)

donde 𝑟𝑟∗=radio crítico; 𝑇𝑇𝑓𝑓=temperatura de solidificación; 𝜎𝜎𝑠𝑠𝑠𝑠=energía de superficie;∆𝐻𝐻𝑓𝑓=calor latente de fusión por unidad de volumen; ∆𝑇𝑇=subenfriamiento.

Algunas definiciones importantes son:

• Temperatura de solidificación 𝑇𝑇𝑓𝑓, corresponde a la temperatura de fusión de metal • Calor latente de fusión ∆𝐻𝐻𝑓𝑓, corresponde al calor que se genera al formarse cristales

sólidos a partir de un líquido. • Subenfriamiento ∆𝑇𝑇, corresponde a la diferencia de temperatura de solidificación (fusión)

de equilibrio y la temperatura real de metal líquido

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En la tabla 2.3 se presentan valores de referencia para algunos materiales de: temperatura de solidificación, calor latente de fusión, energía de superficie y temperatura de subenfriamiento máximo.[8]

Tabla 2.3: Valores referenciales de algunos materiales

Nucleación heterogénea: En general los líquidos no solidifican por nucleación homogénea, son las impurezas las que proporcionan una superficie de contacto para la generación del sólido, donde se asume un radio crítico junto a la impureza. Con esto se requiere mucho menos subenfriamiento para la formación del sólido, esto se denomina nucleación heterogénea.

2.4.4.1 Mecanismos de crecimiento

Durante la solidificación y enfriamiento de un de metal fundido vaciado en la cavidad de un molde, se deben eliminar el calor específico y el calor latente de fusión:

• Calor específico: es el calor que se requiere para cambiar la temperatura de una unidad de peso del material en un grado, se elimina por radiación a la atmósfera o por conducción con el molde y permite llegar a la temperatura de solidificación y formar núcleos.

• Calor latente de fusión: es el calor generado por la formación de cristales sólidos a partir de un líquido al enfriarse y debe eliminarse de la fase sólido-liquido antes de completar la solidificación, la forma como se elimina el calor latente determina el crecimiento del material y la estructura final de la pieza colada.

Temperatura de solidificación

(Tf)

Calor de fusión(∆Hf)

Energía interfacial sólido-líquido

(σsl)

Subenfriamiento común de la nucleación homogénea (∆T)

Material (°C) (MJ/m3) (J/m2) (°C)

Ga 30 488 56 x 10-3 76

Bi 271 543 54 x 10-3 90

Pb 327 237 33 x 10-3 80

Ag 962 965 126 x 10-3 250

Cu 1085 1628 177 x 10-3 236

Ni 1453 2756 255 x 10-3 480

Fe 1538 1737 204 x 10-3 420

NaCl 801 169

CsCl 645 152

H2O 0 40

22

2.4.4.2 Crecimiento planar

El crecimiento planar se debe al movimiento de la interface solido-liquido o frente de solidificación liso o plano hacia el líquido, por nucleación heterogénea, donde al no existir subenfriamiento la temperatura del líquido más allá del frente de solidificación es mayor que la temperatura de solidificación. El calor latente ∆𝐻𝐻𝑓𝑓 se elimina por conducción de la interfase sólido-líquido a través del sólido, un esquema de esto se puede ver en la figura 2.16.

Figura 2.16: Temperatura y distancia de la interfase sólido-líquido en el crecimiento planar.[8]

2.4.4.3 Crecimiento dendrítico

Cuando la nucleación es homogénea el líquido debe subenfriarse antes que se forme el sólido, en estas condiciones crece una protuberancia sólida llamada dendrita (figura 2.17) que se forma en la interface, dado que el líquido en frente de esta esta subenfriado. El crecimiento dendrítico sucede hasta que se calienta el líquido subenfriado a la temperatura de solidificación, el resto del líquido se solidifica por crecimiento planar.

El la figura 2.18 se presenta la micrografía electrónica de barrido de las dendritas en acero

23

Figura 2.17: Crecimiento de dendrita y relación distancia interfase sólido-líquido y temperatura.[8]

Figura 2.18: Micrografía de dendritas en acero. [8] 24

2.4.4.4 Curva de enfriamiento

En la figura 2.19 se muestra la evolución de la temperatura (curva de enfriamiento) de un metal puro fundido al enfriarse. El proceso de solidificación de un metal puro es un proceso isotermo, es decir que mantiene la temperatura, esto se explica porque el calor latente liberado durante la solidificación compensa exactamente la extracción de calor desde el exterior.

Figura 2.19: Variación de temperatura frente al tiempo de una metal, inicialmente fundido que está siendo enfriado.[4]

En el caso de las aleaciones, estas solidifican en un intervalo de temperatura más que a una temperatura única.

En la figura 2.20 podemos ver la solidificación de una aleación, que muestra el diagrama de fase y la curva de enfriamiento de la aleación. En la medida que desciende la temperatura comienza la solidificación en la temperatura que indica la línea liquidus y se completa cuando se alcanza la línea solidus.

En la solidificación se forma una delgada película en la pared del molde debido a un alto gradiente de temperatura en esta superficie. La solidificación continúa mediante la formación de dendritas alejadas de las paredes, con un el crecimiento tal que se forma una zona avanzada

25

donde el metal sólido y el líquido coexisten, debido a la propagación de la temperatura entre liquidus y solidus,

La región sólido-líquido tiene una consistencia suave que da lugar a su nombre de zona blanda, esta zona puede ser relativamente angosta o puede ocupar la mayor parte de la fundición en el caso que transferencia de calor fuera del metal caliente sea lenta y exista una amplia diferencia entre liquidus y solidus.

Figura 2.20: Esquema de solidificación de una aleación.[3]

La solidificación se inicia a la temperatura de solidificación, mientras el calor latente mantiene al metal líquido restante a la temperatura de solidificación hasta que todo el líquido se haya solidificado y no pueda generar más calor, así el crecimiento es plano. El tiempo de solidificación total de la pieza fundida es el tiempo que necesita para que se elimine todo el calor latente del líquido y el calor latente de fusión, este tiempo está dado por la Regla de Chvorinov.

26

2.4.4.5 Tiempo de solidificación de metales en fundición

En la solidificación la distribución típica de temperatura en el sistema liquido-metal-moldeo es como la que se muestra en el esquema de la figura 2.21, donde el calor del metal líquido se libera a través de las paredes del molde y desde ahí hacia el aire exterior, la forma de la curva depende de las propiedades del metal y del molde.

Figura 2.21: Distribución de la temperatura en la interfaz pared molde y metal líquido durante la solidificación de los metales en

fundición.

El tiempo que se requiere para que una pieza colada solidifique por completo es función de volumen y área superficial, que se rige por la Regla de Chvorinov:[3][8]

𝑐𝑐𝑠𝑠 = 𝐵𝐵 �𝑉𝑉𝑛𝑛�𝑛𝑛

(8)

dónde 𝑐𝑐𝑠𝑠=tiempo de solidificación; 𝐵𝐵=constante del molde; 𝑉𝑉=volumen de la pieza; 𝐴𝐴=superficie de la pieza colada en contacto con el molde; 𝑐𝑐=constante igual a 2. V/A se conoce como módulo.

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La constante B es la constante del molde que depende de las propiedades del molde, tales como: densidad, capacidad calorífica, calor de fusión del molde, temperatura inicial, densidad, conductividad térmica, grosor de pared y cuyas unidades de medida son min/cm2

B puede ser calculada según la siguiente relación:

𝐵𝐵 = � 𝜌𝜌𝑚𝑚𝐿𝐿(𝑇𝑇𝑚𝑚−𝑇𝑇0)�

2� 𝜋𝜋4𝑘𝑘𝜌𝜌𝑘𝑘

� �1 + �𝑘𝑘𝑚𝑚∆𝑇𝑇𝑠𝑠𝐿𝐿

2�� (9)

Donde 𝑇𝑇𝑚𝑚=temperatura de fusión o solidificación del líquido en Kelvin; 𝑇𝑇0=temperatura inicial del molde en Kelvin; ∆𝑇𝑇𝑠𝑠 = 𝑇𝑇𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑑𝑑𝑣𝑣 − 𝑇𝑇𝑚𝑚=sobrecalentamiento en Kelvin; 𝐿𝐿=calor latente de fusión (en J/kg); 𝜌𝜌=densidad del molde (en kg/m3); 𝑐𝑐=calor especifico del molde (en J/kgK)

2.4.5 Estructuras y defectos de solidificación

2.4.5.1 Estructuras de solidificación

En la fabricación de piezas o componentes fundidos (colados) luego de vaciar el metal líquido en el molde este se solidifica, durante el enfriamiento dentro de la cavidad del molde se forman diferentes zonas y estructuras:

• Zona de enfriamiento: Banda de granos en la superficie de la pieza colada, el metal ubicado en la pared del molde es el primero en enfriarse. En la en la figura 2.22 se puede ver en a) inicia formación de los núcleos y en b) se forma la zona e enfriamiento.

• Zona columnar: Granos alargados orientados en una dirección, crecen en dirección opuesta al flujo de calor, es decir del área más fría a la más caliente. En la en la figura 2.22 se puede ver en c) el crecimiento preferido produce una zona columnar.

• Zona equiaxial: Se forma en el centro de metal aun líquido y contiene nuevos granos orientados de manera aleatoria. En la en la figura 2.22 se puede ver en d) la nucleación adicional crea la zona equiaxial.

28

Figura 2.22: Desarrollo de estructura en una pieza colada [8]

En la pared del molde, en el caso de los metales con estructura cristalina cúbica, los granos de la zona de enfriamiento tienen una dirección preferida de crecimiento, que es perpendicular a la pared del molde. En la figura 2.23 se puede ver esta zona de crecimiento dendrítico que está influida por el fenómeno de crecimiento en vez de formación de núcleos y se aprecia la segregación de componentes en el centro del fundido. [4][8]

Figura 2.23: Estructura de grano característica de un fundido de aleación [4]

29

En el caso de fundición en moldes la estructura preferida en una pared fría como el molde genera zonas de enfriamiento rápido con granos enfriados mal orientados y granos orientados en forma favorable hacia la zona líquida de mayor temperatura que pueden incluir dendritas, esto se puede aprecia en la figura 2.24.

Figura 2.24 Desarrollo de estructura preferida en un moldeo [3]

2.4.5.2 Defectos de solidificación

Contracción: Los materiales son más densos en estado sólido que líquido, por lo que durante la solidificación el material se contrae (comprime) al enfriarse, lo que provoca cambios dimensionales y algunas veces agrietamiento. La contracción ocurre en 3 etapas:[3][4][8]

Etapas de la contracción:

• Contracción líquida: Contracción del metal líquido al enfriarse antes de solidificar.

• Contracción por solidificación. Contracción del metal durante el cambio de fase de líquido a sólido (calor latente de fusión)

• Contracción térmica del metal solidificado: Contracción del metal sólido conforme su

temperatura disminuye a la temperatura ambiente.

En la figura 2.25 se ilustran las 3 etapas de la contracción de metales fundidos

30

Figura 2.25: Contracción de un fundido cilíndrico durante la solidificación y enfriamiento.[4]

En la tabla 2.4 se muestran los porcentajes de contracción de distintos metales de fundición, debido a contracción por solidificación y térmica. [4]

Tabla 2.4 Contracción de distintos metales materiales [4]

31

Si durante la solidificación del metal líquido dentro de la cavidad del molde una zona se enfría más lentamente que el resto, al solidificarse puede producir una cavidad o rechupe

Una forma de evitar este defecto en piezas fundidas, es colocar un montante (metal adicional) que enfrié más lento que las otras partes del molde, con tal que asegure un flujo de metal líquido a las cavidades en las zonas de enfriamiento que se contraen. En la figura 2.26 se pueden apreciar tipos de contracción y el uso de montantes para compensarlas.[8]

Figura 2.26: Tipos de macrocontración, a) cavidades, b) rechupes, c) montante para compensar contracción.[8]

2.4.6 Otros defectos en fundición de metales

Existen una gran variedad de defectos asociados al proceso de fundición y durante el tiempo se le han dado diversos nombres para identificarlos, hoy se ha estandarizado su nomenclatura por la International Commitee of Foundry Technical Association que ha definido siete categorías básicas:[3]

A. Proyecciones metálicas: Aletas, rebabas o proyecciones como ampollas y superficies rugosas.

B. Cavidades: Consisten en cavidades redondeadas o rugosas, internas o expuestas, incluyendo sopladuras, puntas de alfiler y cavidades por contracción. Presentado en la sección 2.4.5.2

C. Discontinuidades: Grietas, desgarramientos en frío o en caliente. D. Superficie defectuosa: Pliegues, traslapes y cicatrices superficiales, capas de arena

adherida y escamas de óxido.

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E. Fundición incompleta: Fallas debidas a solidificación prematura, volumen insuficiente del metal vaciado y fugas por la pérdida de metal del molde.

F. Dimensiones o formas incorrectas: Por tolerancia erradas para la contracción, error de montaje del modelo, contracción irregular, modelo deformado, etc.

G. Inclusiones: Partículas que se forman durante la fusión, solidificación y moldeo; en general son no metálicas.

En la figura 2.27 se presentan defectos reales detectados en pieza fundidas:

Figura 2.27: Defectos reales detectados en piezas fundidas

(Fuente foto División Talleres de Codelco Chile 2002-2004)

33

2.4.7 Diseño y definición de sistema de alimentación

Para definir el sistema de alimentación para una pieza fundida en moldeo de arena, se debe considerar lo siguiente::

Especificaciones:

• Dimensiones de la pieza a fundir • Peso de la pieza a fundir • Contracción de la aleación (%)

Cálculos:

• Módulos de la pieza y sus secciones (Volumen/Área) • Tamaño y ubicación de los montantes • Canales de alimentación que permitan el ingreso del metal a la cavidad del molde a

velocidad y presión adecuadas que no dañen el molde. • Cantidad total de metal requerido incluyendo el porcentaje de contracción, montantes y

canales de alimentación

Diseño:

• Determinación de embudo, jitios y canales • Análisis de diseño y ubicación de montantes • Selección de Mangas exotérmicas para los montantes • Alimentación final con canales de alimentación y tamaño y ubicación de montantes

Para disminuir los efectos de la contracción se recomienda que las secciones de la pieza fundida más distantes de la fuente de metal líquido se solidifiquen primero y que la solidificación progrese de estas secciones hacia el montante. En esta forma, el metal fundido continuará disponible en los montantes para alimentar las zonas afectadas por la contracción durante la solidificación. Esto se conoce como solidificación direccional. La solidificación direccional deseada se logra aplicando la regla de Chvorinov al diseño de la fundición, a su orientación dentro del molde y al diseño del sistema de montantes. Se deben localizar las secciones de la fundición con menor relación Volumen/Área (módulo) lejos de los montantes, así la solidificación aparecerá primero en estas secciones y el suministro de metal líquido para el resto de la pieza fundida permanecerá disponible hasta que solidifiquen las secciones con mayor volumen.

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2.4.8 Enfriamiento y desmolde de la pieza fundida

El molde se enfría a temperatura ambiente, permitiendo que enfríe lentamente y no esté sometido a cambios bruscos de temperatura, asegurando una estructura interna del metal ya solidificado estable, ya que extraer la pieza del molde en forma prematura puede ser fuente de tensiones residuales y agrietamientos. Las piezas gruesas se deben enfriar lentamente en el molde después de la colada para evitar la transformación de austenita en martensita, si la pieza se enfría por debajo de la temperatura del solidus y si las piezas se retiran del molde demasiado pronto, pueden desarrollar tensiones por la transformación, además de las tensiones resultantes de la diferencia de temperatura entre el centro y el exterior de la pieza.[6]

2.4.9 Limpieza de la pieza fundida

Con la pieza fría, se procede al corte de montantes (quiebre por cizalle) y limpieza superficial. En esta etapa se debe asegurar que el golpe en el montante sea con martillo pendular para asegurar el mayor esfuerzo en el cuello del montante y este se quiebre sin desprendimiento de material de la pieza.

2.4.10 Controles

Los controles típicos para asegurar la calidad de piezas fundidas son:

• Control Dimensional: Verificación de las dimensiones del modelo o pieza a fundir de acuerdo plano y sus tolerancias

• Control de calidad superficial: Verificación que la pieza fundida esté libre de grietas y defectos superficiales como cavidades o escoria

• Control calidad interna: Verificación que la pieza no presente defectos internos. • Control dureza superficial: Verificación de las propiedades mecánicas de la pieza fundida

en base a dureza especificada.

En general los criterios de aceptación y metodologías de control están establecido por norma, a continuación se detallan algunas normas utilizadas habitualmente para el control de piezas fundidas, si uso depende de lo establecido en la especificación de cada pieza a fundir.

• ASTM A 802 M Procedimiento para inspección visual superficial • ASTM E 709 Procedimiento de detección de defectos superficiales por partículas

magnéticas • ASTM E 125 Clasificación de discontinuidades con referencias fotográficas • ASTM E 165 Método para líquidos penetrantes

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• ASTM A 609 Procedimiento inspección ultrasónico y niveles de defectos

2.4.10.1 Ensayos no destructivos

Los ensayos no destructivos (END) se realizan con el fin de verificar la calidad de la pieza sin afectar su integridad ni su textura superficial, algunas técnicas de END son:

• Tintes penetrantes: Se aplican tintes líquidos a la superficie de la pieza a revisar, estas

penetran en grietas, costuras y poros. Los tintes utilizados pueden ser fluorescentes, con fluorescencia bajo luz ultravioleta, y tintes visibles que utilizan tinturas de color rojo, que aparecen como líneas brillantes en la superficie de trabajo. Este ensayo permite hacer visible el defecto a simple vista.[3]

• Partículas magnéticas: Se colocan partículas ferromagnéticas finas en la superficie de la pieza a revisar y se magnetiza con un campo magnético, el defecto sobre la superficie hace que las partículas se reúnan visiblemente alrededor del defecto.[3]

• Ultrasonido: Una onda ultrasónica viaja a través de la pieza. Los defectos internos (como rechupes o grietas) interrumpen la onda y reflejan parte de la energía ultrasónica. La amplitud de la energía reflejada y el tiempo requerido para su retorno indican la presencia y ubicación de cualquier defecto en la pieza.

2.5 Nuevas tecnologías

Hoy existen nuevas tecnologías para la fabricación de piezas a través de la impresión 3D, prototipos, modelos, piezas simples o complejas, ya sea en plástico, arena o metal, hoy es posible fabricarlos por medio de una impresora 3D.

En 1976 se inventó la impresora de inyección de tinta y en 1984 sobre este concepto se transformó desde la inyección de tinta a inyección con materiales por capas.

El concepto básico de la impresión 3D está basado en la estereolitografía (SLA) de 1986, que consiste en que un láser UV va solidificando un fotopolímero selectivamente, el cual va imprimiendo (fabricando) partes tridimensionales capa por capa.

Hoy es posible imprimir en plásticos, arena, metales, etc., donde se utilizan las siguientes tecnologías: [12][13][14][15]

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2.5.1 Impresión en plástico:

Impresión donde una fibra de polímero es depositada capa por capa

2.5.2 Impresión en arena

Impresión donde se deposita arena con un aglomerante capa por capa, es posible imprimir geometrías complejas, que son difíciles de fabricar por moldeo tradicional. En general los tamaños máximos a fabricar son de 1800 x 1000 x 700 mm.

2.5.3 Impresión en metal

Inyección con aglutinante de metal

La inyección con aglutinante de metal para impresión 3D comienza como cualquier otro proceso de impresión, con un diseño 3D que le indica a la impresora donde debe depositar el material el cabezal de impresión. En lugar de plástico extruido, un polvo de metal se deposita en delgadas capas y una sustancia de unión similar al pegamento es expulsada de la cabeza de impresión en la parte superior de cada capa. La alternancia de capas de polvo y el aglutinante se fusionan y comienzan a construir de abajo a arriba para crear el objeto.

El polvo que queda alrededor de tu diseño no se funde, actúa como soporte y se retira del modelo una vez que está completo. A continuación, se puede colocar el modelo terminado en un horno de curado donde se mantiene a 350º Fahrenheit / 177º Celsius, durante veinticuatro horas. Este calor evapora la humedad y endurece la unión de las capas de polvo metálico con el aglutinante. Cuando está completamente endurecido y se ha enfriado, se puede llenar con material de relleno como el bronce que da la fuerza del modelo. Si no se rellena el interior con otro material metálico, el modelo queda bastante débil y no se recomienda para la creación de piezas funcionales. La inyección de aglutinante permite la impresión en color y también funciona con polímeros y materiales cerámicos. El proceso es bastante rápido en comparación con otros métodos de fabricación aditiva, pero el procesamiento posterior puede llevar mucho más tiempo

Sinterización: Sinterizado láser usando metal en polvo, donde se utiliza una fuente de energía de sinterización o fusión de un polvo de metal para crear la pieza final capa por capa. La tecnología más conocida basada en este principio es, sin duda, el Direct Metal Laser Sintering (DMLS) patentado en la década de 1990 por ERD y EOS.

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Construcción directa de láser aditivo (CLAD): El polvo es proyectado por la boquilla y se fusiona en su salida a través de un rayo láser para formar una especie de cordón de soldadura. Este método permite imprimir directamente sobre una pieza en contraste con la fusión de la capa de polvo.

Cold Spray: Pulverización en frío conocido como Cold Spray cuyo objetivo es unir los polvos metálicos al proyectarlos fríos sobre un soporte. La proyección está asegurada con helio. Es un método de impresión 3D de metal que todavía se usa poco en comparación con otros porque el gas en cuestión es relativamente caro.

Fusión en cama de polvo: El proceso de fusión en lecho de polvo es muy similar a la inyección de aglutinante de metal, excepto que en lugar de depositar un aglutinante para fundir las capas de polvo metálico, se utiliza un láser de alta temperatura o un haz de electrones. El láser aumenta la temperatura del polvo en las áreas donde se está construyendo el diseño, fundiendo el polvo metálico y creando una capa sólida. Este proceso continúa hasta que todo el modelo está completo. La fusión en cama de polvo puede llevarse a cabo utilizando alguna de las técnicas posibles, que son:

Sinterización Selectiva por láser (SLS): Utiliza un láser para fundir las capas de polvo metálico.

Fundido Selectivo por Láser (SLM) : Va un paso más allá de la fusión del polvo y realmente derrite el polvo. Esto funciona bien con materiales puros como el titanio o el acero, al contrario que con compuestos mezclados entre sí, como la mayoría de los plásticos.

Sinterizado Directo de Metal por Láser (DMLS) : Se utiliza el mismo proceso que en SLS pero se usa este término cuando se hace referencia al proceso de sinterización de aleaciones metálicas, frente al SLS de plástico, vidrio y cerámica. Si desea saber más acerca del DMLS, Spencer Wright, un gurú de la fabricación documentó sus experiencias con piezas impresas en titanio en detalle.

Fundido por Haz de electrones (EBM) : Las capas de polvo se funden entre sí mediante un haz de electrones para fundir metal en polvo. Las estructuras de soporte son necesarias en este método. Este sistema proporciona mucha fuerza en el modelo debido a la estable temperatura alcanzada en las capas durante la fusión.

Estas nuevas tecnologías sin duda cambiaran la manufactura del futuro, en particular podrían ser una revolución en la fundición de piezas metálicas, ya que permitirán confeccionar moldes en plástico o modelos desechables en minutos, poco tiempo y a un costo menor. Se podrán fabricar piezas de metal de mayor tamaño impresas en plazos menores y con menor contaminación.

La industria y el país en particular que necesita mejoras de productividad y costos, se debe preparar para la revolución tecnológica que se avecina, la denominada Industria 4.0, de fábricas

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inteligentes basadas en tecnológicas como: internet de las cosas, sistemas ciberfísicos, cultura hágalo usted mismo y fábrica 4.0.

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3 Metodología

El proceso de fabricación de piezas fundidas posee varias etapas, el presente trabajo y de acuerdo a los objetivos planteados, se centró en el estudio del sistema de alimentación para un prototipo del revestimiento lifter que permita fundir una pieza prototipo homogénea y libre de defectos. Las etapas consideradas se presentan en la figura 3.1, en recuadros rojos se identifican los controles habituales en prototipos fundidos y en recuadro azules segmentados las etapas consideradas para el presente trabajo.

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Figura 3.1: Proceso de fabricación de prototipo de una pieza fundida

Se realizó un seguimiento de todas las etapas con el fin de ir verificando el avance del prototipo y tener información del proceso.

A continuación se detallan las etapas de la metodología:

• Estudio y análisis de especificaciones • Cálculo y diseño de método de alimentación • Cálculo y diseño de canales de alimentación • Diseño esquema de alimentación • Fabricación de prototipo pieza fundida (trabajo en terreno) • Cálculos de costo • Simulación y optimización

3.1 Estudio y análisis de especificaciones

Lectura y revisión de especificaciones y planos de la pieza fundir, los principales datos que se deben identificar de las especificaciones son:

a) Peso de la pieza (kg) b) Dimensiones y Geometría c) Aleación (Acero alto cromo) y su contracción d) Especificaciones de calidad:

Calidad superficial (visual) Homogeneidad interna Dureza (no incluido en el alcance de este trabajo)

3.2 Cálculo y diseño de método

En base a la geometría del lifter (en adelante pieza) se debe determinar las características geométricas de la pieza con el fin de establecer cómo se comportará el metal líquido en la solidificación, es necesario recordar que se debe favorecer un solidificación direccional, es decir que las secciones de la pieza fundida más distantes de la fuente de metal líquido se solidifiquen primero y que la solidificación progrese de estas secciones hacia el montante.

Para lo anterior se realizan las siguientes actividades:

a) Analizar la geometría con el fin de separarla en secciones considerando cambios que afecten la solidificación.

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b) Calcular los módulos de cada sección (Volumen/Área) c) Localizar las secciones de la pieza con menor Módulo d) Proponer y determinar número y zona de ubicación de los montantes e) Calcular los montantes en base a las mangas exotérmicas disponibles en el mercado,

asegurando que el módulo de cada montante sea mayor que el de las secciones que alimenta.

f) Analizar y determinar la inclusión de enfriadores que permiten dirigir la solidificación de ser necesario.

3.3 Cálculo y diseño de canales de alimentación

Para el cálculo y diseño de los canales de alimentación se deben tener en cuenta algunas restricciones que son propias de cada instalación, tales como:

• Capacidad de metal líquido, dado por el tamaño de los hornos disponibles • Disponibilidad y tamaño de cajas para confección de los moldes

Una vez definido la capacidad de metal y la caja a utilizar se deben realizar las siguientes etapas:

a) Proponer un diseño de canal de alimentación en base a los canales y diámetros disponibles en el mercado. Se debe considerar una reducción de sección de los canales de alimentación con el fin de asegurar igual flujo en cada entrada y vértices redondeados para evitar presiones negativas.

b) Calcular la velocidad de entrada y la presión metalostática ejercida sobre el interior del molde.

c) Verificar que el flujo no sea turbulento y pueda dañar las paredes del molde. d) Calcular el tiempo de llenado e) En base a las características del molde y el acero se estiman los tiempos de vaciado del

metal (colada) y el tiempo de enfriamiento de la pieza fundida.

3.4 Diseño esquema de alimentación

a) En base al esquema preliminar se verifica la sección de canal de bajada (bebedero), las secciones del canal de alimentación y se determina y/o confirma la geometría final de los canales de alimentación.

b) En base al peso de: pieza, montantes y canales de alimentación, se determina el requerimiento total de metal líquido considerando la contracción y se confecciona un esquema final de alimentación.

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3.5 Fabricación prototipo pieza fundida

La fabricación de la pieza prototipo corresponde a actividades en terreno fuera del alcance de este trabajo, pero cuyo seguimiento es importante para el resto de las actividades.

a) Se realiza la colada de la pieza y se espera a que el molde se enfríe naturalmente a temperatura ambiente.

b) Una vez desmoldeada la pieza fundida, se analiza visualmente si posee defectos superficiales y si los montantes trabajaron correctamente.

c) Se quiebran los montantes y se limpia la pieza. d) Se realizan verificaciones y análisis con ensayos no destructivos (END) para determinar

la homogeneidad de la pieza, si posee defectos superficiales o internos de acuerdo a las especificaciones técnicas. Cada pieza posee sus propias especificaciones de calidad.

3.6 Calculo de costos

Se calculan los costos de fabricación de la pieza prototipo, que incluye:

• Costos de mano de obra • Costos de aleación • Costo de materiales • Costos de mantención • Costos de control de calidad • Costos indirectos. • Costos administrativos

En general los costos en fundiciones se calculan por kg de pieza fundida

No se considera el costo del modelo ya que en general se trata como inversión.

3.7 Simulación y optimización

Una vez aprobado el prototipo de la pieza fundida, se utilizará el software de simulación de fundición MAGMA 5, que permite comparar los cálculos y resultados reales con una simulación, para establecer mejoras al sistema de alimentación y optimizar sus costos.

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4 Resultados

4.1 Presentación de resultados

4.1.1 Estudio y análisis de especificaciones

a) Geometría y dimensiones

En la figura 4.1 se detallan las principales dimensiones de la pieza a fabricar y se presentan las vistas isométrica, frontal y lateral.

Figura 4.1: Geometría y principales dimensiones de la pieza a fundir

b) Peso y contracción

El peso y contracción asociados a la pieza son:

• Peso: 508 kg. • Contracción lineal: 2,3% • Contracción volumétrica: 6,7%

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La contracción corresponde a un dato asociado a la aleación de la pieza, su geometría y determinada por la experiencia. La contracción considerada para el lifter a fundir de 6,7 está dentro de los rangos normales de metales fundidos, según lo indicado en tabla 2.4.

c) Aleación

La aleación utilizada corresponde a un acero perlítico cromo-molibdeno hipoeutectoide, en la tabla 4.1 se indica la composición química de la aleación de la pieza a fundir:

Tabla 4.1: Composición química de la aleación del lifter a fundir

d) Especificaciones de calidad

• Dureza: 335 ± 30 BHN • Homogeneidad superficial: Tipo I (Discontinuidades lineales-grietas) - No aceptables,

según Tabla N°1 Norma ATSM E-125-93 • Homogeneidad interna: Nivel máximo admisible será 2 según tabla N°2 de la Norma

ASTM – A609-91M

4.1.2 Cálculo y diseño de método de alimentación

Análisis de la geometría

Analizada la geometría de la pieza a fundir se distinguen 4 secciones o zonas que podrían presentar solidificaciones diferenciadas por las variaciones de volumen y superficie que presentan; la primera es la zona trapezoidal hasta la primera perforación para pernos, la segunda es la zona con 2 perforaciones para pernos una al lado de la otra, la tercera es la zona sólida al centro de la pieza y que se encuentra entre 2 perforaciones y la cuarta es la zona en punta en el extremo de la pieza. En la figura 4.2 se presenta la separación realizada para análisis.

C Si Mn P S Cr Ni ® Mo Cu ®

Máximo 0,75% 0,60% 1,00% 0,030% 0,030% 2,50% 0,20% 0,40% 0,20%

Mínimo 0,65% 0,40% 0,75% -- -- 1,90% -- 0,30% --

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Figura 4.2: Separación de pieza en 4 zonas para análisis (medidas en mm)

En las figuras 4.3, 4.4, 4.5 y 4.6 se presentan las zonas a analizar y la forma de determinar el volumen y área en cada caso para el cálculo del módulo, es importante tener en cuenta que las áreas o superficies consideradas en cada zona son aquellas en contacto con el molde, que es donde se produce el intercambio de calor, las áreas contiguas que corresponden a superficies que están dentro de la pieza no se deben considerar.

En la tabla 4.2 se presentan los módulos calculados para cada zona.

Figura 4.3: Cálculo de volumen y área Zona 1

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Figura 4.4: Cálculo de volumen y área Zona 2

Figura 4.5 Cálculo de volumen y área Zona 3

Figura 4.6: Cálculo de volumen y área Zona 4

Tabla 4.2: Cálculo de módulos por zona

MedidasZona 1

ValorMedidasZona 2

ValorMedidasZona 3

ValorMedidasZona 3

Valor

Trapecio: Trapecio: Trapecio: Trapecio:a [cm]: 12,00 a [cm]: 12,00 a [cm]: 12,00 a [cm]: 12,00 b [cm]: 22,50 b [cm]: 22,50 b [cm]: 22,50 b [cm]: 22,50 h [cm]: 21,50 h [cm]: 21,50 h [cm]: 21,50 h [cm]: 21,50 l [cm] 22,26 l [cm] 22,26 l [cm] 22,26 l [cm] 22,26

Perímetro [cm]: 79,02 Perímetro [cm]: 79,02 Perímetro [cm]: 79,02 Perímetro [cm]: 79,02 Area [cm2]: 370,88 Area [cm2]: 370,88 Area [cm2]: 370,88 Area [cm2]: 370,88

Perforaciones: Perforaciones: Perforaciones: Perforaciones:

Vol. de perfo.: - Vol. de perfo.: 1.616,40 Vol. de perfo.: - Vol. de perfo.: 1.339,96 Área de perfo.: - Área de perfo.: 604,06 Área de perfo.: - Área de perfo.: 487,67

Zona 1: Zona 2: Zona 3: Zona 4:L1 : 31,20 L2 : 46,70 L3 : 59,70 L4 : 39,30

Volumen [cm3]: 11.571,30 Volumen [cm3]: 14.087,07 Volumen [cm3]: 22.141,24 Volumen [cm3]: 10.279,37 Area [cm2]: 2.836,20 Area [cm2]: 4.898,22 Area [cm2]: 4.717,31 Area [cm2]: 3.504,36

Módulo Zona 1 : 4,08 Módulo Zona 2 : 2,88 Módulo Zona 3 : 4,69 Módulo Zona 4 : 2,93 47

El resumen del análisis y cálculo realizados se pueden apreciar en la figura 4.7, donde se indica para cada zona:

• Número de la zona • Largo de cada zona en milímetros • Módulo M (Volumen/Área) para cada zona • Tiempo de solidificación (Ts) en relación a la zona 2 que es la que se enfría más

rápidamente en comparación a las otras.

Para una pieza sólida con perforaciones como en este caso, la zona 4 en la primera zona en enfriarse y es desde donde se iniciará la solidificación hacia el resto de la pieza, esta dirección de solidificación está indica en la figura 4.7 con una fecha de color celeste.

La zona 4 es la zona con menor módulo al poseer mayor superficie expuesta que genera el intercambio de calor con el molde y por consiguiente las primeras capas de crecimiento de la solidificación.

La zona 2 al poseer 2 perforaciones aumenta considerablemente la superficie expuesta por lo que su módulo es mucho menor en comparación a una pieza sólida sin perforaciones, incluso su módulo es menor que la zona 4, por lo que también es una zona de solidificación inicial, ya que la mayor superficie permite mayor intercambio de calor con el molde y creación de las primeras capas sólidas, lo anterior también indicado en la figura 4.7 con una flecha de color celeste.

La zona 3 corresponde a un sólido que posee un mayor módulo, por lo que su intercambio de calor en menor y corresponde a la última zona que se solidificará, ayudando a alimentar con metal líquido al resto de las zonas, esto se indica en la figura 4.7 con una fecha de color rojo.

La zona 1 corresponde a un sólido que posee un mayor módulo, por lo que su intercambio de calor en menor y corresponde también a unas de las últimas zonas que se solidificará.

La pieza naturalmente posee un direccionamiento de solidificación desde la zona 4, por lo que con el fin de aprovechar este direccionamiento la entrada del metal líquido debería ser desde la zona 1, lo que está identificado en la figura 4.7 con un punto rojo, por lo demás la zona 1 es una zona con un módulo mayor, por lo que solidifica posterior a otras zonas y la la entrada de metal líquido desde esta zona ayudará a alimentar el resto de la pieza.

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Figura 4.7: Análisis por zona de lifter

Calculo montantes

Con el fin de asegurar el llenado de la cavidad del molde y en particular las cavidades producto de la contracción al solidificar el metal líquido, se analizan 4 esquemas para determinar la ubicación de los montantes que permita alimentar de forma efectiva la geometría de la pieza, estos esquemas se muestran en la figura 4.8 y están basados en las zonas que se analizaron previamente.

• Esquema 1: 1 zona alimentada por 1 montante • Esquema 2: 2 zonas alimentadas con 2 montantes • Esquema 3: 3 zonas alimentadas con 3 montantes • Esquema 4: 4 zonas alimentadas con 4 montantes

Estos esquemas son sólo referenciales y son útiles para efecto del análisis, la ubicación y disposición final de cada montante también considera otros factores tales como: la geometría de la pieza, facilidad de ubicación en la construcción del molde, facilidad de quiebre de montantes al desmoldear, facilidad de limpieza de la pieza luego del desmolde, entre otras; ya que estas variable podrían significar costos adicionales significativos posteriores en equipos y mano de obra.

Cada esquema indica zonas identificadas con diferentes colores y un número que identifica el tipo de zona, que permitirá la determinación y cálculo del módulo y contracción de cada zona.

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Figura 4.8 Esquemas posibles de alimentación de lifter

En la tabla 4.3 se presenta el análisis y cálculo de módulos de cada esquema y los kg de montantes necesarios calculados para aportar el metal necesario por contracción, de acuerdo a lo siguiente:

• Columna Esq.: Indica el esquema analizado • Columna M1: Corresponde al módulo de la zona 1 en los esquemas 1,2,3 y 4 • Columna M2: Corresponde al módulo de la zona 2 en los esquemas 2, 3 y 4 • Kg contracción: Son los kg asociados a la contracción volumétrica de cada zona, es decir

son los kg de metal que deben ser alimentados por el montante al solidificar la zona. • Kg Montante: Son lo kg estimados para el montante a determinar, se considera que el

33% de montante es aportado para llenar la cavidad generada por la contracción, en general los montantes comerciales aportan un 30% de su peso, por lo que:

𝐾𝐾𝑔𝑔 𝑀𝑀𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 =𝐾𝐾𝑔𝑔 𝐶𝐶𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑟𝑟𝑐𝑐𝑐𝑐𝐶𝐶ó𝑐𝑐

0,33

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Tabla 4.3: Análisis de módulos por esquemas y cálculo de kg montante estimado

A continuación en la tabla 4,4 se analizan y seleccionan las mangas comerciales disponibles según catálogo adjunto en Anexo A, para alimentar cada zona en cada esquema, de acuerdo a los siguientes criterios:

• Seleccionan mangas de comerciales cuyo peso de metal líquido sea mayor al requerido (Kg de montante estimado)

• Con la manga seleccionada, se determina si su capacidad máxima de alimentación según catálogo es mayor que los kg a alimentar en cada zona.

• Se verifica que el módulo de cada montante por catálogo sea mayor que el módulo de la zona a alimentar.

• Se verifica que el diámetro de la manga es adecuada de acuerdo a la geometría de la pieza • Se verifica que la ubicación de los montantes no genere problemas o sobrecostos en base

a la geometría de la pieza.

Esq.M1

[cm]M2

[cm]Kg

contraccion

Kg montanteestimado

1 3,72 --- 35,56 107,76

2 3,23 3,89 16,42 49,77

3 3,42 3,38 11,66 35,33

4 3,99 3,10 9,57 29,00

Zona 2 pernos esquema 4:2,32 7,24 21,95

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Tabla 4.4: Análisis y selección de manga

De la tabla 4.4 se concluye la selección de la manga y montante a utilizar, basado en lo siguiente:

• Manga de 260 en esquema 1 no es viable ya que el diámetro de la base queda muy ajustado a la geometría de la pieza. Por otra parte, sólo un montante para alimentar la pieza completa no asegura que la alimentación llegue a toda su extensión, considerando que existe la zona de 2 de la figura 4.7 que posee un módulo bajo y solidificará antes que el resto de las zonas y podría cortar la alimentación al resto de la pieza.

• Manga de 200 en esquema 2 no es recomendable ya que los kg que es capaz de alimentar el montante de acuerdo a catálogo (263 kg como máximo) es muy ajustado al requerimiento (259 kg) y por la geometría y módulos de las zonas analizadas en la figura 4.7 existe riesgo que la alimentación no llegue a todas las zonas.

• Manga de 180 en esquema 3 posee holgura en los kilos a alimentar, 198 kg como máximo de un requerimiento de 166 kg y la geometría favorece la ubicación de 3 montantes en lugares que pueden alimentar la zona de menor módulo favoreciendo el aporte de metal durante la solidificación.

• Manga de 160 en esquema 4, si bien cumple con los kg a alimentar posee un módulo muy ajustado a una de las zonas (4,2 de montante y 3,99 de zona 1) e implica que uno de los montantea estaría sobre o entre las perforaciones, lo que significa horas hombre adicionales de limpieza y esmerilado.

Esquema 1 2 3 4

Kg montante estimado 107,76 49,77 35,33 29,00

Kg a alimentar 508,00 259,00 166,00 130,00

Módulos zonas [cm] 3,72 3,23 - 3,89 3,42 - 3,38 3,99 - 2,31 - 3,10

Manga Comercial 260N 200N 180N 160N

Kg montante 127,40 54,90 41,30 30,80

Kg max alimentar (*) 609,00 263,00 198,00 148,00

Módulo [cm] 6,7 5,2 4,6 4,2

Diametro base [mm] 178 151 125 112

Selección: No No Si No

Selección:Diámetro base ajustado con

ancho de pieza

Kg a alimentar por montante muy ajustado

Holgura en kg a alimentar y

geometria pieza favorable

Geometria pieza no favorable y

módulo ajustado

(*) Kg máximo alimentar para contracción de 7% según catálogo

52

En base a lo expuesto se selecciona manga de 180 para el esquema 3 que permite ubicar los montantes en zonas planas, fuera de la zona de perforaciones y con una capacidad de alimentar un 19% más que lo que se necesita.

4.1.3 Cálculo y diseño de canales de alimentación

Una restricción importante en la definición del modelo y el método de alimentación son las cajas para los moldes y la capacidad de fusión de metal disponibles.

En este caso, de acuerdo a las dimensiones de la pieza, el modelo fue fabricado en placa modelo con 2 piezas y la caja disponible para este modelo es de 50” x 110” con una altura de 26” (660 mm.)

Los kilos totales estimados de metal para 2 piezas y su alimentación es de 1.400 kg y la capacidad de hornos es de 5.000 kg.

Se calculas algunos parámetros para determinar los canales de alimentación.

Velocidad de entrada

La velocidad de entrada del metal a la cavidad del molde está definida por la ecuación [2]

𝑣𝑣 = �2 ∗ 𝑔𝑔 ∗ ℎ

• ℎ = 536 𝑚𝑚𝑚𝑚 se considera una distancia de 124 mm desde la base de la caja • 𝑔𝑔 = 9,8 𝑚𝑚

𝑠𝑠2

• 𝑣𝑣 = 324 𝑘𝑘𝑚𝑚𝑆𝑆

Considerando que el canal se divide en dos para alimentar ambas piezas, la velocidad de entrada sería, manteniendo el caudal (Ley de continuidad):

• 𝑣𝑣1 = 162 𝑘𝑘𝑚𝑚

𝑆𝑆

El vertido del metal líquido en el molde en terreno no es continuo, por lo que se ha estimado una altura menor de bajada en el canal de entrada (bebedero). Lo anterior corresponde a una restricción de la olla y su mecanismo de vertido, que es manual y no asegura un flujo continuo de alimentación ni llenado del canal de alimentación al máximo al momento de vaciado, por lo que,

53

se ha considerado 50% de llenado del canal de entrada (bebedero), lo que nos da una velocidad estimada de:

• ℎ = 250 𝑚𝑚𝑚𝑚 • 𝑣𝑣2 = 110 𝑘𝑘𝑚𝑚

𝑠𝑠

Tiempo de llenado

Para calcular el tiempo de llenado se debe considerar el volumen total de las piezas en el moldeo, el volumen de los montantes y del canal de alimentación, se ha considerado un canal de 3” obtenido y seleccionado del catálogo de canales cerámicos en el Anexo B:

• Volumen pieza: 59.379 cc ( para una pieza) • Volumen montantes: 21.015 cc • Volumen canal: 6,841 cc • Volumen total a alimentar: 167.648 cc

Tiempo de llenado moldeo 𝑇𝑇𝑀𝑀 es:

𝑇𝑇𝑀𝑀 =𝑉𝑉𝑄𝑄

donde 𝑉𝑉 es el volumen total a alimentar [cc] y 𝑄𝑄 es el caudal [cc/s]

• 𝑉𝑉= 167.648 cc • 𝑄𝑄 = 𝑣𝑣 𝑥𝑥 𝐴𝐴

Donde 𝑣𝑣 es la velocidad de entrada calculada y 𝐴𝐴 es el área del canal

• 𝑣𝑣= 110 𝑘𝑘𝑚𝑚𝑠𝑠

• 𝐴𝐴 = 45,6 𝑐𝑐𝑚𝑚2 • 𝑇𝑇𝑀𝑀 = 33 𝑐𝑐

Se estima el tiempo de llenado del moldeo en 33 segundos.

Número de Reynolds

Con la velocidad de entrada obtenida y considerando el canal de entrada 3” seleccionado, se obtiene un número de Reynolds siguiente de acuerdo a la ecuación [4]:

𝑅𝑅𝑐𝑐 =𝜌𝜌 ∗ 𝑣𝑣 ∗ 𝑑𝑑

𝜇𝜇

54

• 𝑅𝑅𝑐𝑐 = 112.250

El número de Reynolds calculado indica que el flujo sería turbulento y severo, lo que dañaría el molde, pero se debe considerar que es teórico, ya que el la realidad no es un circuito cerrado, en la entrada de metal a la cavidad entra a una zona abierta. Además de la consideración que mencionada respecto a que en vaciado en el bebedero no es constante.

4.1.4 Diseño alimentación

Considerando las selecciones y definiciones realizadas en las secciones anteriores, se propone el siguiente diseño de la alimentación para el lifter, el que se muestra en la figura 4.9.

Figura 4.9: Diseño de alimentación de moldeo para prototipo lifter

Algunas restricciones asociadas a la fabricación de piezas fundidas, es que el inventario de cajas de diferentes tamaños es limitado y fijo, por lo que la selección de la caja y el llenado de las cajas se debe optimizar para controlar el uso de arena, colocando más de una pieza por molde (tal

55

como se mencionó anteriormente). Además la cantidad de arena debe ajustarse al tamaño de la caja y la facilidad de llenado que este requiere en terreno.

Con el fin de facilitar el llenado de la caja con arena se ha incluido un suple de 3” en cada manga para levantar el llenado de arena, esto corresponde netamente a una necesidad de terreno, que no necesariamente favorece la alimentación de la pieza a fundir.

56

4.1.5 Trabajo en terreno

4.1.5.1 Confección del modelo

El modelo fue confeccionado en una empresa externa; a continuación, desde la figura 4.10 a la 4.15 se presentan fotografías de su construcción:

Figura 4.10: Fabricación de modelo de

lifter

Figura 4.11: Fabricación de moldeo de

lifter vista frontal

Figura 4.12: Fabricación de moldeo de

lifter vista lateral

Figura 4.13: Fabricación de moldeo de

lifter guías perforaciones

Figura 4.14: Fabricación de moldeo de

lifter placa inferior en terreno

Figura 4.15: Fabricación de moldeo de

lifter placa superior en terreno 57

4.1.5.2 Confección del molde

En la confección del molde es importante la experiencia del moldeador ya que se trata fundamentalmente de un trabajo manual, en las figuras 4.16 a la 4.24 se presentan diversas etapas y acciones en la fabricación del moldeo del prototipo.

Figura 4.16: Caja sobre placa

Figura 4.17: Ubicando montantes en molde

Figura 4.18: Ubicando

canales en molde

Figura 4.19: Apisonando

arena en molde 1

Figura 4.20: Apisonando

arena en molde 2

Figura 4.21: Llenado de

molde con arena 1

Figura 4.22: Llenado de

molde con arena 2

Figura 4.23: Terminación

superficie moldeo

Figura 4.24: Molde

terminado

58

4.1.5.3 Desmoldeo

Las piezas desmoldeadas retiradas del molde ya frío, se presentan en las figuras 4.25 a la 4.28

Figura 4.25: Prototipo desmoldeado

Figura 4.26: Prototipo con montantes

quebrados

Figura 4.27: Prototipos desmoldeado 2

Figura 4.28: Prototipo para controles de

END

59

4.1.5.4 Resultados de controles prototipo 1

Una vez desmoldeada la pieza prototipo N°1, esta se sometió a controles para verificar su homogeneidad.

a) Control dimensional: Este control se realizó al modelo en dos etapas, uno al terminar la fabricación de modelo y otro al ser recepcionado para confeccionar los moldes.

• Informe de revisión dimensional a la salida y recepción se adjuntan en Anexos C y D respectivamente.

• Resultado: Modelo cumple con las dimensiones y contracción especificadas

b) Control ultrasonido: Control realizado sobre prototipo N°1 desmoldeado y con quiebre

de montantes y canales.

• En los prototipos analizados, se detectaron discontinuidades nivel II y IV en las zonas cercanas a las perforaciones para pernos, detalle en figura 4.29.

• Informe completo se adjunta en Anexo E • Resultado: Prototipo no cumple homogeneidad interna (rechupes)

Figura 4.29: Extracto informe de ultrasonido a piezas prototipo N°1

Se debe mejorar alimentación (método) que permita eliminar rechupes detectados y fabricar prototipo N°2.

60

4.1.6 Mejora alimentación

Con el fin de eliminar rechupes en las zonas detectadas se sobre alimenta la pieza con montantes adicionales de 180 en las zonas de detección de las cavidades y se aumentan los montantes originales a 200, según se indica en la figura 4.30. (Catálogo de montantes comerciales seleccionados en Anexo A)

El resto de las variables permanecen iguales, ya que sólo se aumentó la carga sobre la zona de cavidades detectadas (rechupes).

Esto corresponde a la solución habitual para suplir la alimentación faltante en la zonas de detección de rechupes, que consiste en sobre alimentar la piezas con más metal para suplir la contracción.

• Volumen pieza: 118.758 cc • Volumen total con alimentación: 211.739 cc • Relación de carga: 1,78 (Volumen pieza/ Volumen pieza más alimentación)

Figura 4.30 Nueva disposición y tamaño de montantes.

4.1.7 Resultados de controles prototipo 2

A continuación se presenta el control realizado para el prototipo N°2, para verificar homogeneidad interna.

Control ultrasonido: Control realizado sobre prototipo N°2 desmoldeado y con quiebre de montantes y canales.

En los prototipos analizados, se detectaron discontinuidades nivel II en el extremo de la pieza detalle en figura 4.31

• Informe completo se adjunta en Anexo F 61

• Resultado: Prototipo no cumple homogeneidad interna (rechupes)

Figura 4.31: Extracto informe de ultrasonido a piezas prototipo N°2

62

4.1.8 Costos

Los costos asociados a la fabricación de la pieza fundida prototipo hasta la terminación superficial se presentan en la tabla 4.5 en $/kg de pieza. El 51% del costo corresponde a la aleación, el 32% a moldeo y el 15% a la mano de obra, asociada fundamentalmente al moldeo de la pieza. (ver figura 4.32)

Tabla 4.5: Costos de pieza fundida

No considera costo de terminación superficial y tratamiento térmico.

Concepto de costo $/kg

1.0 Mano de obra 110,0

2.0 Aleación2.1 Chatarra acero 102,0 2.2 Energía 87,0 2.3 Ferroaleaciones 136,0 2.4 Otros 49,0 2.5 Gas 15,0

Subtotal Aleación: 389,0

3.0 Moldeo3.1 Arenas 135,0 3.2 Mangas 47,0 3.3 Pintura 41,0 3.4 Canales 14,0 3.5 Gas 7,2

Subtotal moldeo: 244,2

4.0 Mantención 10,0 5.0 Control de calidad 4,5

Subtotal directo: 757,7

6.0 Administración 30% 227,3

Costo total pieza fundida: 985,0

63

Figura 4.32: Distribución de costo directo de una pieza fundida

El costo estimado de 2 piezas prototipo (se fundieron 2 piezas por molde), para los prototipos N°1 y N°2, se aprecia en la tabla 4.6. Si bien el prototipo N°2 posee un 0,9% menos de arena, el metal a aportar aumenta un 88,6%, lo que encarece el segundo prototipo en un 33,2%, explicado fundamentalmente por la sobrealimentación de la pieza.

Tabla 4.6: Costos de prototipos N°1 y N°2

Prototipo 1 Prototipo 2Volumen de arena [cc] 2.174.283 2.155.658 Variación % - -0,9%

Volumen montantes [cc] 21.025 39.650 Variación % 88,6%

Costo Unitarios pieza [$/kg] 985 1.312 Peso pieza [kg] 508 508 Costo por pieza [$] 500.385 666.275

Total costo prototipos [$] 1.000.770 1.332.550 Variación % 33,2%

64

4.1.9 Simulación

Gracias a las facilidades y el apoyo de la empresa Dipromet se realizaron simulaciones del proceso de fundición del prototipo del lifter con el software de modelamiento MAGMA 5, esta aplicación permite la comparación y verificación del sistema de alimentación.

MAGMA 5 permite simular las siguientes etapas:

a) Simulación de llenado del molde b) Solidificación c) Enfriamiento d) Velocidades de flujo e) Opcionalmente, tensiones / deformaciones, microestructura y las propiedades de la

aleación.

La simulación se realizó con el fin de corroborar lo ocurrido en la solidificación de la pieza prototipo, en particular la aparición de los rechupes y ver alternativas de mejora y optimización del sistema de alimentación.

La planilla de entrada de datos para la simulación en MAGMA se adjunta en Anexo G.

4.1.9.1 Enfriamiento prototipo N°1

En las siguientes figuras se muestra la simulación en software MAGMA 5 del enfriamiento de prototipo N°1 del lifter, se puede apreciar en la figura 4.32 como el inicio del enfriamiento se produce en las orejas y en las zonas de perforaciones para pernos.

En la figura 4.33 se muestra como las orejas del lifter son las primeras en alcanzar temperaturas menores a 1.300°C.

En la figura 4.34 se muestra como la zona del extremo del lifter es la primera parte de la pieza en enfriarse bajo 1.300°C, lo que inicio el enfriamiento direccionado de la pieza fundida.

En la figura 4.35 se muestra como el extremo de lifter posee la menor temperatura y la segunda zona más fría corresponde a la zona entre las dos perforaciones para pernos.

En la figura 4.36 se muestra como las dos zonas primeras en enfriarse alcanzan las menores temperaturas y por lo tanto son las primeras en solidificar.

En la figura 4.37 se muestra como ya con la pieza enfriada, la zona bajo los dos montantes es la que mantiene mayor temperatura y por lo tanto será la última zona en solidificar.

En la figura 4.38 se muestra como ya con la pieza enfriada, la zona bajo los dos montantes es la última en enfriarse con el resto de la pieza prototipo ya enfriada.

65

En la figura 4.39 se puede apreciar el enfriamiento en corte, donde se muestra que la primera zona en enfriase en el extremo del lifter lo hace en toda su superficie, con su centro as mayor temperatura.

En la figura 4.40 se muestra en corte como bajo los montantes la temperatura es mayor al interior del lifter que está solidificando.

Figura 4.33: Simulación MAGMA 5 inicio enfriamiento lifter prototipo N°1

Figura 4.34: Simulación MAGMA 5 enfriamiento orejas prototipo N°1

66

Figura 4.35: Simulación MAGMA 5 enfriamiento extremo lifter prototipo N°1

Figura 4.36: Simulación MAGMA 5 primeras zonas en enfriarse lifter prototipo N°1

67

Figura 4.37: Simulación MAGMA 5 extremo y zona entre pernos primeras en enfriarse, lifter prototipo N°1

Figura 4.38: Simulación MAGMA 5 última zona en enfriarse lifter prototipo N°1

68

Figura 4.39: Simulación MAGMA 5 corte de enfriamiento lifter prototipo N°1

Figura 4.40: Simulación MAGMA 5 corte última zona en enfriarse lifter prototipo N°1

La simulación en MAGMA 5 del enfriamiento del prototipo N°1 del lifter, confirma el análisis de los módulos de las 4 zonas analizadas en la figura 4.7 del presente trabajo, que establece que el extremo del lifter y la zona entre las dos perforaciones para pernos son las primeras en enfriarse,

69

generan una solidificación direccionada desde el extremo y deben se alimentadas por montantes pues serán las primeras en solidificarse y por lo tanto sufrirán una contracción volumétrica.

4.1.9.2 Solidificación prototipo N°1 En las siguientes figuras se muestra la simulación en software MAGMA 5 de la solidificación del prototipo N°1 del lifter, se puede apreciar desde la figura 4.41 a las 4.44 como el lifter se solidifica.

Figura 4.41: Simulación MAGMA 5 solidificación lifter prototipo N°1

Figura 4.42: Simulación MAGMA 5 solidificación lifter prototipo N°1, en rojo primeras zonas solidificadas.

70

Figura 4.43: Simulación MAGMA 5 solidificación lifter prototipo N°1, extremo del lifter solidificado.

Figura 4.44: Simulación MAGMA 5 se muestran las zonas ya solidificadas del lifter prototipo N°1.

La simulación en MAGMA 5 de la solidificación del prototipo N°1 del lifter, confirma las zonas que primero se solidifican.

71

4.1.9.3 Simulación de cavidades (rechupes) En las siguientes figuras se muestra la simulación en software MAGMA 5 de las cavidades producto de la contracción al solidificar el prototipo N°1 del lifter.

Desde la figura 4.45 hasta la 4.48 se aprecia cómo se forman las cavidades en las 2 zonas ya detectadas que son las primeras en solidificar y como se genera la cavidad (rechupe) en los montantes por contracción.

Figura 4.45: Simulación MAGMA 5, se muestra la primera cavidad (rechupe) que aparece en el extremo del lifter prototipo N°1.

Figura 4.46: Simulación MAGMA 5, se muestra la segunda cavidad (rechupe) que aparece entre perforaciones del lifter prototipo N°1.

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Figura 4.47: Simulación MAGMA 5, se muestra crecimiento de cavidades y contracción de montantes del lifter prototipo N°1.

Figura 4.48: Simulación MAGMA 5, se muestras cavidades finales en montantes y cavidades en la pieza que son defectos internos.

73

En las siguientes figuras se muestran las cavidades simuladas en vistas de corte, en la figura 4.49 se muestra una vista lateral en corte que muestra las cavidades (rechupes) en montantes como las que son un defecto interno. En la figue 4.50 se muestra la vista frontal con las cavidades.

c

Figura 4.49: Simulación MAGMA 5, vista lateral en corte de las cavidades.

Figura 4.50: Simulación MAGMA 5, vista frontal de las cavidades.

La simulación en MAGMA 5 de las cavidades del prototipo N°1 del lifter al solidificar, confirma que las zonas que enfrían primero (zonas de menor módulo) son las que primero solidifican y producen cavidades debido a su contracción y que los montantes dispuestos no son capaces de alimentar esas cavidades.

74

4.1.9.4 Otras simulaciones

Trazos de partículas

En las siguientes figuras 4.51 a la 4.54 se muestran otra simulación en software MAGMA 5 que corresponde al seguimiento de trazos de partículas.

Figura 4.51: Simulación MAGMA 5, trazo de partículas 1.

Figura 4.52: Simulación MAGMA 5, trazo de partículas 2.

Figura 4.53: Simulación MAGMA 5, trazo de partículas 3.

Figura 4.54: Simulación MAGMA 5, trazo de partículas 4.

La simulación en MAGMA 5 del trazo de partículas del prototipo N°1 del lifter muestra que las partículas que el metal líquido que primero ingresa queda en el montante del extremo de la pieza y la alimentación constante hace que el metal nuevo, más caliente, que junto a la entrada.

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Velocidad de llenado

En la figuras 4.55 se muestra la simulación en software MAGMA 5 de la velocidad de entrada y tiempo de llenado del molde, que indica una velocidad de entrada de 83,6 mt/seg con un tiempo de llenado de 55 seg.

Figura 4.55: Simulación MAGMA 5, trazo de partículas 4.

76

4.1.10 Optimización

Debido a las facilidades y potencialidades en el software de simulación MAGMA 5 fue posible realizar 2 simulaciones adicionales buscando optimizar la alimentación de la pieza sin que esto sea un aumento de costo significativo.

a) Simulación 2: • 3 montantes de 180 • Montantes sin suple de 3” • Pading en zonas de pernos para mantener temperatura (enfriamiento más lento)

b) Simulación 3:

• 3 montantes de 180 más montantes de 160 cerrados • Montantes sin suple de 3” • Pading en zonas de pernos para mantener temperatura y direccionar el

enfriamiento (enfriamiento más lento)

En la figura 4.56 se muestran las cavidades generadas para la simulación 2, donde se aprecia que él % de vacío en mucho menor (menor nivel) que la simulación 1.

Figura 4.56: Simulación 2 MAGMA 5, cavidades de menor nivel.

77

En la figura 4.57 se muestran las cavidades generadas para la simulación 3, donde se aprecia que él % de vacío es menor (menor nivel) y la ubicación de las cavidades está alejada del centro de lifter, es decir está en la base de lifter, zona final del desgaste de la pieza y que no afectaría su duración.

Figura 4.57: Simulación 3 MAGMA 5, cavidades de menor nivel y distantes del centro del lifter.

En la tabla 4.7 se comparan los costos de los 2 prototipos y las simulaciones optimizadas, el ahorro de arena y metal en la simulación 2 genera un ahorro significativo en los costos y la simulación 3 es similar el costo del prototipo 1 pero con una calidad interna asegurada.

Tabla 4.7: Comparación costos prototipos y simulaciones

Prototipo 1 Prototipo 2 Simulación 2 Simulación 3Volumen de arena [cc] 2.174.283 2.155.658 2.071.544 2.064.146 Variación % - -0,9% -4,7% -5,1%

Volumen montantes [cc] 21.025 39.650 15.208 22.606 Variación % 88,6% -27,7% 7,5%

Costo Unitarios pieza [$/kg] 985 1.312 860 990 Peso pieza [kg] 508 508 508 508 Costo por pieza [$] 500.385 666.275 436.893 502.790

Total costo prototipos [$] 1.000.770 1.332.550 873.786 1.005.580 Variación % 33,2% -12,7% 0,5%

78

4.2 Análisis e interpretación de resultados

Con la pieza fundida prototipo N°1 del lifter no se consiguió el objetivo de obtener una pieza homogénea que cumpliera con las especificaciones establecidas, ya que el lifter presentó cavidades internas (rechupes) nivel II y V, si bien esto se pudo anticipar considerando que el análisis del lifter para definir el método de alimentación, ya determinó que los módulos de las zonas analizadas indicaban que las zonas 2 y 4 de la figura 4.7 enfriaban antes que el resto del lifter, por lo que existía una probabilidad que en esas zonas se generara una cavidad; esto no es determinante para descartar el método propuesto, ya que el fundidor debe analizar otras variables en base a su experiencia, como lo son: el costo adicional de limpieza y esmerilado al ubicar un montante en una zona geométricamente compleja con el consiguiente costo adicional de mano de obra de limpieza y esmerilado. Además al decidir una alternativa se debe considerar si con la geometría existente el enfriamiento de las zonas de menor módulo evitará el acceso del metal líquido en la cavidad y que esta posible cavidad fuera de un nivel mayor al aceptable.

Para el segundo prototipo, con el fin de asegurar la calidad interna el lifter fue sobrealimentado con montantes adicionales sobre la zonas donde se detectaron cavidades, con el fin de asegurar alimentar (metal liquido adicional) estas cavidades, con la consiguiente demora adicional de un nuevo prototipo y los sobre costos que significan sobrealimentar la pieza a fundir.

El resultado final del segundo prototipo fue una pieza que cumple con las especificaciones técnicas requeridas hasta la terminación superficial (no se incluye tratamiento término)

Es importante destacar que el cálculo de las variables principales permite dar una idea de cómo se comportará el proceso de fundición y definir razonablemente el esquema de alimentación, lo que se ve favorecido por el catálogo de productos existentes en el mercado que facilitan el diseño y la definición del método de alimentación, con productos estándar y pre-elaborados o pre-armados.

Debido a la fabricación manual de modelo, del molde y los plazos involucrados, no siempre es factible llegar a un método de alimentación óptimo, ya que se favorece el cumplimiento del plazo de entrega a un costo razonable; en este caso el sobre costo de un 20% se consideró aceptable para continuar la producción de todo el conjunto de piezas.

En el proceso de moldeo es clave asegurar que el moldeador cumpla con el método establecido y de existir variaciones estas deben ser revisadas a la luz del método determinado, en particular la incorporación de un suple de 3” sobre los montantes calculados corresponde a una mejora de terreno que permite realizar más fácilmente la terminación superficial del molde, pero tiene un costo adicional de arena que debe ser valorizado.

La simulación realizada con el software MAGMA 5, permitió validar razonablemente los parámetros calculados y los supuestos establecidos, como en el caso de la velocidad de entrada al molde que se estimó en 110 cm/s y la simulación calculó la velocidad en 83,6. cm/s. Lo mismo

79

ocurre con el tiempo de llenado estimado en 33 s y la simulación estimó 55 s, explicado por la diferencia de velocidad.

La simulación con el software MAGMA 5 de la solidificación del lifter y las cavidades generadas, estimó con gran exactitud la ubicación y tamaño de los montantes, por lo que sin duda una simulación anticipada habría ahorrado la fabricación del prototipo N°1.

Del análisis de los costos en la tabla 4.7 se desprende que utilizar el software de simulación podría generar importantes beneficios en los costos de producción y permitir tomar decisiones que permitan fabricar prototipos que con mayor grado de certeza nos darán resultados exitosos. Por ejemplo, si se hubiera simulado la fundición del lifter antes de la fabricación del prototipo N°1 tal vez hubiera optado por fabricar con la opción de la simulación 2 que habría significado ahorros del 12,7% en los costos de todas las piezas a fabricar, el ahorro del prototipo 2, la mejora de productividad y disminución de los plazos de fabricación.

La fabricación de piezas fundidas es un proceso donde la experiencia del fundidor es clave para la toma de decisiones y en particular para la definición del método de alimentación, ya que esta depende de la interpretación que se hace de la geometría y el uso de elementos o equipos disponibles para la fabricación.

Las mejoras y optimizaciones en el sistema de alimentación de una pieza fundida pueden implicar mejoras significativas en los consumos de arena, mano de obra, aleaciones y energía y en definitiva en una mejora de los costos de fabricación y la productividad

Se debe destacar que toda mejora en optimización de uso de recursos tendrá un impacto en las variables productivas, de seguridad y de medio ambiente tales como:

• Uso eficiente de la energía para fundir el metal • Contaminación, por el uso de arenas de moldeo (recuperables) que generan emisión del

material articulado en el proceso de recuperación • Uso de agua para refrigerar (enfriar) los hornos de fusión (fundición) • Relación con comunidades, que se ven afectadas por la operación de la industria • Productividad • Exposición a accidentes.

Adicionalmente, las mejoras u optimizaciones de los diseños de fabricación de piezas fundidas son claves, ya que tienen impacto directo en los costos, pues el sistema de alimentación de una pieza fundida impacta directamente sobre el 50% de las componentes de Aleación del costo de fabricación.

El uso de aplicaciones o sistemas de simulación de fundición como MAGMA 5, permiten optimizar y hacer más eficiente el proceso de fabricación y validación de piezas prototipo, ya que posibilitan la simulación de todas las etapas del proceso de fundición y predecir los resultados del proceso las veces que sea necesario, permitiendo optimizar todas las etapas del proceso de

80

fundición, eliminando y reduciendo tiempos de fabricación y en definitiva reducir los costos de fabricación.

El desafío de mejora de productividad y costos de la industria y en particular de la minería en Chile, que busca asegurar y mejorar la disponibilidad de los equipos productivos, optimizar la planificación de mantención y disminuir los stock de sus repuestos, genera en forma permanente nuevos diseños de revestimientos y piezas más complejas, las que desafían a la industria manufacturera a producir con mejoras en plazo, calidad y costos, lo que obliga a desarrollar y favorecer el uso de tecnologías tales como la impresión de moldes y piezas en acero, uso de la automatización o robotización, junto a las aplicaciones de simulación e inteligencia artificial.

Los cambios tecnológicos que se avecinan implicaran nuevas formas de trabajo y desafíos para las empresas manufactureras en Chile, por lo que los profesionales del país deben prepararse y adaptarse a ellos, se espera que un trabajo posterior coloque en la mesa este tema y su importancia.

81

5 Conclusiones

5.1 Cumplimiento de objetivos

Respecto de los objetivos específicos definidos para este trabajo:

Se estudió y diseño del sistema de alimentación de una pieza prototipo para fabricar un lifter para molino SAG, el método diseñado y luego mejorado permitió fundir una pieza prototipo homogénea, libre de defectos superficiales y de acuerdo a las especificaciones requeridas, hasta la limpieza y esmerilado.

Se determinaron los parámetros principales para la colada de la pieza prototipo fundido, tales como el tiempo de llenado, la velocidad de entrada y el tiempo de enfriamiento, aspectos clave para evitar daño en el molde y determinar la capacidad de llenado del metal líquido en el molde.

Se realizaron pruebas y revisiones a los prototipos fabricados que permitieron verificar que el prototipo final cumple con las especificaciones técnicas requeridas.

Se estimaron y calcularon los costos de las piezas prototipos fundidas.

Adicionalmente con la utilización del software de simulación MAGMA 5, fue posible realizar 3 simulaciones que permitieron realizar una validación teórica de la práctica ejecutada y obtener alternativas de optimización del proceso de fundición que aportan mejoras de productividad, plazos y costos.

Por lo anterior, se cumplen los objetivos planteados en este trabajo.

5.2 Conclusiones generales

Del estudio realizado podemos confirmar que la experiencia en fundición de piezas fundidas es clave para diseñar y establecer un método eficiente de alimentación, ya que las estimaciones y cálculos basados en la geometría de la pieza, nos permiten analizar la forma en que la pieza solidifica y esto nos determina una propuesta de solución para la alimentación de la primera pieza a fundir o pieza prototipo.

Conocer las limitaciones adicionales en el proceso de fabricación es clave en el diseño y propuesta del método de alimentación, el tamaño de caja disponible a utilizar y la capacidad de generación de metal líquido, son dos variables afectan el diseño de la alimentación y la toma de decisión en la propuesta del método.

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El prototipo es una propuesta de diseño de alimentación que debe ser validado en terreno y que debe considerar variables de costos y uso de recursos en las etapas de limpieza y preparación final de la pieza fundida, ya que no se debe olvidar que lo que se busca es fabricar una pieza fundida que cumpla con las especificaciones requeridas, pero a costos razonables y que otorgue las facilidades de fabricación a los operadores que ejecutan el método de alimentación brican el molde. Por lo ques, el diseñador debe estar presente en la confección del molde del prototipo con el fin de capturar mejoras u oportunidades de optimización que provengan de la retroalimentación de los que confeccionan el molde.

Si bien se puede considerar que es inevitable confeccionar una pieza prototipo para validar la propuesta del diseño del sistema de alimentación, esta propuesta puede ser optimizada y asegurada de dos formas, la experiencia del que diseña el método y por simulaciones que validen y optimicen el diseño.

Al diseñar un sistema de alimentación para una pieza fundida, se considera el nivel de defectos que está especificado, el cual permite cumplir con los requerimientos necesarios, teniendo en cuenta que no se busca una pieza perfecta, sino que una pieza que cumpla con las especificaciones a un costo razonable, eso quiere decir que el producto final puede soportar defectos dentro de los rangos permitidos y especificados.

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6 Bibliografía

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[12] https://es.digitaltrends.com/fotografia/historia-de-la-impresion-en-3d/

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[13] https://www.impresoras3d.com/breve-historia-de-la-impresion-3d/ [14] http://formizable.com/impresion-3d-con-metal-como-funciona/ [15] https://www.3dnatives.com/es/guia-impresion-3d-metal/

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ANEXOS

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Anexo A: Catálogo de mangas Foseco

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Anexo B: Catálogo de canales de cerámica Refrata

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Anexo C: Control dimensional del modelo al salir de su fabricación

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Anexo D: Control dimensional del modelo al ingresar para moldeo

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Anexo E: Informe de ultrasonido prototipo N°1

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Anexo F: Informe de ultrasonido prototipo N°2

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Anexo G: Planilla llenado Simulación MAGMA

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