UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN

CURSO : FUNDICION Y MOLDEO

RISERS – MAZAROTAS - MONTANTES

Ing. SILVA ARCE DANIEL

2012

Metal Porcentaje de contracción en solidificación

Acero al carbono 2,5-3

Fundición gris 2,5

Fundición blanca 4-5,5

Cobre 4,9

70%Cu-30%Zn 4,5

90%Cu-10%Al 4

Aluminio 6,6

Al-4,5%Cu 6,3

Al-12%Si 3,8

Magnesio 4,2

Zinc 6,5

Diseño de montanteLa función del montante (riser) es prevenir que el encogimiento ocurra en la pieza fundida, sino que ocurra en el montante mismo, para lograrlo debe proveer de material líquido a las zonas de la pieza que están solidificando, por lo tanto, el material contenido en el montante, debe ser el último en solidificar, para ello, es necesario tener algunas consideraciones en su diseño, como:•Tamaño del montante•Alcance del montanteEn la siguiente tabla se muestra el porcentaje de encogimiento que experimentan metales al pasar del estado líquido al sólido:Tabla 1: Contracción por solidificación para aceros de fundición.

VOLUMEN Y DIMENCIONAMIENTO DEL RISER

Se tiene los siguientes Métodos para piezas de acero u una especial para fundición gris1.- Método CAINE2.- Método de NRL (BISHOP)3.- Método WLODAWER4.- Metodo para fundicion gris

1.- Método de CAINE

Esta basado en basado en las experimentación y puede ser aplicable a todos los metales y aleaciones se basa en la Regla de CHVORINOV que dice que el tiempo de solidificación de una pieza esta gobernado por la relación (VOLUMNE / AREA)2 mediante el uso de la Hipérbola a x = -------- + c y - b

a.- Es una constante característica de la solidificaciónb.- es la contracción de la solidificación liquido solidoc.- es la velocidad relativa de solidificación del riser y la pieza x.- relación de solidificación y.- volumen del riser / volumen de la pieza

Tamaño del montante

Como el montante debe proveer metal líquido a la pieza que esta solidificando, este tiene que tener material necesario para suplir las contracciones que experimenta la pieza por cambio de fase (sólido a líquido), algunos métodos que calculan el tamaño del montante son los siguientes:

Curvas de montante para aceros

El tamaño del montante es determinado por dos valores:Primero, el tiempo de solidificación del montante debe exceder al de la fundición, y segundo, el montante debe suplir suficiente metal para compensar la contracción. Caine ha evaluado estos requerimientos y para que sean prácticos de usar, los graficó:

.

Figura 4: Curva de diseño de montante para fundición de acero al 0.3% C y una ecuación básica usada para calcular las dimensiones del montante. b) Curva de montante para hierro dúctil. La región entre las curvas es el área más eficiente, produciendo una pieza totalmente sana.; Montantes ciegos de moldes de arena verde.

14

Figura 6.- Curva de Caine, para el Diseño de Risers de piezas fundidas de acero de 0.3 %C.

15

Figura 6..- Curva de Caine, para el Diseño de Risers de piezas fundidas de fundición nodular (3.6 %Ctotal y 2.5 %Si). La región achurada es el área más eficiente.

16

Curvas de Caine:- Acero de hasta 0.50 %C:

- Acero de 0.50 %C a 1.00 %C:

- Aleaciones de aluminio:

001050

120.

..

y

x

00.103.0

10.0

y

x

081060

100.

..

y

x

De la figura anterior, la abscisa representa la relación de tiempo de solidificación de un montante de fundición, el que corresponde a:

Relación de solidificación =

Donde: Área de pieza (casting).Volumen de pieza.Área de montante (riser).Volumen de montante. Este índice debe ser mayor a 1:1 para obtener una pieza sana.El razonamiento de Caine es que el calor disipado es una función de la superficie de la fundición, mientras que el calor contenido es función del volumen. La ordenada representa la razón de volumen del montante y pieza. Aquí esta considerado el postulado de que el montante debe proveer metal liquido para suplementar el encogimiento por cambio de fase en la pieza, el cual es aproximadamente 3% del volumen del acero, pero sin embargo, el tamaño del montante,

debe ser mayor al 3% del volumen de la pieza.

r

r

c

c

VAV

A

Por ejemplo, una barra de dimensiones 10x10x0.1in, tiene un índice A/V de:

Esta pieza se encoje , sin embargo, si se usa un montante cúbico de lado 0.5 in, se tiene

un índice A/V del montante:

Por lo tanto, se tiene que: Razón solidificación=1.7

4.201.01010

)1.010(4100100

33.0 in

125.05.05.0

65.05.0

V

A

0125.010125.0

c

rV

V

De la Figura 4, se desprende que bajo las condiciones del ejemplo, el tamaño del montante es insuficiente, ya que se ubica en la parte izquierda de la curva. Como se puede ver de la Figura 4, en el diseño del montante influyen el tamaño y forma de la pieza. Un ejemplo que cumple las consideraciones de diseño, puede ser, un cubo de lado 4in, el cual tiene un bajo índice A/V:

Si se usa un montante cilíndrico de diámetro 4.5 in y altura 4.5 in, se tiene que:

Razón solidificación=1.5/1.33=1.7

Del grafico se puede ver, que el ejemplo anterior produce una pieza sana. Para mejorar el rendimiento del montante, se puede usar enfriadores, los cuales incrementan la efectividad del área de enfriamiento en un factor cinco.

5.164

96

V

A

33.16 dV

A

r

r

11.1645.71

c

rV

V

2.- Método NRL (BISHOP)

Fue desarrollado en el NAVAL RESEARCH LABORATORY, que dice que para obtener el mínimo tamaño del riser cilíndrico capaz de

alimentar piezas cuyas formas geométricas son CUBOS, BARRAS y PLACAS echas de acero

Usa el concepto de FACTOR FORMA (FF)

L + W L.- longitudS = ------------- W.- ancho

T T.- espesor de la sección considerada

Método de NRL (Naval ResearchLaboratory)

Después de muchos años del uso del método de Caine, el grupo de NRL trabajó en un nuevo y simplificado proceso ( Figuras 4, 5 y 6 ) el cual tiene la ventaja de eliminar errores de cálculo, ya que no es necesario realizar el tedioso cálculo de A/V para piezas complejas, sino que se reemplaza por el factor de forma :

FF = (L+W)/TDonde:L= LargoW= AnchoT= Espesor Estas corresponden a las dimensiones de la pieza principal de colada, la que corresponde a la de mayor tamaño. . Estas dimensiones se toman usando las dimensiones patrones de la pieza. Por ejemplo, si una pieza tiene muchos apéndices pequeños, estos no se cuentan en el calculo de FF, pero si en el de volumen de la pieza.

Las piezas complejas son combinaciones de barras y placas de diferente tamaño: Barra – Placa, Placa – Placa, Barra – Barra, Placa - barra

El método NRL se puede entender a través del siguiente simple ejemplo:

Para calcular las dimensiones del montante mas economico para una fundición de acero de dimensiones 5x10x2 in, se tienen que seguir los siguientes pasos:

1.- Factor de forma:

(L+W)/T=(10+5)/2=7.5

2.- De la Figura 5 se tiene que para un factor de forma de 7.5, la razón de volúmenes es 0.55 (Vr/Vc) y dado que, la pieza tiene un volumen de 100 , el volumen del montante es:

Dimensiones del montante:

De la Figura 6 se obtiene que las dimensiones para un montante (cilíndrico) de volumen , son:

Diámetro: 4.5inAltura : 3.5in

33 5510055.0 ininVr

355in

FIGURA 4: CURVAS DE MONTANTE PARA ACERO (APROX. 0.2% C A 0.5% C).

FIGURA 6: GRAFICO DE CONVERSIÓN DE VOLUMEN DE MONTANTE REQUERIDO A DIMENSIONES DE ESTE.

FIGURA 5 PIEZA PARASITA

39

Figura .- Gráfico de la N.R.L., para el Diseño de Risersde secciones irregulares.

58 67 69 73

XYV

T

T

C

PRINCIPALBARRA

PARASITAPLACA

850

:cálculos los en usado Volumen

504

2

.

.

3.- Método WLODAWER

Desarrollado por Robert Wlodawer basado en la Regla de CHVORINOV extendido a consideraciones sistemáticas sobre materiales exotérmicos, rellenos, enfriadores y otras ayudas para lograr una solidificación direccionalEl método consiste en determinar el Modelo de enfriamiento según la relación de Chvorinov

V M.- modulo de solidificación M = ------ V.- volumen de la pieza A A.- área superficial de enfriamiento de la pieza

Si la pieza es de diseño complejo se puede dividir las formas básicas calculando el valor de M siendo ignorado las superficies de contacto

Si la pieza es de diseño complejo se puede dividir las formas básicas calculando el valor de M siendo ignorado las superficies de contacto

Si la pieza es de diseño complejo se puede dividir las formas básicas calculando el valor de M siendo ignorado las superficies de contacto

Si la pieza es de diseño complejo se puede dividir las formas básicas calculando el valor de M siendo ignorado las superficies de contacto

Se parte del principio de que las piezas con igual valor del modulo solidifican en el mismo tiempo independientemente de la forma geométrica que ellos tengan

Para los aceros la cavidad máxima de rechupe es de aproximadamente 14 % y se toma : Mr > 1,2 Mc siendo Mr modulo del riser y Mc modulo de la pieza =

Muchas de las piezas son barras las cuales pueden estar en forma de anillo si se considera como semi infinita se puede considerar

Los principios que se basa Wlodawer para calcular el volumen de los risers son:

1.- El Mr = 1,2 Mc Ts riser = 1,5 Ts casting

2.- El vértice del rechupe cónico parabólico no se extenderá hasta alcanzar la pieza su profundidad máxima permisible será de d = 0,8 H

En riser abierto V rechupe = 14 % V riserEn riser ciegos V rechupe = 17 % V riserEn riser semi esféricos V rechupe = 20 % V riser

El rechupe o contracción total (S) depende de la temperatura de vaciado del metalEjemplo: calcular el % de contracción de un acero al manganeso vaciado a la temperatura de 1450 ªCdesarrollar el ejercicio utilizando la tabla y demás complementos

49

La influencia de los elementos aleantes sobre la contracción también fue investigado, pero desafortunadamente sólo para 1,600 °C; en la Tabla 5 se dan estos valores, que pueden asumirse válidos para otras temperaturas.

Tabla 5

Elemento aleante %Contracción por cada 1 %aleanteWNiMnCrSiAl

- 0.5300- 0.0354+ 0.0585+ 0.1200+ 1.0300+ 1.7000

50

EJEMPLO: Calcular el %contracción de un acero al Mn, vaciado a la temperatura de 1,450 °C.

Tabla 6

Se ha aproximado la contracción a 6.5%; en vista de que los valores de la Tabla 6, están dados para 1,600 °C.

Composición Factor de contracción x %aleante %Contracción 1.50 %C 15.00 %Mn 0.30 %Si 1.25 %Cr

De la Figura 55+ 0.0585 x 15.00+ 1.0300 x 0.30+ 0.1200 x 1.25

+ 5.00+ 0.88+ 0.31+ 0.15

%Contracción total + 6.34 ~ 6.50

51

El volumen de la cavidad del rechupe esta dado por:

RISERRECHUPE

RISERPIEZARECHUPE

VV

VVS

V

14.0

:scilíndricoriser Para

%.enacero,deltotalncontraccióS:Siendo

)(100

S

SVV

SV

SV

VSV

VS

VVVS

RISERPIEZA

RISERPIEZA

RISERRISER

PIEZA

RISERRISERPIEZA

14

)100

14.0(100

10014.0

100

14.0)(100

: tenemos,relaciones últimas 02 las Igualando

53

Por lo tanto, el volumen máximo de una pieza que puede ser alimentado por un riser cilíndrico, será:

Para risers semi-esféricos, será:

SS

VV RISERPiezadeMáximo

14

SS

VV RISERPiezadeMáximo

20

  

Alcance de montante

Como se ha dicho anteriormente, el montante debe proveer de metal líquido para suplir la contracción por cambio de fase, y dado que este metal debe fluir hasta la zona de contracción, en ese trayecto va perdiendo calor, disminuyendo su temperatura, lo que produce que el montante tenga un alcance limitado, el cual es determinado empíricamente. Para barras y placas el alcance se muestra en las siguientes figuras:

Figura 7: Alcance de alimentación para barras.

• Figura 8: Alcance de alimentación para placas. De las figuras se puede ver, que el montante tiene un alcance, en el cual la pieza colada se producirá sana, sin defectos

por rechupe, y que, dado la perdida de calor por el molde, en los bordes de la pieza que están en contacto con la pared del molde, hay una zona en la cual no sufre problemas, porque es la primera en solidificar.

Para piezas de grandes dimensiones, se debe aumentar la cantidad de montantes hasta que estos alimenten toda la pieza.

El volumen maximo de una pieza que puede ser alimentado por un cilindro sera

Determinación de la altura efectiva de llenado (Hef)- La Hef varía o permanece constante de acuerdo al siateraa de alimentación.Considerando:

H = altura de llenado

B = altura que oe llena

C = altura total a llenar-tenemos los siguientes sistemas de aliaentación:■i .

||

en la fig.66:-a) La Hef desde el inicio hasta la línea de partición, en

la'porción (C - B) , eerá.rHef = Hb) La Hef en el fin de la colada, en la porción (B), admi tiendo la velocidad delmetal cte en el transcurso del vaciado, para una altura efectiva arriba del nivel de: la línea de partición, cte e igual aBHef » H = ---2La altura efectiva promedio de llenado, será:

CARGA PARA CONTRARRESTAR EL EMPUJE METALOSTÁTICO CUANDO NO HAY MACHO Si el área superficial A esta dada por (fig 2a ):

A = (B) (C) Entonces:Fm = (B) (C) (y) (H) Y la carga total sera:Fy=1.5 [(B)(C)(y)(H)] - Wo (4)El espesor de la pieza no ejerce ninguna influencia sobre la fuerza ascensiona

2.Carga Para Contrarrestar el Empuje Metalostático Cuando hay MachoEstando dada la sección transversal A por (fig 2b):A = (B) (C) El empuje metalostático es;Fm = (B) (C) (y) (H) La fuerza ascensional de! macho esta dado por:Fe = Ve (y - yc) (5)

Donde:Ve = volumen del machoyc peso específico del macho, yc = 2 000 Kg/m3

y peso específico del metal líquido.Finalmente se obtiene:Fy= 1.5 (Fm + Fc) - Wo (6)

Fig. 2. Empuje metalostático de! metal líquido

EJEMPLO PRACTICO

Se desea colar una placa plana de latón rojo de las siguientes dimensiones:largo = 105 cm ancho = 60 cm alto = 0.8 cmla altura metalostática es de 20 cm. Determinar la carga total para contrarrestar e! empuje del metal. Considerar ei peso del latón líquido y = 8.1 gm/cm3

Solución:Puesto que las dimensiones transversales de la placa son 105 cm x 60 cm, se elige una caja con sección transversal: 115 cm x 75 cm. El volumen de esta caja con una altura de 20 cm será:Vo = (115 m) (0.75 m) (0.20 m) = 0.1725 m3

Y su peso será: Wo = Vo y0 = 0.1725 m3 ( 1500 Kg/m3) = 258.75 Kg

Wo = 260 Kg El área de ¡a piaca es:A = (105m)(0.60m) = 0.63m2 Siendo el empuje metalostátíco:Fm = A y H = (O.p m2) (8100 Kg/m3) (0.20 m)Fm = 1020.6 Kg = 1021 Kg Debiéndose colocar una carga:Fy = 1.5(Fm)-Wo= 1.5 (1021)-260Fy = 1271 Kg Si e! peso del metal colado es:Wp = (1.05 m) (0.6 m) (0.008 m) (8100 Kg/m3)Wp = 41 KgLa carga deberá ser:1271 Kg

= 31 veces el peso del metal colado 41 Kg

•MANGUITOS AISLANTES. KALMIN.

En la colada del fierro y del acero no siempre es conveniente emplear materiales exotérmicos, ya que se puede producir el desprendimiento de humos u una reacción con el metal. Desarrollado para evitar estos inconvenientes, KALMIN promueve una alimentación tan eficiente como un manguito exotérmico, ya que presenta una alta eficiencia de aislamiento térmico, evitando en primer lugar la solidificación del metal que entra en contacto con el manguito fabricado de este material. Esta característica hace que el KALMIN sea aplicable asimismo en mazarotas de pequeñas dimensiones.Las ventajas que presenta son:•bajo desprendimiento de gases.•Bajo peso y fácil manipulación.•Excelentes condiciones de almacenaje, puesto que no son higroscópicos.•Alta permeabilidad.Está disponible en insertos y cilindros abiertos.

Tipo Øi

(mm)

Øe

(mm)

Øa

(mm)

H

(mm)

T

(mm)

Modu-

lo(cm)

Peso máximo de la sección a

ser alimentada (en Kg) para

una para una contracción de:

Peso

metal

liquido

(Kg)

5% 6% 7% 8% 9%

3.5x5 K

4 x 7 K

5 x 8 K

6 x 9 K

7x10 K

8x11 K

9x12 K

10x13K

12x15K

18x25K

34

40

49

60

70

79

90

99

118

180

52

61

70

81

92

102

111

125

150

229

33

41

41

46

47

62

67

78

94

--

50

72

82

96

100

111

121

130

149

265

6

8

10

8

10

10

10

10

13

15

0.88

0.99

1.33

1.64

1.83

2.11

2.35

2.58

3.08

4.88

1.3

2.7

5.7

9.7

14.1

19.9

28.6

35.2

61,2

258.6

1.1

2.3

4.8

8.1

12.8

16.6

23.9

29.4

51.0

215.5

0.9

1.9

4.1

7.0

10.1

14.2

20.5

25.2

43.7

184.7

0.8

1.7

3.6

6.1

8.8

12.4

17.9

23.0

38.2

131.6

0.7

1.5

3.2

5.4

7.8

11.1

15.9

19.1

34.0

143.6

0.2

0.4

0.9

1.5

2.1

--

4.3

5.3

9.3

39.2

Tabla 15. Manguitos Aislantes Tipo Inserto KALMIN TH.

Manguito aislante tipo inserto

manguito aislante sin macho estrangulador: KALMIN TH con macho estrangulador: KALMIN TH BA. con macho estrangulador: KALMIN TH B.

Manguito cilíndrico abierto

GRACIAS

NOS FALTA UNA CLASE