Guía experta para el diseño de sistemas de alimentación en fundición de metales

El siguiente artículo le guiará sobre cómo diseñar un sistema de alimentación utilizado en la fundición de metales.

Diseño del sistema de alimentación

El diseño de un sistema de alimentación depende tanto de la composición del metal como de la del molde. Por ejemplo, se necesita un diseño de alimentación elaborado para evitar la escoria (p. ej., óxidos) en metales fácilmente oxidables de bajo punto de fusión, como el aluminio.

Para el hierro fundido, sin embargo, se selecciona un camino corto para el metal líquido con el fin de evitar una temperatura de vaciado alta. El diseño de alimentación para un molde cerámico es bastante diferente al utilizado normalmente para un molde de arena permeable. En general, los diseños de alimentación pueden clasificarse en tres categorías: (i) alimentación vertical, (ii) alimentación por el fondo y (iii) alimentación horizontal.

Alimentación vertical

En la alimentación vertical, el metal líquido se vierte verticalmente para llenar el molde con presión atmosférica en la base.

Alimentación por el fondo

En la alimentación por el fondo, el metal líquido se llena en el molde de abajo hacia arriba, evitando así las salpicaduras y la oxidación asociadas con la alimentación vertical. La figura 2.6 muestra un diseño simple de alimentación vertical y uno de alimentación por el fondo.

Alimentación horizontal

En el sistema de alimentación horizontal, se introducen tramos horizontales adicionales para una mejor distribución del metal líquido con turbulencia mínima.

Cálculo del tiempo de llenado del molde

Cálculos simples basados en principios de flujo de fluidos pueden llevar a una estimación del tiempo necesario para llenar un molde. Ilustraremos esto para los dos diseños de la Fig. 2.6. Se utilizará la ecuación integral de balance de energía sobre la base del flujo de masa unitario, más conocida como ecuación de Bernoulli. Por ejemplo, en la Fig. 2.6a, se asume que la presión en los puntos 1 y 3 es igual (es decir, p₁ = p₃) y que el nivel 1 se mantiene constante. Por tanto, la velocidad en la estación 1 (v₁) es cero. Además, se desprecia las pérdidas por fricción. Entonces, la ecuación de balance de energía entre los puntos 1 y 3 da:

[Ecuación 2.7]

La ecuación (2.7) proporciona la velocidad de un chorro que descarga contra una carga estática h, haciendo que la carga efectiva sea (hₜ – h). Ahora, para el instante mostrado, sea el nivel del metal en el molde subir a través de una altura dh en un intervalo de tiempo dt; Aₘ y A_g son las áreas de sección transversal del molde y de la compuerta, respectivamente. Entonces:

[Ecuaciones de continuidad]

Efecto de aspiración

Para un molde hecho de material permeable (p. ej., arena), debe tenerse cuidado de asegurar que la presión en cualquier parte de la corriente de metal líquido no caiga por debajo de la presión atmosférica. De lo contrario, los gases originados por la cocción de compuestos orgánicos en el molde entrarán en la corriente de metal fundido, produciendo fundiciones porosas. Esto se conoce como efecto de aspiración.

Refiriéndonos a la Fig. 2.6a y aplicando la ecuación de Bernoulli entre los puntos 2 y 3, obtenemos:

[Ecuación para presión en punto 2]

Otra situación donde el efecto de aspiración entra en juego está asociada con un cambio brusco en la dirección del flujo. Como se muestra en la Fig. 2.9a, la corriente de metal líquido se contrae alrededor de una esquina aguda debido al efecto del momento. En la alimentación vertical, esto no tiene nada que ver con la aceleración debida a la gravedad.

La región constreñida mostrada en la estación 2 en la Fig. 2.9a se conoce como vena contracta. Para evitar la creación de vacío alrededor de la estación 2, el molde se hace para ajustarse a la vena contracta, como se hace en la Fig. 2.9b. En otras palabras, se evita un cambio brusco en la dirección del flujo. Si el diámetro del canal es d y el diámetro en la entrada es d', normalmente se mantiene d'/d en un valor aproximadamente igual a 1.3. Esto significa r ≈ 0.15d.

Elementos comunes en el diseño de alimentación para prevenir impurezas

Los elementos comunes empleados en un diseño de alimentación para prevenir impurezas en la fundición son los siguientes (ver también Fig. 2.10):

(i) Cuenca de vaciado

Reduce la fuerza erosiva de la corriente de metal líquido que proviene directamente del horno. También se puede mantener una carga de vaciado constante utilizando una cuenca de vaciado.

(ii) Colador

Un colador cerámico en la cuchara elimina la escoria.

(iii) Núcleo antirrespaldo

Un núcleo antirrespaldo cerámico colocado al final de la cuchara también reduce la fuerza erosiva de la corriente de metal líquido.

(iv) Trampa de escoria (Skim Bob)

Es una trampa colocada en una compuerta horizontal para evitar que impurezas más pesadas y más ligeras entren en el molde.

Efectos de la fricción y distribución de velocidad

La velocidad de un metal líquido en la cuchara y la compuerta es uniforme a lo largo de la sección transversal. De hecho, la velocidad de un fluido en contacto con cualquier superficie sólida es cero y es máxima en el eje del conducto.

La distribución de velocidad dentro del conducto depende de la forma del conducto y de la naturaleza del flujo (turbulento o laminar). Además, en nuestra discusión hasta ahora, también hemos asumido que no hay pérdidas por fricción.

En fluidos reales, las pérdidas por fricción siempre están presentes, especialmente cuando hay una contracción brusca o un ensanchamiento de las secciones transversales de flujo. En la discusión que sigue, modificaremos las ecuaciones ya desarrolladas a la luz de estos dos factores: distribución de velocidad y fricción.