ANÁLISIS DE LA FABRICACIÓN DE PIEZAS DE ACERO, ASTM A–216, EN HORNO DE INDUCCIÓN

ANÁLISIS DE LA FABRICACIÓN DE PIEZAS DE ACERO, ASTM A–216, EN HORNO DE INDUCCIÓN  

Arenas Romero Juan José1, Castillo Sánchez Martín.2 y García Lira Jesús3

Ingeniería: Mecánica

Resumen

Las piezas de acero que tienen formas variadas, se cuelan casi exclusivamente en moldes de arena sílice. El tamaño de las piezas puede variar de 6 mm a 1200 mm de espesor y pesar hasta 2.0 toneladas Los moldes deben poseer propiedades especiales, cuando se trata de fabricar piezas con un mínimo de defectos. Para obtener un acero de calidad, se ha visto la conveniencia de fundir el metal en horno de inducción, ya que el proceso puede controlarse en todas sus fases empezando por un estricto control de las materias primas cargadas en el horno. Durante el proceso de fusión se toman muestras del baño metálico para ir ajustando la composición del acero. Así mismo, se analizan las causas de defectos que se presentan en las piezas fundidas y se compara el porcentaje de rechazo que se obtiene por este método de producción.

Palabras clave: Acero, composición química, horno, moldes, piezas.    

Abstract

This paper describes the method of making steel castings WCB, which have various shapes and strain almost exclusively in sand molds. The size of the pieces can vary from 6 mm to 1200 mm thick and weigh 2.0 tons. The molds used for casting steel must possess special properties due to the high temperatures which must resist, since there are difficulties when trying to fabricate molds and parts perfect. The formation porosity and blowholes are defects that appear in the steel castings, because of internal contractions and gases that have not escaped oxides, slag, etc.. To obtain a quality steel, the process must be controlled at all stages starting with a strict control of raw materials charged into the furnace.

During the fusion process is sampled metal bath and to adjust the composition of the steel. Instrumental techniques are used for analysis (spectrometers) that can provide results in a short time making it possible real-time control and the adoption of precise corrections almost instantaneously, thus achieving the desired chemical composition.

Keywords: steel, chemical composition, furnace, molds, parts.

Introducción

El proceso de producción de piezas metálicas a través del vertido de metal fundido sobre un molde hueco, por lo general hecho de arena, ha sido tradicionalmente el método más utilizado para la fabricación de piezas de acero y consiste en lo siguiente.

El principio de fundición es simple: se funde el metal en un horno, se vacía el líquido en un molde y se deja enfriar, pero existen todavía muchos factores y variables que se deben considerar para lograr una operación exitosa de fundición. La fundición es un antiguo arte que todavía se emplea en la actualidad, aunque ha sido sustituido en cierta medida por otros métodos como la fundición a presión (método para producir piezas fundidas de metal no ferroso, en el que el metal fundido se inyecta a presión en un molde), la forja (proceso de deformación en el cual se comprime el material de trabajo entre dos dados, usando impacto o presión para formar la parte), la extrusión (proceso de formado por compresión, en el cual el metal de trabajo es forzado a fluir a través de la abertura de un dado para darle forma a su sección transversal), el mecanizado y el laminado (proceso de deformación, en el cual el espesor del material de trabajo se reduce mediante fuerzas de compresión ejercidas por dos rodillos opuestos).

La realización de este proceso empieza, lógicamente, con el molde. La cavidad de este debe diseñarse de forma y tamaño ligeramente sobredimensionado, esto permitirá la contracción del metal durante la solidificación y enfriamiento. Cada metal sufre diferente porcentaje de contracción, por lo tanto si la presión dimensional es crítica, la cavidad debe diseñarse para el metal particular que se va a fundir. Los moldes se hacen de varios materiales que incluyen arena, yeso, cerámica y metal. Los procesos de fundición se clasifican de acuerdo a los diferentes tipos de moldes [1].

Los hornos de inducción se usan generalmente para fundir aceros ordinarios y especiales, las capacidades varían de unos cuantos kilogramos hasta unas veinte toneladas en acero [2].

La fundición por inducción es extremadamente rápida, limpia y uniforme; cuando se realiza correctamente, es tan limpia que permite omitir la fase de purificación necesaria con otros métodos. El calor uniforme inducido en el metal también contribuye a un resultado final de alta calidad, ya que los sistemas y hornos de inducción modernos no sólo hacen los lugares de trabajo más seguros, sino que además aumentan la productividad y logran un proceso de fusión más rápido y más cómodo.

Se calienta primero el metal, a una temperatura lo suficientemente alta para transformarlo completamente al estado líquido, después se vierte directamente en la cavidad del molde. En un molde abierto, el metal líquido se vacía simplemente hasta llenar la cavidad abierta. En un molde cerrado existe una vía de paso, llamada sistema de vaciado o alimentación, que permite el flujo del metal fundido desde afuera del molde hasta la cavidad; ésta es el más importante de las operaciones de fundición.

Cuando el material fundido dentro del molde empieza a enfriarse, hasta la temperatura suficiente para pasar del estado líquido al estado sólido y empieza la solidificación, involucra un cambio de fase del metal. Se requiere tiempo para completar este cambio de fase, porque es necesario disipar una considerable cantidad de calor. El metal adopta la forma de la cavidad del molde y aquí se establecen muchas de las propiedades y características de la pieza fundida. Al enfriarse la fundición se remueve del molde; para ello pueden necesitarse procesamientos posteriores dependiendo del método de fundición y del metal que se usa.

Objetivo del trabajo

Conocer el principio en que se basa la fusión del acero ASTM A – 216 grado WCB para obtener piezas de acero fundido mediante el calor generado en el horno de inducción, vaciadas en moldes de arena sílice. Así mismo, analizar las causas de defectos que se presentan en las piezas fundidas y comparar el porcentaje de rechazo que se obtiene por este método de producción.

Material y método

Al igual que todos los aceros, el ASTM A-216 grado WCB se compone principalmente de hierro, pero tiene una serie de elementos adicionales añadidos para darle las propiedades específicas o aumentar ciertas propiedades mecánicas. El acero contiene carbono (0,25-0,3 %), silicio (0.6% máx.), manganeso (1.0 % máx.) y trazas de impurezas tales como azufre y fósforo en cantidades muy pequeñas (0,045% máx.). Cada uno de estos elementos le confiere propiedades específicas. El contenido de carbono es lo bastante alto como para permitir el tratamiento térmico y el endurecimiento.

En el proceso de fabricación de piezas fundidas se utilizan los siguientes equipos:

• Horno eléctrico de inducción de alta frecuencia.
• Ollas ó calderos de vaciado revestidos de material refractario y calentados a 800°C.
• Pirómetro de inmersión para medir la temperatura del acero fundido.
• Laboratorio de química disponible para el análisis cuantitativo de los aleantes del acero fundido.
• Moldes de arena sílice, con arcilla y agua como aglomerantes.

Propiedades mecánicas

El acero ASTM A – 216 tiene una resistencia a la tracción de 49.2 a 66.7 kg/mm2 (132,28 a 209,44 psi). La resistencia a la tracción es una medida de la cantidad de tensión o estiramiento que un material puede soportar antes de romperse. El acero ASTM A – 216 tiene un límite elástico de entre 25.4 kg/mm2 como mínimo y que mide la cantidad de presión que tarda el acero para deformarse radicalmente. Tiene un alargamiento de 22 a 24 %, que es la cantidad de estiramiento que el acero puede manejar antes de romperse.

Los pasos a seguir para realizar la operación de fabricación de piezas fundidas de acero ASTM A – 216 grado WCB, son:

1. Diseñar la pieza que se desea fabricar.

2. Construir un modelo, que suele ser de madera o yeso, de forma artesanal.

3. Se construye el molde con arena sílice. Si la pieza es hueca se fabrican también los machos o corazones, que son unas piezas que ocupan los huecos interiores.

4. Se llena el molde del material fundido (a este proceso se le llama colada).

5. Se procede al desmolde, es decir, extracción de la pieza del molde una vez solidificada.

6. Se enfría la pieza.

Práctica

Los hornos de inducción se emplean prácticamente con todas las aleaciones ordinarias, su temperatura máxima sólo está limitada por el refractario y la eficacia del aislamiento frente a las pérdidas del calor.

Los hornos de inducción sin núcleo se basan en la ley física según la cual los cuerpos metálicos, sometidos a la acción de un campo magnético de corriente alterna, se calientan tanto más cuanto más intenso es el campo magnético y cuanto más elevada es la frecuencia [3].

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