Cubilote.docx

CUBILOTE

LAURA DANIELA CUERVO LANCHEROS DANILO ARMANDO BARRERA JUAN CARLOS GARAVITO ELKYN DAVID GOYENECHE MARIANA CATALINA TORRES EDISON LEONARDO GIL CASTIBLANCO

UNIVERSIDAD PEDAGOGICA Y TECNOLOGICA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERIA INGENIERIA METALURGICA TUNJA 2019

CUBILOTE

LAURA DANIELA CUERVO LANCHEROS DANILO ARMANDO BARRERA JUAN CARLOS GARAVITO ELKYN DAVID GOYENECHE MARIANA CATALINA TORRES EDISON LEONARDO GIL CASTIBLANCO

Laboratorio de fundición presentado al ingeniero Arcenio Rincón en la asignatura de fundición

UNIVERSIDAD PEDAGOGICA Y TECNOLOGICA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERIA INGENIERIA METALURGICA TUNJA 2019

Tabla de Contenido 1. INTRODUCCIÓN ................................................................................................................................4 2. OBJETIVOS ........................................................................................................................................5 3. MARCO TEORICO..............................................................................................................................6 5. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL................................................................................................. 10 6. RESULTADOS Y ANALISIS ............................................................................................................... 19 7. CUESTIONARIO .............................................................................................................................. 28 8. RECOMENDACIONES. .................................................................................................................... 35 9. CONCLUSIONES ............................................................................................................................. 36 9. REFERENCIAS................................................................................................................................. 37

1. INTRODUCCIÓN Las fundiciones son aleaciones de hierro, carbono y silicio que generalmente contienen también manganeso, fosforo, azufre, etc. Su contenido en carbono (2 a 4,5%) es superior al contenido en carbono de los aceros. Se caracterizan porque adquieren su forma definitiva directamente por colada, no siendo nunca las fundiciones sometidas a procesos de deformación plástica ni en frio ni en caliente. En general, no son dúctiles ni maleables y no pueden forjarse ni laminarse. En las fundiciones grises , que en la práctica son las más importantes, aparecen durante la solidificación y posterior enfriamiento, láminas de grafito que al originar discontinuidades en la matriz, son la causa de que las características mecánicas de las fundiciones grises sean, en general muy inferiores a las de los aceros, aunque sean, sin embargo suficientes para muchísimas aplicaciones. El cubilote es la instalación más empleada para la fabricación de la mayoría de las piezas de fundición. Un porcentaje de piezas mucho más pequeño se obtiene utilizando hornos de reverbero, hornos de crisol y hornos eléctricos, siendo estas últimas instalaciones las más utilizadas para la fabricación de fundiciones de calidad, fundiciones aleadas y de alta resistencia. [1] El horno de cubilote, su nombre proviene de la palabra cupa que significa cuba es un horno cilíndrico compuesto de una capa exterior de acero y una capa interior de ladrillos. Los mismos pueden variar en su tamaño desde sólo 1 pie (30 cm) de diámetro hasta más de 10 pies (3 metros) y son utilizados para derretir hierro crudo o bronce. El cubilote es un horno de uso generalizado en metalúrgica debido a su operación sencilla, eficiente y económica. [2] La universidad pedagógica y tecnológica, cuenta en sus laboratorios, con un horno cubilote del cual se coló fundición en moldes de arena luego de moldear y preparar la materia prima y el coque, los resultados obtenidos no fueron del todo satisfactorios debido a que en lugar de fundición gris se obtuvo fundición blanca, hemos atribuido estos resultados a descuidos al no tener en cuenta el espesor ni la velocidad de enfriamiento de la pieza.

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2. OBJETIVOS 2.1OBJETIVO GENERAL 

conocer el manejo y operación del horno de cubilote para la obtención de una fundición de hierro gris .

2.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS 

Conocer todos los elementos que componen el horno cubilote



Conocer los materiales de los cuales están hechos estos elementos

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3. MARCO TEORICO 3.1 Hornos de cubilote es un tipo de horno cilíndrico vertical de aproximadamente 6 metros de alto, el cual lleva los metales en el colocados, hasta el estado líquido y permite su colado, el mismo puede ser utilizado para la fabricación de casi todas las aleaciones de Hierro. El horno de cubilote su nombre proviene de la palabra cupa que significa cuba es un horno cilíndrico compuesto de una capa exterior de acero y una capa interior de ladrillos. Los mismos pueden variar en su tamaño desde sólo 1 pie (30 cm) de diámetro hasta más de 10 pies (3 metros) y son utilizados para derretir hierro crudo o bronce. El cubilote es un horno de uso generalizado en metalúrgica debido a su operación sencilla, eficiente y económica El horno de cubilote es un horno que funciona con combustible sólido y en el cual la carga metálica, el combustible y el carburante están en íntimo contacto entre sí. Esto permite un intercambio térmico directo y activo, y por lo tanto, un rendimiento elevado. Sin embargo, por causa de este mismo contacto entre el metal, las cenizas y el oxígeno, el hierro colado producido no puede ser rigurosamente controlado desde el punto de vista metalúrgico. Cuando se inicia un tipo natural, se añade coque poco a poco hasta que la cama crece a una altura conveniente. La altura de la cama de coque es importante, ya que determina la altura de la zona de fundición y afecta tanto a la temperatura como a la oxidación del metal. Cuando la cama del coque está encendida completamente se carga arrabio y la chatarra con una proporción de una parte de coque por 10 de hierro, esta relación es en masa. Además se suministra alrededor de 34 Kg., de fundente por tonelada de hierro, por lo general es piedra caliza, cuyo objetivo es eliminar impurezas en el hierro, protegerlo de la oxidación y hacer la escoria más fluida para retirarla con mayor facilidad del cubilote.1 3.2 Las aleaciones ferrosas son básicamente aleaciones de hierro y carbono. Las fundiciones de hierro, contienen más carbono del necesario para saturar la austenita a temperatura eutéctica y por lo tanto contienen entre 2 y 6,67%. Como el alto contenido de carbono tiene a hacer muy frágil al hierro fundido, la mayoría del material fabricado contiene entre 2,5 y 4% de C. La ductilidad del hierro fundido es baja, lo que hace que no siempre pueda trabajarse ni en frío ni en caliente. Sin embargo, es relativamente sencillo de fundir y colar sobre moldes de formas complejas. Aunque son frágiles y sus propiedades mecánicas son inferiores a las de los aceros, su costo bajo, su fácil colado y sus propiedades específicas los hace uno de los productos de mayor tonelaje de producción en el 1

ECURED-Hornos de cubilote- disponible en https://www.ecured.cu/Hornos_de_cubilote citado 11/03/2019

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mundo. Las fundiciones llamadas de primera fusión, tienen la siguiente composición: C 2,5 - 4,5 Si 0,5 - 4,5 Mn 0,5 - 0,8 P 0,1 - 2 S < 0,15 Tipos de hierro fundido El mejor método de clasificación es de acuerdo a su estructura metalográfica. Las variables a considerar son: el contenido de carbono, los aleantes, las impurezas, la velocidad de enfriamiento y el tratamiento térmico. Estas variables controlan la condición y forma del carbono en la estructura. El carbono se puede presentar en forma libre (grafito) o combinada (Cementita). La forma y distribución del carbono influirá grandemente en las propiedades físicas de la fundición. Se pueden clasificar en: - Fundición blanca donde todo el carbono se encuentra combinado - Fundición Gris la mayor parte del carbono se encuentra sin combinar en forma de grafito - Fundición Maleable Carbono mayormente sin combinar en forma de nódulos irregulares o carbono revenido - Fundición nodular Mediante aleantes especiales, el grafito forma esferoides compactos. - Fundición especial Las propiedades y estructura de las anteriores se modifica por el agregado de aleantes 3.3 Fundición blanca Las fundiciones blancas no contienen grafito libre, en cambio todo el carbono se presenta combinado como Fe2C. Sus características son: - Excepcional dureza y resistencia a la abrasión - Gran rigidez y fragilidad Pobre resistencia al choque - Dificultad para lograr uniformidad de estructura metalográfica según el espesor Desde el estado líquido, se forman cristales de austenita que disuelven cada vez más carbono hasta llegar a la temperatura eutéctica, en donde el líquido remanente reacciona para formar el eutéctico ledeburita y cementita. Como la reacción ocurre a alta temperatura (1100`C) la ledeburita aparece como una mezcla gruesa. Al bajar la temperatura, la austenita segrega carbono porque baja la solubilidad, de manera que da lugar a la precipitación de cementita proeutectoide mayormente sobre la cementita ya presente. A la temperatura eutectoide (723`C), la austenita con 0,8% de carbono se transforma en perlita por la reacción eutectoide. La estructura típica de una fundición blanca consiste en dendritas de austenita transformada (perlita) rodeadas de una red interdendrítica de cementita. La cementita es un compuesto intermetálico duro y frágil que forma una red interdendrítica. Esta característica hace a la fundición blanca muy dura y resistente al desgaste pero frágil y difícil de maquinar. Su aplicación está en aquellos lugares donde la resistencia a la abrasión y desgaste es lo más importante ya que no admite ninguna deformación. Sus propiedades mecánicas son las siguientes - Dureza Brinell entre 375 y 600 -

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Resistencia a la tracción entre 130 y 500 MPa - Resistencia a la compresión entre 1,4 y 1,7 GPa2

Fig 1 fundición blanca 3.4 Fundición gris . Se le denomina fundición gris porque el aspecto de su fractura, es de color gris. Encontrando el carbono en alto grado o en su totalidad en estado libre en forma de grafito laminar 

Aspecto: La superficie exterior en la fundición es de color gris.



Contracción: En las fundiciones grises, en las cuales en el momento de la solidificación se segregan las laminillas de grafito ( de peso específico - 2 ) con aumento de volumen de la masa, la contracción final resulta menor ( 10 por 1000); la contracción varia también según los obstáculos mayores o menores que encuentra la colada en el molde.



Resistencia a la tracción: La fundición gris tiene una carga de rotura a la tracción, de cerca de 15 Kg/mm2, llega a los 30 , 40 y 45 Kg/ mm2. La resistencia a la comprensión es mayor, y para las fundiciones grises normales resulta cerca de tres veces la de la tracción: por eso, es aconsejable someter las piezas de fundición a esfuerzos de compresión, más bien que a los de tracción.



Resistencia al choque: Las fundiciones grises, resisten no muy bien a los choque y son frágiles porque no sufren deformaciones plásticas.



Dureza: La fundición gris tiene una dureza de 140 a 250 Brinell, se puede mecanizar fácilmente, porque la viruta se desprende mejor y por la presencia de grafito liberado, que lubrica el paso de la viruta sobre el corte de la herramienta, la Viruta es siempre escamosa.

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Gutiérrez Ruben- metalografía- aleaciones ferrosas- disponible en http://materias.fi.uba.ar/6750/Resumen%20Fundiciones%20de%20hierro.pdf- citado 11/03/2019

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4. MATERIALES Y EQUIPOS.

2.1 MOLDEO.        

Arena de relleno. Agua. Arena de contacto. Bentonita. Modelo. Grafito. Cajas de moldeo. Apisonadores

2.2 FUNDICIÓN.            

Horno cubilote Crisol Pinzas Molde Balanza Materia prima de fundición Cartón y madera Coque Caliza Arcilla Arena con silicato Elementos de protección personal

2.3 INTEGRIDAD Y CONTROL DE CALIDAD.        

Espectrómetro de emisión. Durómetro. Balanza. Segueta. Lima. Prensa de banco. Lijas. Paño.

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5. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Para la practica experimental de fundición de metales ferrosos (fundición blanca), se sigue un procedimiento metodológico que cosiste en dos partes: La primera parte, obedeciendo la guía: manejo y operación del horno de cubilote y la segunda parte así mismo siguiendo el desarrollo experimental de la guía: integridad y control de calidad en piezas fundidas. Antes de entrar en si a la preparación del molde para la fabricación de producto del metal fundido se deben tener en cuenta las recomendaciones iniciales de seguridad industrial en el laboratorio y durante el desarrollo de la actividad: Las medidas para tener en cuenta a la hora de realizar tareas en un laboratorio de fundición involucran el uso de elementos cuyos riesgos es necesario conocer y que será necesario prevenir en todos los casos. El uso de materias y herramientas cuya manipulación requiere de un alto riesgo, debe a llevarse a cabo con una alta responsabilidad y bastante cuidado para no poner en riesgo la calidad humana de cada uno y de los compañeros que realizan un mismo objetivo en una tarea asignada. 5.1Primera parte: manejo y operación del horno de cubilote 1. seleccionar la pieza a moldear teniendo en cuenta que esta debe pesar 10 kg sumándole el bebedero y el rebosadero por lo cual se seleccionó una pieza en forma de cilindro la cual esta partida para su moldeo en doble caja.

Figura 2: pieza a moldear

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2. colocar la pieza en la caja base y cubrirla con arena de contacto la cual es preparada con un porcentaje de arcilla bentonita de 10%, humedad de 6% completando la composición con sílice.

Figura 3: adición de arena de contacto 3. preparar la arena de relleno tamizando la arena para así obtener una arena fina y sin grumos los cuales nos pueden afectar a la hora del apisonamiento, esta arena se mezcla con un 8% de agua la cual ayuda a que llegue a todos los lugares de la caja y se facilite su apisonado.

Figura 4: mezcla arena de relleno 4. cubrir con la arena de relleno la pieza ya cubierta con arena de contacto agregando arena de relleno y apisonando, esto se realiza hasta llegar a la superficie de la caja y sobrepasarla por un centímetro, en seguida con ayuda de

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una tabla se retira el exceso de arena de relleno hasta que la superficie quede totalmente plana.

Figura 5: adición de arena de relleno 5. repetir los pasos para la caja tapa la cual es colocada después de darle vuelta a la caja base, se coloca la otra mitad de la pieza, se cubre con arena de contacto, se le colocan dos tubos los cuales van a ser el bebedero y el rebosadero y se procede a verter arena de relleno sobre esta pieza ya cubierta con arena de contacto y apisonarla, esto se realiza hasta que la arena de relleno sobrepase la caja por un centímetro y con ayuda de una tabla se retira el exceso de arena.

Figura 6: moldeado caja tapa

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6. se procede a extraer el modelo de la caja con mucho cuidado al igual que los tubos para el bebedero y el rebosadero.

Figura 7: molde final 7. preparar el cubilote limpiando en su interior los restos de escoria que se pueden presentar al igual que cualquier especie de chiquero que impida el flujo de aire con normalidad.

Figura 8: preparación del cubilote

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8. cerrar la tapa inferior del cubilote y preparar arena de contacto suficiente para cubrir la parte inferior del cubilote donde va a caer todo el metal fundido ya listo para la colada.

Figura 9: preparación arena de contacto 9. encender el horno con ayuda de madera seca la cual es encendida para lograr calentar el horno y así cuando es introducido el coque este se caliente y ya con ayuda de un ventilador lograr que la llama coja más fuerza y logre encender todo el coque y logre alcanzar la temperatura deseada para la fundición.

Figura 10: calentamiento horno de cubilote

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10. agregar la carga de fundición, en la parte superior del coque al igual que la caliza, esta se comienza a fundir y a caer sobre la superficie de la arena de contacto, el coque no cae ya que el aire de las toberas hace que este permanezca en suspensión, para saber si ya se está fundiendo el metal se deja salir un poco de este por el canal de colada sobre una lingotera y se tapona el canal con ayuda de arcilla previamente preparada, la fundición se deja solidificar un poco y se vuele a introducir al cubilote.

Figura 11: fundición saliendo del cubilote 11. se deja varios minutos hasta que la gran mayoría del metal se funda, mientras tanto se va calentando el crisol el cual va a utilizar para la colada para que no exista un choque térmico y se pueda dañar el crisol, esto lo realizamos con ayuda de un soplete.

Figura 12: calentamiento crisol

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12. primera colada, dos personas después de colocarse sus respectivos EPP colocan el crisol previamente calentado en la parte final del canal de la colada, con ayuda de una barra se rompe el tapón de arcilla y se deja salir la fundición hasta que esté lleno el crisol, cuando el crisol este completamente lleno se procede a taponar de nuevo el canal de salida con ayuda de un tapón de arcilla.

Figura 13: primera colada 13. ya lleno el crisol se procede a ser levantado y llevado hasta donde se encuentran los moldes los cuales fueron pre calentados previamente, con una descoriador le quitamos la escoria y se procede a verter la fundición en cada una de las cajas y lo que sobre se vierte en una lingotera al igual previamente calentada.

Figura 14: colada de fundición

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14. después de esperar varios minutos desde la descarga de la primera colada se procede a posicionarse de nuevo a las personas para la segunda y última colada de fundición, ya posicionados se procede al rompimiento del tapón el cual deja salir la fundición hasta que ya no salga más del horno y se procede al vertimiento de esta fundición en los respectivos moldes que no alcanzaron a ser colados con la primera colada.

Figura 15: segunda colada 15: verificando que el metal del horno haya salido completamente se procede a apagar el aire de las toberas, en seguida se destranca las puestas inferiores del cubilote para permitir la salida del coque que queda dentro del cubilote, con ayuda de una varilla se jurga para que baje y con agua se enfría rápidamente, esto se repite hasta que toda la carga haya salido del cubilote.

Figura 16: limpieza cubilote

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16. se extrae la pieza del molde y se deja todo en su respectivo sitio donde se encontró al igual se hace un aseo general al laboratorio para dejarlo en las condiciones que se encontró. 5.2 Segunda parte: control de calidad Para el control de calidad en piezas fundidas se deben realizar cada uno de los siguientes ensayos: -Ensayo de dureza: -Composición química -Metalografía Cada uno de los grupos eligió al azar el tipo de ensayo a realizar, obteniendo los resultados expuestos más adelante. Los ensayos, que se realizaron individualmente son normalizados siguiendo las siguientes pautas Análisis Químico por Espectrometría de Emisión Atómica (o de Chispa): Este tipo de análisis permite determinar los elementos presentes en una muestra, así como el porcentaje de cada uno de ellos. Este método consiste en detectar las longitudes de onda características de cada elemento cuando sus electrones son excitados mediante una chispa. El análisis químico para este método se realizó en el espectrómetro de emisión ubicado en los laboratorios del INCITEMA, los resultados se especificarán más adelante. Los estándares más utilizados son el ASTM E415, ASTM E1086, ASTM E1251. Ensayo de dureza: Se realizó ensayo de dureza brinell, ya que se considera la fundición blanca como metal duro, usando un penetrador de bola de acero aplicando una carga de 29420 N. Metalografía: Se realiza la actividad metalográfica, pulimiento de una sección obtenida del material fundido desde lijas de mayor abrasión hasta lijas de menor abrasión o grano más pequeño, hasta el paño para lograr una superficie llamada “vidrio espejo” en donde a través de un microscopio se logra revelar la microestructura u organización/ distribución y tipo de grano del metal, se utilizó un agente químico de ácido fluorhídrico para el ataque de la superficie y su buena revelación. Además de los ensayos ya mencionados, se realiza una inspección visual sobre la pieza obtenida para caracterizar las indicaciones o discontinuidades que esta tiene abiertas a la superficie.

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6. RESULTADOS Y ANALISIS 6.1 BALANCE DE MATERIA El Balance de metal: Para determinar la cantidad en peso (kg) de metal a utilizar en una producción determinada se debe realizar el balance de metal según la siguiente metodología: Se debe tener en cuenta: - Tipo, productividad y capacidad del horno - Cantidad de piezas en un molde y cantidad de moldes preparados - Tipo de aleación que se obtendrá y el peso de cada pieza - Método de fundición que se utilizará, etc. Pérdidas: según Suchkov y algunas comprobaciones prácticas de los autores del libro se pueden tomar a modo de recomendación las siguientes pérdidas: - Por rechazo 3-5 % de la cantidad de metal útil - Por oxidación, rebabas, irreparables (por causa de la escoria, o sea, el metal que sale junto con la escoria, el metal que se derrama en el momento del vertido, etc.). Se toma el 6% de la cantidad de metal útil - Por sistema de alimentación y mazarotas - Para aleaciones no ferrosas: con mazarotas de 30 a 40 %; sin mazarotas de 21 a 28 %. Para esta aleación vamos a suponer que la aleación Fe-C Tabla N°1 . Balance de masa. PESO Fe (93,9%) (g)

C Si (3.2% (1.3%) )

P (0.3%)

S (0,12%)

Cr (1,2% )

10218.7

PIEZA(met al útil)

9595.4

327

132.8

30.7

12.3

122.6

936,2

MAZAROT A (9,2%)

879

30

12,2

2,8

1,1

11,2

408.7

RECHAZO (4%)

383,8

13

5,4

1,2

0,5

4,9

613,1

OXIDACIO N (6%)

575,7

19,6

7,9

1,8

0,7

7,4

11433,9

389,6

158,3

36,5

14,6

146.1

12176,7

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Calcular producción del cubilote: 𝑃 = 6 ∗ 𝐷2 = 6 ∗ 0,4𝑚2 = 0,96 𝑇𝑜𝑛/ℎ𝑜𝑟𝑎 Calcular peso de coque 𝜋 𝜋 𝑘𝑔 𝑃𝑐 = ∗ 𝐷2 ∗ 𝜌 ∗ 𝑠 = ∗ 4𝑑𝑚2 ∗ 0,45 ∗ 1,6𝑑𝑚 = 9 𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑘𝑒 4 4 𝑑𝑚3 Calcular peso caliza: 𝑃𝑘 = 0,35𝑃𝑐 = 0,35 ∗ 9 = 3,15𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑙𝑖𝑧𝑎 Calcular carga metálica: es 10 veces mayor a la carga de coke 90𝑘𝑔 𝑃𝑚 = 10 ∗ 𝑃𝑐 = 10 ∗ 9 = 𝑚2

Calcular peso de pieza y bebedero:

Fig. N°.17 Pieza a fundir

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Fig. N°18. Dimensiones de la pieza afundir (cotas en mm)

1. Calcular el volumen de la pieza: como es un cilindro 𝑉 = 𝜋𝑟ℎ = 𝜋 ∗ 4.25𝑐𝑚 ∗ 22.5𝑐𝑚 = 1276.8𝑐𝑚3 𝑉 = 𝜋𝑟ℎ = 𝜋 ∗ 2𝑐𝑚 ∗ 2𝑐𝑚 = 25.15𝑐𝑚3 ∗ 2 = 50.3𝑐𝑚3 𝑉𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 1276.8𝑐𝑚3 + 50.3𝑐𝑚3 = 1327.1𝑐𝑚3 2. Calcular masa de la pieza a fundir 7,7𝑔 𝑚 = 𝑉 ∗ 𝜌 = 1327.1𝑐𝑚3 ∗ = 10218.7𝑔 𝑐𝑚3 3. Calcular volumen de bebedero 𝑉 = 𝜋 ∗ 𝑟 2 ∗ 𝑙 = 𝜋 ∗ 1,27𝑐𝑚2 ∗ 12𝑐𝑚 = 60,8 𝑐𝑚3 4. Calcular Masa del bebedero: 𝑔

𝑚 = 121.6𝑐𝑚3 ∗ 7.7 𝑐𝑚3 = 936.32𝑔

5. Masa necesaria para hacer la colada de la pieza : 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 10218.7𝑔 + 936.32𝑔 = 11155𝑔 Teóricamente para colar la pieza necesitaríamos 11,15kg de nuestra aleación de fundición.

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6.2 RENDIMIENTO METALICO: 𝑅𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑚𝑒𝑡𝑎𝑙𝑖𝑐𝑜 = 100 ∗

10218, 𝑔 = 83,9% 12176,7𝑔

Se puede observar que el rendimiento metálico para la fundicion de la pieza en fundición es del 83,9%, esto suponiendo que se hubiera llenado el molde y la respectiva mazarota, como podemos ver en la tabla N°__. Se observa claramente que el porcentaje en peso de la mazarota corresponde al 9,2% del metal útil (peso de la pieza a fundir); para esta fundicion se ha mejorado teóricamente el peso desperdiciado en la mazarota

6.3 BALANCE ECONOMICO: 1. Calcular el poder calorífico necesario para fundir Fe: Se ha visto que para fundir 1000kg de hierro colado a la temperatura de 1350°C hacen falta teóricamente 289600 kcal, es decir 41,4 kg de coque de 7000 kcal. En la práctica hacen falta 665000 kcal para hierros colados comunes, o sea 95 kg de coque, el rendimiento medio para un cubilote por lo tanto puede ser: 𝐾𝑐𝑎𝑙 𝑢𝑡𝑖𝑙𝑒𝑠 289600 𝑛= ∗ 100 = ∗ 100 = 43,5% 𝐾𝑐𝑎𝑙 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑎𝑠 665000

6.4 ANALISIS DE LA DUREZA FUNDICION BLANCA

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ENSAYO DE DUREZA DE LA PROBETA DE FUNDICION BLANCA

CARGA APLICADA

Diámetro de la huella

Dureza brinell

3,40

321

3,36

329

3,35

331

PROMEDIO

327

29420 Néwtones (3000Kg)

Tabla N°2 Durezas de fundición blanca

De acuerdo a la fundición realizada en el laboratorio; fundición blanca, se pudo realizar el ensayo de dureza, mostrando un promedio en dureza de 327 Brinell, haciendo la comparación de este resultado con el que da la teoría, es un poco bajo ya que encontramos en teoría que una dureza para estas fundiciones esta alrededor de 350 a 400 brinell y en otros casos llega a se mas altos

6.5. ANALISIS DE LA PRUEBA DE COMPRESION Este ensayo no se pudo realizar debido a que no se encontraban con los parámetros exigidos por la norma para hacer el ensayo, es nuestro caso, no se contaba con el bebedero que cumpliera con estos requerimientos.

6.6. ANALISIS METALOGRAFICO Y DE COMPOSICION 6.6.1 Análisis de composición Se dan a continuación los valores de porcentaje en peso de cada uno de los elementos que corresponden al análisis químico realizado con el ensayo de espectrometría de emisión atómica, para la fundición blanca obtenida.

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ELEMENTO

% Peso

Al

0,00633

C

3,2

Co

0,0131

Cr

1,18

Cu

1,26

Fe

91,4

Mn

0,67

Mo

0,0482

Nb

0,005

Ni

0,303

P

0,301

S

0,121

Si

1,29

Sn

0,0615

Ti

0,0126

V

0,0176

W

0,0736

Tabla N° 3 Composición química de fundición blanca obtenida en horno cubilote, resultados obtenidos por espectrometría de emisión atómica

Con los porcentajes en peso de la aleación y valiéndonos del diagrama Fe-Fe3C metaestable, ubicamos una línea vertical en los valores establecidos e identificamos que fases están presentes en la aleación.

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Figura N°19 Diagrama de fases Fe-Fe3C

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Al trazar una línea roja de acuerdo con la composición de C se denota que es una fundición blanca hipoeutectica; con el carbono combinado con el hierro formando cementita, se deduce también que es una fundición con bajo porcentaje en carbono.

Figura N°20 Microestructura de fundición blanca a 500X

En la microestructura se observan grandes grupos de cristales negros de perlita (ferrita y cementita) derivados de la austenita primaria en una matriz de cementita.

Debido al tamaño de la pieza, un tamaño considerablemente pequeño, se consigue una velocidad de enfriamiento rápida, formando una fundición blanca con la existencia de carburos, ya que se tiene una pequeña cantidad de cromo en su composición.

Con 1% de cromo se provoca ya la aparición de carburos de gran dureza, que, además, son muy estables a altas temperaturas, el cromo actúa como elemento estabilizador de carburos y con contenidos bajos en silicio de 1.29% se limita la grafitización.

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Estas fundiciones se caracterizan por su dureza y resistencia al desgaste, siendo sumamente quebradiza y difícil de mecanizar. Esta fragilidad y falta de maquinabilidad limita la utilización industrial de las fundiciones ” totalmente blancas “, quedando reducido su empleo a aquellos casos en que no se quiera ductilidad como en las camisas interiores de las hormigoneras, molinos de bolas, algunos tipos de estampas de estirar y en las boquillas de extrusión. También se utiliza en grandes cantidades, como material de partida, para la fabricación de fundición maleable.

La fundición blanca se utiliza en aplicaciones donde se necesita buena resistencia al desgaste tal como en las trituradoras y en los molinos de rodillos, para la fabricación de placas de blindaje, piezas de rozamiento, zapatas de freno, gúias de rodadura.

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7. CUESTIONARIO

7.1 Cuáles son los materiales que se emplean para la reparación del refractario. Indique sus proporciones y características Los materiales de reparación dependerán del material del cual este hecho el refractario y esto a su vez dependerá del tipo de horno a reparar, como caso específico presentamos los hornos altos por proyección neumática de colables refractarios. En el caso de un desgaste prematuro de la cuba de un horno, o en el caso de que se desease prolongar la vida del mismo durante un período mayor de tiempo, sin parar totalmente el horno, es necesario proceder a una reparación parcial de la cuba por medio de la proyección neumática de colables refractarios, operación que normalmente se designa con el nombre de gunitado. Esta operación consiste en lanzar, por medio de dispositivos neumáticos adecuados, un mortero refractario mezclándolo en la boquilla del aparato con la cantidad conveniente de agua, sobre la pared correspondiente, provista de anclajes o mallas metálicas adecuadas. El mortero proyectable está constituido por una mezcla de un cemento aluminoso hidráulico y grano de refractario de la naturaleza conveniente. En el caso de reparación de cubas de hornos altos, debe emplearse un cemento que sea de por sí refractario, como son los llamados ''aglomerantes hidráulicos superrefractarios''. Están constituidos por un aluminato cálcico complejo, de color blanco, casi puro y con muy bajo contenido en hierro. Tabla 4. comparación de contenidos de refractarios.

El bajo contenido en hierro del primero, lo hace más adecuado para las cubas por no catalizar la reacción de descomposición del óxido de carbono, o sea la deposición del C. Se fabrica partiendo de cal y alúmina calcinada, por sinterización en horno rotativo. Su composición mineralógica normal es de 65 % de AI2O3 • CaO y 25 % de 2AI2O3 • CaO, con un 10 % de alúmina libre. El primero funde a 1600° C y el segundo se descompone a 1765''C. Durante el calentamiento inicial

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del mortero refractario colocado, se descomponen los hidratos formados al fraguar y disminuye la resistencia mecánica hasta unos 1100-1200''C en que ya tiene lugar la aglomeración cerámica. En el caso de que no sea muy importante alcanzar una refractariedad muy elevada, puede añadirse ligera proporción de fundentes para apresurar la aglomeración cerámica.

El análisis químico de un colable refractario empleado en la reparación de la cuba de un horno alto en la Empresa Nacional Siderúrgica, S. A., fue el siguiente: Pérdida por calcinación……………………………0,38 SiO2………………………………………………… 41,24 Al2O3………………………………………………. 51,46 Fe2O3……………………………………………….1,32 CaO…………………………………………………...5,48 MgO…………………………………………………... Indic. Mientras que las fracciones granulométricas 5/3, 3/1, 1/0,4 y 0,4/0,15 mm. tenían contenidos en CaO entre 0,60 y 1,02 %, las fracciones 0,15/0,06, 0,06/0,02 y menor de 0,02 tenían contenidos en CaO de 8,08, 12,08 y 9,60, respectivamente. Un cálculo grosero realizado partiendo de los análisis químicos de las diversas fracciones granulométricas, de la proporción de las mismas y de su peso específico, nos da un contenido en cemento blanco del orden del 20 %. Las demás características de este mortero fueron las siguientes: Punto de fusión………………………………....................................1670ºC Contracción lineal permanente (2 h. a 1400º C)……………………...0,36 % Resistencia al fuego bajo carga de 2 Kg/cm2 ………………………1480ºC Resistencia a la compresión en frío …………………………………..120 Kg [3]

7.2 Efectúe cálculos del peso de cargas de cada materia prima(coque hierro y caliza) [4]

Peso del coque 𝑃𝑐 =

𝜋 ∗ 𝐷𝑖 2 ∗ 𝜌 ∗ 𝑠 4

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𝑃𝑐 = 𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑜𝑞𝑢𝑒 𝑒𝑛 𝐾𝑔 𝐷𝑖 = 𝑑𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑛𝑜 𝑒𝑛 𝑑𝑚 0,45𝐾𝑔 𝜌 = 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑞𝑢𝑒 = 𝑑𝑚3 𝑠 = 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑠𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑞𝑢𝑒 𝑒𝑛 𝑑𝑚 𝑃𝑐 =

𝜋 2 ∗ 4 ∗ 0,45 ∗ 1.6 4 𝑃𝑐 = 9, 047𝑘𝑔

Peso de la caliza 𝑃𝑘 = 0,35 ∗ 𝑃𝑐 𝑃𝑘 = 3,16𝑘𝑔 Peso carga metálica 100 ∗ 𝑃𝑐 % 𝑐𝑜𝑞𝑢𝑒 100 𝑃𝑚 = ∗ 9,047 10,165 𝑃𝑚 =

𝑃𝑚 = 89𝑘𝑔

7.3 Calcular las adiciones de ferroaleaciones para una carga de 200Kg de hierro, para obtener fundición gris.La siguiente es una tabla de composición de una fundicion gris con datos como la resistencia a la traccion, dureza en brinell, carbono equivalente y resistencia mecánica en general Tipo de fundici on Resist encia en Kg/m m2

Composición Fe Tama ño de la pieza Medi a

C

Mn

P

S

Si

Medi 2.950.450.10- 0.06a 3.10 0.70 0.20 0.11 COMPOSICIO 3.05 0.65 0.18 0.95 N ESCOGIDA Tabla N 5 tabla composiciones escogidas 29- 34

30

1.702.00

90-95

1.78

93.39

Carbon Dure o za equivale ºbrine nte ll

R Kg/m m2

3.45

228260

35.138.0

3.45

250

37.0

El balance de carga para obtener las composiciones seria el siguiente: BALANCE DE CARGA PARA UNA FUNDICION GRIS DE 1KGR DE MATERIAL PESO C Mn P S Si Fe MATERIAL TOTAL (grs) (%) (%) (%) (%) (%) (%) FUNDICION 1 kgr 3.05 0.65 0.18 0.95 1.78 93.39 100% GRIS 700 grs Cold Roll 2.65 0.25 0.03 0.03 0.75 96.29 70% 150grs Ferromanganeso 0.10 65.0 0.07 0.65 0.2 33.98 15% 150 grs Ferrosilicio 0.20 0.10 0.07 0.24 58.0 41.39 15% 1000grs Retorno 3.05 0.65 0.18 0.95 1.78 93.39 100% Tabla N 6 Composiciones escogidas

El balance de carga en masa real seria el siguiente: BALANCE DE CARGA PARA UNA FUNDICION GRIS DE 200 KGRS DE MATERIAL PESO C Mn P S Si Fe TOTAL MATERIAL (grs) kgr kgr kgr kgr kgr kgr kgrs FUNDICION 1 kgr 6.1 1.3 0.36 1.9 3.56 187.98 200 GRIS 140kgrs Cold Roll 3.71 0.35 0.056 0.03 1.05 134.80 139.996 30 Kgrs Ferromanganeso 0.009 19.5 0.021 0.195 0.06 10.194 29.979 30 Kgrs Ferrosilicio 0.06 0.03 0.021 0.072 17.4 12.417 29.998 199.973 200Kgrs Retorno 3.05 0.65 0.18 0.95 1.78 93.39 kgrs Tabla N 7 composiciones escogidas

7.4 Cuales han sido las innovaciones tecnológicas que han sufrido en los últimos años los hornos de cubilote

7.4.1HORNOS DE CUBILOTE Definición de cubilote. Es un tipo de horno cilíndrico vertical de aproximadamente 6 metros de alto, el cual lleva los metales en el colocados, hasta el estado líquido y permite su colado, el mismo puede ser utilizado para la fabricación de casi todas las aleaciones de hierro. 7.4.1. Características del horno de cubilote.

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El horno de cubilote su nombre proviene de la palabra cupa que significa cuba ; es un horno cilíndrico compuesto de una capa exterior de acero y una capa interior de ladrillos. Los mismos pueden variar en su tamaño desde solo 1 pie ( 30 cm) de diámetro hasta mas de 10 pies ( 3 metros) y son utilizados para derretir hierro crudo o bronce. El cubilote es un horno de uso generalizado en metalúrgica debido a su operación sencilla, eficiente y económica. 7.4.2 Construcción del horno de cubilote. El cubilote descansa sobre una placa circular que es soportada arriba del piso mediante cuatro columnas separadas convenientemente para que las puertas abisgradas puedan caer libremente. Estando en operación, esta puertas se giran hasta una posición horizontal y se mantienen en su lugar por medio de una estaca vertical. La puerta de carga esta localizada mas o menos a la mitad de la cubierta vertical y la parte superior del cubilote queda abierta, a excepción de una pantalla de metal o para chispas. Las aberturas para introducir aire a la cama de coque se conocen como toberas. La práctica común es de tener solo una serie de toberas en un circunferencia de la pared, aun cuando algunos cubilotes grandes tienen dos hileras. Las toberas de forma acampanada, tienen el extremo mayor en el interior del horno para provocar que el aire se difunda uniformemente, van distribuidas a distancias muy precisas unas de otras, para obtener la distribución del aire tan uniforme como sea posible. El número de toberas varia con el diámetro del cubilote, siendo desde cuatro en los cubilotes pequeños y hasta ocho o más en los cubilotes grandes. Alrededor del cubilote y en la zona de las toberas, se encuentra una caja, para el suministro del aire. Opuestas a cada tobera se encuentran unas pequeñas ventanas cubiertas con mica de tal forma que puedan inspeccionarse las condiciones dentro del cubilote. El aire suministrado por un ventilador centrifugo entra por un lado de la caja. Opuesto al vertedero de colada, se encuentra otro vertedor para la escoria, en la parte de atrás del cubilote. Esta abertura esta colocada debajo de las toberas para evitar un posible enfriamiento de la escoria, provocado por la corriente del aire. 7.4.3 Funcionamiento del horno cubilote El horno de cubilote es un horno que funciona con combustible sólido y en el cual la carga metálica, el combustible y el carburante están e íntimo contacto entre si. Esto permite un intercambio térmico directo y activo , y por lo tanto, un rendimiento elevado. Sin embargo por causa de este mismo contacto entre el metal, las

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cenizas y el oxígeno, el hierro colado producido no puede ser rigurosamente controlado desde el punto de vista metalúrgico.

Fig 21. Horno de cubilote Antes de realizar una nueva colada lo primero que se debe realizar es limpiarlo de escoria y de los desechos que quedan en el refractario en torno a las toberas, de las coladas anteriores. A continuación se repara cualquier zona dañada con arcilla fina y arena silica refractaria para recubrimiento de hornos. Después de limpiarlo y repararlo se giran las puertas del fondo a posición de cerrado y se coloca la estaca debajo de ellas. En el piso de la solera se coloca una gran capa de arena negra de moldeo, la cual apisona y se le da una pendiente hacia el vertedero. La altura no debe ser menor a 10 cms., en el punto mas bajo, se le deja un pequeño agujero para la sangría de aproximadamente 25 mm., de diámetro. El encendido del cubilote se hace cada 2ª 3 horas para qué alcance una temperatura entre los 1200 y 1500 grados centígrados, antes de que se deba tener el primer metal fundido, deberá utilizarse la suficiente cantidad de leña para quemar la primera cama de coque. Cuando se inicia un tipo natural, se añade coque poco a poco hasta que la cama crece a una altura conveniente. La altura de la cama de coque es importante, ya que determina la altura de la zona de fundición y afecta tanto la temperatura como 33

la oxidación del metal. Cuando la cama de coque está encendida completamente se carga arrabio y la chatarra con una proporción de una parte de coque por 10 de hierro, esta relación es en masa. Además se suministra alrededor de 34 kgrs de fundente por tonelada de hierro, por lo general es piedra caliza, cuyo objetivo es eliminar las impurezas en el hierro,. Protegerlo de la oxidación y hacer la escoria más fluida para retirarla con mayor facilidad del cubilote. [2]

7.5 innovaciones tecnológicas del horno de cubilote Tanto los cubilotes de aire frio como los de aire caliente están en uso. En estos últimos, el aire de entrada se precalienta en alguna forma de recuperador, utilizando los gases calientes del cubilote. El recuperador puede ser una unidad construida en el propio cubilote. El aire de entrada pasa por estos tubos, calentándose así antes de llegar a las toberas. Los cubilotes modernos emplean un sistema mecánico dirigido desde la planta de control de máquinas controlado por un elevador de cangilones que es un sistema de banda transportadora acondicionado con un motor eléctrico sobre el cual va el mineral a depositar dentro del cubilote para cargar tanto el coque, el arrabio, la chatarra de fundición o cold roll y la piedra caliza. También algunos viene acondicionados con pirómetros que miden la temperatura promedio de la carga y cuentan con temporizadores ya cuando el proceso es en serie o también llamado en colada continúa para sacar varias series de piezas. [5]

34

8. RECOMENDACIONES. 

Durante el desarrollo de la práctica, se pudo evidenciar que es muy importante determinar balances de carga del material que se va colar, ya sea desde el carbón, caliza y chatarra a utilizar, esto con el fin de que cuando se vaya a colar, todos los moldes preparados se pueden vaciar, además de que un balance correcto permite la formación de la fundición.



Hubo una variación de la fundición que sería formar primeramente, ya que era una fundición gris distinta a la que obtuvimos que fue una blanca, esto debido al material que se agregó, no se tuvieron en cuenta factores importantes tales como el porcentaje de los elementos a, esto se ve reflejado en la composición encontrada.



Siempre se debe trabajar bajo condicione especiales, en la fusión que se realizó en el cubilote era de vial importancia conocer el funcionamiento del horno, así como los elementos que lo conforman, esto con el fin de que el proceso se realizara eficazmente.



El uso de todos los elementos de protección personal durante la fusión, ya que las temperaturas alcanzadas son demasiado altas, siempre es necesario calentar todos los moldes, así mismo el crisol donde se va a depositar debe estar en constante calentamiento para que no hayan cambios drásticos en la temperatura.

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9. CONCLUSIONES 

Se pudo determinar que la fundición realizada en el laboratorio es blanca con características como su dureza y resistencia al desgaste, siendo sumamente quebradiza y difícil de mecanizar. Esta fragilidad y falta de maquinabilidad limita la utilización industrial de las fundiciones ” totalmente blancas “, quedando reducido su empleo a aquellos casos en que no se quiera ductilidad como en las camisas interiores de las hormigoneras, molinos de bolas, algunos tipos de estampas de estirar y en las boquillas de extrusión



La composición encontrada rectifica las características que se encontraron de esta como una fundición blanca y no gris como al comienzo se quería .



La dureza encontrada para esa fundición fue de 327 brinell comparándola con datos teóricos encontramos que esta corresponde a una fundición blanca, aunque este valor es un poco bajo para las blancas pero se asemeja más a esta..



Los microconstituyentes como encontrados de cementita y perlita Hacen parte de una fundición blanca.



El ensayo de tracción no se pudo realizar por factores como: las dimensiones de la probeta de ensayo y la mecanización de estas.

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9. REFERENCIAS. [1]BARREIRO APRAIZ. José. Fundiciones. [pdf]. Segunda edición .Madrid: Editorial Dossat, 1963. Pág.6. [revisado 10 de marzo de 2019]. [2]ECURED. Hornos de cubilote. [en línea], [revisado 10 de marzo de 2019], disponible en internet: https://www.ecured.cu/Hornos_de_cubilote [3]PEREZ BLANCO, Eugenio. Materiales refractarios para hornos altos. [en línea], [revisado 10 de marzo de 2019], disponible en internet: http://boletines.secv.es/upload/196706513.pdf [4] GONZÁLEZ RINCON, Arcenio. Manejo y operación del horno cubilote. Guía de Fundición. Pág. 1 [revisado 10 de marzo de 2019] [5]QUINTERO HOYOS, Jhon Jairo. INTERACCIÓN Y CREACIÓN DE UN BANCO DE PROYECTOS PARA LAS INDUSTRIAS SIDERÚRGICA Y DE FUNDICIÓN. Diciembre de 2007[revisado 10 de marzo de 2019], disponible en internet: https://www.researchgate.net/publication/304012690_INTERACCION_Y_CREACI ON_DE_UN_BANCO_DE_PROYECTOS_PARA_LAS_INDUSTRIAS_SIDERURGI CA_Y_DE_FUNDICION

[6] Carlos Sebastián Calvo-HORNOS UTILIZADOS EN LA FABRICACIÓN DE ALEACIONES FERROSAS Y NO FERROSAS- disponible en file:///C:/Users/admin/Downloads/388-Texto%20del%20art%C3%ADculo-786-1-1020161123.pdf [7] ECURED-Hornos de cubilote- disponible en https://www.ecured.cu/Hornos_de_cubilote citado 11/03/2019 [revisado 10 de marzo de 2019], [8] Gutiérrez Ruben- metalografía- aleaciones ferrosas- disponible en http://materias.fi.uba.ar/6750/Resumen%20Fundiciones%20de%20hierro.pdf[revisado 10 de marzo de 2019],

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