METODO DE PREPARACION DE ARENA DE FUNDICION ...

ES 2 265 045 T3
○19
OFICINA ESPAÑOLA DE
PATENTES Y MARCAS
ESPAÑA
11○ Número de publicación: 2 265 045
51○ Int. Cl.:
B22C 1/00 (2006.01)
B22C 5/06 (2006.01)
B22C 5/04 (2006.01)
B02C 13/18 (2006.01)
12○ TRADUCCIÓN DE PATENTE EUROPEA T3
86○ Número de solicitud europea: 02746688 .7
86○ Fecha de presentación : 25.06.2002
87○ Número de publicación de la solicitud: 1414601
87○ Fecha de publicación de la solicitud: 06.05.2004
54○ Título: Método de preparación de arena de fundición.
30○ Prioridad: 07.08.2001 US 922862
45○ Fecha de publicación de la mención BOPI:
01.02.2007
45○ Fecha de la publicación del folleto de la patente:
01.02.2007
73○ Titular/es: Noram Technology, Ltd.
Brittania House, 960 High Road
London, Greater London N12 9FB, GB
72○ Inventor/es: Harris, Kenneth y
Sparks, Robert, E.
74○ Agente: Torner Lasalle, Elisabet
Aviso: En el plazo de nueve meses a contar desde la fecha de publicación en el Boletín europeo de patentes, de
la mención de concesión de la patente europea, cualquier persona podrá oponerse ante la Oficina Europea
de Patentes a la patente concedida. La oposición deberá formularse por escrito y estar motivada; sólo se
considerará como formulada una vez que se haya realizado el pago de la tasa de oposición (art. 99.1 del
Convenio sobre concesión de Patentes Europeas).
Venta de fascículos: Oficina Española de Patentes y Marcas. Pº de la Castellana, 75 – 28071 Madrid

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Método de preparación de arena de fundición.
Antecedentes de la invención
Campo de la invención
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DESCRIPCIÓN
La presente invención está relacionada con el campo de la fundición metálica no férrica y, más particularmente,
con un método para la producción de arena de calidad para fundición a partir de materias primas no convencionales, y
para la clasificación de la arena producida de ese modo en dos productos o más de clase para fundición.
Descripción del estado de la técnica relacionado
La mayor parte de la arena de fundición se produce tamizando o clasificando por vía húmeda la sílice o arena
cuarzosa que se producen de forma natural. (Tal como se usa aquí, por “arena cuarzosa” se entiende que se refiere a
arena que contiene sílice tal como se encuentra en el cuarzo en forma cristalina. Tal como se usa aquí, por “arena no
cuarzosa” se entiende que se refiere a arena que no contiene una cantidad significativa de sílice). La arena cuarzosa
apropiada para fundición contiene niveles bajos de metales alcalinos y alcalinotérreos, de carbón tanto ligados orgánica
como inorgánicamente y de derivados halógenos y de azufre. Dicha arena se compone de partículas redondeadas de
peso medio y tamaños de partículas medios que van desde 0,15 a 1,3 mm y distribuciones de tamaños de partículas
reducidos, normalmente con más de 90% de partículas dentro del 0,5 a 1,5 de la media.
En algunos casos, las características térmicas o físicas de la arena cuarzosa son inaceptables y las funderías se ven
obligadas a emplear otras arenas con mejores propiedades. Estas alternativas no cuarzosas son mucho menos comunes
y enormemente más caras que la arena cuarzosa e incluyen olivino (silicato de magnesio ferruginoso), (cromita ferrosa,
FeCr2O4), y (ortosilicato de zirconio, ZrSiO4). El mayor coste de las alternativas del cuarzo destierran su uso general,
y las funderías que fabrican especialmente piezas que requieren precisión normalmente utilizan arena cuarzosa o una
mezcla de arena reciclada que contiene una fracción apreciable de arena cuarzosa para fabricar las partes externas de
los moldes, y arena no cuarzosa nueva para fabricar las partes internas o machos de los moldes.
La arena de fundición debe resistir las temperaturas originadas en el proceso de fundición, y no debe reaccionar de
forma adversa con los ligantes empleados para fabricar los moldes y machos. Deberá rellenar bien de manera que la
densidad volumétrica sea alta, produciendo una superficie lisa en el producto metálico fundido, pero suficientemente
porosa para permitir el escape fácil del gas formado durante la colada. La densidad volumétrica alta se consigue
empleando partículas redondeadas que se producen de forma natural las cuales se desplazan fácilmente las unas a las
otras y las cuales tienen una distribución de tamaños lo más amplia posible. No obstante, una buena porosidad requiere
niveles bajos de partículas finas, en tanto que las superficies de fundición lisas requieren niveles bajos de partículas
grandes; estos dos factores limitan la amplitud de la distribución de tamaños de las partículas. Una arena cuarzosa de
calidad alta típica consiste en granos redondeados cuya distribución de tamaños de las partículas es un compromiso
entre estas demandas, con al menos el 95% de las partículas estando dentro de ± 75% del tamaño medio y con menos
del 2% de las partículas estando por debajo de un cuarto del tamaño medio.
La combinación de propiedades físicas y químicas requeridas de una arena de fundición cuarzosa limita el número
de lugares en donde tales productos se producen de forma natural. Por lo tanto la arena puede requerir ser transportada
a lo largo de distancias considerables, haciendo a la arena de fundición cuarzosa más cara que la arena local ordinaria
para edificación. Muchos países, particularmente aquellos ubicados en las partes más secas del mundo tales como
el Norte de África y el Oriente Medio, carecen de fuentes autóctonas de cuarzo apropiado para uso como arena de
fundición y tienen que importar arena de fundición a un coste considerable desde el norte y el oeste de Europa.
Otro factor que limita el número de lugares que pueden suministrar arena de fundición cuarzosa es el hecho de
que mucha de la arena cuarzosa, por ejemplo, arena de playa, está contaminada con fragmentos de conchas o huesos
o partículas de piedra caliza que perjudican seriamente a los procesos de fundición. Dicho inconveniente se crea por
el hecho de que estos contaminantes pueden reaccionar con los ligantes empleados habitualmente y/o descomponerse
a las temperaturas empleadas normalmente para fundir metales.
El cuarzo no solamente presenta dificultades en cuanto a disponibilidad, sino que el empleo de cuarzo ha sido
asociado con problemas respiratorios. La Organización Mundial de la Salud (The World Health Organization) ha
clasificado oficialmente el polvo de cuarzo como cancerígeno. Por consiguiente, la arena cuarzosa es objeto de restricciones
y precauciones en el lugar de trabajo, y la arena usada, particularmente el polvo de los filtros de fundición
que contiene niveles elevados de polvo de cuarzo, es restringido de manera similar. Esto limita el empleo útil de arena
cuarzosa usada en hormigón y asfalto.
Otra falta asociada con el cuarzo es su coeficiente no lineal de dilatación térmica. El cuarzo sufre una transición
cristalina a alrededor de 560ºC la cual va acompañada de un aumento considerable de volumen. Dado que diferentes
partes del molde se hallan a temperaturas diferentes durante la colada, las mismas se dilatan irregularmente y desarrollan
fisuras, en las cuales puede penetrar metal fundido. Tras la colada, estas intrusiones de metal aparecen como
láminas muy delgadas que sobresalen de la colada y tienen que ser eliminadas mediante operaciones de acabado que
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llevan tiempo. En el peor e los casos la pieza fundida puede que tenga que ser rechazada. Este fenómeno, conocido
como “aleteadura” es la causa más común de chatarra en fundición metálica no férrica.
Del mismo modo que el cuarzo, las alternativas al cuarzo actualmente disponibles también son sospechosas de
dañar el medio ambiente. El olivino es altamente alcalino y contiene níquel, ambos pueden causar irritación en la piel
y los pulmones; junto con la cromita, ambos son considerados residuos tóxicos y hay que deshacerse de ellos en vertederos
especiales. El circón es ligeramente radiactivo, requiriendo precauciones en el lugar de trabajo y limitaciones
en el vertedero.
Las fuentes alternativas a la arena cuarzosa empleadas actualmente son mucho menores en número y la mayoría
están ubicadas fuera de las zonas en las que se hallan gran número de funderías; esto significa que las mismas soportan
cargas en los costes de transporte comparadas con la arena cuarzosa. Además, a diferencia de la arena cuarzosa, las
mismas tienen aplicaciones alternativas de gran valor. Por ejemplo, el circón y el olivino se emplean en la fabricación
de productos refractarios, mientras que la cromita es el mineral empleado en la fabricación del metal de cromo. Estos
factores hacen a estas arenas alternativas tanto como diez o veinte veces más caras que la arena cuarzosa y por lo tanto
son raramente empleadas como la arena exclusiva en una fundería.
Dadas las dificultades en la obtención de arena apropiada, es importante considerar la “vida” de la arena. Tras el
uso, la arena de fundición es o bien desechada, empleada para fines distintos al de la fundición tales como materiales de
construcción o reutilizada. Dado que la arena de fundición usada puede contener materiales orgánicos, ácidos y metales
pesados, las autoridades medioambientales normalmente insisten en que debe de ser vertida en un lugar aprobado para
residuos tóxicos; Esto aumenta de manera considerable los costes totales de la fundería relacionados con la arena.
Consideraciones económicas y medioambientales estimulan medidas para reducir al mínimo el uso neto de arena,
incluyendo la recuperación y reutilización de la arena reciclando los moldes y/o los machos usados. Por estas razones,
muchas funderías encuentran económicamente viable instalar un equipo que recupere y reutilice la arena usada.
La reutilización de arena usada requiere que sean eliminados lo más completamente posible materiales extraños
tales como coque y ligante residual. Los moldes y/o machos usados se rompen en agregados más pequeños y más fáciles
de manejar, empleando normalmente un tamiz vibratorio. A continuación se retiran el coque y el ligante residual.
El equipo de recuperación de arena normalmente emplea o bien métodos térmicos o métodos mecánicos.
La EP-A-0 107 752 describe un método y un dispositivo para tratar arena de fundición usada particularmente
procedente de mezclas de moldeo ligadas con resina sintética y reforzadas con partes metálicas, en donde, en primer
lugar la arena de fundición usada es desmenuzada en el recipiente vibrador, tamizada y/o cribada con tamiz de malla
ancha en el recipiente para obtener productos finos, de tamaño mayor y residuales. Los productos de tamaño mayor
y residuales son devueltos a la entrada del recipiente para un mayor desmenuzamiento y el producto fino es tamizado
muy finamente para producir la arena de fundición recuperada.
El tratamiento térmico conlleva el calentar la arena a 700ºC o más en un exceso de aire de manera que los ligantes
orgánicos se quemen. A continuación, la arena tratada se fluidifica en una corriente de aire para eliminar el polvo
antes de ser reutilizada. Dichos procesos térmicos eliminan residuos ligantes orgánicos mediante incineración; Estos
producen arena de calidad corriente pero consumen mucha energía, son costosos y no apropiados para todas las
combinaciones de arena/ligante. Además, estos conducen a emisiones de gases indeseables al medio ambiente (óxidos
de azufre, nitrógeno y carbono).
El rozamiento del estado de la técnica supone el frotamiento suave y repetido de los granos de arena los unos
contra los otros de manera que el ligante y el coque intersticiales adheridos con poca cohesión se conviertan en polvo.
Estos procesos mecánicos son menos costosos pero la calidad de la arena recuperada es inferior y su uso dentro de
la fundición a menudo es más restringido que el de arenas nuevas o recuperadas térmicamente. Tanto los métodos de
recuperación térmicos como mecánicos eliminan el polvo por medio de ciclones o lechos fluidificados.
La recuperación de arena usada es considerablemente complicada por el hecho de que para los moldes y machos
algunas veces se emplean diferentes tipos de arena. Una vez que se ha completado el proceso de moldeo, raramente es
factible separar los moldes y machos usados los unos de los otros, por lo que las distintas arenas empleadas para estos
dos fines llegan a mezclarse. Los métodos de reciclado del estado de la técnica son incapaces de separar esta mezcla
en sus partes componentes y las funderías que utilizan tanto arena no-cuarzosa cara como arena cuarzosa más barata
deben por lo tanto comprar constantemente arena no-cuarzosa nueva y cierta cantidad de arena cuarzosa.
En otros casos, las funderías que prefirieran utilizar y reciclar dos clases de la misma arena, por ejemplo, una para
fabricar el molde y otra de diferente distribución de tamaños de partículas para fabricar el macho, son incapaces de
hacerlo porque las limitaciones de los métodos de reciclado del estado de la técnica no permiten que dichos materiales
muy similares sean separados fácilmente. Por lo tanto deberán o bien optar por arriesgarse seleccionando y reciclando
una clase de arena para todos los propósitos, o comprar constantemente arena nueva para una de las aplicaciones y
utilizar un producto mezclado reciclado menos óptimo para la otra.
La proporción de arena que puede ser reciclada puede estar limitada también por el sistema ligante empleado, dado
que algunos ligantes reaccionan con el cuarzo a las temperaturas de moldeo; estos incluyen algunos de los ligantes
más comúnmente empleados que contienen materiales altamente alcalinos tales como silicato de sodio o mezclas
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de resinas fenólicas con álcalis caústicos. Estas resinas ligantes son difíciles de eliminar ya sea por rozamiento o
tratamiento térmico y, cuando se calientan mediante reciclado térmico o moldeo subsiguiente, puede reaccionar con la
arena para formar silicatos de bajo punto de fusión que ponen en peligro las características refractarias de la arena.
Además, las funderías están limitadas en su elección de métodos de clasificación para el reciclado de arena y no
pueden emplear de manera económica métodos originalmente empleados en la producción a gran escala de arena
de fundición. La clasificación por vía húmeda tiene unos costes de explotación excesivamente altos y produce aguas
residuales que plantean riesgos medio ambientales. Los tamices son difíciles y costosos de utilizar con materiales
finos y, a menos que los fracciones de productos se vuelvan a mezclar cuidadosamente, fracasarán en la producción de
productos cuyas distribuciones de tamaños de las partículas proporcionen unas características de rellenado óptimas.
Resumen de la invención
En vista de lo anterior, un objeto de la presente invención es el de superar las dificultades en la obtención de arena
de fundición de calidad apropiada a través de un método de producción de arena de fundición a partir de materiales
alternativos y previendo el reciclado de dicha arena.
Otro objeto de la invención es el de lograr un control preciso tanto de la forma de las partículas como del tamaño
de las partículas mediante la combinación de un procedimiento de oolitización mecánico seguido de una clasificación
por corriente de aire.
Otro objeto de la invención es un método que permite el uso de materiales cuarzosos y no-cuarzosos, más baratos
y disponibles en la zona, considerados antes inapropiados para arena de fundición.
Otro objeto más de la invención es un método para el reciclado de moldes y coladas para separar y recuperar la
arena contenida en los mismos para su reutilización.
Adicionalmente, se describe un sistema de clasificación de partículas que permite la recuperación simultánea de
dos o más clases de arena de fundición de calidad a partir de una única corriente de entrada.
De acuerdo con este y otros objetos, la presente invención está dirigida a la combinación de una unidad de rozamiento
partícula con partícula de energía controlada seguido de un clasificador multi-fracción. El material entrante
en forma de partículas que puede constituir materia prima o arena usada procedente de machos y moldes, se coloca
dentro de la unidad de rozamiento de energía controlada donde las partículas chocan las unas con las otras. A través
de estos choques, las aristas, proyecciones superficiales y revestimientos de las partículas son eliminadas pero las
partículas propiamente dichas no son trituradas. El procedimiento de oolitización redondea y limpia las partículas,
produciendo una corriente de arena que tiene partículas que abarca una distribución de tamaños más amplia. Después,
la corriente de arena es dirigida a través del clasificador multi-fracción en donde la arena es clasificada en dos o más
clases utilizables de arena de fundición.
Estos y otros objetos de la invención así como muchas de las ventajas deseadas de la misma, se harán más fácilmente
evidentes al hacer referencia a la descripción siguiente en conjunción con los dibujos que se acompañan.
Breve descripción de los dibujos
La Figura 1 es un esquema de una planta apropiada para producir arena de fundición redondeando y clasificando
partículas de acuerdo con la presente invención;
La Figura 2 es un esquema de un oolitizador apropiado para uso en la presente invención;
La Figura 3 es un esquema mostrando un clasificador por corriente de aire apropiado para uso con la presente
invención;
La Figura 4 muestra un clasificador por corriente de aire apropiado para uso con la presente invención;
La Figura 5 es un gráfico que representa la gama de tamaños de partículas frente a la distancia en los ensayos
llevados a cabo empleando el clasificador por corriente de aire preferido de la Figura 4 sin una sección de tamizado o
un alimentador de tamizador vibratorio;
La Figura 6 es un gráfico que representa la gama de tamaños de partículas frente a la distancia empleando el
clasificador por corriente de aire en la Figura 4 con una sección de tamizado en su sitio y sin un alimentador de
tamizador vibratorio;
La Figura 7 es un gráfico comparativo del rendimiento del clasificador por corrientes de aire preferido a tres
velocidades de alimentación con una sección de tamizado en su sitio, y
La Figura 8 ilustra un dispositivo de entrada de aire a una sección receptora de acuerdo con el clasificador por
corrientes de aire.
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Descripción detallada de las realizaciones preferentes
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Al describir una realización preferente de la invención ilustrada en los dibujos, para una mayor claridad se recurrirá
a una terminología específica. No obstante, no se pretende que la invención se limite a los términos específicos
seleccionados de ese modo y se sobrentenderá que cada término específico incluye todos los equivalentes técnicos que
actúen de una manera similar para lograr un propósito similar.
La arena de fundición puede definirse de acuerdo con una serie de características, las cuales la hacen apropiada
para su uso en fundición. Estas incluyen el que dichas arenas estén especialmente exentas de polvo, es decir, partículas
por debajo de 75 µ, compuestas de granos redondeados más que angulares, que tengan una distribución de tamaños de
partículas en donde al menos el 85% de las partículas se halle entre 0,5 y 1,5 del diámetro medio y resistan la abrasión.
Los minerales empleados para arena de fundición deben tener una alta resistencia a la tracción, y una temperatura
de sinterización suficientemente elevada, y no debe ser sometido a alteración química alguna que pueda hacer que se
desprenda gas durante la colada.
La mayor parte de la arena de fundición se selecciona a partir de depósitos de arenas de granos redondos que se
encuentran de forma natural, de los cuales la sílice (cuarzo) es por mucho el más común. No obstante, la presente
invención describe lo satisfactoria que puede hacerse la arena de fundición a partir de una gama muy amplia de
minerales que se encuentran de forma natural. Dicha arena se caracteriza por:
(i) contener menos del 10% de cuarzo cristalino y pertenecer a la familia del feldespato y tener aproximadamente
la fórmula XAI (1−2)Si (3−2)O 8 en donde X puede ser sodio, potasio o, preferentemente calcio, hierro o
magnesio, o una mezcla de dichos cristales;
(ii) componerse de cristalitos de un tamaño menor de 1 mm y preferentemente menores de 0,2 mm;
(iii) tener un punto de sinterización del material en polvo (definido como la temperatura T s, a la cual Una
muestra dispuesta en un dilatómetro Netzsch ® muestra un volumen un 1% menor que a una temperatura
Ts-30ºC) de al menos 750ºC y preferentemente a más de 1000ºC;
(iv) tener una dilatación térmica de menos de un 0,5% entre 150ºC y 750ºC, medida sobre polvo comprimido
en un dilatómetro Netzsch ® ;
(v) tener una dilatación térmica entre 150 y 750ºC, medida sobre polvo comprimido en un dilatómetro Netzsch ®
de manera que la dilatación a una temperatura de T+30ºC no sea más de un 0,02% mayor que a la temperatura
T;
(vi) tener una resistencia a la compresión uniaxial de al menos 70 megaPascals medida sobre una muestra
sólida;
(vii) tener una pérdida de peso al ser calentada en nitrógeno a 100ºC durante 2 minutos de menos de 0,5%;
(viii) Tener una pérdida de peso al ser calentada en nitrógeno a 800ºC durante 2 minutos de menos de 1,5%;
(ix) Tener una dureza en la escala Moh de al menos 5;
(x) contener menos de un 5% de los metales de transición cobalto, níquel, manganeso y cromo; y
(xi) tener un pH de entre 3,5 a 9,1 medido mediante ISO 10390:1994(E).
Una arena que tenga estas características puede definirse como apropiada para uso como arena de fundición. Aun
cuando una serie de minerales que cumplen estas especificaciones se halla fácilmente disponible a precios atractivos,
muchos nunca han sido utilizados como arena de fundición. La invención descrita aquí es por lo tanto una mejora
considerable sobre el estado de la técnica dado que la misma amplía enormemente el número de materias primas que
pueden emplearse para producir arena de fundición. Los materiales apropiados incluyen pero no se limitan a: basalto,
anortita, oligoclasa, gehlenita, epidota, corderita y augita.
Los minerales de la familia del feldespato son sumamente comunes y se dice que constituyen tanto como el 60%
de todos los minerales. Las arenas de fundición aquí descritas, como producidas de acuerdo con la presente invención,
pueden por lo tanto producirse a partir de una gama de materias primas mucho mayor y más ampliamente disponibles
de materias primas que la arena basada en el cuarzo que se está suministrando actualmente a la mayoría de las funderías.
El uso de dichos materiales alternativos conducirá a una reducción considerable de los costes de obtención y de
empleo de arena de fundición, especialmente para aquellas funderías situadas lejos de una fuente de arena cuarzosa de
buena calidad.
Las arenas de fundición de feldespato descritas en esta invención resultan particularmente ventajosas para su uso
en funderías que actualmente empleen arena cuarzosa, ya que su uso reducirá la cantidad de partículas de cuarzo en
el aire, mejorando de ese modo el entorno de trabajo y reduciendo el riesgo de enfermedades respiratorias. La arena
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usada y el polvo del filtro de los productos descritos no contiene cuarzo o muy poco y puede ser empleado sin riesgo
en aplicaciones tales como asfalto y hormigón.
Dado que los mismos no son ni muy básicos ni radiactivos y contienen pocos metales de transición o ninguno,
los productos de arena producidos de acuerdo con esta invención proporcionan beneficios al medio ambiente y a los
lugares de trabajo comparados con las alternativas actuales a la arena cuarzosa actualmente de uso comercial. Los
productos aquí descritos son además, en virtud de su ubicuidad, muchos más baratos que dichas alternativas.
Los productos producidos de acuerdo con la presente invención se caracterizan por tener (i) una distribución según
el tamaño de las partículas en donde menos del 2% de la masa, y preferentemente menos del 1% de la masa es menor
que una cuarta parte de la media ponderada del tamaño de partícula y menos del 5% de la masa, y preferentemente
menos del 2% de la masa, es mayor que tres veces la media ponderada del tamaño de partícula; (ii) un tamaño de
partícula medio de media ponderada de menos de 1,5% mm y oolitizado de manera que las partículas cohesionen
suficientemente bien para proporcionar una densidad volumétrica que sea al menos del 55%, y preferentemente del
60% o mayor, de la densidad de la piedra a partir de la cual se producen; y (iii) y la pérdida por incineración de menos
de un 3% y, preferentemente, menos del 2%.
Quizá la mayor ventaja de la presente invención es el descubrimiento inesperado de que las coladas llevadas a cabo
empleando machos y/o moldes fabricados de productos que tienen estas características y ligantes hechos de resinas
sintéticas o de silicato sódico se benefician de una proporción reducida de rebabas y costes más bajos asociados con
las operaciones de acabado. Esto es debido al hecho de que las arenas de feldespato tienen coeficientes de dilatación
térmica más bajos y más uniformes que el cuarzo, especialmente en la gama de temperaturas entre 100-700ºC.
I. La Preparación de Arena de fundición de Calidad a partir de Piedra Triturada
La presente invención comprende una técnica para producir arena de fundición apropiada a partir de materiales
de partida no considerados hasta ahora utilizables en fundición. Esto se logra mediante un proceso de dos etapas que
incluye (i) tratamiento, preferiblemente repetido una o más veces, en un impactor de energía controlada que hace que
las partículas se choquen o froten las unas contra las otras de manera que las aristas o irregularidades superficiales
se desprendan sin que las propias partículas se choquen; seguido de (ii) una clasificación para separar el producto
arenoso resultante en uno o más productos de clase de fundición y uno o más productos secundarios. La clasificación
puede lograrse con aire o agua como el medio dinámico o en una estación de tamizado con los tamices necesarios para
proporcionar la distribución según el tamaño de las partículas.
En una realización básica tal como la mostrada en la Figura 1, la presente invención está dirigida a una planta
apropiada para convertir un mineral apropiado física y térmicamente en dos o más clases de arena de fundición. La
planta incluye un impactor de energía controlada u oolitizador 20, y un clasificador 30 que tiene al menos dos y
preferiblemente tres o más cámaras, mostradas en la Fig. 1 como P1, P2, P3, con salidas de producto asociadas. El
oolitizador 20 se hace funcionar en todo momento a una velocidad mayor que el clasificador 30 siendo devuelto el
exceso al oolitizador para repetir el rozamiento.
La Figura 1 ilustra una planta capaz de mejorar las partículas secas de un diámetro por debajo de 1 mm, un residuo
de tamiz de una operación de triturado de piedra, en dos clases de arena apropiada para uso en funderías. La planta
se compone de dos circuitos de procesado, un circuito de oolitización, A, y un circuito de clasificación, B, siendo
accionado el circuito B con una producción neta inferior que el circuito A. Es aconsejable que la alimentación en
el oolitizador contenga menos del 10% en peso de partículas que sean dos veces mayores que el tamaño medio del
producto de arena de fundición más grande a fabricar en el circuito B. Esto puede lograrse fácilmente tamizando o
retornándolo previamente en un triturador apropiado.
El circuito A incluye un silo de almacenamiento S 1; un oolitizador 20 de energía controlada; un Transportador
T1, para llevar la alimentación desde S1 hasta un oolitizador 20 de energía controlada; y un transportador, T2, para
transportar material desde el oolitizador hasta el clasificador. El oolitizador de energía controlada puede ser materializado
por un Duopactor 3000 SD Barman ® , mostrado representativamente en la Figura 2. Tal como se muestra en la
Figura 2 el triturador Barmc ® tiene una tolva de alimentación 21 que centraliza el flujo del material de entrada. Un
estrangulador en la placa de control controla el flujo de material hacia el rotor 24. El exceso de material incapaz de
fluir a través del rotor 24 se desborda a través de las salidas en cascada 23. Regulando el estrangulador 22, el flujo de
material que cae en cascada a través de las salidas 23 puede aumentarse.
El rotor 24 acelera el material de entrada y descarga de forma continua dicho material en las cámaras trituradoras
25. Adicionalmente, dentro de la cámara trituradora 25, el material que cae en cascada combina otra vez con el material
acelerado por el rotor. Una nube constante de partículas suspendidas se mueve alrededor de la cámara trituradora 25.
Las partículas son retenidas durante un periodo medio de 5-20 segundos antes de perder energía y caer de la cámara.
Las velocidades de salida de las partículas que salen de la cámara 25 están comprendidas entre 50-85 m/s. A medida
que el material sale de la cámara, el mismo es dirigido por el transportador T2 al circuito de clasificación, circuito B.
El circuito B incluye un clasificador por corriente de aire 30; un transportador T3, para transportar el exceso de
material oolitizado de nuevo al S1; un transportador T 4, para transportar las partículas clasificadas más grades (extra
grandes) desde el P 1 hasta el S 1; un transportador T 5, para transportar arena de fundición media desde P 2 hasta el
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depósito de almacenaje; un transportador, T6, para transportar arena de fundición fina desde P3 hasta el depósito
de almacenaje (mostrado aquí como ensacado), un ciclón 40 para eliminar las partículas mayores de 0,1 mm por la
corriente de aire; y un transportador T7, para transportar las partículas separadas por el ciclón al depósito de almacenaje
de polvo de fundición fino. El clasificador por corriente de aire incluye una unidad de humidificación turbulenta E,
una rejilla vibratoria V para asegurar una distribución de alimentación uniforme en el clasificador, y tres cámaras de
producto P1, P2 y P3.
Durante una serie de operaciones de la planta representada en la Figura 1, el oolitizador 20 fue equipado con un
motor de 10kW con una velocidad de flujo de 8m 3 /h desde el S1. El estrangulador 22 (separador de alimentación)
del oolitizador se ajustó de manera que dos tercios de la alimentación caían céntricamente en el rotor 24 en tanto que
el tercio restante caían como una cascada exterior al rotor a través de las salidas en cascada 23. El rotor se puso en
funcionamiento a la velocidad máxima.
En el circuito clasificador, el circuito B, el material oolitizado fue alimentado de modo uniforme a través de la
anchura del clasificador a una velocidad de flujo de 0,6 litros/segundo. La rejilla vibratoria fue accionada con una
frecuencia de 50 Hz y una amplitud de 1,5 mm, siendo la longitud de las cámaras P1, P2 y P3 de 220 mm, 760 mm y
850 mm, respectivamente. El flujo de aire fue de 2,1 m/segundo. Estas condiciones produjeron fracciones anortosíticas
que tienen las distribuciones según el tamaño de las partículas según se expone en la Tabla 1.
TABLA 1
Fracción tamiz, mm Materia prima a Arena fundición media Arena fundición fina Polvo filtro
> 0,6 mm 15% 10% 1% 0
0,3 - 0,6 mm 50% 42% 9% 0
0,15 - 0,3 mm 23% 38% 53%

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La Tabla 3 compara las propiedades de la arena cuarzosa ordinaria con las de una arena no-cuarzosa fabricada a
partir de anortosita de acuerdo con el método de esta invención.
TABLA 3
Propiedades de una arena no-cuarzosa (anortosita) hecha según la invención y resultados típicos de su uso
Propiedad Tipo de arena Anortosita a Cuarzo nuevo b
Expansión térmica 20-750ºC 0,41% 0,65%
Modo de expansión Lineal Discontinua a 560ºC
Temperatura de sinterización, ºC 1.110 1.020
Tamaño de grano medio, mm 0,31 0,28
Proporción rebabas fundición 2,2% 3,1%
Partículas cuarzo por m 3 < 0,1 mg 2,6 mg
Consumo ligante por unidad volumen 1 1,15
a De Nodest AS quarry en Hauge i Dalane, Noruega b Baskarp 28
La presente invención abarca la preparación de arena de calidad de fundición a partir de la piedra triturada de
materiales no-estándar, y el reciclado de arena de fundición incluyendo machos y moldes usados para recuperar dos o
más clases de arena de fundición utilizable. Cada uno de estos aspectos será tratado en su momento.
II. Arena de Fundición Reciclada y la Recuperación de Dos o Más Productos de Clase de Fundición
En la recuperación de arena procedente de machos y moldes, la primera etapa consiste en triturar estos machos
y moldes en agregados, típicamente de un tamaño de partícula máximo de 5 mm. Estos agregados se hacen pasar a
continuación a través de la unidad de rozamiento 20 de energía controlada. Representativamente, el impactor 20 puede
ser materializado como el Duopactor ® Barmac o un triturador de cono inercial Rhodax ® , accionado de manera que al
menos el 80-90% del producto resultante tenga un tamaño de partícula de menos de 1 mm y un contenido de partículas
menores de 75 µ no mayor del 12%. Durante esta fase de rozamiento, al menos el 20% de cualquier ligante orgánico
que revista la superficie de la arena es reducido a partículas finas. A continuación, la arena tratada es clasificada, por
ejemplo, en un clasificador 30 tal como se ha descrito en relación con la Figura 1.
En el clasificador 30, las partículas individuales caen según su resistencia al avance por unidad de masa de manera
que partículas con resistencia al avance por unidad de masa similar se concentren las unas con las otras. Las partículas
cuya resistencia al avance por unidad de masa sea lo bastante para permitirles que caigan al suelo desde la cámara de
clasificación se separen en al menos tres fracciones en virtud de las tres cámaras o secciones receptoras P1, P2, P3, con
salidas de producto tal como se muestra. Estas partículas cuya resistencia al avance por unidad de masa es tan grande
que no llegan a alcanzar el suelo de la cámara, salen junto con la corriente de aire y son eliminadas en el ciclón 40
y/o filtro de aire. La velocidad del aire a través de la cámara y/o la posición de las paredes divisorias que definen las
secciones receptoras son alteradas según se requiera. En el caso mínimo en el que el clasificador se compone de tres
secciones receptoras, la primera sección receptora, P1, producirá una fracción extra grande, que es devuelta a la unidad
de rozamiento 20 de un circuito de reciclado de arena. La segunda y tercera secciones P 2 y P 3 producen los productos
más gruesos y más finos, respectivamente.
Tal como se muestra en la Figura 3, el material del impactor 20 puede ser clasificado empleando un clasificador de
cuatro derivaciones, con una cámara de 1 m de altura y 1,2 m de anchura. Los productos pueden prepararse empleando
un flujo de aire de al menos 1.0 M 3 seg −1 y preferentemente entre 1,3-2,5 M 3 geg −1 por metro cuadrado de sección
transversal de cámara, para producir los materiales clasificados siguientes:
i) una fracción extra grande que se recoge en la primera sección receptora “+” cuya boca se extiende desde
(-10 cm) hasta + 30 cm desde un punto inmediatamente por debajo de aquel en el cual la alimentación cae
en la cámara;
ii) un producto de partículas grandes que se recoge en la segunda sección receptora A cuya boca se extiende
desde +30 cm hasta +70 cm desde un punto inmediatamente por debajo de aquel en el cual la alimentación
cae en la cámara;
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iii) un producto de partículas pequeñas que se recoge en la sección receptora B cuya boca se extiende desde
+70 cm hasta +120 cm desde un punto inmediatamente por debajo de aquel en el cual la alimentación cae
en la cámara; y
iv) un polvo de fracciones (finas) que se recoge en las secciones receptoras C (120-160 cm) desde el punto de
entrada de la alimentación y el filtro de aire.
La Tabla 4 ilustra las distribuciones según el tamaño de las partículas de las fracciones hechas mediante la aplicación
de esta invención para la recuperación de dos arenas de tamaños de grano medio de 0,18 y 0,45 mm en un
clasificador de tres cámaras a partir de arena mezclada reciclada.
TABLA 4
Intervalo de tamiz Tamaño grande Producto más grueso Producto más fino Polvo del filtro
< 105 µ 1% en peso 2% en peso 5% en peso 90% en peso
105 - 150 µ 48% en peso 7% en peso
150 - 210 µ 3% en peso 34% en peso
210 - 300 µ 5% en peso 8% en peso 12% en peso 3% en peso
300 - 420 µ 28% en peso 1% en peso 0 a
420 - 600 µ 16% en peso 42% en peso 0 a 0 a
600 - 840 µ 61% en peso 15% en peso 0 a 0 a
> 840 µ 16% en peso 2% en peso 0 a 0 a
a < 0,5% del peso
Muchas funderías que funden piezas de alta precisión fabrican los elementos de machos críticos a partir de una
arena fina cara, de baja dilatación que contiene poco o ningún cuarzo, mientras que para los moldes de menor exigencia
emplean arena cuarzosa más barata. El empleo de arenas de baja dilatación permite a las funderías fundir piezas con
mayor precisión y cumplir con tolerancias más reducidas que en el caso de emplear arenas cuarzosas. No obstante,
Los métodos de reciclado del estado de la técnica no distinguen entre la diferente arena y el material caro no puede ser
recuperado y reutilizado ya que la contaminación por una cantidad bastante pequeña de cuarzo puede efectivamente
descalificar a dicha arena para su uso en la fabricación de machos. Esto se agrava por el hecho de que la arena fina de
baja dilatación normalmente es una sustancia de mayor densidad relativa que el cuarzo, tal como una cromita o circón,
por ejemplo.
El método de la presente invención puede emplearse para separar dichas mezclas siempre que la fundería seleccione
arena cuarzosa que tenga un tamaño de grano medio al menos dos veces, y preferiblemente al menos dos veces y media
mayor que el de la otra arena. Además, la arena cuarzosa deberá contener (por ejemplo, mediante preclasificación)
menos de un 10% y preferiblemente menos de un 3% de partículas que sean menores que una vez y media el tamaño
medio de la cromita o de la arena de circón.
Para reducir al mínimo el solapamiento de las curvas de distribución de tamaño de los dos productos y la contaminación
de una arena por la otra, entre las tolvas de los productos más gruesos y más finos puede introducirse una tolva
receptora adicional, aumentando con ello el número de fracciones hasta cinco, tal como sigue:
a) partículas extra grandes que son devueltas a la unidad de frotamiento de energía controlada;
b) partículas de arena cuarzosa de grueso único;
c) una fracción intermedia que se compone de partículas de cuarzo y algunas partículas gruesas o la arena de
cromita o de circón; esta fracción es eliminada y dispuesta para fines distintos al de la fundición;
d) una fracción compuesta principalmente de arena de cromita o de circón; y
e) una fracción fina compuesta principalmente de partículas de un tamaño por debajo de 0,1 mm.
La Tabla 5 ilustra cómo una distribución en cinco fracciones puede afectar a las distribuciones de tamaños en
la práctica, empleando la misma alimentación que antes. El empleo de arena baja en cuarzo o sin cuarzo reduce la
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cantidad de partículas de cuarzo en el aire lo cual mejora el entorno de trabajo y reduce la incidencia de enfermedades
respiratorias, a la vez que la posibilidad de emplear minerales de contenido bajo en cromo, níquel y/o manganeso
reduce al mínimo el riesgo potencial planteado a la polución de la tierra y el agua por la arena residual que puede ser
desechada en un vertedero
TABLA 5
Intervalo de tamiz Tamaño Producto más Fracción Producto más Polvo del
grande grueso intermedia fino filtro
0 - 53 µ 1% en peso 58% en peso
53 - 75 µ 3% en peso 7% en peso 34% en peso
< 105 µ 3% en peso 3% en peso 20% en peso 7% en peso
105 - 150 µ 3% en peso 34% en peso 1% en peso
150 - 210 µ 10% en peso 29% en peso
210 - 300 µ 4% en peso 43% en peso 8% en peso 0 a
300 - 420 µ 3% en peso 29% en peso 29% en peso 1% en peso 0 a
420 - 600 µ 16% en peso 44% en peso 10% en peso 0 a 0 a
600 - 840 µ 60% en peso 17% en peso 2% en peso 0 a 0 a
> 840 µ 18% en peso 2% en peso 0 a 0 a 0 a
a < 0,5% del peso
La arena que contiene al menos un 50% de la masa de partículas de un tamaño menor de 2 mm y menos de 1-2% de
caliza o fragmentos de hueso o conchas puede convertirse en calidad de arena de fundición procesándola como se ha
descrito con anterioridad. Si solamente se requiere una clase de arena de fundición, la planta de clasificación descrita
más arriba contendrá solamente tres cámaras, una para cada uno de los tamaños: extra grande, arena de fundición y
tamaño menor del normal.
La arena que se compone principalmente de elementos no-alcalinos o ligeramente alcalinos pero que sin embargo
contienen una pequeña cantidad de sustancias más fuertemente alcalinas tales como caliza, fragmentos de conchas,
wollastonita, etc., en cantidad suficiente para afectar a su uso posterior, deberá ser pre-tratada como sigue antes de ser
introducida en el circuito de reciclado de arena.
En primer lugar, se añade una cantidad suficiente de una solución que contiene de un 10 a un 60% de un ácido
mineral, preferiblemente ácido sulfúrico o nítrico para humedecer homogéneamente la arena y reducir el valor-pH de
una mezcla de una parte de arena tratada de ese modo y tres partes de agua hasta entre 5 y 6. Después, la arena se
seca hasta menos de un 0,5% de materia volátil. En segundo lugar, la arena se trata repetidamente en una unidad de
rozamiento, tal como el Duopactor ® Barman, hasta que su contenido de partículas menores de 75 µ haya aumentado al
menos en un 3% y preferiblemente en más de un 5% más que el contenido de dichas partículas antes del rozamiento.
La adición de mineral ácido convierte la caliza y otros contaminantes en moieties que pueden reducirse a polvo
durante la etapa de rozamiento de alta energía que sigue. Estos contaminantes no son eliminados de manera efectiva
si dicha arena no es pre-tratada de la manera descrita.
Aunque es particularmente útil como parte de un reciclado de arena de fundición, resulta obvio si este procedimiento
puede dividirse en dos etapas, es decir, pre-tratamiento de arena en un lugar para su procesado posterior en otro. La
combinación de pre-tratamiento con ácido, rozamiento de energía controlada y clasificación pueden utilizarse también
para tratar de preparar arena cuarzosa calcárea y para otros fines distintos de los de producir arena de fundición.
Tal como se muestra en la Tabla 6, la invención descrita aquí es una mejora considerable sobre los procesos de
reciclado del estado de la técnica dado que la misma conduce a la producción de arena que cohesiona mejor, tiene un
contenido de polvo más bajo y requiere menos ligante para fabricar moldes refractarios (influyendo machos) que la
recuperada usando métodos convencionales. Además, la porción de recuperación es mayor que con los métodos de
estado de la técnica. Además, los métodos de reciclado convencionales son de eficacia limitada cuando se utilizan para
recuperar arena de fundición que contiene residuos de ligantes alcalinos.
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TABLA 6
Resultados típicos de diversos métodos de reciclado de arena de fundición
Método de recuperación Esta invención Térmico Mecánico
Característica
Partículas < 0,2 x d50 de arena Máximo 1% 2 - 5% 2 - 5%
Partículas > 2,5 x d 50 de arena Máximo 1% Máximo 1% 1 - 3%
Proporción de recuperación a 92 - 95% 85 - 95% 85 - 95%
Limitaciones sobre reuso ninguna ninguna sí b
Emisiones al aire prácticamente ninguna polvo de CO 2, SO x, NO x prácticamente ninguna
Densidad de relleno de la arena 1 0,95 - 0,98 0,93 - 0,97
Consumo de ligante específico 1 1,03 - 1,05 1,05 - 1,10
a Comparado con la alimentación; la pérdida es polvo del proceso de percusión
b Difícil de usar si el pH de la arena difiere del sistema de ligante en más de 4 unidades
En algunos casos, la superficie del propio mineral puede contener pequeñas inclusiones de sustancias que reaccionan
desfavorablemente con el sistema ligante tal como puede ocurrir con algunos minerales alcalinos y sistemas
ligantes que emplean catalizadores ácidos o contienen isocianatos. Esto puede remediarse añadiendo una cantidad de
una solución que contenga de un 5% a un 50% de un ácido, preferentemente un ácido aril-sufónico o aril-alkilsufónico,
un ácido alifático tal como ácido acético o fórmico, un ácido aromático tal como ácido benzóico o un ácido mineral
tal como ácido sulfúrico, nítrico o ácido fosfórico, o las sales amónicas de estos ácidos, disueltas en agua o alcohol,
a la arena acabada, es decir, tras el rozamiento y la clasificación. En caso necesario la arena deberá secarse, aunque
el efecto del transporte y del almacenaje normalmente será suficiente para llevar a cabo la eliminación necesaria de
volátiles. La cantidad añadida deberá ser tal que la arena sea humedecida homogéneamente y tratada con ácido, y que
una dispersión de la arena en agua no provoque un pH mayor de 7,5.
Para optimizar la recuperación de arena de fundición que contiene residuos ligantes elásticos, puede ser necesaria
otra forma de pre-tratamiento. Este puede ser el caso si las partes del molde no han sido calentadas durante la colada
a temperaturas que sean suficientes para aquebradizar la resina que aglutina la arena tal como puede ocurrir a la
hora de fundir metales ligeros. Dicha arena normalmente debe ser recuperada por medios térmicos, con todo lo que
ello implica en términos de costes y emisiones incrementados. No obstante, haciendo uso de la presente invención,
dicha arena puede ser recuperada eficazmente calentando la arena a una temperatura y durante un periodo de tiempo
suficiente para llevar a cabo dicho aquebradización, por ejemplo 300ºC durante dos minutos. A continuación, la arena
puede ser tratada de acuerdo con los procedimientos descritos aquí, incluyendo un pre-tratamiento adicional con ácido
si es necesario, para eliminar los residuos de ligantes.
La presente invención puede llevarse a la práctica empleando una diversidad de clasificadores juntamente con un
oolitizador, tal como ha sido descrito. No obstante, según una realización preferente, se emplea un clasificador por
corriente de aire. Más particularmente, la presente invención se realiza mejor empleando un clasificador por corriente
de aire tal como se describirá más completamente a continuación.
III. Descripción de un Clasificador por Corriente de Aire Preferido
El Clasificador por corriente de aire preferido incluye una cámara de clasificación dispuesta horizontalmente que
tenga un extremo corriente arriba y un extremo corriente abajo. Los extremos corriente arriba y corriente abajo permiten
al aire fluir dentro y fuera de la cámara, respectivamente. Adyacente al extremo corriente abajo de la cámara va
colocado un dispositivo de aspiración de aire para arrastrar aire a través de la cámara desde el extremo corriente arriba
para crear una corriente de aire en la cámara. A través de una entrada de corriente de alimentación situada en una parte
superior de la cámara se alimenta materia de partículas dentro de la cámara próxima al extremo corriente arriba. Las
partículas que entran en la cámara son arrastradas dentro de la corriente de aire de la cámara.
El clasificador por corriente de aire preferido incluye además una sección tamizadora situada adyacente al y
corriente arriba del extremo corriente arriba de la cámara, y un dispositivo en colmena situado adyacente a y corriente
arriba de la sección tamizadora. El aire que entra en la cámara pasa primero a través del dispositivo en colmena y a
continuación a través de la sección tamizadora. El dispositivo en colmena quita el remolino en del aire y la sección
tamizadora reduce la velocidad de las porciones del aire que se mueven más rápidamente más que las porciones que se
mueven más lentamente. Como resultado, el perfil de velocidad del aire calmado es mucho más constante a través de
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toda la trayectoria de flujo. Las partículas introducidas en la cámara a través de la entrada de corriente de alimentación
son arrastradas en el aire calmado a medida que el mismo sale de la sección tamizadora.
En un dispositivo de corriente arriba a corriente abajo a lo largo de la parte inferior de la cámara van dispuestas
en serie una pluralidad de secciones receptoras. A medida que las partículas arrastradas en la corriente de aire de la
cámara caen, dichas partículas son recogidas en las secciones receptoras. Las partículas más grandes y/o más pesadas
caen más pronto y son recogidas en secciones receptoras más próximas de la entrada de corriente de alimentación,
mientras que las partículas más pequeñas/más ligeras siguen siendo arrastradas durante un periodo de tiempo más
largo y son recogidas en secciones receptoras más próximas al extremo corriente debajo de la cámara.
En una realización preferente, la entrada de corriente de alimentación incluye un alimentador de tamiz vibratorio
el cual asiste en la separación de las partículas finas de las partículas grandes a la entrada, permitiendo que el aire actúe
sobre las partículas más individualmente, y reduciendo la cantidad de partículas finas de otro modo introducidas en
las secciones receptoras destinadas a recoger las partículas más grandes. Además, un flujo de aire hacia arriba puede
introducirse dentro de las secciones receptoras, moderado por tamices colocados encima de las entradas de aire, para
retener más de las finas arrastradas y trasladarlas hacia las secciones receptoras apropiadas.
A través del dispositivo en colmena y el dispositivo de la sección tamizadora en el extremo corriente arriba de la
cámara, combinados con el arrastre de aire a través del clasificador por aspiración, la turbulencia de aire se reduce y,
particularmente cuando son combinados con una separación mayor de la corriente de alimentación de entrada mediante
vibración, la presente invención hace una clasificación más precisa de posible materia de partículas.
En la Figura 4 se muestra representativamente el clasificador por corriente de aire preferido. Este clasificador por
corriente de aire 30 puede configurarse para su funcionamiento tal como se mostró en a Figura 3.
El aire es arrastrado hacia la cámara 12 del clasificador a través de un dispositivo de colmena 14, el cual va seguido
de al menos un tamiz 16. Las partículas caen desde la corriente de aire hacia una de una pluralidad de secciones
receptoras 20. Para arrastrar el aire, en el extremo de salida del ventilador se coloca un soplador (no mostrado), detrás
de los filtros de bolsa (no mostrados). El extremo de aspiración del ventilador va sujeto al extremo de salida del
clasificador, arrastrando aire a través del clasificador. Esto permite que todo el aire sea arrastrado hacia dentro desde
el espacio o atmósfera exterior al clasificador, donde el aire está bastante en calma comparado con el aire en los
dispositivos del estado de la técnica en los que el aire es reciclado o forzado dentro del clasificador por un ventilador
o soplador. Como resultado, el proceso de eliminación de turbulencias y remolinos en la corriente de aire de entrada
para obtener una velocidad uniforme del aire del clasificador que prácticamente no contenga remolinos ni turbulencias
se simplifica enormemente. Para reducir los remolinos se emplea un dispositivo de colmena, y debido a los pocos
remolinos en el aire de entrada como resultado de la presente invención, es posible emplear dispositivos de colmena
14 con una relación de longitud de celda con respecto al diámetro de celda (L/D) de 4 solamente para llevar a cabo la
eliminación de la pequeña cantidad de remolinos.
El tamaño de la celda del dispositivo en colmena deberá ser menor que un décimo de la altura de la corriente de
aire longitudinal. La función se mejora si el tamaño de la celda es menor y a menudo puede ser 1/30-1/200 de la altura
de la corriente de aire.
En comparación con los clasificadores del estado de la técnica, el dispositivo en colmena 14 de la presente invención
se coloca delante de la sección tamizadora 16. Esta colocación es deseable porque los separadores sólidos entre
las celdas abiertas del dispositivo de colmena generan estelas turbulentas en el aire que pasa por encima de ellos. La
extensión de esta turbulencia es mayor que la turbulencia que se forma y se amortigua mediante los tamices; por lo
tanto, la misma deberá ser eliminada para proporcionar el flujo de aire más calmado. La eliminación de tal turbulencia
se lleva a cabo colocando el dispositivo en colmena 14 delante de los tamices 16. No obstante, si se desea, es posible
colocar el dispositivo en colmena detrás de la sección tamizadora con poca pérdida de eficacia en la clasificación.
Tal como se muestra en la Figura 4, La invención puede incluir múltiples tamices 16 para calmar la corriente
de aire de entrada. En una realización preferente, dos tamices, y un máximo de tres tamices, son suficientes para
proporcionar variaciones medias de velocidad inferiores a ±5% de la velocidad media cuando los tamices son elegidos
apropiadamente.
Para producir estos resultados a velocidades medias del aire de 0,5-5 metros/segundo, cuyas velocidades son típicas
de las velocidades empleadas con la presente invención, los tamices deberán tener una poción de área abierta de 55-
60%. Las porciones de área abierta menores realizarán también la tarea de suavizar el perfil de velocidad, pero a
costa de un mayor consumo de energía. Las porciones mayores de área abierta requieren el empleo de más tamices,
aumentando el coste del aparato. La elección óptima de porción de área abierta del tamiz es aquella porción para la
cual se requiere el número mínimo de tamices, reduciendo al mínimo la energía requerida para suavizar el perfil de
velocidad y reduciendo la turbulencia en la corriente de aire.
Lo mejor es colocar los tamices separados de treinta a cien diámetros del hilo metálico para permitir La disminución
de la turbulencia a partir de los hilos metálicos en cada tamiz. Esto evita el tener un tamiz que suavice las estelas
procedentes de los hilos metálicos del tamiz anterior. Más allá de cien diámetros del hilo metálico, estas estelas
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individuales habrán desaparecido a todos los efectos prácticos y las fluctuaciones de velocidad turbulenta serán de poca
extensión y reducida a solamente un 1% de la velocidad media. La colocación de los tamices más separados aumenta
la longitud del clasificador. Un razonamiento similar indica que el primer tamiz deberá colocarse corriente abajo del
dispositivo en colmena a 30-100 veces el espesor medio de los separadores sólidos entre las celdas individuales del
dispositivo en colmena.
Como una última consideración, los tamices 16 deberán estar compuestos por hilo metálico que sea lo bastante
robusto para reducir al mínimo tanto el coste inicial como los costes de mantenimiento/limpieza/sustitución de los
tamices. Tamices extremadamente finos, por ejemplo, de malla 100, pueden colocarse juntos, pero son caros y pueden
obstruirse fácilmente por el polvo que llega. Los tamices muy gruesas, por ejemplo, de malla 2 deben ser colocados
muy separados, aumentando la longitud del clasificador. Prácticamente, estas limitaciones significan que los tamices
deberán ser de malla 2-20. A modo de ejemplo, un tamiz de malla 8 tendrá una luz de 80 mils. aproximadamente
(2,000 micrones) o alrededor de 1/12 de pulgada (2,12 mm). Esto proporciona un hilo metálico de tamiz de 20 mils.
aproximadamente (500 micrones), el cual es relativamente robusto y requiere que los tamices sean separados alrededor
de dos pulgadas (50,8 mm).
Se llevaron a cabo diversos ensayos para evaluar el impacto del dispositivo en colmena y tamiz en el rendimiento
del clasificador por corriente de aire. En cada ensayo, se midió la velocidad (y los resultados promediados) a través del
clasificador sólo corriente arriba de la posición de alimentación de la arena. Esta medición se tomó con y sin la sección
del dispositivo de colmena-tamiz en su sitio. El ensayo 1 con la sección del dispositivo de colmena-tamiz en su sitio,
resumido en la Tabla 7, dio un flujo de aire medio de 1,68 mps. El ensayo 2 sin la sección del dispositivo de colmenatamiz,
resumido en la Tabla 8 dio un resultado de flujo de aire medio de 1,62 mps. Este fue lo bastante próximo
que no se realizaron más ajustes. La arena a clasificar se colocó en una tolva y se dejó que fluyera sobre la cinta
transportadora en movimiento. El alimentador vibratorio se puso al 100%. La arena se observó durante los ensayos
a través de mirillas en el lateral del aparato. Con la sección del dispositivo de almena-tamiz en su sitio el flujo de
arena fue continuo y horizontal. Sin la sección del dispositivo de colmena-tamiz en su sitio se observo que la arena se
arremolinaba formando remolinos de lado a lado. Al término de cada ensayo las fracciones de arena fueron recogidas.
Se tomaron muestras y e hizo un análisis granulométrico para determinar la separación lograda. Una comparación de
los datos de las Tablas 7 y 8 muestra que la operación del clasificador con la sección del dispositivo de colmena-tamiz
en su sitio produce una clasificación de las partículas más definida.
A medida que las partículas más grandes caen en la sección receptora A de la parte inferior del clasificador, estas
llevan partículas más finas que han caído con ellas en la parte superior de la corriente de alimentación antes de que el
aire empiece a actuar sobre las partículas individuales. Este fenómeno se hace más acusado a medida que la velocidad
de alimentación aumenta. Estas partículas finas resultan indeseables en el producto representado por las partículas más
grandes. La cantidad de partículas finas en cualquier sección receptora puede reducirse, intensificando la separación,
alimentando aire en la parte inferior o en los laterales de la sección receptora. Ese aire que asciende hacia arriba
transporta las partículas finas fuera de la parte superior del receptor hacia la corriente de aire del clasificador principal,
donde las mismas serán transportadas hacia secciones receptoras subsiguientes a las que pertenecen las partículas más
finas. Esa técnica puede emplearse para reducir la porción de partículas finas que caen en cualquier sección receptora.
Este flujo de aire volumétrico hacia cualquier sección receptora deberá ser inferior a 1/3 del flujo de aire volumétrico
en el clasificador principal para evitar trastornos indebidos en la acción de clasificación principal.
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El clasificador de aire apropiado para uso en la presente invención incluye además unos medios mediante los
cuales las partículas de alimentación de entrada pueden ser presentadas a la corriente de aire más individualmente.
Sorprendentemente, esto puede hacerse a velocidades de alimentación bastante elevadas en el caso de que la corriente
de alimentación pueda entrar en la corriente de aire como una cortina más atenuada, con las partículas propagadas
uniformemente en la dirección del flujo de aire, recuperando alguna de las ventajas de tener una corriente de aire
uniforme entrando en el clasificador. La propagación de la corriente de alimentación se hace mejor ampliando la
abertura a través de la cual entra la corriente en el clasificador y haciendo que la corriente de alimentación caiga, justo
antes de entrar en la corriente de aire. A través de uno o dos tamices 18 los cuales son vibratorios, ya sea en la dirección
del flujo de aire o transversal al mismo. La vibración del tamiz 18 asiste en la separación de las partículas finas de
las partículas grandes, liberándolas para ser transportadas individualmente hacia la corriente de aire del clasificador.
Lo mejor es que la amplitud de esta vibración sea baja, ya que las amplitudes grandes pueden lanzar las partículas
demasiado lejos y, si la frecuencia es alta, contribuye a evitar la obstrucción del tamiz. La amplitud deberá ser inferior
a 5 mm y la frecuencia deberá ser superior a 3 ciclos por segundo. Lo mejor es que las aberturas sean al menos tres
veces mayores que el diámetro de las partículas más grandes para que dichas partículas pasen libremente a través
de ellas.
Cuando la corriente de alimentación se esparce de este modo, existe una reducción en la precisión de separación
que podría lograrse en un funcionamiento ideal del clasificador, ya que la alimentación deja de entrar por un solo
sitio. No obstante, la razón de que la alimentación se esté esparciendo es debida a que el funcionamiento real está
ya lejos del ideal cuando la velocidad de alimentación es alta. La mejora de clasificación que se realiza a partir del
esparcimiento adicional obtenido mediante un aumento de la anchura de la corriente de alimentación compensa con
creces las pocas pulgadas de ampliación de la corriente de alimentación. No obstante, la amplitud de la corriente de
alimentación en la dirección de la corriente de aire no deberá exceder 1/4 de la abertura del receptor en la dirección
de la corriente de alimentación en el caso de un receptor de producto importante, y 1/8 reduciría el efecto aún
más.
Los resultados obtenidos sin un alimentador de tamiz vibratorio y con un alimentador de tamiz vibratorio se hallan
resumidos en las Tablas 9 y 10, respectivamente. Estos datos indican que la corriente de alimentación se comporta
en menor grado como una cortina sólida cuando la corriente se esparce ligeramente en la dirección del flujo de aire.
Las partículas sólidas grandes caen más libremente en una sección anterior y hay una separación de limpieza de las
partículas, con menos partículas finas en cada receptor.
TABLA 9
Distribución de tamaños de fracciones en el receptor (%) (sin alimentador de tamiz vibratorio)
Posición corriente abajo desde el punto de alimentación
Fracción de A B C D E F G H I J Alimentación
tamiz (micrones)
> 850 1 T 0 0 0 0 0 T
500 - 850 49 65 0 0 0 0 0 2
250 - 500 50 87 8 T T T 0 44
150 - 250 T 8 88 92 75 38 T 43
90 - 150 0 T 4 8 25 42 1 4
53 - 90 0 T T T T 1 1 T
< 53 0 T T T T 19 98 7
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TABLA 10
Distribución de tamaños de fracciones en el receptor (%) (con alimentador de tamiz vibratorio)
Posición corriente abajo desde el punto de alimentación
Fracción de A B C D E F G H I J Alimentación
tamiz (micrones)
> 850 1 T 0 0 0 0 0 0 T
500 - 850 45 11 1 0 0 0 0 0 2
250 - 500 54 89 85 13 1 T T 0 44
150 - 250 0 0 14 85 92 76 44 T 43
90 - 150 0 0 T 2 7 24 49 2 4
53 - 90 0 0 0 0 0 0 T T T
< 53 0 0 0 0 0 T 98 7
La Figura 5 es un gráfico de la gama de tamaños de partículas frente a la distancia recorrida desde el punto de
alimentación cuando se emplea un clasificador por corriente de aire sin una sección de dispositivo de colmena-tamiz y
sin el empleo del alimentador de tamiz vibratorio 18. La Figura 6 es un gráfico de los mismos parámetros, también sin
un alimentador de tamiz vibratorio, pero con una sección de dispositivo de colmena-tamiz 16 que tiene tres tamices en
su sitio a continuación del dispositivo de colmena. Tal como se ha mostrado, la inclusión de la sección del dispositivo
de colmena-tamiz reduce considerablemente la amplitud de la distribución de tamaños de las partículas en todos los
puntos.
La Figura 7 compara el rendimiento del clasificador por corriente de aire a tres velocidades de alimentación con
una sección de dispositivo de colmena-tamiz en su sitio. La eficacia decreciente de la separación a velocidades de
alimentación altas es debida a la distancia creciente hacia abajo desde la cual caen las partículas alimentadas como
una cortina sólida afectando a la corriente de aire e impidiendo que el aire actúe sobre las partículas individualmente.
Tal como se ha mencionado con anterioridad la cantidad de partículas finas en cualquier sección receptora puede
reducirse, intensificando la separación, alimentando aire entre la parte inferior o los laterales de la sección receptora
para proporcionar una velocidad media hacia arriba en el aire de dicha sección. El tamaño de la partícula afectado
por el aire que es introducido de ese modo es controlado por la magnitud de la velocidad media hacia arriba del
aire.
La Figura 8 ilustra la posición de dos entradas de aire receptoras 22 para la introducción del aire que se mueve
hacia arriba hacia una sección receptora 20. También se hallan mostrados tamices 24 colocados en la parte superior
del receptor y por encima de las entradas de aire receptoras 22. Dependiendo de la velocidad, el aire de estas corrientes
de entrada en el receptor pueden introducir fuertes remolinos; los tamices moderan el flujo de aire, produciendo una
velocidad hacia arriba más uniforme. Las secciones tamizadoras se han diseñado de una manera similar a la empleada
en el caso de las secciones tamizadoras empleadas para la entrada de aire por la parte anterior del clasificador principal.
Para evitar la obstrucción de los tamices receptores las aberturas de los tamices deberán ser al menos cuatro veces el
diámetro de las partículas más grandes que caen en el receptor.
Las Tablas 11 y 12 contienen distribución de tamaños de datos de fracción receptora procedentes del ensayo de
clasificación llevado a cabo sin aire y con aire insuflado en la sección receptora G del clasificador, respectivamente.
Tanto en la Tabla 11 como en la 12, la velocidad de aire en el clasificador fue de 1,1 m/seg y la velocidad de alimentación
fue de 5 kg/min. La letra “T” se utilizo para significar una cantidad de menos de 0,1 gm. En los ensayos de
clasificación llevados a cabo con aire insuflado en la sección receptora, resumidos en la Tabla 12, el aire se introdujo
a una velocidad media hacia arriba, la cual afectará a partículas de hasta 120 micrones, aproximadamente, reduciendo
el número de dichas partículas que entran en dicho receptor. Tal como se muestra por los datos, el flujo de aire hacia
arriba reduce la cantidad de las partículas más pequeñas (< 75 micrones) tres veces aproximadamente y la siguiente
fracción más grande cerca de tres veces.
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TABLA 11
Distribución de tamaños de fracciones en el receptor (%) (sin flujo de aire en receptores)
Posición corriente abajo desde el punto de alimentación
Fracción de A B C D E F G H I J Alimentación
tamiz (micrones)
> 425 80 31 4 0 0 0 0 0 14
300 - 425 18 45 17 T 0 0 0 0 25
180 - 300 20 23 65 11 2 T T 0 39
125 - 180 T* T 12 72 25 7 3 T 10
75 - 125 T T 01 14 57 58 33 3 3
< 75 T T T 2 16 34 64 96 9
TABLA 12
Distribución de tamaños de fracciones en el receptor (%) (flujo de aire hacia arriba en receptor g)
Posición corriente abajo desde el punto de alimentación
Fracción de A B C D E F G H I J Alimentación
tamiz (micrones)
> 425 83 52 5 0 0 0 0 0 14
300 - 425 14 40 26 T T 0 0 0 25
180 - 300 2 8 64 44 5 1 1 T 39
125 - 180 T* T 4 49 69 44 12 1 10
75 - 125 T T T 6 21 48 65 17 3
< 75 T T T T 5 7 21 82 9
Las Tablas 13 y 14 contienen datos similares de los ensayos de clasificación llevados a cabo sin aire y con aire
insuflado en la sección receptora E, respectivamente. Tanto en la Tabla 13 como en la 14, la velocidad del aire en el
clasificador fue de 1,1 m/seg. y la velocidad de alimentación fue de 5 kg/min. La letra “T” se utiliza para significar una
cantidad de menos de 0,1 gm. Tal como se ha mostrado, el flujo de aire hacia arriba reduce la cantidad de las partículas
finas en este receptor a rastros.
TABLA 13
Distribución de tamaños de fracciones en el receptor (%) (sin flujo de aire en receptores)
Posición corriente abajo desde el punto de alimentación
Fracción de A B C D E F G H I J Alimentación
tamiz (micrones)
> 425 88 38 9 T T 0 0 0 18
300 - 425 11 53 34 T T T 0 0 24
180 - 300 T* 8 53 44 3 1 T T 36
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TABLA 13 (continuación)
Fracción de A B C D E F G H I J Alimentación
tamiz (micrones)
125 - 180 T T 2 52 65 25 6 1 10
75 - 125 T T T 2 12 28 18 2 3
< 75 T T 1 2 19 45 75 96 9
TABLA 14
Distribución de tamaños de fracciones en el receptor (%) (flujo de aire hacia arriba en receptor e)
Posición corriente abajo desde el punto de alimentación
Fracción de A B C D E F G H I J Alimentación
tamiz (micrones)
> 425 85 38 10 0 0 0 0 0 18
300 - 425 14 53 32 T 0 0 0 0 24
180 - 300 T* 8 57 53 5 T T 0 36
125 - 180 T T T 43 69 18 4 T 10
75 - 125 T T T 1 13 28 23 2
< 75 T T T 2 12 53 72 96
Las descripciones precedentes y los dibujos deberán considerarse solamente como ilustrativas de la invención. La
invención puede ser configurada en una diversidad de formas y tamaños y no está limitada por las dimensiones de la
realización preferente. A los expertos en la materia se les ocurrirán fácilmente numerosas aplicaciones de la presente
invención. Por consiguiente, no se desea limitar la invención a los ejemplos específicos divulgados o a la construcción
y funcionamiento exactos mostrados y descritos. Naturalmente, todas las modificaciones y equivalentes apropiados
pueden ser recurridas, por considerar que caen dentro del alcance de la invención.
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REIVINDICACIONES
1. Un método de preparación de arena de fundición a partir de partículas de un material base mediante la reducción
de las partículas en partículas lisas y la clasificación en varias clases de tamaño, comprendiendo las etapas de:
Proveer un material base que tenga al menos dos componentes minerales los cuales incluyan arena cuarzosa
y arena no-cuarzosa en donde la arena cuarzosa tiene un tamaño de grano medio al menos dos veces el de
la arena no-cuarzosa;
Formar las partículas mediante tratamiento en un impactor de energía controlada, haciendo con dicho tratamiento
que las partículas choquen las unas con las otras de manera que las irregularidades superficiales
sean desconchadas para producir partículas redondeadas; y
Clasificar las partículas redondeadas con un sistema de clasificación por corriente de aire para producir al
menos dos fracciones, conteniendo cada una de ellas una mayoría de uno de dichos componentes.
2. El método según se ha expuesto en la reivindicación 1, en el que, la arena cuarzosa tiene al menos una de las
características químicas y físicas que la hacen inapropiada para uso como arena de fundición.
3. El método según se ha expuesto en la reivindicación 1, en el que, el material base incluye uno de basalto, anortita,
oligoclasa, gehlenita, epidote, cordierita y augita.
4. El método según se ha expuesto en la reivindicación 1, en el que, la arena de cuarzo contiene menos de un 10%
de partículas que son más pequeñas que una vez y media un tamaño medio de la arena no cuarzosa.
5. El método según se ha expuesto en la reivindicación 1, en el que, la etapa de formado reduce los residuos de
ligantes, presentes en el material base, a pequeñas partículas que son separadas por la clasificación por corriente de
aire.
6. El método según se ha expuesto en la reivindicación 1 en el que, el material base es arena mezclada procedente de
moldes y machos usados y en que, el método comprende además, antes de la etapa de formado, la etapa de trituración
de los moldes y machos usados.
7. El método según se ha expuesto en la reivindicación 6, que comprende además, antes de la etapa de formado,
la etapa de tratamiento del material base con una solución ácida mineral para facilitar la eliminación de residuos
alcalinos.
8. El método según se ha expuesto en la reivindicación 2, que comprende además, antes de la etapa de formado, la
etapa de tratamiento de la arena con una solución ácida mineral para facilitar la eliminación de sustancias alcalinas.
9. El método según se ha expuesto en la reivindicación 7, que comprende además, después de la etapa de clasificación,
la etapa de adición de una solución ácida, disuelta en agua o alcohol, a la arena acabada de manera que una
dispersión ulterior en agua de la arena acabada provoque un pH de no más de 7,5.
10. El método según se ha expuesto en la reivindicación 8, que comprende además, después de la etapa de clasificación,
la etapa de adición de una solución ácida, disuelta en agua o alcohol, a la arena acabada de manera que una
dispersión ulterior en agua de la arena acabada provoque un pH de no más de 7,5.
11. Un método de preparación de arena de fundición a partir de partículas de un material base mediante la reducción
de las partículas en partículas redondeadas y clasificación en varias clases de tamaño, comprendiendo las etapas
de:
Seleccionar el material base para incluir al menos arenas de fundición de dos componentes teniendo cada
arena una densidad relativa diferente, en donde el tamaño de grano medio de la primera arena de fundición
es al menos dos veces el tamaño de grano medio de la segunda arena de fundición;
Formar partículas de la primera y segunda arenas de fundición mediante tratamiento en un impactor de
energía controlada, haciendo dicho tratamiento que las partículas choquen las unas con las otras de manera
que las irregularidades sean desconchadas para producir partículas redondeadas; y
Clasificar las partículas redondeadas con un sistema de clasificación por corriente de aire para producir al
menos dos clases de arena acabada correspondiente a la primera y segunda arenas de fundición.
12. El método según se ha expuesto en la reivindicación 11, que comprende además, antes de la etapa de formado,
la etapa de pre-tratamiento del material base calentando el mismo a una temperatura de 300ºC aproximadamente
durante alrededor de dos minutos para aquebradizar residuos cualesquiera de ligantes elásticos.
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13. El método según se ha expuesto en la reivindicación 1, que comprende además, antes de la etapa de formado, la
etapa de pre-tratamiento del material base calentando el mismo a una temperatura de 300ºC aproximadamente durante
alrededor de dos minutos para aquebradizar residuos cualesquiera de ligantes.
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