Optimización de moldes - cicnetwork

Entorno CIC | Mesa de ideas: Crecimiento y competividad
Proyectos de
investigación
Optimización de moldes
elaborados con sistemas aglomerantes de naturaleza química
Itziar Berriozabalgoitia 1 , David Peña 1 , Guillermo Trillo 1 , Julián Izaga 1 y Per Rolf Roland 2
A la hora de desplegar estrategias de reducción de costos de fabricación en fundición y optimizar la calidad de los componentes fundidos de gran
tamaño, pueden diseñarse diferentes planes de acción, si bien en este caso se plantea la conveniencia de profundizar en el conocimiento de los
moldes de arena aglomerada mediante sistemas de naturaleza furánica.
Desde diferentes sectores industriales (máquina herramienta, estampación,
motores marinos, sistemas de generación de energía, componentes
eólicos, etc.) se demandan piezas de fundición de hierro de gran tamaño.
De entre todos ellos, se ha tomado como referencia el sector eólico, ya
que las circunstancias que concurren en las condiciones de servicio
resultan especialmente exigentes. Las solicitaciones a fatiga, la mejora
1. azterlan, Metallurgical Technical Centre
2. P. R. Roland, Foundry Consultant AS
“Este artículo es una versión de la comunicación presentada por el
centro tecnológico ik4-azterlan en el 70 Congreso Mundial de
Fundición, en el que recibió la calificación de Best Paper Award”.
56
de las propiedades mecánicas y la ausencia de defectos superficiales
( fenómenos de reacción) e internos (rechupes), se han convertido en
claves de futuro. Ante esta realidad, que perfectamente puede hacerse
extensiva a otros sectores, resulta obligado reflexionar sobre el papel
que desempeñan los moldes, principalmente desde la perspectiva de su
estabilidad a elevada temperatura.
Las mejoras en la calidad del molde permiten introducir en la tecnología
de fundición importantes reducciones en términos de costos de fabricación,
ya que en la medida que dicha estabilidad se optimice, se podrán
desarrollar modos de trabajo que incorporen importantes mejoras competitivas.
El aprovechamiento de la expansión grafítica como método
de auto-alimentación adquiere, en este caso, su verdadera relevancia.
En efecto, para garantizar la calidad interna de las piezas de gran tamaño,
lo habitual es recurrir a sistemas de alimentación basados en
enfriadores y mazarotas. Su minimización o eliminación se traduce en
una importante reducción de costos, ya que a la mejora del rendimiento
neto/bruto, debe añadirse las reducciones en las operaciones de acabado,
en los gastos derivados de su utilización y la minimización de defectos.
A las mejoras a las que se ha hecho referencia anteriormente, es necesario
añadir aquellas que se derivan del uso racional de los productos
químicos propios de estos sistemas de moldeo. En efecto, en base a la
optimización de las características de los moldes, es posible desarrollar
formas de trabajo capaces de reducir la cantidad de resina-catalizador.
Procedimiento experimental
Las características de los componentes fundidos de gran tamaño, la calidad
superficial y su sanidad interna, son el resultado de la combinación
de tres claves fundamentales: correcto diseño del sistema de llenado y
alimentación, una cuidada metalurgia del hierro líquido y un molde que
goce de la necesaria estabilidad a elevada temperatura.
En general, los criterios de evaluación de la calidad de los moldes son
subjetivos, limitándose, en la mayoría de los casos, al control de su dureza
(proceso manual) y a la medida de las características potenciales del
sistema aglomerante utilizado (probetas).
La justificación de este proyecto de investigación se basa en la necesidad
de reducir la cantidad de resina/catalizador, en garantizar la calidad de
las piezas fundidas y en minimizar el uso de enfriadores y mazarotas.
El procedimiento experimental se ha basado en la práctica industrial y,
por ello, los desarrollos a escala de laboratorio han sido debidamente
contrastados mediante la correspondiente industrialización. La comparativa
entre los procesos habituales de fabricación y las alternativas
derivadas de este desarrollo, han sido verdaderamente determinantes a
la hora de evaluar las aportaciones del ensayo quimisand.
Puesta a punto del test quimisand
Las reflexiones iniciales han estado relacionadas con la necesidad de evaluar
la calidad del molde desde la perspectiva de su estabilidad-cohesión
o grado de empaquetamiento de la arena. Se han evaluado diferentes
indicadores (permeabilidad, dureza, peso de probeta y resistencia a la
erosión), si bien se llega a la conclusión de que el parámetro más representativo
es la resistencia a la compresión.
En la puesta a punto del ensayo se ha definido la forma y dimensiones de
las probetas, el grado de 'atacado', los tiempos de curado y la práctica de
medida de la resistencia a la compresión. Las arenas a evaluar se toman
en el momento del moldeo, de tal modo que la mezcla de la 'probeta test'
es semejante a la del molde.
Tanto las 'probetas test' como los 'trépanos' extraídos del molde, son de
forma cilíndrica, siendo su diámetro y altura 50mm.
Al utilizarse como aglomerante un sistema furánico, ha sido necesario
trazar las curvas resistencia/tiempo de curado. De este modo, se ha
validado el ensayo quimisand, ya que se han revisado numerosas publicaciones
que han servido de referencia y contraste.
Equipamiento
Tras la definición dimensional y geométrica de las probetas de ensayo, se
desarrolla el equipamiento necesario para la evaluación de la resistencia
a la compresión, diferenciándose dos secuencias:
· ·· Preparación/extracción de probetas. 'Probetas test' y 'trépanos'.
· ·· Medidas de resistencia a la compresión.
Preparación/extracción de probetas
Las llamadas 'probetas test' se conforman mediante un dispositivo al
que se designa 'atacador', siendo su forma cilíndrica y altura-diámetro
Figura 1. Simulación del proceso de fundición.
Resistencia (N/cm 2 )
140
120
100
80
60
40
20
0
Vida de
banco
Tiempo de
curado
Proyectos de investigación | Entorno CIC
Desmodelado
Acondicionado
del molde
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Tiempo (min)
Figura 2. Vida de banco y tiempo de curado de una mezcla furánica.
50mm. 400 El grado de 'atacado' o número de golpes de atacador influyen
en las características de la probeta, si bien, a partir de un determinado
350
344
número de golpes (habitualmente 3) la resistencia a la compresión
disminuye.
300
Por el contrario, los 'trépanos' se extraen del propio molde, si bien su
250
altura debe calibrarse hasta situarla 242 en los 50mm. El diámetro viene
216
determinado 200 por la herramienta utilizada en su extracción y la operativa
189
a seguir se visualiza en la siguiente 172 figura.
Resistencia a compresión (N/cm 2 )
450
150
100
50
144
Probetas test
123
132
91
57
→

Entorno CIC | Proyectos de investigación
Figura 3. Caracterización microscópica de las mezclas de moldeo.
En la preparación de las 'probetas test', se utiliza el método de 'peso
constante', modificándose el grado de compactación hasta la definición
de las condiciones ideales de atacado y curado de las mezclas. Mediante
los ensayos finales se determina la potencialidad o resistencia máxima
de una determinada mezcla.
Medidas de resistencia
La etapa más laboriosa es la preparación de las probetas, si bien a la
hora de poder manejar los resultados es necesario tener en cuenta el
'tiempo de curado'.
Las probetas a ensayar se posicionan en una máquina universal de
ensayos, con la única particularidad de que sea capaz de desarrollar
y registrar fuerzas de compresión de hasta los 12.500n. Se ha comprobado
que los resultados son poco sensibles a la velocidad de ensayo y,
por ello, únicamente se ha establecido el límite máximo de velocidad
(v

0
0 1 2 3 4
Prueba
5 6 7 8
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Resistencia Resistencia a compresión (N/cm (kN) 2 Resistencia (N/cm ) 2 )
8
140
140
7
120
1206
100
1005
804
80
3
60
60
Vida de
Vida
banco
de
banco
2
resistencia / Nº golpes de atacador
40
40
1
20
20
0
0 1 2 3 4 5 6 7 8
0
Nº de golpes de atacador
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
0 5 10 15 20 Tiempo 25 (min) 30 35 40 45 50
Figura 7. Evolución de la resistencia a la Tiempo compresión (min) en función del número de
golpes de atacador.
Resistencia a compresión (N/cm2 Resistencia a compresión (N/cm ) 2 )
450
450
400
400
350
350
300
300
60
5.322
Tiempo de
Tiempo
curado
de
curado
6.054
6.731
Desmodelado
Desmodelado
6.079
5.614
Acondicionado
Acondicionado
del molde
del molde
5.224 5.186
250
250
200
200
150
150
100
100
144
144
189
189
172
172
242
242
123
123
132
132
91
91
216
216
50
50
Probetas test
Probetas test
Trépano
Trépano
0 0
1
2
3
4 5
4 Prueba 5
Prueba
6
7
8
9
Figura 8. Estado inicial. Valores de resistencia a compresión.
Resistencia a compresión (N/cm2 Resistencia a compresión (N/cm ) 2 )
350
350
300
300
250
250
200
200
150
150
100
100
50
50
200
200
208
208
Probetas test
Probetas test
Trépano
Trépano
210
210
344
344
0 0 1 2 3 4 5 6 7 8
0 1 2 3 Prueba 4 5 6 7 8
Prueba
8
7
6.731
180
180
220
220
Figura 9. Valores de resistencia a compresión tras los cambios de proceso.
185
185
200
200
evaluarse. La sistemática comparación de resultados ha permitido
visualizar importantes diferencias, siendo frecuentes cifras que llegan
a superar el 50%.
Conclusiones
A la hora de optimizar la calidad de las piezas fundidas de gran tamaño,
la medida de las características del molde, expresadas en términos de
grado de atacado o de resistencia a la compresión, es determinante. La
implantación de este sistema de control permite conocer la realidad del
molde y, en consecuencia, diseñar estrategias de mejora competitiva.
Mediante el método quimisand se establecen inter-comparaciones entre
la realidad del molde y la potencialidad del sistema de moldeo, pudiéndose
de este modo definir el gap existente entre ambas.
El test que se propone es de fácil implantación, ya que a la sencillez de
la metodología de trabajo, debe añadirse el bajo costo del equipamiento
necesario. Su interpretación es simple y las oportunidades de optimización
del proceso son muy significativas.
Desde el punto de vista de los costos de fabricación, las oportunidades
que aparecen asociadas al ensayo quimisand son muy evidentes. A
la minimización de defectos, la reducción de las adiciones de resinacatalizador,
las facilidades de recuperación de las mezclas ya utilizadas,
es necesario añadir las oportunidades en la reducción o eliminación de
mazarotas y enfriadores.
Tomando como referencia los resultados de los ensayos, es posible definir
nuevos conceptos de diseño, de tal forma que la expansión grafítica pueda
utilizarse como herramienta de corrección de los defectos de contracción.
Referencias
1. Chemical Stabilisation of Sand : Part VIII-Furan Resins as Dune and Coastal Sand Stabiliser
Ram Gopal, Jeevan Singh and Ghanshyam Das.
2. Solutions to the increasing technical and health and safety demands in the moulding process of
big size wind energy castings D. Jaime Prat. Iberia ashland Chemical s.a.. vi International
Foundry Technical Forum.
3. Properties of ceramic mold for open cell. Bo-Youn Hur, Bu-Keun Park, Sang-Youl Kim, Hoon
Bae. Gyeongsang National University. Korea. 66 th World Foundry Congress.
4. Improved performance by engineered coatings. Reinhardt Stötzel (Ashland-Südchemie-
Kernfest GmbH, Germany).
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