Capítulo 1 aspectos técnicos considerados en el diseñO



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INTRODUCCIÓN

El presente trabajo trata sobre el diseño de un elevador de cangilones de descarga centrífuga que será acoplado a un sistema de recirculación de arena de moldeo que se utiliza en un proceso de fundición. El diseño se derivó del hecho de que existe una problemática en cuanto a llevar la arena sacudida de la fundición a la tolva que alimenta a la máquina de preparación y luego a la de moldeo. Esto conlleva a atrasos en la frecuencia de una planta de producción en serie y se crea la necesidad de contratar mano de obra adicional. Esto hace la operación más cara y por lo tanto menos rentable.


La arena de moldeo puede ser recirculada ya que sus propiedades son poco afectadas después que se realiza el proceso de fundición; esto hace necesario un sistema más eficiente y que provea de arena suficiente para una nueva producción que reemplazará las actividades de fundición artesanal que ha sido la tradicional forma de producción.

Una de las formas de resolver el problema de elevación de arena es por medio de elevadores de cangilones y por ello se establecerán sus componentes, su aplicación en esta industria, se hace un análisis de los diferentes tipos de elevadores, haciendo énfasis en cuál es el más adecuado para la arena de sílice, se diseña el cangilón y se hacen cálculos de variables de consideración como: longitud de la banda, velocidad angular para la descarga, esparcimiento entre cangilones, cálculo de la potencia requerida en el elevador, la capacidad máxima de transporte, etc.


Posteriormente, se realiza el cálculo de costos de partes, de fabricación y costos de montaje de la máquina, se hacen planos de fabricación para que la propia empresa los construya y los ponga en funcionamiento.
CAPÍTULO 1


  1. ASPECTOS TÉCNICOS CONSIDERADOS EN EL DISEÑO

    1. MECANIZACIÓN DE LA RECIRCULACIÓN DE LA ARENA DE MOLDEO.

FUNDAMENTOS DEL SISTEMA DE RECIRCULACIÓN.

La mayoría de las fundiciones reutilizan gran parte de la arena para la fabricación de almas y moldes. En la medida que se reutiliza la arena, se forman acumulaciones de finos, por lo que una cierta cantidad de arena del sistema debe ser retirada regularmente para mantener las propiedades deseadas de éstas. La arena retirada, junto con la arena perdida por fugas y durante el desmolde, se convierten en arenas de desecho.

Una de las principales alternativas para reutilizar las arenas corresponde a las plantas de producción en serie. Estas se componen de sistema de vaciado, chancadora, tamiz, enfriador de arena, silos, mezcladora continua, separador magnético y mesa vibradora. Los componentes de la planta en las que se genere polvo (como la parrilla de vaciado, chancadora, enfriador) deben ser encapsulados y se debe contar con un sistema de captación y acumulación.
Los residuos de almas, machos o corazones hechos en arena aglomerada están conformados por arenas parcialmente descompuestas, retiradas durante el desmolde. Ellos contienen aglomerantes degradados parcialmente. Los residuos de almas pueden ser aplastados y reciclados a la línea de arena para la elaboración de moldes o pueden ser llevados a un sitio de disposición final junto con las almas rotas que no cumplen con las especificaciones.

La arena de moldeo que se utiliza en intramet, puede ser recirculada ya que sus propiedades son poco afectadas después que se realiza el proceso de fundición; La velocidad del elevador a diseñar está dada por la cantidad horaria de moldes y esta depende de la producción de piezas o el peso del metal en cada molde.


La capacidad de producción está dada por el cliente y dice que debe de ser 10 Ton/día de hierro gris o dúctil. El peso en cada molde es de 80Kg de metal y teniendo como referencia la relación entre la arena y el metal de 4/1; entonces el peso de la arena en molde es de 320Kg por lo tanto el molde lleno pesa 400Kg.
Por otro lado la producción del horno es de 10Ton/día que relacionado al peso de metal en molde de 80Kg se tiene la producción horaria de piezas y por ende la cantidad de arena que debe de manejar el sistema, entonces:
10000(Kg/día) = 125 moldes

80(Kg/molde) día


Por lo tanto el movimiento de arena de moldeo es de:
125 X 320 = 40000(Kg/día) = 40(Ton)

día


Considerando un 20% de pérdidas en el sistema se tiene:
40(Ton/día) + 8 (Ton/día) = 48 Ton

Día
Para efectos de cálculo se tiene un aproximado de 50Ton/día. Ahora la planta hace este trabajo en 10 horas, luego:


50Ton/día = 5Ton/h

10h/día


El movimiento de arena en el sistema por cuestiones de eficiencia de moldeo se puede considerar un 20% más, por lo tanto 6Ton/h de arena es el valor que se acoplara al sistema para ser transportado por los elevadores de cangilones.
Desde hace bastante tiempo se utilizan estas plantas de recuperación en las fundiciones. Los costos de recuperación son más bajos que los costos de compra de arenas nuevas. Sin embargo, solamente las plantas completas con tamiz, filtros y enfriador garantizan la calidad adecuada de la arena.
Así, las plantas de recuperación de arena varían desde los sistemas más simples, de tipo manual, que consideran básicamente operaciones de mezclado, hasta sistemas de operación totalmente mecánica, los que se componen, en su diseño más completo, de equipos de alimentación de arena, chancadora, sistema de separación de metales, tamices, enfriador de arena, silos de almacenamiento y mezcladora de arena recuperada con arena nueva, además de equipos de captación de polvo. Este último tipo de plantas garantiza una adecuada calidad para la arena reutilizada. Tal como se aprecia en la figura 1.3.
Clases de arenas utilizadas en el sistema de recirculación

Las arenas son rocas sedimentarias detríticas no cementadas formadas por clastos cuyo diámetro oscila entre 1/16 y 2mm, están formadas mayoritariamente por granos de cuarzo o silicatos.


Las rocas se dividen en tres grupos Conglomerados, areniscas y arcillas, a las que corresponden entre los sedimentos recientes las grabas, las arenas y los fangos.
Con relación a la forma de utilización existen dos clases de arena de moldeo:

- Arenas para moldeo en seco.

- Arenas para moldeo en verde.
Arena para moldeo en seco:

Con esta arena se hacen moldes que antes de la colada se someten a un secado, cuya finalidad es aumentar la cohesión de la arena, con el fin de que soporte mejor la acción mecánica del metal fundido, disminuir la evolución de vapor de agua, acrecentar la permeabilidad y absorber parte de los gases que se producen por efecto del metal fundido.


Arena para moldeo en verde:

Con este tipo de arena se confeccionan moldes en los que se vierte la colada sin someterlos a ningún secado.


Esta arena implica un sistema de moldeo más económico y permite producciones en serie y un empleo menor de cajas de moldeo. A pesar de esto, no todas las piezas se pueden producir con el moldeo en verde, particularmente las piezas grandes son difíciles de hacer con este método y de hecho solo se usa en empresas pequeñas.
Proceso de fundición en verde.

Las arenas verdes están normalmente hechas de arenas sílice (SiO2), el tamaño y distribución de los gramos de arena son en extremo importantes para controlar el acabado superficial de las piezas, estas características también afectan la habilidad del molde para apoyar evacuación de los gases formados durante la transformación de agua a vapor y la combustión de los constituyentes orgánicos de los aglutinantes de los corazones y de los aditivos para mejorar la colapsibilidad.


Molde en verde

El moldeo de arena en verde, es el método más común que consiste en la formación del molde con arena húmeda, usada en ambos procedimientos, la llamada arena verde es simplemente arena que no se ha curado, es decir, que no se ha endurecido por horneado, el color natural de la arena va desde el blanco hasta el canela claro, pero con el uso se va ennegreciendo, la arena no tiene suficiente resistencia para conservar su forma, por ello se mezcla con un aglutinante para darle resistencia; luego se agrega un poco de agua para haga moldeable para adquirir plasticidad que le confiere la bentonita.


EL PROCESO:



FIGURA 1.1 FLUJOGRAMA PREPARACIÓN DE ARENAS DE MOLDEO
La preparación de arenas tiene por objeto incorporarle uniformemente, envolviendo los granos de sílice de la arena de moldeo, una cierta cantidad de arcilla grasa o plástica que le da plasticidad y moldeabilidad porque desarrolla resistencia mecánica sin perder permeabilidad a los gases de combustión y vapor que se producen durante el colado.
Desterronado o Triturado (arena vieja).

Cuando la arena nueva secada o la arena de retorno de colado se presente en forma de motas duras (arena estufada), obstaculiza la dosificación en el molino. Para obviar este inconveniente, conviene romperla antes de introducirla en el sistema.


En el transcurso de la trituración no se trata de pulverizar los granos de sílice, ya que un triturador no es un molino que reduce los productos a polvo. Los molinos trituradores utilizados en fundición deberán, por el contrario, respetar la granulometría de la arena y su potencia vendrá limitada en tal sentido. Las motas, si no son duras, se romperán.
Un buen divisor será suficiente por lo regular para este trabajo. Los cuerpos extraños resistentes (fragmentos metálicos, etc.), serán eliminados tal como vengan en el tamiz seleccionador que los evacuará.
Los trituradores utilizados son relativamente poco potentes, pero de gran capacidad como lo son triturador de bolas, trituradores a muela y trituradores a martillo.
Tamizado (arena vieja, arena nueva).

El tamizado se realizaba antiguamente a mano, consiste en una rejilla fija contra la cual se lanza la arena a pala, con el tiempo se han inventado una gran gama de mecanismos aplicados al arte de separación de arenas según el tamaño de grano, como ejemplo se cita la Tamizadora aireadora a correa, la cual consiste en colocar la arena en la tolva, la cual es arrastrada mediante una correa de acero y lanzada hacia el tamiz.


Separación de metales por medio magnético (arena vieja).

Se intercalan en el circuito ante del mezclador, liberan la arena de partículas, fragmentos ferrosos, puntas, rebabas, hierros, etc. El sistema que normalmente se adopta es en forma de imán rectilíneo bajo el cual pasa la arena.


El rodillo magnético puede estar formado por imanes permanentes, sencillos, de fácil entretenimiento y sin consumo de energía. Con buenos aceros imantados se obtiene una atracción potente y duradera, que ocupa poco espacio.
Los dispositivos a electro-imán, hasta ahora los más eficaces, pero de entretenimiento complicado y sujetos siempre a roturas de hilos o a falsos contactos, tienden a ser remplazados por imanes permanentes en aceros especiales.
Mezclado (arena vieja, arena nueva).

A la arena de moldeo vieja se adicionará arena nueva en cantidad de tal forma que supla la cantidad perdida en algunas partes del proceso. Este primer trabajo se opera, bien en seco, o en estado húmedo, y va desde el simple paleado hasta la instalación de tolvas dosificadoras, alimentadas por depósitos y alimentando ellas mismas transportadores destinados al aparato mezclador o amasador. Por esta operación, cada grano de sílice debe ser lo más regular posible. El conjunto obtenido debe ser homogéneo, no deben triturarse ni machacarse los granos de sílice, porque ello alteraría la estructura de la arena rebajando su permeabilidad, Por otra parte, aunque la arena sea demasiado gruesa, su granulometría ya se modificará.


Es evidente que el amasado en seco resulta inoperante, por no ser plástica la arcilla seca. Por ello, dicha operación se acompaña de una humidificación que aporta la cantidad de agua necesaria para la máxima cohesión de la arena regenerada. Dicha cantidad de agua se dosificará convenientemente.
La arcilla es un cuerpo impermeable, de plasticidad relativamente débil para las proporciones de humedad utilizadas en el moldeo. La penetración de la humedad en el interior de las películas de arcilla (por muy delgadas que sean) no es instantánea. El deslizamiento y la repartición, envolviendo a los granos de sílice, de esta arcilla, más o menos homogéneo, se realiza lentamente.
Contrariamente a lo que se pueda pensar, la operación de mezclado no es pues instantánea. La arena deberá ser largamente trabajada, o mejor, trabajada repetidamente con intervalos de reposo, que permitan adquirir a la arcilla la máxima plasticidad con la mínima humedad.
En la actualidad, los talleres mecanizados, de gran producción, consumen una enorme cantidad de arena. Para evitar almacenamientos demasiado embarazosos, se hace pasar la arena varias veces por día en el circuito de moldeo.
Desintegración o divisn: (arena vieja, arena nueva)

Al salir del molino mezclador, la arena regenerada se presenta en forma más o menos apelmazada. Para obtener de la arena el resultado máximo, conviene alejar lo más posible unos de otros granos de arena rebozados de arcilla, a fin de introducir el máximo de aire posible entre ellos.
Esta operación, muy importante, se efectúa en aparatos llamados divisores o aireadores. A la salida de estos aparatos, la arena debe sufrir el nimo de manipulaciones posibles, a fin de evitar un nuevo agrumado.
Tamizado

En varios puntos del ciclo que recorre en la fundición, la arena puede recibir materias extrañas indeseables: en el moldeo, armaduras, clavos, guías, pasadores; en la colada, toda clase de desechos metálicos e incluso piezas.


En varios puntos de su circuito es pues interesante tamizar la arena para conservarla limpia. Los tamices serán de mallas cada vez más finas, desde el desmolde hasta el divisor de arena preparada. Todos los rechazos de tamizado serán evacuados.
Resultará interesante, examinar estos rechazos de tamiz y vigilar que el retorno de la arena no sirva al mismo tiempo para acarrear las basuras del taller. Sucede con frecuencia que, a pesar del tamizado, la arena continúa sucia. Aparecen entonces dificultades en el moldeo que resultan de la falta de cuidado puesto en le desarenado y retorno de la arena.
La mayoría de las fundiciones tamizan la arena usada antes de reutilizarla. Algunas emplean diferentes tipos de tamices y mecanismos vibradores para deshacer las grandes masas de arena mezclada con astillas de metal.
Para retirar los trozos grandes de metal y los residuos de almas se hace uso de cribas. Las piezas de metales grandes recolectadas en la criba generalmente son vueltas a fundir en el horno o son vendidas a fundiciones secundarias.
Los tamices cada vez más finos remueven partículas metálicas adicionales y ayudan a clasificar la arena antes de que ésta sea moldeada. Algunas fundiciones vuelven a fundir estas partículas pequeñas, otras hacen una recuperación de metales.
El metal recuperado durante el proceso de tamizado frecuentemente está mezclado con componentes de arenas gruesas o tiene arena adherida.
Por lo tanto la reutilización de estas piezas en el horno podría generar mayores cantidades de escorias, especialmente cuando se vuelven a fundir las partículas más pequeñas.
La Figura 1.2 se muestra un esquema de tamización y separación de arenas de moldeo.


FIGURA 1.2 ESQUEMA DE TAMIZADO Y SEPARACIÓN DEARENAS.


    1. COMPONENTES DEL SISTEMA.

A continuación se muestra un diagrama de los componentes que se involucran en un proceso de fundición en serie y en la que se puede observar el ciclo de recirculación de la arena de moldeo.



FIGURA 1.3 DIAGRAMA DE PROCESO DE FUNDICIÓN EN VERDE.
En las etapas del proceso de recuperación de arenas en las fundiciones se incluyen algunos componentes característicos principales del sistema lo cual se observa en el siguiente diagrama.



FIGURA1.4 FLUJOGRAMA DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE ARENA .

En la figura 1.4, se puede observar que el sistema de recirculación tiene la finalidad de recolectar la arena que cae de la máquina de moldeo y la que es sacudida por la mesa vibratoria, estas son transportadas por una banda y luego se las hace pasar por un separador magnético para después ser llevadas por un elevador de cangilones hasta cierta altura para luego depositarla en una tolva y volver a repetir el proceso. El sistema de recirculación es complementado por algunos componentes como se describen a continuación:




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