SISTEMAS DE LLENADO DE MOLDES PIEZA ALIMENTACIÓN CANALES LLENADO DE MOLDES ILC-310 FUNDICIÓN USM

Embudo o basin de colada Sistema de Canales Embudo o basin de colada Sd Descendente o jitio Canal de distribución Sc Pié sa Sa = ∑ sa Ataques LLENADO DE MOLDES ILC-310 FUNDICIÓN USM

LLENADO DE MOLDES ILC-310 FUNDICIÓN USM Escalonamiento Sd : Sección del canal descendente. Sc : Sección del canal distribuidor. Sa : Sección total de los ataques. Escalonamiento: Relación entre las secciones del sistema de canales referidas a la sección del canal descendente Sd. Sd -- Sc -- Sa Sd/ Sd -- Sc/ Sd -- Sa/ Sd 1 -- Sc/Sd -- Sa/Sd LLENADO DE MOLDES ILC-310 FUNDICIÓN USM

Escalonamiento (Cont.) SISTEMA CONVERGENTE : A Presión: Secuencia Sd - Sc- Sa decreciente. SISTEMA DIVERGENTE : En depresión: Secuencia Sd - Sc- Sa creciente. 1 > Sc/Sd > Sa/Sd 1 < Sc/Sd < Sa/Sd Aleaciones poco oxidables en estado líquido: Escalonamiento convergente. Moldes múltiples: 1 - 1 - 1 Moldes unitarios: 1 - 2 - 1 Aleaciones oxidables en estado líquido: Escalonamiento divergente. 1 -- H i -- H i LLENADO DE MOLDES ILC-310 FUNDICIÓN USM

LLENADO DE MOLDES ILC-310 FUNDICIÓN USM Flujo de Colada El Teorema de Bernoulli establece que la suma de las energías (Potencial, presión, cinética y fricción) en dos puntos cualquiera de un líquido que fluye son iguales.- O sea: H1 + P1/ρ + v12/2g +F1 = H2 + P2/ρ + v22/2g +F2 En la que: H = altura del metal, in. (cm) P = Presión sobre el líquido, lb/in2 (N/cm2) ρ = densidad, lbm/in3 (g/cm3) v = velocidad del flujo, in/seg (cm/s) g = constante de aceleración gravitacional: 386 in/seg2 ( 981 cm/seg2) F = pérdida de carga debida a la fricción, in (cm). LLENADO DE MOLDES ILC-310 FUNDICIÓN USM

LLENADO DE MOLDES ILC-310 FUNDICIÓN USM Flujo de Colada (Cont.) Si se ignora por el momento las pérdidas de carga por fricción y suponemos que el sistema se mantendrá a presión atmosférica, la ecuación se reduce a: H1 + v12/2g = H2 + v22/2g Si definimos el punto 1 en la parte superior del jitio y el punto 2 en su pie y usamos este punto como plano de referencia, entonces H2 = 0 y H1 es la altura del jitio. Durante la colada se mantiene el jitio lleno, por lo que v1 = 0. Entonces: H1 = v22/2g H 2 1 LLENADO DE MOLDES ILC-310 FUNDICIÓN USM

LLENADO DE MOLDES ILC-310 FUNDICIÓN USM Flujo de Colada (Cont.) Por lo tanto: v = √ 2 g H En la que: v = velocidad del metal en el pie del jitio, in/seg (cm/s) g = 386 in/seg2 ( 981 cm/seg2) H = altura del jitio, in. (cm) La ley de Continuidad establece que el flujo volumétrico permanece constante a través del líquido. El flujo volumétrico (in3/seg o cm3/seg) es igual a la velocidad por el área transversal del líquido que fluye. LLENADO DE MOLDES ILC-310 FUNDICIÓN USM

LLENADO DE MOLDES ILC-310 FUNDICIÓN USM Flujo de Colada (Cont.) Esta Ley se puede expresar como: Q = v1 A1 = v2 A2 En la que: Q = Flujo volumétrico, in3/seg (cm3/s) v = velocidad del metal, in/seg (cm/s) A = área de la sección transversal del líquido, in2 (cm2) Se ve que un aumento en el área implica una disminución de la velocidad y viceversa, debido a lo cual los jitios se diseñan con conicidad invertida para evitar que el aumento de velocidad al descender el metal pueda introducir burbujas de aire dentro del molde. LLENADO DE MOLDES ILC-310 FUNDICIÓN USM

LLENADO DE MOLDES ILC-310 FUNDICIÓN USM Flujo de Colada (Cont.) Si el canal que continúa al jitio es horizontal (manteniendo la misma altura H del pie del jitio), el flujo en volumen a través de los ataques y en la cavidad del molde permanecerá igual al del pie del jitio. Según esto, se puede estimar el tiempo requerido para llenar la cavidad de un molde de volumen V según: Tc = V / Q En la que: Tc : Tiempo de llenado del molde, seg. V : Volumen total de la cavidad, in3 (cm3) Q : Velocidad de flujo volumétrico, in3/seg (cm3/s) LLENADO DE MOLDES ILC-310 FUNDICIÓN USM

Ecuación del FLUJO DE COLADA. O sea que : Q = V / Tc y Q = v x Sd Y : v = √ 2 g H => Q = V / Tc = Sd x √ 2 g H Esta relación es un caso ideal en el que no están consideradas las pérdidas de carga derivadas de la fricción del metal líquido con las paredes del molde. Para considerarlas, se introduce el Coeficiente de Vaciado “B”, que depende de la geometría del sistema de llenado, con lo que la ecuación del flujo de llenado queda: Q = V / Tc = (Sd/B) x √ 2 g H De donde: Sd = (V / Tc ) x (B/√ H ) x 1/ √2 g Y : v = √ 2 g H => Q = V / Tc = Sd x √ 2 g H Esta relación es un caso ideal en el que no están consideradas las pérdidas de carga derivadas de la fricción del metal líquido con las paredes del molde. Para considerarlas, se introduce el Coeficiente de Vaciado “B”, que depende de la geometría del sistema de llenado, con lo que la ecuación del flujo de llenado queda: Q = V / Tc = (Sd/B) x √ 2 g H De donde: Sd = (V / Tc ) x (B/√ H ) x 1/ √2 g LLENADO DE MOLDES ILC-310 FUNDICIÓN USM

Ecuación del FLUJO DE COLADA (Cont.) La ecuación queda entonces: Sd =0.0360 x (V / Tc ) x (B/ H ) (in2) Sd =0.0226 x (V / Tc ) x (B/ H ) (cm2) Sistema Inglés CGS V in3 cm3 H in cm Tc seg Sd in2 cm2 Al tener definida el área del jitio (Sd), el área de las secciones de los demás componentes del sistema de canales se obtienen del escalonamiento definido por el metal a fundir. A continuación veremos el cálculo de cada variable de la ecuación. LLENADO DE MOLDES ILC-310 FUNDICIÓN USM

LLENADO DE MOLDES ILC-310 FUNDICIÓN USM VOLÚMEN a LLENAR ( V ) Comprende el volumen líquido total de la cavidad del molde, es decir: En la que: Vc = Volumen de la pieza líquida; Vm = Volumen total de montantes líquidos. Como vimos anteriormente: Y: V = Vc + Vm in3, [ cm3 ] Vc = Vp (sól.) x (ds / dl) = P / dl in3 , [ cm3 ] Vm = Σ vm in3 , [ cm3 ] LLENADO DE MOLDES ILC-310 FUNDICIÓN USM

ALTURA METALOSTÁTICA ( H ) Es la diferencia de altura entre dos superficies libres sucesivas de metal líquido y controla la presión de llenado. Se presentan dos casos: 1 .- MOLDE LLENADO POR ARRIBA. H Hi = Hf = H LLENADO DE MOLDES ILC-310 FUNDICIÓN USM

ALTURA METALOSTÁTICA ( H ) 2 .- MOLDE LLENADO POR ABAJO. Hi Hf H LLENADO DE MOLDES ILC-310 FUNDICIÓN USM

COEFICIENTE DE VACIADO ( B ). El coeficiente “B” se introduce para considerar las pérdidas de carga que experimenta el flujo de metal debido a la geometría del sistema de canales. Es el coeficiente por el cual debe dividirse el flujo de un sistema ideal sin pérdidas de carga para obtener el del sistema real con pérdidas. Los sistemas tipos que se indican a continuación son los mas comúnmente utilizados.- Para cada uno de ellos se indica su Coeficiente “B”, el que varía entre 1 y 3, o la manera de calcularlo. El valor indicado entre paréntesis se debe agregar cuando el ataque queda frente a una pared perpendicular a él y que esté muy próxima.- Puede ser una pared de molde o de alma que interfiera en el ingreso del metal en la cavidad. LLENADO DE MOLDES ILC-310 FUNDICIÓN USM

COEFICIENTE B.- SISTEMA “A” - Sin canal de distribución. - Un solo ataque. 1 – 2 % r = d 5% Ld Ø d 5 % b Sd  2 d a 12, 5 % La LLENADO DE MOLDES ILC-310 FUNDICIÓN USM

COEFICIENTE B.- SISTEMA “A” (Cont.) 1.a) Caja baja Ld < 15 cm Ataque común Canal de bajada cilíndrico o ligeramente divergente (< 2%) Sa = Sd 1 < a/b  4 Ld  10 cm La  10 cm B = 1.4 (+ 0.15) 1.b) Caja baja Ld < 15 cm Ataque fino Canal de bajada cilíndrico o ligeramente divergente ( < 2%) Sa = 0.8 Sd a / b > 4 Ld  10 cm La  10 cm B = 1.6 ( + 0.15 ) LLENADO DE MOLDES ILC-310 FUNDICIÓN USM

COEFICIENTE B.- SISTEMA “A” (Cont.) 1.c) Caja alta Ld > 15 cm Ataque común Canal de bajada cilíndrico o convergente Sa = Sd 1 < a/b  4 Ld  50 cm La  10 cm B = 1.6 ( + 0.15 ) 1.d) Caja alta Ld > 15 cm Ataque fino Sa = 0.8 Sd a / b > 4 Ld  50 cm La  10 cm B = 1.8 ( + 0.15 ) LLENADO DE MOLDES ILC-310 FUNDICIÓN USM

COEFICIENTE B.- SISTEMA “A” (Cont.) Observación: Este sistema A es muy económico, pero habitualmente no se usa, puesto que facilita el ingreso de arena, escoria y otras impurezas a la cavidad del molde. Por otra parte, la fuerza del chorro de metal inicial puede producir defectos por erosión en las paredes del molde o almas. Es preferible usar el sistema “D”, con un solo ataque, en especial si se debe fundir piezas con exigencias mecánicas, en las que estos defectos no son admisibles. LLENADO DE MOLDES ILC-310 FUNDICIÓN USM

COEFICIENTE B.- SISTEMA “B” r = d Ld b Ø d La Sa’ Sa Caja Baja: Ld < 15 cm Caja Alta: Ld > 15 cm Sin canal de distribución Varios ataques LLENADO DE MOLDES ILC-310 FUNDICIÓN USM

COEFICIENTE B.- SISTEMA “B” (Cont.) Si consideramos: n = número de ataques. SA = Sección total de los ataques. sa = Sección de un solo ataque. SA < Sd sa = SA / n Sa’ = Sección de unión del ataque con el pié del canal de bajada. Y: sa < Sa’ < ( Sd / n) ( sistema convergente) LLENADO DE MOLDES ILC-310 FUNDICIÓN USM

COEFICIENTE B.- SISTEMA “B” (Cont.) Las relaciones entre n, Sd, SA, y B se encuentran en la siguiente tabla: LLENADO DE MOLDES ILC-310 FUNDICIÓN USM

COEFICIENTE B.- SISTEMA “C” L0 Lc  d Sd Ld Sa Sc Caídas de metal a la pieza Con canal de distribución horizontal de sección uniforme. Ataques en ducha. Sd = Sc = SA Sa = SA / n n = número de ataques LLENADO DE MOLDES ILC-310 FUNDICIÓN USM

COEFICIENTE B.- SISTEMA “C” (Cont.) Para este caso tenemos: L = Ld + ( Lo + Lc )/ 3 En la que: LLENADO DE MOLDES ILC-310 FUNDICIÓN USM

COEFICIENTE B.- SISTEMA “D” R=d Ø d Ld Lo Sd Sc n ataques de sección Sa LC Con canal de distribución horizontal de sección uniforme Escalonamiento 1 - 2 – 1 Sc = 2 Sd Sa = Sd Sa = SA / n LLENADO DE MOLDES ILC-310 FUNDICIÓN USM Lc

COEFICIENTE B.- SISTEMA “D” (Cont.) Para cajas bajas Ld < 15 cm, canal de bajada cilíndrico o ligeramente divergente. Para cajas altas Ld > 15 cm, canal de bajada cilíndrico o convergente. L = Ld + ( Lo + Lc )/ 3 LLENADO DE MOLDES ILC-310 FUNDICIÓN USM

TIEMPO DE LLENADO.- ( TC ). El TIEMPO DE LLENADO, o TIEMPO DE COLADA (Tc) depende de la manera de llenado del molde: Moldes llenados por arriba (colada en lluvia o ducha) Sist. 1 Tc > Tf : Metales que solidifican en capas finas. Sist. 2 Tc < Tf : Metales que solidifican en capas gruesas. Tf : Tiempo necesario para que el metal del fondo de la cavidad inicie la solidificación. LLENADO DE MOLDES ILC-310 FUNDICIÓN USM

TIEMPO DE LLENADO.- ( TC ). (Cont.) H ΘS ΘF ΘV LLENADO DE MOLDES ILC-310 FUNDICIÓN USM

TIEMPO DE LLENADO.- ( TC ). (Cont.) Moldes llenados por abajo.- (colada en fuente) Sistemas 3 y 4 Siempre: Tc < Tp En que: Tp : Tiempo para que el metal de la superficie libre inicie la solidificación. TP P LLENADO DE MOLDES ILC-310 FUNDICIÓN USM

Tiempo de Solidificación.- ( Tq ). Se define Tq como el tiempo necesario para que el metal comience a solidificar (Tq = Tf ó Tq = Tp), según el sistema. Tq depende de : Tipo de Metal. Grado de sobrecalentamiento ∆ Θs ∆ Θs = Θa – Θq En la que: Θa = Temp. en la salida de los ataques. Θq = Temp. del líquidus. Tipo de molde y su temperatura. Modulo de enfriamiento de la pieza Con estos parámetros se determina Tq desde el gráfico “Tiempo de enfriamiento del metal hasta el líquidus”. LLENADO DE MOLDES ILC-310 FUNDICIÓN USM

Tiempo de Solidificación.- ( Tq ).(Cont.) LLENADO DE MOLDES ILC-310 FUNDICIÓN USM

TIEMPO DE LLENADO.- ( TC ). (Cont.) Resistencia del Molde: Dependiendo del tipo de arena utilizada y en especial del tipo de aglomerante, la resistencia a la radiación de la superficie del metal líquido en el proceso de llenado será diferente.- Para considerar esta situación, definimos: T´ < Tg T´ = Tiempo parcial de llenado de zona del molde expuesto a radiación. Tg = Tiempo critico de llenado, mas allá del cual aparecen defectos en la pieza por daño en la superficie interna del molde. Referido a zonas criticas del molde y no al molde completo. LLENADO DE MOLDES ILC-310 FUNDICIÓN USM

TIEMPO DE LLENADO.- ( TC ). (Cont.) Tipo de Arena Tg Silicio – Arcillosa en verde fina (AFS>100) 3 – 5 seg. Silicio – Arcillosa en verde gruesa (AFS<100) 5 – 12 seg. Silicio – Arcillosa en seco 15 – 30 seg. Rígidos: Cemento, CO2, Resinas fenol. fur. 20 – 60 seg. LLENADO DE MOLDES ILC-310 FUNDICIÓN USM

Determinación del Tiempo de Llenado.- ( TC ). Para determinar Tc se debe tener en cuenta los criterios siguientes: Aleaciones con rango estrecho de solidificación (capas finas) deben ser colados lentamente. Aleaciones con rango amplio (capas gruesas)  rápidamente. Sistema por abajo (fuente): Tc ≤ Tq Sistema por arriba (ducha): Tc ≥ 2Tq T´ < Tq Llenar los moldes en el menor Tiempo posible, lo que implica un compromiso económico, pues para disminuir Tc se requieren canales de mayor dimensión, con el consiguiente aumento del metal de retorno. LLENADO DE MOLDES ILC-310 FUNDICIÓN USM

Determinación del Tiempo de Llenado.- ( TC ). Se recomienda: Usar Tq como base. Determinar Tq` según el sistema de colada escogido, según: Modo de Llenado Metal Solidificado por: Capas Finas Capas Gruesas Por arriba T q` = Sistema 1 1.8 Tq Sistema 2 0.9 Tq Por abajo Tq` = Sistema 3 0.8 Tq Sistema 4 0.6 Tq T q`es referencial, pero corresponde al Tc max de cada sistema, por lo tanto: Tc ≤ Tq` LLENADO DE MOLDES ILC-310 FUNDICIÓN USM

TEMPERATURA DE VACIADO (Θv) La temperatura en la cuchara de colada debe considerar las pérdidas producidas en el contacto del metal con las paredes del sistema de canales. Si: Θv = Temperatura de vaciado. Θq = Temperatura del líquidus. ∆ Θs = Sobrecalentamiento. Θa = Temperatura en los ataques. ∆ Θ = Pérdida de ºT en los canales. Entonces: Θv = Θq + ∆ Θs + ∆ Θ Sobrecalentamiento: ∆ Θs = Θa – Θq Pérdida en canales: ∆ Θ = Θv – Θa LLENADO DE MOLDES ILC-310 FUNDICIÓN USM

TEMPERATURA DE VACIADO (Θv) Si Θv es impuesta, entonces: ∆Θs = Θv – ∆Θ - Θq Si es posible elegir ∆ Θs, entonces: Θv = Θq + ∆Θs + ∆Θ En ambos casos se necesita calcular la perdida de temperatura en los canales, entre el embudo y el (ó los) ataque ∆ Θ. LLENADO DE MOLDES ILC-310 FUNDICIÓN USM

Temperatura del líquidus.- [Θq] Aleación Θq + 10º C Acero (C: .25 - .30%) 1510 Fe Fdo. eut. posforoso (Ce = 4.5) 1130 Bronce 980 Latón común 900 – 930 Latón de alta resistencia Cobre 1080 Cupro aluminio 10% 1030 Aluminio (99.7%) 655 Aluminio 13% Si 570 Aluminio 4 – 10% Cu 630 Otras aleaciones de Aluminio 630 - 650 LLENADO DE MOLDES ILC-310 FUNDICIÓN USM

Temperatura del líquidus.- [Θq] LLENADO DE MOLDES ILC-310 FUNDICIÓN USM

Temperatura del líquidus.- Valores de ∆ Θq LLENADO DE MOLDES ILC-310 FUNDICIÓN USM

Pérdida de Temperatura en los Canales.- (∆ Θ ) Debido a que no es posible el cálculo exacto de estas pérdidas, en especial con piezas reales y de geometría compleja, actualmente existen programas computacionales de simulación que calculan estas pérdidas aplicando las Leyes de Transferencia de Calor a un modelo tridimensional usando las técnicas de elementos finitos. El siguiente procedimiento se basa en determinaciones empíricas de laboratorios y ensayos en fundiciones. Se considerará un sistema de canales con: Canal descendente, Canal distribuidor horizontal, n ataques. LLENADO DE MOLDES ILC-310 FUNDICIÓN USM

Pérdida de Temperatura en los Canales.- (∆ Θ ) Lc n ataques de sección Sa H R = d Ø d Sd Ld d = diámetro del canal de bajada. C` = lado de sección cuadrada del canal de distribución. LLENADO DE MOLDES ILC-310 FUNDICIÓN USM

Pérdida de Temperatura en los Canales.- (∆ Θ ) La siguiente tabla da la pérdida de temperatura ∆ Θo en ºC, después de un tiempo To en [seg], para un trecho unitario de largo Lfo = 100 cm. y con B = 2. LLENADO DE MOLDES ILC-310 FUNDICIÓN USM

Pérdida de Temperatura en los Canales.- (∆ Θ ) a.) Aleaciones poco oxidables.- a.1) Determinar largo ficticio LF: Para sistemas 1 – 2 – 1 de canal uniforme: LF = LD + 1,5 LO + 4 L Para sistemas 1 – 1 – 1 de canal decreciente: LF = LD + LO + 2 LC a.2) Multiplicar LF por la pérdida de Temp. ∆Θo de la tabla: LLENADO DE MOLDES ILC-310 FUNDICIÓN USM

Pérdida de Temperatura en los Canales.- (∆ Θ ) b.) Aleaciones oxidables.- Para sistemas 1- √ Hi - √ Hi decreciente: b.1) Suponer pérdida estimada ∆Θo’ en LD y Lo según: Aleaciones ligeras: 10ºC Cuprosas: 15º C Aceros y Fierros: 20º C b.2) Calcular LF = 2Lc b.3) Determinar ∆Θo para H = 10 cm. b.4) Calcular: LLENADO DE MOLDES ILC-310 FUNDICIÓN USM

Diagrama de Cálculo Sistema de Canales LLENADO DE MOLDES ILC-310 FUNDICIÓN USM