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PROYECTO FINAL DE
CARRERA
(Tomo I)
TÍTULO: Diseño de un sistema de agitación mecánica isotérmico para la obtención de
lodo semisólido
AUTOR: Raul Quindos Ramos
TITULACIÓN: Ingeniería técnica industrial, especialidad mecánica
DIRECTOR: Maria Teresa Baile Puig
PONIENTE: Sergi Menargues Muñoz
DEPARTAMENTO: 702, Ciència dels materials i enginyeria metal·lúrgica
FECHA: 27/06/2011
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TÍTULO: Diseño de un sistema de agitación mecánica isotérmico para la obtención de
lodo semisólido
APELLIDOS: Quindos Ramos NOMBRE: Raul TITULACIÓN: Ingeniería Técnica Industrial ESPECIALIDAD: Mecánica PLAN: 95
DIRECTOR: Maria Teresa Baile Puig PONIENTE: Sergi Menargues Muñoz DEPARTAMENTO: 702, Ciència dels materials i enginyeria metal·lúrgica
CALIFICACIÓN DEL PFC
TRIBUNAL
PRESIDENTE SECRETARIO VOCAL
FECHA DE LECTURA: Este proyecto tiene en cuenta aspectos medioambient ales: Sí No
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Resumen
En el presente trabajo se realizará el estudio del estado actual de los diferentes procesos
existentes de agitadores mecánicos para proceder al diseño, desarrollo, fabricación y
puesta en marcha de un agitador mecánico que se utiliza en la conformación de materiales
en estado semisólido Rheocasting.
Actualmente estos agitadores están limitados a una cierta temperatura de trabajo y un
cierto tiempo de exposición a esta, dependiendo del material en el que están fabricados.
Por lo tanto estos están formados por una estación que dispone de más de un agitador. Los
tiempos de ciclo son excesivamente largos.
La conformación de aleaciones de aluminio en estado semisólido es un proceso híbrido que
incorpora elementos de varias técnicas clásicas de conformado. Permite libertad en el
diseño del molde y en la velocidad de producción de la fundición así como una calidad
metalúrgica y unas propiedades mecánicas superiores a las de la fundición en molde
permanente o en fundición inyectada [1].
El interés de estas técnicas radica en la necesidad de producir nuevos componentes con
menos defectos y a un coste inferior, y se fundamenta en las propiedades reológicas de los
materiales cuando coexisten una fase líquida.
El objetivo principal es desarrollar un procesos polivalente que permita obtener el lodo
semisólido para el conformado para diferentes familias de aleaciones unas ya utilizadas y
otras hasta ahora no utilizadas tanto de Al como de Mg. Esto se consigue con un diseño
innovador de un agitador mecánico, con sistema de refrigeración interno mediante un fluido
o gas y la incorporación de una vaina fabricada en una aleación de cobre berilio que
dispone de un recubrimiento que no pueda ser disuelto por el caldo y a su vez que nos
hace de aislante térmico. Todas estas mejoras hacen que el precio del prototipo sea inferior
al de otros procesos ya implantados en la industria, reduciendo con este los tiempos de
ciclo, minimizando el coste y la energía necesaria para la obtención del lodo.
Deberemos estudiar el tipo de material del cual estará hecho, sus dimensiones y el sistema
de refrigeración que tendrá para mantenerlo a la temperatura adecuada (agitador-aluminio).
Palabras clave (máximo 10)
Agitador Semisólido Rheocasting Cobre-Berilio
Diseño Ranura Hendidura Lodo
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Sumario
1. INTRODUCCIÓN _________________________________________ 13
1.1. Objetivos del proyecto ............................................................................................ 13
1.2. Alcance del proyecto .............................................................................................. 13
2. CONFORMACIÓN EN ESTADO SEMISÓLIDO__________________ 14
2.1. Procesos por agitación mecánica (MSC) ............................................................... 16
2.1.1. Proceso Semi Solid Rheocasting .................................................................... 17
2.1.2. Proceso Rotation Barrel Rheomoulding Machine (RBRM) [4] ......................... 19
2.1.3. Proceso Gas Induced Semi-Solid (GISS) [5]................................................... 20
2.1.4. Proceso Melt Spreading and Mixing Technique (MSMT) [6] ........................... 21
2.1.5. Agitador Advanced Semi-solid Casting Technology (ASCT) [7] ...................... 22
2.2. Sistema de medida de la viscosidad [www2] ......................................................... 25
2.2.1. Viscosímetros de cilindros concéntricos .......................................................... 25
2.2.2. Viscosímetros de placas paralelas. ................................................................. 26
2.2.3. Viscosímetro de cono-placa ............................................................................ 27
2.2.4. Otros viscosímetros rotacionales .................................................................... 28
2.2.5. Resultados destacables del análisis bibliográfico ............................................ 28
3. SELECCIÓN DE MATERIALES Y COMPONENTES DEL AGITADOR
MECÁNICO ______________________________________________ 29
3.1. Material del agitador ............................................................................................... 29
3.1.1. Selección de material ...................................................................................... 29
3.1.2. Propiedades del Cobre-Berilio ........................................................................ 29
3.1.3. Cálculo de flujo de calor .................................................................................. 30
3.1.4. Cálculos para un correcto funcionamiento del agitador en el interior del
aluminio ........................................................................................................... 35
3.2. Selección electrobomba del sistema de refrigeración y conductos ........................ 39
3.2.1. Conductos de refrigeración ............................................................................. 40
3.2.2. Electrobomba de refrigeración ........................................................................ 40
3.2.3. Convertidor de frecuencia de la electrobomba ................................................ 42
3.3. Platos de fijación, transmisión de movimiento y refrigeración ................................ 43
3.3.1. Selección del material del plato ....................................................................... 44
3.3.2. Selección del rodamiento del plato superior .................................................... 44
3.4. Material de las juntas ............................................................................................. 45
3.4.1. Selección de material de las juntas de los platos ............................................ 46
3.4.2. Aplicaciones, características y propiedades del polietileno de Ultra Peso
Molecular (UHMW) [www3]. ............................................................................ 46
3.5. Selección del motor del sistema ............................................................................. 48
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3.5.1. Motor rotacional y agitación ............................................................................. 48
3.5.2. Convertidor de frecuencia del motor ................................................................ 50
4. DISEÑO DEL SISTEMA DE AGITACIÓN ISOTÉRMICO ________ __ 52
4.1. Diseño del plato de fijación, transmisión de movimiento y refrigeración .................. 52
4.1.1. Plato superior ................................................................................................... 53
4.1.2. Plato inferior ..................................................................................................... 56
4.2. Diseño de las juntas ubicadas entre los platos de refrigeración .............................. 58
4.3. Diseño de la alimentación del sistema refrigeración ............................................... 59
4.3.1. Tubo de entrada de agua en el agitador .......................................................... 59
4.3.2. Tubo de salida de agua en el agitador ............................................................. 60
4.4. Diseño de la barra agitadora ................................................................................... 61
4.5. Diseño del nervio de fijación al motor ...................................................................... 63
4.6. Diseño de Ranura en eje del motor ......................................................................... 65
4.7. Diseño del crisol ...................................................................................................... 66
5. MONTAJE DE LA MÁQUINA _____________________________ ___ 67
6. CONDICIONES AMBIENTALES Y SEGURIDAD _______________ _ 70
6.1. Ecodiseño ............................................................................................................... 70
6.1.1. Ventajas del ecodiseño .................................................................................... 70
6.1.2. Ecodiseño en el diseño del sistema de agitación isotérmico ............................ 71
6.2. Seguridad................................................................................................................ 71
6.2.1. Seguridad de la máquina ................................................................................. 71
6.2.2. Seguridad del operario ..................................................................................... 74
7. PRESUPUESTO __________________________________________ 76
7.1. Coste del material ................................................................................................... 76
7.2. Coste de piezas y máquinas estandarizadas .......................................................... 76
7.3. Coste de la mano de obra ....................................................................................... 76
7.4. Coste de ingeniería de diseño................................................................................. 77
7.5. Precio total .............................................................................................................. 77
8. PERSPECTIVAS __________________________________________ 78
9. CONCLUSIONES _________________________________________ 79
10. AGRADECIMIENTOS ______________________________________ 80
11. BIBLIOGRAFÍA_______________________________________ ____ 81
ANEXO I. PLANOS
ANEXO II. COBRE-BERILIO PROTHERM
11
ANEXO III. CATÁLOGO SAER M4000
ANEXO IV. CATÁLOGO DELTA VFD-S
ANEXO V. CATÁLOGO SFK 68105
ANEXO VI. CATÁLOGO ABB M3000
ANEXO VIII. CATÁLOGO CELO
ANEXO IX. CATÁLOGO ROTOR CLIP
Diseño de un sistema de agitación mecánica isotérmico para la obtención de lodo semisólido
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1. Introducción
La conformación en estado semisólido (SSM) es una tecnología innovadora que combina las
ventajas de la fundición y la forja para la producción de componentes de formas complejas.
Los componentes producidos por este proceso presentan mejores propiedades mecánicas
que los de inyección convencional [1].
En la actualidad, gran parte de las industrias han empezado a producir componentes con
estas técnicas pero todavía faltan parte de los conocimientos de base, como para que la
técnica se extienda y muestre todas sus posibilidades reales de aplicación.
Dentro de estos procesos de conformación se encuentra la tecnología Rheocasting. Este proceso implica la agitación de la aleación durante la solidificación para producir una mezcla
semisólida. Esta mezcla es inyectada directamente dentro del molde.
En este proyecto se pretende desarrollar un nuevo proceso Rheocasting mediante la
agitación mecánica y enfriamiento controlado del caldo en estado líquido, para de esta
manera obtener un lodo semisólido óptimo para ser conformado.
1.1. Objetivos del proyecto
Este proyecto tienen como objetivo realizar un análisis exhaustivo del estado de la técnica
actual de los diferentes procesos de conformación en estado semisólido, para de esta forma
proceder a diseñar y dimensionar un agitador mecánico tubular, que sea capaz de aguantar
los diferentes esfuerzos y temperaturas del proceso Rheocasting y permita de una forma
simple y eficaz obtener lodo semisólido en estado óptimo para ser inyectado
1.2. Alcance del proyecto
El proyecto pretende contribuir en el diseño y construcción de un agitador mecánico
refrigerado. Mejorando de esta forma los procesos actuales e innovar dentro de los procesos
de conformación en estado semisólido por Rheocasting.
Diseño de un sistema de agitación mecánica isotérmico para la obtención de lodo semisólido
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2. Conformación en estado semisólido
Los principios para la aplicación industrial del conformado en estado semisólido fueron
expuestos por M.C. Fleming y D.B. Spencer en 1972. En 1972 se descubre, de forma
accidental, este proceso en el Massachussets Institute of Technology (MIT), durante el
estudio del desgarro en caliente o “hot tearing”. Dicho proceso consiste en el control de la
pseudoplasticidad del material cuando se mantiene a la temperatura adecuada en estado
semipastoso (aproximadamente 60% sólido/40% líquido). En estas condiciones, la
viscosidad decrece con la velocidad de deformación, dependiendo de las condiciones de
agitación del material, y su tixotropía depende de la tensión de cizalla y del tiempo. La
viscosidad del lodo semisólido se incrementa con el aumento de la fracción sólida y con
la esferoidización de los glóbulos sólidos, y decrece al disminuir el tamaño de partícula.
La estructura resultante consiste en partículas globulares dispersas en una matriz de
líquido próximo a la composición eutéctica [2].
Para este estudio Spencer y otros utilizaron un viscosímetro tipo Couette y una aleación
Sn-15%Pb. Este viscosímetro consiste en 2 cilindros concéntricos donde el cilindro
exterior gira continuamente en un rango de velocidades que puede variar desde 0,4 hasta
1000 r.p.m (Figura 2.1). La aleación se vertía en estado fundido en el espacio existente
entre los dos cilindros. Al mismo tiempo se hacía girar el cilindro exterior para producir
fuerzas de cizalladura y se dejaba enfriar la aleación. Estos investigadores midieron la
viscosidad de la aleación en función de la fracción de sólido presente y según la
velocidad de agitación. Durante los experimentos se observó que la viscosidad de la
aleación disminuía con la agitación y se atribuyó a la estructura globular producida
durante el experimento. Es decir, la viscosidad disminuye al aumentar las fuerzas de
cizalla que actúan sobre el material, con lo que se comporta, prácticamente, como un
sólido en ausencia de estas fuerzas de cizalla, y puede entonces manipularse fácilmente.
En cuanto al comportamiento mecánico, la estructura dendrítica semisólida exhibe una
tensión de cizalla (shear stress) de aproximadamente 200 KPa para una fracción sólida
de 0,4% mientras que una estructura no globular muestra menos de 0,2 KPa con la
misma fracción sólida, es decir tres órdenes de magnitud menos. Estos son los
antecedentes de la conformación en estado semisólido pero no fue hasta 1990 cuando la
industria tomó conciencia de las potenciales ventajas que podían ofrecer estas
tecnologías [2].
Posteriormente Joly y otros publicaron un estudio más exhaustivo sobre la reología de las
aleaciones parcialmente solidificadas. En sus experimentos mostraron que la viscosidad era
también muy sensible a la velocidad de enfriamiento, además de a la velocidad de
Diseño de un sistema de agitación mecánica isotérmico para la obtención de lodo semisólido
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cizalladura: bajas velocidades de enfriamiento y altas velocidades de cizalladura hacen
disminuir la viscosidad para una fracción de sólido dada. No obstante, lodos semisólidos
producidos a diferentes velocidades de cizalladura iniciales, muestran diferente
comportamiento: altas velocidades iniciales dan lugar a viscosidades aparentes menores.
Figura 2.1 Viscosímetro tipo Couette
El proceso de conformado en estado semisólido de materiales puede dividirse en dos tipos.
Cuando la aleación sometida a velocidades de cizalladura es conformada directamente para
obtener una pieza o un lingote se denomina Rheocasting. Como consecuencia de la
reversibilidad de las propiedades tixotrópicas adquiridas por la aleación, el lingote de
Rheocasting puede calentarse a la temperatura adecuada y recuperar las características
tixotrópicas. Por lo tanto una aleación solidificada con estructura no dendrítica (de
Rheocasting) puede calentarse hasta la temperatura de estado semisólido y conformarse
mediante un proceso de forja (Thixoforging) o inyección (Thixocasting). Un esquema
explicativo se muestra en la Figura 2.2. [2].
Diseño de un sistema de agitación mecánica isotérmico para la obtención de lodo semisólido
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Figura 2.2 Esquema de procesos Thixoforming [Bai05].
2.1. Procesos por agitación mecánica (MSC)
La agitación mecánica (MSC) es la técnica más sencilla para la producción de metales
semisólidos. Aunque no ha llegado a ser una técnica popular para la fabricación de lingotes,
es empleada como una aproximación económica para la producción en masa de partes en
las industrias de la automoción y electrónica.
La técnica MSC se fundamenta en la agitación de la aleación mediante agitadores de
paletas, hélices o rotores cilíndricos. En ella el material es fundido y llevado hasta una
temperatura superior a la temperatura de liquidus para introducir un agitador.
Posteriormente, durante la solidificación incompleta hasta el intervalo semisólido, seguida de
un sostenimiento isotérmico, el material es agitado vigorosamente hasta conseguir la
deseada transformación de la microestructura.
Las ventajas de la agitación mecánica son las siguientes [3]:
Diseño de un sistema de agitación mecánica isotérmico para la obtención de lodo semisólido
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• Reducción de rutas de proceso. Una aleación puede alcanzar mejoras en calidad
y comportamiento mecánico suficientes para ciertas aplicaciones, aún sin la
necesidad de técnicas secundarias de procesamiento.
• Uso a nivel experimental. La agitación mecánica sigue utilizándose principalmente
a nivel experimental para la investigación de la transformación dendrítica, como para
el estudio de los aspectos reológicos y las variables de proceso.
• Extensión a la fabricación de metales reforzados. Aunque no es el único proceso
que permite la fabricación de composites metálicos, cuando se usan agitadores de
paletas o rotores cilíndricos, la agitación mecánica permite la fácil incorporación de
partículas o fibras cortas, ya que la viscosidad resulta bastante controlable en
función de la velocidad de agitación utilizada.
• Economía e implementación. Entre las diferentes rutas, la agitación mecánica
resulta en general mucho más económica, debido a que es posible utilizar agitadores
de diversos tipos que no se comparan en costo a los generadores de campos
magnéticos requeridos en la técnica Agitación electromagnética (EMS) o a los
sistemas de atomización de la técnica Fundición en Spray (SP) y por otro lado,
porque en general los equipos y rutas de procesamiento son muy similares a las que
convencionalmente se utilizan en el sector de fundición.
La técnica MSC presenta dos desventajas principales [3]:
• Tendencia a atrapar impurezas y óxidos como producto de la agitación.
• Degradación de los agitadores utilizados.
2.1.1. Proceso Semi Solid Rheocasting
El proceso SSR consiste en sumergir un cilindro de grafito dentro del caldo líquido, cuya
temperatura supera ligeramente la temperatura liquidus. El caldo, al hacer contacto con el
cilindro, que se agita vigorosamente, se enfría unos pocos grados por debajo de la
temperatura liquidus, iniciándose la solidificación. El rodillo se mantiene en el caldo durante
intervalos de tiempo muy cortos, y la velocidad de agitación no debe superar las 60 rpm [2].
Fleming propuso una variante del método SIMA (Strain Induced Melt Activation) para
obtener estructuras no dendríticas. En la Figura 2.3 se muestra un esquema del ciclo de
agitación y un esquema gráfico del ciclo de enfriamiento del proceso SSR.
Diseño de un sistema de agitación mecánica isotérmico para la obtención de lodo semisólido
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Figura 2.3 a) Esquema ciclo de agitación. b) Esquema gráfico ciclo de enfriamiento [2].
La parte más crítica del proceso está en la obtención del primer 1% en volumen de fracción
sólida no dendrítica. La licencia para este procedimiento, fue adquirida en 2002 por Idra
Casting Machines, que ha desarrollado el equipo necesario para aplicarla, con el nombre
SSRTM, Semi-Solid Rheocasting. En la Figura 2.4 se muestra una fotografía de una célula de
trabajo formada por una máquina de 1400 Tm i una estación SSRTM [2].
Figura 2.4 Máquina de inyección de 1400 Tm con una estación SSRTM integrada [2].
Este sistema de agitación ha sido diseñado sobre la base de investigación MIT. La función
de las barras es extraer el calor del lodo de aluminio, y por eso reciben el nombre de barras
de enfriamiento. Estas barras están hechas de grafito ya que tiene la característica de que
no se adhiere el aluminio líquido y una alta difusión térmica. Esta máquina está compuesta
de cuatro agitadores (barras) para poder aguantar todo el proceso provocando el mínimo
desgaste en ellos [www1] (Figura 2.5).
Diseño de un sistema de agitación mecánica isotérmico para la obtención de lodo semisólido
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Figura 2.5 Esquema estación SSRTM [www1].
El aluminio líquido llega a la estación en un crisol, acto seguido se introduce la primera barra
de grafito y empieza a rotar para conseguir un enfriamiento óptimo, y se mantiene así
alrededor de cuatro segundos. Una vez ha acabado su ciclo la primera barra, se realiza el
mismo proceso con la segunda barra, que está a una temperatura menor que la anterior
puesto que permanece a temperatura ambiente. El proceso es el mismo para las dos barras
restantes, consiguiendo así, una solidificación del lodo de aluminio del 2%
aproximadamente. Finalmente el aluminio se introduce en la cámara del pistón con el cual
será inyectado, donde se solidificará un 10% más consiguiendo el estado óptimo del
aluminio para ser inyectado.
2.1.2. Proceso Rotation Barrel Rheomoulding Machine (RBRM) [4]
Este proceso consta de un horno de fundición, un motor de accionamiento, un sistema de
corte y una unidad central de control de temperatura. El núcleo del sistema se compone
principalmente de dos cilindros cónicos de rotación relativa que tienen un perfil
especialmente diseñado, los conductos y elementos de calefacción y refrigeración para
mantener los cilindros a la temperatura deseada para el tratamiento SSM, una unidad de
protección de gas para evitar la oxidación y un sistema de elevación con el fin de controlar el
espacio entre los dos cilindros. La Figura 2.6 muestra esquemáticamente el proceso. Los
cilindros están hechos acero inoxidable de concretamente de OCr25Ni20. La función
principal del sistema de agitación es la de convertir la aleación líquida a una mezcla
semisólida. Los dos cilindros cónicos han sido diseñados para crear una gran intensidad de
turbulencia y una alta velocidad de agitación. Cuando la dosis de metal fundido se vierte en
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la ranura de lo cilindros, el líquido se enfría rápidamente en un pre-tratamiento determinado
para obtener la fracción sólida deseada. Los elementos y conductos de calefacción y
refrigeración controlados por una unidad central de control de temperatura comienzan a
formar partes de enfriamiento y calentamiento, que mantienen la aleación líquida a la
temperatura deseada para el proceso SSM.
Figura 2.6 Esquema de agitador RBRM [4].
2.1.3. Proceso Gas Induced Semi-Solid (GISS) [5]
Este sistema de agitación se basa en la combinación de gas con agitación mecánica. Un
difusor de grafito se sumerge en el aluminio líquido y extrae una cantidad de gas inerte del
depósito. Al mismo tiempo el difusor empieza a rotar produciendo una gran agitación y el
gas que va saliendo va creando una bajada de temperatura del agitador y el aluminio en
estado líquido.
El difusor está sumergido dentro del lodo de aluminio alrededor de unos 10 segundos
creando así una solidificación de este de un 10%. Acto seguido este lodo será colocado en
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la camisa del pistón para su inyección. La Figura 2.7 muestra un esquema de un agitador
GISS.
Fig. 2.7 Esquema agitador GISS [5]
2.1.4. Proceso Melt Spreading and Mixing Technique (MSMT) [6]
Este sistema de agitación consta de dos partes, una placa cónica de rotación y un recipiente
en el cual va anclada esta placa como se observa en la Figura 2.8. El líquido (lodo de
aluminio) se introduce en un pequeño depósito, y por gravedad va a parar al recipiente. El
lodo llega a la placa que está en movimiento (rotación) dispersando todo el aluminio por la
cámara. Así, se consigue un tanto por ciento de solidificación, debido a que entra en
contacto con las paredes que se encuentran a una menor temperatura. La dispersión del
aluminio con la placa en rotación también ayuda a la solidificación del material. Después de
este proceso, el recipiente o cámara deja pasar el material en estado semisólido a través de
un conducto que está situado en la parte inferior del mismo, para poder ser inyectado.
Diseño de un sistema de agitación mecánica isotérmico para la obtención de lodo semisólido
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Figura 2.8 Esquema agitador MSMT [6]
2.1.5. Agitador Advanced Semi-solid Casting Technol ogy (ASCT) [7]
En este proceso el metal fundido se mantiene a una temperatura determinada en un horno.
Después se vierte en un crisol una cantidad específica del metal. Refrigeradores y
agitadores se sumergen en el metal fundido. Estos giran mientras se deslizan a través del
metal en una trayectoria de conjunto, lo que permite la obtención de un lodo semisólido
uniforme. La Figura 2.9 muestra una visión general del proceso. La dificultad del proceso es
cómo crear una mezcla semisólida con un mayor grado de aplicabilidad a la conformación.
En el proceso de producción convencional, lo habitual, es que se controle la temperatura del
metal fundido directamente antes de su formación, pero la presencia en la aleación de
aluminio de Mg, Cu o Si en cantidades diferentes, produce que a la misma temperatura
algunos componentes sean más sólidos que otros.
Diseño de un sistema de agitación mecánica isotérmico para la obtención de lodo semisólido
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Figura 2.9 Esquema agitador ASCT [7]
La Figura 2.10 muestra las diferencias de fracción sólida para las diferentes temperaturas.
Para producir un lodo semisólido que no se vea afectado por el grado de solidificación de
cada material el control se hace durante el proceso de agitación como se puede observar en
la Figura 2.11. El dispositivo de medición se compone de una unidad de medida de
viscosidad inmersa en el metal fundido, una célula de carga vinculada a las medidas de la
carga, y un amplificador, lo que aumenta la tensión distorsionada de la célula de carga. El
aumento de la viscosidad cinemática debido a la mayor solidez del metal fundido hace
produce una fuerza en los agitadores. Esta fuerza es detectada por la célula de carga, y
amplificada y transformada por el amplificador. La realización de estas medidas durante el
proceso de agitación y el enfriamiento del semisólidos significan que el proceso puede ser
detenido cuando el lodo llega a la viscosidad necesaria, lo que permite una mezcla de
viscosidad uniforme.
Diseño de un sistema de agitación mecánica isotérmico para la obtención de lodo semisólido
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Figura 2.10 Diferencias de solidificación de materiales [7]
Figura 2.11 Esquema de medidor de viscosidad [7]
Diseño de un sistema de agitación mecánica isotérmico para la obtención de lodo semisólido
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2.2. Sistema de medida de la viscosidad [www2]
Los viscosímetros rotacionales constan básicamente de dos partes que se encuentran
separadas por el fluido a estudiar. Estas partes pueden ser dos cilindros, dos superficies
paralelas, una superficie y un cono de pequeño ángulo, un rotor en el interior de un cilindro.
El movimiento de una de estas partes provoca la aparición de un gradiente de velocidades a
lo largo del fluido. Para determinar la viscosidad del fluido se mide el esfuerzo necesario
para producir una determinada velocidad angular. Este tipo de viscosímetros son muy
versátiles y pueden ser utilizados para fluidos no Newtonianos, aunque su principal
inconveniente es el precio.
Los tipos de viscosímetros más utilizados son los viscosímetros de cilindros concéntricos,
viscosímetros de placas paralelas y viscosímetros de cono-placa [www2]. En el sistema de
conformado Rheocasting el utilizado es el viscosímetro de cilindros concéntricos.
2.2.1. Viscosímetros de cilindros concéntricos
Los primeros viscosímetros rotacionales fueron de cilindros concéntricos; constan de dos
cilindros concéntricos, uno exterior hueco y otro interior macizo. Por el movimiento de uno
de los cilindros se genera una cizalla en el líquido situado en el espacio anular.
Este tipo de instrumentos pueden realizar las medidas de dos formas:
- Haciendo girar uno de los elementos con un cierto par de fuerzas y midiendo la
velocidad de giro provocada.
- Provocando una velocidad de giro en uno de los elementos y midiendo el par de
fuerzas opuesto.
Ambos métodos ya fueron estudiados antes de la Segunda Guerra Mundial, y sus
fundamentos fueron introducidos por Couette en 1888, en cuyo honor, al flujo provocado
entre los cilindros concéntricos (Figura 2.12), se denomina Flujo de Couette [www2].
En la mayoría de los casos, el equipo se diseña de manera que la distancia entre los dos
cilindros sea lo suficientemente pequeña como para que la velocidad de deformación sea
aproximadamente constante a lo largo del espacio anular, al igual que el esfuerzo de
deformación.
Diseño de un sistema de agitación mecánica isotérmico para la obtención de lodo semisólido
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Figura 2.12 Esquema de viscosímetro de cilindros concéntricos [www2].
2.2.2. Viscosímetros de placas paralelas.
En este caso el fluido se encuentra entre dos placas paralelas, la superior gira (Figura 2.13)
y la inferior permanece inmóvil. Los elementos de fluido cercanos a la placa móvil tendrán
una velocidad superior a la que tienen los que se encuentran próximos a la placa fija. Así
pues, la cizalla se produce desde la placa de abajo hacia la de arriba. Al igual que en los
viscosímetros de cono-placa, este tipo de instrumentos son fáciles de limpiar y requieren
pequeñas cantidades de muestra. La capacidad de fijar el espesor de muestra (GAP) de
acuerdo a las características de la misma es una ventaja en suspensiones de partículas de
gran tamaño o en líquidos que tienden a ser expulsados fuera de las placas. Sin embargo la
viscosidad de la muestra es difícil de evaluar ya que la velocidad de cizalla cambia de
acuerdo a la distancia al centro de la placa [www2].
Diseño de un sistema de agitación mecánica isotérmico para la obtención de lodo semisólido
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Figura 2.13 Esquema de viscosímetro de placas paralelas [www4].
2.2.3. Viscosímetro de cono-placa
Su funcionamiento se basa en la cizalla presente en un líquido situado en el espacio
comprendido entre un cono y una placa, siendo el ángulo (α) entre ambos muy pequeño
(inferior a 4º, ya que para ángulos mayores, los cálculos se complicarían excesivamente).
En la Figura 2.14 se muestra de forma exagerada la geometría del sistema. Si el cono gira
con cierta velocidad angular (Ω), se generará un movimiento de rotación en el fluido de tal
forma que éste girará a una velocidad mayor cerca de las paredes del cono.
Todos los instrumentos de cono-placa permiten extraer el cono para un cambio de la
muestra, lo que facilita en muchos casos la limpieza del mismo, siendo ésta, junto con la
pequeña cantidad de muestra necesaria las principales ventajas que presentan este tipo de
equipos. En la mayoría de los viscosímetros rotacionales la velocidad de cizalla cambia con
la distancia al centro de rotación. Sin embargo, en el viscosímetro de cono-placa la
velocidad de cizalla a lo largo del espaciado del cono es constante, ya que el espaciado
entre el cono y el plato aumenta al aumentar la distancia al centro [www2].
Diseño de un sistema de agitación mecánica isotérmico para la obtención de lodo semisólido
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Figura 2.14 Esquema de viscosímetro de cono-placa [www2].
2.2.4. Otros viscosímetros rotacionales
Existen viscosímetros comerciales (Brookfield, Ikavisc,…) que emplean como accesorios de
medida que giran en el interior del fluido discos, paletas y otros accesorios de diversa
geometría. Las geometrías no estándar son difíciles de estudiar. Concretamente para el
viscosímetro Brookfield se han desarrollado ecuaciones que incluyen correcciones para
fluidos no newtonianos. Independientemente de la geometría del accesorio, prácticamente
todos estos viscosímetros basan su medida en la fuerza necesaria para hacer girar un
accesorio en el interior del fluido a una velocidad de giro dada [www2].
2.2.5. Resultados destacables del análisis bibliogr áfico
Una vez analizados todos los procesos existentes basados en la agitación mecánica del
lodo se ha seleccionado como base para el inicio del estudio de este proyecto el proceso
Semisolid Rheocasting SSR, por su simplicidad de diseño así como las posibilidades que
ofrece el mismo de ser mejorado.
Diseño de un sistema de agitación mecánica isotérmico para la obtención de lodo semisólido
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3. Selección de materiales y componentes del
agitador mecánico
3.1. Material del agitador
Con el objetivo de iniciar el diseño del prototipo se ha procedido a la selección de los
materiales.
3.1.1. Selección de material
Con el objetivo de encontrar el material que más se ajuste a nuestras necesidades se han
estudiados diferentes aleaciones de cobre-berilio de entre todas ellas la que mejor se ajusta
por sus características es la de denominación industrial PROTHERM.
3.1.2. Propiedades del Cobre-Berilio
La aleación PROTHERM es una aleación de cobre berilio de alta conductividad y
moderada resistencia fabricada por Brush Wellman Inc., para moldes cuyas
características físicas se muestran en la Tabla 3.1 . Sus principales características
incluyen (Anexo II ).
• extremadamente alta conductividad térmica.
• excelente resistencia a la corrosión.
• buena pulibilidad y mecanibilidad.
• buena resistencia contra las melladuras.
• excelente capacidad de soldadura.
• transferencia de calor rápida e uniforme.
• resistencia a altas temperaturas.
• posibilidad de utilizar recubrimientos de superficie.
• para obtener una mayor resistencia al desgaste.
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Tabla 3.1 . Propiedades físicas de la aleación cobre-berilio
Temperatura 20ºC 200ºC 300ºC
Densidad (kg/m3) 8 820 8 737 8 682
Módulo de Elasticidad (N/mm2)
138 400 131 000 117 200
Coeficiente de expansión térmica
de °C a 20°C – 17,2 x 10–6 18 x 10–6
Conductividad Térmica
W·(m°C) -1 245 268 275
Calor específico J·(kg°C) -1 380 480 535
Su dureza tras ser templado es aproximadamente 20 HRC.
3.1.3. Cálculo de flujo de calor
En este apartado se procede al cálculo del flujo de calor del agitador. El agitador estará
fabricado de una aleación de cobre-berilio como ya se ha comentado en el apartado 3.1.1 .
El modo de funcionamiento es el siguiente: El agitador se introduce dentro de un crisol que
contiene aluminio en estado líquido, a una temperatura de 650ºC aproximadamente. Este
agitador, hueco en su interior, será llenado de agua a 22ºC aproximadamente para evitar un
calentamiento excesivo y así obtener una correcta refrigeración. El agua estará circulando
continuamente a través de un circuito, manteniendo así una temperatura óptima para
nuestro proceso.
Las ecuaciones utilizadas para el cálculo de flujo de calor son:
= = (Ecuación 1)
= · + + ·! (Ecuación 2)
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Donde:
: Flujo de calor.
Ti: Temperatura interior.
Te: Temperatura exterior.
RT : Resistividad térmica de los materiales.
h: Coeficiente transferencia de calor.
k: Conductividad térmica.
L: Longitud de la barra en contacto con el material.
Se ha tomado como referencia el agitador SSR de IDRA CASTING MACHINES,
manteniendo su longitud, aumentado los diámetros y disminuyendo el espesor del agitador
para conseguir una mejor refrigeración del sistema.
Figura 3.1 Esquema de agitador cobre-berilio
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Sistema SSR
Ti = 22 ºC
Te = 650 ºC
r1 = 40.5 mm
r2 = 46.5 mm
L = 459 mm
Para calcular el coeficiente de transferencia de calor del agua y del cobre-berilio se han
utilizado los gráficos siguiente [8]:
En la Figura 3.2 muestra que para una temperatura de 650ºC aproximadamente el tiempo
que está sumergida la barra en el lodo es alrededor de 100 segundos, por lo tanto tomamos
este valor para poder aplicarlo en los siguientes gráficos.
Figura 3.2 Temperatura calculada en experimento en función del tiempo [8]
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En la Figura 3.3 se muestra el gráfico con los valores del coeficiente de transferencia de
calor entre el metal del agitador (Cobre-berilio) y el agua en función del tiempo. El valor
obtenido es alrededor de 2000 "#° w·(m2ºK)-1.
Figura 3.3 Coeficiente de transferencia de calor entre metal y agua en función del
tiempo [8]
La Figura 3.4 muestra el valor del coeficiente de transferencia de calor entre un metal
(aluminio líquido en nuestro caso) y otro metal con base de cobre (cobre-berilio) en función
del tiempo. Para 100 segundos el coeficiente de transferencia de calor es aproximadamente
de 800 "#° según el experimento en el que se basan estos datos.
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Figura 3.4 Coeficiente de transferencia de calor entre metal y metal con base de cobre en
función del tiempo [8].
Por lo tanto los valores de transferencia de calor son:
h1= 2000 "#° (entre agua y cobre-berilio)
h2= 800 "#° (entre cobre-berilio y aluminio)
Una vez se han conseguidos estos valores se procede al cálculo del flujo de calor.
= %& − %( = 22 − 6500,138 = −12234, 52 6
= 17 8 129: · ℎ + <= :: 29>?@A + 129: · ℎB = 0,138
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El flujo de calor para la aleación estudiada es de -45516,25 W este valor nos lleva a la
conclusión de que esta aleación es correcta para conseguir una buena refrigeración.
3.1.4. Cálculos para un correcto funcionamiento del agitador en el interior del
aluminio
Al cambiar los diámetros del agitador se ha procedido a los cálculos pertinentes para
comprobar el límite de profundidad al que puede estar sumergido el agitador.
En primer lugar se ha determinado el volumen que tendrá el agitador utilizando las
ecuaciones 3 y 4 .
El agitador está dividido en dos partes, una parte tiene forma cilíndrica y la otra parte tiene
forma cónica.
Parte cilíndrica:
C = 9:ℎ (Ecuación 3)
V= 3016,05 cm3
Parte cónica:
C = D (Ecuación 4)
V= 33,96 cm3
El volumen total del agitador será la suma de los dos volúmenes, Vtotal = 3050.01 cm3.
Debido a su forma irregular el crisol se ha considerado que es cilíndrico a pesar de que
tenga forma trapezoidal. Se han tomado como referencia las medidas del crisol estándar
utilizado en el proceso SSR, pero sobredimensionando el radio superior e inferior en
proporción al aumento del radio exterior del agitador, es decir, 18 mm para cada radio.
Se ha realizado una media del radio superior e inferior.
: = 9,8 FG
: = 6,3 FG
: = 9,8 + 6,32 = 8.05 FG; JK. 2 LL
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A partir de aquí se procede a los cálculos para diferentes cantidades de aluminio.
Para calcular el volumen del aluminio se utiliza la ecuación 5 :
M = #N (Ecuación 5)
Donde
M = densidad
G = masa
C = volumen
Sabiendo la masa y la densidad se despeja el volumen.
C = GM
Para calcular la altura a la que alcanza el aluminio dentro del crisol en función de volumen
de aluminio se ha utilizado la fórmula del volumen del cilindro.
C = 9:ℎ (Ecuación 3) despejando la ℎ
La Tabla 3.2 nos muestra todos los cálculos para las diferentes cantidades de lodo de
aluminio.
Con los parámetros de la Tabla 3.2 se determinara la longitud del agitador sumergido en el
caldo. El agitador debe estar a 2 cm del fondo del crisol evitando el contacto con este. Se
han restado 1.5 cm que es la altura del cono.
Como ejemplo para 2500 gramos de aluminio:
ℎO. PQR OSTOUV − 2 FG − 1.5 FG = 1,1 FG; 11GG
de igual forma se realizará para cada masa de aluminio.
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Tabla 3.2 . Cálculos del agitador sumergido en el lodo de aluminio
G Al.
(gr)
M Al.
(gr/cm3)
C Al.
(cm3)
ℎ Al. sin
agitador
(cm)
ℎ a la que
está
sumergido
el
agitador
(cm)
:
agitador
(cm)
C
cono
(cm3)
C
agitador
inmerso
(cm3)
C
total
(cm3)
ℎ Al.
con
agitador
(cm)
2500 2,67 936 4,60 1,1 4,65 33,96 75 1045 5
3000 2,67 1124 5,52 2,0 4,65 33,96 137 1295 6
3500 2,67 1311 6,44 2,9 4,65 33,96 200 1545 8
4000 2,67 1498 7,36 3,9 4,65 33,96 262 1794 9
4500 2,67 1685 8,28 4,8 4,65 33,96 325 2044 10
5000 2,67 1873 9,20 5,7 4,65 33,96 387 2294 11
5500 2,67 2060 10,12 6,6 4,65 33,96 450 2544 13
6000 2,67 2247 11,04 7,5 4,65 33,96 512 2793 14
6500 2,67 2434 11,96 8,5 4,65 33,96 575 3043 15
7000 2,67 2622 12,88 9,4 4,65 33,96 637 3293 16
7500 2,67 2809 13,80 10,3 4,65 33,96 700 3543 17
8000 2,67 2996 14,73 11,2 4,65 33,96 762 3792 19
8500 2,67 3184 15,65 12,1 4,65 33,96 825 4042 20
9000 2,67 3371 16,57 13,1 4,65 33,96 887 4292 21
10000 2,67 3745 18,41 14,9 4,65 33,96 1012 4791 24
10500 2,67 3933 19,33 15,8 4,65 33,96 1075 5041 25
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Para el cálculo del volumen de agitador inmerso se ha utilizado la ecuación 3 :
C = 9:ℎ (Ecuación 3)
el valor de h es la longitud de cilindro sumergido en el caldo de aluminio.
Para el volumen total se realiza la suma del volumen de aluminio, el volumen del agitador
inmerso y el volumen del cono.
Finalmente se obtiene como resultado la altura que alcanzará la masa de aluminio con el
agitador en su interior.
La cota máxima del caldo de aluminio es de 260 mm, alturas por encima de esta
provocarían el derrame de caldo de aluminio.
La masa máxima de aluminio con la que se puede hacer la agitación es de 10,5 kg, al
introducir el agitador en el aluminio este sube hasta alcanzar una altura de 250 mm,
teniendo 10 mm de margen de seguridad antes de que se derrame el caldo de aluminio.
Con 11 kg de aluminio la altura que alcanzaría sería de 260 mm coincidiendo con el límite
de capacidad del crisol, provocando que el aluminio se derrame al poner en marcha la
agitación.
En la Figura 3.5 se muestra un esquema donde se puede observar el desplazamiento del
volumen de aluminio al introducir el agitador en su interior.
Figura 3.5 Esquema de altura obtenida
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39
Para saber la altura a la que debe estar el nivel del agua en el interior del agitador
dependiendo de la cantidad de aluminio que se encuentra en el interior del crisol, se han
realizado los siguientes cálculos, siendo h la altura:
ℎ W<. FX= YZ&[Y\X: − 2FG ]Y<[^:Y Y <Y _^( (`[á (< YZ&[Y\X: \(< bX=\X \(< F:&`X<c −0.6FG ](`d(`X: \(< YZ&[Y\X:c =ℎ Y <Y _^( \(e( (`[Y: (< YZ^Y FXGX Gí=&GX \(=[:X \(< YZ&[Y\X:
Para 10500 gramos de Aluminio
25FG − 2FG − 0,6FG = 22,4 FG; 224 GG
El volumen de agua que se tendrá como mínimo en el interior del agitador se calcula
utilizando la ecuación 3 desestimando la forma cónica, tratando todo el agitador como
cilíndrico, para esta fórmula utilizaremos el radio interior del agitador.
C = 9 · ]4.05 FGc · 22,4 FG = 1154,27 FGD
El volumen del agua en el interior del agitador aumentará al introducir las varillas de los
conductos de entrada y salida de agua este volumen es desestimado será mínimo, estas
varillas de refrigeración serán de un diámetro muy pequeño y aumentará muy poco el
volumen.
Finalmente se ha decidido que el agitador esté prácticamente lleno de agua en su interior
para conseguir la máxima refrigeración posible, sin que se supere el límite superior evitando
posibles fugas. Esta altura será de 419 mm a partir del cilindro dejando 25 mm de margen
hasta llegar al plato de refrigeración.
3.2. Selección electrobomba del sistema de refriger ación y
conductos
Este diseño de agitador estará provisto de una entrada y una salida de agua. El agua del
interior del agitador debe tener una recirculación constante para conseguir que se mantenga
a la temperatura.
Diseño de un sistema de agitación mecánica isotérmico para la obtención de lodo semisólido
40
Figura 3.6 Circulación de agua dentro del agitador.
3.2.1. Conductos de refrigeración
El cálculo del caudal de agua viene expresado por la ecuación de continuidad:
= C · i (Ecuación 6)
= Caudal ]GD · ` c
C = Velocidad ]G · ` c
i = Sección ]Gc
Para que se mantenga el nivel interior de agua del agitador a un nivel constante, Q1 debe
ser igual a Q2, en este caso las secciones de entrada y salida serán las mismas, por lo tanto
la velocidad también.
Para una adaptación adecuada al nuevo diseño de agitador los conductos deben tener un
diámetro de 5 mm.
3.2.2. Electrobomba de refrigeración
Es necesaria una electrobomba que genere un caudal constante para refrigerar el sistema.
Se ha calcula el volumen de agua en el interior del agitador. Para ello se utiliza la ecuación
3 para la sección cilíndrica y la ecuación 4 para la forma cónica.
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C = 9:ℎ (Ecuación 3) ℎ = 41.9FG; 419GG
C = D (Ecuación 4) ℎ = 0.9 FG; 9GG
CjOT kíUkO = 2159,1FGD CjOT kókO = 15,45 FGD CTVTO = CjOT kíUkO + CjOT kókO = 2174,55FGD = 2,17 <&[:X`
Una vez calculado el volumen de agua que hay que mantener dentro del agitador se ha
seleccionado una electrobomba marca Saer modelo M400 (Anexo III) que cumple con las
exigencias del sistema de refrigeración. Se utilizarán dos bombas de este tipo, una para la
entrada de agua y otra para la salida, manteniendo así los mismos caudales de entra y
salida.
La Tabla 3.3 muestra las características principales de este tipo de bombas.
Tabla 3.3 . Características de electrobomba marca Saer modelo M400 C
Caudal / GD/ℎ 9.6
Altura / G 52
Temp. líquido bombeado / Entre -15 y +50
Presión máxima de func. / eY: 8
Temp. ambiente máxima / 40
Alimentación (50Hz) / C 1×230
Potencia máxima / >o 1,9
Potencia nominal / >o 1,1
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42
La bomba debe cambiar el agua del interior del agitador cada segundo, consiguiéndose que
la temperatura del agua se mantenga a una temperatura constante (22ºC), en un segundo
no hay tiempo suficiente para que se caliente el agua de una manera excesiva. Para que
esto sea posible, la bomba debe sacar el volumen total de agua del interior del agitador, que
es 2174 cm3. La bomba seleccionada saca un caudal máximo de 2666 cm3/s es regulada
por un potenciómetro es idónea para el volumen de agua interior del agitador requerido.
La Tabla 3.4 muestra las medidas en mm y el peso del motor seleccionado esquematizado
en la Figura 3.7.
Tabla 3.4 Dimensiones y peso de electrobomba marca Saer modelo M400 C (Anexo III)
DNA DNM f a b n1 n2 H h1 h2 w d
G1”1/2 G1”1/4 246,5 160,5 168,5 180 228 235 120 233 180 11
Figura 3.7 Esquema de electrobomba Saer modelo M400 C.
3.2.3. Convertidor de frecuencia de la electrobomba
Las electrobombas son complementadas con un convertidor de frecuencia para poder
regular su velocidad, de la longitud de los conductos de entrada y salida, y otros factores
que varíen las condiciones generales.
Diseño de un sistema de agitación mecánica isotérmico para la obtención de lodo semisólido
43
El convertidor de frecuencia seleccionado es el Delta VFD022S21E (Anexo IV) que es
compatible con la electrobomba Saer modelo M400 C por su potencia, esta puede ser hasta
2,2 Kw y su voltaje de entrada y frecuencia nominal de 230V y 50Hz.
Figura 3.8 Convertidor de frecuencia Delta VFD022S21E.
3.3. Platos de fijación, transmisión de movimiento y
refrigeración
Después de varios diseños, se ha llegado a la conclusión de que lo más efectivo para la
refrigeración y la transmisión de movimiento rotacional del motor-agitador, es diseñar dos
platos entre los que circule agua. El plato superior permanecerá fijo sin movimiento gracias a
un cojinete que tiene como función no transmitir el movimiento del motor y unos nervios que
permitan la fijación. El plato inferior recibirá el movimiento rotatorio del motor y estará fijado
directamente por la chaveta del motor con un ajuste que permita tener todo el sistema
totalmente fijo. En la Figura 3.9 se puede observar el montaje de los dos platos.
Diseño de un sistema de agitación mecánica isotérmico para la obtención de lodo semisólido
44
Figura 3.9 Plato inferior y superior montados
3.3.1. Selección del material del plato
Se ha seleccionado el mismo material del agitador (cobre-berilio) para evitar problemas de
corrosión. El material seleccionado se adecua perfectamente a las solicitaciones mecánicas
que tiene el plato.
3.3.2. Selección del rodamiento del plato superior
Para que el plato superior quede totalmente estanco se introduce un rodamiento rígido de
bolas de la marca SFK modelo 68105 (Anexo V) , que por sus dimensiones es ideal para el
sistema.
En la figura 3.10 se observa las medidas y el esquema del rodamiento.
Este rodamiento aguanta hasta 38.000 rpm, y estará unido al plato superior por un ajuste
adecuado de manera que quede totalmente fijo.
Diseño de un sistema de agitación mecánica isotérmico para la obtención de lodo semisólido
45
Figura 3.10 Esquema medidas rodamiento SFK modelo 68105
3.4. Material de las juntas
Las juntas ubicadas entre los dos platos, tienen como misión, mantener totalmente estancas
las ranuras de refrigeración del plato. También deben resistir el rozamiento que hay entre las
dos piezas puesto que el plato inferior estará en continuo movimiento de rotación respecto a
la pieza superior que permanecerá totalmente fija.
En la Figura 3.11 se puede observar la ubicación de las juntas. Este esquema sirve tanto
para el plato superior como para el inferior, puesto que las juntas y las ranuras de
conducción están a la misma distancia en ambos platos.
Figura 3.11 Posicionamiento de las juntas en el plato superior.
Diseño de un sistema de agitación mecánica isotérmico para la obtención de lodo semisólido
46
3.4.1. Selección de material de las juntas de los p latos
Debido a las exigencias de las juntas, se ha seleccionado un material con un bajo
coeficiente de fricción, que mantenga una buena estanqueidad y no se deteriore fácilmente.
El material que mejor cumple estos requisitos es el Polietileno de Ultra Alto Peso Molecular
(UHMW) se han tomado como referencia las propiedades de un polietileno de Industrias JQ
ya que era idóneo para nuestros requisitos.
3.4.2. Aplicaciones, características y propiedades del polietileno de Ultra Peso
Molecular (UHMW) [www3].
El polietileno es un material termoplástico no polar semicristalino, utilizado para la
fabricación de semielaborados. Empleado en la industria en general por su versatilidad de
usos, posee excelentes cualidades de aislamiento eléctrico, son prácticamente insolubles en
casi todos los disolventes orgánicos, inodoros, insípidos e indiferentes fisiológicamente.
Por sus buenas propiedades de deslizamiento es el plástico más utilizado para la
construcción de piezas que estén sometidas a fricción mecánica.
Debido a su ultra alto peso molecular posee mejores propiedades de resistencia al desgaste
y abrasión que el polietileno de alto peso molecular.
Características del polietileno de Ultra Peso Molec ular (UHMW)
Rango de temperatura de trabajo -100ºC +80ºC.
Mejor resistencia al desgaste que el polietileno de alto peso molecular.
Buena resistencia al impacto incluso a bajas temperaturas.
Bajo coeficiente de fricción.
Resistencia a la abrasión.
Fisiológicamente inerte.
Liviano e irrompible.
Resistente a las bajas temperaturas.
Muy baja absorción de agua.
Resistente a agentes químicos corrosivos como ser ácido sulfúrico, etc
Propiedades del polietileno de Ultra Peso Molecular (UHMW)
Las propiedades que más nos interesan para nuestras juntas de polietileno son las
propiedades mecánicas y térmicas, las cuales se pueden observar en la Tabla 3.5 y 3.6
Diseño de un sistema de agitación mecánica isotérmico para la obtención de lodo semisólido
47
Tabla 3.5 Propiedades mecánicas del polietileno de Ultra Peso Molecular (UHMW)
Propiedades mecánicas a 23ºC Valores
Peso específico (gr/cm3) 0.93
Resistencia al tracción (Kg/cm²) 200/-
Resistencia a la compresión (Kg/cm²) 45/80
Resistencia a la flexión (Kg/cm²) -
Resistencia la choque sin entalla (Kg·cm/cm²) No rompe
Alargamiento a la rotura (%) > 350
Módulo de elasticidad (tracción) 6000
Dureza (Kg/cm²) 61 - 64
Coeficiente de roce estático S/Acero 0.20 - 0.25
Coeficiente de roce dinámico S/Acero 0.15 - 0.20
Resistencia al desgaste por roce Muy buena
Tabla 3.6 Propiedades térmicas del polietileno de Ultra Alto Peso Molecular (UHMW)
Propiedades térmicas Valores
Calor específico (Kcal/Kg·ºC) 0.54
Temperatura de flexión B/carga (18.5Kg/cm²) (ºC) 46
Temperatura de uso continuo de aire (ºC) -30 a 80
Temperatura de fusión (ºC) 130
Coeficiente de dilatación lineal de 23 a 1 (por ºC) 0.0002
Diseño de un sistema de agitación mecánica isotérmico para la obtención de lodo semisólido
48
3.5. Selección del motor del sistema
El motor tiene como función transmitir un movimiento rotacional al agitador a través del plato
al cual estará fijado. Este motor debe ser de velocidad regulable para de esta forma poder
variar la velocidad de rotación en función de las necesidades de cada usuario.
Para la selección de este motor se ha tomado como referencia el motor del equipo SSR.
3.5.1. Motor rotacional y agitación
El motor más adecuado para el sistema es un motor rotacional ABB modelo M3BP 90 L 4
(Anexo VI ) con unas características similares al motor del equipo SSR en el que el motor a
un funcionamiento al 100% a 50 Hz produce 1350 vueltas/min, este motor debe tener más
de potencia dado que deberá mover un agitador de más peso y lleno de agua. Las
características son las siguientes:
Tabla 3.7 Características del motor
Tipo M3BP 90 L 4
Potencia de salida / >o 1.1
Velocidad rotación / p^(<[./G&= 1435
Intensidad / W 2.3
Par nominal / qG 7.3
Peso / >Z 25
Frecuencia / rs 50
Voltaje / C 400
Polos 4
Diámetro de salida del eje / GG 25
Longitud extensión del eje / GG 50
Material Hierro fundido
Diseño de un sistema de agitación mecánica isotérmico para la obtención de lodo semisólido
49
El motor tiene una longitud de eje adecuada para que puedan ir anclados los platos que lo
unirán con el agitador teniendo en cuenta el espesor de ambos. La Tabla 3.8 muestra las
medidas del motor en mm y la Figura 3.12 muestra el esquema del mismo en mm.
Tabla 3.8 Características del motor (Anexo VI)
Tip. AC AD D DB E EG F G GD HE L LA M N P S T
90 180 150 25 M8 50 19 8 20 7 200 335 10 165 130 200 12 3.5
3.12 Esquema del motor M3BP 90 L 4
La Figura 3.13 muestra de forma esquemática el conjunto y el posicionamiento de cada
pieza.
Diseño de un sistema de agitación mecánica isotérmico para la obtención de lodo semisólido
50
Figura 3.13 Esquema del conjunto del agitador
3.5.2. Convertidor de frecuencia del motor
Se añade al motor rotacional un convertidor de frecuencia previendo que en función de la
carga de aluminio, el tiempo de agitación y otros parámetros como una velocidad mayor o
menor.
El convertidor de frecuencia tiene como función regular la frecuencia de la corriente aplicada
al motor, logrando con ello modificar su velocidad. Sin embargo, se debe tener presente que
el cambio de frecuencia debe estar acompañado por un cambio de la tensión aplicada, para
no saturar el flujo magnético del rotor.
Se ha seleccionado un convertidor VFKB IP 65 de Soler & Palau (Anexo VII) para motores
trifásicos de 0.37 a 4Kw (Figura 3.14).
Las características más destacables del convertidor se muestran en la Tabla 3.7
Diseño de un sistema de agitación mecánica isotérmico para la obtención de lodo semisólido
51
Tabla 3.7 Características del convertidor de frecuencia VFKB IP.
Potencia motor ]>oc Intensidad máxima ]Wc Peso ]>Zc
1.1 3.4 4.7
Figura 3.14 Convertidor de frecuencia VFKB IP 65.
Diseño de un sistema de agitación mecánica isotérmico para la obtención de lodo semisólido
52
4. Diseño del sistema de agitación isotérmico
En este apartado se aclara los motivos por los cuales se ha diseñado de una manera
específica cada uno de los componentes y por qué se han escogido algunas de las piezas
estandarizadas. Para el diseño y ensamblaje de las piezas se ha utilizado Unigraphics NX6.
4.1. Diseño del plato de fijación, transmisión de m ovimiento y
refrigeración
Esta es una de las piezas más importante de todo el agitador, transmite el movimiento del
motor a la barra agitadora y permite su refrigeración conduciendo en su interior agua de
manera estanca.
El plato consta de dos partes, una parte superior que permanece fija y una parte inferior que
es la que permite la transmisión de movimiento. En la Figura 4.1 se puede observar el
montaje de los dos platos.
Figura 4.1 Sección del conjunto plato inferior y superior.
Diseño de un sistema de agitación mecánica isotérmico para la obtención de lodo semisólido
53
Como se puede ver en la Figura 4.1 el plato superior tiene dos boquillas en sus laterales,
que son las que dan paso a los conductos de entrada y salida del agua al interior de los
platos.
El agua se introduce por la boquilla de entrada propulsada por una electrobomba a una
presión idónea, haciendo que llegue a la ranura de entrada de agua (diámetro menor). El
plato inferior está en continua rotación, transmitiendo el movimiento del motor al agitador. La
Figura 4.2 muestra los conductos que forman las dos piezas unidas y por donde irá el agua
hasta llegar al interior del agitador.
Cuando se unen los dos platos, las ranuras exteriores formarán el conducto de salida de
agua, y las ranuras interiores forman el conducto de entrada de agua.
Figura 4.2 Vista de conductos formados por la unión de los platos
4.1.1. Plato superior
El plato superior permanece totalmente fijo una vez montado. La Figura 4.3 muestra el
esquema del plato superior y su diseño.
Diseño de un sistema de agitación mecánica isotérmico para la obtención de lodo semisólido
54
Figura 4.3 Esquema plato superior
Se puede observar exteriormente que una cara contiene varias ranuras. La primera ranura
empezando del diámetro mayor al menor, es una ranura para la ubicación de una junta de
polietileno, evitando la fuga de agua en la unión de los conductos. La siguiente ranura tiene
un perfil semicircular de diámetro 5mm, y es la ranura que unida al otro plato, formará el
conducto de salida de agua. La ranura que le sigue es otra junta de polietileno, y después se
encuentra la ranura semicircular de 5mm que formará el conducto de entrada de agua. Para
acabar se monta una última junta, dejando totalmente estanco el sistema.
En las ranuras de conducción de agua hay dos orificios. El orificio que está en la ranura
exterior es el de salida de agua, y el que está en la ranura interior es el de entrada de agua.
Comunican con las boquillas de entrada y salida de agua. Se ha dado esta forma a las
boquillas para que al conectar los conductos que conducen el agua de la electrobomba al
plato se puedan fijar con unos clips y queden conectados de una manera segura.
En la Figura 4.4 se puede ver que en el interior de este plato hay unos taladros que van
desde las boquillas hasta los orificios correspondientes (conductos de entrada y salida),
provocando un ángulo de 90º, permitiendo la circulación de agua hasta llegar al plato
inferior.
Diseño de un sistema de agitación mecánica isotérmico para la obtención de lodo semisólido
55
Figura 4.4 Plato superior seccionado
Por la cara inversa a las de las ranuras se ha fabricado un emplazamiento para el
rodamiento normalizado, por el cual pasará el eje y quedará ajustado, se ha diseñado
evitando en todo momento la posible transmisión de movimiento rotacional del eje. En la
Figura 4.5 se muestra la ubicación del rodamiento seleccionado.
Figura 4.5 Ubicación del rodamiento en el plato superior
Para acabar con el diseño del plato superior, se ha provisto de unas pequeñas hendiduras
circulares que tienen la función de asegurar que el plato queda totalmente en la misma
posición y que no rota en ningún momento del proceso de agitación, evitando así un posible
cruce de los conductos de entrada y salida que irán en las boquillas. El funcionamiento de
este sistema se explica en el apartado 4.5.
Diseño de un sistema de agitación mecánica isotérmico para la obtención de lodo semisólido
56
Figura 4.6 Hendiduras de fijación del plato
Las dimensiones del diseño del plato superior están en Anexo I (RQ-02).
4.1.2. Plato inferior
El plato inferior está en contacto directamente con el agitador isotérmico, el plato superior y
el eje del motor. La figura 4.7 muestra el diseño de este plato.
Figura 4.7 Diseño plato inferior (parte agitador)
Exteriormente se puede observar que una de las caras tiene una rosca interior (M95x2) que
es con la que se anclará al agitador. En la Figura 4.8 se observa la otra cara del plato. Está
Diseño de un sistema de agitación mecánica isotérmico para la obtención de lodo semisólido
57
compuesta por unas ranuras que coinciden con las ranuras del plato superior nombradas en
el apartado 4.1.1. formando los conductos interiores de entrada y salida de agua, y las
ranuras necesarias para las juntas de polietileno.
Figura 4.8 Diseño plato inferior (parte agitador)
En la sección del plato (Figura 4.9) se observa como los orificios de entrada y salida de agua
acaban en un taladro. Estos son los que comunican el agua que entra por el plato superior y
la que habrá en los conductos formados por la unión de los platos con el interior del
agitador. Estos taladros contienen una rosca para poder ensamblar un tubo de entrada y
otro de salida que repartirán de una manera adecuada el agua por el interior del agitador,
refrigerándolo.
Figura 4.9 Sección plato inferior
Diseño de un sistema de agitación mecánica isotérmico para la obtención de lodo semisólido
58
Este plato recibe el movimiento directamente de la chaveta del motor, por lo tanto se ha
diseñado un chavetero de la misma longitud que la chaveta para su ubicación y una
transmisión de movimiento rotacional completa (Figura 4.10).
Figura 4.10 Chavetero plato inferior
Las dimensiones del diseño del plato inferior están en Anexo I (RQ-07).
4.2. Diseño de las juntas ubicadas entre los platos de
refrigeración
Las juntas de polietileno van ubicadas en la unión de los dos platos. Su función es
mantener estanco el circuito interior y aguantar el rozamiento entre las dos piezas. La figura
4.11 muestra la ubicación de las juntas en el interior de los platos.
Diseño de un sistema de agitación mecánica isotérmico para la obtención de lodo semisólido
59
Figura 4.11 Ubicación de las juntas entre los platos
El sistema tiene tres juntas. Una junta exterior para evitar la salida de agua por el diámetro
exterior de los platos, una junta intermedia para evitar la comunicación entre el conducto de
entrada y salida y una última junta interior que evita las fugas por el diámetro interior de los
platos.
Las medidas de las juntas no son normalizadas, estas se tendrán que adaptar a unas cotas
específicas.
4.3. Diseño de la alimentación del sistema refriger ación
Tal y como se ha comentado en el apartado 4.1.2 , en el plato inferior irán roscados dos
tubos que repartirán el agua en el agitador. Las medidas de estos tubos están en los planos
RQ-08 y RQ-09 del Anexo I.
4.3.1. Tubo de entrada de agua en el agitador
Es el tubo que pertenece al orificio del conducto interior, el que está más separado de las
paredes del agitador será el conducto de entrada. Este va roscado al plato inferior con la
ayuda de unos planos a 180º que tiene en sus laterales para poder apretar o aflojar con una
Diseño de un sistema de agitación mecánica isotérmico para la obtención de lodo semisólido
60
llave específica. La rosca del tubo es de M8x1,2 estandarizada. En la rosca se añadirá teflón
para asegurar la estanqueidad. El diámetro interior del tubo es de 5mm.
Figura 4.12 Rosca y planos del conducto
La longitud del tubo de entrada de agua es de 420mm para poder llegar prácticamente a la
parte más baja del agitador.
4.3.2. Tubo de salida de agua en el agitador
El tubo de salida va roscado al orificio del conducto exterior. Las medidas son exactamente
iguales que las del tubo de entrada de agua, únicamente cambia la longitud que en este
caso es de 65 mm, para poder aspirar el agua desde la parte superior del agitador,
provocando una continua circulación de agua desde la parte inferior (conducto de entrada)
hasta la parte superior (conducto de salida).
En la Figura 4.13 se muestra el montaje de los tubos de entrada y salida de agua en el
conjunto.
Diseño de un sistema de agitación mecánica isotérmico para la obtención de lodo semisólido
61
Figura 4.13 Ubicación de tubos en el sistema
4.4. Diseño de la barra agitadora
Una vez se ha seleccionado el material de la barra agitadora se procede al diseño de la
misma. Toma como base las medidas de la barra agitadora del equipo SSR Idra Casting y
se han modificado en función de las necesidades. Las medidas se pueden observar en el
plano RQ-10 del Anexo I .
Figura 4.14 Diseño barra agitadora.
Diseño de un sistema de agitación mecánica isotérmico para la obtención de lodo semisólido
62
Se ha aumentado el diámetro interior y exterior del agitador disminuyendo el espesor de las
paredes para que de esta manera, entre más agua en el interior, produciendo una mejor
refrigeración.
El agitador va collado al plato inferior por una rosca exterior M95X2. Para conseguir un
buen apriete de esta pieza se ha diseñado unos planos a 180º (Figura 4.15) respecto al eje
del agitador en los cuales se colocará una herramienta específica para esta función.
Figura 4.15 Planos para la fijación del agitador.
Para mayor estanqueidad, el agitador se montará colocando cinta de teflón en la rosca. De
esta manera se aumenta la estanqueidad del sistema asegurando que no habrá fugas
debido a la agitación del agua.
Diseño de un sistema de agitación mecánica isotérmico para la obtención de lodo semisólido
63
Figura 4.16 Montaje agitador.
4.5. Diseño del nervio de fijación al motor
El correcto funcionamiento del agitador se complementa con dos nervios fijados a bancada
(las medidas pueden variar en función de la ubicación de bancada). Estos nervios van
soldados a bancada, su función es asegurar que el plato superior quede totalmente fijo y no
gire. Esto se consigue mediante unos tornillos M4 de cabeza hexagonal (Anexo VIII), un
tornillo para cada nervio (el largo de los tornillos dependerá de la distancia del nervio al
plato). La Figura 4.17 muestra la alineación del nervio con el plato superior.
Diseño de un sistema de agitación mecánica isotérmico para la obtención de lodo semisólido
64
Figura 4.17 Alineación hendidura semiesférica y coliso del nervio.
El tornillo va fijado al coliso por dos arandelas o palomillas de M4 autoblocantes (Anexo VIII)
(evitan aflojarse por vibraciones) y dos tuercas de M4 estándares, fijándolo completamente
una vez haya encajado con la hendidura del plato superior y se tenga en la posición y altura
adecuada.
Se ha hecho un coliso en el nervio para tener varias posiciones del plato superior, en función
de las necesidades de cada usuario.
El grosor del nervio puede ser modificado, aunque se debe tener en cuenta el largo de la
pieza y su altura para que no tenga ningún tipo de incidencia en el funcionamiento.
. Figura 4.18 Fijación del plato superior.
Diseño de un sistema de agitación mecánica isotérmico para la obtención de lodo semisólido
65
4.6. Diseño de Ranura en eje del motor
El eje del motor deberá estar mecanizado. Se debe hacer una ranura a una distancia
determinada para ubicar un anillo Seeger DSR (Anexo IX) para un eje de 25mm Las
medidas a las que debe estar la ranura se RQ-01 del Anexo I
La función de este anillo es mantener el conjunto totalmente ensamblado haciendo de tope
de las piezas.
Figura 4.19 Ranura en eje motor.
El anillo Seeger DSR está fabricado para trabajos pesados y ofrece una gran capacidad de
carga de empuje (Figura 4.20).
Figura 4.20 Anillo Seeger DSR.
Diseño de un sistema de agitación mecánica isotérmico para la obtención de lodo semisólido
66
4.7. Diseño del crisol
El crisol es el recipiente que recibe el metal fundido. Está hecho normalmente de grafito con
cierto contenido de arcilla y puede soportar altas temperaturas.
En este diseño de agitador isotérmico se ha aumentado la capacidad del crisol en
comparación con el utilizado para el sistema SSR convencional. El motivo es el aumento de
dimensiones del agitador que trabaja en su interior. El agitador debe tener una cierta
distancia de seguridad respecto al crisol para que no contacte en ningún momento y
conseguir una agitación óptima.
En plano RQ-11 del Anexo I se pueden observar las cotas del crisol y como tiene por los
lateras unas asas que sirven para su manipulación con metal fundido. La altura del crisol y
las medidas de las asas se han conservado para conseguir que en caso de tener que hacer
modificaciones de máquinas, sean mínimas. La Figura 4.21 se muestra una imagen
simplificada del crisol.
Figura 4.21 Croquis del crisol.
Diseño de un sistema de agitación mecánica isotérmico para la obtención de lodo semisólido
67
5. Montaje de la máquina
Para el montaje de la máquina debe seguir unas pautas precisas para que quede bien
ensamblado.
• Fase 1
Lo primero que se debe montar es el anillo Seeger DSR en la ranura del eje del motor con la
ayuda de unos alicates de punta que abren el anillo. Una vez esté montado, se debe
introducir el plato superior en el eje del motor con la cara de las ranuras de refrigeración en
la parte inferior. Previamente el rodamiento se debe haber introducido en plato superior, con
la ayuda de una maza y totalmente plano.
Se colocan las tres juntas en las ranuras del plato inferior. Acto seguido se monta el plato
inferior en la posición adecuada para después poder montar la chaveta.
Encaradas todas las piezas correctamente, se procede a introducir la chaveta del plato
inferior, que hace que quede totalmente ensamblado el sistema ya que va a un ajuste
específico y una carga de 10KN para no exceder la carga máxima del anillo Seeger DSR
(10,3KN).
Antes de introducir la chaveta se debe prestar máxima atención a las juntas ubicadas entre
los platos que deben estar bien alineadas.
Al introducir la chaveta y empujar el plato inferior contra el superior la arandela Seeger DSR
hará de tope, consiguiendo de esta manera la unión total.
Figura 5.1 Fase 1 de montaje.
Diseño de un sistema de agitación mecánica isotérmico para la obtención de lodo semisólido
68
• Fase 2
Una vez estén montados los platos con las juntas en su interior se deben roscar el tubo de
entrada de agua y el de salida. El tubo de entrada se rosca al orificio interior y el de salida al
exterior. Los tubos deben montarse con cinta de teflón en la rosca y apretar con una
herramienta específica.
Colocados los tubos, se monta el agitador también con cinta de teflón en la rosca y apretado
con una herramienta específica gracias a los planos laterales, quedando escondidos en su
interior el tubo de entrada y salida de agua.
Se debe comprobar que todas las roscas están correctamente apretadas. La figura 5.2
muestra el montaje de las tres piezas roscadas.
Figura 5.2 Fase 2 de montaje.
Fase 3
En esta fase se deben colocar en línea las hendiduras del plato superior y los tornillos de los
nervios. Se introducen las puntas de los tornillos en las hendiduras y se fijan a los nervios
de bancada con las arandelas y las tuercas. El plato superior queda totalmente fijado,
evitando que pueda girar.
Diseño de un sistema de agitación mecánica isotérmico para la obtención de lodo semisólido
69
Para finalizar, se colocan los conductos de entrada y salida de agua en las boquillas del
plato superior, asegurándolos con unos circlips o abrazaderas.
Figura 5.3 Esquema montaje completo
Figura 5.4 Sección del sistema de agitación ensamblado.
Diseño de un sistema de agitación mecánica isotérmico para la obtención de lodo semisólido
70
6. Condiciones ambientales y seguridad
6.1. Ecodiseño
El ecodiseño (también conocido como diseño para el Medio Ambiente o Diseño Ecológico)
es una herramienta que puede ayudar a la empresa a mejorar su comportamiento
medioambiental mediante la reducción de impactos en sus productos, procesos o servicios
que generen sobre el medio. Así, el ecodiseño consiste en la consideración de criterios
ambientales durante el diseño y desarrollo del producto y servicios, al mismo nivel que se
tienen en cuenta otros criterios relativos a la calidad, legislación, costes, funcionalidad
durabilidad, ergonomía, estética, salud y seguridad. Con resultado, los productos
ecosideñados tienen que mantener la misma calidad que los equivalentes en el mercado,
son innovadores y tiene un menor impacto medioambiental.
6.1.1. Ventajas del ecodiseño
• Reducción de los costes de fabricación y distribución mediante la identificación de
los procesos ineficientes a mejorar y la consecución de más valor utilizando menos
recursos naturales.
• Potenciación del pensamiento innovador dentro de la empresa, que pueda ayudar a
encontrar nuevas soluciones y facilitar la creación de nuevas oportunidades de
mercado.
• Refuerzo de la imagen de la marca y del producto gracias a una actitud más
innovadora y sensible en relación a los temas ambientales.
• Cumplimiento de las normativas ambientales aplicables y anticipación a los futuros
cambios legislativos. La normativa vigente se ha de considerar como el punto de
partida a mejorar.
• Mejora de la calidad de los productos mediante el incremento de su durabilidad y
funcionalidad y haciéndolos más fáciles de reparar y reciclar.
• Mayor valor añadido de los productos en tener un menor impacto ambiental a lo
largo de su ciclo de vida y una mejor calidad.
Diseño de un sistema de agitación mecánica isotérmico para la obtención de lodo semisólido
71
• Posibilidad de acceder a los mercados de comprar ambientalmente correcta o
compra verde.
• Posibilidad de acceder a los sistemas de ecoetiquetage (ver el apartado
“Comunicación del comportamiento ambiental de producto”).
• Ampliación del conocimiento del producto y de su ciclo de vida, que puede ser
utilizado en la planificación estratégica, la comunicación o el benchamarking de la
empresa.
6.1.2. Ecodiseño en el diseño del sistema de agitac ión isotérmico
En este agitador se han implantado algunas mejoras en el diseño que implican acciones que
se identifican con el ecodiseño.
En primer lugar se ha reducido el número de agitadores para el proceso SSR, pasando de
cuatro a uno. Esto conlleva a una reducción del número de motores rotacionales y como
consecuencia de consumo de energía.
El agua utilizada para el sistema de refrigeración aumentará su temperatura mínimamente
pudiéndose aprovechar para la refrigeración de piezas u otros tipos de utilidades similares.
Al estar el agitador completamente refrigerado sufrirá una degradación menor a los
agitadores de grafito del SSR convencional, por lo tanto menos cambios de agitador y
menos producción de los mismos.
Se desestima la utilización de pintura o lacas para el acabado de los productos.
Se han utilizado el máximo número de piezas y componentes normalizados.
6.2. Seguridad
Para manipular la máquina se deben seguir las indicaciones establecidas en el libro de
instrucciones, quedando exenta la empresa de toda responsabilidad si no se cumplen
rigurosamente todas las advertencias, tales como no manipular el utillaje con la máquina en
marcha y no extraer ni inutilizar las protecciones y sistemas de seguridad. Además, se dará
un curso presencial de un día para explicar el funcionamiento seguro de la máquina, los epis
(Equipos de Protección Individual) necesarios para trabajar en la máquina, y se explicarán
los posibles riesgos que se corren al trabajar en este tipo de máquinas.
6.2.1. Seguridad de la máquina
Diseño de un sistema de agitación mecánica isotérmico para la obtención de lodo semisólido
72
La máquina debe estar perfectamente aislada de la zona de trabajo, el operario no puede
acceder a la máquina al estar aislada por un vallado de seguridad el cual nos permite
visualizar la zona de trabajo pero no acceder a ella con la máquina en automático.
Figura 6.1 Vallado máquina
En las zonas móviles de la valla (puertas) se colocaran una serie de micros que hace que al
abrir la puerta la máquina se pare y pase de estar de un ciclo automático a manual, la
máquina no podrá ponerse en marcha hasta que todos los micros estén ajustados.
Figura 6.2 Micros de seguridad
En los alrededores de la maquina se colocaran señales luminosas las cuales indican en la
fase de trabajo en la que se encuentra la máquina.
Diseño de un sistema de agitación mecánica isotérmico para la obtención de lodo semisólido
73
Rojo: parada
Naranja: posición manual
Verde: marcha ciclo automático.
Esto permite saber a las persona de su alrededor (carretilleros….) el estado de trabajo de la
máquina y la precaución que deben tomar en cada momento.
Figura 6.3 Señales luminosas
En el cuadro de mando y en las zonas donde deba manipular el operario se colocaran paros
de emergencia que al ser pulsados la máquina para todo su ciclo en cualquier momento.
Figura 6.4 Paro de emergencia
Diseño de un sistema de agitación mecánica isotérmico para la obtención de lodo semisólido
74
6.2.2. Seguridad del operario
Se justifica este apartado por los equipos de protección individual (epis) que debe llevar el
trabajador a la hora de realizar trabajos y ajustes en máquina. Los epis son los siguientes:
Gafas de protección para proteger los ojos de posibles salpicaduras de materiales a altas
temperaturas, u otro tipos de riesgos.
Figura 6.5 Gafas de protección
Guantes para evitar cortes o quemaduras en cualquier momento de la manipulación de la
máquina.
Figura 6.6 Guantes
Botas de seguridad para proteger ante cualquier tipo de caída de pieza o útil en la zona del
pie y evitar deslizamientos.
Diseño de un sistema de agitación mecánica isotérmico para la obtención de lodo semisólido
75
Figura 6.7 Botas de seguridad
Mono de trabajo ignífugo para evitar quemaduras ante cualquier salpicadura de material en
estado líquido
Figura 6.8 Mono de trabajo ignífugo
Los epis asignados son responsabilidad del trabajador y serán repuestos siempre que estén
en mal estado por el trabajo o uso. En la entrega de epis se hará rellenar una hoja como
constancia de la entrega de los mismos. Como mayor prevención, se realizara una pequeña
charla para realizar una formación a todos los operarios que realicen trabajo en la máquina
para prevenir accidentes específicos en esa máquina y se facilitará un pequeño documento
donde se aporta los riesgos, las causa y las realidades preventivas.
Diseño de un sistema de agitación mecánica isotérmico para la obtención de lodo semisólido
76
7. Presupuesto
7.1. Coste del material
Se calcula el coste del material del que estarán fabricados los componentes
Material Kilogramos €/Kg Precio
Cobre -Berilo 4 273 1092 Polietileno (UHMW) 0.5 4 2
Acero 3 24,26 72,8 TOTAL 1166,78
7.2. Coste de piezas y máquinas estandarizadas
La máquina se completa con el máximo número posible de piezas estandarizadas.
Pieza/máquina Unidades €/unidad Precio
Motor ABB M3BP 90 L 4 1 289,5 289,5 Electrobomba Saer M400 C 2 210,65 421,3
Convertidor de frecuencia VFKB IP 65
1 895,17 895,17
Convertidor de frecuencia Delta VFD-S
2 650,15 1300,3
Tornillos M4 2 0,1 0,2 Tuercas antiblocantes M4 4 0,05 0,2
Arandelas M4 4 0,05 0,2 Anillo Seeger DSR 1 4,16 4,16 Rodamiento SFK 1 8,16 8,16
TOTAL 2919,19
7.3. Coste de la mano de obra
La mano de obra de un operario especialista es de 35.-€/hora. La cantidad total de horas
invertidas en el mecanizado de las piezas son las siguientes:
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Mecanizado Horas €/hora Precio Ranura del eje del motor 2 35 70
Plato superior 8 35 280 Plato inferior 8 35 280
Agitador 6 35 210 Tubo de entrada de agua 4 35 140 Tubo de salida de agua 4 35 140
Nervios de bancada 5 35 175 TOTAL 37 1295
7.4. Coste de ingeniería de diseño
La hora de diseño de un ingeniero técnico es de 50.-€/hora.
Diseño y redacción Horas €/hora Precio Ranura del eje del motor 5 50 250
Plato superior 50 50 2500 Plato inferior 50 50 2500
Agitador 30 50 1500 Tubo de entrada de agua 20 50 1000 Tubo de salida de agua 20 50 1000
Nervios de bancada 20 50 1000 Junta 1 9 50 450 Junta 2 9 50 450 Junta 3 9 50 450 TOTAL 222 11100
Dentro de las horas de diseño se incluye la redacción, estudios y cálculos de cada una de
las piezas. Los gastos de papelería y desplazamientos se han tenido en cuenta pudiendo
ser variables.
7.5. Precio total
El precio total del nuevo diseño de agitación es:
Material Piezas Mano de obra Ingeniería TOTAL 1166,78 2919 1295 11100 16480,78€
Diseño de un sistema de agitación mecánica isotérmico para la obtención de lodo semisólido
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8. Perspectivas
• En futuros diseños de mejora se pueden cambiar los materiales de algunas piezas
reduciendo el coste de fabricación, realizando el pertinente estudio para ver la
compatibilidad entre materiales.
• Realizar un estudio para sustituir el agua por otro fluido o gas que tenga mejores
propiedades como refrigerante.
• Optimizar los tiempos de enfriamiento dependiendo de los requisitos de la máquina
regulando la potencia de las electrobombas de refrigeración y el motor rotacional.
Diseño de un sistema de agitación mecánica isotérmico para la obtención de lodo semisólido
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9. Conclusiones
• El resultado final de este proyecto es un agitador 100% funcional, que permite la
obtención de lodo semisólido de forma rápida y eficaz.
• Se ha reducido el número de agitadores de cuatro a uno comparando este proceso
con otros ya existentes.
• El tiempo de ciclo para la obteniendo del lodo se ve reducido con este sistema
refrigerado con agua.
• El consumo de energía del sistema se reduce, pasando de cuatro motores a uno.
• El desgates del agitador se ve minimizado al sustituir el agitador de grafito por uno
de cobre-berilio.
Diseño de un sistema de agitación mecánica isotérmico para la obtención de lodo semisólido
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10. Agradecimientos
Agradecer a la EPSEVG por todos estos años de aprendizaje y momentos enriquecedores
que me ha ofrecido, han servido para mucho, tanto en mi vida profesional como personal.
Mencionar especialmente al Sr. Sergi Menargues Muñoz responsable de la supervisión y
seguimiento del proyecto que sin su ayuda, paciencia y orientación hubiera sido imposible
llevar a cabo este trabajo así como a la Sr. Maria Teresa Baile Puig directora del proyecto.
Agradezco a todos los compañeros con los que he compartido clases, así como a los
profesores.
Agradecer al Sr. Joan Sangrà la ayuda ofrecida en la elaboración de los planos de las
piezas.
Gracias a mi gran compañero y amigo Albert Gonzalo Gil que ha conseguido que toda la
estancia en la universidad fuera especial.
Gracias a Eduardo Rodríguez Mas por su curso acelerado de NX y estar ahí cuando tenía
alguna duda.
Agradezco también a mi familia (padres, hermano y cuñada) por apoyarme
incondicionalmente en todo esto.
A mi compañero de piso y amigo Adrià Garriga por su paciencia en los ratos de estrés y en
los que no también.
Y por último a Anna y su familia que siempre han estado ahí.
Seguro que me olvido a alguien pero por si a caso Gracias a ti también.
Diseño de un sistema de agitación mecánica isotérmico para la obtención de lodo semisólido
81
11. Bibliografía
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