Moldeo al CO2.pdf

Universidad de Crdoba

Ingeniera de Fabricacin

Curso acadmico 2014-2015

ACTIVIDAD INDIVIDUAL N 1

MOLDEO AL CO2

Autor: Daniel Navas Sedeo

Crdoba, marzo 2015

Moldeo al CO2 Daniel Navas Sedeo

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NDICE

1. Introduccin y definicin del proceso ...................................................................... 1

2. Clasificacin del proceso ......................................................................................... 1

3. Proceso y caractersticas del moldeo al CO2 .......................................................... 2

3.1. Principio qumico del proceso .......................................................................... 3

3.2. Materias primas empleadas ............................................................................. 4

3.3. El proceso de gaseado ..................................................................................... 7

4. Ventajas e inconvenientes ....................................................................................... 8

4.1. Ventajas ........................................................................................................... 8

4.2. Inconvenientes ................................................................................................. 9

5. Equipos utilizados en el moldeo al CO2 ................................................................ 10

5.1. Preparacin de las mezclas ........................................................................... 10

5.2. Maquinaria para el compactado ..................................................................... 11

5.3. Maquinaria para la fabricacin de machos ..................................................... 12

6. Aplicaciones y tendencias industriales del moldeo al CO2 .................................... 13

7. Bibliografa ............................................................................................................. 15


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MOLDEO AL CO2

1. Introduccin y definicin del proceso

Es conocido que el desarrollo alcanzado por la civilizacin humana est directamente relacionado con los materiales, particularmente con los metales y la industria para la elaboracin de stos, por tanto tambin con la industria de la fundicin. A pesar del desarrollo alcanzado por los mtodos especiales de fundicin, como la fundicin en coquilla, a presin, en cscara y otros; sigue siendo la fundicin en moldes de arena el proceso ms ampliamente usado, debido a que con este mtodo se obtienen altos rendimientos, se disminuyen los costos y los materiales son generalmente reutilizables.

Al mismo tiempo, entre las mezclas ms usadas en la produccin de moldes y machos se encuentran las del tipo autofraguante. Ello se debe en primer trmino a razones de costos, y por otro lado, a las cada vez ms rigurosas regulaciones medioambientales, pues en este caso los procesos de endurecimiento ocurren a temperatura ambiente, sin la necesidad de calor.

De entre la tcnicas autofraguantes ms conocidas se encuentra el uso del silicato de sodio como aglomerante para la arena y su gasificacin con dixido de carbono para endurecer la mezcla. Este sistema fue concebido por primera vez en 1898, pero el proceso fue comercialmente aceptado en la industria y se populariz sobre 1955[1]. Ahora este proceso se conoce como moldeo al CO2 y es comnmente usado en la fabricacin de machos para la fundicin con arena[2].

Hay que sealar, que cuando nos referimos al moldeo al CO2, nos estaremos refiriendo, a no ser que se indique lo contrario, al proceso silicato - CO2 y no a otros procesos que pueden emplear el dixido de carbono para el curado de los moldes o machos.

2. Clasificacin del proceso

En primer lugar, el modelo al CO2 forma parte de las tcnicas y procesos de las fundiciones. A partir de aqu, los procesos de fundicin desde el punto de vista tecnolgico se pueden agrupar en dos categoras amplias; fundicin en moldes desechables y permanentes. El molde desechable solo se utilizar una vez y se debe romper para liberar la fundicin solidificada, sin embargo, un molde permanente se espera que dure varios cientos o miles de veces. Desde otro punto de vista, podemos clasificar los procesos de fundicin basndonos en el propsito de los mismos; y distinguir as entre:

Fundicin de lingotes, planchas y planquillas. El metal es una aleacin forjada; en preparacin para el laminado, la extrusin o el forjado, se funde en una forma sencilla adecuada para el trabajo posterior.


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Lingotes refundidos. Son formas sencillas, vaciadas a partir de fusiones de composicin muy controlada y analizada, para facilitar el transporte y la carga en los hornos de los fabricantes secundarios.

Fundicin de formas. La fusin se vaca en la forma final, la cual solo necesita limpieza y/o maquinado para producir una pieza terminada.

Una vez hecha esta primera clasificacin general de los procesos de fundicin, podemos emplazar el moldeo al CO2 como un proceso de fabricacin de moldes y machos en arena para la fundicin de formas mediante moldes o machos desechables y modelos permanentes[3].

Esta clasificacin no deja de ser demasiado general, y parece conveniente situar el proceso de moldeo al CO2 con mayor precisin, teniendo en cuenta que estamos hablando de un proceso de fabricacin de moldes y machos en arena. Para ello debemos indicar, aunque sea superficialmente, cules son las materias primas utilizadas en ste tipo de moldes, ya que el uso de diferentes materiales nos permitirn clasificar las distintas tcnicas y entre ellas el moldeo al CO2.

Las mezclas para la elaboracin de moldes o machos tienen como base un material refractario que ser normalmente distintos tipos de arena entre las que destaca la arena silcea; a esta base se le aade un aglomerante con el objetivo bsico de ligar los granos de arena y dar consistencia a la pieza, uno de los ms utilizados es la arcilla o bentonita, que se utiliza en diversas tcnicas de moldeo, como el moldeo con arena natural, o el moldeo en verde.

En las ltimas dcadas se han desarrollado una serie de aglomerantes qumicos en forma de resinas. Son sistemas de un nico o de varios componentes que se mezclan con la arena de fundicin hasta que todos los granos quedan recubiertos de una fina pelcula. Tras el mezclado se inicia una reaccin endurecedora que une los granos de arena y da fuerza al molde[4]. As se pueden distinguir las resinas de endurecimiento en fro, las endurecidas por gas y las termocuradas.

A las mezclas, tambin se le pueden aadir distintos aditivos para proporcionar caractersticas especiales o para mejorar las mismas como polvos de carbn, aglomerantes de cereales u xidos de hierro.

Podemos por tanto enmarcar finalmente el moldeo al CO2 como una tcnica para la produccin de moldes y machos con arena qumica mediante el fraguado por gas.

3. Proceso y caractersticas del moldeo al CO2

sta tcnica consiste, como se coment con anterioridad, en el endurecimiento de la mezcla del material de moldeo, es decir, la arena y el aglomerante de silicato de sodio, por medio de la inyeccin de un iniciador, que este caso es dixido de carbono.

El moldeo al CO2 puede ser utilizado para la fabricacin de moldes, pero se usa principalmente en la produccin de machos, por eso prestaremos mayor atencin a stos.


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Los machos son esencialmente un componente de los moldes con suficiente fuerza y consistencia para ser manejados como una unidad independiente, y que sern usados para obtener huecos, formas interiores o cavidades en los moldes que seran imposibles o muy difciles de obtener con un moldeo directo.

Para la fabricacin de machos, se utiliza una caja de machos que consiste en un receptculo de madera u otro material con unos ensamblajes metlicos de precisin. Pueden tener un diseo simple con una de sus caras abierta para el diseo de machos con paredes planas, o machos en dos mitades que luego se unirn para conformar el diseo final del mismo. Hay cajas de machos con caractersticas especiales, adecuadas por ejemplo a las necesidades de ciertos tipos de automatizacin de la produccin. En el caso de algunos tipos de gaseado sern necesarias cajas de machos con caractersticas adecuadas, de manera que el gas se pueda difundir de manera uniforme por todo el material a travs de su paso por unas aperturas de ventilacin.

Dentro de las cajas de machos (o en su caso sobre los modelos para la fabricacin de moldes) se verter la mezcla de arena que necesitar ser compactada. El proceso de compactado puede ser por apisonado manual, por tcnicas de traqueteo, exprimido o impacto, al igual que en la compactacin de los moldes. El acabado de este compactado debe ser uniforme y consistente, pero se ha de cuidar que el gas que se aplicar pueda penetrar adecuadamente por todo el material. En la fabricacin de machos, es muy usual el uso de mquinas sopladoras o disparadoras que se emplean para obtener grandes producciones automatizadas sobre todo para piezas medianas y pequeas.

Una vez presada la mezcla, se procede al gaseado con el fin de que el material de moldeo endurezca y adquiera las condiciones necesarias para su utilizacin. Existen distintos procedimientos para el gaseado que se vern ms adelante.

Finalmente, se procede a la separacin del macho o molde, de manera que quede listo para su utilizacin o almacenamiento[5].

3.1. Principio qumico del proceso

El principio de accin consiste en la reaccin de del silicato de sodio y el dixido de carbono transformndose en pocos segundos en sosa y cido silcico en forma de gel que provoca la aglutinacin de los granos de arena en el molde. Durante la inyeccin del gas se producen diferentes reacciones qumicas entre las que pueden destacarse:

2 + 2 + 2 23 102 + 2 ( 10)2 (1)

2 + 2 23 (2)

2 + 23 23 + 2 (3)

Los aglomerantes de silicato sdico con un mdulo elevado (relacin molar entre el SiO2 y el Na2O) reaccionan rpidamente con el CO2. Un exceso de humedad tiene como consecuencia que la humedad del gel silceo se transforme en H2CO3 al reaccionar con el CO2, con lo que el cido silcico amorfo resultante se pierde para la reaccin de la ecuacin (1) y acaba formndose menos cido silcico en forma de gel,


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lo que reduce la resistencia de la pieza. En caso de que los semimoldes y machos no alcancen la resistencia mxima inicial al haberse inyectado una cantidad insuficiente de CO2, aumentar la resistencia de los mismos durante su almacenamiento, como consecuencia del CO2 contenido en el aire circundante[6].

3.2. Materias primas empleadas

Esencialmente, los nicos materiales requeridos para desarrollar el proceso de silicato de sodio - CO2 es una base refractaria tal como arena de slice, de cromita, de zirconio o de olivino, un aglomerante que en este caso es el silicato de sodio y una fuente de dixido de carbono. Algunos aditivos agregados, como arcillas, polvo de carbn mineral y derivados de carbohidratos como azcares y almidones se usan con el fin de mejorar las caractersticas de la arena en el desmoldeo y mejorar el acabado superficial de las piezas coladas.

Base refractaria. Bsicamente se pueden distinguir las arenas de slice y las no silceas. Cualquier arena de slice limpia puede ser utilizada para esta tcnica, pero para la obtencin de unos resultados ptimos ser necesario un control exhaustivo y cuidadoso de las arenas utilizadas, ms an cuando pretendamos una fabricacin automatizada, ya que las distintas propiedades de la arena influir decisivamente en el resultado obtenido.

Ya que el componente en mayor porcentaje de la mezcla es la base refractaria, es de esperar que condicione en gran medida las caractersticas y tenga gran influencia en el proceso. As pues, el tamao y forma del grano influir en las fuerzas endurecedoras durante el gaseado, en las fuerzas de enlace de los moldes y machos durante el almacenaje, en la permeabilidad durante el gaseado, y en la calidad superficial de las piezas coladas.

El contenido de arcilla condicionar la vida de banco en la mezcla, la cohesin de moldes y machos, y la fragilidad de superficies y bordes. Sin embargo, la cantidad de agua que tenga la mezcla influir en la resistencia en verde y la capacidad endurecedora del CO2. Un contenido inadecuado puede ocasionar defectos como sopladuras.

El contenido de slice influir en las propiedades refractarias del molde o macho. Los xidos de potasio y sodio, carbonato de calcio y otros, pueden ocasionar problemas si existen en un porcentaje demasiado alto.

Como valores tpicos para la mezcla podemos indicar que el tamao de grano ms adecuado ha de estar entre 60 y 100 A.F.S. El contenido de arcilla debe ser bajo, en torno a un 1%, aunque en ocasiones puede aumentarse para aumentar la consistencia en verde. La arena ha de estar muy seca con un grado mximo de humedad del 0,3%. La temperatura ideal para el proceso es de unos 20C de modo que los efectos endurecedores del gaseado sean los adecuados. Es importante que el contenido de slice sea alto para asegurar buenas propiedades refractarias, las arenas no deben contener ms de un 0,5% de xidos de potasio y sodio, as como no deben exceder de un 1% de xidos de calcio y magnesio[7-8].


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An siendo las arenas de slice las ms utilizadas, se pueden encontrar arenas no silceas para aplicaciones especiales en el proceso, fundamentalmente, en aplicaciones que requieren buena resistencia al calor y a la penetracin del metal, por ejemplo en fundiciones de acero de alto magnesio es habitual encontrar arenas especiales de moldeo tales como zirconita, olivino o cromita. Adems, estas arenas presentan un bajo coeficiente de dilatacin trmica. Normalmente, debido al alto coste se utilizan como arenas de contacto.

Las arenas de cromita, deben tener una composicin qumica tal que presente un mnimo del 44% de Cr2O3, un mximo del 26% de Fe2O3, un mximo del 4% de SiO2, un mximo del 0,5% de CaO, y un mximo del 0,5% de otros compuestos como Al2O3 o MgO.

Las arenas de zircn, deben tener una composicin qumica tal que presenten un mnimo de ZrO2 del 63%, una proporcin de SiO2 entre el 32% y el 36%, y un mximo de Fe2O3 del 0,8%.

Si se utilizan arenas de olivino, hay que cuidar que su composicin qumica presente al menos un 90% de fosferita (Mg2SiO4) y un 10% de fayalita (Fe2SiO4).

Los grano de las arenas de cromita, zircn u olivino deben ser de angulares a subangulares.

Silicato de sodio. El silicato de sodio est formado por una mezcla de slice (SiO2), xido de sodio (Na2O) y agua (H2O). Es obtenido del vidrio en polvo, es altamente soluble y para el uso en la industria fundidora comnmente se encuentra en solucin alcalina. Variando las proporciones de cada componente, varan tambin las propiedades del aglutinante. Estas proporciones se valoran por la relacin de los componentes slidos SiO2/Na2O que se denomina mdulo. Esta solucin de silicato es producida comercialmente en un rango de mdulos moleculares de slice y soda entre 1:1 y 4,1:1. La variacin del mdulo y tambin la dilucin da una diferencia amplia entre las propiedades fsicas y qumicas de la solucin. Industrialmente se emplean 2 tipos de soluciones de silicato de sodio: Una con solo silicato de sodio, y otra que contiene aditivos como azcar y melazas. La gran mayora de estos silicatos poseen un modulo 2:1.

Los porcentajes de adicin de silicato de sodio varan en funcin de varios factores, como, por ejemplo, la forma de grano, la finura de la arena, la calidad del silicato de sodio y el tipo de mezclador empleado.

Para compensar la deficiencia de la dispersin, se aumentan las adiciones de silicato de sodio hasta proporciones tan altas como el 6% en algunos casos, pero a la vez este porcentaje tan elevado es perjudicial y costoso si tenemos en cuenta que el porcentaje de silicato de sodio utilizado vara generalmente entre el 3% y el 4% aproximadamente.

Los resultados ptimos se logran con adiciones de silicato de sodio entre valores del 3,5% al 4,5%. El xito radica en el buen mezclado de la arena, el respectivo silicato de sodio y un buen mecanismo de gaseado.


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Se debe tener en cuenta que para arenas de granulometra gruesa se usan cantidades de silicato de sodio entre el 2% y el 2,5%, mientras que las arenas de granulometra fina requieren cantidades de silicato por encima del 5%, pero un exceso de silicato de sodio requiere por habitualmente un aumento en la adicin de CO2.

Dixido de carbono. Puede ser suministrado en botellas con el gas comprimido si el consumo va a ser bajo, sin embargo para grandes consumos es preferible adquirirlo en estado lquido y almacenarlo en tanques. La salida debe ser regulada a unos 1,5 kg/cm2, aunque este valor puede variar segn el caso.

Aditivos. Las mezclas de arenas para moldear o para fabricacin de machos pueden contener otras materias diferentes a la arena y al aglomerante. Estas materias son llamadas aditivos y son usadas para mejorar el acabado superficial de las piezas fundidas o inhibir las reacciones qumicas entre el metal caliente y el macho de arena durante el vaciado. Muchas veces tambin se requiere agregar desmoronantes. El aditivo se debe aplicar a la arena antes de agregar el silicato de sodio. Los aditivos ms usados son las arcillas y el polvo de carbn mineral. No se deben usar aditivos cidos ya que stos reaccionan con el silicato de sodio.

La arcilla puede ser agregada a la mezcla para aumentar la resistencia en verde con el fin de prevenir las distorsiones o rebabas cuando los patrones son sacados de los moldes antes de ser gaseados, aunque tambin puede servir para mejorar la manipulacin de las arenas aglutinadas con el silicato de sodio, para prevenir que la caja de machos se pegue al patrn y para mejorar la colapsabilidad de los moldes. La caolinita y la bentonita son las arcillas ms utilizadas como aditivos de las arenas aglutinadas con silicato de sodio. Cuando se utiliza bentonita para una alta resistencia en verde, al gasear la mezcla se pierde parte de esa resistencia. Al aadir la arcilla, es posible que se necesite un aporte adicional de agua, en torno a un 0,5% por cada 1% - 2% de arcilla. Hay que tener en cuenta que la adicin de arcilla puede disminuir la fluidez de la mezcla, obtenindose machos con peor compactacin al utilizar mquinas sopladoras o disparadoras.

La adicin de carbn mineral en polvo mejorar el acabado superficial de las piezas coladas y facilitar la colapsabilidad del molde. Hay que tener en cuenta que con grandes adiciones de carbn en polvo de tamao de grano fino, se puede provocar un deterioro de la resistencia. Adems, la calidad del carbn influir en la reaccin de endurecimiento de la mezcla. Al igual que el carbn se utilizan aditivos de brea o alquitrn ya que este material tiene altos porcentajes de carbn en su composicin.

Carbohidratos como la dextrina o el almidn tambin pueden ser aadidos para aumentar la resistencia en verde y ayudar a la colapsabilidad, adems de mejorar el desmoldeo. Hay que tener cuidado sin embargo ya que estas sustancias causan una reduccin de la fluidez de la mezcla con los consiguientes problemas en machera de diseos complejos.

Otros aditivos como azcar invertida, xido de aluminio, xido de hierro, melazas o harinas de madera son tambin utilizados para mejorar las caractersticas obtenidas. Algunas resinas pueden tambin actuar como aditivos a la mezcla para un curado ms


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rpido, una mayor resistencia, una menor sensibilidad a la humedad y una mejor desintegracin[1, 6, 7].

3.3. El proceso de gaseado

Tras el compactado de la mezcla en los modelos o en las cajas de machos, se procede al gaseado con dixido de carbono a baja presin, entre 1,4 kg/cm2 y 2,3 kg/cm2. Los mtodos utilizados son principalmente tres: mediante sondas insertadas en los moldes o machos; mediante una capucha que recubre la pieza; o mediante el uso de respiraderos en la caja de machos.

El uso de sondas para el gaseado se hace mediante tubos de acero de unos 5 mm de dimetro exterior tales que por uno de los extremos es insuflado el gas, mientras que ste sale por dos pequeos agujeros practicados en las paredes de la sonda. Pueden utilizarse sondas individuales colocadas desde arriba que son capaces de endurecer una pieza cilndrica de unos 150mm de dimetro en cuestin de 20 segundos, o bien varias sondas unidas en un colector por el que entra el gas y es distribuido[1].

El gaseado mediante capucha puede ser utilizado tanto en la propia caja de machos como despus del desmontaje en verde. En el primer caso, es necesaria una caja de machos que disponga de unas aberturas de ventilacin de manera que el gas pueda evacuar por ellas. Si se decide gasear tras el desmontaje en verde se puede optar por disponer de estas aberturas o no hacerlo, en funcin de las particularidades de la pieza.

Cuando se gasea por medio de respiraderos en la caja de machos, es habitual disponer de cajas de doble pared.

En la produccin mecanizada de machos, se pueden emplear cualquiera de los mtodos sealados para el gaseado[5]. El la figura 1 se pueden apreciar distintos mtodos empleados para el gaseado.

Figura 1. Distintas tcnica para el gaseado de dixido de carbono en la elaboracin de machos


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La concentracin de silicato de sodio en la mezcla puede influir en el gaseado, ya que con concentraciones pequeas el CO2 endurecer el material ms rpidamente, sin embargo al aumentar dicha concentracin el endurecimiento ser ms lento y progresivo lo que no impide una alta resistencia con un gaseo ms prolongado.

Parece lgico que el mdulo del silicato de sodio sea tambin un factor que intervenga en el gaseado. Con un mdulo bajo, el gaseado ser menos efectivo an presentando un mejor control en la duracin y flujo del gaseado. Cuando el silicato presenta un mdulo alto el paso del CO2 endurecer mejor el material y se aprovechar el gas en mayor medida.

Si se utiliza un flujo constante de gas, la fuerza endurecedora de la mezcla aumentar a medida que se incremente el tiempo de gaseado[7].

En teora, el consumo de gas debera estar entre el 0,2% y el 0,5% sobre el peso de la mezcla, pero en la prctica los consumos son mucho mayores del orden del doble bajo condiciones reales. En la figura 2 puede observarse como afecta a la resistencia de la mezcla el flujo de CO2, el tiempo de exposicin del gas y distintas mallas para una misma concentracin de silicato (4%)[5].

Figura 2. Influencia del flujo de CO2 en la fuerza de compresin

Est comprobado que un gaseado prolongado a baja presin es ms eficaz y aporta mayor resistencia que gaseados cortos a mayores presiones. Hay que considerar adems, que la mezcla endurecida ofrece menor resistencia al paso del gas y por tanto ste tiende a canalizarse a travs de las zonas que se han endurecido antes, por eso es muy importante un correcto dosificado para conseguir un resultado uniforme.

4. Ventajas e inconvenientes

4.1. Ventajas

Una de las ventajas que aporta esta tcnica es la similitud en el proceso manual respecto a la fabricacin de moldes y machos mediante el proceso de moldeo en verde, muy extendido y conocido, esto hace que no sea necesaria una mano de obra


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de gran cualificacin para manejar el proceso. Por otro lado, rara vez se requiere un refuerzo para la fabricacin de los machos, solamente es necesaria a veces una armadura de acero cuando se trata de machos muy finos. Adems, el espacio ocupado en la preparacin es pequeo en el sentido que el proceso es rpido.

Es evidente que el no necesitar coccin en el proceso de fabricacin representa una importante ventaja respecto a otras tcnicas que si lo necesitan, en cuanto a la complejidad del proceso y en relacin a la energa consumida durante el mismo. El proceso es susceptible de ser automatizado, de hecho en producciones en serie es lo habitual, entre otras razones por la alta fluidez de la arena. Este proceso permite la realizacin de huecos en los machos con gran facilidad.

En cuanto a los resultados de las piezas terminadas, los machos y moldes adquieren gran dureza y buena exactitud dimensional ya que normalmente el endurecimiento se produce antes de que las piezas sean sacadas de sus cajas o patrones, adems de la estabilidad al ser expuestos al metal fundido. El acabado superficial en la pieza colada es razonable (existiendo otras tcnicas con mejores resultados) si se utilizan los aditivos adecuados como el polvo de hulla o el grafito. Tambin se utilizan pinturas para mejorar el acabado superficial, reducir las posibilidades de que la superficie de la arena se queme al contacto con la colada y prevenir la penetracin del metal; estas pinturas suelen incorporar una base refractaria un aglomerante y un portador lquido (debe ser isopropanol o alcohol desnaturalizado industrial). Adems, las piezas pueden ser almacenadas sin dificultad debido a su gran estabilidad.

Los moldes y machos elaborados mediante esta tcnica, presentan unas caractersticas muy elevadas ante altas temperaturas. El silicato de sodio, al ser un material inorgnico no se descompone por el calor con lo que el enlace permanece, no como en los aglomerantes orgnicos. A los 200C el material aumenta su resistencia debido a la deshidratacin del silicato de sodio, entre los 300C y los 600C se ablanda la unin de la pelcula de gel de slice que rodea los granos de arena, y a mayores temperaturas, en torno a los 800C o 900C pueden aparecer uniones cermicas con lo que se eleva an ms la resistencia.

La baja evolucin de los gases producidos en las arenas aglutinadas con silicato de sodio hace que los defectos de porosidad sean poco comunes en este proceso. Cuando stos se presentan, suele ser debido a una mala distribucin o un defectuoso endurecimiento proveniente de una mezcla inadecuada[1, 7].

4.2. Inconvenientes

Algunos de los inconvenientes estn relacionados con la vida tanto de los moldes como de la mezcla de arena. Normalmente los moldes y machos deben ser usados en un plazo de unas 24 horas despus de ser fabricados si se almacenan en condiciones normales. Por otro lado la mezcla de arena no tiene una vida demasiado larga, aunque esto depende fundamentalmente del mdulo del silicato que se est utilizando. Cuando se utiliza un silicato de alto mdulo, la vida en banco se reduce respecto al uso de silicatos de menor mdulo (2:1 por ejemplo); en cualquier caso, cuando la mezcla se expone al ambiente, se forma una corteza en la superficie debido a la


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evaporacin de agua, por eso es importante su conservacin en envases sellados para prolongar las posibilidades de uso.

Uno de los principales problemas que presenta la tcnica del silicato al CO2 es su baja colapsabilidad. Este particular depende de la temperatura alcanzada por el molde o macho, los aditivos utilizados, el mdulo del silicato y el porcentaje de adicin a la mezcla. Cuando el silicato es de bajo mdulo, se presentan mayores problemas a la hora de desarenar. Por otro lado, si nos excedemos en el porcentaje de silicato en la mezcla, pueden aparecer mayores problemas de baja colapsabilidad. Para mejorar esta propiedad se pueden utilizar pequeos porcentajes aadidos a la mezcla de resinas fenlicas alcalinas[1, 7].

Uno de los mayores inconvenientes que presenta esta tcnica es la baja recuperabilidad de las arenas quedndose en cifras en torno al 50%. Esto supone una dificultad tanto en el plano econmico como en el ambiental. Para la recuperacin de las arenas lo ms aconsejable es utilizar maquinaria y tcnicas de recuperacin secundaria, una de las ms eficaces es la recuperacin en mojado. Consiste en una tcnica de fregado de los granos de arena y frotado mediante corrientes de agua y movimientos de agitacin. La pelcula de aglomerante y los aditivos son despegados y disueltos, posteriormente la arena ha de ser separada y secada. Sin embargo, resulta una tcnica cara y presenta el inconveniente de los vertidos del agua desechada, es por eso que cada vez surgen ms investigaciones para solucionar estos inconvenientes[5, 9, 10].

5. Equipos utilizados en el moldeo al CO2

La tcnica de moldeo al CO2 es bien conocida, y su uso ha sido extenso desde hace bastantes dcadas. Al resultar una tcnica sencilla en lo esencial podemos encontrar multitud de ejemplos de su aplicacin totalmente manual, fundamentalmente en pases de baja industrializacin, o en producciones muy reducidas. Para ello, solo es necesario disponer de las materias primas y de los moldes o cajas de machos que se vayan a utilizar, ya que con la operacin manual y con apenas alguna herramienta bsica, se puede llevar a cabo el proceso.

Sin embargo, el moldeo al CO2 tambin es una tcnica extendida en la industria de alta produccin y por tanto los procesos pueden llegar a tener grados altos de automatizacin. Por tanto el uso de maquinaria especfica para la mezcla de arenas, compactado de las mezclas, gaseado, y en general la fabricacin de moldes y machos tiene gran difusin.

5.1. Preparacin de las mezclas

Lo ms habitual en las industrias donde se fabrican moldes para fundicin, es disponer de un almacenaje para las distintas materias primas, arenas reutilizadas, nuevas, aditivos, aglomerante, agua, etc. Suele disponerse de alimentadores automticos para los distintos elementos utilizados en las mezclas que los introducen en las mezcladoras para preparar el material de moldeo. El propsito del mezclado es asegurar una distribucin uniforme de los materiales, el correcto alisado, y la obtencin


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de una consistencia libre de terrones. Adems, para evitar la elevacin de los costes, el aglomerante debe ser distribuido en forma de una fina pelcula entre los granos de arena.

En cuanto a las mquinas mezcladoras, existen una gran variedad, utilizando rodillos, paletas, etc., incluso incorporando sistemas de vibracin y traqueteo como ayuda al mezclado; pero para las aplicaciones de mezclas con aglomerantes qumicos lquidos o semilquidos como en el caso del silicato de sodio, el tipo ms adecuado es el basado en arados, paletas o placas de rozamiento. Consisten en un cuerpo cilndrico en el que se aloja un rotor provisto de algn tipo de elemento mezclador en forma de mltiples paletas, arados o placas rozantes[5].

Sin embargo, el uso de otros tipos de mezcladoras no queda excluido, ya que en ensayos y experimentos pueden ser usadas por ejemplo mezcladoras basadas en rulos o rodillos. Ejemplos de ello son investigaciones en la bsqueda de nuevas mezclas o la optimizacin de las mismas[2, 11].

Comercialmente se pueden encontrar mezcladoras de alta intensidad de mezclado con prestaciones como ritmo de mezclado a demanda, mnima adherencia de residuos, auto limpieza en tres etapas, bajo desgaste y consumo, control de temperatura en el mezclado, y optimizadas para distintos tipos de aglomerantes. En la figura 3 puede verse un ejemplo de una mezcladora KLEIN diseada especialmente para el mezclado de arenas para machos con aglomerantes inorgnicos[12].

Figura 3. Mezcladora para arenas de machera KLEIN STATORMIX

Adems las mezcladoras modernas permiten ser insertadas en las cadenas de produccin y la automatizacin de los procesos. Pueden disponer de alimentadores automticos, incorporacin de distribucin de arenas o dosificadores de aglomerantes, as como tambin comunicaciones para el control mediante PLC's y sistemas de control por computador.

5.2. Maquinaria para el compactado

Existen diversas tcnicas usadas para el compactado de moldes en arena, como mquinas de traqueteo y exprimido, impacto, de vaco, etc. Sin embargo, en el caso de


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la fabricacin de moldes mediante la tcnica que nos ocupa, la maquinaria para el compactado que merece especial mencin es la basada en vibraciones. Originalmente, las mquinas de moldeo por vibraciones estaban confinadas a un papel auxiliar para el desmoldeo, pero posteriormente se extendi su uso en la compactacin de arenas con aglomerantes qumicos que requieren de menor energa que las arenas en verde aglomeradas a base de arcillas.

En el caso de la compactacin para la fabricacin de machos, el compactado se realiza de manera anloga a los moldes o mediante maquinaria especial para la fabricacin de machos[5].

5.3. Maquinaria para la fabricacin de machos

Fundamentalmente existen dos tipos de mquinas para la fabricacin de machos; mquinas sopladoras y disparadoras de machos.

La mquinas sopladoras utilizan aire comprimido a una presin de unos 560 - 700 kN/m2 para soplar la arena en la caja de machos a una alta velocidad, el aire sale posteriormente a travs de unos respiraderos. Pueden fabricar desde pequeos machos hasta unidades de varios cientos de kilos. En los modelos ms simples se inserta un cartucho de arena entre la cabeza sopladora y la caja de machos, se sujeta el conjunto y se abre la vlvula principal propulsando la arena hacia la caja de machos.

De entre las mquinas ms complejas diseadas para mayores producciones y tamaos mayores, se pueden distinguir dos tipos; en las primeras, basadas en sopladoras, se dispone de un depsito de arena en el que se introduce el aire directamente a la presin de trabajo a travs de una vlvula de accin rpida, suelen adems incorporar un agitador de palas para evitar que la arena quede atrapada en la cmara. stas mquinas inyectan una mezcla de aire y arena hacia la caja de machos, que por sus respiraderos filtra al exterior parte de la arena. Por tanto el consumo de aire comprimido y el desgaste de la caja de machos es elevado.

En segundo lugar podemos destacar las mquinas disparadoras de machos ampliamente utilizadas, en las que el soplado se realiza por la admisin de un volumen fijo de aire comprimido desde un depsito independiente a la cmara de arena a travs de una vlvula de accin rpida de gran capacidad; la vlvula de la lnea principal de aire se mantiene mientras tanto cerrada. La propulsin de la arena resulta del rpido aumento de presin en la cmara de soplado. El consumo de aire y desgaste de las cajas de machos se reduce considerablemente respecto a las mquinas sopladoras. Las mquinas modernas incorporan dispositivos de sujecin automtica para mantener las cajas de machos cerradas as como el sellado entre la cabeza sopladora y la caja. El aire escapa por los respiraderos, que son menores que en las mquinas sopladoras debido al consumo de aire ms reducido[5].

Las mquinas disparadoras de machos, adquieren una gran importancia en la fabricacin actual, ya que estn desarrolladas para la automatizacin completa de los procesos de fabricacin. Incorporan elementos para el gaseado e incluso para separacin de los machos, pudiendo en una misma mquina completar el ciclo de fabricacin de machera de forma automatizada.


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Figura 4. Disparadora de machos PRIMAFOND SCB

Como ejemplo podemos ver en la figura 4 una mquina disparadora de machos universal de la marca PRIMAFOND. El modelo que se muestra es el SCB, preparado para la fabricacin de machos mediante tcnicas en fro como el moldeo al CO2. Se trata de una mquina totalmente automatizada mediante PLC con capacidad para hasta 100 litros y una velocidad de fabricacin de hasta 120 ciclos/hora. El fabricante ofrece equipamientos compatibles con su maquinaria como plantas completas de produccin y distribucin de arenas, gaseadores automticos para diferentes procesos (el modelo GCO sera el adecuado para el proceso al CO2), enviadores automticos, cubas para pintado o rompemazarotas[13].

6. Aplicaciones y tendencias industriales del moldeo al CO2

El uso de la tcnica de moldeo al CO2 est ampliamente extendido en la fabricacin, especialmente de machos debido al bajo coste de su produccin, la simplicidad del proceso, la rapidez y la flexibilidad que presenta la tcnica, as como la buena calidad de los moldes terminados. Tambin presenta ventajas en el plano medioambiental y de seguridad y salud de los trabajadores, as como desde el punto de vista de la fiabilidad del proceso.

Figura 5. Machos y caja para motor Siemens producido por Metalcast Ltda


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Para la fabricacin de moldes, es una tcnica vlida en la fundicin de hierro y de metales no frricos para la elaboracin de piezas sueltas y en serie de fundiciones de hasta 1000 kg de peso[4, 6].

Empresas de todo el mundo utilizan esta tcnica de fabricacin, como ejemplos podemos citar Hubei Sanli Heavy Industry Machinery Co., Ltd en China, ASF-K en Mjico, Milson Foundry Ltd en Nueva Zelanda, o Metalcast Ltda en Colombia. sta ltima empresa realiza entre otros trabajos, los machos y carcasas para motores Siemens, que pueden observarse en las figuras 5 y 6.

Figura 6. Carcasa para motor Siemens producida por Metalcast Ltda

En Espaa tambin podemos encontrar empresas con gran tradicin, ste es el caso de Ilarduya Productos de Fundicin S.L.U., que desde hace casi 100 aos comercializa y fabrica productos para la fundicin. Entre otros comercializa productos para el moldeo y confeccin de machos por caja fra mediante procesos como el silicato de sodio curado al CO2 (Koldex y Waselit) o el resol curado al CO2 (Carbophen), ambos de Httenes - Albertus. Sirve a importantes clientes de la fundicin de acero, de hierro e industria siderrgica y refractaria.

Pero si queremos comprender los avances producidos, no podemos contemplar la tcnica del moldeo al CO2 de manera aislada puesto que a lo largo de los aos la industria ha ido incorporando tcnicas y mejoras para optimizar los costes de produccin, la calidad de las piezas producidas y en la ltimas dcadas tambin ha tomado un protagonismo determinante la proteccin ambiental, entre otras razones debido a las regulaciones cada vez ms estrictas en esta materia.

A finales de los aos 60 se introdujeron procesos de caja fra como el que usan uretanos fenlicos (PUCB) como aglomerantes que marcaran la dcada de los 70, resultando una tcnica que ira desplazando a otros procesos como el de silicato de sodio al CO2 gracias a los beneficios econmicos del proceso derivados de la alta productividad y los bajos costes por unidad. El empleo de esta tcnica fue creciendo hasta los aos 80, en los que surge un nuevo proceso basado en resinas fenlicas alcalinas y epoxi, y curadas con SO2 para mejorar el sistema PUCB. A partir de aqu el desarrollo de equipos y maquinarias adaptadas a este tipo de tcnicas para la produccin de moldes y machos, hicieron posibles las continuas mejoras en las mismas. Ya durante los aos 90 fueron adquiriendo importancia las tcnicas de


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simulacin y diseo por computador (CFD/CAE) que posibilitaron el desarrollo de modelos matemticos para comprender mejor los procesos de caja fra.

Fruto de todo este desarrollo y de investigaciones en diversos lugares del mundo fueron apareciendo tcnicas y materiales para moldeo que reducan considerablemente los defectos en las piezas producidas y sobre todo eran mucho ms sostenibles medioambientalmente. De este modo procesos como el basado en el silicato de sodio al CO2 cobraron de nuevo inters y fueron apareciendo tcnicas como el CO2 - resol de caja fra.

El proceso ECOLOTEC o CARBOPHEN es uno de ellos y est basado en resinas fenlicas condensadas en unas condiciones alcalinas que posteriormente son curadas mediante CO2. El material utilizado es limpio, seguro y apto para fundiciones de aluminio, aleaciones de cobre, hierro y acero. Una de sus principales ventajas frente a otros procesos modernos (como los procesos MF o BETASET curados tambin mediante CO2), reside en que no requiere de una evacuacin de los gases, por contra, una de sus mayores desventajas es la costosa recuperacin de las arenas[14-16]. En la figura 7 se puede ver una pieza realizada mediante el proceso CO2 - resol donde se aprecia el gran acabado de la misma.

Figura 7. Pieza realizada mediante la tcnica CO2 - resol (Carbophen)

7. Bibliografa

[1] John, K.C. Metal Casting and Joining, PHI Learning Private Limited, Delhi 2015.

[2] Pino Rivero, L.; Hernndez-Ruiz, J.; Valencia-Morales, E.; Villar-Cocia, E.; Lpez Velsquez, A.: Desarrollo de una nueva mezcla autofraguante para machos de fundicin. Boletn de la Sociedad Espaola de Cermica y Vidrio, 48 (2), 81-90, 2009.

[3] Schey, John A. Procesos de Manufactura, Mc Graw Hill Interamericana Editores S.A., Mxico, 2002.

[4] Ministerio de Medio Ambiente y Medio Rural y Marino. Mejores Tcnicas Disponibles de referencia europea. Forja y Fundicin, Ministerio de Medio Ambiente y Medio Rural y Marino, Bilbao 2004.

[5] Beeley, P. Foundry Technology, Butterworth Heinemann, Oxford, 2001.


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[6] Sociedad Pblica de Gestin Ambiental de Gestin Ambiental IHOBE S.A. del Gobierno Vasco Libro blanco de Minimizacin de Arenas de Moldeo en Fundiciones Frreas. Sociedad Pblica de Gestin Ambiental de Gestin Ambiental IHOBE S.A. del Gobierno Vasco, Bilbao 1998.

[7] Quintero Castillo, A.F.; Ren Albarracn, A.; Fernando, D., Trabajo Universitario: Proceso de moldeo en arena con silicato de sodio y endurecido con CO2, Facultad de Ingenieras Fsico-Qumicas, Escuela de Ingenieras Metalrgicas y Ciencias de los Materiales, Universidad Industrial de Santander, 2011.

[8] Trujillo Flores, E.; Guerrero Vacas, G., Apuntes de la Asignatura Ingeniera de Fabricacin. Bloque III. Principios de fabricacin por fusin y deformacin, Universidad de Crdoba, Escuela Politcnica Superior, Crdoba 2015.

[9] Zitian, F.; Naiyu, H.; Huafang, W.; Xuanpu, D.: Dry reusing and wet reclaiming of used sodium silicate sand. China Foundry, 2 (1), 38-43, 2005.

[10] Huafang, W; Zitian, F.; Shaoqiang, Y.; Fuchu, L.; Xuejie, L.: Wet reclamation of sodium silicate used sand and biological treatment of its wastewater by Nitzschia palea. China Foundry, 9 (1), 34-38, 2012.

[11] Hernndez-Ruiz, J.; Valencia-Morales, E.; Villar-Cocia, E.; Vega, J.; Antiqueras, J.: Optimizacin de mezclas con vidrio lquido y proceso CO2. Revista Facultad de Ingeniera de la Universidad de Tarapac, vol. 13, N 2, 2005.

[12] Core sand mixing technology - Mixing systems (en lnea). Disponible en web Consultado 11/03/2015.

[13] Core - shooter machines for Cold Box (en lnea). Disponible en web Consultado 11/03/2015.

[14] Klaus Lchte: The Rosole - CO2 Process - Carbophen Binders. Httenes - Albertus Chemische Werke GmbH. Dsseldorf, 2006.

[15] Gardziella, A.; Pilato, L.; Knop, A. Phenolic Resins: Chimistry, Applications, Standadization, Safety and Ecology, Springer, Berlin 2000.

[16] Bates, Charles: Advances in Core Making Technology. Foundry Management and Technology (en linea). Disponible en web < http://foundrymag.com/feature/advances-core-making-technology> Consultado 05/03/2015.

Introduccin y definicin del procesoClasificacin del procesoProceso y caractersticas del moldeo al CO2Principio qumico del procesoMaterias primas empleadasEl proceso de gaseado

Ventajas e inconvenientesVentajasInconvenientes

Equipos utilizados en el moldeo al CO2Preparacin de las mezclasMaquinaria para el compactadoMaquinaria para la fabricacin de machos

Aplicaciones y tendencias industriales del moldeo al CO2Bibliografa

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