Wetting Feature. Vial containing anthracite

Mojar: ¿Qué es y por qué es tan preocupante?

El productor de fundición moderno está interesado en la producción de productos de la mejor calidad sin compromiso: la humectación puede ser una causa de algunos problemas en el proceso de fundición de metales.

Introducción

La humectación es el fenómeno por el cual un líquido es capaz de mantener contacto con una superficie sólida, siendo provocado por interacciones intermoleculares. En la fundición moderna, el principal problema causado por la humectación está en los impactos en el acabado superficial de un material fundido. El resultado de esto rara vez es perjudicial para el material fundido, pero casi siempre significa que se requiere trabajo adicional (y, por lo tanto, tiempo y dinero) para eliminar los defectos de la superficie, generalmente a través del mecanizado a mano. Naturalmente, los propietarios y operadores de fundiciones están dispuestos a reducir la probabilidad de que se produzca humectación, minimizando así las posibilidades de que sea necesario realizar el procesamiento posterior a la fundición. Los defectos superficiales suelen tomar la forma de "rebabas", es decir, cuando algún metal fundido ha entrado en contacto con la arena y se ha enfriado de manera irregular. La arena también puede penetrar el metal. (1,2,3)

En el caso de que un líquido esté presente, a temperaturas de fundición hervirá y evolucionará gas. Esto crea espacio para que el metal fundido y la arena interactúen, en el caso de las piezas de fundición de metal a base de arena. Una interacción superficial puede describirse como "humectación fuerte" cuando hay una buena interacción sólido-líquido. "Humectación deficiente" se refiere a una interacción sólido-líquido débil.

Se pueden agregar aditivos para reducir la probabilidad de que se produzca humectación, además de garantizar un control adecuado y apropiado de la humedad. Es mucho más probable que ocurran defectos superficiales cuando hay fuertes interacciones de humectación (una discusión detallada de la química de la superficie está más allá del alcance de este artículo), que surgen predominantemente de las fuerzas intermoleculares de Van der Waal y el enlace de hidrógeno.

metal fundido que se vierte en el molde con arenas de relleno

Estrategias para negar o evitar la humectación

Más vale prevenir que curar. En prácticamente todos los casos, los fundidores incorporarán material en sus moldes de fundición para anular el impacto de la humectación, o mejor aún, evitarlo por completo. Estos aditivos son a menudo materiales orgánicos, con varios residuos vegetales con almidón, aceites y productos químicos orgánicos nocivos que encuentran amplios usos a lo largo de los años, todos los cuales fueron ejemplos de materiales carbonosos. Prácticamente cualquier material rico en carbono se puede utilizar siempre que se incorpore bien a través del cuerdo. Sin embargo, uno de los aditivos destacados para evitar la humectación es el
polvo de carbón / antracita
. Al ser relativamente barato, fácil de trabajar y completamente combustible, lo convierten en una opción atractiva para una amplia variedad de tipos de fundición.

En pocas palabras, aumentar la cantidad de material carbonoso en un molde de arena dará como resultado una mayor pirólisis de ese material. La pirólisis es la combustión incompleta, es decir, la combustión en ausencia de oxígeno. Para los materiales orgánicos, esto significa la producción de carbono (que tiende a depositarse como una capa tanto en el metal como en la arena) e hidrógeno (que actúa como una barrera gaseosa para la penetración de metal y / o arena, y tiene otros impactos en la formación de óxido, ver más adelante). Los compuestos adecuados para actuar como este material carbonoso son aquellos que tienen una alta capacidad de coquización, un componente relativamente bajo de compuestos orgánicos volátiles (no más del 30% en peso), bajo contenido de cenizas y un contenido muy bajo de azufre (no más del 0,8% en peso). El tamaño de molienda del aditivo carbonoso debe ser adecuado para su incorporación completa a través del molde de arena, con informes iniciales que sugieren un tamaño de partícula de no más de 0,3 mm(4).

Como la humectación provoca la formación de pequeños canales en la arena, el metal fundido puede filtrarse en ella y este es el origen de muchos defectos superficiales, como en "quemar" y "quemar" a través de cambios en la superficie en la interfaz de fundición, lo que lleva a superficies fundidas desiguales. Efectos tan simples como que el metal fundido se adhiera a la arena son signos comunes de que se ha producido humectación. El silicio y el fósforo en la arena pueden intercambiarse con el hierro y el manganeso en el metal fundido, lo que puede causar un cambio material y químico fundamental, totalmente prevenible si se evita la humectación mediante la adición de un material carbonoso cuidadosamente seleccionado(5).

Fundamentalmente, la humectación es un problema común en la fundición de metales, pero también se puede prevenir. Puede ser tan simple como incorporar una pequeña cantidad de un material como polvo de
carbón (antracita)
en la arena, que pirolisis limpiamente, y evitará la humectación y los consiguientes fenómenos de defectos superficiales asociados, evitando la necesidad de tratamiento manual de post-fundición(6).

polvo de carbón utilizado en el proceso de moldeo

Polvo de carbón

El polvo de carbón es antracita en polvo. Es un producto de carbón de alta calidad molido a una especificación fina, siendo bajo en compuestos orgánicos volátiles, bajo en cenizas y bajo en azufre, en cantidades consistentemente inferiores a las especificadas anteriormente. La antracita es el carbón de mayor calidad, no es bituminoso como el lignito y contiene la mayor proporción de carbono puro, lo que significa que cuando se quema o piroliza, se emiten menos contaminantes peligrosos en comparación con los carbones de menor calidad(7,8).

Tal vez sea completamente lógico que el polvo de carbón reemplazó a los materiales carbonosos clásicos, como el carbón bituminoso, ya que se esperaría que el rendimiento fuera el mismo. Lo supera. Debido a la evolución de gases tóxicos como el benceno, el tolueno y el xileno de los carbones de mala calidad(9), en la década de 1940 se descubrió que las condiciones atmosféricas locales alrededor de las fundiciones eran deficientes. Los carbones de mayor calidad, como la antracita, reducen drásticamente la evolución de los gases. Se ha informado que la antracita produce más carbono de película delgada protectora por unidad de masa que otros tipos de carbón, como era de esperar, ya que hay menos contaminantes, por lo tanto, más carbono.

A pesar de la mayor calidad, la antracita sigue siendo un material barato y encuentra un amplio uso en una variedad de entornos. Su perfil de pirólisis limpio lo convierte en la opción ideal (y muy favorecida por la industria) para fundiciones de arena verde, donde es responsable de menos incidencias relacionadas con la humectación.

También es digno de mención el hecho de que el polvo de carbón seco y pequeño y, por lo tanto, el polvo de carbón de flujo libre se mezclará fácilmente y se dispersará uniformemente por toda la arena. Las fuentes de carbono más resinosas o bituminosas, como el lignito, no se dispersarán de manera tan uniforme debido a su naturaleza "pegajosa" que conduce a la aglutinación, por lo tanto, corre el riesgo de tener áreas en la arena cerca de la interfaz de metal fundido sin ningún material de carbono, por lo tanto, ofrece cero protección y abre la puerta a los fenómenos de humectación y los defectos superficiales posteriores que causará.

polvo de carbón

Prevención de quemaduras de fundición

Altamente relacionado con la humectación está la quemadura de fundición, que se manifiesta de manera similar y requiere un procesamiento posterior a la fundición prácticamente idéntico para eliminar los efectos. La quema de fundición es bastante común en la producción de hierro y acero: ocurre cuando se forman silicatos de hierro en la superficie del metal que se está fundiendo, cuando reaccionan la sílice (del molde de arena) y el óxido de hierro (del hierro). Esto hace que los granos de arena se fusionen y depositen en la superficie fundida, siendo difíciles de eliminar y requiriendo mecanizado, similar a la humectación(10). Como tal, los fundidores desean prevenir la formación de óxido de hierro en primera instancia. Al igual que en la prevención de humectación, la pirólisis de antracita/polvo de carbón produce una atmósfera reductora altamente efectiva que inhibe completamente la oxidación del hierro, evitando así la formación de óxido de hierro(11). Este principio también se puede aplicar en fundiciones de arena verde, donde la cromita refractaria a menudo contiene cantidades pequeñas a moderadas de sílice. Una vez más, la producción de gas hidrógeno resultante de la pirólisis da lugar a la atmósfera reductora y, por lo tanto, evita la formación de óxido(12). Se proporciona protección adicional contra quemaduras, ya que el proceso de pirólisis hace que se deposite una película delgada de carbono puro en la superficie del metal, lo que evita la penetración del metal en la arena. Lo contrario también es cierto; La arena no puede penetrar el metal. En términos generales, esto puede considerarse como un comportamiento no similar a la humectación.

Seguridad

Como se mencionó, la antracita no es tóxica. La acumulación de presión es la única preocupación, ya que la pirólisis del polvo de carbón provoca la expulsión del gas(13) con una mezcla de arena verde que contiene sólo el 5% de polvo de carbón puede conducir a presiones el doble que la arena verde. Es de esperar cierta penetración del metal por el hidrógeno evolucionado(14), pero esto será anulado en cierta medida por la delgada capa de carbono formada (ver anteriormente). En general, la acumulación de presión y la evolución del hidrógeno están dentro de las tolerancias y la capacidad de diseño de las configuraciones modernas de fundición a base de arena.

metal caliente rojo

Consultoría de óxido de manganeso

  • La humectación es un fenómeno por el cual un líquido, generalmente agua, puede mantener contacto con un sólido.
  • En el caso de los trabajos de fundición y fundición, la humectación causa directamente la formación de defectos superficiales, que luego deben eliminarse manualmente, agregando costo y tiempo.
  • La prevención de la humectación generalmente se realiza mediante la adición de un material orgánico al molde de fundición.
  • El polvo de carbón (antracita) es la opción líder para la prevención de humectación debido a su excelente rendimiento, facilidad de manejo y naturaleza no tóxica, todo mientras es muy rentable.
  • La combustión incompleta del polvo de carbón (pirólisis) produce un ambiente reductor que evita ciertos tipos de defectos superficiales, mientras que simultáneamente se forman capas delgadas de carbono que evitan otros tipos de defectos.
  • La antracita no es tóxica y no dará lugar a la evolución de gases tóxicos
  • La quema de fundición es un fenómeno relacionado, y también se puede prevenir en gran medida mediante el uso de polvo de carbón.
coal_dust
Olla llena de antracita molida

Referencias

1 A. Josan y C. P. Bretotean, Utilizando adiciones especiales a la preparación de la mezcla de moldeo para la fundición de piezas de acero de tipo rueda motriz, en: Conferencia Internacional sobre Ciencias Aplicadas 2014 (ICAS2014),Hunedoara, Rumania, 2014

2 B. E. Brooks y C. Beckermann, Producción de Burn-on y Penetración de Molde en Fundición de Acero usando Simulación, en: 60a Conferencia Técnica y Operativa SFSA,Chicago, 2006

3 Analysis of Casting Defects Committee, Analysis of Casting Defects , American Foundrymen's Society, Des Plaines, Estados Unidos

4 Patente estadounidense US3666706A, 1969

5 M. Holtzer et al., Microestructura y propiedades de fundiciones de hierro dúctil y grafito compactado, Springer, Cambridge, 2015

6 B. Drevet (ed) Wettability at High Temperatures; Pergamon Materials Series Volumen 3, Elsevier, Amsterdam, 1999

7 G. Thiel y S. R. Giese, Am. Foundry Soc. Trans., 2005, 113, 471

8 J. Wang y F. S. Cannon, Study of pyrolysis of carbonaceous additives in green sand foundries, in Seattle : The International Carbon Conference, Seattle, 2007

9 G. F. Keatinge y N. M. Potter, Br. J. Ind. Med., 1945, 2, 125

10 A. Petro y otros, Soy. Fundición Soc. Trans., 1980, 88, 683

11 H. W. Duetert et al. Soy. Fundición Soc. Trans., 1970, 78, 145

12 D. T. Peterson et al., Soy. Fundición Soc. Trans., 1980,88, 503

13 J. Mocek y J. Samsonowicz, Arco. Encontrado. Eng., 2011, 11, 87

14 A. Campbell, Complete Casting Handbook (2nd ed.), Butterworth Heinemann, Londres, 2015