Quema de fundición en más profundidad
La mayoría de los defectos en la fundición de metal son causados por el uso de una mezcla de moldeo inadecuada, dando lugar a problemas tales como quemaduras en, puntos calientes, y otros(1).
La quemadura es causada por metal fundido que penetra superficialmente en el molde de arena, que normalmente ocurre cuando el molde se calienta lo suficiente como para permitir la descomposición parcial del aglutinante, permitiendo que el metal fundido fluya en la arena(2). Cuando un metal es líquido durante un período de tiempo ligeramente alargado, también puede producirse quemaduras. El fenómeno suele tener lugar en las esquinas, junto a las gruesas secciones de fundición y en los núcleos delgados(3). No se sabe cuánto tiempo se requiere para producir tal efecto.
Otro término para los casos más graves de quema es "penetración". Aquí es donde el sobrecalentamiento localizado ("puntos calientes") causa un flujo más profundo en el molde(4). En general, sin embargo, ambos requieren mecanizado post-casting para eliminar estos defectos de superficie.
Muy relacionado con la quemadura es "burn in", más correctamente conocido como fusión. El efecto neto de la quemadura es similar a la quemadura, pero difiere en el tamaño y la distribución de los defectos. Otra quemadura relacionada en el fenómeno es la sinterización de los componentes de arcilla y silicato en una arena, si está presente, permitiendo la formación de silicatos de hierro en el caso de una fundición de hierro/acero. La sinterización y fusión de estos compuestos permite que el metal fundido penetre más en el molde de arena(5)
Quemar y quemar son sólo algunos ejemplos de defectos superficiales causados por la interacción de metal fundido y arena de moldeo. Otros defectos incluyen los causados por la transición de elementos de arena de moldeo al metal y viceversa (por ejemplo, silicio y fósforo de la arena y el manganeso y hierro del metal) causando un cambio químico en la superficie(6), y potencialmente cambios físicos en la microestructura de fundición y, por lo tanto, las propiedades superficiales y a granel del producto final.
La humectación es un tema a menudo citado en el casting, y es un factor que contribuye a la quema de fundición. Las manifestaciones de humectación son similares a muchas otras quemaduras en fenómenos - el metal líquido se adhiere a la arena y / o óxidos presentes, lo que significa que el producto fundido no es suave o de espesor parejo al liberarse del molde - estará salpicado de rebabas y otros defectos a intervalos irregulares. Al igual que con otros defectos superficiales, los efectos de la humectación deben eliminarse mecanizando a mano u otro colector de procesamiento posterior a la fundición. El aumento del tiempo y los costes laborales puede ser perjudicial para los resultados de una fundición al disminuir significativamente la eficiencia de la producción(7).
La ciencia detrás de la humectación es compleja e implica una comprensión detallada de la ciencia de la superficie. Brevemente, sin embargo, la humectación es la capacidad de un líquido y sólido para mantener el contacto como resultado de las interacciones superficiales. Si una interacción se describe como "fuertemente humectante", entonces tiene una buena interacción sólido-líquido. Por el contrario, si una interacción se describe como "mal humectante", entonces el grado de interacción sólido-líquido es bajo. Los materiales que pueden reducir la probabilidad de interacciones de humectación fuertes que ocurren son ideales para situaciones en las que la quemadura podría convertirse en un problema - es lógico que si hay una mala interacción entre sólido y líquido (arena y / o moho y metal) entonces habrá menos o incluso potencialmente cero defectos superficiales. Cabe señalar que un molde que ha sido objeto de humectación no puede ser reutilizado en su estado actual - una adición adicional a los costos. Una discusión detallada sobre la viabilidad está fuera del alcance de este artículo.
Polvo de carbón
El polvo de carbón es el producto producido cuando el carbón está finamente molido. Típicamente, será de una mayor calidad de carbón como la antracita y no el lignito. Las brasas de mayor calidad tienen mayores proporciones de carbono puro, y por lo tanto se queman mucho más limpiamente sin la liberación de gases tóxicos como los asociados con la quema de carbón bituminoso. Ya en 1945, los estudios realizados en Gran Bretaña mostraron que las condiciones industriales en las que se había utilizado carbón en un entorno de fundición eran deficientes para la salud, sobre todo debido a la evolución de los gases tóxicos(8). El uso de carbóns de mayor calidad reduce la cantidad de gases nocivos producidos en virtud de tener materiales de azufre y bituminosos más bajos presentes.
El polvo de carbón es un producto barato y se utiliza ampliamente en las industrias de fundición y fundición, como parte de los refractarios, por ejemplo. Es un aditivo crucial para lijar un greensand castings debido a su capacidad para reducir / prevenir defectos asociados con la unión de metales a arenas.
Prevención de quemaduras de fundición
Brevemente, para prevenir la quemadura
de la fundición;
al aumentar la cantidad de material carbonáceo en el molde de fundición, la cantidad de coque y carbono brillante aumenta. Al calentarse, estos pirólisos (no combust*) y proporcionan una capa de barrera de gas y una capa de carbono delgado entre el metal fundido y el molde de fundición de arena. Incluso una pequeña capa es suficiente para evitar cantidades significativas de quemaduras al no permitir que el metal fundido entre en contacto con la arena. Anteriormente se pensaba que la formación de la envolvente gaseosa era el principal factor que limitaba los defectos superficiales de combustión en tipo, pero la realización de una formación de capa de carbono ha limitado en gran medida el bolsillo gaseoso a una medida preventiva secundaria.
Para una fundición de hierro convencional, cuando se utiliza una arena o verdey molde con suficiente contenido de polvo de carbón, los hidrocarburos en ese carbón inmediatamente pirosa debido al calor significativo provocado por el metal fundido. Una fina película de carbono sólido se deposita rápidamente en la interfaz de arena líquida, esto evita la penetración de metal en la arena y viceversa y ofrece un excelente acabado superficial, sin rebabas metálicas salientes. Este comportamiento no humectante es inesperado, ya que el carbono es soluble en muchos metales, pero se explica por una capa de carbono sólida (en el metal) que entra en contacto con un carbono sólido más tarde (en la arena).
Se han propuesto especificaciones para los tipos de carbono idealizados. Las fuentes de polvo de carbón que son predominantemente antracita, tienen una buena capacidad de coking, no tienen más del 30% volátiles en peso, con menos del 0,8% por azufre de peso y tienen bajo contenido de cenizas se prefieren(9). La literatura sobre patentes desde finales de la década de 1960 sugiere que a partir de entonces se estaban utilizando grados de carbón de mayor calidad como sustituto del polvo de carbón de amplio espectro. Los autores de patentes sugirieron que la antracita a un tamaño de molienda de 0,3 mm en cantidades de hasta el 3% en peso sería suficiente para reemplazar el polvo de carbón(10). Los mismos autores continuaron afirmando que la antracita, cuando se utilizaba, producía una mayor proporción de carbono lustroso. Este carbono lustroso es el mismo que la "película delgada" depositada en la superficie metal-arena/molde, como se mencionó anteriormente.
La pirólisis no se limita a los materiales carbonáceos en el molde. Los encuadernadores también pueden descomponerse en este método, y dependiendo de los componentes del aglutinante, pueden mejorar o empeorar el acabado superficial. El uretano y otros aglutinantes orgánicos se descomponen de manera similar al polvo de carbón y no proporcionarán defectos superficiales, y en ciertos casos, acabados superficiales superiores. Por otro lado, los aglutinantes que contienen algunos furanos, ácidos sulfónicos o fosfóricos pueden pirólitos en materiales que causan defectos superficiales. El vapor de ácido fosfórico puede reaccionar con óxido de hierro o cromita (en el caso de greensand) y formar fosfato de hierro, que puede interactuar con los componentes de un metal ferroso que se está fundiendo. Los ácidos sulfónicos pueden reaccionar con muchos componentes en la arena en condiciones de alta temperatura, eventualmente formando sulfonatos y finalmente sulfuros. Estos sulfuros pueden causar daños a los materiales fundidos. Con respecto a estos efectos de quemadura química en el tipo, suficiente polvo de carbón en la arena puede prevenirlos a través de los métodos antes mencionados.
El polvo de carbón en una mezcla de fundición de arena se asocia con aumentos de presión(11). Tales aumentos son aparentemente dramáticos (sólo el 5% del polvo de carbón en una mezcla de greensand resultará en un aumento de presión el doble que el de greensand solo) pero están dentro de las tolerancias y hay poco riesgo para el moho o caja de arena. Naturalmente, es de esperar un aumento de la presión debido a la evolución de los gases de la combustión del polvo de carbón, además de la evaporación del agua de la arena. Debido a su pequeño radio atómico, el único problema potencial con presión elevada es si hay hidrógeno presente. El hidrógeno podría penetrar en el metal(12).
Como se mencionó anteriormente, otro tipo de quemadura es la formación de silicatos de hierro cuando la sílice reacciona con óxido de hierro, haciendo que los granos de arena se fusionen y se fusionen entre sí, depositándose en la superficie fundida, que son difíciles de eliminar(13). La prevención de la formación de óxido de hierro es clave para aliviar este fenómeno, y también se logra mediante la pirólisis del polvo de carbón que produce una atmósfera reductora en la que no puede producirse la oxidación del hierro(14). Efectos similares se experimentan con cromita de grado inferior, que a menudo contiene pequeñas cantidades de sílice. La reducción de las atmósferas se ayuda con la producción de gas hidrógeno a partir de la pirólisis del polvo de carbón, y otros materiales, y esto puede ayudar a prevenir la formación de óxidos y silicatos(15).
Además de prevenir la quema de fundición, se dice que la adición de polvo de carbón a una mezcla de arena aumenta moderadamente la fuerza compresiva de la arena, probablemente debido a las buenas asociaciones que se forman con arcilla(16).
En general, se puede decir con confianza que el uso de polvo de carbón aumenta la calidad general de la fundición al evitar la quema, la quema y otros procesos de interacción. Además, no hay que olvidar que la antracita puede comportarse como un material refractario por derecho propio (un material que es altamente tolerante al cambio físico o químico cuando se expone a altas temperaturas) y parte del atractivo de la antracita en el entorno de fundiciones de fundición está relacionado con esta propiedad. Antracita como material refractario se discute en profundidad en otra parte de este sitio web.
Consideraciones operativas
Al igual que con todos los hidrocarburos que pueden ser objeto de combust, se producirá una cantidad de contaminantes. Si el polvo de carbón utilizado es un grado más alto en polvo de carbón, como la antracita, emitirá significativamente menos contaminantes peligrosos (17) que el carbón bituminoso de menor grado(18). Las brasas de menor grado (incluso más bajas que las bituminosas) contienen menos carbono puro y más azufre y materiales resinosos. El lignito, por ejemplo, tiene un contenido de carbono de entre el 20 y el 35%, lo que hace que su uso sea sólo para la generación de energía, ya que es una cualidad demasiado pobre para prácticamente cualquier otra cosa. Hay algo así como demasiado polvo de carbón - agujeros de gas, maldos y la formación de una piel azul en la fundición son todos los resultados posibles. Además, los altos niveles de polvo de carbón en la arena verde pueden causar disminuciones en la permeabilidad y requisitos de humedad mejorados. Las cantidades típicas de polvo de carbón utilizados en moldes de fundición de arena rara vez superan el 5%, ya que más que esto reduce la permeabilidad de la mezcla de arena y requiere más contenido de aglutinante(19).
Añadiendo a las ventajas antes mencionadas del polvo de carbón para evitar defectos superficiales, el polvo de carbón aumenta la
refractoridad
del molde de arena verde, y como tal el molde puede soportar una temperatura más alta, con polvo de carbón que tiene una temperatura de fusión superior a 1.600 oC.
También se ha demostrado que la antracita calcinada tiene utilidad en aplicaciones anti-combustión como fuente de carbono, donde se comporta de una manera muy similar a la antracita convencional, pero es adecuado mejor para fundiciones que operan con temperaturas de fundición significativamente más altas(20). Tal vez contraintuitivamente, sin embargo, la antracita calcinada que contenía rellenos y aditivos de arena de moldeo no tenía mejores propiedades de estabilidad en comparación con sus contrapartes no calcinadas, o la de los carbóns convencionales de menor grado.
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