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INVESTIGACION
o timización del uso de Arenas de
Mol eo en Verde en la Industria Nacional
TITO ZEGARRA VERASTEGUI
unque
el conocimiento del uso adecuado de arenas de
moldeo en verde está bastante avanzado y difundido en el
mundo, se pudo evidenciar que la industria nacional no
utilizaba ese recurso. Esto ocasionó que su producto
presentara malos acabados superficiales, notándose una serie de
defectos característicos del mal uso de arenas de moldeo verde.
Económicamente se tenía una repercusión negativa, por elevarse
significativamente el costo de la arena propiamente dicha y lo que es
más significativo, la limpieza de las piezas fundidas y el elevado
porcentaje de rechazos.
A
Con la adecuación,
a nuestra materia prima, de los
conocimientos desarrollados en el tema y su posterior aplicación en
la industria, se pudo revertir lo mencionado antes, de una manera
simpley eficaz, sin necesidad de requerirde los industriales inversiones
significativas.
El resultado de este trabajo, se nota en varias fundiciones
donde los rechazos bajaron del 14% a13% consiguiéndose ahorros
que solo por el concepto de materia prima alcanzan los 30000 $us/
año, haciendo de esta manera más competitivo al producto fundido
nacional en relación a su similar fabricado en paises vecinos.
y partes para maquinaria, en la mayoría de los casos ha venido
desempeñando su labor, utilizando técnicas pasadas, por lo que no
es competitiva, en calidad y en muchos casos en precios, con sus
productos similares producidos en paises vecinos.
Los conocimientos desarrollados en el área de la fundición
(también conocida con fundería) demuestran que las materias primas,
condiciones de trabajo y mecanización, influyen decididamente en la
calidad y costo de los productos fundidos.
•••
...
~ •• ~:;:;:=
Influyen decldldBiJ1enteerr/acalldad YCQsto de
.. ..
·10$productos fundidos,·· . . ..
ANTECEDENTES
Después de realizar un diagnóstico del estado de fundería en
Bolivia, se llegó a la conclusión que ésta adolecía de bastantes
falencias en la parte técnica y que no existían trabajos serios que
tiendan a revertir esa situación. Por esta razón se planteó un proyecto
que abordaba uno de los principales problemas como es el del
material con el que se confeccionan los moldes encargados de recibir
el metal o aleación fundida. Este material que es una mezcla de varios
ingredientes es conocido como "Arena de Moldeo".
Con elfinanciamientodel Centro Internacional de Investigación
para el Desarrollo organismo de ayuda del Congreso Canadiense,
mediante convenio firmado con la UMSA, se trabajó en el proyecto de
Arenas de Moldeo en verde a partir del mes de diciembre de 1990.
INTRODUCCION
Las "Arenas de Moldeo" constituyen el material con el que
preparan los moldes, que no son otra cosa que recipientes que tienen
formas adecuadas y que reciben el metal o aleación fundida. En esas
condiciones se produce la solidificación y así se obtienen piezas y
partes destinadas a distintos rubros que abarca desde la realización
de adornos y enseres domésticos hasta la producción de partes y
piezas para maquinaria de alta responsabilidad.
Entonces las arenas de moldeo deben tener determinadas
características para soportar adecuadamente las exigencias a las
que es sometida.
De esta manera deben:
A la fecha el proyecto que tuvo 4 etapas, culminó exitosamente
con la aplicación industrial correspondiente
en las industrias
involucradas, obteniéndose logros tanto en lo técnico como en lo
económico.
Soportar altas temperaturas
significativas.
- ....
JT
I
Ser permeable para desalojar los gases que se generan en
el transcurso del llenado del molde.
5 industrias de las cuales 4
La industria fundidora del país, encargada de elaborar piezas
Tener una plasticidad que permita poder realizar el molde.
Para cumplir
.:tIf"
JI
sin sufrir transformaciones
Poseer una resistencia que le permita soportar el manipuleo
a la que es expuesto y las presiones metalosticas, sin sufrir
deformaciones que alteren la forma de la pieza a producir.
Se realizó una planificación del trabajo, de tal manera que,
partiendo de una caracterización de las materias primas nacionales
continúe con la determinación de mezclas óptimas, su degradación
y culmine con una implementación industrial.
En el proyecto se involucraron
culminaron todas las acciones.
•
leo
estos requerimientos
las arenas de moldeo están
compuestas
por:
Yacimientos
Yacimientos
Yacimientos
- Un material que debe ser refractario.
- Un ligante que una a estos granos y permita
moldeo confiriéndole resistencia.
realizar el
de Huarina
de Collana
de Sayari
Depto. La Paz
Depto. La Paz
Depto. Cochabamba
En el gráfico NQ1 se muestra la ubicación geográfica de cada
uno de éstos yacimientos.
- En caso necesario, como el de este trabajo, agua.
Cuadro N!! 1A.- Caracterización arena recirculada
De una adecuada dosificación depende el éxito o no de la
producción y esta dosificación, a su vez, depende principalmente de
factores inherentes a los dos primeros materiales. Es por esta razón
que es necesario un trabajo que determine las condiciones óptimas
de uso de este material. El trabajar con parámetros distintos, hace
que la calidad de las piezas no sea la más adecuada y sus costos
de producción se vean incrementandose
en las operaciones
posteriores (limpiado, reparaciones) cuando no, el rechazo de la
pieza.
N'DE
TAMIZ
12
.,n
.
70
ln
o.ias
~I\
14,
0105
0.074
0.05~
Q
-20
27
FCNDO
TOTAL
CURVA DE CAUSS
~o
n.,
1.880
n R4n
0.120
n ?!l7
0210
40
c;n
Se desarrollaron varias formas para cuantificar las propiedades
de las arenas, siendo las de la AFS (American Foundry Society) las
más difundidas y las que se utilizan en este trabajo.
RETENIDO
LUZ DE
MALLAmm
I
nll
0.7
18.4
23.8
3.
1.
-
2.
sr.ac
•
20
10
30
Caracterización
50
,
N' DE
TAMIZ
CERNIDOS
ACUMULADOS
;
de las materias primas:
70
80
DE CERNIDOS
100
•••
80
~¡"""'¡"""'¡"""'¡"""'¡"""'¡"""'+-~---b""'-!
~
~
~
70~¡"""'¡"""'¡"""'¡"""'+-~/-+--+--+--1
El objetivo central de esta fase, fue el determinar
las
características de las materias primas nacionales para su
aplicación en la industria fundidora.
Como materia prima consideraciones
60
%
CURVA ACUMULATIVA
El trabajo se planificó en las siguientes fases.
(a)
40
RETENIDO,
PLANIFICACION
i:
~+---+-iI--ll-+--l---!--+-'
a:
~~~~~~I/~~~~~-I
§ ~~~~~~V~~~~~~-I
- Arena silicia de yacimientos nacionales.
- Bentonita de fabricación nacional.
~ 1o~~~~~~4-4-+-+-+-1
(b)
Determinación
de mezclas óptimas:
Tamiz num.
En esta parte, a nivel de laboratorio, se estudian diversos
tipos de mezclas, en la búsqueda de las óptimas para el uso
industrial.
(C)
Degradación
ANALISIS
QUIMICO
N\J"ERO
20
30
otO 50
0.81' 0.515 o.CiO 02f'l
OE LOS TAlMCéS
DE LA FRACCION
POR El T•••••
ARENA
70
100 1.a 2CX) 210
0.210. 0141 Ola; 0.01'4 QI)g
O DE GRANO EN MUMETROS
EN '"
de las mezclas:
Después de conocer las mezclas óptimas, es necesario
conocer qué cambios ocurren cuando estas son sometidas a
la acción de un metal fundido.
Con esa información se puede definir las acciones a tomarse,
para habilitar estas arenas a una recirculación (nuevo uso),
cuidando de que las características
desarrolladas
sean
iguales a las determinadas en la anterior etapa.
(d)
mm
* Esta arena está reclrculada 5 veces
Implementación
industrial:
De nada servirá todo el trabajo anterior, si no se realizaría
esta fase, que finalmente es la que define la validez o no de
las conclusiones a las que se llega en las anteriores etapas.
•
Es necesaflo un trabajo que determine ."
lascondlclon~óptlmast:l~~ode~st~\
..-.'.'········materlal}·
'.
Contenido de Arcilla AF.S.
Indice de finura AF.S.
Número de tamices
Grano medio
8.8%
70.56
3, Retenido: 66.6%
0.195 mm
en el 50% de cemldos
Greno de unlfonnldad
••
Superficie especifica teórica ••
Superficie especifica real
Coeficiente de angulosidad .•
Coeficiente de distribución 1.993
Punto de slntertzaci6n
Pérdidas por calclneci6n
••
Fonna de grano
Humedad
Existen otros pequeños yacimientos de arena naturales que
son utilizados por fundiciones que fabrican piezas en aleaciones no
ferrosas. Estos yacimientos no fueron considerados en este trabajo,
por la tendencia general en el mundo a no utilizar arenas naturales,
porque se hace difícil realizar un control adecuado en sus propiedades
y porque no se adapta para la fundición de hierros y aceros.
Bentonita Nacional
Se trabajó con una bentonita producida en el país por la firma
BAROID, ubicada en laciudad deOruro. Aunque esta fábrica tiene su
mercado principal en la industria petrolera, el material se adapta
perfectamente
las exigencias de la fundición.
PARAMETROS ANALIZADOS
Arena Base
•
En la arena se analizaron los siguientes parámetros:
- Distribución granulométrica
- Indice de finura
- Forma de grano
- Superficie específica teórica
- Superficie específica real.
- Coeficiente de angularidad
- Arcilla A.F.S.
- pH.
- Valor ácido demandado
CARACTERIZACION DE LAS MATERIAS PRIMAS
Yacimientos de Arena Sillcea existentes en Bolivia
En Bolivia existen varios yacimientos
cuales cuatro son importantes. Estos son:
Yacimientos
de la Isla del Sol
de arena silícea de los
Opto. La Paz
.Jit.
M
E
leo
•
Densidad aparente
- Densidad aparente
- Permeabilidad base
- Análisis químico
Callana
2.6
Permeabilidad base
Bentonita
Se analizaron los siguientes parámetros.
Callana
-
Análisis qulmicos
Humedad
pH.
Hinchabilidad
Determinación
RESULTADOS
gr/cc.
de carbonatos.
Callana
130
Si02
Fe203
MgO
CaO
PPC
95.04
1.50
0.016
0.02
0.10
Bentonita
OBTENIDOS
-
En el presente trabajo se dirigió los esfuerzos a la arena de
Callana, por ser esta la utilizada por las industrias involucradas en el
proyecto.
Arena Base
Distribución Granulométrica
Marca BAROID
Humedad
1.031 %
pH
9.9
Hinchabilidad 23.0
%
Carbonatos
4.38
%
Cuadro N!! 1B.- caracterización arena nueva
Los resultados pueden verse en el cuadro No. 1A Y 1B.
N"DE
TAMIZ
Indice de finura AFS
Isla del Sol*
HL arina*
Callana
Sayari**
42.00
35.00
60.42
36.10
12
~11
40
0;11
Sub-angular
Sub-angular
Angular
Sub-angular
redondeado.
158.021
59.20
cm2/gr.
cm2/gr.
177,21
cm2/gr.
1,348
I
27.0
21.8
6.6
2.2
1.2
2.2
96.60
•
•
10
,.
~
.
20
30
40 50 60
RETENIDO,
'lío
70
80
DE CERNIDOS
100~~~~~~~~~~J
~~~~~~~~~~~~-I
l.•••• ¡.- ¡.-
§ ~ --- .. -- - --ti'
i5
10.4
70
~ :~-+~41~/J~~,;-+~+-1
~5R
62.8
14.4
1.0
13.2
144
14
2/1
27
FONDO
0.8 %
0.8 %
1.87 %
0.86 o/o
e
n.R
~
40
I-.J.-.J.-.J.-#-+->-.J.-.J.-+-+-
~ ~20 I-.J.-+--I*+-.J.-+-+-+-+--1
·
v
~
10
96.6
I-HM-H--t-+
:++-+.o
Tamiz num. 20 30
50 70 100 1.0 2Q) 270
mm
0..,1 0-515 ~,C20 B217 0210 Q.I. GlOS 0.07" 0.053
o;: l06 TAMICES POR El TAMAÑO oe ORANO EN MUMETlI06
MJMERO
ANAUSIS
QUIMICO
DE LA FRACCION
ARENA EN '"
8,74
3.20
Valor ácido demandado
Callana
Sayari
I
g.8
25.4
pH
Callana
I
nll
.
70
1/1
ArcillaAFS
Isla del Sol
Huarina
Callana
Sayari
.
.
CURVA DE CAUSS
o
'o
CERNIDOS
ACUMULADOS
12
~11
40
0;11
Coeficiente de Angularidad
Callana
RETENIDO
CURVA ACUMULATlVA
N' DE
TAMIZ
.Superficie Especifica Real
Callana
L149
11105
0.074
0.053
FONDO
TOTAL
redondeado.
Superficie Especifica Teórica
Callana
Sayari
1.6B0
'R411
( .120
, ~!l7
(0.210
70
100
14n
200
2711
Forma de grano
Isla de Sol
Huarina
Callana
Sayari
LUZ DE
MALLAmm
6.6
16.6
meq.
meq.
• Todos los datos presentados referente al yacimiento de la
Isla del Sol fueron tomados del trabajo realizado por el Ing.
Enrique Vera.
•• Los resultados referentes a Sayari de los tomó del trabajo
de COFADENA.
1.50
0.02
0.018
Contenido de Arcilla A.F.S. 3.•
Indloe de finura A.F.S.
63
Número de tamioes
3, Retenido: 74%
Grano medio
0.2535 mm
en el 50% de cemldos
Grano de uniformidad
15
Superficie especifica teórica 158.021 om'/gr
Superficie apeclftca real
Coeftciente de engulosldad
Coeftciente de distribución
Punto de slnterlzacl6n
Pérdidas por calcinación
grano
~=
117.21 om'/gr
1.~8
1.997
0.10
Angular
Haciendo un análisis de los resultados obtenidos, se tiene lo
siguiente.
Arena de Callana:
Esta arena, por su granulometría, es apta para la producción
de piezas en aceros y fierro fundido (En este último caso piezas
grandes). No es adecuada para fundir aleaciones no ferrosas.
Por su forma de grano se debe esperar una disminuida
refractariedad y resistencias menores si la comparamos a una arena
de grano redondo, preparadas ambas en las mismas condiciones.
El contenido de arcillaAFS, disminuirá aún mas la refractariedad
e influirá negativamente en la permeabilidad. De la misma manera,
_ .•••~
•......•.
'
.•
M
'
leo
•
fue utilizado masivamente en pasados años. En algunas fundiciones
no se obtuvierón buenos resultados, no necesariamente por la mala
calidad de la arena, smo por su mala utilización.
.
Esta ~rena,. se adapta para la fabricación de piezas en aceros
yfl~rro~ fundidos, tiene una forma de grano adecuado y relativamente
baJOSfinos, podemos notar la presencia de impurezas básicas que
influirán en la refractariedad.
Bentonita:
Con relación a ésta materia prima de fabricación nacional, se
puede indicar lo siguiente.
Tiene una humedad relativamente baja, se debe entonces
esperar que requ iera de mayores tiempos de mezclado para desarrollar
sus propiedades óptimas durante su aplicación en fundería.
El pH nos muestra a una bentonita sódica, esto se confirma
por la hinchabilidad que experimenta. El contenido de carbonatos
esta en el rango que se recomienda, para este aditivo, en las arenas
de moldeo .
••·••••
····Sépúeclfjcº6~i~i;quelas;renas de
C;olh1naS(1a.dapt~n
aluso enftindición
partJ.!iifabricat.ioii(lepiézasy.partes en
....•. acetOSY.fierro fundido.
.
...• ?
1
2
3
4
Loc. Isla del Sol
Loc. Huarina
Loc. Collana
Loc. Sayari
Prov. Manco Kapac
Prov. Omasuyos
Prov. Aroma
Prov. Arque
Dep. LA PAZ
Dep. LA PAZ
Dep. LA PAZ
Dep. COCHABAMBA
CONCLUSIONES
incrementará el agua necesaria para obtener las mismas propiedades
que la de una mezcla en la cual la arena no tenga tantos finos. Como
una referencia se puede indicar que lo recomendado para este rubro
es de 0.5%.
Por el pH se puede entender que la pureza de la arena no es
la que recomienda, esto se confirma con los resultados obtenidos del
valor de ácido demandado. Este hecho afectará nuevamente en una
baja refractariedad.
El análisis químico muestra que el % de SiO está por debajo de
lo recomendado para un material de esa aplicaci6n. Algo que es de
mucha importancia es el elevado contenido Al 03 que obliga a que en la
mezcla de moldeo se introduzca la menor canttdad de bentonita, para no
disminuir aún más la refracteriedad al momento de realizar el trabajo.
Por todo lo anterior se puede concluir que las arenas de
Collana se adaptan al uso en fundición para la fabricación de piezas
y partes en aceros y fierro fundido, debiendo tenerse en cuenta que
tiene una tendencia a baja refractariedad y permeabilidad. Este
hecho influirá con más intensidad, al momento de recircular las
arenas. Se debe cuidar también que en las mezclas de moldeo se
utilice la menor cantidad de bentonita, dado su alto contenido se
alumina.
Por su parte la bentonita tiene en general buenas propiedades
y se puede esperar un buen desempeño como aglutinante de la
arena. Se debe cuidar sin embargo encontrar el tiempo de mezclado
adecuado.
En un próximo número se mostrarán los resultados de la
determinación de mezclas óptimas, el estudio de la degradación y los
resultados de la aplicación industrial.
Arena de la Isla del Sol:
De los datos obtenidos detrabajos realizados con anterioridad
en lo referente a la caracterización de esta arena, se puede indicar los
siguiente.
Por su granulometría se adapta la fabricación de piezas en
aceros. Su forma de grano es adecuada para la fundería. Tiene un
contenido de finos adecuados. Esta arena se utilizó cuando se
iniciaban las fundiciones en la fabricación de piezas de acero. Con el
tiempo se reemplazó con otras (especialmente con la de Collana) por
cuestiones económicas más que técnicas.
Arena de Huarina:
Esta arena tiene características similares a la anterior, su uso
al momento de escribir este artículo es nulo, por lo que se conoce de
las fundiciones que tiene relación con la UMSA.
Arena del Sayari:
Este yacimiento
administrado
y explotado
AUTOR:
TitoZegarraVerástegui
ESPECIALIDAD:
IngenieríaMetalúrgica
Fundición
LUGARDETRABAJO: Institutode
Investigaciones
Metalúrgicas
- UMSA
.~
por COFADENA
~
....
:;::
:::.