Horno de fundición tipo crisol.

ME. Luis Antonio Pereda Jiménez1, IBQ. Sandra Melina Rodríguez Valdez2, Ing. Socorro Maceda Dolores3, MC. Manuel Aguilar Cisneros4

Resumen—Presentamos el diseño y construcción de un horno de fundición con materiales refractarios para la fundición de

aleaciones con un máximo de 1200 ºC, este diseño tiene las medidas y especificaciones para el proceso. Este tipo de horno

es vertical y fijo, cuenta con dimensiones establecidas para usar un crisol de grafito en un soporte adecuado para este

modelo y el combustible a usar es el gas LP que también se hizo la adaptación para el aprovechamiento de energía térmica,

el prototipo cuenta con una tapa para almacenar la energía, un respiradero para permitir el acceso del oxígeno.

Palabras clave—fundición, horno, metal.

Introducción

Existen antecedentes históricos de que hace más de 5000 años el hombre explota el metal, especialmente el oro y

bronce y le forma con martillazos, posteriormente se da cuenta que al calentarlo y fundirlo para darle forma. La técnica

del fundido y vaciado fue perfeccionada en el III milenio a.C. en Asia y Egipto. Los niveles de temperatura promedio

que se consideran se alcanzaba para el cobre es de 1000ºC, esta se conseguía inyectando aire soplado con fuelles a

través de toberas, el material que comúnmente se usaba era el carbón como se ve en la imagen 1. Históricamente, el

bronce es uno de los metales que se ha fundido antes que el hierro, sin embargo se desconoce con certeza el momento

que fue descubierto sin embargo se considera que el primer hierro tratado era meteórico y se llamaba Eurasia.

Actualmente, el proceso de fundición es el denominado fundición centrífuga y consiste en vaciar el metal caliente y

fluido en una espiral que se transforma inmediatamente en una capa regular y continua de metal líquido en forma

cilíndrica por las fuerzas de inercia centrifugas, creadas por la rotación de la coquilla (material de fundición que se

puede utilizar muchas veces)

Imagen 1. Representación pictórica de una fragua antigua.

Los estudiantes de Ingeniería Industrial cursan la materia de procesos de fabricación en el cuarto semestre, por lo

tanto esta materia requiere cubrir la transversalidad del conocimiento, las que se relacionan son las siguientes:

Propiedad de los Materiales, Ingeniería de Sistemas, Sistemas de Manufactura, CAM, etc.

Es prioritario tener las herramientas de conocimiento y práctica, por eso la jefatura de división tuvo la necesidad de

iniciar este proyecto para cubrir una de las necesidades prioritarias como es el de la fundición de metales.

La propuesta se basa en tener un lugar en donde realizar el moldeo y la fundición, sin embargo tenemos como

prioridad la construcción de un horno.

Se diseñara y construirá un horno de fundición para aleaciones no ferrosas para obtener un buen resultado en las

piezas; por lo tanto se plantean las siguientes preguntas de investigación.

• Pregunta de investigación general.

¿Cómo diseñar un horno de fundición?

• Preguntas de investigación específicas.

¿Cómo desarrollar varias propuestas de diseño?

1 Luis Antonio Pereda Jiménez, Maestro en Educación es Profesor investigador de tiempo completo de la carrera de Ingeniería Industrial del

Instituto Tecnológico de la Sierra Negra de Ajalpan, Ajalpan, Puebla, Ponente y autor de artículos de investigación sobre moldeado y fundición del aluminio en Congresos Internacionales Academia Journals. lapjimenez@hotmail.com (autor corresponsal)

2 La IBQ. Sandra Melina Rodríguez Valdez es Profesora de tiempo completo en el Instituto Tecnológico Superior de la Sierra Negra de

Ajalpan, Puebla, México, líder de proyectos de investigación, Jefa de Laboratorio y coautora de artículos de investigación de la fundición del aluminio. melina_rv@hotmail.com

3 Ing. Socorro Maceda Dolores, Profesora de Asignatura en la carrera de Ingeniería Industrial, actualmente realiza mediciones sobre estudios de

tiempos movimientos sobre el moldeado y la fundición del aluminio. soco_smd@hotmail.com 4 MC. Manuel Aguilar Cisneros, Jefe de División de la carrera de Ingeniería Industrial del Instituto Tecnológico Superior de la Sierra Negra de

Ajalpan. macisneros72@hotmail.com.

¿Cómo contar con los materiales de elaboración?

¿Cómo instalar el sistema de combustión?

¿Cómo establecer un procedimiento óptimo de moldeo para las fundiciones?

¿Cómo realizar las pruebas de fundición?

El Instituto Tecnológico Superior de la Sierra Negra de Ajalpan desde su creación se ha caracterizado por formar

profesionales de excelencia en los campos académicos y competitivos en el ámbito laboral. En la carrera de Ingeniería

industrial se tiene dos materias relacionadas con la fundición de materiales no ferrosos (propiedad de los materiales,

procesos de fabricación). La carrera de ingeniería industrial cuenta con talleres y laboratorios, que brindan las

facilidades para complementar los conocimientos adquiridos, logrando una formación íntegra para los futuros

profesionales que aquí se forjan. Poseer talleres donde el estudiante logre mejorar sus destrezas, ya que es una forma

en la que se puede simular un ambiente de trabajo real. La presente información pretende proponer un equipamiento

significativo en el Instituto Tecnológico Superior de la Sierra Negra de Ajalpan para así formar en un futuro cercano

a profesionistas con más conocimientos en el área de Ingeniería Industrial.

Uno de los metales que con más frecuencia es utilizado en la fundición es el aluminio ya que sus características

principales es: ligero, sólido y resistente a la corrosión, aunque su producción es costosa pero a la larga se ahorra

dinero. El aluminio es un elemento metálico más usado en el mundo. Hoy en día uno de los procesos más rentables

dentro de una industria metal mecánica es la fundición en especial la del aluminio. El beneficio que trae la construcción

del horno es para que los estudiantes tengan prácticas dentro del instituto y al mismo tiempo las piezas fundidas

llevarlos al mercado y así tener un recurso económico para la compra de más material y equipo

Alcance. Construir el horno de fundición de metales no ferrosos desde el punto de vista didáctico para la realización

de prácticas de los alumnos de Ingeniería Industrial.

Objetivo. Diseñar y construir de un prototipo de horno para la fundición de metales no ferrosos, utilizando crisoles

calentados mediante un sistema de combustión con gas natural impulsado por flujo de aire.

Hipótesis nula: Si no se lleva a cabo la construcción del horno de fundición no habrá prácticas para los alumnos y por

lo tanto no se generaran productos.

Hipótesis alternativa: Si se lleva a cabo la construcción del horno convencional los alumnos tendrán prácticas y se le

podrá brindar un buen producto a la comunidad.

Horno de crisol.

Hay dos tipo de hornos tipo crisol uno denominado basculante y el otro denominado estacionario como se vé en la

figura 1, este tipo de hornos son comunes por que son fáciles de construir y diseñar y además la construcción de este

es es cuanto a gastos es económico. (Flores García & Orellana Núñez, 2015)

Figura 1. a) horno basculante, b) horno estacionario. (Groover, 1997)

Horno de crisol. Estos hornos utilizan un recipiente o crisol, hecho de material refractario (arcilla y grafito) o de

acero aleado a alta temperatura para contener la carga a fundir. La fuente de energía es el calor de una llama,

generalmente producto de la combustión de un aceite, gas o carbón pulverizado. Se utilizan para la fundición de

aleaciones no ferrosas tales como latón, bronce, aleaciones de zinc, aluminio y otras más. (Groover, 1997), el primer

diseño es como el que se muestra en la figura 2, seguido de la propuesta 3.

a) vista superior b) vista lateral

Figura 2. Propuesta de diseño.

Selección del Horno

Para seleccionar el horno adecuado se requiere tomar unos factores importantes que puede influir de manera

significativa en las fundiciones: economía, facilidad de sobrecalentamiento del metal y tipo de material que se va a

usar. La empresa Termimex en Puebla ofrece productos térmicos con los que se puede construir o diseñar con un bajo

costos el tipo de horno que diseñamos.

Lista de materiales

Cantidad Material

Costo por

unidad Total

2 bultos

Cemento refractario Denso de Alta Alumina COMPRIT 151 M Temperatura

1512ºC, Densidad 139 lbs/ft^3, saco de 25 kg. $22.00 $1,100.00

25 piezas Ladrillos refractario sK 34 9`x41/2 x ½ $34.00 $850.00

1 pieza

Crisol de grafito NOLTINA A-6, Clay-Graphinite, Altura 164mm, distancia

superior 130 mm, distancia inferior 90 mm. $1,250.00 $1,250.00

1 pieza Tonel de lamina $200.00 $200.00

Total $3400.00

Tabla 1. Lista de Materiales. (Termimex, 2014)

Diseño del horno en Autocad.

a) b) c)

Tapa a) vista superior b) vista lateral c) vista frontal.

Figura 3. Diseño de horno tipo crisol.

45

cm

.

57 cm

40

cm 5

0 c

m

1.5 m.

2 m

.

a) b)

Horno tipo crisol a) vista frontal b) vista superior.

El monto de la compra fue de aproximadamente $3400, divisa mexicana.

- Desarrollar la construcción.

La base del horno y las paredes están recubiertas con el ladrillo refractario de forma horizontal y vertical, cubriendo

aproximadamente 2 ½”. El Pegado se realizó con el cemento.

Este diseño cilíndrico está recubierto además de una capa de ½” de cemento refractario, para que permita una

trasferencia de calor de 1200º.

Diseño terminado.

Medidas.

Diametro interior del horno =Dint.

Dint= Diametro del crisol + Espacio sugerido.

Dint= D + ((200 + 550)/2)

Dint=130 mm + 375mm = 505 mm ≈ 500 mm

Altura interior del horno =Hint.

Hint = H+ pedestal + espacio libre sugerido.

Hint = 165 mm + 100 mm + 105 = 370 mm

Para el aluminio.

Mediante el cambio de temperatura del elemento en análisis se puede determinar el calor necesario para fundir el

material, para ello se ocupa la ecuación.

Calor requerido para llevarlo al punto de fusión:

A este se le agrega el calor latente de fusión.

Si se sobrecalienta el aluminio hasta llevarlo a la temperatura de colada de 750ºC.

Por lo tanto, el calor total requerido para la fusión del aluminio es

(Flores García & Orellana Núñez, 2015)

Comentarios Finales

Los materiales son refractarios y las primeras pruebas con GasLP, así como un quemador de fabricación industrial

nos servirá para fundir, requerimos saber con exactitud el tiempo de fundición y esto lo vamos a estudiar conforme

hagamos los experientos suficientes, hace falta terminar la tapa con el material correspondiente, ya que si lo hacemos

con material no refractario, seguramente el tiempo de vida y la función para lo que necesitamos no nos permitar saber

con exactitud la cantidad de energía térmica y el tiempo. Al realizar la búsqueda de infomación nos encontramos que

el propano es un combustible que puede ser efectivo para este proceso, además a este horno le vamos a integrar una

tubería de cobre con la distancia y seguridad necesaria para evitar algún incidente.

Resumen de resultados

27 ladrillos refractarios, pared de horno de crisol.

2 bolsas de 25 kg de cemento, recubrimiento y pegado de ladrillos.

½ tonel de acero inoxidable de 200 litros, contenedor.

Conclusiones

Los resultados demuestran la necesidad de terminar la tapa y hacer las pruebas correspondientes con el material

térmico, sin embargo se ha logrado fundir con mucha facilidad mediante este proceso, el aluminio es el material que

se ha ido obteniendo por recolección se funde en placa y se refunde nuevamente de tal manera que nos hace muy fácil

el proceso.

Referencias Amstead, B., Phillip, F., & Myron, L. (1981). Procesos de manufactura. Mèxico: Compañìa Editorial Continental. Askeland, D., & Phulé, P. (2004). Ciencia e Ingeniería de los Materiales. México: International Thomson editores s.a de c.v.

Bawa, H. (2011). Proceso de manufactura. Mexico D.F.: MC GRAW HILL.

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F., S. J. (2010). Introducción a la ciencia de materiales para ingenieros. Madrid: Pearson.

Flores García, E., & Orellana Núñez, R. (10 de 08 de 2015). Universidad Industrial de Santander. Obtenido de Universidad Industrial de Santander:

http://ri.ues.edu.sv/6320/1/Dise%C3%B1o%20y%20construcci%C3%B3n%20de%20un%20horno%20de%20crisol%20para%20aleac

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Educación.

Groover, M. (1997). Fundamentos de manufactura moderna. Mèxico: Prentice Hall Hispanoamericana. Ingenierías, E. C. (2014). Curso de procesos de Manufactura. Bogotá: Ingeniería Industrial.

Termimex. (02 de 02 de 2014). Termimex. Obtenido de Termimex: http://www.termimex.com.mx/

Notas Biográficas El Mtro. Luis Antonio Pereda Jiménez es Maestro en educación y Maestro en Administración, Profesor de tiempo completo especialista en

el área de calidad y certificado como auditor en la ISO 9001:2008, implementador de sistemas de Gestión Ambiental, Auditor de Sistemas Integrales, Líder de proyectos, conferencista y expositor de temas en Educación, Calidad, sotenibilidad y Manufactura.

La Mtra. Sandra Melina Rodríguez Valdez profesora de tiempo completo en el Instituto Tecnológico Superior de la Sierra Negra de Ajalpan,

es ingeniera Bioquímica y con maestría en Administración, espcialista en el área de lácteos y procesos de fabricación. Responsable del programa de Talento emprendedor con màs de 30 proyectos desarrollados.

La Ing. Socorro Maceda Dolores profesora en el Instituto Tecnológico Superior de la Sierra Negra de Ajalpan, especialista en calidad y

experiencia en la gestión de inversiones, su campo de conocimiento es el estudio del trabajo, metrología y diseños en CAD. El M.C. Manuel Aguilar Cisneros Jefe de División de la Carrera de Ingeniería Industrial, Responsable de la Línea de investigación y gestor

consultor de sistemas automatizados.