Mezcla autofraguante para machos de fundición (página 2)

Los compuestos de hidratación más
importantes son los siguientes

El producto
principal es el silicato de cálcio hidratado de
composición variable y su morfología
depende de la relación calcio/sílice, de las
condiciones de fraguado y de la relación agua/sólido.

Los tipos de cemento
más comunes son:

Tipo I: cemento Pórtland común

Tipo II: cemento Pórtland de baja alúmina,
moderadamente resistente a los sulfatos.

Tipo III: cemento de fraguado rápido, de alta
resistencia

Generalmente debido a los costos se emplea
el cemento de tipo I.

Diseño de Experimentos

Se establecen los siguientes intervalos para los
componentes de la mezcla a estudiar:

X1: Arena Sílice = 93,15

X2 : Silicato de Sodio (3.0 a 4.0
%)

X3 : Azúcar
( 0.3 a 0.5%)

X4 : Cemento Pórtland (1.5 a
3.5%)

X5 : Agua 0.3 a 0.6 %)

Entre los diseños adecuados para el estudio de
mezclas se
encuentra el que emplea como variables
independientes a las relaciones entre los componentes de la
mezcla[9], el cual
resulta de mayor interés en
este caso porque las interacciones de los componentes son los que
provocan el fraguado de la mezcla y la obtención de sus
propiedades.

En este caso se establecen las relaciones
siguientes:

r1 = X3/ X2
r2 = X4/ X2 r3 =
X5/ X2

Además se combinan estas relaciones entre las
componentes de las mezclas con una variable de proceso, el
tiempo de
soplado con CO2, el cual se varía entre 5 y 15
s, con el objetivo de
determinar la cantidad mínima de este endurecedor
necesaria para poder
manipular el macho una vez moldeado sin peligro para las
dimensiones del mismo. De este modo se puede evitar las perdidas
de este endurecedor en el proceso
silicato-CO2.

Teniendo en cuenta que como en todo diseño
para mezclas debe cumplirse la condición de normalidad, es
decir que la sumatoria de las componentes de la mezcla sea la
unidad, se obtienen los intervalos para las variables
independientes del diseño, es decir las relaciones entre
las componentes de la mezcla estudiada (Tabla 5)

Tabla 5. Intervalos para las variables independientes
del diseño, es decir las relaciones entre las componentes
de la mezcla estudiada y el tiempo de soplado con
CO2.

Este diseño para mezclas donde las componentes
son las relaciones entre los componentes y el tiempo de soplado,
emplea como matriz la de
un diseño factorial fraccionado, pues se toma una media
réplica de un 24-1, utilizado por varios
autores [5,6]; donde k
representa el número de variables, por eso se obtienen en
este diseño 8 posibles experimentos, los
cuales se muestran en la (Tabla 6)

Tabla 6. Matriz del diseño de experimentos
para el desarrollo del
estudio.

Para evaluar a las mezclas se hicieron las siguientes
mediciones: Resistencia a la
compresión a la hora de soplada con CO2
(Y1), expresada en MPa, Resistencia a la
compresión a las 8h de soplada con CO2
(Y2), expresada en MPa, Resistencia a la
compresión a las 24h de soplada con CO2
(Y3),expresada en MPa; y se evaluó
además la desmoldeabilidad (Y4), expresada en
J.

En la evaluación
de la resistencia a la compresión se empleó una
prensa
universal para mezclas de moldeo marca WADAP
fabricada en Polonia. Las probetas utilizadas para las mezclas de
moldeo fueron las cilíndricas a tres golpes que
comúnmente son empleadas para estos casos.

La desmoldeabilidad se evalúa colocando las
probetas obtenidas a tres golpes en unos moldes, los cuales son
llenados con hierro fundido
y donde las probetas quedan como machos dentro de la pieza, luego
se mide el trabajo
necesario para separar estos machos de la pieza metálica
obtenida, a partir del número de golpes utilizados con
este fin en un retacador de producción polaca también, cuya masa
es de 6,667 kg, la cual hace un recorrido de aproximadamente 50.3
cm.

Para preparar las mezclas del diseño se
empleó una mezcladora de rulos de laboratorio
con una capacidad de 20 dm3, con una carga permisible
de 6 kg, donde las ruedas y las paletas de mezclado giran a 40
rpm.

El orden de mezclado es el siguiente, primero se mezclan
los componentes sólidos, es decir, la arena sílice,
y el cemento. Teniendo en cuenta de que se prepararon 2 kg de
mezcla, se determinó prácticamente que el tiempo de
mezclado debía ser de 2 min., luego se adicionó el
silicato de sodio con el azúcar descartado disuelto en el
previamente y se continuó el mezclado por dos minutos
más. Con estas mezclas se prepararon las probetas
cilíndricas a tres golpes, las cuales fueron sopladas con
CO2. Los resultados de las mediciones realizadas a las
mezclas del diseño se muestran en la Tabla 7.

Se realizó el análisis de regresión
múltiple de cada una de las variables de respuesta,
respecto a las variables independientes, es decir las relaciones
entre componentes de las mezclas, empleando el StatGraphics Plus
4.1 [3] y se ajustaron
los resultados a una ecuación de regresión del tipo
siguiente:

Y = b0 +b1R1 +
b2R2 + b3R3
+b1b2R1R2
+b1b3R1R3
+b2b3R2R3

Tabla 7. Datos
experimentales obtenidos para las diferentes mezclas del
diseño.

.Resistencia a la compresión a la hora
de soplado.

Al realizar el análisis de regresión
múltiple entre la propiedad
resistencia a la compresión de las mezclas bajo estudio y
las variables independientes, se obtuvo la ecuación de
regresión (1) con un R2 = 90,9941 %

R 1h = -0,07521 + 1,25968*r1 – 0,0997928*r2 +
0,895785*r3 + 0,01635*t (1)

Teniendo en cuenta la ecuación (1) y los datos
del diseño en la Tabla 8, se puede observar que el tiempo
de soplado es significativo para un 95% de confianza; esto
demuestra que es el tiempo de soplado con CO2, la
variable más importante en el endurecimiento de la mezcla
incivilmente, tal y como se esperaba.

Tabla 8. Resultados del análisis
estadístico para la resistencia a la compresión a
la hora de soplada la mezcla.

Análisis de Regresión
Múltiple

———————————————————————————

Parámetro b Error Estándar t
p

———————————————————————————

Constante -0,07521 0,0999468 -0,7525
0,5064

r1 1,25968 0,48059 2,62111 0,0789

r2 -0,0997928 0,0556633 -1,79279
0,1709

r3 0,895785 0,352438 2,54168 0,0846

t 0,01635 0,00440653 3,7104 0,0340

———————————————————————————-

Resistencia a la compresión a las 8h de
soplado.

Al realizar el análisis de regresión
múltiple entre la propiedad resistencia a la
compresión de las mezclas bajo estudio a las 8h de
sopladas con CO2 y las variables independientes, se
obtuvo la ecuación de regresión (2) con un
R2 = 90,9941 %

R 8h = 2,26146 + 0,0572582*r1 – 1,7568*r2 –
1,6616*r3 + 0,030375*t (2)

Teniendo en cuenta la ecuación (2) y los datos
del diseño en la Tabla 9, se puede observar que el tiempo
de soplado ya no es significativo, mientras que r2
resulta significativa para un 95% de confianza; esto demuestra
que es el cemento en esta etapa, el componente de la mezcla
más importante en el endurecimiento de la mezcla, lo cual
se debe a la formación de hidratos de silicato de calcio
que forman parte del cemento[4]

Tabla 9. Resultados del análisis
estadístico para la resistencia a la compresión a
las ocho horas de sopladas las mezclas.

———————————————————————————

Parámetro b Error Estándar t
p

———————————————————————————

Constante 2,26146 0,439422 5,14645
0,0142

r1 0,0572582 2,11294 0,0270988
0,9801

r2 -1,7568 0,244727 -7,17859 0,0056

r3 -1,6616 1,54951 -1,07234 0,3622

t 0,030375 0,0193736 1,56786 0,2149

———————————————————————————-

Resistencia a la compresión a las 24h de
soplado.

Al realizar el análisis de regresión
múltiple entre la propiedad resistencia a la
compresión de las mezclas bajo estudio a las 24h de
sopladas con CO2 y las variables independientes, se
obtuvo la ecuación de regresión (3) con un
R2 = 94,8401 %

R24h = 2,44044 – 2,12946*r1 – 1,44036*r2 –
2,45741*r3 + 0,015425*t (3)

Teniendo en cuenta la ecuación (3) y los datos
del diseño en la Tabla 10, se puede observar que
aún r2 resulta continúa siendo
significativa, en esta etapa para un 99% de confianza; esto
demuestra que es el cemento en esta etapa, el componente de la
mezcla más importante en el endurecimiento de la mezcla,
lo cual se debe a la formación de hidratos de silicato de
calcio que forman parte del cemento.

En la figura 1 se puede reafirmar los resultados antes
expuestos, de acuerdo al empleo del
diagrama de
Pareto.

Figura 1. Análisis de Pareto para determinar
la importancia de las variables independientes en la propiedad
resistencia a las 24h.

Tabla 10. Resultados del análisis
estadístico para la resistencia a la compresión a
las 24 horas de sopladas las mezclas.

——————————————————————————

Parámetro b Error Estándar t
p

——————————————————————————

Constante 2,26146 – 0,439422 – 5,14645 –
0,0142

r1 0,0572582 – 2,11294 – 0,0270988 –
0,9801

r2 -1,7568 – 0,244727 – -7,17859 –
0,0056

r3 -1,6616 – 1,54951 – -1,07234 –
0,3622

t 0,030375 – 0,0193736 – 1,56786 –
0,2149

——————————————————————————-

Desmoldeabilidad

Al realizar el análisis de regresión
múltiple entre la propiedad desmoldeabilidad de las
mezclas bajo estudio y las variables independientes, se obtuvo la
ecuación de regresión (4), con un R2 =
93,186 %

D = 215,034 – 578,035*r1 – 65,6864*r2 + 35,9914*r3
– 2,45*t (4)

Si se tiene en cuenta la ecuación 4 y los datos
del diseño en la tabla 11, se puede observar que las
variables independientes significativas para un 95% de confianza
son las que contienen las relaciones azúcar/silicato (lo
cual demuestra la importancia del azúcar como agente
desarenante) y la relación cemento/silicato, lo cual
resalta la importancia de las cantidades relativas de estos dos
elementos en la desmoldeabilidad también, mientras
más rígido sea el esqueleto de ácido
silícico que se forme y no exista un agente desarenante
que sea capaz, bajo algún mecanismo de actuar en
detrimento de la hermeticidad de este esqueleto, pues peor se
comporta esta propiedad, en este caso se esta evaluando al
azúcar, en virtud a las cantidades de carbono que
posee, el cual al entrar el metal caliente combustiona y produce
gases que
permean la estructura del
gel de ácido silícico que une los granos de arena,
por lo que al solidificar el metal en el molde resulta
fácil destruir el macho dentro de las cavidades de dichas
piezas.

Estos resultados se comprueban en el gráfico que
muestra el
diagrama de Pareto (Figura 2) donde las relaciones que contienen
a los componentes de la mezcla, azúcar, silicato y cemento
(r1 y r2) son las más
significativas.

Figura 2. Diagrama de Pareto para determinar la
importancia de las variables independientes en la propiedad
desmoldeabilidad.

Tabla 11. Resultados del análisis
estadístico para la desmoldeabilidad.

———————————————————————————

Variable dependiente: Desmoldeabilidad a las 24h
[D]

———————————————————————————

Parámetro b Error Estándar t
p

———————————————————————————

Constante 215,034 27,7327 7,7538
0,0045

r1 -578,035 133,352 -4,33466
0,0227

r2 -65,6864 15,4452 -4,25288
0,0238

r3 35,9914 97,7927 0,368037
0,7373

t -2,45 1,2227 -2,00376
0,1388

———————————————————————————

Selección
de la mejor mezcla

Teniendo en cuenta que la mejor mezcla para la
producción de machos de fundición en la
producción de piezas de hierro fundido, debe tener entre
sus requisitos fundamentales; tener una adecuada resistencia a la
compresión y una desmoldeabilidad aceptable, que en el
caso de las mezclas con silicato de sodio como aglutinante, no
presenta valores muy
satisfactorios [7]
(excepto cuando se emplea azúcar como desarenante), es
necesario llegar a un compromiso donde se obtenga una resistencia
a la compresión a las 24h de soplada la mezcla con
CO2 una vez que el macho ha sido moldeado, no inferior
a 1 MPa, con valores de desmoldeabilidad inferiores a
100J.

Como se puede ver del análisis de los
óptimos para estas propiedades (tabla 12), los mejores
resultados para ambas propiedades no coinciden para las mismas
condiciones.

Tabla 12. Condiciones bajo las cuales se obtienen
valores máximos en las propiedades de las mezclas
estudiadas.

Máximo valor para la
desmoldeabilidad = 150 J

Niveles

Factor Inferior Superior Optimo

————————————————————–

r1 0,07499 0,1667 0,07499

r2 0,37506 1,1667 0,37506

r3 0,07499 0,20002 0,20002

t 5,0 15,0 5,0

————————————————————–

Máximo valor para la resistencia a las 24h =
2,175 MPa

Niveles

Factor Inferior Máximo Optimo

——————————————————————

r1 0,07499 0,1667 0,07499

r2 0,37506 1,1667 0,37506

r3 0,07499 0,20002 0,07499

t 5,0 15,0 15,0

——————————————————————

Por lo que la mezcla que reúne los mejores
resultados debe encontrarse alrededor de la que tiene la
siguiente composición:

Arena Sílice : 93.15% Silicato de Sodio: 3,5%
Azúcar descartada: 0.3% Cemento: 2.45% Agua:
0.6%

Tiempo de Soplado com CO2: 5s

Para las que se obtienen las propiedades previstas
anteriormente.

Conclusiones

1. Teniendo en cuenta que la mejor mezcla para la
producción de machos de fundición en la
producción de piezas de hierro fundido, debe tener entre
sus requisitos fundamentales; poseer una adecuada resistencia a
la compresión y una desmoldeabilidad aceptable, se
establece como mejor mezcla aquella que presenta una resistencia
a la tracción superior a 1 MPa y una desmoldeabilidad
inferior a 100 J, de acuerdo a los resultados experimentales esta
mezcla debe poseer una composición cercana a:

Arena Sílice : 93.15%; Silicato de Sodio: 3,5%;
Azúcar descartada: 0.3%; Cemento: 2.45%; Água: 0.6%
y Tiempo de Soplado con CO2: 5s

2. Se demuestra que la relación r1,
donde se encuentra presente la cantidad de azúcar
descartada respecto a la cantidad de silicato de sodio, resulta
la mas significativa para la desmoldeabilidad, mientras que para
la resistencia a la compresión de las mezclas desde las 8h
y durante las 24h de sopladas con CO2, resulta ser
r2 la variable más significativa, demostrando
que el mecanismo de endurecimiento que predomina en este tipo de
mezcla incluye la relación entre el cemento y el silicato
de sodio, debido a la formación de silicatos hidratados,
mientras que a la hora de soplado de la muestra el mecanismo de
endurecimiento que predomina es el de la reacción del
silicato con el CO2, formando el gel de ácido
silícico, pues la variable más significativa es el
tiempo de soplado con anhídrido
carbónico.

Bibliografía

1. C.M. Salcines Merino.
Mezclas con vidrio
líquido y CO2. Tecnología de
fundición. Tomo I. Editorial Pueblo y Educación. Habana.
Cuba,
1985.

2. C.M. Salcines Merino.
Mezclas Autofraguantes con vidrio líquido.
Tecnología de fundición. Tomo I. Editorial Pueblo y
Educación. Habana. Cuba, 1985.

3. StatGraphics Plus
4.1

4. Hidratación,
tiempo de fraguado, endurecimiento

5. K.E.L Nicholas, CO2 –
Silicate Process in foundries, British Cast Iron Research
Association.

G. Pouskouleli and T. A. Wheat. Statistical Design in
Ceramic: I. Role of Statistics in Materials Development and
Production. J. Can. Ceram. Soc. 59(4): 41-46. 1990.

6. G. Pouskouleli and T. A.
Wheat. Statistical Design in Ceramic: II. Designs for Mixtures J.
Can. Ceram. Soc. 61(3): 184-189. 1992.

7.C.M. Salcines Merino.
Desmoldeabilidad de las mezclas con vidrio líquido.
Tecnología de Fundición. Tomo I. Editorial Pueblo y
Educación. Habana. Cuba: 406-407. 1985.

8. Residuos de
fundición

http://www.tdr.cesca.es/TESIS_UC/AVAILABLE/TDR-1026105-175129//1de6.ACFintroduccion.pdf#search=%22mezclas%20con%20cemento%20y%20silicato%20%22

9. Cornell, J.A. Experiments with Mixtures. John Wiley
   & Sons, 1990

Autor:

Dr. C.T. Lázaro Pino Rivero

lazaropr[arroba]uclv.edu.cu

Centro de Investigaciones
de Soldadura.
UCLV. Cuba

MSc. Elisa Cedeño Linares

EMPROMEC Enrique Villegas. Cuba

Ing. Alejandro Simón de La Rosa

EMPROMEC Enrique Villegas. Cuba

MSc.Andrés López
Velásquez

Universidad Veracruzana, Xalapa, Veracruz.
México