DEFECTOS EN LOS PROCESOS DE FUNDICIÓN

Deformación plástica o irreversible Modo de deformación en que el material no regresa r egresa a su forma original después de retirar la carga aplicada. Esto sucede porque, en la deformación plástica, plástica, el material material experimenta experimenta cambios termodinámic termodinámicos os irreversibles irreversibles al adquirir adquirir mayor  energía potenci potencial al elástic elástica. a. La deforma deformació ción n plásti plástica ca es lo contrario a la deformación reversible. Cuando un material está en tensión, sus dimensiones varían. Por  ejemplo, la tracción causará un aumento de longitud. El cambio dimensional provocado por las tensiones se denomina deformación. En el comp comport ortam amie ient nto o elást elástic ico, o, la defo deforma rmaci ción ón produ produci cida da en un material al someterle a tensión cesa totalmente, recuperándose el estado inicial al cesar la tensión actuante. Muchos materiales poseen un límite elástico determinado y cuando se someten a tensión se deforman elásticamente hasta ese límite. Más allá de este punto la deformación originada no es directamente proporcional a la tensión aplicada, y también ocurre que esta deformación no es totalmente recu recupe pera rabl ble. e. Si ces cesa la tens tensiión, ón, el mat materia eriall qued quedar ará á en est estado ado de deformación permanente o plástica. Una teoría para explicar la deformación plástica en los metales fue la teoría de deslizamiento en bloque ; cuando aumenta la tensión del material, tiene lugar la deformación plástica por el movimiento de grandes bloques de átomos con deslizamiento relativo de unos en relación a otros a lo largo de determinados planos dentro del cristal. La teoría cuenta con un gran número de justificaciones en su favor, pero cuenta con ciertos inconvenientes. Actualmente, las teorías sobre las

deformaciones plásticas de metales se basan en la existencia de pequeñas imperfecciones o defectos en los cristales. Se denominan dislocaciones, y la deformación plástica es debida al movimiento de dislocaciones a través de los planos de deslizamiento de un cristal bajo la acción de una tensión aplicada. Otro modo de conseguir deformaciones plásticas es por  maclado , que se origina por tensiones mecánicas, tensiones que aparecen durante el enfriamiento en el moldeo o por las que aparecen durante los tratamientos térmicos.

DEFECTOS EN LOS PROCESOS DE FUNDICIÓN En los Procesos de Fundición se pueden presentar varios defectos, los cuales dependen de los siguientes Factores: Materiales. Diseño Proceso. Mientras que algunos Defectos afectan sólo la apariencia de las partes Fundidas, otros pueden tener efectos adversos en la integridad estructural de las Partes fabricadas. Varios de los Defectos se desarrollan durante la Colada. Debido a que diferentes nombres se han utilizado para describir el mismo Defecto, el

International Committeé of Foundry Technical Associations ha

desarrollado nomenclaturas normalizadas, consistentes en siete Categorías Básicas de Defectos en las Fundiciones: 1.- Proyección Metálica: Consisten en Protuberancias, Resaltes o, Proyecciones masivas, tales como sobre masas y superficies rugosas. 2.- Cavidades: Consisten en Cavidades redondeadas, rugosidades internas o expuestas, incluyendo Sopladuras, Picaduras, y Cavidades por Contracción. 3.- Discontinuidades: Estas pueden ser Fracturas, Grietas en frío y en caliente y, exclusiones en frío. Si, en la solidificación del metal, éste no se contrae libremente, se pueden presentar Fracturas y Grietas. Aunque muchos factores inciden en la ocurrencia de Grietas, granos grandes y la presencia de segregados de baja fusión a lo largo de los bordes de grano (intergranular), incrementan la tendencia de grietas en caliente. Fundiciones incompletas, producto de que el metal se fundió a temperaturas demasiado bajas o, porque el vaciado se realizó muy lentamente. Exclusiones en frío es una interfase en una fundición, que carece de una completa fusión, debido a la alimentación de dos chorros de metal líquido, de diferentes entradas.

4.- Defectos en la Superficie: Estos pueden ser Pliegues Superficiales, Traslapos, Costras, Partículas de Arena y, Partículas de Óxido. 5.- Fusión Incompleta: Se debe a un recorrido defectuoso (debido a una solidificación prematura), a un volumen insuficiente del metal vaciado y, recorrido hacia fuera (debido a la pérdida de metal, desde el molde, después de vaciado). 6.-Dimensiones y Formas incorrectas: Se deben a factores tales como: inadecuadas tolerancias para neutralizar las contracciones, errores de montaje del modelo, contracción irregular, modelo deformado o, fundición alabeada (torcida). 7.- Inclusiones: Estas se forman durante la fusión, solidificación y, moldeo. Generalmente los no metálicos están relacionados con daños, debido a que actúan como creadores de tensiones, reduciendo la resistencia de las fundiciones. Estas Inclusiones pueden ser filtradas durante el vaciado. Las Inclusiones pueden formarse durante la fusión, debido a la reacción del metal fundido con contaminantes (usualmente oxígeno) o con materiales del crisol. Reacciones químicas en medio de componentes en el metal fundido, pueden producir inclusiones. Reacciones entre el metal y el molde, pueden producir inclusiones. Daños superficiales del molde y del alma, también pueden producir  inclusiones, lo que muestra la importancia de la calidad y mantenimiento de moldes y almas.

Defectos de Solidificación: Porosidad:

La Porosidad en una Fundición puede deberse a contracciones, presencia de gases o, ambos. La Porosidad afecta la Ductilidad de las fundiciones y su terminación superficial, haciéndola permeable, afectando, por ejemplo, la impermeabilidad por presión, de una vasija fundida, sometida a presión. Regiones porosas pueden desarrollarse en las fundiciones, debido a contracciones del metal solidificado. Secciones delgadas en una fundición, solidifican más pronto que secciones gruesas. Como resultado, el metal fundido no puede ser vaciado dentro de las regiones más gruesas que aún no han solidificado. Debido a las Contracciones, las superficies de las regiones más gruesas comienzan a solidificar, desarrollándose regiones porosas en su centro. Microporosidades pueden también desarrollarse cuando el metal líquido solidifica y, se contrae entre Dendritas y entre brazos de Dendritas.

Prevención de Poros Las porosidades causadas por contracción pueden reducirse o eliminarse por varios medios, Básicamente, un adecuado metal líquido debería suministrarse para evitar cavidades causadas por contracción. Enfriadores internos y externos, utilizados en fundiciones en arena, también son un medio efectivo para reducir la porosidad por contracciones. La función de los enfriadores es incrementar el rango de solidificación en regiones críticas.

Rechupes:

Los Rechupes son cavidades que se producen al término del proceso de solidificación, debido a la contracción volumétrica ocurrida durante la transformación Líquido- Sólido. Contracciones:

Las Contracciones se producen durante el enfriamiento de la Pieza o del Lingote, cuando se trata de piezas fundidas, pudiendo dar origen a grietas microscópicas, iniciadoras de fallas posteriores en servicio, preferentemente por fatiga.

Segregación: Los Líquidos que han solidificado para formar aleaciones industriales, contienen, generalmente, además de los Elementos de Soluto añadidos intencionalmente para mejorar sus propiedades, muchos elementos de impurezas que llegan al metal líquido bajo vías diferentes. Así, los elementos de impurezas presentes en los minerales de los que se obtienen los metales básicos, con frecuencia son eliminados sólo parcialmente. Los revestimientos refractarios de los hornos, y los gases, pueden ser otras fuentes. Los diversos elementos disueltos en los metales comerciales líquidos pueden reaccionar entre ellos para formar compuestos (óxidos, súlfuros, silicatos, etc.) En muchos casos, estos compuestos suelen ser menos densos que el líquido y flotar en la superficie. Este hecho conduce a una diferencia de composición química en el producto terminado, que es lo que se conoce como segregación. Cuando la segregación se produce sobre grandes distancias, se denomina Macrosegregación; en cambio, cuando las variaciones de composición están localizadas en una escala comparable al tamaño del

grano, se denomina Microsegregación. Esta última se encuentra típicamente entre los brazos de las Dendritas (coring). Existen muchos otros tipos de defectos en las fundiciones como los debidos a los gases atrapados, la presencia de óxidos y contaminantes, algunos defectos como estos se enuncian a continuación: Llenado incompleto. Este defecto aparece en una fundición que

a)

solidificó antes de completar el llenado de la cavidad del molde. Las causales típicas incluyen:

b)

1)

fluidez insuficiente del metalfundido.

2)

muy baja temperatura de vaciado

3)

vaciado que se realiza muy lentamente

4)

sección transversal de la cavidad del molde muy delgada. Junta fría. Una junta fría aparece cuando dos porciones del metal

fluyen al mismo tiempo, pero hay una falta de fusión entre ellas debido a solidificación o enfriamiento prematuro. Sus causas son similares a las del llenado incompleto c)

Metal granoso o gránulos fríos . Las salpicaduras durante el vaciado

hacen que se formen glóbulos de metal que quedan atrapados en la fundición. Un buen diseño del sistema y de los procedimientos de vaciado que eviten las salpicaduras puede prevenir este defecto.

d)

Cavidad por contracción. Este defecto es una depresión de la

superficie o un hueco interno en la fundición debido a la contracción por  solidificación que restringe la cantidad de metal fundido disponible en la última región que solidifica. Ocurre frecuentemente cerca de la parte superior de la fundición, en cuyo caso se llama rechupe . El problema se puede resolver frecuentemente por un diseño apropiado de la mazarota. e)

Microporosidad . Se refiere a una red de pequeños huecos distribuida

a través de la fundición debida a la contracción por solidificación del último metal fundido en la estructura dendrítica El defecto se asocia generalmente con las aleaciones, debido a la forma prolongada, en que ocurre la solidificación en estos metales. f)

Desgarramiento

caliente.

Este

defecto,

también

llamado

agrietamiento caliente, ocurre cuando un molde, que no cede durante las etapas finales de la solidificación o en las etapas primeras de enfriamiento, restringe la contracción de la fundición después de la solidificación. Este defecto se manifiesta como una separación del metal (de aquí el término desgarramiento o agrietamiento) en un punto donde existe

una

alta

concentración de

esfuerzos,

causado

por la

indisponibilidad del metal para contraerse naturalmente. En la fundición en arena y otros procesos con molde desechable o consumible, esto se previene arreglando el molde para hacerlo retráctil. En los procesos de molde permanente se reduce el desgarramiento en caliente, al separar la fundición del molde inmediatamente después de la solidificación. Algunos defectos se relacionan con el uso de moldes de arena y, por  tanto, ocurren solamente en la fundición en arena. Aunque en menor grado,

los otros procesos de molde desechable son también susceptibles a estos problemas. Sopladuras. Este defecto es una cavidad de gas en forma de

a)

pelota causada por un escape de gases del molde durante el vaciado. Ocurre en la superficie de la parte superior de la fundición o cerca ella. La baja permeabilidad, pobre ventilación y el alto contenido de humedad en la arena del molde son las causas generales. Puntos de alfiler . Es un defecto similar al de las sopladuras que

b)

involucra la formación de numerosas cavidades pequeñas de gas en la superficie de la fundición o ligeramente por debajo de ella. Caídas de arena. Este defecto provoca una irregularidad en la

c)

superficie de la fundición, que resulta de la erosión del molde de arena durante el vaciado. El contorno de la erosión se imprime en la superficie de la fundición final. Costras. Son áreas rugosas en la superficie de la fundición debido

d)

a

la

incrustación

de

arena

y

metal.

Son

causadas

por 

desprendimientos de la superficie del molde que se descascaran durante la solidificación y quedan adheridas a la superficie de la fundición. e)

Penetración. Cuando la fluidez del metal líquido es muy alta, éste

puede penetrar en el molde o en el corazón de arena. Después de la solidificación, la superficie de la fundición presenta una mezcla de granos de arena y metal. Una mejor compactación del molde de arena ayuda a evitar esta condición.

f)

Corrimiento del molde. Se manifiesta como un escalón en el

plano de separación del producto fundido, causado por el desplazamiento lateral del semimolde superior con respecto al inferior. g)

Corrimiento del alma. Un movimiento similar puede suceder con el

corazón, pero el desplazamiento es generalmente vertical. El corrimiento del corazón y del molde es causado por la flotación del metal fundido. h)

Molde agrietado (venas y relieves). Si  la resistencia del molde es

insuficiente, se puede desarrollar una grieta en la que el metal líquido puede entrar para formar una aleta en la fundición final.

Protección de metales e higiene del trabajo en las instalaciones de conformación y fundición Riesgos y su prevención La prevención de los riesgos para la salud y los accidentes en la industria metalúrgica es fundamentalmente una cuestión educativa y técnica. Los reconocimientos médicos están en segundo plano y solo desempeñan un papel complementario en la prevención de los riesgos. Con miras a prevenir los riesgos para la salud es sumamente útil mantener un intercambio de información y colaboración armonioso entre los departamentos de planificación, línea, seguridad y medicina del trabajo.

Las medidas preventivas mejores y más baratas son las que se adoptan en la etapa de planificación de una nueva planta o proceso. Al planificar las nuevas instalaciones de producción, hay que tener en cuenta al menos los siguientes aspectos: 

Se han de confinar y aislar las fuentes potenciales de contaminantes aéreos.



El diseño y ubicación del equipo de proceso debe permitir un fácil acceso para las operaciones de mantenimiento.



Las áreas en que pueden aparecer riesgos súbitos e inesperados deben supervisarse continuamente. Han de existir señales e indicaciones de advertencia apropiadas. Por ejemplo, las zonas en que pudiera darse exposición a arsenamina o ácido cianhídrico, deben ser objeto de continua vigilancia.



La adición y manipulación de los productos químicos tóxicos utilizados en el proceso debe planificarse de manera que se evite la manipulación manual.



El control de higiene industrial debe incluir dispositivos de muestreo personal con el fin de evaluar la exposición real de cada trabajador  siempre que ello sea posible. El control fijo y regular de gases, polvos

y ruidos ofrece una visión general de la exposición, pero su papel en la valoración de la dosis de exposición es solo complementario.



En la planificación del espacio, hay que tener en cuenta las necesidades de futuros cambios o ampliaciones del proceso, de, manera que no se deterioren los niveles de higiene industrial de la planta.



Debe existir un sistema continuo de formación y educación del personal de higiene y seguridad, así como de los capataces y trabajadores. En especial, los trabajadores nuevos deben ser  rigurosamente informados de los posibles riesgos para la salud y de cómo prevenirlos en sus respectivos ambientes de trabajo.

Además, cada vez que se introduzca un nuevo proceso deberá impartirse la correspondiente formación.



Las prácticas de trabajo son importantes. Por ejemplo, la mala higiene personal en la comida y fumar en el lugar de trabajo pueden aumentar  considerablemente la exposición personal.



La dirección de la empresa debe poseer un sistema de control de la salud y seguridad que facilite los datos adecuados para la toma de decisiones técnicas y económicas.

A continuación se indican algunos de los riesgos y precauciones específicos de los procesos de fundición y afino. Lesiones

La industria de fundición y afino presenta un índice de lesiones más elevado que el de la mayoría de los otros sectores. Entre las causas de estas lesiones se encuentran las siguientes: salpicaduras y derrames de metal fundido y escoria que provocan quemaduras; explosiones de gas y por  contacto de metal fundido con agua; colisiones con locomotoras y vagonetas en movimiento, grúas móviles y otros equipos móviles; caída de objetos pesados; caídas desde lugares altos (por ejemplo, al acceder a la cabina de una grúa), y lesiones por resbalar y tropezar con obstáculos en el suelo y en las pasarelas. Las precauciones consisten en una formación adecuada, equipo de protección personal (EPP) apropiado (p. ej., cascos, calzado de seguridad, guantes de trabajo y ropas protectoras); almacenamiento correcto, conservación y mantenimiento del equipo; normas de tráfico para el equipo móvil (incluida la definición de rutas y un sistema eficaz de aviso y señalización), y un programa de protección contra caídas. Calor 

Las enfermedades por estrés térmico, tales como el golpe de calor, constituyen un riesgo común debido principalmente a la radiación infrarroja procedente de los hornos y el metal en fusión. Esto representa un problema especialmente importante cuando hay que realizar trabajos que exigen gran esfuerzo en ambientes muy calientes.

La prevención de las enfermedades producidas por el calor puede consistir en pantallas de agua o cortinas de aire delante de los hornos, refrigeración puntual, cabinas cerradas y provistas de aire acondicionado, ropas protectoras contra el calor y trajes refrigerados por aire, que proporcionen tiempo suficiente para la aclimatación, pausas de descanso en zonas refrigeradas y un suministro adecuado de bebidas para beber con frecuencia. Riesgos químicos

Durante las operaciones de fusión y afino puede producirse exposición a una gran variedad de polvos, humos, gases y otras sustancias químicas peligrosas. En especial, el machaqueo y la trituración de mineral puede provocar altos niveles de exposición a sílice y a polvos metálicos tóxicos (p. ej. que contengan plomo, arsénico y cadmio). También pueden darse exposiciones al polvo durante las operaciones de mantenimiento de los hornos. Durante las operaciones de fusión, los humos metálicos pueden constituir un problema importante. Las emisiones de polvo y humos pueden controlarse mediante confinamiento, automatización de los procesos, ventilación local y de dilución, mojado de los materiales, reducción de su manipulación y otros cambios en el proceso. Si esto no resultase adecuado, habría que recurrir a la protección respiratoria. Muchas operaciones de fundición implican la producción de grandes cantidades de dióxido de azufre procedentes de los minerales sulfurosos y de monóxido de carbono de los procesos de combustión. Son esenciales la ventilación de dilución y la ventilación por extracción local (VEL).

Como subproducto de las operaciones de fundición se forma ácido sulfúrico, el cual se utiliza en el afino electrolítico y en la lixiviación de los metales. Puede producirse exposición a ácido sulfúrico tanto líquido como en forma de neblinas. Se requiere protección cutánea y ocular, y VEL. La fusión y afino de algunos metales puede plantear riesgos especiales. Entre otros ejemplos están el níquel carbonilo en el afino de este metal, fluoruros en la fusión de aluminio, arsénico en la fundición y afino de cobre y plomo, y exposiciones a mercurio y cianuro durante el afino de oro. Estos procesos requieren sus propias precauciones especiales. Otros riesgos

El deslumbramiento y la radiación infrarroja producidos por los hornos y el metal en fusión, pueden provocar lesiones oculares, incluso cataratas. Deben usarse gafas de montura ajustada y pantallas faciales. Los niveles altos de radiación infrarroja también pueden ocasionar quemaduras en la piel a menos que se utilicen ropas protectoras. Los altos niveles de ruido producidos por el machaqueo y la trituración del mineral, los ventiladores de descarga de gas y los hornos eléctricos de alta potencia pueden provocar pérdida auditiva. Si no es posible confinar o aislar la fuente de ruido, deberán usarse protectores de oídos. Se deberá implantar un programa de conservación auditiva que incluya pruebas audiométricas y formación al respecto. Durante los procesos electrolíticos pueden presentarse riesgos eléctricos. Entre las precauciones a adoptar están los procedimientos adecuados de mantenimiento eléctrico, con bloqueo

y etiquetado de advertencia; guantes, ropa y herramientas aislados, e interruptores accionados por corrientes de fugas a tierra donde se requieran. La elevación y manipulación manual de materiales puede ocasionar  lesiones de espalda y de las extremidades superiores. Los medios de elevación mecánicos y una formación adecuada acerca de los métodos de elevación pueden reducir este problema.

Contaminación y protección del medio ambiente Las emisiones de gases irritantes y corrosivos como el dióxido de azufre, ácido sulfhídrico y cloruro de hidrógeno, pueden contribuir a la contaminación aérea y originar fenómenos de corrosión de los metales y el hormigón, tanto en la planta como en el ambiente circundante. La tolerancia de la vegetación al dióxido de azufre depende del tipo de bosque y suelo. En general, los árboles perennes toleran menores concentraciones de dióxido de azufre que los caducos. Las emisiones de materia particulada pueden contener particulados inespecíficos, fluoruros, plomo, arsénico, cadmio y muchos otros metales tóxicos. El efluente puede contener diversos metales tóxicos, ácido sulfúrico y otras impurezas. Los residuos sólidos pueden estar  contaminados con arsénico, plomo, sulfuros de hierro, sílice y otros contaminantes. La gestión de la fundición debe comprender la evaluación y control de las emisiones procedentes de la planta, tarea especializada que solo debe realizar personal muy familiarizado con las propiedades químicas y toxicidades de los materiales emitidos en los procesos. El estado físico del material, la temperatura a la que abandona el proceso, la presencia de otros materiales en el chorro de gas, etc., son todos factores que han de tenerse en cuenta al planificar las medidas de control de la contaminación aérea. También es deseable contar con una estación meteorológica, que lleve los

archivos meteorológicos, y estar preparados para reducir la salida de emisiones cuando las condiciones climáticas no favorezcan la dispersión de los efluentes aéreos. Son necesarias investigaciones de campo para observar los efectos de la contaminación aérea sobre las áreas residenciales y agrícolas. El dióxido de azufre, uno de los principales contaminantes, se recupera en forma de ácido sulfúrico cuando su cantidad es suficiente. En otro caso, para cumplir las normas sobre emisiones, el dióxido de azufre y otros residuos gaseosos peligrosos se controlan mediante lavado. Comúnmente, las emisiones de partículas se controlan por medio de filtros textiles y cubas de precipitación electrostáticas. En los procesos de flotación, tales como la concentración de cobre, se utilizan grandes cantidades de agua. La mayor parte de esta agua se recicla y se devuelve al proceso. Los residuos, o colas, del proceso de flotación se bombean en forma de lodos a estanques de sedimentación. El agua se recicla al proceso. El agua de proceso que contiene metal y el agua de lluvia se limpian en plantas de tratamiento antes de su vertido o reciclaje. Los residuos sólidos comprenden escorias de fundición, lodos de descarga producidos en la conversión de dióxido de azufre en ácido sulfúrico y lodos procedentes de balsas (p. ej., estanques de sedimentación). Algunas escorias pueden reconcentrarse y devolverse a las fundiciones para someterlas a un nuevo proceso o para la recuperación de otros metales presentes. Muchos de estos residuos sólidos son peligrosos y deben almacenarse de acuerdo con la normativa ambiental.