Tarea Semana 4

Tarea Semana 4 Propiedades térmicas de los materiales. Víctor Elier Torres Burgos Resistencia de Materiales Instituto IACC Fecha. 30/04/2018

1) Se requiere elaborar una pieza moldeada de cobre que tenga las siguientes dimensiones finales: 50 cm de largo x 10 cm de ancho x 3 cm de espesor a temperatura ambiente de 25°C. Entonces, ¿cuáles deben ser las dimensiones del molde a utilizar con el fin de obtener la pieza deseada?

Repuesta.

Primeramente daré a conocer el procedimiento del proceso de como es el moldeo de un pieza de cobre, en este caso el cobre se funde denominándose técnica metalúrgica donde el cobre fundido se vierte en un molde, en el cual luego pasa por un proceso de enfriamiento siendo solidificado, resultando una pieza de cobre en lingotes o catados el cual luego son almacenados posterior exportados. Para elaborar una pieza colada con sus dimensiones finales a temperatura ambiente, la concavidad del molde donde el cobre líquido se debe vaciar, deberá tener un mayor tamaño producto de la contracción que sufrirá el material al enfriarse. Al calcular la cantidad de contracción esperada, es posible fabricar el molde que permita obtener la pieza deseada.

Tomando los datos entregados resolveré el problema:

Coeficiente de dilatación térmica lineal del cobre 16,60 x 10-6 ºC (αCu) Variación de temperatura

T   T   f    T i  25   C   1083  1058C 

El cambio de cualquier dimensión está dado por:

l  

l  f    l i

  Cu .T .l 0

Para obtener la dimensión final ( l  f ) deseada, la longitud del molde ( l 0) debe ser:

16,60 x10

6

* 10,58C  * l 0

l  f    l 0



l  f    l 0



l  f    l 0

 0,0175628l 0 



C 

0,0175628l 0

1  0,0175628 l 0

0,9824372l 0  l  f  

Entonces para la dimensión final de 50 cm la longitud del molde debe ser:

l 0

l f  



50cm



0,9824372



0,9824372

l 0



50,8938cm

Para la dimensión final de 10 cm la longitud del molde debe ser:

l 0



l f  



0,9824372

10cm



0,9824372

l 0



10,1788cm

Para la dimensión final de 3 cm de longitud el molde debe ser:

l 0



l f   0,9824372



3cm 0,9824372



l 0



3,0536cm

Entonces para elaborar la pieza moldeada de cobre con dimensiones de 50 x 10 x 3 cm, el molde deberá tener las dimensiones siguientes: 50,8938 cm x 10,1788 cm x 3,0536 cm.

2. A partir del diagrama de fases de la cerámica NiO- MgO que se muestra a continuación, determine: las fases presentes, la composición de cada fase y la cantidad de cada fase en (%) para las siguientes cerámicas a 2.400 °C:

a) NiO – 20% MgO. b) NiO – 40% MgO. c) NiO – 80% MgO.

Respuesta.

A) Nio – 20% Mgo Tipo de Fases: Liquida L: Nio- 20% MgO= 100% L Composición de cada fase: composición del 20% es Mgo y el 80 % es Nio Cantidad de cada fase en % = 100 % fase liquida

B) Nio – 40% Mgo Tipo de Fases: liquida y solida

El método para calcular la composición y cantidades de fases es distinto en este caso, ya que el  punto se encuentra dentro del área comprendida por las curvas liquidas y sólidas, al seguir el segmento hacia la zona líquida por la curva liquidas se tiene una composición de 36% de MgO, entonces la fase líquida tiene una composición del 36% de MgO, por otro lado, al seguir el

segmento hacia la zona sólido por la curva solidas se tiene una composición de 60% de MgO;  por ende la fase sólida tiene una composición de 60% MgO. Para las cantidades: Fl =

Fl =

−

* 100

− 60−0

* 100 =

60−6

0 

 *100

Fl = 83,33 %

Para 2.400° C de NiO –  40% MgO en su fase sólida: Fs =

Fs =

− −

 * 100

0−6



60−6



 * 100 =

 * 100

Fs = 17 %

C) Nio – 80% Mgo Tipo de fases: solida Composición de cada fase: composición del 20% Nio y el resto 80% es Mgo Cantidad de cada fase en % = fase solida 100%

3). Dé dos ejemplos de aplicaciones industriales en donde se empleen los cambios de fase de los materiales. Explique cuáles son los cambios de fase relevantes para esa aplicación e indique la razón para su uso.

Proceso Industrial del cobre Mineral en Óxidos. Para procesar el cobre cuando el mineral es óxidos, el proceso es mediante un sistema de lixiviación hidrometalúrgico esto permite obtener el cobre aplicando una disolución de ácido sulfúrico y agua. La pila de lixiviación se coloca sobre una carpeta que contiene un sistema de drenaje para recoger las soluciones que se filtran a través del mineral, sobre las pi las de mineral se aplica un sistema de riego por goteo de una solución acida de agua con ácido sulfúrico, esta solución se encarga de disolver el cobre contenido almacenado, es decir el cambio de fase es de solido a estado líquido, luego pasa a ser una solución de sulfato de cobre (CUSO4) , luego esta solución liquida es almacenada en estanques pasando por un proceso de limpieza de partículas sólidas. En la etapa de electroobtención mediante un proceso electrometalúrgico, la cual se recupera el cobre de una solución electrolito en catados de cobre en el 99,99%. Para obtener los catados de cobre en estado sólido, la solución es llevada a unas celdas de electroobtención, sobre estas celdas se sumergen unas placas metálicas la cual contemplan un ánodo placa de plomo de polo positivo que introduce la corriente y un cátodo placa de acero inoxidable polo negativo por donde sale la corriente, esto hace que el cobre en solución es atraído por el polo negativo simbolizado por los catados donde hace que las partículas metálicas se peguen, una vez pasado siete días se logra obtener la cosecha de cátodos con una pureza de 99,99% con un espesor de 3 a 4 cm con un peso aproximado de 70 a 80 kilos, es decir en este proceso se emplea el cambio de fase de los materiales en un proceso industrial, estando en estado sólido paso a estado líquido, luego de una solución liquida terminamos en estado sólido. Mayormente los cambios relevantes de fase en este proceso se dan desde un estado sólido (la roca) luego pasa a un estado líquido (lixiviación) y en este proceso termina en estado sólido en la conformación de cátodos de cobre que son placas de cobre puro en un 99,99%. El uso principal del cobre se utiliza a nivel mundial para obtener alambre de cobre que se utilizan en muchos equipos como motores, transformadores, generadores equipos electrodomésticos, etc.

Proceso Industrial de cobre Mineral en sulfuro. El mineral proveniente dese la mina la cual se compone de rocas de diferentes tamaños, luego el mineral pasa al proceso de molienda donde se utilizan grandes molinos giratorios que se denomina molienda SAG, en esta etapa al mineral se le agrega una cantidad de agua y lechada de cal suficiente para obtener un fluido lechoso. Al molino SAG se le agrega un 12 % de bolas de acero de 5” la cual al momento de girar estas muelen y reducen el mineral, el mineral

molido a una granulometría requerida de 180 micrones es pasados directo a la flotación, otro porcentaje del mineral debe pasar a una molienda secundaria mediante molinos bolas. La flotación es el siguiente proceso llamado físico-químico donde se produce la separación de sulfurados de cobre y molibdeno, en las celdas de flotación se deposita la pulpa que ya contiene los reactivos para la flotación, en estas celda se mantiene la mezcla en contante agitación y además desde el fondo se hace se aplican burbujas de aire, los reactivos aplicados a la mezcla cumplen distintos propósitos, ”Reactivos espumantes” tiene como objetivo producir burbujas resistentes, “Reactivos colectores” cumplen con impregnar la partículas de sulfuro de cobre y de molibdeno concediendo la separación del agua ( efecto hidrófobo) y sean adheridas a las burbujas. “Reactivos depresantes” se aplican con el objetivo de estimular el resultado inverso del reactivo anterior, con el fin de recolectar otros minerales como la pirita que es un mineral sulfuro sin porcentaje de cobre, otros aditivos aplicados son reactivos de lechada de cal que cumplen con estabilizar la acidez de la composición en un PH determinado, suministrando el estado adecuado para que suceda el proceso de flotación. Las burbujas que se generan en la celda de flotación, estas rebasan por el borde de la celda cayendo a una canaleta llevándola a estanque de almacenamiento, en la etapa siguiente del proceso es frecuente en variados ciclos para producir un producto final más concentrado en estado sólido. El concentrado de cobre pasa al proceso de secado de concentrados, el producto proviene con una humedad entre el 6% y 8%, este entra a las líneas de secado de fusión de secadores calefaccionados por vapor de agua, el producto circula dentro de un tambor metálico a una temperatura de 180°C en esta etapa la humedad del concentrado se reduce llegando a niveles que fluctúan entre un 0,2% a 0,3%. Luego el concentrado pasa por otra sección de tostación de concentrados, estos es con el

objetivo de eliminar parcialmente el azufre que se encuentra como SO2 esto ocurre mediante reacciones solido  – gaseosas a temperaturas entre 500 a 800 °C, la fase gaseosa contiene O 2 y SO2 en la alimentación y productos, pero en cantidades menores de gases SO3 y SO2, obedeciendo a las reacciones de oxidación. Proceso de Fusión de concentrado, el objetivo de este proceso es formar una fase de sulfuros líquidos que es compuesta por calcosina (Cu2S), covelina (CuS), calcopirita (CuFeS2), pirita (FeS2) y bornita (Cu5FeS4). Este proceso se lleva a cabo en el horno de fusión que transcurren del concentrado y los fundentes, que corresponden a la reducción de los óxidos de cobre por el sulfuro cuproso y a la sulfuración de los óxidos de cobre por el sulfuro ferroso. Al final de este proceso los productos producidos son una fase rica en cobre, conocida como eje de alta ley, con un 62%-70% de cobre, una escoria con un 1%-2% de cobre y 8%-12% de Fe 3O4, y una corriente continua de gases con un 30%-35% de SO2 en la salida del horno. Proceso de Refinación y moldeo de ánodos consiste en llevar el cobre blíster obtenido en la etapa de conversión, este aun contiene materiales valiosos como plata, oro, arsénico, hierro, etc., por lo tanto debe pasar por un proceso de refinación que consiste pasar el material por hornos anódicos que está constituida por las

etapas siguientes de. Llenado, Oxidación,

Escoriado, Reducción y Vaciado, en esta etapa se inyecta al baño fundido aire enriquecido con oxígeno, al término de este proceso se obtiene un cobre limpio anódico en un 99,6% de cobre puro. El cobre anódico sale del horno de ánodos por una canaleta que pasa a la rueda de moldeo que se encuentra girando, aquí se produce la solidificación del ánodo fundido, en forma automáticamente los ánodos son depositados en estanques de enfriamiento con agua, posteriormente los ánodos se retiran de los estanque formado en catados que consiste en una placa de cobre con alta pureza con una concentración de un 99,6% en estado solidos con dimensiones de 100x125cm x 5 cm de grosor. En este proceso que comienza con el mineral en forma de roca en estado sólido, se procesa mediante molienda pasando a ser una pulpa y luego concentrado de cobre, este concentrado con cierta humedad pasa a los filtros y secadores, luego esta pasta pasa al proceso de fusión es decir de estado sólido pasa a líquido y terminado en placas de cátodos en fase sólida,

posteriormente pasa a la refinería donde las placas de cátodos en estado solidos se convierten en estado líquido para terminar en placas de cobre puro con un 99,96% en estado sólidos. El cobre como es un buen conductor de electricidad que se utiliza en como hilo de cobre, en electroimanes, relés e interruptores eléctricos, cobre también se mezcla con otros metales con el níquel para obtener un material resistente a la corrosión que se utilizara en la construcción naval.

Proceso Industrial de Mineral de Hierro. El hierro se encuentra en la corteza terrestre en betas que normalmente son de óxidos de hierro, la industria siderúrgica del hierro es la encargada del proceso de transformación del mineral de hierro que se encuentra en etapa sólida, pasando por diferentes fases para obtener hierro en acero, es decir es una aleación metálica de hierro y un porcentaje de Carbono del 0,02 y 2%, se agregan otros metales especialmente el Cromo, manganeso, molibdeno, vanadio, cobre, etc. que le proporcionan otras propiedades especificas a la aleación. El proceso comienza en el alto Horno. Se carga el horno con materia prima de mineral de hierro, se le agrega carbón coque y piedra caliza, en la base del horno se inyecta aire precalentado a 1.100°C, el aire se emplea en la combustión suministrando oxígeno para las reacciones químicas que es inyectado a alta presión para quemar el carbón coque, debido a las altísimas temperaturas se funde el mineral liberando los gases que luego permiten la separación de hierro del mineral. En este proceso la piedra caliza se convierte en cal que ayuda a captar las impurezas de azufre formando una escoria que flota sobre el mineral fundido, en el resultado final de este proceso se obtiene un material denominado “Arrabio” aun con porcentaje de carbono. El arrabio es transportado al horno convertidor de oxígeno, aquí se le adiciona material chatarra, se le agrega oxígeno puro a alta presión mediante una lanza que se enfría por agua, en este proceso las temperatura generadas bordean los 1650°C, el oxígeno se combina con el carbono en forma de gas quemando otras impurezas que flotan como escorias. Posteriormente pasando al proceso de metalúrgica secundaria el material pasa al horno cuchara para generar el ajuste fino de la composición del acero, en esta etapa se le agregan las llamada ferro- aleaciones según el tipo de acero que se necesita obtener.

El proceso continúa con la desgasificación y remoción de gases como oxígeno, nitrógeno, hidrogeno, esto se hace mediante desgasificación por flujo o en la olla de colada, la olla de colada vierte el acero fundido en un deposito con la forma de embudo donde este fluye a velocidad moderada en un molde que contiene una capa de cobre refrigerado de forma hueca que conforman los productos semi terminados como planchones, tochos palanquillas que comúnmente de sección cuadrada y planchones rectangulares. El acero ya en forma sólida pasa a la planta de acabado para el proceso de laminado consiste en transformar los productos semi elaborados para reducir su sección en productos largos y planos en forma de tuberías y planchas gruesas. En este proceso industrial el cambio de fase importante es, se comienza con el mineral de hierro en forma sólida, luego este cambia de fase solida a líquido al ser fundido el mineral a alta temperaturas en los hornos para lograr separar las escorias y obtener el material de hierro puro, luego pasa a otra sección donde se aplica las aleaciones de otros metales luego se obtienen planchones, tochos, luego pasa la zona de laminado para obtener planchas, tuberías, barras, fierro de construcción, perfiles, etc. Este tipo de material es usado principalmente en aceros estructurales, aceros de aleación para herramientas, aceros de aleaciones especiales.

4) ¿Sería posible el proceso de sinterización sin que ocurra difusión de los átomos? Argumente adecuadamente su respuesta.

Respuesta. Explicando en qué consiste el proceso de sinterización, es un procedimiento térmico de un polvo espesado cerámico o metálico que es realizado con una temperatura más baja a la empleada en la fusión del principal constituyente, este proceso se hace en las piezas con el objetivo de aumentar su resistencia mecánica, considerando el aumento de tamaño del grano. La sinterización tiene como objetivo mediante una fase liquida es conseguir densidades más altas y aleaciones

homogéneas, la sinterización destina cambios geométricos cunado un

conjunto de partículas es conducido a temperaturas elevadas con el objetivo de aumentar su resistencia. En cambio la difusión es la transformación físico definitivo, donde las partículas de materiales se penetran en un medio ausente, con el fin de aumentar el desorden molecular del sistema conformando partículas difundidas o soluto donde se difunden o disuelven. Con esto puedo complementar para que se realice el proceso de sinterización primeramente es necesario que exista el proceso de difusión logrando de esa forma que el material de polvo pueda ser unido para conformar la pieza de lo contrario no se produciría la unión de partículas muy pequeñas y estas no se trasladarían de un punto a otro.

¿Qué propiedades de los materiales se ven afectadas por el proceso de sinterización? Durante el proceso de sinterización las propiedades los materiales que se verán afectados durante el desarrollo del comportamiento de la temperatura son la dureza, flexibilidad, densidad.

5)  En un intercambiador de calor se ha utilizado una lámina de aleación de hierro con estructura FCC de 1 mm de espesor, para contener una mezcla de gases con una concentración de nitrógeno de 10 g/cm3. En condiciones estacionarias se ha encontrado que, al otro lado de la lámina de hierro, la concentración de nitrógeno es de 0,2 g/cm3 Calcule la velocidad de difusión del nitrógeno (flujo J) a través de la lámina si la temperatura de operación del intercambiador es de 1.200 °C. *Utilice los datos de la siguiente tabla:

Calculo del ejercicio Bueno utilizando la fórmula de flujo de difusión establecido en la primera ley de fick, se tiene Datos. FCC. 0,0034 cm2/s Concentración. 10g/cm3 Concentración. 0,2g/cm3 Temperatura. 1200°C

Primero se debe calcular el coeficiente de difusión D mediante la ecuación = 0 

  ) 

(

ya

partir de eso calcular el flujo J ya que D0 es una constante para un sistema de difusión

dado. La forma correcta de realizar el ejercicio es:

 = 0  

  ) 

(−

D= (0,0034 D=462,38

 

,

 =(0,0034

 

(−

)



,87

 

)  ∗7, 

) * 135995,243

  ∆



∆



  =  ( )    =  - 462,38

 *

  −0,   )  

(0

−0,

 = 45313,24

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Contenidos de la Semana 4 y recursos adicionales, Asignatura Resistencia de los materiales IACC 2018.

(Cuadra, https://www.codelcoeduca.cl/Movil/pr_lixiviacion.asp) (https://www.ecured.cu/Sinterizaci%C3%B3n) (http://www.arquitecturaenacero.org/uso-y-aplicaciones-del-acero/materiales/procesosiderurgico)