escuela superior de ingenieria quimica e...
TRANSCRIPT
-
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA QUIMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA METALURGICA
SECCION DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACION
D
ME
“CONSTRUCCION DE UN ATOMIZADOR CON AGUA PARA OBTENER POLVOS DE ALUMINIO”
P R E S E N T A :
ING. ARTURO CERVANTES TOBON
T E S I S
PARA OBTENER EL GRADO DE MAESTRO EN CIENCIAS CON ESPECIALIDAD EN
INGENIERIA METALURGICA
IRECTOR DE TESIS: DR. DAVID JARAMILLO VIGUERAS
XICO, D.F. 2006
-
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL COORDINACION GENERAL DE POSGRADO E INVESTIGACION
CARTA CESION DE DERECHOS
En la Ciudad de ___
__ ___ , el (la)
Programa de _____Maes
registro _________
manifiesta que es
________________
________________
Dr. David Jara
“Construcción de
Politécnico Naciona
Los usuarios de la
del trabajo sin el pe
escribiendo a la sigu
otorga, el usuario de
México, D.F.
______________ el día _________ del mes _______________ del añoque suscribe ______ ______ alumno (a) del
_____________________________________________ con número de tría en Ciencias con Especialidad en Ingeniería Metalúrgica
, adscrito a
autor (a)
_________
_________
millo Vigu
un atomiza
l para su d
informació
rmiso expr
iente direc
berá dar e
__
la Sección de Estudios de Posgrado e Investigación-E.S.I.Q.I.E
_____________intelectual del p
______ y ced
_____________
eras
dor con agua para
ifusión, con fines
n no deben repro
eso del autor y/o
ción _________
l agradecimiento
maenc
_____________Ing. Arturo Cerv
Nombre y
19
_________________
resente trabajo de tes
en los derechos d
__________________obtener polvos de alum
académicos y de inve
ducir el contenido te
director del trabajo. E
__________________
correspondiente y cita
_____________ antes Tobón
firma
Octubre
______________________Ing. Arturo Cervantes Tobón
____2006A97O115
_________________ ,is bajo la dirección de
el trabajo intitulado
________, al Instituto inio”
stigación.
xtual, gráficas o datos
ste puede ser obtenido
____. Si el permiso se
r la fuente del mismo.
x
-
RESUMEN
RESUMEN
En la actualidad la atomización con agua es el método más utilizado para la
producción de polvos metálicos debido a su bajo costo de construcción y
operación del mismo.
En el presente trabajo se lleva a cabo la construcción de un atomizador con
agua para la obtención de polvo de aluminio a partir de un lingote comercial. De
igual manera se determinan las variables importantes para el buen funcionamiento
del equipo. Se determinó mediante una deducción matemática el diámetro mínimo
de alimentación del metal líquido para que este fluya de manera libre. Así mismo,
se determinó el valor de la velocidad con la cual el chorro de agua que sale de las
toberas de atomización golpea al metal líquido.
Se realizaron pruebas de pulverización y se caracterizó el polvo obtenido
para poder evaluar el tamaño promedio de partícula mediante un análisis
granulométrico, densidad aparente y la rapidez de flujo del polvo. En este trabajo
se estudió el efecto de diferentes presiones durante la atomización con agua y
finalmente se observó la forma de las partículas a través de las técnicas de
microscopia óptica y microscopia electrónica de barrido (MEB).
Con los resultados obtenidos de las propiedades evaluadas se observó que
están dentro de los valores reportados en la literatura. De acuerdo a la técnica de
atomización con agua desarrollada en el presente trabajo, se observa que las
partículas obtenidas presentan una forma irregular debido al enfriamiento súbito
que proporciona el medio atomizante en este caso el agua al chocar con el metal
fundido coincidiendo también esta particularidad con lo reportado en la literatura.
-
ABSTRACT
ABSTRACT
Water atomization is currently the more used method for metals powder
production due to low cost of construction and operation of the atomization
devices.
The construction of a water atomizer system for obtaining aluminum powder,
starting from a commercial ingot was carried out in the present study. Important
variables for the proper operation of the equipment device are determined. The
minimum feeding diameter of the liquid metal was deduced mathematically, so that
fluid moves freely. The water speed required to strike the liquid metal was
determined for designing the atomization nozzles.
Pulverization tests were made and the obtained powder was experimentaly
characterized as to evaluate the mass median particle size by means of grain size
analysis, aparent density, and flow rate of powder. In this work, the effect of
varying pressure during water atomization was studied, and eventualy, the form of
particles was observed through optical microscopy and scanning electron
microscopy (SEM).
Obtained results of the evaluated properties revealed a consistent match to
the values reported in literature. According to the technique of water atomization
developed in the present research, it is observed that the obtained particles display
an irregular form due to the sudden cooling that provides the atomizant medium, in
this case water when hitting the melt metal.This fact also agreed with literature.
-
“CONSTRUCCION DE UN ATOMIZADOR CON AGUA PARA OBTENER POLVOS DE ALUMINIO”
ING. ARTURO CERVANTES TOBON
DIRECTOR DE TESIS: DR. DAVID JARAMILLO VIGUERAS
MEXICO, D.F. 2006
-
INDICE
INDICE
CONTENIDO PAGINA
Lista de figuras ......................................................................................................... i
Lista de tablas ........................................................................................................ v
1. INTRODUCCION ................................................................................................1
2. ANTECEDENTES
2.1 Introducción a la pulvimetalurgia (PM) ...............................................................4
2.2 Breve reseña de la pulvimetalurgia ....................................................................6
2.3 Razones para usar pulvimetalurgia ...................................................................9
2.4 Las aplicaciones de la pulvimetalurgia (mercados e industrias) ......................10
2.5 El futuro de la pulvimetalurgia ..........................................................................12
2.6 Ventajas y limitaciones de la pulvimetalurgia ..................................................16
2.7 Métodos para producir polvos metálicos y prealeados ....................................17
2.8 Consideraciones para la producción de polvos metálicos ...............................19
2.9 Atomización con agua ......................................................................................20
2.9.1 Descripción del proceso de atomización con agua .......................................21
2.9.2 Principales variables en el proceso de atomización con agua .....................24
2.9.3 Atmósfera de fusión y atomización ...............................................................24
2.9.4 Condiciones del metal fundido ......................................................................25
-
INDICE
2.9.5 Tamaño del orificio del crisol que contiene el metal fundido ........................28
2.9.6 Longitud del chorro de metal líquido .............................................................28
2.9.7 Condiciones del medio atomizante (agua) ....................................................29
2.9.8 Efecto del ángulo ápice entre las toberas
sobre el tamaño de las partículas .................................................................32
2.9.9 Trayectoria de vuelo de las partículas
dentro del tanque de atomización .................................................................33
2.9.10 Características de los polvos metálicos obtenidos .....................................34
3. DESARROLLO EXPERIMENTAL
3.0 Diseño y construcción del atomizador con agua en el Departamento
de Ingeniería Metalúrgica del IPN en el área de metalurgia de polvos ...........36
3.1 Características generales del atomizador ........................................................36
3.2 Diseño del contenedor .....................................................................................38
3.3 Sistema hidráulico ............................................................................................41
3.4 Sistema eléctrico ..............................................................................................45
3.5 Selección de las toberas (boquillas) ................................................................46
3.6 Sistema de fusión y vaciado del metal .............................................................48
3.6.1 Horno de fusión .............................................................................................49
3.6.2 Elaboración del crisol ....................................................................................53
3.6.3 Conformación de todos los sistemas y exhibición del
atomizador en el área de metalurgia de polvos ............................................55
3.7 Determinación del diámetro mínimo para el crisol ...........................................56
3.8 Determinación de la velocidad del fluido de atomización (agua) .....................62
3.9 Operación del atomizador y obtención de polvo de aluminio ..........................66
-
INDICE
3.9.1 Efecto de la presión de atomización sobre el tamaño
de las partículas obtenidas ...........................................................................71
3.10 Caracterización del polvo obtenido ................................................................72
3.10.1 Distribución de tamaño de partícula (análisis granulométrico) ...................72
3.10.2 Determinación de la densidad aparente .....................................................74
3.10.3 Determinación de la fluidez del polvo .........................................................76
3.10.4 Forma de la partícula mediante microscopia óptica ...................................76
3.10.5 Forma de la partícula mediante microscopia
electrónica de barrido (MEB) ......................................................................77
4. RESULTADOS OBTENIDOS
4.1 Obtención del diámetro mínimo para el crisol de
alimentación del metal líquido .........................................................................78
4.2 Cálculo de la velocidad del fluido en
el sistema de atomización (agua) ...................................................................79
4.3 Análisis granulométrico de las partículas de aluminio
atomizadas con agua .......................................................................................87
4.3.1 Efecto de la presión de atomización sobre el tamaño
de las partículas obtenidas ...........................................................................91
4.3.2 Determinación del rendimiento del proceso de atomización con agua .........93
4.4 Determinación de la densidad aparente y la rapidez de flujo
del polvo obtenido por atomización con agua .................................................95
4.5 Evaluación de la morfología de las partículas por microscopia óptica ............96
4.6 Evaluación de la morfología de las partículas
por microscopia electrónica de barrido (MEB) ..............................................102
-
INDICE
5. DISCUSION DE RESULTADOS ....................................................................106
6. CONCLUSIONES ...........................................................................................112
7. RECOMENDACIONES PARA TRABAJOS FUTUROS ................................114
8. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS ..............................................................115
APENDICES
APENDICE 1 ........................................................................................................121
APÉNDICE 2 ........................................................................................................123
-
LISTA DE FIGURAS
LISTA DE FIGURAS
FIGURA
LEYENDA
PÁGINA
1
Pilar construido a base de polvos de hierro en la India(10,11,12).
6
2 Pistones y componentes de una transmisión automotriz
elaborados por pulvimetalurgia.
11
3 Relación que existe entre la presión de atomización y el
tamaño de partícula obtenido para un acero inoxidable
316L(27).
22
4 Proceso de atomización con agua, en donde el chorro de
metal fundido es desintegrado por un par de jets de agua a
presión(2).
23
5 Tamaño de partícula de zinc atomizado con agua en función
del sobrecalentamiento(40).
26
6 Diseño de las toberas en forma de V por Granzol y
Tallmadge(45).
31
7 Esquema del atomizador con todos sus componentes. 37
8 Vista frontal del contenedor y ventana. 39
9 Colector de polvos con válvula de bola de PVC para el
drenado de los polvos obtenidos y vista superior del
contenedor.
40
10 Esquema del sistema hidráulico y sus componentes 42
11 Depósito de agua con capacidad de 450 litros y vista de una
parte del sistema hidráulico mostrando la tubería, la válvula de
seguridad, el manómetro y la bomba.
44
12 Acercamiento de la válvula de seguridad, manómetro y
toberas de atomización.
44
13 Motor siemens tipo NEMA B con jaula de ardilla y bomba. 45
i
-
LISTA DE FIGURAS
14 Tobera de rociado plano y representación de la formación de la
lámina plana de líquido.
46
15 Toberas de atomización armadas en el atomizador en arreglo
tipo V.
47
16 Componentes del horno de resistencias de carburo de silicio. 49
17 Cuerpo del horno elaborado en acero inoxidable. 50
18 Vista superior del horno con tapa. 50
19 Vista superior del horno donde se aprecian las resistencias y la
base para el crisol.
51
20 Imagen del regulador de temperatura Barber-Colmer. 52
21 Esquema del crisol con sus dimensiones. 53
22 Crisol fabricado y empleado para el proceso de atomización.
En el interior se aprecia una parte muy clara debida a la
pintura refractaria a base de zircón.
54
23 Atomizador con agua armado ya en su totalidad en el área de
metalurgia de polvos del departamento de Ingeniería
Metalúrgica E.S.I.Q.I.E-I.P.N
55
24 Representación esquemática de cómo están distribuidas las
fuerzas en la semi-esfera.
57
25 Representación de las coordenadas en la semi-esfera. 58
26 Salida de los jets de agua a alta velocidad y ángulo formado
entre las toberas y el metal líquido.
68
27 Polvo de aluminio obtenido que sedimentó en el fondo del
contenedor.
70
28 Método de cribas o mallas para determinar el tamaño y
distribución de partícula.
73
29 Flujómetro empleado para la determinación de la densidad
aparente.
75
ii
-
LISTA DE FIGURAS
30 Comportamiento de la velocidad del fluido usando la ecuación
(9a) y el diagrama de Moody para 700 psi de presión de
atomización.
80
31 Esquema de la tobera de atomización. 81
32 Comportamiento de la velocidad del fluido usando la ecuación
(9b) y el diagrama de Moody para 1500 psi de presión de
atomización.
84
33 Comportamiento de la velocidad del fluido usando la ecuación
(9c) y el diagrama de Moody para 2500 psi de presión de
atomización.
86
34 Gráficas de la distribución y determinación del tamaño
promedio de las partículas atomizadas con agua a 700 psi de
presión.
88
35 Gráficas de la distribución y determinación del tamaño
promedio de las partículas atomizadas con agua a 1500 psi de
presión.
89
36 Gráficas de la distribución y determinación del tamaño
promedio de las partículas atomizadas con agua a 2500 psi de
presión.
90
37 Gráfica de la distribución de tamaño de las partículas
atomizadas con agua para las 3 presiones utilizadas.
91
38 Gráfica del efecto de la presión de atomización sobre el
tamaño de las partículas de polvo obtenidas.
92
39 Gráfica del rendimiento del proceso conforme se incrementa la
presión de atomización.
94
40 Partículas de aluminio atomizadas con agua a 700 psi. a) malla
20, b) malla 40 y c) malla 100. Las imágenes fueron tomadas a
100 aumentos.
96
iii
-
LISTA DE FIGURAS
41 Partículas de aluminio atomizadas con agua a 700 psi. a) malla
20, b) malla 40 y c) malla 100. Las imágenes fueron tomadas a
200 aumentos.
97
42 Partículas de aluminio atomizadas con agua a 1500 psi. a)
malla 20, b) malla 40 y c) malla 100. Las imágenes fueron
tomadas a 100 aumentos.
98
43 Partículas de aluminio atomizadas con agua a 1500 psi. a)
malla 20, b) malla 40 y c) malla 100. Las imágenes fueron
tomadas a 200 aumentos.
99
44 Partículas de aluminio atomizadas con agua a 2500 psi. a)
malla 20, b) malla 40 y c) malla 100. Las imágenes fueron
tomadas a 100 aumentos.
100
45 Partículas de aluminio atomizadas con agua a 2500 psi. a)
malla 20, b) malla 40 y c) malla 100. Las imágenes fueron
tomadas a 200 aumentos.
101
46 Partículas de aluminio atomizadas con agua a 700 psi. a) malla
100, b) malla 200, c) malla 325 y d) malla 400.
102
47 Partículas de aluminio atomizadas con agua a 700 psi. a) malla
100, b) malla 200, c) malla 325 y d) malla 400. Las imágenes
fueron tomadas a mayores aumentos.
103
48 Partículas de aluminio atomizadas con agua a 2500 psi. a)
malla 100, b) malla 200, c) malla 325 y d) malla 400. Las
imágenes fueron tomadas a bajos aumentos.
104
49 Partículas de aluminio atomizadas con agua a 2500 psi. a)
malla 100, b) malla 200, c) malla 325 y d) malla 400. Las
imágenes fueron tomadas a mayores aumentos.
105
iv
-
LISTA DE TABLAS
LISTA DE TABLAS
TABLA
LEYENDA
PÁGINA
1
Ejemplos de usos de polvos metálicos.
5
2 Partes y componentes del sistema hidráulico. 43
3 Partes y componentes del sistema de fusión y vaciado del
metal.
48
4 Determinación del diámetro mínimo del crisol de alimentación 78
5 Determinación de la velocidad del fluido en el sistema de
atomización para una presión utilizada de 700 psi.
79
6 Determinación de la velocidad del fluido en el sistema de
atomización para una presión utilizada de 1500 psi.
83
7 Determinación de la velocidad del fluido en el sistema de
atomización para una presión utilizada de 2500 psi.
85
8 Análisis granulométrico obtenido para las 3 distintas presiones. 87
9 Rendimiento del proceso para las 3 distintas presiones
empleadas.
93
10 Determinación de la densidad aparente y la velocidad de flujo. 95
v
-
INTRODUCCION
1
1. INTRODUCCION
El metalúrgico moderno no puede abrogarse al descubrimiento de la
metalurgia de polvos, debido a que los polvos metálicos y los sólidos fabricados
con ellos han sido elaborados durante muchos años, pero a lo que sí puede
enfocarse es al mejoramiento y perfeccionamiento de la producción de dichos
polvos para la obtención de productos finales con una mejor calidad de sus
propiedades mecánicas.
En la actualidad se fabrican con éxito polvo de los metales y aleaciones
siguientes: aluminio, antimonio, latón, bronce, cadmio, cobalto, cobre, oro, hierro,
plomo, manganeso, molibdeno, níquel, paladio, platino, silicio, plata, tungsteno,
vanadio, zinc, boro y carburos diversos. La cantidad de materiales fabricada en
forma de polvo es una parte insignificante de la total empleada en la industria de
los metales, pero la importancia de los polvos metálicos y de las piezas fabricadas
con ellos es grande cuando se considera el papel desempeñado por esta técnica
en la fabricación de filamentos para lámparas y contactos para relevadores,
contactos varios, etc. Una aplicación reciente e importante de este procedimiento
es la fabricación de cojinetes autolubricados (sin aceite) y piezas metálicas para
máquinas y herramientas de gran interés práctico.
En México existen algunas empresas que fabrican componentes a partir de
polvos metálicos, tal es el caso de SINTERMEX, SINTERMETAL Y CLEVITE. Sin
embargo, sus materias primas son de importación debido a que son las que
cumplen con una serie de especificaciones requeridas en cuanto a calidad
principalmente. Existen algunos pequeños productores en México de polvos de
aluminio, cobre y acero, como DEGUSA en Monclova Coahuila y CLEVITE DE
MEXICO en el Edo. De México.
-
INTRODUCCION
2
A pesar del esfuerzo de estas empresas, existe el riesgo de que sean
desplazadas del mercado por productos realizados por compañías del exterior que
ofrezcan productos de mayor calidad o menor precio, por lo cual se debe lograr
una producción óptima de materia prima, a lo cual puede contribuir la vinculación
de las empresas con los centros de investigación.
Entre las propiedades o características más importantes de un polvo metálico
destacan la morfología, el tamaño promedio de partícula, distribución de tamaño
de partícula, la composición química y la microestructura. Estas propiedades
repercuten a su vez en propiedades de tipo ingenieril (densidad aparente,
deformabilidad, compresibilidad, forjabilidad, tenacidad, entre las más importantes)
así como en los productos finales del resultado de la consolidación de los polvos
metálicos (1).
Por lo anterior la producción de polvos metálicos y aleados resulta ser una
actividad industrial trascendente. Existe una gran variedad de métodos para
producir polvos metálicos tales como: trituración mecánica, reducción química,
precipitación, electrólisis y la atomización (2).
La atomización es la técnica más utilizada para la producción de polvos
metálicos y sus aleaciones. Esta se puede definir como “ La dispersión de un
metal líquido en partículas sólidas por medio de un fluido o gas a alta velocidad ”,
de acuerdo a la A.S.T.M. y la A.S.M. (3). En esta técnica, el fluido impacta un
chorro de metal líquido para formar ligamentos los cuales posteriormente se
rompen en fragmentos y partículas sólidas cuyo tamaño y forma dependerán de
ciertas variables del proceso. En la literatura existen algunos estudios sobre el
efecto de los diferentes parámetros de operación sobre las características y
propiedades de las partículas obtenidas por atomización (4-6).
-
INTRODUCCION
3
La atomización con agua o gas produce partículas con distinta morfología,
debido a la tensión superficial del fluido atomizante. Al utilizar gas como fluido
atomizante se obtendrán partículas esféricas con menor oxidación superficial, en
cambio si se utiliza agua las partículas producidas presentan una forma irregular
recubiertas con una capa de óxido lo cual implica que las propiedades finales de
un material sean diezmadas (7,8). La atomización con agua resulta ser un proceso
simple y muy económico para la producción de polvos metálicos, pero su
aplicación es limitada a aleaciones con baja afinidad por el oxígeno y que no
reaccionen de manera violenta con el agua.
Algunas de las causas por las que no se producen en México polvos
metálicos a gran escala son la falta de difusión de la metalurgia de polvos, a la
falta de formación de personal en esta área, y los altos costos de inversión y
operación que se requieren para implementar instalaciones que funcionen
adecuadamente. El objetivo del presente trabajo es plantear una alternativa
económica para la fabricación de polvos atomizados con agua mediante un equipo
relativamente barato, el cual podría ser modificado para llevar a cabo la
depositación sobre sustratos, siendo esta técnica muy atractiva también para el
desarrollo de nuevos materiales. De igual forma, se desea crear una iniciativa que
permita abrir una línea de investigación en metalurgia de polvos dentro del
Departamento de Ingeniería Metalúrgica, E.S.I.Q.I.E-I.P.N.
-
ANTECEDENTES
4
2. ANTECEDENTES
2.1 INTRODUCCION A LA PULVIMETALURGIA (PM).
Dentro de las variadas tecnologías disponibles para trabajar los metales, la
pulvimetalurgia (PM) es la más amplia. El mayor atractivo de la PM es la habilidad
de fabricar piezas de formas complejas con excelentes tolerancias y alta calidad a
un costo relativamente bajo. En resumen, la PM considera polvos metálicos con
ciertas características como tamaño, forma y empaquetamiento para luego crear
una pieza de alta pureza y precisión. Los pasos claves incluyen la compactación
del polvo y la subsiguiente unión termal de las partículas por medio de la
sinterización. El proceso utiliza operaciones automatizadas con un consumo
relativamente bajo de energía, alto rendimiento de los materiales y bajos costos
capitales.
Estas características hacen que la PM mejore de la productividad, baje el
consumo de energía y ahorre materias primas. Consecuentemente, el área está
creciendo y reemplazando métodos tradicionales de formar metales. Además, la
PM es un proceso de manufactura flexible capaz de entregar un rango amplio de
nuevos materiales, micro estructuras y propiedades. Todo esto crea un nicho
único de aplicaciones para la PM, como por ejemplo compuestos resistentes al
desgaste.
El proceso de la PM se confía en una mirada distinta a aquellas en la
fabricación tradicional de componentes metálicos. Específicamente, la versatilidad
de la PM da un horizonte expandido en el procesamiento de materiales: química,
tratamiento térmico y microestructuras son variables y la distribución de las fases y
los microconstituyentes son controlados. Las aplicaciones de la PM son bastante
amplias (2).
-
ANTECEDENTES
5
Algunos ejemplos del uso de polvos metálicos son: filamentos de tungsteno
para focos incandescentes, restauraciones dentales, rodamientos auto-lubricantes,
engranes de transmisión de automóviles, contactos eléctricos, elementos de
combustible para energía nuclear, implantes ortopédicos, filtros de alta
temperatura, pilas recargables y componentes para aeronaves. La Tabla 1 enlista
una serie de usos típicos de componentes provenientes de la PM.
Tabla 1. - Ejemplos de usos de polvos metálicos (2).
APLICACIÓN EJEMPLOS DE USO
Abrasivos Ruedas pulidoras metálicas, equipos de
molienda
Aeroespacial Motores de jet, escudos de calor,
boquillas de turbina
Automóviles Válvulas, engranes, varillas
Químicos Colorantes, filtros, catalizadores
Eléctrico Contactos, conectores
Magnético Relays, imanes, núcleos
Manufactura Moldes, herramientas, rodamientos
Medicina/dental Implantes de cadera, fórceps, amalgamas
dentales
Metalúrgico Recubrimiento metálico, aleaciones
Nuclear Escudos, filtros, reflectores, combustibles
Artillería Fusiles, munición, penetradores
Personal Vitaminas, cosméticos, jabones, lápices
Petroquímicos Catalizadores, brocas
Pirotécnicos Explosivos, combustible, colorantes,
bengalas
-
ANTECEDENTES
2.2 BREVE RESEÑA DE LA PULVIMETALURGIA.
La pulvimetalurgia o metalurgia de polvos se puede definir como el arte de
producir polvos de metal y emplearlos para hacer objetos útiles. Las raíces de la
pulvimetalurgia se pueden remontar hasta 5000 años atrás. Los primeros usos de
polvos metálicos han sido rastreados en varios lugares (9). Por ejemplo, polvos de
oro fueron fusionados sobre joyas por los Incas, y los Egipcios utilizaron polvos de
acero en el año 3000 A.C. Otro ejemplo de uso temprano es la Columna de Delhi
en la India la que data al año 300 D.C (10,11,12). Esta columna fue hecha a partir de
6.5 toneladas de polvo de hierro (Figura 1). La utilización de polvos de oro, plata,
cobre, latón y estaño para fines únicamente decorativos fue muy común durante la
Edad Media (13).
Figura 1.- Pilar construido a base de polvos de hierro en la India, 300 D.C(10,11,12).
6
-
ANTECEDENTES
7
El primer trabajo científico considerado sobre pulvimetalurgia fue publicado
en 1829 por el físico Inglés H.W. Wollaston, en el cual describía un proceso para
producir platino compacto a partir de polvo con esponja de platino, estableciendo
los fundamentos para las técnicas modernas (14). La necesidad de aparatos de
platino de laboratorio llevaron al desarrollo de la precipitación química de polvos y
nuevas rutas de consolidación sin el uso de altas temperaturas. Tales actividades
ocurrieron en Rusia e Inglaterra, donde polvos precipitados fueron trabajados en
caliente para superar la incapacidad de obtener las altas temperaturas para fundir
platino. Al mismo tiempo, se fabricaban monedas de polvos de cobre, plata y
plomo acuñadas y sinterizadas. La época moderna de la PM se puede rastrear
hasta Coolidge, quien utilizó polvos de tungsteno para desarrollar un filamento de
lámpara durable para Thomas Edison (15). Subsecuentemente, rodamientos
porosos de bronce y contactos eléctricos de grafito-cobre se desarrollaron en los
años 30. Al llegar los cuarentas, la PM estaba involucrada en la fabricación de
nuevas aleaciones de tungsteno, aleaciones estructurales férreas y metales
refractarios.
Es también durante esta época que se modifican los procesos de
atomización, ya empleados desde la década de los treinta para pulverizar metales
de bajo punto de fusión, para atomizar hierro. El interés inicial de la PM creció
desde una base de materiales formada por elementos comunes como el cobre y
hierro por medio de una tecnología de menor costo. Desde los años cuarenta,
varios materiales menos comunes se han convertido en polvos, incluyendo
materiales refractarios y sus aleaciones (Nb, W, Mo, Zr, Ti y Re). Adicionalmente,
el crecimiento de metales estructurales ha avanzado igual en este periodo. La
mayoría de las piezas estructurales producidas de polvos son basadas en hierro.
Igual de importante ha sido la evolución de las aplicaciones.
-
ANTECEDENTES
8
Inicialmente, componentes basados en polvos fueron seleccionados
simplemente por su bajo costo. Más reciente, la principal razón de seleccionar una
ruta PM ha sido asociado con el mejoramiento de la calidad, homogeneidad o
propiedades en conjunto de costo atractivo y productividad.
Las super aleaciones de altas temperaturas de níquel, la dureza específica
de aleaciones de aluminio para aeronaves y compuestos de aluminio con
expansión térmica controlada son algunos buenos ejemplos de esta evolución. No
solo se pueden fabricar con mejor economía de material por medio de polvos, sino
que también nuevas y mejores composiciones que siendo desarrolladas
aprovechando así el control químico y de micro estructura. La expansión de los
procesos de la PM en las áreas que requieren materiales de alta calidad y
propiedades únicas crearán más oportunidades para el futuro. En la actualidad la
pulvimetalurgia o metalurgia de polvos se ha convertido en una industria que se
desarrolla ampliamente gracias a las grandes posibilidades que ofrece con
respecto a otras técnicas (fundición principalmente) lo cual ha llevado a considerar
a la pulvimetalurgia como “ La nueva dimensión en tecnología de materiales ”, por
lo cual resulta importante la producción de polvos metálicos para su desarrollo.
Lo que pueda sucederle a la pulvimetalurgia o metalurgia de polvos y a la
industria que pueda beneficiarse con ella, dependerá en última instancia de la
iniciativa y la creatividad de los individuos que sepan aprovechar las posibilidades
de esta tecnología.
-
ANTECEDENTES
9
2.3 RAZONES PARA USAR PULVIMETALURGIA.
Muchos atributos contribuyen al éxito de la PM. Hay tres categorías que
dominan y proveen un concepto introductorio para el uso de la PM. Primero están
las variadas aplicaciones que dependen de la economía de producción de piezas
complejas. Componentes para la industria automotriz representan buenos
ejemplos para esta área y su producción es una gran actividad para la PM.
Dentro del área de economía de producción de piezas viene la preocupación
de productividad, tolerancias y automatización. Tanto la precisión como los costos
son bastante atractivos. Los polvos de aleaciones permiten la fabricación por
abajo del punto de fusión del metal. Esto elimina la segregación y otros defectos
asociados con la solidificación. También hay propiedades únicas o justificaciones
de microestructura para el uso de PM. Algunos ejemplos incluyen metales
porosos, aleaciones endurecidas por dispersión de óxidos y compuestos metal-
cerámica. La inhabilidad de poder fabricar éstas microestructuras por medio de
otras técnicas ha contribuido bastante al crecimiento de la PM.
Por último, se menciona aplicaciones cautivas. Estos son los materiales que
son bastante complicados de procesar utilizando otra técnicas. Ejemplos ideales
son los metales reactivos y refractarios, para los que el proceso de fundición no es
práctico (16). Otro grupo emergente son los metales amorfos. En muchos casos es
deseable poder formar un polvo y desarrollar procesos a bajas temperaturas para
evitar daños a la microestructura. Las técnicas de la PM son atractivas dado que
todo el procesamiento puede ser logrado en el estado sólido.
-
ANTECEDENTES
10
2.4 LAS APLICACIONES DE LA PULVIMETALURGIA (MERCADOS E INDUSTRIAS).
Las piezas pulvimetalúrgicas son usadas en muchos productos finales. El
mayor comprador de piezas puvimetalúrgicas es la industria automotriz.
Las aplicaciones automotrices forman aproximadamente el 70% de la
pulvimetalurgia Norteamericana de las piezas que se comercializan. En 1999 el
típico vehículo familiar contenía cerca de 15 kg (35 lb) de piezas pulvimetalúrgicas
con un incremento de 10.9 kg (24 lb) desde 1990. Se ha estimado que en el año
2000 se utilizaron 15.9 kg (35 lb) en cada vehículo vendido.
En el año 2002 los vehículos en Norteamérica contenían ya más de 17 kg
(37.5 lb) de piezas pulvimetalúrgicas. En contraste los vehículos europeos
aproximadamente 7.3 kg (16 lb) de partes pulvimetalúrgicas, mientras que la
industria automotriz Japonesa únicamente contenía 7.1 kg (15.8 lb) (17).
Como la resistencia mecánica y las tolerancias de piezas pulvimetalúrgicas
mejoran, aumentará el uso de la pulvimetalurgia a expensas del hierro dúctil en
piezas de transmisión.
La Ingeniería de transmisiones en automóviles está considerando seriamente
el uso de metales en polvo para piñones y marcos del transportador del piñón en
cajas automáticas para mejorar la exactitud dimensional y reducir gastos de
producción. Se estima que este nuevo mercado se abrirá en los siguientes años
pudiendo, ser esta la aplicación más importante para aceros pulvimetalúrgicos
durante la presente década. La otra aplicación de considerable magnitud es la
barra de conexión que data de 1980. Una barra de conexión típica pesa cerca de 1
kg (2.2 lb).
-
ANTECEDENTES
Los mercados para piezas pulvimetalúrgicas incluyen: Los arrastres dentados
de cerrojos, tractores de jardín, pistones, motores de automóvil y transmisiones,
sistemas de freno y dirección de automóvil, máquinas lavadoras, armas
deportivas, herramientas, copiadoras, cuchillos de caza, ensambles hidráulicos,
escudos de rayos x, cabezas de puntas perforadoras de petróleo y gas, cañas de
pescar y relojes de pulsera (18).
Figura 2.- Pistones y componentes de una transmisión automotriz elaborados por Pulvimetalurgia.
Los motores de las nuevas aeronaves comerciales contienen
superaleaciones pulvimetalúrgicas extruidas. Los norteamericanos consumen casi
un millón de Kilogramos de polvo de hierro anualmente en cereales y pan
enriquecidos con hierro.
11
-
ANTECEDENTES
12
2.5 EL FUTURO DE LA PULVIMETALURGIA.
Se espera que la industria pulvimetalúrgica crezca en gran escala este siglo.
El éxito de tecnologías pulvimetalúrgicas e híbridos pulvimetalúrgicos tales como
forjado de polvos, la compactación isostática en caliente, prototyping rápido, spray
forming, sinterizado a alta temperatura y el moldeo por inyección han impulsado a
la industria de la PM en América del Norte hacia nuevas aplicaciones y mercados.
El mercado de polvos de cobre y sus aleaciones, de aluminio y sus
aleaciones y de aceros inoxidables experimentaron un crecimiento significativo en
el 2004. Las aplicaciones para aluminio en polvo incluyen pinturas y
recubrimientos, productos químicos, como elemento de aleación, combustible
sólido para cohetes y misiles, explosivos y pirotecnia, piezas pulvimetalúgicas y
compósitos. Los ingenieros de diseño pulvimetalúrgico están interesados en el
aluminio en el mercado del automóvil. Las aplicaciones incluyen cojinetes de leva,
corchetes del espejo, piezas del amortiguador, bombas y barras de conexión. El
mayor crecimiento en acero inoxidable ha estado dentro de los polvos de la serie
400, debido a la demanda para bridas de sistema del tubo de escape del
automóvil y anillos del sensor en los sistemas de frenos ABS. El uso de acero
inoxidable para piezas pulvimetalúrgicas en partes y aplicaciones de cerrojos
también crece.
La industria europea pulvimetalúrgica también experimenta un crecimiento en
todos sus mercados de polvos. La industria se está volviendo más global,
consistente con la tendencia fortificante de fabricantes globales de automóviles
como GM, Ford, Daimler-Chrysler, Toyota, Honda, BMW y Volkswagen.
Las áreas principales de crecimiento para la PM en aplicaciones automotoras
incluyen motores, transmisiones, sistemas de escape y sistemas de frenos ABS.
-
ANTECEDENTES
13
Debido a que los niveles de resistencia mecánica y las capacidades de
tolerancia mejoran, habrá más conversión de partes de acero dúctil de la
transmisión por medio de la PM. Expertos de Ford estiman que algunos vehículos
serán los primeros en cumplir con 25 kg de piezas pulvimetalúrgicas en unos
pocos años. Si el mercado del piñón y los marcos del transportador del piñón en
cajas automáticas se desarrolla, los ingenieros en producción afirman que esta
será la más importante de las nuevas aplicaciones para los polvos de acero
durante la siguiente década. Este desarrollo adicionaría aproximadamente 6 kg
(13.2 lb) de polvo de metal por transmisión.
El negocio Norteamericano de partes pulvimetalúrgicas ha superado el nivel
de ventas desde 1998 a la fecha, haciéndolo el mayor mercado pulvimetalúrgico
en el mundo. El marcado de moldeado en caliente continúa aumentando, lo cual
da a fabricantes de piezas la posibilidad de producir productos de polvos ferrosos
con características altas de desempeño en una sola operación de compactación.
Las ventas mundiales de piezas pulvimetalúrgicas fueron estimadas en mas de 5
billones de dólares en 1998, en años recientes esta cifra seguramente ha sido
superada debido a la demanda de piezas que cada día son requeridas.
Tan solo en el año 2002 la industria Norte Americana produjo
aproximadamente 400,000 toneladas de aluminio, hierro y acero, acero inoxidable
y cobre en piezas pulvimetalúrgicas para el mercado automotriz (17).
Por otro lado las empresas japonesas Miba y Hitachi incursionaron en el
mercado Europeo en el año 2001 para abastecerlo de partes automotrices tales
como engranes, transmisiones y cojinetes con el objeto de lograr una globalización
en la industria automotriz Europea, Asiática y Sudamericana para tener una mayor
calidad en sus productos y por ende una mayor competencia con el mercado
Norte Americano que como ya observamos es el de mayor producción a nivel
mundial (19).
-
ANTECEDENTES
14
El reconocimiento de la pulvimetalurgia como una tecnología estratégica está
fuera de toda duda debido a que los clientes principales aumentan su confianza en
esta técnica, no sólo con el lado convencional del negocio sino que también con
materiales avanzados particularmente. El uso de compactación isostática en
caliente aumenta para aceros de herramienta y superaleaciones, y en otros
procesos avanzados como prototyping rápido, spray forming, conformado en frío y
en el procesamiento de tamaño de polvos submicrónicos. El mercado anual para
polvo de superaleaciones y barras pulvimetalúrgicas extruidas está en el rango de
35 a 45 millones de dólares.
Los destinos finales de los polvos superaleados y los billets son las partes de
turbinas de avión, la reparación de turbinas de aeronaves y yacimientos
petrolíferos y la petroquímica. Todas estas aplicaciones requieren productos por
compactación isostática en caliente.
Los mercados de moldeo por inyección en caliente (PIM) se estima
aumentará en un 20 a 25% debido a la mejora en tecnología, materiales y
sistemas de moldeo. Más diseños innovadores del producto están siendo creados
de este sector de la industria. El mercado norteamericano es estimado en 100
millones de dólares, dividido en 75 millones para inyección de metales y 25
millones para cerámicos.
Los fabricantes de equipo pulvimetalúrgico (herramental, prensas de
compactación, hornos y atmósferas) también han experimentado crecimiento
favorable. Las ventas de equipo y atmósferas representan un mercado anual muy
por encima de los 100 millones de dólares. La tendencia es para prensas mayores
con más controles sofisticados, y los hornos de temperatura mas alta, todo para
proveer piezas con mejores resistencias mecánicas y mayor calidad.
-
ANTECEDENTES
15
Otros sectores de crecimiento del mercado pulvimetalúrgico adicionan el
prototyping rápido, spray forming, compósitos de matriz metálica, espumas de
metal y polvos nanométricos. El año 2001 marca el inicio de un crecimiento
sostenido el cual es ya todo un récord para la industria pulvimetalúrgica.
Como podemos observar la pulvimetalurgia está creciendo día a día. El uso
de polvos metálicos continua expandiéndose y el rubro está creciendo más rápido
que cualquier otro método de trabajar metales. Además, la necesidad de personal
calificado está creciendo más rápido dado la diversidad y dificultad de las
aplicaciones que están siendo desarrolladas por la PM.
Está claro que a medida que los conocimientos de esta materia aumentan,
aparecerán muchas mas aplicaciones para esta tecnología. La mayoría de los
usos actuales se basan en la economía de los procesos. El futuro promete más
desafíos con la combinación de ahorrar costos y ciertos factores como la
confiabilidad, calidad, dureza, control de dimensión y la capacidad de formar
piezas exclusivas. La apreciación abierta de estas ventajas proveerán
oportunidades de crecimiento económico y tecnológico. Investigaciones del uso de
polvos metálicos ofrecen esperanza para aplicaciones aún más diversas,
incluyendo aleaciones magnéticas de alta solidificación, aleaciones nuevas para
aeronaves y estructuras de alta dureza involucrando micro-estructuras a escalas
muy pequeñas.
-
ANTECEDENTES
16
2.6 VENTAJAS Y LIMITACIONES DE LA PULVIMETALURGIA.
Ventajas
• La producción de carburos sinterizados, cojinetes porosos y bi-metálicos de
capas moldeadas, sólo se pueden producir por medio de este proceso.
• La porosidad puede ser controlada.
• Tolerancias reducidas y acabado superficial de alta calidad.
• Por la calidad y pureza de los polvos producidos, se pueden obtener también
piezas de alta pureza.
• No hay pérdidas de material.
• Se pueden producir piezas a la cuales se les puede hacer algún tratamiento
térmico adicional para incrementar su resistencia mecánica y al desgaste.
• Se puede obtener un rango amplio de sistemas aleados.
• No se requieren operarios con alta capacitación por lo tanto se disminuyen los
costos de operación.
Limitaciones
Los polvos son caros y difíciles de almacenar.
El costo del equipo para la producción de los polvos puede ser alto.
Algunos productos pueden fabricarse por procedimientos más económicos.
Es difícil hacer productos con diseños complicados.
Existen algunas dificultades térmicas en el proceso de sinterizado,
especialmente con los materiales de bajo punto de fusión.
Algunos polvos presentan riesgo de explosión, como el aluminio, magnesio,
zirconio y titanio.
Es difícil fabricar productos uniformes de alta densidad.
-
ANTECEDENTES
17
2.7 METODOS PARA PRODUCIR POLVOS METALICOS Y PREALEADOS.
Todos los metales pueden producirse en forma de polvo, sin embargo no
todos los polvos cumplen con las características necesarias para poder conformar
una pieza. Los dos metales más utilizados para la producción de polvo para la
fabricación de piezas son el cobre y el hierro. Como variaciones del cobre se
utilizan el bronce para los cojinetes porosos y el latón para pequeñas piezas de
máquinas. También se llegan a utilizar otros polvos de níquel, plata, tungsteno y
aluminio.
Existen diferentes formas de producir polvos metálicos dependiendo de las
características físicas y químicas de los metales utilizados.
Con maquinado se producen partículas gruesas y se usan principalmente
para producir polvos de magnesio.
En el proceso de molienda se tritura el material con molinos rotatorios de
rodillos y por estampado rompiendo los metales. Por este método los materiales
frágiles pueden reducirse a partículas irregulares de cualquier finura. Los granos
de carburo de tungsteno se pulverizan de esta forma (20).
El proceso de perdigonado consiste en vaciar metal fundido en un tamiz y
enfriarlo dejándolo caer en agua. En este proceso se obtienen partículas esféricas
o con forma de pera. La mayoría de los metales pueden perdigonarse, pero el
tamaño de las partículas es demasiado grande.
La atomización consiste en la aspersión del metal y su enfriamiento en aire o
en agua. Es un excelente método para la producción de polvos de casi todos los
metales de bajo punto de fusión como el plomo, aluminio, zinc, estaño y plata.
-
ANTECEDENTES
18
Algunos metales pueden convertirse en polvo con una agitación rápida del
metal mientras se está enfriando. Este proceso se le conoce como granulación.
Otro procedimiento para la producción de polvo de hierro, plata y algunos
otros metales es el de depósito electrolítico. Consiste en la inmersión del metal a
pulverizar, como ánodos, en tinas con un electrolito, los tanques actúan como
cátodos, el hierro o metal a pulverizar se mueve de los ánodos hacia los cátodos
depositándose como un polvo fino que puede posteriormente utilizarse con
facilidad.
Polvos prealeados: Cuando se logra la producción de un polvo de un metal
previamente aleado con otro se mejoran considerablemente las propiedades de
las piezas, en comparación con las que tendrían con los metales puros.
Una de las ventajas de este tipo de polvos es que requieren menores
temperaturas para su producción y que proporcionan la suma de las propiedades
de los dos metales unidos similares a las que se obtendrían con la fundición.
-
ANTECEDENTES
19
2.8 CONSIDERACIONES PARA LA PRODUCCION DE POLVOS METALICOS.
Cada uno de los métodos de producción tiene peculiaridades propias tales
como: Economía, limpieza, flexibilidad, propiedades fisicoquímicas, etc., que lo
hacen adecuado para diferentes propósitos; sin embargo, es posible delinear
algunos principios generales, aplicables a la producción de polvos metálicos (21).
1. - Los polvos (para usos metalúrgicos) deben ser comparativamente
baratos. Su costo de manufactura debe compararse más o menos favorablemente
con el del material convencional. Esta regla no se puede aplicar a materiales
preciosos o exóticos tales como: plata, oro, platino, wolframio, berilio, etc.
2. - El rendimiento del proceso no deberá ser menor del 75% de polvo de
grado comercial.
3. – El método debe ser de tal manera que pueda fácilmente mantener la
composición química, análisis de mallas, densidad aparente, compresibilidad,
fluidez, etc., dentro de los límites estipulados.
Existen tres técnicas principales para la producción de polvos metálicos, la
molienda mecánica, métodos electroquímicos y la atomización (1,8), pero en términos de aplicación a nivel industrial, los procesos de atomización son los que
han tenido mayor impacto hoy en día. Las interacciones de las partículas
metálicas con los elementos de la atmósfera atomizante y medio ambiente son
factores de suma importancia en los procesos de la pulvimetalurgia o metalurgia
de polvos (MP) los cuales son responsables de cambios deseados o indeseados
en la forma de la partícula, en la microestructura y por lo tanto en las propiedades
mecánicas finales de los productos obtenidos a partir de polvos metálicos.
-
ANTECEDENTES
20
2.9 ATOMIZACION CON AGUA.
El origen de la atomización con agua puede ser remontado al año de 1872
cuando se otorgó una patente en Inglaterra, en la cual se describe el uso de un
inyector que genera un chorro que atomiza fundiciones metálicas (22).
Actualmente es el método con mayor capacidad para la producción de polvos
metálicos, en años recientes ha ido ganando terreno. Principalmente se utiliza
para la producción de polvos de hierro; se estima que aproximadamente la mitad
de la producción mundial de hierro, es decir unas 500,000 toneladas métricas por
año, se producen por atomización con agua (23).
También se producen de manera comercial aceros, aceros inoxidables,
aleaciones especiales, de níquel, cobalto, etc, además de metales no ferrosos
como Al, Cu, Zn, Cd, Pb, Sn y sus aleaciones.
La atomización con agua de metales preciosos se utiliza para la producción
de amalgamas dentales (23). Además, como ya se ha mencionado, el proceso de atomización con agua resulta ser el proceso más económico de los métodos
comerciales que existen, ya que se pueden producir grandes cantidades de polvo
a un bajo costo. La única limitación que existe es el grado de pureza del polvo
obtenido, ya que solo se pueden atomizar metales que no reaccionen de manera
violenta con el agua. Los polvos obtenidos por esta técnica son típicamente
irregulares pero presentan buenas características para la compactación.
-
ANTECEDENTES
21
2.9.1 DESCRIPCION DEL PROCESO DE ATOMIZACION CON AGUA.
La atomización se puede definir como un proceso de obtención de materiales
en polvo tanto elementales como prealeados mediante el rompimiento de un flujo
vertical de metal fundido por la acción de un medio atomizante en este caso el
agua (24). El proceso es similar a la atomización por gas excepto por la rapidez de
enfriamiento y por las diferentes propiedades características del fluido. El agua es
lanzada a altas presiones directamente sobre el flujo de metal líquido,
desintegrándolo y haciéndolo que solidifique mucho más rápidamente. Como
consecuencia, el polvo es más irregular que el obtenido por atomización con gas.
La textura del polvo es más rugosa con alguna oxidación. Si se aumenta la
presión del agua utilizada para atomizar el fluido, se tiene como resultado una
mayor velocidad de la misma y partículas de tamaños más finos. En algunos
casos, si la capa de óxido que contamina la superficie de la partícula es muy
perjudicial, la reducción con hidrógeno puede ser utilizada para limpiar el polvo
después de la atomización.
Existe una innumerable variación en cuanto a los equipos utilizados para
atomización, pero básicamente el proceso esta conformado por un tanque en el
cual se desintegra un chorro de metal fundido por el impacto de chorros (jets) de
agua a presión. El rango de presiones utilizadas va desde 5 hasta 20 MPa (3000
psi). Pueden usarse presiones aun mayores, las cuales ocasionaran una
producción de polvos metálicos muy finos con tamaños por debajo de los
37 µm ( malla 400 ) con una presión de 35 MPa (25,26).
-
ANTECEDENTES
La compañía Pacific Metals en Japón comenzó la producción de polvos
realmente finos por atomización con agua utilizando presiones de 100 MPa.
Estos polvos tienen un tamaño promedio de 10 - 20 µm, resultando ideales
para el moldeo por inyección. Recientemente ya se producen polvos finos de
acero inoxidable por esta última técnica, la cual tiene un futuro prometedor (27).
En la siguiente figura se muestra el efecto que tiene el uso de presiones
altas de atomización sobre el tamaño de partícula obtenido, en este caso se ilustra
un acero inoxidable tipo 316 L.
Figura 3.- Relación que existe entre la presión de atomización y el tamaño de
partícula obtenido para un acero inoxidable 316 L(27).
22
-
ANTECEDENTES
En la literatura existen infinidad de referencias de los diversos arreglos de los
jets de agua para la atomización aunque el arreglo más comúnmente empleado es
aquel en el cual se utilizan 2 jets localizados de manera simétrica opuestos uno
del otro. En la figura 4 se muestra este tipo de arreglo.
Figura 4.- Proceso de Atomización con agua, en donde el chorro de metal fundido es desintegrado por un par de jets de agua a presión.
Últimamente se tratan de hacer arreglos interesantes y diferentes en los
cuales se forman cortinas de agua con el objeto de incrementar la velocidad de
enfriamiento de las partículas de polvo, trayendo como consecuencia que estas
sean aun mas irregulares. En cuanto al arreglo de los jets, la regla general es que
en cuanto mayor sea el volumen de agua proyectado, la irregularidad de las
partículas de polvo será mayor (28). Las descripciones generales del proceso de
atomización con agua han sido dadas por Gummenson y Lawley (29), Beddow (30),
Klar y Fesko (31), Dunkey (32,33), Reinshagen y Neupaver (34).
23
-
ANTECEDENTES
24
2.9.2 PRINCIPALES VARIABLES EN EL PROCESO DE ATOMIZACION CON AGUA.
En este proceso se ven involucradas muchas variables, las cuales están
interrelacionadas unas con otras por lo que se debe considerar como un conjunto
a todo el proceso. Como cada diseño y configuración de un equipo de atomización
con agua es único este contará con sus propias condiciones de operación, pero se
puede tomar como una guía general al rango de condiciones que Klar y Fesko (35)
resumieron para la atomización con agua de manera general.
Los efectos de las principales variables del proceso sobre el tamaño y forma
de las partículas de los polvos metálicos obtenidos se describen a continuación:
2.9.3 ATMOSFERA DE FUSION Y ATOMIZACION.
Si se funde al metal al aire libre es lógico que el contenido de oxígeno en el
metal líquido se incrementará y por ende se formará una capa de óxido en las
partículas resultantes. Además, las partículas absorben humedad del medio
formando también óxidos hidratados afectando en consecuencia las propiedades
mecánicas de los productos consolidados con este tipo de partículas. Esto puede
evitarse si se funde en una atmósfera inerte o al vacío, así como agregando
aditivos antioxidantes al agua que sirve de medio atomizante.
-
ANTECEDENTES
25
2.9.4 CONDICIONES DEL METAL FUNDIDO.
La forma de las partículas metálicas obtenidas puede controlarse mediante la
adición de ciertos elementos denominados aleantes. Algunos impiden la
esferoidización y ayudan a producir polvos irregulares ya que estos disminuyen la
tensión superficial del metal fundido. Otros, por el contrario, incrementan la
viscosidad y reaccionan con el oxígeno presente en el medio para formar algún
óxido estable, protegiendo a las partículas de una oxidación mayor maléfica para
las propiedades mecánicas de los productos consolidados (36).
Otros aditivos, tales como el boro en aleaciones base Níquel, interfieren con
la formación de la capa de óxido alrededor de la partícula en el enfriamiento
permitiendo que las fuerzas de tensión superficial originen que la partícula líquida
deformada obtenga una forma esférica antes de solidificar (37).
La densidad del metal líquido es un parámetro difícil de medir desde el punto
de vista de transferencia de energía y momentum, pero podemos decir que
cuando la densidad disminuye, el tamaño medio de partícula disminuye también
pero la irregularidad aumenta.
Se ha reportado que a medida que la temperatura de líquidus del metal
fundido se incrementa, el tamaño medio de partícula, la esfericidad y el rango de
distribución del tamaño medio de partícula se incrementan también (38). Se ha
reportado también un pequeño rango de transformación en el cual se incrementa
la esfericidad de la partícula (39). Al incrementarse el sobrecalentamiento del metal
líquido, la viscosidad y la tensión superficial disminuyen originando una
disminución también del tamaño medio de partícula.
-
ANTECEDENTES
Un enfriamiento lento permite que las partículas que se van solidificando
tomen una forma esférica pero esto ocasiona también un incremento de la
cantidad de oxígeno en la superficie. Los efectos sobre la tensión superficial son
relativamente modestos cuando se incrementan 100oC como sobrecalentamiento
del metal líquido la disminución en el tamaño de partícula será de entre un 5 –
10% para metales que funden por encima de los 500oC.
Un claro ejemplo del efecto del sobrecalentamiento sobre el tamaño de
partícula cuando se atomizan metales de bajo punto de fusión con agua se
observa en la siguiente figura. Estos datos fueron para la atomización de un chorro
de zinc de 2.5 mm con una presión de 10.5 MPa (1600 psi). En este caso hubo
una reducción del tamaño de partícula desde 150 µm a 100 µm para un
sobrecalentamiento desde 100oC hasta 300oC (40).
Figura 5.- Tamaño de partícula de zinc atomizado con agua en función del
sobrecalentamiento(40).
26
-
ANTECEDENTES
27
Si se incrementa la velocidad de flujo del metal fundido por medio de un
aumento en el diámetro del contenedor de dicho metal líquido, o se presuriza este
metal dará como resultado una mayor cantidad de energía disponible por unidad
de masa para la atomización trayendo como consecuencia un aumento en el
tamaño medio de partícula así como una disminución de la irregularidad de la
misma (38).
Al aumentar el sobrecalentamiento del metal fundido habrá una disminución
de la tensión superficial, favoreciendo con esto la producción de polvos de forma
irregular. Esto se podrá contrarrestar debido a que también habrá una reducción
de la viscosidad y un tiempo más largo para que se formen las partículas esféricas
durante el enfriamiento.
En base a lo anterior, Small y Bruce (39) demostraron que, en la atomización
con agua un incremento en la temperatura del metal fundido aumenta la
probabilidad de obtener un polvo esférico. Sin embargo, en la atomización con
gas, donde el enfriamiento de las partículas es menos severo, encontraron que la
temperatura del metal fundido no es un factor determinante de la forma de las
partículas obtenidas.
Durante la atomización, las partículas de polvo fino se forman más fácilmente
cuando la tensión superficial y la viscosidad son mínimas. Thomson (41) establece
que la tensión superficial es el factor principal que gobierna el tamaño de las
partículas.
-
ANTECEDENTES
28
2.9.5 TAMAÑO DEL ORIFICIO DEL CRISOL QUE CONTIENE AL METAL FUNDIDO.
Hall (42) y Probst (36) establecieron que para incrementar la eficiencia en la
atomización y poder producir polvos más finos se debe concentrar la energía del
medio atomizante sobre el chorro de metal fundido.
Sin importar cual sea el medio atomizante el tamaño de la partícula de polvo
se incrementa con el diámetro del chorro de metal fundido. De acuerdo a
Thomson (41) la energía requerida para desintegrar el chorro de metal es una
función de la superficie total de polvo producido. En consecuencia, un incremento
de la velocidad del flujo de metal a ser atomizado llevará a obtener polvos más
gruesos. Por esta razón el diámetro del chorro de metal fundido generalmente es
menor a 10 mm.
2.9.6 LONGITUD DEL CHORRO DE METAL FUNDIDO.
Al disminuir la longitud del chorro de metal fundido entre el crisol y la zona de
impacto, existe una menor divergencia del chorro y también se reduce la
probabilidad de algún desajuste del ángulo ápice o de rompimiento. Si se
disminuye esta longitud también tiende a reducirse el rango de distribución de
tamaños de partícula. Sin embargo, desde un punto de vista operacional un chorro
de metal fundido corto aumenta la posibilidad de salpicaduras y un posible
enfriamiento del chorro de metal en el orificio del crisol que contiene al metal
fundido.
-
ANTECEDENTES
29
2.9.7 CONDICIONES DEL MEDIO ATOMIZANTE (AGUA).
Si se incrementa la presión del agua y la velocidad de flujo, se incrementará
la energía disponible por unidad de tiempo para desintegrar el chorro de metal
fundido. Por lo tanto, si se incrementan estos 2 factores disminuirá el tamaño
medio de partícula y se incrementará la irregularidad de las mismas. También se
ha reportado en la literatura que la influencia de la velocidad de flujo del agua
sobre el diámetro medio de partícula es prácticamente despreciable (43). Además
se ha reportado en la literatura que incrementando la presión o velocidad del agua
disminuye el rango de la distribución de tamaño de partícula. Al incrementar la
presión del líquido atomizante, en este caso agua, se eleva la energía disponible.
Para un flujo de metal constante esto significa una disminución del tamaño
de partícula.
Lo anterior se corrobora mediante la siguiente expresión que obtuvieron
Small y Bruce (39) en la cual si se incrementa la presión el tamaño de las partículas
obtenidas disminuye.
dm = ln (P/A)n
Donde:
dm = Tamaño de partícula y está en µm
A y n son constantes
P = Presión del agua de atomización
-
ANTECEDENTES
30
Otra manera más clara para explicar lo anterior la realizó Dunkley (23,24)
quien propuso la siguiente relación:
dm = KP-n
Donde:
dm = Tamaño de partícula
K y n son constantes
Cuando el tamaño de partícula se expresa en µm, n está típicamente en el
rango de 0.6 a 0.8 para presiones de atomización con agua de 0.1 a 20 MPa
respectivamente
En el proceso de atomización una parte esencial es la tobera, debido a que
esta controla el flujo y el patrón del agua e influye en la eficiencia de la
desintegración del chorro de metal fundido. A pesar de que existe una gran
diversidad de diseños de toberas, en la atomización con agua, se hacen
generalmente arreglos en los cuales estas muestran distribuciones alrededor del
chorro de metal fundido.
La configuración normalmente utilizada en la atomización con agua es la de
caída libre, en la cual el metal fundido sale del crisol y cae a una cierta distancia
bajo la acción de la gravedad antes del choque con los chorros de agua. La
distancia de la caída libre del chorro de metal fundido varía en el intervalo de 100
a 300 mm.
-
ANTECEDENTES
Las configuraciones más utilizadas de los chorros de agua son el chorro
anular (cónico) o chorros planos opuestos en forma de V. Estos últimos producen
un patrón de rocío en forma de abanico de dos chorros planos de agua opuestos
en forma de V (figura 6).
Figura 6. - Diseño de las toberas en forma de V por Granzol y Tallmadge.
31
-
ANTECEDENTES
32
2.9.8 EFECTO DEL ANGULO APICE ENTRE LAS TOBERAS SOBRE EL TAMAÑO DE LAS PARTICULAS.
Huseby (36) e Ingram y Durdaller (44) estudiaron el efecto del ángulo ápice o
de rompimiento como se le denomina al ángulo entre las toberas atomizadoras,
sobre el tamaño de las partículas metálicas obtenidas.
El primero encontró que, incrementándose el ángulo desde 10 a 110° se
obtiene polvo más fino y permite el uso de presiones más bajas de agua para
producir el mismo tamaño de polvo.
Ingram y Durdaller confirmaron estos resultados solo que en un rango que va
de 24 a 42°. Batten y Roberts (36) afirman que la forma de las partículas de los
polvos obtenidos puede controlarse por medio del ángulo ápice.
Estos investigadores establecieron que en el ángulo ápice entre 80 y 100°
hay un control óptimo sobre la forma y tamaño de las partículas obtenidas, pero
con ángulos mayores a 110° ya se pueden presentar problemas durante la
atomización.
-
ANTECEDENTES
Grandzol y Tallmadge (45) obtuvieron una relación para la atomización con
agua usando un modelo en el cual se tienen 2 jets de líquido atomizante en la cual
se observa la influencia que tiene el ángulo que se forma entre las toberas y el
chorro de metal líquido y la velocidad con la cual el agua impacta a este último.
La relación que se obtuvo es la siguiente:
dm = VwB Sen α
Donde:
dm = Tamaño de partícula expresado en µm
Vw = Velocidad del medio atomizante en este caso agua (m/s)
α = Ángulo entre el chorro de metal líquido y las toberas
B = 2750 Tomando en cuenta las unidades anteriores
2.9.9 TRAYECTORIA DE VUELO DE LAS PARTICULAS DENTRO DEL TANQUE DE ATOMIZACION.
Como ya se ha mencionado en repetidas ocasiones, en este proceso el
medio de enfriamiento o líquido atomizante es el agua. Cuando el nivel de líquido
en el tanque contenedor del equipo aumenta, la trayectoria de vuelo de las
partículas disminuye, así como el contenido de oxígeno, debido a que las
partículas tenderán a enfriarse más rápidamente.
33
-
ANTECEDENTES
34
Si la trayectoria de vuelo es muy corta es de esperarse que las partículas
sean más irregulares debido al súbito enfriamiento de las partículas sin dar
oportunidad a que las fuerzas de tensión superficial tengan tiempo para formar
partículas más esféricas.
Por otra parte la formación de óxidos muy estables en la superficie de las
partículas inhibiría la formación de partículas completamente esféricas por lo que
se presentaría irregularidad y rugosidad de las mismas.
2.9.10 CARACTERISTICAS DE LOS POLVOS METALICOS OBTENIDOS.
Los polvos metálicos deben ser considerados como materia prima y no como
producto final. Estos polvos se elaboran teniendo en cuenta su aplicación
inmediata y los requisitos exigidos por ella, por cuya razón se emplean varios
procedimientos para obtenerlos.
Los polvos metálicos se diferencian entre sí y se clasifican atendiendo a las
características siguientes: a) tamaño de partícula, b) forma de la partícula, c)perfil
de superficie, d) porosidad y e) impurezas presentes.
La forma de las partículas del polvo metálico tiene tanta trascendencia por lo
que se ha de determinar si ha de ser angular, dendrítica, irregular o lisa y
redondeada, dependiendo de la aplicación que se le vaya a destinar. Es por esto
que en la fabricación de polvos metálicos se intentan controlar todas estas
características con el fin de satisfacer a los consumidores más exigentes.
-
ANTECEDENTES
35
Por lo anterior, es preciso estudiar meticulosamente las características de
todo polvo metálico, porque para poder establecer especificaciones correctas es
preciso conocer el comportamiento del polvo como tal. En la actualidad apenas
existen especificaciones referentes a los polvos metálicos, pues la mayoría de las
utilizadas por los distintos fabricantes han sido establecidas por medios
meramente empíricos.
-
DESARROLLO EXPERIMENTAL
36
3. DESARROLLO EXPERIMENTAL
3.0 DISEÑO Y CONSTRUCCION DEL ATOMIZADOR CON AGUA EN EL DEPARTAMENTO DE INGENIERIA METALURGICA DEL IPN EN EL AREA DE METALURGIA DE POLVOS.
El equipo fue construido en el área de metalurgia de polvos para su
utilización en este trabajo y en futuras aplicaciones como una aportación más para
el desarrollo de esta área en el departamento de ingeniería metalúrgica.
3.1 CARACTERISTICAS GENERALES DEL ATOMIZADOR.
El metal se funde en un horno de inducción de resistencias de carburo de
silicio, alcanza una temperatura máxima de 1200°C y cuenta con un crisol de
hierro colado recubierto con pintura de zircón, para evitar una posible
contaminación de hierro. Tiene una capacidad de 1 litro aproximadamente. Este
crisol tiene un orificio de 7 mm de diámetro por donde el metal fluye en caída libre.
El agua es suministrada por medio de una bomba hacia 2 toberas de
atomización para después chocar y desintegrar el chorro de metal líquido. El agua
es almacenada en un depósito que se conecta a la bomba. La máxima presión
que se alcanza en el proceso es de 2500 psi. El agua es recolectada y reciclada.
El tanque de atomización es de acero inoxidable al igual que la tubería y
conexiones empleadas para mayor seguridad y duración. En la parte inferior del
tanque se localiza un colector de polvos para un mejor manejo de extracción de
los mismos. Los polvos recolectados pueden ser recocidos para suavizarlos
(ablandarlos) y reducir su contenido de oxígeno para así mejorar el grado de
pureza de los mismos.
-
DESARROLLO EXPERIMENTAL
Las toberas por donde se suministra el agua a presión fueron diseñadas en
base a los modelos físicos de Grandzol y Tallmadge (45), las cuales están
dispuestas de manera opuesta en forma de V produciéndose un patrón de rocío
en forma de abanico.
En la figura 7 se muestra de manera esquemática al atomizador completo
con cada uno de los componentes que lo conforman:
Figura 7.- Esquema del atomizador con todos sus componentes.
37
-
DESARROLLO EXPERIMENTAL
38
3.2 DISEÑO DEL CONTENEDOR.
El contenedor fue construido de acero inoxidable debido a que este material
presenta ventajas tales como resistencia a la corrosión y por ende mayor
durabilidad, superficie lisa lo cual ayuda a que las partículas no se adhieran y
tenga una apariencia agradable a la vista.
El contenedor es de forma rectangular con dimensiones de 1.80 m de alto
por 1.20 m de ancho y una base de 1.20 m, para su construcción se usaron
láminas de acero inoxidable las cuales se soldaron para obtener la forma
requerida. En la parte superior se colocó una tapa también del mismo material la
cual tiene unas dimensiones de 1.20 x 1.20 m y un orificio en la parte central de la
tapa por donde fluye el chorro de metal líquido, que proviene del crisol que está en
un horno que se encuentra sobre el contenedor.
En la figura 8 podemos ver que el contenedor cuenta también con una
pequeña ventana que permite observar el proceso de atomización y llevar a cabo
una calibración de la caída del metal fundido con respecto a las toberas para que
este caiga de manera centrada entre ambas, así como llevar acabo una
inspección al término de cada corrida y verificar que el polvo haya quedado
debidamente asentado en el colector de polvos.
El tamaño del contenedor fue determinado en base a la trayectoria de vuelo
de las partículas, la cual debería ser suficiente para que lograran solidificar
adecuadamente y tendieran a ser lo menos irregulares. Con las dimensiones del
contenedor que se tienen se asegura que las partículas tengan tiempo suficiente
para solidificar.
-
DESARROLLO EXPERIMENTAL
En la parte inferior del contenedor se construyó además un colector de
polvos, elaborado también de acero inoxidable, cuya forma es como la de una
pirámide de base cuadrada cuyos lados son de 122 cm y una altura de 50 cm
como se muestra en la figura 9. Se tiene además una válvula de bola de PVC que
permite el libre drenado de los polvos y del agua utilizada en el proceso.
39Figura 8.- Vista frontal del contenedor y ventana.
-
DESARROLLO EXPERIMENTAL
Figura 9.- Colector de polvos con válvula de bola de PVC para el drenado de los polvos obtenidos y vista superior del contenedor.
40
-
DESARROLLO EXPERIMENTAL
41
3.3 SISTEMA HIDRAULICO.
La instalación hidráulica se diseño de acuerdo a un volumen de producción
necesario únicamente para una cuestión de investigación requiriendo en este caso
una cantidad de polvo no mayor a un kilogramo. En la figura 10 se muestra al
sistema hidráulico de manera esquemática.
Como se requiere una presión alta para tener una gran velocidad a la salida
de la tobera de atomización, la presión del fluido (en este caso agua) se debe
controlar por medio de un manómetro y una válvula de seguridad calibrada.
También se necesitan válvulas de paso para un adecuado mantenimiento del
sistema, estos componentes se muestran en las figuras 11 y 12.
Un aspecto importante que se tomó para la selección de los materiales para
la construcción del sistema hidráulico es la corrosión, por lo que deben ser
resistentes a ésta haciendo que este sea un proceso sanitario, es decir, que no se
almacenen sedimentos orgánicos y minerales en el sistema los cuales puedan
interferir en los resultados obtenidos. Por lo anterior, se llegó a la conclusión de
que también deben ser componentes de acero inoxidable.
Las toberas de atomización también forman parte del sistema hidráulico
pero serán descritas más adelante.
La instalación hidráulica consta, además, de un depósito que contendrá el
agua requerida para el proceso de atomización (ver figura 11), la cual será
impulsada por la tubería por medio de una bomba la cual la succionara y la hará
llegar hasta las toberas para llevar a cabo el rompimiento del metal fundido y con
ello la obtención del polvo metálico.
-
DESARROLLO EXPERIMENTAL
La figura 10 muestra de manera esquemática al sistema hidráulico con los
componentes que lo conforman:
Figura 10.- Esquema del sistema hidráulico y sus componentes.
42
-
DESARROLLO EXPERIMENTAL
43
La tabla 2 indica las partes y componentes del sistema hidráulico de
acuerdo al diseño planteado en el siguiente trabajo.
Tabla 2.- Partes y componentes del sistema hidráulico.
DESCRIPCIÓN CARACTERÍSTICAS Depósito para agua Cilindro con capacidad de 450 litros Bomba 17.24 MPa (2500 psi o lb/in2)
1725 rpm 29.9 l/min
Motor Marca Siemens 15 HP 440 V 1750 rpm
Válvula de paso (bola) Acero inoxidable 304 de 2.54 cm (1plg), roscado para 20.69 MPa (3000 psi)
Conexiones Acero inoxidable cédula 40, conexiones hembra de 2.54 cm (1plg), para 20.69 MPa (3000 psi)
Tubería Acero inoxidable cédula 40; conexiones macho de 2.54 cm (1plg), para 20.69 MPa (3000 psi)
Válvula de seguridad para control de presión
Acero inoxidable 304, conexiones hembra de 2.54 cm (1plg), por 1.27 cm (1/2 plg) para 17.24 MPa (2500 psi)
Manómetro Acero inoxidable para 20.69 MPa (3000 psi), con carátula de 6.35 cm (2 ½ plg) y conexión inferior de 0.635 cm (1/4 plg) roscado
Reducciones Tipo Bushing en acero inoxidable 304 de 2.54 cm (1plg) por 0.635 cm (1/4 plg)
Toberas Acero inoxidable 316, conexión macho de 0.635 cm (1/4 plg) y orificio de 5mm
-
DESARROLLO EXPERIMENTAL
Figura 11.- Depósito de agua con capacidad de 450 litros y vista de una parte del sistema hidráulico mostrando la tubería, la válvula de seguridad, el manómetro y la
bomba.
Figura 12.- Acercamiento de la válvula de seguridad, manómetro y toberas de atomización.
44
-
DESARROLLO EXPERIMENTAL
3.4 SISTEMA ELECTRICO.
El sistema eléctrico esta constituido principalmente por un motor con las
siguientes características: Marca Siemens, potencia de 15 HP, 440 Volts, 22 Amp,
1750 rpm, tipo NEMA B con jaula de ardilla el cual proporcionará el impulso
necesario para que la bomba alcance las 2500 psi de presión.
Figura 13.- Motor Siemens tipo NEMA B con jaula de ardilla y bomba.
Además se utilizó cable tipo AwG, calibre 10 resistente a una temperatura
superior a los 30oC para poder alimentar de corriente al motor utilizado desde una
fuente de alimentación. El cable pasa por tubo tipo conduit para mayor seguridad y
evitar algún problema con el manejo de la corriente eléctrica. Para poner al motor
en marcha se instaló un arrancador manual para 15 HP y 27.50 Amp el cual se
acciona de igual manera al final del proceso para detener el accionar del motor.
45
-
DESARROLLO EXPERIMENTAL
3.5 SELECCION DE LAS TOBERAS (BOQUILLAS).
Las toberas son elementos claves de un atomizador. Su función, la
producción de la pulverización, está estrechamente relacionada con el tipo de
tobera o boquilla y material de construcción.
Las toberas se deben seleccionar fundamentalmente en correspondencia
con la función que va a desempeñar. Las toberas o boquillas están diseñadas para
ser utilizadas bajo diferentes condiciones, por tanto, puede encontrarse más de
una que corresponda con las necesidades que se tengan o del proceso a utilizar.
En el presente trabajo se eligió al tipo de tobera denominada de rociado
plano que se muestra en la figura 14 debido a que este tipo de rociado tiene la
forma de una lámina plana de líquido y además fue fácil de adquirir.
Figura 14.- Tobera de rociado plano y representación de la formación de la lámina plana de líquido.
46
-
DESARROLLO EXPERIMENTAL
Este tipo de rociado se puede lograr por medio de un orificio que puede ser
elíptico o redondo sobre una superficie desviadora que es tangente al orificio de
salida.
El orificio cuenta con una ranura externa con un radio cilíndrico moldeado
internamente, o en forma de “ojo de gato”. En el diseño del orificio elíptico, el
rociado sale del orificio en línea con el tubo.
En el presente trabajo se utilizaron 2 toberas de atomización de este tipo
colocadas de manera opuesta en el arreglo del tipo v como se observa en la figura
15 y como lo recomienda además Grandzol y Tallmadge (45)
Figura 15.- Toberas de atomización armadas en el atomizador en arreglo tipo v.
47
-
DESARROLLO EXPERIMENTAL
48
.6 SISTEMA DE FUSION Y VACIADO DEL METAL.
Existen dos tipos de hornos eléctricos para la fusión de metales, el de arco
En la tabla 3 se describen los componentes utilizados del sistema de fusión
Tabla 3.- Partes y componentes del sistema de fusión y vaciado del metal.
3
y el de inducción. Los hornos de arco se emplean para fundir y producir aceros de
aleación y aceros al carbono de alta calidad; el horno de inducción se utiliza para
fundir cantidades relativamente pequeñas de aleaciones costosas, aceros y
materiales no ferrosos.
y vaciado del metal con más detalle.
DESCRIPCIÓN CARACTERÍSTICAS Crisol Hierro gris
0 ml Forma cónica y capacidad de 85Orificio inferior de 7 mm
Bayoneta lg) Hierro colado de 0.850 cm (0.334 pde diámetro x 25 cm (9.842 plg) de largo, terminada en punta y recubierta de pintura refractaria.
Resistencias y 40.64
Elaboradas de carburo de silicio 1.27 cm (1/2 plg) de diámetro cm (16 plg) de longitud.
Aislante térmico Ladrillo refractario de alta alumina. Ventiladores Material de plástico
ámetro, para 17.62 cm (3 plg) de di 27 V Termopar Tipo k NiCr-NiAl
de 1372oPara temperaturas C Microprocesador analógico de s a los temperatura marca Fluke
Para temperaturas superioreo1200 C
Regulador de temperatura Marca BARBER COLMAR Suministro T máx de 1110 C (2000o oF)
e Switch de navaja 240 V, 30 Amp qualimenta a un transformador.
-
DESARROLLO EXPERIMENTAL
49
.6.1 HORNO DE FUSION.
as del proceso de atomización como lo son el
olumen necesario de producción de polvo para investigación, la temperatura de
aprecian con detalle las dimensiones que tiene el horno
onstruido así como los elementos que lo componen:
3
Debido a las característic
v
fusión del metal de estudio así como de otros considerados a futuros trabajos y los
costos de los materiales requeridos, se llegó a la conclusión de construir un horno
eléctrico con resistencias de carburo de silicio, el cual alcanza un máximo de
temperatura de 1200oC.
En la figura 16 se
c
Figura 16.- Componentes del horno de resistencias de carburo de silicio.
-
DESARROLLO EXPERIMENTAL
50
El cuerpo principal del horno fue construido con acero inoxidable el cual lo
ará más duradero y de apariencia agradable a la vista. Este horno consta de 8
h
resistencias de carburo de silicio conectadas en serie a una fuente de alimentación
con las cuales es posible alcanzar una temperatura máxima de 1200oC. Las
resistencias están soportadas en ladrillo refractario el cual permitirá que no haya
muchas pérdidas de calor en todo el sistema y así el proceso sea más eficiente.
Para asegurar aun más esta cuestión, el horno cuenta con una tapa de acero
inoxidable como se muestra