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Hierro fundido gris resistente a altas temperaturas para refinación

Ing. Miguel Montiel Salazar, gerente de Negocios de Minería y Construcción de Fundición Ferrosa.


Lingotera

El desarrollo de la ciencia y tecnología actuales implican la generación y aplicación del conocimiento en muchas áreas de la refinación de los minerales y consecuentemente los ingenieros de Fundición Ferrosa están al tanto de los mismos.

La industria de la producción de hierro fundido es una de las principales a nivel internacional. Anualmente son producidas piezas que son ensambladas y empleadas como componentes de equipos y maquinarias. Los hierros fundidos, como los aceros, son básicamente aleaciones de hierro y carbono. Con relación al diagrama Fe-Fe3C (Figura 1), los hierros fundidos contienen más carbono que el necesario para saturar la austenita a la temperatura eutéctica.

Para explicar el hierro fundido gris es necesario entender que el carburo de hierro es básicamente una fase metaestable y que con un enfriamiento anormalmente lento (o en presencia de ciertos aleantes como el silicio) se cristalizará el grafito (carbono puro) y el hierro.

Los principales elementos de aleación son carbono y silicio. El alto contenido de carbono incrementa la cantidad de grafito o de Fe3C. El silicio aumenta el potencial de grafitización y fluidez del hierro fundido, sin embargo su resistencia se ve afectada, ya que se promueve la formación de ferrita y el engrosamiento de la perlita.

El contenido de manganeso varía en función de la matriz deseada, típicamente, puede ser tan baja como 0.1% para hierros ferríticos y tan alta como 1.2% para hierros perlíticos, ya que el manganeso es un fuerte promotor de la perlita.

Una característica distintiva del hierro gris es que el carbono se encuentra en general en forma de grafito adoptando formas irregulares descritas como “hojuelas”, este grafito es el que da la típica coloración gris a las superficies de fractura en las piezas elaboradas con esta aleación.

Las propiedades físicas y en particular las mecánicas varían dentro de amplios intervalos respondiendo a factores como la composición química, rapidez de enfriamiento después del vaciado, tamaño y espesor de las piezas, práctica de vaciado, tratamiento térmico y parámetros microestructurales como la naturaleza de la matriz, y la forma y tamaño de las hojuelas de grafito. Las hojuelas adoptan diferentes patrones irregulares o tipos. El tipo y tamaño de hojuela se determina de manera tradicional por simple comparación contra el patrón ASTM (American Society for Testing and Materials), norma A247. Esto se realiza mediante observaciones de microscopia óptica a 100X sobre probetas pulidas a espejo, sin ataque químico.

En general, se habla de cinco tipos de hojuelas, denominados A, B, C, D y E como se aprecia en la Figura 2.

En general para la mayoría de las aplicaciones se prefiere las hojuelas del tipo A de tamaño “pequeño”, las dimensiones grandes reducen la resistencia y ductilidad del hierro como resultado de interrumpir seriamente la continuidad del material.

Las propiedades mecánicas en general de las fundiciones grises son variables y están en función directa de la microestructura. Por lo general poseen una resistencia a la compresión de dos a tres veces mayor que su resistencia a la tensión, siendo su ductilidad bastante baja. Muchos de los grados de hierro gris tienen mayor resistencia al corte torsional que algunos tipos de acero. Estas características junto con una baja sensibilidad a la presencia de muescas (concentradores de esfuerzo) hacen del hierro gris un material adecuado para diversos tipos de elementos de giro, como poleas, ejes, engranajes, etc..

La capacidad de amortiguación del hierro gris es una propiedad que no se mide muy a menudo, pero que vale la pena considerar, ya que estas aleaciones tienen la habilidad de absorber la energía y, por lo tanto, de detener la vibración. Por ejemplo una barra de acero produce un sonido metálico, una barra de hierro fundido no lo genera. Esta característica explica las muchas armazones de máquinas que se hacen de hierro fundido gris.

El hierro gris es fácil de maquinar, debido a la presencia de carbono libre (grafito), pero no es fácil de soldar. La soldadura puede hacerse pero requiere de una técnica especial y generalmente queda confinada a reparaciones.

El hierro fundido gris por lo general no se trata térmicamente como el acero, pero muchas de sus propiedades pueden variar con tratamientos térmicos. El recocido puede liberar los esfuerzos, ablandar el hierro y hacerlo fácil de maquinar.

El hierro gris se utiliza para varios tipos de cajas reductoras, catalinas, carcasas para bombas y turbinas, monoblo-ques para motor y muchas otras piezas automotrices.

El sistema de identificación de ASTM para los hierros fundidos grises establece que el número que lo identifica corresponda a la resistencia a la tensión mínima en miles de libras/pulg2, de tal manera que hierro gris ASTM Nº 20 tiene una resistencia mínima a la tensión de 20000 lb/pulg2.

Una de las dificultades del empleo de las fundiciones ordinarias para ciertos usos es el hinchamiento que experimentan cuando sufren calentamiento. Para muy elevadas temperaturas de servicio y en ocasiones en que el precio no es una restricción, se emplean fundiciones austeníticas con 12-20% de níquel.

Para el caso de refinación de oro donde las temperaturas alcanzan los 1100 °C es que Ferrosa ha desarrollado una aleación especial, se puede usar las fundiciones aleadas con pequeños porcentajes de cromo y bajo contenido en silicio, con los que se obtienen muy buenos resultados.

Se puede usar el cromo que actúa como elemento estabilizador de carburos y contenidos bajos en silicio para limitar la grafitización, que es una de las causas del hinchamiento.

Ferrosa ya cuenta con desarrollos para lingoteras o moldes de fundición para metales ferrosos y no ferrosos como: oro, plata, dore, zinc, plomo, zamac y estaño, con capacidades desde 500 gramos hasta 2,000 kilos.




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