Por otra parte aplicando la ley de continuidad se puede establecer que el caudal o velocidad volumétrica del flujo permanece constante a través del líquido:

Por lo general el bebedero o conducto vertical del sistema de vaciado tiene forma cónica invertida para evitar que el metal líquido al incrementar su velocidad, atrape aire. De esta manera el canal alimentador base del bebedero en conexión con la cavidad del molde debe ser horizontal y mantener una mínima altura por donde fluye el metal líquido hasta la cavidad del molde (ver figura 2). Tomando en cuenta la velocidad que adquiere el metal fundido en la base del bebedero después de recorrer una determinada altura h_h por encima de una abertura del canal alimentador equivalente a un orificio circular de diámetro d, de área igual a (0,25nd²), para establecer ajustando las expresiones 2 y 3 el caudal o flujo volumétrico requerido:

Por otra parte esta disposición permite determinar el tiempo t, requerido para llenar una cavidad de volumen V. Relacionando el caudal con este volumen:

Enfriamiento y solidificación

Después de vaciar el metal fundido en el molde, este debe disminuir su temperatura para volver al estado sólido pero con apariencia en réplica del molde. Las variables y parámetros asociados con el enfriamiento y solidificación³ incluyen: tiempo de enfriamiento del metal, la contracción, la solidificación, las direcciones y el diseño de mazarotas.

Tiempo total de solidificación TST

La Regla de Chvorinov, establece que el tiempo total de solidificación de la fundición después del vaciado depende del tamaño y forma de la pieza. Según la relación:

Esta regla es útil para el diseño de la mazarota⁴ en su función de alimentar metal líquido que llegue hasta la cavidad principal. Por lo que el metal en la mazarota debe permanecer en fase líquida y terminar su solidificación después del solidificado de la pieza principal.

Para cumplir con esta condición, el diseño de mazarotas debe aplicar una relación de volumen a área superficial más grande, que permite a la fundición principal solidificar primero y reducir así la contracción (rechupe).

Contracción

El descenso de temperatura durante el enfriamiento del metal fundido, hace que la altura del líquido se reduzca desde el nivel inicial, se produce en tres etapas: 1) contracción líquida durante el enfriamiento anterior a la solidificación, 2) Contracción durante el cambio de fase líquido a sólido o (contracción de solidificación, y 3) contracción de fundición solidificada durante el enfriamiento hasta la temperatura ambiente, que presenta cavidades caracterizadas por superficies irregulares, comúnmente denominadas rechupes.

Diseño de mazarota

La mazarota en un molde de fundición, equivale a un volumen mayor de metal líquido confinado en un sector del molde para adicionar cantidades pequeñas de metal fundido durante el enfriamiento y así, compensar la contracción (rechupe) que tiene el metal al solidificarse.

En consecuencia, para el diseño de mazarotas es preciso calcular su módulo por la relación (Vm.AM-¹), pero antes de conocer el módulo de la mazarota MM, hay que determinar el módulo de la pieza que alimenta MP, relación (Vp.Ap-¹). El volumen VP es la magnitud que está más al alcance de ser calculada aun aproximadamente. A diferencia del área AP, especialmente en el caso de piezas complejas.

Una buena aproximación para calcular las dimensiones de la mazarota se consigue al aplicar la regla de Chvorinov, o desigualdad entre módulos de enfriamiento:

Obtenido el módulo de enfriamiento MP, éste puede servir para evaluar MM. Fijando las dimensiones y forma de la mazarota que aporte con el mayor módulo de enfriamiento posible, en equivalencia con el mismo volumen de metal. Adoptando para la mazarota, la forma cilíndrica (variables altura h y el diámetro d), así el módulo MM, corresponde a:

Aplicable en el rango de 1 a 1,5 para la relación de forma cilíndrica h = 1,5d. La figura 3, muestra diferentes formas de mazarotas conservando la relación mencionada.

Enfriadores

El trabajo de las mazarotas puede mejorar, adicionando enfriadores. El espesor del enfriador debe ser por lo menos igual al doble del módulo de enfriamiento de la pieza.

Tiempo de colada con mazarota

El tiempo de una colada considerando la masa total que será depositada al interior de la cavidad del molde y los espesores de la pieza a reproducir (masa hasta 450 kg y espesores de 0,25 a 1,5 cm) se puede determinar por la expresión:

CONCLUSIONES

Para lograr fundiciones colada, de metales o aleaciones, conforme a diseño y que garanticen el cambio de fase y su sostenibilidad durante el proceso, es importante que los moldes estén provistos de un sistema de alimentación conformado por: el bebedero, los canales de alimentación, las mazarotas, enfriadores y cavidades de moldeo. Disposición tecnológica respaldada sobre principios y variables del transporte de fluidos: (teorema de Bernoulli, líquidos en movimiento, vaciado, tiempo de llenado de una cavidad), y el conocimiento específico sobre las propiedades intensivas y extensivas de la materia, la solidificación e intercambio de calor entre el metal fundido y el material de moldeo, el tiempo de solidificación, las características de contracción, uso de enfriadores y el diseño e implementación de mazarotas tratando variables de área y volumen.

Dominio cognoscitivo y tecnológico que ha permitido el desarrollo y crecimiento de la fundición colada en moldes de arena y otros materiales moldeables, arraigando en el tiempo, procesos de manufactura de metales y aleaciones de gran utilidad industrial y tecnológica.

Notas

¹  El término fundición se aplica también a la parte resultante de este proceso. Es uno de los más antiguos procesos de formado que se remonta seis mil años atrás.

²  Si la velocidad es muy lenta, el metal puede enfriarse antes de llenar la cavidad. Si la velocidad de vaciado es excesiva provoca turbulencia y puede convertirse en un problema serio (se favorece la erosión de la arena del molde, así como que el metal atrape gases y escoria).

³  La solidificación involucra el regreso del metal a estado sólido, y se diferencia entre un metal puro o una aleación. Metales Puros: solidifica a una temperatura constante que constituye su punto de fusión. Aleaciones: solidifican generalmente en intervalos de tiempo y a una temperatura definida, el rango depende del sistema de aleación y de su composición en particular.

⁴ Partes del molde que contienen metal líquido necesario para poder compensar los efectos de contracción liquida y solidificación.

BIBLIOGRAFÍA

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[2] Serrano, R., Tema 8: Diseño de las mazarotas, Universidad de Málaga -España, www.raquelserrano.com/?dl_id=314, PDF, Consulta: 03/06/18.        [ Links ]