Este documento presenta un estudio sobre la medición y simulación del fenómeno de arrastre de gas durante el vaciado de aluminio líquido y su efecto en la microestructura. Se desarrolló un sistema experimental para medir el arrastre de aire usando agua, y luego se construyó un sistema para aluminio líquido. Los experimentos mostraron que a mayor velocidad de vaciado hay más arrastre de gas y porosidad, mientras que con atmósfera de argón la porosidad disminuye con la altura debido a su efect

1. MEDICIÓN Y SIMULACIÓN DEL FENÓMENO DE ARRASTRE DE GAS DURANTE EL VACIADO
DE ALUMINIO LÍQUIDO Y CUANTIFICACIÓN DEL DAÑO MICROESTRUCTURAL OCASIONADO
DURANTE EL PROCESO DE VACIADO.
Presenta: Ing. Héctor Valdes Vera
PROGRAMA DE MAESTRIA EN METALURGIA Y CIENCIAS DE LOS MATERIALES
IIMM
Foro de Ingeniería e Investigación en Materiales
1

2. INTRODUCCIÓN
Las aleaciones de aluminio son ampliamente utilizadas para la fabricación de
componentes por fundición, gracias a su excelente relación peso-resistencia, bajo
punto de fusión y buena fluidez.
2

3. INTRODUCCIÓN
Sin embargo, existen ciertas dificultades en cuanto a su fabricación por medio de
fundición.
3

4. INTRODUCCIÓN
El fenómeno de arrastre de aire durante el vaciado de un líquido ha sido ampliamente
estudiado para el caso del agua como fluido de estudio.
[2]
[2]Sene K J. Air entrainment by plunging jets. Chemical
Engineering Science. 43(10), 2615-2623, 1988.
4
𝑽𝒂
𝑽𝒘
= 0.003𝑭𝒓2 𝑭𝒓 = 𝒗 √ 𝒈𝒅𝒋

5. INTRODUCCIÓN
Recientemente se ha demostrado que durante el proceso de vaciado de metal liquido se
da lugar al fenómeno de arrastre de aire debido a la energía cinética y turbulencia del
chorro de metal líquido [1].
boquilla
Boquill
a
[1]Archer L, Guerra F V, Beckermann C.
Measurement of Air Entrainment During Pouring
of an Aluminum Alloy. 31-43, 2019.
5

6. INTRODUCCION
Se ha demostrado que la interacción del metal líquido con el oxígeno da lugar a la
formación inclusiones y películas dobles de óxido (bifilms) mediante diferentes
mecanismos [3], como son:
Por inmersión del material
durante la fundición
Por turbulencia superficial
Por el paso de aire o
gases a través del
metal fundido
Arrastre
Por flujo laminar
[3]Campbell J. Castings, in Castings (Second
Edition), Campbell J, Editor. 2003, Butterworth-
Heinemann: Oxford. p. vii-viii.
6

7. INTRODUCCIÓN
Aun cuando la viscosidad cinemática del agua es muy similar a la de la mayoría de metales líquidos,
existen diferencias notables en cuanto al valor de la tensión superficial, además de que el metal
líquido puede reaccionar con el aire para formar películas de óxido e inclusiones las cuales
necesariamente pueden alterar el fenómeno de arrastre.
Debido a estas diferencias y al efecto de la temperatura, los valores obtenidos de los modelos
empleando agua como fluido solo pueden ser utilizados como referencia y para realizar
comparaciones de forma cualitativa. 7

8. INTRODUCCIÓN
Se han realizado esfuerzos para tratar de cuantificar la cantidad de defectos producidos debido al
fenómeno de arrastre, una de las técnicas mas ampliamente utilizadas es el ensayo de presión
reducida (RPT).
Campbell y colaboradores establecen que existe una relación entre la cantidad de aire arrastrado
con el volumen y la distribución de huecos observados en el ensayo de presión reducida. Sin
embargo, no se puede asegurar que estos poros sean únicamente debidos a películas dobles ya que
como ellos mismos mencionan, no es posible separar por completo el efecto del hidrógeno ante la
presencia de nitrógeno y oxígeno.
Hidrógeno
8

9. METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN
1. Diseño y fabricación del sistema experimental para su validación utilizando agua como
fluido.
9
Bolsa de Aire
Celdas de Carga
Cuchara de Vaciado
Válvulas de paso
Jeringa de Calibración
Flujo metro

10. METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN
2. Medición de la cantidad de gas arrastrado mediante experimentos con agua y
simulaciones.
10

11. 1
1
Ambiente
MECANISMO PARA LA MEDICIÓN DE AIRE ARRASTRADO

12. 12
Bolsa
MECANISMO PARA LA MEDICIÓN DE AIRE ARRASTRADO

13. 13
Bolsa
MECANISMO PARA LA MEDICIÓN DE AIRE ARRASTRADO

14. 14
Ambiente
MECANISMO PARA LA MEDICIÓN DE AIRE ARRASTRADO

15. METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN
3. Construcción del sistema para el vaciado en metal líquido.
15
Refractari
o
Barra de
Grafito
Celdas de
Carga
Termopar
Termopar
Válvulas de paso
Molde de
arena

16. METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN
4. Ensayo a presión reducida.
Bomba de
Vacío
Manómetro
Muestra
Metálica
16
Manómet
ro
Bomba de
Vacío
Copa y Vasija
para la muestra
Horno de
Antorcha

17. METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN
5. Experimentación y medición con metal líquido.
(a) 17
(b)

18. METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN
6. Seccionamiento de lingotes y preparación metalográfica.
18
(a)Corte de la
fundición
(b)Corte de la muestra del
ensayo de presión
reducida

19. METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN
9. Cuantificación de la porosidad.
La porosidad fue cuantificada mediante análisis de imágenes con el software SigmaScan Pro con
lo cual se determinó la fracción de volumen de los defectos y su distribución en la pieza.
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(a)
Fundición
(b) Análisis de la porosidad

20. METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN
9. Simulación del vaciado y proceso de arrastre de aire.
Se realizo la simulación con el software ProCast en el cual se registraron todos los datos del
proceso, para así tener una verificación de resultados congruente con lo realizado
experimentalmente.
20

21. METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN
10. Análisis de los valores obtenidos.
21

22. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
22
VALIDACION DEL SISTEMA
En la Figura (a) , se muestra una gráfica de los valores de la relación Va/Vw para
las 3 diferentes condiciones utilizadas para la validación del sistema.
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0 20 40 60 80 100
Va/Vw
Altura
Va/Vw para diferentes alturas de la columna del
líquido.
Calculado
Experimental
Figura (a). Grafica de arrastre de aire calculado y
experimental

23. RESULTADOS Y DISCUSION
Tabla 1. Volumen de Aire (Va) / Volumen de Agua (Vw), calculados y medidos
experimentalmente.
Altura
Relación
Va/Vw
Relación
Va/Vw
Desviación
estándar
Inicial (cm) Calculado Experimental Relación (ml)
45 0.17 0.15±0.010 0.010 (20.2)
65 0.29 0.28±0.008 0.008 (15.3)
95 0.50 0.50±0.008 0.008 (15.3)
Como se puede observar, existe una buena correlación (R=0.99995552) entre los resultados calculados
y los obtenidos de las mediciones.
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24. RELACIÓN DE VOLUMEN
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Relación de Vg/Vv
Medio Altura mayor Altura media Altura menor
Agua 0.50 0.28 0.15
Al (aire) 0.27 0.17 0.10
Al(argò
n) 0.21 0.13 0.07
Tabla 2. Volumen de gas (Vg) / Volumen vaciado (Vv), medidos
experimentalmente.

25. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Simulación del proceso de vaciado.
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Altura mayor
Altura
intermedia Altura menor
0.489 g 0.322 g 0.196 g
407.69 ml 268.66 ml 164.11 ml
a) Medición del enteramiento de aire

26. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Velocidad critica.
26
a) Velocidades alcanzadas durante el vaciado

27. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Experimentos con aluminio líquido para las diferentes alturas con atmósferas de
aire y argón
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Grafica 1. Comparación de arrastre de aire bajo las diferentes
condiciones de vaciado
Altura mayor Altura intermedia Altura menor
Aire Argón Aire Argón Aire Argón
405.4 ml 324.32 ml 263.51 ml 202.7 ml
162.16
ml
113.512
ml
Tabla 2. Comparación de arrastre de volumen de gas
arrastrado en atmosferas de aire y argón.

28. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Cuantificación y análisis de los defectos en las fundiciones ocasionados debido al
arrastre de gas
28
Tabla 4. Porcentaje de porosidad para las diferentes alturas y atmósferas de gas.
b) Argón mayor altura
a)Aire mayor
altura

29. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
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Cuantificación y análisis de los defectos en los ensayos de presión reducida
ocasionados debido al arrastre de gas
Tabla 5. Porcentaje de porosidad y diferencia en los ensayos de presión
reducida.
a) Aire b)
Argón
a) Aire b)
Argón
Ensayo de presión reducida mayor altura
Ensayo de presión reducida menor altura

30. CONCLUSIONES
30
 El sistema desarrollado en el presente estudio para el caso del agua demostró una alta concordancia con los valores
obtenidos mediante correlaciones reportadas en la literatura lo que demostró la efectividad del sistema para la
medición del arrastre de gas.
 A partir de las mediciones y observaciones realizadas durante el experimento a menor altura con atmósfera de argón
de determinó que la velocidad crítica para el fenómeno de arrastre corresponde a 2.99m/s.
 Para los experimentos realizados en una atmosfera de aire la cuantificación del porcentaje de porosidad en los
lingotes obtenidos de cada colada demostró el efecto negativo que tiene la velocidad de vaciado en la macroestructura
del material donde a una mayor velocidad de vaciado, produce un mayor arrastre de gas incrementando la porosidad.
 Para el caso de una atmosfera de argón se concluyó que existe una disminución en el porcentaje de porosidad con el
incremento en altura, lo cual se debe a que el arrastre de este gas promueve la desgasificación del líquido durante el
vaciado, por lo tanto, a mayor volumen de arrastre de argón, se produce una reducción del porcentaje de porosidad.

31. GRACIAS POR SU ATENCION.
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