La física de la compactación: un análisis exhaustivo de la compactibilidad por compresión en línea como variable clave en el control del proceso de arena verde

La mecánica reológica y granular de la arena verde

El sistema arcilla-agua: de la hidratación plaquetaria a la unión cohesiva

El comportamiento mecánico de la arena verde se rige fundamentalmente por las interacciones microscópicas dentro del sistema aglutinante arcilla-agua. La resistencia cohesiva de la mezcla de arena se origina en la estructura única de la arcilla bentonítica, compuesta por plaquetas de aluminosilicato estratificadas. Cuando se introduce agua durante el proceso de trituración, sus moléculas polares se adsorben en los espacios entre paquetes de estas plaquetas, provocando su considerable hinchamiento.¹ Este proceso de hidratación crea "puentes arcilla-agua" viscosos y cohesivos que recubren los granos de arena de sílice y los unen durante la compactación.

El proceso de amasado es el aporte energético crítico necesario para activar este mecanismo de unión. Aplica fuerzas de compresión y cizallamiento a la masa de arena, lo cual cumple dos funciones: descompone los aglomerados de arcilla, exponiendo nuevas superficies de plaquetas para su hidratación, y garantiza que la tenaz "masilla" de arcilla y agua resultante se extienda uniformemente sobre los granos de arena.³ La eficiencia de este proceso determina la calidad de la unión. Dentro de este sistema, el agua existe en dos estados principales: "agua de temple", que es adsorbida por las plaquetas de arcilla y se integra estructuralmente en ellas, y "agua libre", que actúa más como lubricante entre los granos recubiertos.⁴ Solo el agua de temple contribuye directamente a la resistencia cohesiva del molde; el exceso de agua libre sirve principalmente para generar grandes volúmenes de vapor al entrar en contacto con el metal fundido, una de las principales causas de los defectos de fundición relacionados con los gases.⁶

Para cuantificar el estado del aglutinante, los técnicos de fundición utilizan propiedades derivadas como la "Adherencia Disponible" y la "Adherencia de Trabajo". La Adherencia Disponible, calculada a partir de la Resistencia a la Compresión en Verde (GCS) y el contenido de humedad, indica la capacidad total de adhesión potencial de la arcilla en el sistema. Por el contrario, la Adherencia de Trabajo, derivada de la GCS y la compactabilidad, refleja la cantidad de arcilla que produce efectivamente la resistencia de adhesión en las condiciones de moldeo actuales. Una discrepancia importante entre estos dos valores puede indicar un molido ineficiente o problemas con la relación arcilla-agua. 8

Influencia del tipo de bentonita: un análisis comparativo de bentonitas de sodio y calcio

La elección del tipo de bentonita influye significativamente en las propiedades finales del molde de arena verde, ya que las bentonitas sódica y cálcica presentan comportamientos claramente diferentes. La bentonita sódica (occidental) se caracteriza por su excepcional estabilidad térmica, lo que se traduce en una resistencia superior a la compresión en caliente y a la tracción en húmedo. Esto la convierte en el aglutinante preferido para aleaciones ferrosas de alta temperatura, como el acero y el hierro dúctil, donde es fundamental prevenir defectos térmicos como la erosión de la arena, las inclusiones y las costras de expansión.³ Por el contrario, la bentonita cálcica (sur) es conocida por su capacidad para desarrollar rápidamente propiedades en verde, logrando una mayor resistencia a la compresión en verde con niveles de humedad más bajos. También ofrece mejor fluidez y menor deformación, lo que la hace ventajosa para producir moldes con detalles intrincados, cavidades profundas o para aplicaciones no ferrosas a baja temperatura.³ Las diferencias cuantitativas se resumen en la Tabla 1.

Tabla 1: Propiedades comparativas de los sistemas de bentonita de sodio y calcio

Propiedad	100% bentonita sódica	100% bentonita de calcio	Mezcla 50/50
Resistencia a la compresión verde	11,8 psi	14,3 psi	12,6 psi
Deformación verde	1,3%	0,95%	1,1%
Resistencia a la tracción en húmedo	0,466 N/cm2	0,071 N/cm2	0,346 N/cm2
Resistencia a la compresión en caliente (1800 °F)	575 psi	110 psi	320 psi
Estabilidad térmica	Muy bien	Pobre	Bien
Fluidez	Menos bueno	Bien	Moderado

Datos sintetizados a partir de fuentes. 3 Todos los valores son para sistemas con compactabilidad equivalente.

Estos datos ilustran la compensación fundamental: la bentonita de calcio proporciona propiedades superiores "tal como está moldeada" (GCS, fluidez), mientras que la bentonita de sodio proporciona la durabilidad térmica necesaria para soportar los rigores del vertido de hierro y acero.

El papel de la granulometría: cómo el número de finura de grano (GFN) de AFS determina las propiedades de referencia

Si bien el sistema aglutinante crea cohesión, la arena base determina las características fundamentales del molde. El Índice de Finura de Grano de la Sociedad Americana de Fundición (AFS-GFN) es un promedio ponderado que cuantifica la distribución del tamaño de partícula de la arena.¹² Más importante aún, el GFN sirve como indicador directo de la superficie total de la arena en el sistema.³ Esta relación es fundamental; un GFN más alto indica arena más fina, lo que corresponde a una superficie total significativamente mayor por unidad de peso. Esta mayor superficie exige un mayor volumen de aglutinante arcilla-agua para lograr el mismo espesor de recubrimiento en cada grano y, por lo tanto, requiere mayores adiciones de humedad y arcilla para alcanzar la compactibilidad deseada.³

La selección de un GFN apropiado implica un equilibrio de ingeniería crítico:

• Alto GFN (Arena Fina): Los espacios intersticiales más pequeños entre los granos producen una superficie del molde más lisa, lo que resulta en un acabado superior de la superficie de la pieza fundida. Sin embargo, estas mismas vías pequeñas y tortuosas conducen a una permeabilidad inherentemente baja, lo que aumenta el riesgo de defectos relacionados con los gases, ya que el vapor y los gases aglutinantes en desarrollo no pueden escapar fácilmente. 14

• Bajo GFN (Arena Gruesa): Los grandes huecos bien conectados entre los granos proporcionan una excelente permeabilidad, permitiendo que los gases fluyan libremente. Esta ventaja se produce a costa de un acabado superficial de la fundición más rugoso y una mayor susceptibilidad a la penetración de metal, donde la presión metalostática fuerza el metal líquido a penetrar en los huecos entre los granos de arena. 11

Por lo tanto, la estabilidad del GFN es un requisito previo para la estabilidad de todo el sistema de arena verde. Cambios incontrolados, como un cambio en el suministro de arena nueva o la acumulación de finos degradados térmicamente, alterarán el área superficial del sistema. Este cambio alterará la relación establecida entre las adiciones de agua y la compactibilidad, dificultando enormemente el control del proceso. El GFN debe considerarse la variable composicional clave que establece las bases para todo el control posterior de las propiedades físicas.

Además, las propiedades de una mezcla de arena no son estáticas tras la descarga del molino. Incluso en un contenedor sellado sin pérdida de humedad, la compactibilidad puede disminuir con el tiempo.¹ Esto se debe a que el proceso de trituración puede no lograr la hidratación completa de todas las plaquetas de arcilla. Posteriormente, durante el transporte y el almacenamiento, el agua "libre" menos unida continúa absorbiéndose lentamente en el interior de las plaquetas de arcilla. Esta migración transforma el agua de lubricante a aglutinante, lo que hace que la mezcla de arena sea más rígida y menos plástica. Este comportamiento, dependiente del tiempo, subraya la necesidad de analizar la arena en el punto de uso (la máquina de moldeo) para capturar su verdadero estado en el momento de la compactación.

Paradigmas de medición: desde muestras estandarizadas hasta análisis del estado del proceso

El método AFS 3-Ram: principios, procedimientos y limitaciones interpretativas

El estándar tradicional para las pruebas de arena verde es el método AFS de 3 pistones, un procedimiento que data de la década de 1920 y fue diseñado para reemplazar las evaluaciones subjetivas de "sensación manual" con una métrica cuantificable.¹⁷ El procedimiento consiste en cribar una masa suelta de arena en un tubo de muestra estándar de 5 cm de diámetro, eliminar el exceso para crear un volumen inicial fijo y aplicar una entrada de energía fija dejando caer un peso de 6 kg desde una altura de 5 cm tres veces consecutivas.⁷ La disminución porcentual de altura resultante se define como compactabilidad.

Históricamente, la principal utilidad de este método en el flujo de trabajo de laboratorio ha sido la creación de una muestra cilíndrica estandarizada de 5 x 5 cm para ensayos posteriores, como la resistencia a la compresión en verde y la permeabilidad. Para lograr esta geometría fija, el operador debe variar el peso inicial de la arena en el tubo hasta que el procedimiento de 3 pistones produzca una muestra con la altura objetivo precisa. 7 Si bien es invaluable para la evaluación comparativa de las propiedades del material, este enfoque presenta una limitación fundamental: responde a la pregunta: "¿Cuánta arena se requiere para crear una muestra de densidad estándar?". Sin embargo, no responde a la pregunta más práctica de fabricación: "¿Qué densidad alcanzará mi máquina de moldeo con esta arena?".

El método de compresión en línea: replicación de la máquina de moldeo para obtener una visión real del proceso

El método de compresión en línea representa un cambio de paradigma tanto en la técnica de medición como en la filosofía de control. En lugar del impacto, este método utiliza un cilindro neumático calibrado para aplicar una presión de compresión controlada a una masa fija de arena dentro de una cámara de prueba. ¹⁷ Esta acción simula directamente el proceso de compactación de las máquinas modernas de moldeo de alta densidad y por sacudidas. ¹⁹

La diferencia crucial radica en que se permite que la altura final de la muestra varíe, y esta variación se convierte en el resultado principal del ensayo. La compactabilidad se calcula mediante la fórmula:

C(%)=(HinicialHinicial−Hfinal)×100

Este método mide directamente cómo una cantidad fija de arena responde a una entrada de energía fija, que es precisamente lo que ocurre dentro del matraz en una línea de moldeo de producción.7 Al implementar estos sistemas en línea, directamente en el punto de uso, las fundiciones pueden obtener datos en tiempo real que reflejan la condición real de la arena, teniendo en cuenta cualquier cambio como la pérdida de humedad o la hidratación continua de la arcilla que pueda haber ocurrido durante el transporte desde el molino.13 La Tabla 2 proporciona rangos de propiedades objetivo típicos para un sistema de moldeo de hierro de alta densidad controlado con esta metodología.

Tabla 2: Rangos objetivo de propiedades de arena verde para moldeo de hierro de alta densidad

Parámetro	Valor objetivo típico	Rango permitido
Compactabilidad	40%	± 2%
Humedad	3,2%	± 0,1%
Resistencia a la compresión verde	31-36 psi (214-248 kN/m2)	-
Permeabilidad	> 100	-
Arcilla activa (MB)	> 8%	-
Arcilla AFS	11-14%	-
Pérdida por ignición (LOI)	3,5-7,5%	-

Datos sintetizados a partir de fuentes. 4

Esta división filosófica entre ambos métodos es crucial. El método tradicional de laboratorio consiste en un sistema de geometría fija donde se elimina la variación de densidad para producir una pieza de prueba estándar. El método de compresión en línea es un sistema de energía fija que considera la variación de densidad resultante como la señal más importante. No se trata simplemente de una versión más rápida y automatizada de la prueba de laboratorio; es una simulación física más precisa del propio proceso de fabricación, que ofrece una perspectiva directa del estado futuro del molde.

Correlación de datos: uniendo mediciones de laboratorio y sistemas en línea

A pesar de sus diferencias filosóficas, los estudios realizados por la AFS han demostrado una fuerte correlación estadística entre los resultados de los métodos de compresión de 3 pistones y los de compresión neumática.¹⁷ Normalmente, para la misma muestra de arena, la compresión neumática arrojará una lectura de compactabilidad ligeramente superior. Esta fuerte correlación permite a las fundiciones migrar del control tradicional de laboratorio a sistemas en línea modernos, estableciendo nuevos rangos objetivo equivalentes, lo que garantiza la relevancia de los datos históricos del proceso.

Además, el uso de ambos sistemas puede ser una potente herramienta de diagnóstico. Al comparar la lectura del comprobador automático en el molino con una prueba manual realizada en la arena extraída de la tolva de la máquina de moldeo, una fundición puede cuantificar con precisión el grado de cambio en las propiedades, como el secado o la hidratación continua, que se produce durante el transporte.¹³ Estos datos pueden orientar los ajustes a los objetivos del molino o detectar ineficiencias en el sistema de transporte de arena.

Densidad aparente: la variable maestra unificadora del molde compactado

El vínculo directo: cómo la compactibilidad cuantifica la densidad aparente alcanzable

El valor principal de la medición de la compactabilidad por compresión en línea reside en su relación directa e inequívoca con la densidad aparente final (ρb) de la arena compactada. Para una masa inicial fija de arena (m) colocada en una cámara de prueba cilíndrica de radio fijo (r), la densidad aparente depende únicamente de la altura final compactada (Hf):

ρb=Vfinalm=πr2Hfm

Dado que la compactabilidad también es una función directa de Hf, sirve como un indicador preciso y en tiempo real de la densidad aparente que alcanzará la arena bajo una fuerza de moldeo estándar.17 Un valor de compactabilidad más alto corresponde directamente a un valor de compactabilidad más bajo.

Hf y, por lo tanto, una mayor densidad aparente. Esta densidad es la variable física fundamental que determina todas las demás propiedades mecánicas y térmicas críticas del molde terminado.

El efecto de la densidad en la medición de la humedad eléctrica: desenmascarando una fuente común de error de control

Los sensores de humedad automatizados en línea suelen funcionar midiendo la conductividad o capacitancia eléctrica de la muestra de arena compactada. La corriente eléctrica fluye principalmente a través de las películas continuas de agua de temple que recubren los granos de arena y las plaquetas de arcilla. 5 La eficiencia de esta conducción depende en gran medida de la proximidad de las partículas conductoras.

A medida que aumenta la compactabilidad, la densidad aparente resultante se eleva, lo que obliga a los granos de arena a acercarse. Esta densificación crea vías conductoras más numerosas, cortas y estrechas. Como consecuencia, para dos muestras de arena con idéntico contenido gravimétrico de agua, la muestra compactada a mayor densidad presentará una lectura de humedad aparente más alta . Investigaciones publicadas sobre fundición confirman que un aumento de la densidad aparente de tan solo 0,1 g/cm³ puede provocar un aumento de la lectura de humedad eléctrica entre el 0,1 % y el 0,2 %.

Este fenómeno puede crear un bucle de retroalimentación perjudicial en los sistemas de control automatizados. Si un evento transitorio provoca un aumento de la compactabilidad, la muestra más densa presentará una humedad aparente más alta. Un sistema de control programado para mantener un punto de ajuste de humedad fijo interpretará esto como que la arena está "demasiado húmeda" y reducirá la adición de agua en el lote siguiente. Este nuevo lote estará entonces mucho más seco, lo que conlleva una baja compactabilidad y un riesgo de defectos de friabilidad y erosión, lo que provoca oscilaciones fuera de control del sistema. Esto demuestra que controlar un sistema de arena basándose únicamente en la lectura eléctrica de humedad es fundamentalmente defectuoso; el objetivo principal del control debe ser la compactabilidad.

La física de la permeabilidad: una función inversa y no lineal del volumen de vacío intergranular

La permeabilidad es la propiedad que permite que los gases generados durante el vertido (vapor de la humedad y gases de pirólisis de los aglutinantes) escapen a través del molde. Es una medida de la interconexión y el volumen de los espacios vacíos entre los granos de arena, y su valor se rige por la Ley de Darcy. 7

El efecto de la densidad aparente sobre la permeabilidad es directo y severo. A medida que una mayor compactabilidad conlleva una mayor densidad aparente, los granos de arena se compactan más, lo que reduce drásticamente el volumen total de los huecos y constriñe los canales que los conectan. Esta relación es inversa y altamente no lineal. Los datos de AFS y la literatura sobre fundición muestran consistentemente que, si bien un cambio en la compactabilidad del 35 % al 40 % puede reducir solo modestamente la permeabilidad, un aumento adicional del 45 % al 50 % puede causar una caída abrupta, potencialmente empujando la arena hacia un "precipicio de permeabilidad". 18 Para una arena típica de un sistema de hierro, este cambio puede reducir la permeabilidad de un valor seguro de 140 a un valor críticamente bajo de 100, creando una alta probabilidad de defectos por gas atrapado.

La mecánica de la resistencia verde: ganancias exponenciales mediante el contacto entre partículas

La Resistencia a la Compresión Verde (GCS) de un molde de arena es la tensión de compresión máxima que puede soportar antes de fracturarse. Esta resistencia se deriva de las fuerzas cohesivas acumuladas de los millones de puentes arcilla-agua que actúan en los puntos de contacto entre los granos de arena adyacentes. 7

La influencia de la densidad aparente en la GCS es profunda y exponencial. A medida que aumenta la densidad, el número de puntos de contacto grano a grano por unidad de volumen aumenta drásticamente. Esto crea una estructura entrelazada mucho más robusta, capaz de resistir cargas más elevadas. En consecuencia, la GCS está fuerte y directamente correlacionada con la densidad aparente. 27 Una mezcla de arena que parece débil puede simplemente estar en un estado de baja densidad. Por ejemplo, la misma composición de arena podría presentar una GCS de

120 kN/m² (aprox. 17 psi) con una compactibilidad del 35 %, pero al compactarse al 45 %, su resistencia podría alcanzar los 170 kN/m² (aprox. 25 psi) sin modificar su fórmula. Esto demuestra que la resistencia no depende únicamente de la composición, sino del estado compactado, que se mide mejor mediante la compactabilidad.

Un marco para la predicción y mitigación de defectos

Al comprender que la compactabilidad es una medida directa de la densidad final del molde y que la densidad regula todas las demás propiedades, se puede establecer un marco sólido para predecir y prevenir defectos de fundición. Este marco va más allá de la simple reacción ante los defectos y permite el control proactivo del estado físico del molde. La aplicación más práctica de este conocimiento es un marco de diagnóstico, como se detalla en la Tabla 3.

Tabla 3: Marco integral de análisis de defectos de fundición

Nombre del defecto	Apariencia visual	Condición causal primaria de la arena	Indicador clave de compactabilidad	Indicadores de parámetros secundarios de arena	Mecanismo de formación	Acción correctiva recomendada
Golpes / Agujeros	Cavidades de paredes lisas, esféricas u ovaladas, a menudo subterráneas, reveladas después del mecanizado. 29	Baja permeabilidad al moho	Alto (>48-50%)	Alta humedad aparente, baja permeabilidad (<100)	El vapor desprendido y los gases aglutinantes quedan atrapados en la densa estructura del molde. La presión del gas supera la presión metalostática, lo que forma burbujas en el metal líquido. 6	Reducir el objetivo de compactibilidad para aumentar la permeabilidad. Verificar la adición de agua del molino. Verificar el exceso de finos o combustibles (LOI). 18
Erosión de arena / Inclusiones	Granos de arena de forma irregular incrustados en la superficie de fundición o en el interior. 15	Baja resistencia del molde / Alta friabilidad	Bajo (<35-38%)	GCS bajo, friabilidad alta (>11%)	La superficie del molde, débil y de baja densidad, no resiste la fuerza erosiva del metal que fluye. Las partículas de arena se arrastran y quedan atrapadas en la pieza fundida. 6	Aumente el objetivo de compactibilidad para mejorar la densidad y la resistencia del molde. Verifique el contenido de arcilla (prueba de azul de metileno) y la eficiencia del triturado. 15
Penetración de metales	Superficie de fundición rugosa con granos de arena incrustados en una matriz metálica. 32	Alta permeabilidad al moho / Baja densidad	Bajo (<35-38%)	GCS bajo, dureza de molde baja	Los grandes huecos entre los granos de arena poco compactados permiten que el metal líquido sea forzado a entrar en la pared del molde por la presión metalostática. 18	Aumente el objetivo de compactibilidad para crear una cara de molde más densa. Considere usar una arena base más fina (mayor GFN) o un revestimiento de molde. 32
Movimiento de la pared de oleaje/moho	La pieza fundida es de gran tamaño, dimensionalmente inexacta y puede mostrar signos de "contracción falsa". 18	Baja resistencia del molde	Bajo (<35-38%)	GCS bajo, dureza de molde baja	La pared del molde, débil y de baja densidad, no puede resistir la presión metalostática del cabezal de metal líquido, lo que provoca que la cavidad del molde se expanda. 6	Aumente significativamente el objetivo de compactibilidad para aumentar la densidad y la rigidez del molde. Asegúrese de que el soporte y la sujeción del molde sean adecuados. 18
Costra de expansión	Una fina capa metálica separada del cuerpo de la pieza fundida por una capa de arena. 18	Baja resistencia en caliente / Mala estabilidad térmica	Cualquiera (a menudo dentro del rango pero con un aglutinante deficiente)	Baja resistencia a la tracción en húmedo	En la interfaz entre el molde y el metal, una capa de arena se expande rápidamente. Si la zona de condensación posterior tiene poca resistencia, esta capa puede deformarse y desprenderse, permitiendo que el metal fluya tras ella. 3	Asegúrese de que el contenido de bentonita sódica sea adecuado para una alta concentración de agua. Verifique los niveles de aditivos de carbón marino/carbonáceos. Evite la compactibilidad excesiva. 18

El régimen de alta compactibilidad/alta densidad: predicción y prevención de defectos relacionados con el gas

Cuando los probadores en línea indican una compactibilidad constantemente alta (p. ej., 42-45%), el molde resultante será duro, denso y resistente, pero, críticamente, tendrá baja permeabilidad. A medida que el metal fundido llena la cavidad, el intenso calor vaporiza instantáneamente la humedad de la arena, creando una enorme expansión de volumen a medida que el agua se convierte en vapor. Simultáneamente, cualquier aditivo carbonoso y aglutinante orgánico se piroliza, generando gases adicionales. 25 En un molde de baja permeabilidad, estos gases no pueden escapar a través de la arena. La presión interna del gas aumenta hasta superar la presión metalostática local del metal líquido, lo que provoca la formación de burbujas en la pieza fundida. Estas burbujas atrapadas se manifiestan como defectos como

golpes , poros y porosidad de gas . 6 Un estudio de caso de una fundición de hierro dúctil demostró este vínculo claramente: una deriva de proceso que causó una caída en la permeabilidad condujo a un aumento del 40% en los desechos relacionados con el gas, que se resolvió restaurando la permeabilidad a través de correcciones del sistema de arena. 25

El régimen de baja compactibilidad/baja densidad: predicción y prevención de fallos de estabilidad del molde

Por el contrario, una lectura baja de compactabilidad (p. ej., <35-38 %) indica un molde blando, poroso y estructuralmente débil. Si bien este tipo de molde puede tener una excelente permeabilidad, su integridad mecánica es insuficiente para soportar las fuerzas del vertido. La baja densidad implica menos puntos de contacto grano a grano, lo que resulta en una red cohesiva débil. ¹⁵ Este estado conduce a varios modos de fallo distintos:

• Erosión e inclusiones de arena: La energía cinética del flujo de metal arrastra la arena suelta de las paredes y canales del molde. Esta arena desprendida es transportada a la cavidad de fundición, donde queda atrapada en forma de inclusiones. 6

• Penetración de metal: Los grandes huecos interconectados de la estructura de baja densidad proporcionan un camino fácil para que el metal líquido sea forzado dentro de la pared del molde bajo presión metalostática, lo que da como resultado una superficie rugosa con incrustaciones de arena que es costosa de limpiar. 32

• Hinchamiento y movimiento de las paredes del molde: La baja resistencia en verde impide la resistencia a la presión estática ejercida por el metal líquido. Las paredes de la cavidad del molde se deforman y expanden, produciendo piezas fundidas con dimensiones imprecisas y sobrepeso. 6

En este régimen de baja densidad, la lectura de alta permeabilidad es un parámetro engañoso e irrelevante. El molde falla mecánicamente debido a las fuerzas erosivas mucho antes de que la presión del gas se convierta en la principal preocupación. Esto ilustra una jerarquía crítica de propiedades: una resistencia en verde suficiente es un prerrequisito para una fundición sólida. Solo después de lograr la estabilidad mecánica, la permeabilidad se convierte en el siguiente factor limitante.

Interpretación de la ventana de proceso: un análisis cuantitativo de cuatro lotes de arena

El siguiente análisis de cuatro lotes de arena distintos ilustra cómo utilizar la compactabilidad como clave interpretativa principal para predecir los resultados de la fundición. La ventana de proceso objetivo está representada por el lote A.

Lote	Compactabilidad (%)	Densidad aparente (g/cm³)	Humedad (Lectura en línea)	Permeabilidad	Resistencia (GCS, kN/m²)	Análisis y resultado previsto del casting
A	40	1.58	3,3%	145	150	Ventana de Proceso Objetivo. Las propiedades están bien equilibradas. El GCS es suficiente para garantizar la estabilidad dimensional y resistir la erosión, mientras que la permeabilidad es adecuada para evacuar los gases desprendidos. Se esperan buenas piezas fundidas.
B	50	1.68	3,5%	105	190	PELIGRO: Sobrecompactado. La alta resistencia es engañosa. La permeabilidad críticamente baja (105) crea una alta probabilidad de vapor atrapado y gases en el núcleo, lo que provoca poros y explosiones, especialmente en secciones complejas o mal ventiladas.
do	34	1.49	3,1%	180	115	PELIGRO: Subcompactación. El molde presenta deficiencias estructurales. El bajo GCS (115) no resistirá la presión metalostática, lo que provoca penetración del metal, erosión por arena, inclusiones y dilatación de la pieza. La alta permeabilidad es irrelevante debido a fallos mecánicos.
D	45	1.61	3,4%	130	165	Deriva del proceso: Precaución. Este lote es más denso y resistente que el objetivo. Si bien es probable que sea aceptable para fundiciones simples, tiende hacia la zona de riesgo de defectos de gas del lote B. Esto podría ser una alerta temprana de cambios en el contenido de finos o arcilla activa.

El lote D destaca un uso más sutil de los datos de compactabilidad. Si los operadores observan una tendencia constante que indica que se requiere más agua a lo largo del tiempo para mantener la compactabilidad objetivo del 42%, esto sirve como un potente indicador adelantado. Esto implica que la superficie total de la arena está aumentando, probablemente debido a la acumulación de finos o arcilla muerta. Esto permite a los ingenieros investigar y corregir la causa raíz (p. ej., ajustar la recolección de polvo o aumentar la adición de arena) antes de que la deriva compositiva se agrave lo suficiente como para causar defectos.

Temas avanzados en control y caracterización de arena verde

La influencia de los aditivos carbonosos en la estabilidad térmica y la evolución de gases

Más allá del sistema primario arena-arcilla-agua, los aditivos desempeñan un papel crucial. Se añade carbón bituminoso pulverizado (carbón marino) y otros materiales carbonosos a las arenas de fundición de hierro para mejorar el acabado superficial. Al exponerse al calor del metal fundido, estos aditivos se volatilizan, creando un colchón gaseoso de gases reductores en la interfaz molde-metal. Este fenómeno, conocido como formación de "carbono lustroso", impide que el metal líquido humedezca los granos de sílice, lo que previene las reacciones arena-metal y produce una superficie de fundición lisa y limpia. 35

Sin embargo, este beneficio conlleva una consecuencia significativa: estos aditivos son una fuente importante de gas. Investigaciones han demostrado que aumentar el contenido de carbón marino del 1% al 2% puede incrementar el volumen total de gas desprendido en más de un 15%. 33 Este volumen adicional de gas debe ventilarse de forma segura a través de la estructura permeable del molde. Esto crea un equilibrio sistémico: una fundición no puede aumentar el carbón marino para mejorar el acabado sin considerar el impacto en la carga de gas. Para compensar, puede ser necesario reducir el objetivo de compactabilidad para aumentar intencionalmente la permeabilidad, proporcionando así una mayor vía de escape para el gas adicional. Esto demuestra que ninguna variable en un sistema de arena verde puede ajustarse de forma aislada.

Propiedades mecánicas dinámicas: friabilidad, resistencia a la tracción en húmedo y erosión térmica

Si bien GCS es una medida principal de resistencia, otras propiedades dinámicas proporcionan una comprensión más matizada del rendimiento del molde durante las duras condiciones de fundición.

• Friabilidad: Esta prueba mide la fragilidad superficial de la arena compactada, lo que indica su resistencia a la abrasión en los bordes y esquinas del molde. La friabilidad está inversa y sensiblemente relacionada con la compactabilidad; una pequeña disminución de la compactabilidad (secado) puede causar un aumento brusco de la friabilidad, lo que aumenta el riesgo de defectos por inclusión de arena. 10

• Resistencia a la Tracción en Húmedo (RTH): Durante el vertido, la humedad de la arena verde se aleja de la interfaz caliente, formando una zona de condensación justo detrás de la capa de arena seca. La RTH mide la resistencia a la tracción de esta zona crítica. Una RTH alta, característica clave de la bentonita sódica, es esencial para prevenir defectos de expansión como costras y pandeos. 3

• Erosión térmica: esta prueba avanzada mide la resistencia a la abrasión de la superficie a granel de una muestra de arena a temperaturas elevadas, lo que proporciona una simulación más realista de la acción erosiva del metal que fluye que las pruebas a temperatura ambiente como la friabilidad. 10

El futuro del control de arena: perspectivas del modelado computacional (DEM/FEM)

El futuro de la optimización del proceso de arena verde reside en el modelado computacional, que permite realizar pruebas virtuales y perfeccionar los procesos de moldeo. Se emplean dos métodos principales:

• Método de Elementos Discretos (MDE): Este enfoque modela la arena verde como un conjunto de millones de partículas individuales que interactúan. El MDE es ideal para simular el flujo granular de arena durante el llenado de la cavidad de un molde, predecir las variaciones iniciales de densidad y comprender el comportamiento de la arena durante una inyección de arena en procesos de moldeo de alta velocidad. 20

• Método de Elementos Finitos (MEF): Este método trata la arena a granel como un medio continuo con propiedades mecánicas definidas. El MEF se utiliza para simular la fase de compactación o compresión del moldeo, prediciendo la distribución final de la densidad, la tensión y la dureza del molde en función de la geometría del patrón y la presión aplicada. 40

En conjunto, estas herramientas de simulación permiten a los ingenieros de fundición optimizar los diseños de patrones, los diseños de compuertas y los parámetros de las máquinas de moldeo para lograr una compactación uniforme y minimizar el riesgo de defectos relacionados con la densidad antes de que se produzca un solo molde físico.

Conclusión

La transición de las pruebas de arena tradicionales en laboratorio a la medición en línea durante el proceso mediante el método de compresión representa una evolución fundamental en el control de la arena verde. Este cambio se basa en un cambio de filosofía: de crear una muestra estandarizada de geometría fija a simular con precisión la compactación de energía fija de la propia máquina de moldeo. La variabilidad en la densidad final de la muestra, antes considerada ruido experimental, ahora se identifica correctamente como la señal crítica.

Este análisis ha establecido que la compactabilidad, medida mediante el método de compresión en línea, es el indicador más directo y práctico de la densidad aparente final de la arena en el molde. Esta densidad aparente es la variable física fundamental que unifica y determina todas las demás propiedades críticas del molde. La lectura de humedad aparente, la permeabilidad a los gases y la resistencia a la compresión en verde no son variables independientes que deban evaluarse individualmente; son efectos secundarios de la densidad alcanzada durante la compactación.

Al adoptar la compactabilidad como base para la interpretación, las fundiciones pueden evitar los inconvenientes de las estrategias de control ingenuas, como la búsqueda de un punto de ajuste de humedad aparente, y comenzar a controlar el estado físico real del molde. Este enfoque holístico proporciona un marco sólido para predecir proactivamente los resultados de la fundición. Una alta compactabilidad advierte de un riesgo inminente de defectos de gas debido a la baja permeabilidad, mientras que una baja compactabilidad señala el peligro de fallas en la estabilidad del molde, como erosión, penetración y hinchamientos. Al mantener la compactabilidad dentro de una ventana de proceso bien definida, las fundiciones pueden estabilizar sus sistemas de arena, alinear el control del proceso con la realidad metalúrgica y lograr una reducción significativa de los costosos defectos de fundición.