RODRÍGUEZ VÁZQUEZ, Francisco (Parque Tecnológico, Mikeletegi Pasealekua 2, San Sebastian, E-20009, ES)
ONCALA AVILÉS, Jose Luis (Parque Tecnológico, Mikeletegi Pasealekua 2, San Sebastian, E-20009, ES)
CARNICER ALFONSO, Pedro (Parque Tecnológico, Mikeletegi Pasealekua 2, San Sebastian, E-20009, ES)
COBOS JIMENEZ, Luis (Parque Tecnológico, Mikeletegi Pasealekua 2, San Sebastian, E-20009, ES)
RODRÍGUEZ VÁZQUEZ, Francisco (Parque Tecnológico, Mikeletegi Pasealekua 2, San Sebastian, E-20009, ES)
ONCALA AVILÉS, Jose Luis (Parque Tecnológico, Mikeletegi Pasealekua 2, San Sebastian, E-20009, ES)
CARNICER ALFONSO, Pedro (Parque Tecnológico, Mikeletegi Pasealekua 2, San Sebastian, E-20009, ES)
| REIVINDICACIONES 1. Procedimiento de inoculación de una aleación de hierro fundido que comprende establecer un arco de plasma entre la superficie de dicha aleación y un cátodo de una antorcha de plasma de arco transferido dispuesta en un distribuidor de colada situado antes de la línea de moldeo de la aleación, comprendiendo la citada antorcha de plasma de arco transferido un ánodo parcialmente sumergido en la aleación de hierro fundido y estando el cátodo dispuesto sobre la aleación, y comprendiendo el ánodo, o el cátodo, o ambos grafito el cual aporta a la aleación de hierro un aditivo nucleante. 2. Procedimiento según la reivindicación 1 , en el que el cátodo es de grafito. 3. Procedimiento según la reivindicación 1 , en el que el ánodo es de grafito. 4. Procedimiento según la reivindicación 1 , en el cátodo y el ánodo son de grafito. 5. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que el grafito es grafito cristalino sintético. 6. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 , 2, 4 o 5, en el cual el aditivo nucleante se desprende del cátodo y se incorpora a la aleación de hierro fundido por arrastre del gas de plasma generado por el arco de plasma, comprendiendo grafito sintético cristalino la parte del cátodo en contacto con el gas de plasma. 7. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 , 3, 4 o 5, en el cual el aditivo nucleante se desprende del ánodo y se incorpora a la aleación de hierro fundido por contacto del ánodo con la aleación de hierro fundido, comprendiendo grafito sintético cristalino la parte del ánodo en contacto con la aleación de hierro fundido. 8. Procedimiento según la reivindicación 4 o 5, en el cual el ánodo y el cátodo están dispuestos de forma que la radiación del arco de plasma generado en el cátodo actúa sobre la parte no sumergida del ánodo provocando el calentamiento del ánodo. 9. Dispositivo de inoculación de una aleación de hierro fundido que comprende (i) una antorcha de plasma de arco transferido y (ii) un distribuidor de colada situado antes de una línea de moldes, estando dicha antorcha de plasma dispuesta en dicho distribuidor de colada, comprendiendo la citada antorcha de plasma un ánodo parcialmente sumergido en una aleación de hierro fundido contenida en el distribuidor de colada y un cátodo situado sobre la superficie de dicha aleación de hierro fundido, para establecer un arco de plasma entre el cátodo y la superficie de la aleación fundida, comprendiendo el ánodo o el cátodo o ambos grafito. 10. Dispositivo de inoculación según reivindicación 9, en el cual el grafito es grafito cristalino sintético 11. Dispositivo según la reivindicación 9 o 10, que comprende además medios para regular el área de la superficie del ánodo que queda sumergida en la aleación de hierro fundido. 12. Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones 9 a 1 1 , en el que el distribuidor de colada presenta una configuración seleccionada de entre: 1 ) canal o piquera de un horno de colada; 2) una artesa; 3) una cuchara de colada basculante; y 4) una cuchara con trasvase a bandeja de colada. 13. Dispositivo según reivindicación 12, en el que ánodo y cátodo se encuentran en el distribuidor de colada situados en el eje de circulación y dirección de vaciado hacia el molde de la aleación férrea fundida. 14. Dispositivo según la reivindicación 13, en el que el ánodo o el cátodo o ambos se encuentran dentro de una cámara cerrada en atmósfera inerte. 15. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 14, que comprende además medios de regulación de la potencia del arco de plasma. 16. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 15, en el cual la antorcha de plasma es un medio de calentamiento que puede aumentar la temperatura de la aleación de hierro fundido para su ajuste a una temperatura de consigna de colada, con una tolerancia inferior a ± 55C. |
CAMPO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a un nuevo procedimiento de inoculación de una fundición de hierro (gris o nodular) y en especial de un baño de hierro fundido contenido en un dispositivo de colada (artesa, horno o cuchara) dispuesto entre la salida de un horno de fusión y la línea de moldes. La inoculación permite modificar la estructura metalográfica de base, pudiendo afectar tanto a la forma, al tamaño como a la distribución de grafito en la matriz metálica. La presente invención se refiere asimismo a un dispositivo para poner en práctica dicho procedimiento de inoculación.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
La fabricación de piezas de fundición de hierro requiere de la utilización de determinados aditivos denominados inoculantes que son incorporados al baño de hierro fundido durante el proceso de fusión y/o colada para obtener la estructura metalográfica deseada y garantizar la sanidad interna de las piezas.
La inoculación se define como la aportación a un baño metálico en el momento previo a la colada de ciertas aleaciones para producir cambios en la distribución del grafito, mejoras en las características mecánicas y la reducción de la tendencia al blanqueo.
El propósito de la inoculación es la generación de núcleos de germinación sobre los cuales crecen las fases sólidas durante la solidificación.
En ciertos casos, estos gérmenes resultan de la adición de partículas finas de la misma fase a solidificar. Estas partículas no se disuelven completamente, dando lugar al crecimiento de cristales. Así por ejemplo, la adición de carbón grafitico a una fundición de hierro en el momento previo de la colada promueve la nucleación del grafito en el baño metálico y previene el subenfriamiento durante la solidificación. Sin embargo, el carbón utilizado como aditivo debe poseer un alto grado de cristalización para poder generar gérmenes de nucleación que posibiliten la precipitación del carbono en forma grafitica
Este mismo efecto puede obtenerse de partículas de materiales distintos a los de solidificación. El aumento del número de núcleos en el metal fundido favorece que la solidificación eutéctica, y especialmente la precipitación grafitica, puedan producirse con un subenfriamiento mínimo, lo que reduce la tendencia a la formación de carburos eutécticos y favorece la precipitación de grafito. La mayoría de los inoculantes utilizados en la actualidad contienen del 45 al 75% de Si y porcentajes variables de Ca y Al principalmente (las aleaciones de Si puro no son eficaces en la inoculación). Dependiendo de las características de las piezas a fabricar y los procesos de fabricación disponibles, pueden incorporar cantidades variables de otros elementos como Ca, Ba, Mg, Mn y Zr que se utilizan para aumentar la solubilidad y/o la potencia del inoculante.
La inoculación puede realizarse en el interior o en el exterior del molde. El método tradicional de inoculación exterior, y el más común, consiste en añadir inoculante en el chorro de metal procedente de la cuchara de trasvase o tratamiento durante el llenado de la cuchara de colada. Se trata de obtener una mezcla homogénea y una buena dilución del inoculante. Este procedimiento tiene importantes limitaciones que afectan tanto al peso de metal a tratar (no es válido para pequeñas cantidades) como al tiempo útil de colada (el desvanecimiento del efecto inoculante es muy rápido).
En la inoculación exterior al molde se emplean materiales granulados o en forma de hilo que se incorporan al metal fundido de forma diversa y en puntos distintos de la línea de colada.
En la patente GB 2069898 se describe un procedimiento de inoculación por hilo para un horno de colada por presión, donde el material inoculante se incorpora al paso del metal fundido en el canal de salida de la cuba, conduciendo el metal fundido hasta la piquera de colada, en cuyo extremo opuesto se encuentra la buza de vaciado por la que se procede al llenado del molde. Tal como se desprende del diseño presentado, este procedimiento adolece de algunos defectos o limitaciones operativas, derivadas fundamentalmente de la regularidad del flujo de colada. Resulta evidente que una parada en la línea de moldeo provoca la correspondiente parada en la unidad de colada, con el consiguiente desvanecimiento del efecto inoculante y el rápido enfriamiento del metal expuesto en la piquera abierta. Una forma de evitar el problema mencionado consiste en proyectar partículas de inoculante sobre el chorro de colada en el momento justo en que éste entra en el molde. Un procedimiento de inoculación de este tipo se describe en la patente JP 55122652. En este caso, el inconveniente de la operación se traduce en un rendimiento irregular y, por lo general bajo, debido a la pérdida de material que se produce por la propia proyección y por el rebote de parte de las partículas sobre el chorro de metal. Estos métodos de proyección presentan un inconveniente añadido cual es la dificultad de adaptación del caudal de inoculante al caudal del metal debido a que se produce en el momento preciso del llenado. La práctica habitual consiste en establecer un caudal fijo de inoculante acorde al caudal medio de la colada. Teniendo en cuenta que durante el llenado de un molde el caudal puede oscilar entre cientos de gramos y varios kilos por segundo. Durante una operación de llenado de un molde convencional, resulta evidente que se produce una falta de proporcionalidad, es decir, que existirán en el molde partes sobreinoculadas frente a otras infrainoculadas, pudiendo dar lugar a defectos de índole contraria en el mismo molde.
En cuanto a la inoculación con carbón grafitico mencionada anteriormente, se puede destacar que el C tiene en el diagrama Fe-C una saturación en el punto eutéctico (T E = 1 153 5 C) de 4,26 %. Los elementos aleantes aumentan o disminuyen la temperatura de este punto de saturación. En la inoculación con grafito se debe observar con mucha atención la solubilidad. Tan pronto como el carbón grafitico aportado se disuelve, pierde sus propiedades como germinante, lo que implica un rápido decaimiento de su efecto de forma incontrolada en función de la temperatura, composición química y grado de agitación del caldo. Esto hace que la inoculación con grafito sea un método poco utilizado.
Esta inoculación puede resultar indispensable en condiciones extremas de la fundición, tales como fundiciones quemadas, con bajo contenido de 0 2 , que provocan una débil reacción a la germinación con óxidos. En este caso la incorporación del grafito se debe realizar justo antes del llenado del molde, lo que implica una baja temperatura y poco tiempo de espera para la solidificación.
La aparición en el mercado de hornos de colada con inductor y presurizados con nitrógeno supuso una gran mejora en los procesos de fabricación y se tradujo en un inmediato aumento de la productividad. Sin embargo, la calidad y los costes de fabricación no se vieron igualmente beneficiados ya que los nuevos hornos introducían nuevas problemáticas específicas derivadas de su propia concepción y diseño.
Estos hornos permiten mantener el metal disponible para la colada durante más tiempo ya que corrige los dos inconvenientes principales anteriormente citados, es decir, la pérdida de temperatura del metal y el desvanecimiento del magnesio (en fundición nodular). Sin embargo presenta un problema general de operación muy importante: el horno debe mantenerse siempre con metal fundido cubriendo el inductor, por lo que éste debe permanecer siempre en marcha. A los costes derivados del mantenimiento del metal durante periodos no operativos hay que añadir la pérdida de calidad metalúrgica que sufre el metal durante su recirculación a través del inductor. Se ha constatado que los principales parámetros de control de la curva de enfriamiento (temperatura del eutéctico y recalescencia) sufren una progresiva degradación lineal en función de la temperatura del metal y el tiempo de permanencia en la cuba.
Para compensar y corregir este deterioro se utilizan dos técnicas ya mencionadas: en primer lugar se inocula el metal durante el llenado del horno mediante la aportación del material al chorro de la cuchara de transferencia; a continuación, se inocula el metal en el chorro de colada por proyección en el momento en que se llena el molde. La combinación de estas dos técnicas permite un grado aceptable de control sobre la calidad metalúrgica y es, hoy en día, el procedimiento comúnmente utilizado en las fundiciones que disponen de este tipo de horno.
Sin embargo, a la suma de aspectos positivos se contrapone la suma de los aspectos negativos, es decir, el proceso acumula el defecto del desvanecimiento y el de la falta de proporcionalidad y rendimiento del inoculante. A ello hay que añadir el de la generación de escorias producida por la aportación de aleantes sólidos en fase de colada.
Por tanto sigue existiendo la necesidad en el estado de la técnica de proporcionar un nuevo procedimiento de inoculación de una fundición de hierro que supere al menos en parte las desventajas mencionadas.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
Figura 1 : esquema de un distribuidor de colada con una configuración de canal o piquera de un horno de colada en el que a-1 o a-2 indica que el ánodo puede estar aguas arriba o aguas abajo del cátodo; c es el cátodo; S es el cilindro de cierre de la buza de salida de metal al molde (en inglés stopper); f es la fundición de hierro y M el molde.
Figura 2: esquema de un distribuidor de colada con una configuración de artesa en el que a-1 o a-2 indica que el ánodo puede estar aguas arriba o aguas abajo del cátodo.
Figura 3: esquema de un distribuidor de colada con una configuración de cuchara de colada basculante en el que c-1 y c-2 indican dos posibles posiciones del cátodo en la piquera de la cuchara o en la cuba de la cuchara y a-1 y a-2 indican las posibles posiciones del ánodo.
Figura 4: esquema de un distribuidor de colada con una configuración de cuchara con trasvase a bandeja de colada en el que a y c representan la posible posición del ánodo y el cátodo en el distribuidor de colada y c la posición del cátodo en la bandeja de colada.
Figura 5: muestra una curva de enfriamiento estática, indicando la evolución del TeLow y Recalescencia en una aleación de hierro fundido utilizando el procedimiento de inoculación de la invención. Figura 6: muestra una curva de enfriamiento dinámica, indicando la evolución del TeLow y Recalescencia en una aleación de hierro fundido utilizando el procedimiento de inoculación de la invención. DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere en un primer aspecto a un procedimiento para la inoculación de un aditivo a una aleación de hierro fundido que comprende establecer un arco de plasma entre la superficie de dicha aleación y un cátodo de una antorcha de plasma de arco transferido dispuesta en un distribuidor de colada situado antes de la línea de moldes. En el ámbito de la presente invención se entiende por distribuidor de colada un dispositivo de colada dispuesto entre la salida de un horno de fusión y la línea de moldes. Se entiende también que la aleación de hierro fundido contenida en el distribuidor de colada está en movimiento en dirección a la línea de moldes.
La citada antorcha de plasma comprende un ánodo parcialmente sumergido en la aleación de hierro fundido y un cátodo dispuesto sobre la aleación. En una realización particular el cátodo comprende grafito y el ánodo es cualquier ánodo convencional. En otra realización particular el ánodo comprende grafito y el cátodo es cualquier cátodo convencional. En otra realización particular cátodo y ánodo comprenden grafito. El grafito del cátodo, del ánodo o de ambos aporta a la aleación de hierro el aditivo nucleante. En el ámbito de la presente invención dicho aditivo son especies de carbono desprendidas del ánodo, o del cátodo o de ambos, y se entiende por especies de carbono aquellas que comprenden uno o más átomos de carbono cargados con una o más cargas positivas.
En una realización preferente dicho grafito es grafito sintético cristalino.
Cuando las especies de carbono se desprenden del cátodo, se incorporan a la aleación por arrastre del gas de plasma generado por el arco de plasma, comprendiendo la parte del cátodo en contacto con el gas de plasma grafito sintético cristalino.
El cátodo de la antorcha de plasma se dispone sobre la superficie del metal a una altura variable a voluntad, desde el que se genera un arco eléctrico que incide en la superficie de la aleación de hierro fundido. Este cátodo dispone de un orificio central en toda su longitud a través del cual se introduce un gas plasmágeno, preferiblemente un gas inerte ( nitrógeno, argón..). Cuando se aplica una corriente eléctrica y se establece el arco, la temperatura del cátodo se eleva por el doble efecto del paso de corriente y la radiación del propio arco, alcanzando ésta su máximo valor en la punta del electrodo ya que es la zona de contacto del arco. En su núcleo se alcanzan temperaturas superiores a 4.000 5 C, lo que provoca el rápido calentamiento de la punta del electrodo y se inicia el desprendimiento de especies de carbono. Estas especies de carbono son arrastradas por el propio gas de plasma e inyectadas en la aleación de hierro fundido, actuando como un poderoso inoculante que se distribuye de forma homogénea en la masa fundida gracias a la propia acción del plasma y del movimiento de la aleación de hierro fundido en el interior del distribuidor de colada.
La regulación de la aportación de especies de carbono desde el cátodo se realiza mediante el control de la potencia de la antorcha de plasma aplicada y el caudal de gas plasmágeno utilizado en cada momento, actuando ambos de forma directamente proporcional ya que la aportación aumenta en la medida que lo hagan la temperatura del cátodo y la capacidad de arrastre del gas respectivamente. De esta forma pueden obtenerse idénticos resultados mediante el equilibrio del caudal de gas y la potencia aplicada. Si se trabaja con baja potencia es preciso aumentar el caudal de gas para acelerar el efecto de arrastre; por el contrario, con altas potencias, el caudal deberá disminuirse para mantener el mismo volumen de aportación de especies de carbono. Cuando el ánodo comprende grafito el aditivo nucleante se desprende del mismo y se incorpora a la aleación de hierro por contacto del ánodo con la aleación de hierro fundido, comprendiendo la parte del ánodo en contacto con la aleación de hierro fundido grafito, preferiblemente grafito sintético cristalino.
El ánodo es el segundo electrodo de la antorcha de plasma y su principio de aportación de especies de carbono difiere del principio del cátodo por su función y disposición en el conjunto. Dado que el circuito de corriente se cierra a través del ánodo que está sumergido en la aleación de hierro fundido, esto supone dos importantes diferencias respecto al cátodo. En primer lugar no se dispone de arco en la punta del ánodo, y por tanto la temperatura en la zona de contacto del ánodo con la aleación de hierro fundido es sensiblemente más baja que la del cátodo, ya que se refrigera permanentemente con la aleación de hierro fundido que lo circunda. En segundo lugar, el ánodo es macizo y esto supone que la función de arrastre del gas plasmágeno que ocurre en su caso en el cátodo como se ha expuesto arriba, se sustituye por la abrasión y dilución que ejerce la aleación de hierro fundido en su movimiento en el distribuidor de colada.
El poder de inoculación del ánodo se basa fundamentalmente en la capacidad del sistema para incorporar a la aleación de hierro fundido la cantidad justa y necesaria de inoculante requerida en cada momento de la colada. El ánodo puede sumergirse en la aleación a voluntad, sin que por ello se modifique la consigna de potencia ni otras variables eléctricas. El resultado es que puede controlarse el área de ánodo (área de grafito) expuesta a la acción abrasiva de la aleación de hierro fundido de forma discrecional e inmediata.
En el caso de que el ánodo y cátodo comprende grafito el aditivo nucleante se desprende tanto del ánodo como del cátodo a través de los mecanismos mencionados anteriormente para las realizaciones individuales de ánodo de grafito y cátodo de grafito, sumándose así los efectos inoculantes de ambos electrodos (ánodo y cátodo).
Además, el ánodo y el cátodo pueden estar dispuestos de forma que la radiación del arco de plasma generado en el cátodo actúa sobre la parte no sumergida del ánodo provocando el calentamiento del ánodo (por ejemplo, estando alojados el ánodo y cátodo en una misma cámara). En este caso, el volumen de incorporación de especies de grafito se ve además favorecido por la alta temperatura que se alcanza en la parte no sumergida del ánodo y que se transmite por conducción a la parte sumergida en la aleación. Esta temperatura es directamente proporcional a la potencia aplicada en el arco de plasma ya que dicho calentamiento se produce principalmente por la radiación procedente del arco. Por lo tanto, en aquellas disposiciones en las que ánodo y cátodo se encuentren ubicados en una misma cámara, el control del grado de inoculación debe contemplar esta variable por su gran incidencia en la aceleración del proceso.
En su conjunto, las variables que intervienen en la mecánica de la inoculación son el caudal, velocidad y temperatura de la aleación de hierro fundido, por una parte, y la potencia aplicada, el caudal de gas plasmágeno, la distancia entre ánodo y cátodo y la superficie de contacto del ánodo con la aleación de hierro fundido por otra. Evidentemente, el control de la operación se realiza mediante la adaptación de los parámetros de trabajo del sistema de plasma a las necesidades impuestas por la metalurgia y el caudal de metal colado en tiempo real, manteniendo en todo momento el grado de inoculación preciso en el metal dispuesto para su la colada inmediata. Este procedimiento de inoculación permite alcanzar unos niveles de precisión y fiabilidad muy superiores a los estándares existentes en el mercado
El procedimiento de la invención puede en principio llevarse a cabo en cualquier distribuidor de colada convencional. En una realización particular del procedimiento de la presente invención el distribuidor de colada presenta una configuración seleccionada de entre: 1 ) canal o piquera de un horno de colada; 2) una artesa de colada (por ejemplo Tundish); 3) una cuchara de colada basculante; y
4) una cuchara con trasvase a bandeja de colada.
Por lo tanto, una ventaja importante del procedimiento de la invención reside en que permite la gestión unitaria y variable de los electrodos (ánodo y cátodo), y de las condiciones y los parámetros indicados: potencia de la antorcha de plasma, caudal de colada, temperatura de colada y área de superficie de ánodo sumergida, lo cual resulta en un control absoluto de la inoculación. El procedimiento permite disponer de un amplio abanico de posibilidades de aportación de especies de Carbono a la aleación de hierro fundido que circula en dirección de colada, de forma que la calidad metalúrgica final puede adaptarse de forma continua a las exigencias marcadas por la producción y acorde con las pautas de control analítico utilizadas en fundición.
Otra ventaja muy importante se deriva de la posición de la antorcha de plasma de arco transferido en el distribuidor de colada ya que los puntos de aportación del aditivo están próximos a la línea de moldeo, lo que permite obtener un alto rendimiento de nucleación debido a la práctica eliminación del efecto de desvanecimiento. Se ha utilizado el Análisis Térmico Diferencial (ATD) para determinar los efectos del procedimiento de inoculación en una aleación de hierro fundido. El ATD es una herramienta que predice la calidad metalúrgica de las aleaciones en estado líquido y, por tanto, conocer a priori la formación de fases tras la solidificación. Con el ATD es posible evaluar de forma integrada el efecto combinado de todas las variables que influyen en la nucleacion de las fases presentes en la estructura metalográfica del material, junto con la posibilidad de estimar la probabilidad de aparición de defectos de tipo metalúrgico (cementita) y/o de tipo alimentación (rechupe).
Esta técnica se basa en la interpretación de las curvas de enfriamiento de la aleación durante la solidificación. Una curva de enfriamiento es la representación de la evolución de la temperatura en función del tiempo, de una muestra que ha sido colada en un molde normalizado, con un termopar situado en el centro.
Mediante la interpretación matemática de las curvas de enfriamiento, es posible determinar las temperaturas críticas a las que se producen las transformaciones de estructura interna durante la solidificación del metal.
La interpretación de las curvas de enfriamiento y de sus puntos críticos es compleja. Algunos de los parámetros y temperaturas de transformación más importantes son los siguientes: o Temperatura eutéctica inferior (T E i 0 w): Es aquella a la que la pérdida de calor fruto del enfriamiento de la pieza se ve compensada por el calor desprendido en la reacción eutéctica de precipitación del grafito. Esta temperatura constituye en las fundiciones grises una medida del estado de nucleacion del metal. o Recalescencia (R): La recalescencia mide en 5 C la diferencia entre la anteriormente descrita T E i 0 w y la Temperatura eutéctica superior (T Eh ¡ gh ), que es la temperatura que alcanza el material fruto del calor desprendido durante la nucleacion y precipitación del grafito.
Con objeto de obtener piezas sanas, es conveniente tener valores bajos de Recalescencia y una Temperatura eutéctica inferior (T E i 0 w ) lo más alta posible. De este modo se evita la precipitación de grafitos de subenfriamiento o incluso la presencia de cementita y, por otro lado, la expansión grafitica será compensada en la contracción secundaria evitando rechupes y porosidades internas. Pues bien, se ha podido comprobar que con el procedimiento de inoculación de la invención disminuye la recalescencia de la aleación de hierro fundido y aumenta la temperatura eutéctica inferior.
Es también objeto de la invención un dispositivo inoculación de un aditivo nucleante a una aleación de hierro fundido que comprende una antorcha de plasma de arco transferido y un distribuidor de colada en el que la antorcha de plasma está dispuesta en dicho distribuidor de colada situado antes de la línea de moldes, comprendiendo la citada antorcha de plasma un ánodo parcialmente sumergido en una aleación de hierro fundido contenida en el distribuidor de colada y un cátodo situado sobre la superficie de dicha aleación de hierro fundido, para establecer un arco de plasma entre el cátodo y la superficie de la aleación fundida, comprendiendo el ánodo o el cátodo o ambos grafito que aporta a la aleación de hierro fundido dicho aditivo nucleante.
El grafito puede ser grafito sintético cristalino.
El ánodo puede estar provisto de medios para regular el área de la superficie del ánodo que queda sumergida en la aleación de hierro fundido. El poder regular la cantidad de ánodo que se sumerge en la aleación de hierro fundido permite controlar la cantidad de ánodo que se funde y por tanto la cantidad de aditivo nucleante que se inocula a la aleación de hierro fundido desde el ánodo.
Por ejemplo, por una parte, el control de la temperatura de colada se realiza mediante la aplicación regular de potencia dependiendo del rango de temperatura fijado para cada referencia y las temperaturas registradas en el propio distribuidor y/o en el chorro de colada, es decir, en el momento en que el metal es transferido al molde. Mientras, la inoculación por su parte se regula dependiendo de la potencia aplicada en un determinado momento. Así, para el caso en el que el ánodo y el cátodo son de grafito, si la potencia es alta, la profundidad de inmersión del ánodo se reduce de forma proporcional ya que la transferencia de especies de carbono se realiza preferentemente desde el cátodo. Sin embargo, cuando la potencia se reduce, el ánodo se sumerge a una mayor profundidad para ofrecer una mayor superficie de disolución y compensar así la menor cesión de especies de carbono por parte del cátodo.
La antorcha de plasma puede comprender medios de regulación de la potencia del arco de plasma.
El distribuidor de colada puede presentar una configuración seleccionada de entre: 1 ) canal o piquera de un horno de colada. Estos hornos disponen de una cuba central de almacenamiento y una boca de carga para el relleno del metal procedente del horno de fusión. Las cubas son estancas y el metal se desplaza a la piquera de colada por efecto de la presión de un gas que se inyecta a la cuba. Para la presurización de la cuba se utiliza comúnmente nitrógeno por ser un gas inerte que no afecta a la composición del metal, aunque en la fabricación de fundición gris o y maleable se emplea aire ya que no contienen elementos fácilmente oxidables. Cuando el metal ha alcanzado su nivel de trabajo en la piquera, se inicia el calentamiento e inoculación del baño por medio de los electrodos. Su posición en la piquera está condicionada principalmente por las dimensiones de ésta y puede alterarse discrecionalmente sin que ello suponga ninguna merma en sus prestaciones. El metal se vierte al molde a través de la buza de colada montada en el fondo de la piquera y situada sobre el eje de la copa de llenado del molde. El caudal de llenado se regula mediante el stopper o tapón de cierre de la buza. El nivel de metal en la piquera se mantiene constante mediante la regulación de la presión ejercida en el interior de la cuba de almacenamiento y se controla en superficie por electrodos de contacto. En un dispositivo de este tipo, tal y como se representa en la Figura 1 , el ánodo puede encontrarse tanto aguas arriba a-1 o aguas abajo a-2 respeto de la posición de cátodo (C) en la piquera.
2) Artesa de colada. Este dispositivo de colada es una simplificación del horno presurizado y consta básicamente de una cuba abierta en la que se vierte y mantiene el metal fundido durante la colada. El sistema de vaciado se compone de los mismos elementos, es decir, conjunto de buza y stopper y, a diferencia del anterior, el nivel del metal en la artesa no es constante ya que desciende a medida que progresa la colada. Los efectos del calentamiento y la inoculación se transmiten a toda la masa de metal almacenado y, tal como se indica en el esquema, la disposición de los electrodos del sistema de plasma puede ser modificada libremente en función de la geometría de la artesa. También en este caso, el ánodo puede encontrarse aguas arriba a-1 o aguas abajo a-2 respeto de la posición de cátodo (C) en la piquera. ) Cuchara basculante. Este tipo de cucharas se utiliza principalmente en líneas de moldeo horizontal y para pesos de molde medio-alto (superior a 25 Kg) debido a la dificultad que entraña el ajuste de caudales de colada por basculamiento directo a molde. Debido a su especial geometría, las opciones de inoculación por ánodo se limitan a la cuba de almacenamiento mediante un ánodo que desciende junto con el nivel de metal de forma que, en situación de mantenimiento. Se puede optar por una ubicación del ánodo en posición a-1 ó a-2. Sin embargo, el cátodo puede situarse en c-1 ó c-2 dependiendo de las necesidades particulares de la fundición, recomendándose c-1 para el mantenimiento en periodos de espera y c-2 para el control de temperatura en colada.
4) Una cuchara con trasvase a bandeja de colada. Esta es una variante de la cuchara basculante en la que se presenta como opción el trasvase intermedio desde la cuchara nodriza a una bandeja de colada que se sitúa en el eje de la copa de llenado del molde. Este sistema permite el montaje de un sistema doble de plasma en el que se dispone de una primera antorcha de plasma, con los electrodos a-1 y c-1 , instalada en la cuchara de alimentación o nodriza, donde se inocula y mantiene la temperatura del metal. Como equipo complementario, puede incorporar una antorcha de plasma a-2, c-2 de baja potencia para el ajuste de temperatura de colada en la propia bandeja intermedia.
El ánodo y cátodo pueden encontrarse en el distribuidor de colada situados en el eje de circulación y dirección de vaciado hacia el molde de la aleación férrea fundida.
El ánodo o el cátodo o ambos pueden estar dispuestos dentro de una cámara cerrada en atmósfera inerte.
La antorcha de plasma puede actuar como medio de calentamiento que puede aumentar la temperatura de la aleación de hierro fundido para su ajuste a una temperatura de consigna de colada, con una tolerancia inferior a ± 5 5 C.
A continuación se presentan ejemplos ilustrativos de la invención que se exponen para una mejor comprensión de la invención y en ningún caso deben considerarse una limitación del alcance de la misma.
EJEMPLOS
Ejemplo 1 : Etapa de inoculación durante el procedimiento de fabricación de una pieza de fundición gris.
La etapa de inoculación se realizó en forma estática en cuchara de colada basculante (tilting) (Fig 3). El metal utilizado fue fundición gris (600 Kg añadidos a la cuchara). Se utilizó un ánodo de grafito sintético cristalino con un diámetro de 50 mm. El cátodo utilizado fue de grafito sintético perforado de 8 mm. La distancia entre ánodo y cátodo fue de 230 mm. La profundidad de inmersión del ánodo fue de 50 mm.
Se utilizaron electrodos (ánodo y cátodo) UHP (Ultra Hlgh Purity) cuyas características son:
Resistividad eléctrica específica: 6,5 μΩ/metro
Fuerza de torsión: 9.0 Mpa.
Módulo de elasticidad: 12.0 GPa
Cenizas max: 0,3%.
Densidad del grano: 1 ,65 g/cm3.
El tiempo de ensayo fue de 95 min durante el que la temperatura del baño se mantuvo constante a 1430 5 C. La potencia media aplicada fue de 57 Kw.
El contenido de carbono al inicio de la prueba fue de 3,47% y el contenido de carbono al final de la prueba fue 3,48% (ambos % en peso respecto al peso total del caldo). Dicho contenido fue determinado mediante espectrometría de emisión Y LECO. La temperatura del eutéctico (Telow) al inicio de la prueba fue 1 .147 5 C y la temperatura del eutéctico al final de la prueba fue 1 .151 C 5 .
El consumo de ánodo fue de 2,4 gramos/Kw.
El consumo de cátodo fue de 1 ,8 gramos/Kw.
En la Figura 5 se ha representado la curva de enfriamiento de la aleación de hierro fundido, indicando la evolución del TeLow y Recalescencia. Ejemplo 2: Etapa de inoculación durante el procedimiento de fabricación de una pieza de fundición nodular.
La etapa de inoculación se realizó en forma dinámica en canal de colada con inductor (Presspour) (Fig 1 ). El metal utilizado fue fundición nodular, siendo el peso de metal en el canal de 280 Kg y el caudal de colada de 7,2 Ton/hora. La disposición de los electrodos fue con el ánodo aguas arriba del cátodo.
Se utilizó un ánodo de grafito sintético cristalino o con un diámetro de 50 mm. El cátodo utilizado fue de grafito sintético cristalino perforado de 8 mm.
Se utilizaron electrodos (ánodo y cátodo) UHP (Ultra Hlgh Purity) cuyas características son: Resistividad eléctrica específica: 6,5 μΩ/metro
Fuerza de torsión: 9.0 Mpa.
Módulo de elasticidad: 12.0 GPa
Cenizas max: 0,3%.
Densidad del grano: 1 ,65 g/cm3.
La distancia entre ánodo y cátodo fue de 180 mm. La profundidad de inmersión del ánodo fue de 70 mm. El tiempo de ensayo fue de 180 min durante el que la temperatura del baño se mantuvo entre 1390 y 1410 5 C. La potencia media aplicada por el plasma fue de 24 Kw y de 150 Kw en el inductor.
La temperatura del eutéctico (Telow) al inicio de la prueba fue 1 .138 5 C y la temperatura del eutéctico al final de la prueba fue 1 .141 C 5 .
El consumo de ánodo fue de 3,8 gramos/Kw.
El consumo de cátodo fue de 0,4 gramos/Kw.
En la Figura 6 se ha representado la curva de enfriamiento de la aleación de hierro fundido, indicando la evolución del TeLow y Recalescencia.
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