ES2247514T3

ES2247514T3 - Filtro de inoculacion.

Info

Publication number: ES2247514T3
Application number: ES03702609T
Authority: ES
Inventors: Thomas Margaria; Donald B. Craig; Leonard S. Aubrey
Original assignee: Pechiney Electrometallurgie SAS; Porvair PLC
Current assignee: Ferroglobe France SAS; Porvair PLC
Priority date: 2002-01-10
Filing date: 2003-01-08
Publication date: 2006-03-01
Anticipated expiration: 2023-01-08
Also published as: US20030126946A1; AU2003205744A1; WO2003057388A3; DE60301199D1; CN1615191A; AU2003205744A8; EP1463594B1; RU2004124252A; CA2470924A1; KR20040072723A; CN100333858C; ATE301015T1; US6793707B2; BR0306745A; EP1463594A2; DE60301199T2; JP2005514206A; PL370003A1; MXPA04006640A; RU2301836C2

Abstract

Conjunto que comprende un filtro y una pastilla para la inoculación tardía de hierros colados en su filtración final en el que dicha pastilla se obtiene mediante la aglomeración de una aleación de inoculante en polvo y dicho filtro es un material poroso refractario, en el que dicho inoculante en polvo de dicha pastilla comprende una distribución de tamaños de partícula que comprende un 100%, en peso, inferior a 2 mm; de un 30 a un 70%, en peso, comprendido entre 50 y 250 µm, e inferior al 25%, en peso, por debajo de 50 µm y dicho filtro solamente permite el paso a través suyo de partículas inferiores a los 10 µm.

Description

Filtro de inoculación.

Campo técnico

La presente invención se refiere a un procedimiento mejorado para inocular hierro colado en la parte final del procedimiento de fundición y a un inoculante que proporciona una mayor consistencia en la inoculación del hierro que está siendo colado. El nuevo proceso de fundición, haciendo referencia a la inoculación en molde, comprende la filtración y la inoculación combinando las ventajas de ambas técnicas en la fabricación de partes para las que se desea obtener una estructura sin carburos de hierro.

Antecedentes

El hierro colado es un material industrializado extremadamente versátil que comprende aleaciones de carbono-silicio que han sido utilizadas en diversas aplicaciones comerciales, entre ellas la fabricación de componentes mecánicos. La versatilidad del hierro colado ha permitido la utilización de dicho material en varias aplicaciones estructurales en las que tanto la homogeneidad como la consistencia del hierro tendrán un impacto importante en el comportamiento de los componentes. La fundición del hierro homogéneo limpio, específicamente gris o dúctil, constituye una etapa esencial en la producción de coladas industrializadas de alta calidad. Debido a la importancia de dichos factores en la colada resulta imperativo que el hierro, específicamente gris o dúctil, sea colado sistemáticamente con una morfología uniforme, con un nivel mínimo de impurezas y con propiedades que sean reproducibles.

El hierro colado presenta una estructura metalúrgica poco común. La mayoría de metales forman una estructura cristalina metálica única durante su solidificación. El hierro colado, sin embargo, presenta una morfología bastante más compleja durante la solidificación. Las fases cristalinas que se forman durante la solidificación del hierro colado dependen del ritmo de solidificación. La mayoría de las coladas industrializadas requieren la formación de grafito cristalino en el interior de la matriz de hierro durante la solidificación. Si el hierro colado se solidifica demasiado rápidamente, los carburos de hierro primarios pueden cristalizar con la colada. El carburo de hierro primario es una fase frágil y dura que hace que el hierro sea muy difícil de trabajar y cambia las propiedades físicas y mecánicas del hierro colado primario. Habitualmente se hace referencia a los carburos de hierro primarios como "inserción". Generalmente se considera que el carbono contenido como carburos de hierro será perjudicial para la mayoría de hierros colados mientras que el carbono presente como grafito mejora las propiedades físicas y mecánicas del hierro colado. El carbono puede cristalizar tanto como carburo de hierro o grafito durante la solidificación. La formación de cada fase depende del ritmo de solidificación y del grado de germinación del hierro líquido. El ritmo de solidificación viene determinado por la geometría de la colada, por el índice de extracción de calor del material del molde y por la cantidad de sobrecalentamiento del hierro contenido cuando el metal entra en el molde. El grado de germinación viene determinado por el historial metalúrgico del hierro fundido. El carbono presente como grafito es una forma ventajosa y un objetivo de las operaciones de fundición estándar es conseguir que el carbono cristalice como grafito. El grafito puede estar presente en varias formas morfológicas, entre ellas la esférica, como es el caso del hierro dúctil, y la lamelar, como es el caso del hierro gris.

Las prácticas metalúrgicas de fundición estándar comprenden la inoculación en la que se potencia la germinación y el crecimiento del grafito a costa de la formación de carburo de hierro. La germinación preferente incrementa enormemente las propiedades mecánicas y físicas de la colada acabada. La inoculación se realiza habitualmente mediante la adición de un agente inoculante ya sea en el caldero de colada, a la corriente del metal y en el interior del molde. El agente inoculante se añade habitualmente al caldero de colada vertiendo el agente inoculante granulado en el caldero cuando éste se encuentra lleno de hierro líquido, mientras que el inoculante se añade a la corriente del metal inyectando o pulverizando polvo del agente inoculante finamente dividido en la corriente de metal fundido a medida que dicho metal fundido va entrando en el molde. Habitualmente resulta aconsejable añadir el agente inoculante al metal fundido tan tarde como sea posible para minimizar el debilitamiento. Una inoculación insuficiente o inadecuada es siempre responsable de pérdidas debido a la baja calidad en una operación de fundición.

Puede resultar preferible que el grafito formado sea esferoidal, si se requiere una fundición con grafito esferoidal para formar el llamado hierro "SG" o "dúctil". Alternativamente, se requiere una fundición con grafito lamelar para el hierro "LG" o "gris". La condición previa esencial que se ha de cumplir es prevenir la formación de carburo de hierro primario.

Con esta finalidad, el hierro colado líquido se somete antes de la fundición a un tratamiento que, mientras se enfría, favorecerá todavía más la formación de grafito que de carburo de hierro primario.

El tratamiento de inoculación es por lo tanto muy importante. Es un hecho bien conocido que la inoculación, cualquiera que sean los inoculantes utilizados, presenta una eficacia en el hierro colado líquido que se reduce con el tiempo y que generalmente ya se ha reducido en un 50% después de unos pocos minutos. A fin de obtener la máxima eficacia, un experto en la materia generalmente realiza una inoculación progresiva, aplicando con esta finalidad varias adiciones de inoculantes en distintas etapas del desarrollo del hierro colado. La adición final se realiza en el molde a medida que se van alimentando los moldes o incluso en los conductos llenos de los moldes colocando en el recorrido del hierro colado líquido piezas metálicas constituidas por un material inoculante. Dichas piezas se utilizan generalmente en combinación con un filtro; en dicho caso presentan generalmente una forma perfectamente definida a fin de poder fijarse al filtro, más habitualmente en una cavidad adaptada. Dichas piezas con una forma definida se conocen como "pastillas" o "balines". Nos referiremos con el nombre de "conjunto de inoculante y filtro" a la unidad constituida por la pastilla y el filtro.

Hay dos tipos de pastillas. Las pastillas "moldeadas" se obtienen moldeando el inoculante fundido. Las pastillas "aglomeradas" se obtienen a partir de un polvo comprimido generalmente con una pequeña cantidad de agente aglomerante, o incluso sin el agente aglomerante.

Los inoculantes comerciales originan zonas de germinación proporcionando al hierro líquido elementos altamente reactivos. Dichos elementos reactivos se combinan con el oxígeno y el azufre disueltos en el hierro líquido y los productos de la reacción resultante se separan por precipitación de la disolución para formar zonas de germinación para el grafito durante la solidificación. Dichos productos de germinación continúan creciendo dentro del fundido hasta que el metal se ha solidificado por completo. Dicho material particulado ha de ser de un tamaño pequeño a fin de poder formar los núcleos de crecimiento de los cristales de grafito. De este modo, proporcionando al metal los elementos reactivos en un instante tan cercano a la solidificación es posible incrementar la probabilidad de que las partículas precipitadas continúen encontrándose dentro de los límites de tamaño necesario para la germinación de los cristales de grafito. La formación de grafito cristalino es contraria a los productos favorecidos cinéticamente. Hoy en día no se comprenden los parámetros críticos que afectan a la inoculación y todavía son objeto del debate académico. Resulta muy necesaria la capacidad de un técnico especializado para predecir, y de este modo mejorar, la eficacia de la inoculación.

La inoculación de pastillas, en la que el metal fundido se ve expuesto a una pastilla justo antes que al filtro, se ha dado a conocer en el caso de que se utilice un material base que comprende pequeñas cantidades de calcio, aluminio y tierras raras. Al ir procediendo con la fundición, la eficacia de la inoculación va cambiando con el tiempo debido a la cinética asociada a la disolución del agente inoculante de la pastilla. Otras complicaciones de los problemas con la inoculación consisten en la constatación de que se pretenden distintos volúmenes y períodos de vertido para la fabricación de distintas partes con distintos tamaños. Si se emplean largos períodos de vertido, el procedimiento de inoculación en el caldero de colada resulta desaconsejable debido al debilitamiento del inoculante en el caldero de colada. Si se trabaja con períodos de vertido cortos, el tiempo puede resultar insuficiente para permitir el inicio de la inoculación mediante la inoculación de las pastillas. Las propiedades que permiten una inoculación eficaz en la corriente del metal no se comprenden completamente y habitualmente se desarrollan unos márgenes de funcionamiento aptos que se han desarrollado mediante la experimentación con un gran coste y pérdida de material.

La patente de Daussan FR 2 692 654 describe un conjunto de inoculante y filtro en el que las pastillas se obtienen mediante la aglomeración de polvo de un tamaño comprendido preferentemente entre 0,5 y 2 mm. La eficacia de dicho conjunto de inoculante y filtro es bastante limitada.

La patente de Foseco EP 0 234 825 describe un conjunto de inoculante y filtro en la que el inoculante se presenta en la forma de un polvo no aglomerado pulverulento contenido en una bolsa de plástico. Dicha unidad es más compleja de fabricar y utiliza un polvo no aglomerado cuya humectabilidad en relación con el hierro colado líquido no siempre está bien controlada.

Los esfuerzos para mitigar el problema de la inoculación eficaz se presentan en la técnica con un grado de éxito limitado. La publicación de la patente DE 43 18 309 A1, por ejemplo, incorpora una pastilla inoculante en la depresión de un filtro. El filtro, de tipo alveolar, comprende unos poros de un tamaño comprendido entre 1 y 8 mm. Al utilizarlo, se comprueba que la eficacia de este tipo de conjunto de inoculante y filtro está limitada por la de la pastilla empleada. Esto satisface el objetivo de inocular en las últimas etapas del proceso, pero no mitiga el problema primario asociado con el proceso que depende de la eficacia de la inoculación descrito anteriormente. Se ha observado que la combinación pastilla/filtro presenta un valor limitado para las fundiciones, ya que no proporciona beneficio alguno, aparte de la localización de la pastilla.

La patente US nº 6.293.988 proporciona un agente inoculante que comprende oxisulfuros. La ventaja que proporciona es la eliminación de la del ferrosilicio como medio transportador. El agente inoculante de oxisulfuro se disuelve lentamente y el índice de inoculación, particularmente en las primeras etapas del vertido, puede resultar inconsistente e impredecible. Una pastilla de disolución lenta produce problemas asociados con una inoculación ineficaz en las primeras etapas del vertido incluso cuando el problema del debilitamiento se pueda mitigar hasta cierto punto.

Se conoce que los inoculantes que utilizan transportadores de ferrosilicio se disuelven muy rápidamente y por lo tanto su utilización en la inoculación del caldero de colada es ampliamente aceptada. El rápido índice de disolución ha provocado que los inoculantes basados en un transportador de ferrosilicio se contemplen en la técnica ya que se conoce que el rápido índice de disolución originará que la pastilla se disuelva antes de la finalización del vertido y por lo tanto el inoculante no resultará efectivo a lo largo de la totalidad del vertido. El rápido índice de disolución ha hecho que el inoculante basado en ferrosilicio sea difícil de controlar.

Anteriormente a la presente invención, los expertos se veían limitados en el uso de los inoculantes basados en ferrosilicio en el caldero de colada, inyectando una corriente de inoculante en el flujo del metal e inoculantes no basados en el ferrosilicio como pastillas. Además, el experto había de escoger entre el debilitamiento, con la inoculación en el caldero de colada, la inoculación ineficaz en las primeras etapas del vertido con la inoculación de pastillas o las complejidades mecánicas asociadas a la inoculación de inyección.

Durante mucho tiempo ha existido la necesidad en la técnica de un agente inoculante, y un procedimiento de utilización, que asegurara una inoculación consistente y predecible independientemente del ritmo con que el metal fundido se vierte. Anteriormente a la presenta invención no se había podido satisfacer dicha necesidad.

Sumario

Un objetivo de la presente invención es proporcionar una pastilla inoculante que inocule de un modo consistente hierro fundido en un amplio margen de funcionamiento de intervalos de vertido sin que se produzca debilitamiento o una inoculación ineficaz.

Otro objetivo de la invención es un conjunto de inoculante y filtro constituido por una pastilla inoculante aglomerada y un filtro asociado, cuyas respectivas características se han ajustado para obtener la máxima sinergia.

Otro objetivo de la presente invención es proporcionar un sistema de inoculación de hierro fundido que sea fácil de controlar, no limite el funcionamiento de la fundición y que pueda utilizarse prácticamente en todos los sistemas de fundición existentes con una alteración mínima de la estructura física y de los procedimientos de funcionamiento.

Otro objetivo de la presente invención es proporcionar una pastilla de inoculación que pueda utilizarse para inocular hierro fundido de un modo eficiente y uniforme en una amplia gama de velocidades de acceso. Esto ofrece una ventaja particular ya que la fundición puede funcionar según las exigencias de la fabricación y no de las limitaciones relacionadas con la eficacia de la inoculación.

En una forma de realización de la invención se proporciona un conjunto según la reivindicación 1 que comprende un filtro y una pastilla para la inoculación tardía de hierros colados en su filtración final en el que dicha pastilla se obtienen mediante la aglomeración de una aleación inoculante en polvo y dicho filtro consiste en un material poroso refractario, en el que dicho inoculante en polvo de dicha pastilla comprende una distribución de tamaños de partícula que comprende un 100%, en peso, inferior a 2 mm, de un 30 a un 70%, en peso, comprendido entre 50 y 250 \mum, y un porcentaje inferior al 25%, en peso, por debajo de 50 \mum y dicho filtro solamente permite el paso de partículas de tamaño inferior a los 10 \mum.

Las formas de realización preferidas se describen en las reivindicaciones subordinadas 2 a 12.

Descripción detallada

La presente invención se refiere a un equipo de pastillas de inoculación que aumenta en gran manera la consistencia en la que el metal fundido, particularmente hierro, puede inocularse. La técnica de la inoculación con una pastilla ha tenido previamente un éxito limitado. Las pastillas basadas en el ferrosilicio, tales como las descritas en la patente US nº 6.293.988, se disuelven lentamente y el hierro colado resultante todavía comprende inserciones consistentes en una inoculación inadecuada. La técnica ha carecido de un procedimiento que proporcionara unas pastillas inoculantes basadas en ferrosilicio que pudiera utilizarse en un amplio margen de índices de flujo, o velocidades de acceso, con una inoculación adecuada y un mínimo debilitamiento. Dicho procedimiento se proporciona en el presente documento gracias a una investigación realizada a conciencia.

Un experto en la materia que realice la inoculación en distintas etapas del desarrollo del hierro colado utilizará productos sean que cuanto más finos son más tarde se añadirá el inoculante en el proceso. Lo más lógico es que a contracorriente los productos tengan todo el tiempo necesario para disolverse y que cuando hayan alcanzado la entrada de los moldes solamente falten unos pocos segundos para la solidificación.

Habitualmente se utilizan partículas granuladas de 2 a 10 mm en la pre-inoculación, partículas granuladas de 0,2 a 2 mm durante el tratamiento en el caldero de colada, y partículas granuladas de 0,2 a 0,7 mm para la inoculación en la corriente durante la colada. El solicitante ha observado un fenómeno inesperado en el laboratorio de pruebas. Para una misma dosis de inoculante, el número de núcleos de grafito generados en el hierro colado líquido aumenta con el número de partículas inoculantes añadidas a la unidad de masa inoculante. Por lo tanto, si se tratan dos calderos de colada de hierro colado en condiciones idénticas con el mismo inoculante pero con dos distintas distribuciones de tamaño de partícula, el hierro colado tratado con el producto más fino contendrá más núcleos de grafito que el tratado con el producto más grueso. Dichos núcleos también serán de un tamaño inferior.

El mismo fenómeno se ha observado durante el tratamiento en el molde con pastillas aglomeradas. El hierro colado tratado con una pastilla obtenida a partir de un polvo más fino contendrá más núcleos de grafito que el tratado con una pastilla obtenida a partir de un polvo más grueso. Dichos núcleos también serán de un tamaño inferior.

Para obtener las pastillas de modo que presente la máxima eficacia en términos de inoculación, el solicitante ha
preparado polvos de tamaño comprendido entre 0 y 2 mm con una distribución interna de tamaños de partícula concreta definida del siguiente modo: inferiores a 2 mm, un 100%; entre un 50 y 250 \mum, de un 30 a un 70%, más preferente-
mente entre un 40 y un 60%; inferiores a 50 \mum, un porcentaje inferior al 25%, más preferentemente inferior al 20%.

Un polvo de este tipo se aglomera fácilmente lo cual hace posible trabajar con proporciones inferiores de aglutinante. De este modo, con silicato de sodio que es un aglutinante bien conocido, resultan suficientes dosis de 0,3 cm^{3} por 100 g de polvo a 3 cm^{3} por 100 g de polvo según las presiones empleadas que pueden variar entre 50 y 500 MPa de modo que se alcanza fácilmente el funcionamiento mecánico de la pastilla.

La experiencia demuestra que la distribución de tamaños de partícula definida anteriormente no se puede obtener por trituración natural. La preparación del polvo con esta distribución de tamaños de partícula requiere la preparación por separado de dosis de fracciones de distintos tamaños.

El filtro asociado con la pastilla es un filtro de cerámica que comprende unos espacios o galerías semicontinuas por las que pasa el metal y en el que se fija cualquier partícula superior a 10 \mum y preferentemente a 3 \mum.

El control del índice de distribución para permitir una amplia gama de índices de flujo, o velocidades de acceso, permite ahora una inoculación predecible sin tener en cuenta las velocidades de acceso entre unos márgenes de funcionamiento de 1 a 60 cm/seg determinados a 30,25 cm^{2} de sección transversal del flujo.

El compuesto eficaz de la presente invención comprende un transportador de ferrosilicio y por lo menos un elemento activo. El transportador de ferrosilicio es un elemento de baja actividad que se disuelve en el hierro fundido sin formar núcleos de germinación de un modo significativo. El elemento activo es un elemento, o combinación de elementos, que se disuelven en el hierro fundido y reaccionan con elementos del hierro fundido para formar núcleos de germinación a partir de los que preferentemente cristaliza el grafito.

El compuesto eficaz de la pastilla inoculante preferentemente comprende entre un 40 y un 99,9% en peso de transportador y entre un 0,1 y un 60% en peso de elemento activo. Los transportadores particularmente preferidos son aquellos preparados a partir de ferrosilicio que comprenden impurezas no reactivas. El ferrosilicio se encuentra disponible comercialmente a partir de varias fuentes. Normalmente se proporciona el ferrosilicio como ferrosilicio al 75% lo que indica, en la nomenclatura de la técnica, que el material comprende aproximadamente un 75%, en peso, de silicio y un 25%, en peso, de hierro. El ferrosilicio está disponible ampliamente como ferrosilicio al 50%, lo que indica que el material comprende aproximadamente un 50%, en peso, de silicio y un 50%, en peso, de hierro. Para los propósitos de la presente invención el material aglutinante comprende completamente elementos no inoculantes. Lo más preferido es que el transportador comprenda por lo menos un 30%, en peso, de ferrosilicio. Resulta preferible añadir un agente aglutinante a los componentes eficaces antes de formar una pastilla. El agente aglutinante, tal como el silicato de sodio, resulta bien conocido en la técnica para ayudar en la nodulización de un polvo.

Los elementos activos de la presente invención comprenden por lo menos una tierra rara o por lo menos un agente inoculante que se selecciona de entre el grupo constituido por cerio, el estroncio, el circonio, el calcio, el manganeso, el bario, el bismuto, el magnesio, el titanio, el aluminio, el lantano y el azufre. Los agentes inoculantes particularmente preferidos comprenden por lo menos un elemento escogido de entre el grupo constituido por estroncio, el aluminio, el lantano, el circonio, el calcio y el manganeso. El inoculante comprende preferentemente entre aproximadamente un 0,1 y un 60% en peso de agente inoculante. Más preferentemente comprende entre aproximadamente un 0,1 y un 40% en peso de agente inoculante. Más preferentemente, todavía comprende entre aproximadamente un 0,1 y un 20% en peso de agente inoculante.

La velocidad de acceso es una medida práctica, bien conocida en la industria, para indicar el volumen de metal que fluye hacia, y a través de, un filtro. Tal como resultará evidente para un experto en la materia, la velocidad de acceso se determina en una sección transversal fija del área de flujo. Para los propósitos de la presente invención, todas las velocidades de acceso se han calculado a 30,25 cm^{2} de sección transversal del flujo excepto cuando se indique lo contrario. Resultará rápidamente evidente para un experto habitual en la materia que distintas áreas de sección transversal originarán distintas velocidades de acceso sin embargo, las velocidades de acceso pueden ser comparadas fácilmente por aquellos citados en el presente documento mediante una simple conversión tal como se conoce en la técnica.

El índice de disolución del inoculante se define como la cantidad de agente inoculante que se consume en función del tiempo. El análisis de determinados inoculantes resulta complicado ya que el índice de disolución se basa en el análisis de un elemento determinante, tanto inoculante como marcador. Se asume que la proporción en peso del elemento determinante en relación con los otros agentes inoculantes es la misma en el hierro colado que la proporción en peso en la pastilla original. Para los propósitos de la presente invención se utiliza el circonio como elemento inoculante determinante. Por lo tanto, la cantidad total de inoculante en el hierro colado se determina en función de la cantidad de circonio más los otros inoculantes contenidos en el hierro. Por ejemplo, si un inoculante presenta 1 parte de circonio, en peso, y 1 parte de manganeso, en peso, y la cantidad de circonio en el hierro es de 20 ppm, entonces la cantidad de manganeso será de 20 ppm para una cantidad total de inoculante de 40 ppm. Los gramos de circonio más el manganeso, que se encuentran presentes en una cantidad de 40 ppm, dividido por el tiempo de vertido constituye el índice de disolución del inoculante.

Un índice de disolución del inoculante de aproximadamente 1 mg/seg significa necesariamente tener suficiente inoculación para velocidades de acceso comprendidos entre 1 y 60 cm/s. Por debajo de 1 mg/seg se observa un índice de inoculación insuficiente, particularmente al principio del vertido, para garantizar una inserción mínima o nula y eliminar considerablemente la formación de carburo de hierro. Alternativamente, la velocidad de acceso se ha de reducir hasta un nivel impracticable con un índice de disolución de inoculante inferior a aproximadamente 1 mg/seg. Más preferentemente, el índice de disolución del inoculante no es inferior a 10 mg/seg. Más preferentemente, el índice de disolución del inoculante no es inferior a 20 mg/seg. Se requiere un índice de disolución del inoculante que no sea superior a aproximadamente 320 mg/seg para garantizar que el índice de disolución sea suficientemente lento para asegurar que la pastilla permanece durante todo el vertido a unas velocidades de acceso comprendida entre 1 y 60 cm/seg. Por encima de aproximadamente 320 mg/seg, la pastilla puede disolverse prematuramente fallando de este modo en la inoculación en las etapas finales del vertido. Alternativamente, la velocidad de acceso puede incrementarse hasta un nivel impracticable. Más preferentemente, el índice de disolución del inoculante no es superior a aproximadamente 250 mg/seg. Más preferentemente, el índice de disolución del inoculante no es superior a aproximadamente 200 mg/seg.

Los inoculantes disponibles comercialmente basados en el ferrosilicio se disuelven con un índice que supera los 320 mg/seg. Aunque resultan aptos para su utilización en la inoculación en el caldero de colada, se ha observado que dichos inoculantes no son aptos para su utilización en una pastilla en el punto de filtración. Anteriormente a la presente invención el índice de disolución para los inoculantes basados en el ferrosilicio no se había explorado debido a que se sabía en la técnica que el índice resultaba demasiado rápido para aplicarse de este modo. La presente invención ilustra que puede prepararse un inoculante basado en el ferrosilicio que, cuando se prepara dentro de unos márgenes estrechos de índice de disolución, puede utilizarse como pastilla inoculante y el hierro colado resultante presenta un nivel bajo de inserciones. Además, el índice de disolución adecuado, que no se ha probado previamente en la técnica, permite una inoculación superior con una cantidad mínima de agente inoculante. De este modo disminuye sustancialmente el coste de la inoculación y aumenta la previsibilidad. Otra ventaja más que ofrecen los conocimientos del presente documento es la capacidad para determinar la cantidad adecuada de pastilla de inoculante para alcanzar el nivel adecuado de inoculación.

Un índice de disolución comprendido entre aproximadamente 1 y aproximadamente 320 mg/seg permite utilizar la pastilla de la invención a velocidades de acceso comprendidas entre 1 y 60 cm/seg, sin debilitamiento o inoculando en cualquier momento del vertido. Esto no resulta posible con las técnicas actuales sin utilizar pastillas muy grandes que se emplean sólo parcialmente o con velocidades de acceso desaconsejables. Más preferentemente, el índice de disolución se encuentra comprendido entre aproximadamente 1 y aproximadamente 320 mg/seg a velocidades de acceso comprendidas entre 1 y 40 cm/seg. Incluso más preferentemente, pueden utilizarse velocidades de acceso comprendidas entre 10 y 30 cm/seg y las más preferentes estarán entre 15 y 25 cm/seg utilizándose con un índice de disolución de las pastillas preferido comprendido entre 2 y 250 mg/seg. Un índice de disolución de las pastillas particularmente preferido se encuentra comprendido entre 2 y 150 mg/seg.

En una forma de realización particularmente preferida el índice de disolución de la pastilla se determina a una velocidad de acceso de 15 cm/seg, determinada con una sección transversal del flujo de 30,25 cm^{2}. A una velocidad de acceso de 15 cm/seg la pastilla presenta preferentemente un índice de disolución de por lo menos aproximadamente 2 mg/seg y no superior a aproximadamente 300 mg/seg. Más preferentemente, determinado a una velocidad de acceso de 15 cm/seg, la pastilla presenta un índice de disolución preferido de por lo menos aproximadamente 2 mg/seg y no superior a aproximadamente 200 mg/seg.

El índice de filtración del filtro puede ajustarse entre 0,01 kg/(s.cm^{2}) y 0,5 kg/(s.cm^{2}). Más preferentemente entre 0,04 kg/(s.cm^{2}) y 0,24 kg/(s.cm^{2}) según la aplicación.

Debido a que el índice de inoculación requerido generalmente está comprendido entre 0,05% y 0,15% y debido a que la capacidad de filtración del filtro de la invención, que se encuentra comprendida entre 1 y 1,5 kg de hierro líquido por cm^{2}, el conjunto de inoculante y filtro está ajustado en una proporción (masa de la pastilla en g/superficie del filtro en cm^{2}) comprendida entre 0,75 y 1,5. Por ejemplo, un conjunto de inoculante y filtro constituido por una pastilla de 25 g y un filtro de 30 cm^{2} estaría ajustado convenientemente.

El índice de disolución de la pastilla se controla mediante la composición y la densidad de aglomeración. A medida que aumenta la densidad de aglomeración, el índice de disolución disminuye. A efectos de la presente invención resulta apto un aglomerante de ferrosilicio comprimido para alcanzar una densidad comprendida entre aproximadamente 2,3 g/cc y 2,6 g/cc y así obtener los valores de disolución requeridos para la invención. Dichos resultados pueden obtenerse ajustando la densidad de una pastilla que puede obtenerse de entre un 60% y un 80% de la densidad real de la aleación del inoculante de la que está compuesta la pastilla, según la presión utilizada para aglomerar que puede variar desde 50 a 500 MPa. Los conjuntos de inoculante y filtro según la invención pueden ajustarse para el tratamiento del hierro fundido a índices de flujo comprendidos entre 1 y 25 kg/s.

Los elementos de cerámica del filtro son componentes porosos que comprenden espacios o galerías semicontinuas por las que pasa el metal y en las que se fija cualquier partícula incluida. Los elementos de cerámica del filtro se preparan preferentemente mediante los procedimientos descritos en la patente US nº 4.056.586. Una posterior elaboración de los procedimientos para la fabricación de los elementos de cerámica del filtro se proporciona en las patentes US nº 5.673.902 y nº 5.456.833.

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Experimentos

Los ejemplos 1 a 5 se refieren a hierros colados dúctiles. El ejemplo 6 se refiere a hierro colado gris

Ejemplo 1

Se adquirió y analizó un lote "A" de pastillas de inoculante disponibles comercialmente con las técnicas anteriores. Los resultados de los análisis fueron: Si = 72,1%, Al = 2,57% y Ca = 0,52%. Se sintetizó un lote de inoculante fundido de análisis tan próximo al del lote previo como fuera posible a partir de FeSi 75 en el horno de inducción, cuya solidez se corrigió añadiendo siliciuro cálcico, aluminio y a continuación hierro. Dicho lote de inoculante se coló en pastillas moldeadas de 25 g. El muestreo y análisis de dicho lote de pastillas llamado "B" proporcionó los siguientes resultados: Si = 72,4%, AI = 2,83% y Ca = 0,42%. Se preparó una serie de filtros de cerámica de carburo de silicio cuadrados de 30,25 cm^{2} empleando técnicas estándar. Se revistió una espuma orgánica con una pasta cerámica con la que se rellenaron todos los espacios. A continuación se comprimió la espuma orgánica para expulsar el exceso de pasta. Después se secó y caldeó la pasta revestida de espuma orgánica. Se cortó parcialmente un hueco circular de 24 mm de diámetro en la superficie del filtro para encajar con la pastilla.

Ejemplo 2

Se fundió una carga de hierro colado en el horno de inducción y se trató mediante el procedimiento Tundish Cover mediante una aleación del tipo FeSiMg con un 5% de Mg, un 2% de Ca, y un 2% de tierras raras totales (TRE) a una dosis de 20 kg para 1.600 kg de hierro colado. El análisis de dicho hierro colado líquido proporcionó los siguientes resultados: C = 3,7%, Si = 2,5%, Mn = 0,09%, P = 0,03%, S = 0,003%, Mg = 0,042%. Su temperatura eutéctica fue de 1.141ºC. Dicho hierro colado se empleó para colar partes con una masa unidad de aproximadamente 1 kg, colocado en grupos en un molde de 20 partes alimentado por un conducto de entrada de flujo en el que se colocó una pastilla moldeada del lote "B". El número de pastillas de grafito observado mediante metalografía en la sección transversal de las partes fue de 184/mm^{2}.

Ejemplo 3

Se reprodujo el Ejemplo nº 2 en idénticas condiciones con la única diferencia de que la pastilla moldeada del lote "B" se sustituyó con una pastilla aglomerada según las técnicas antecedentes obtenido prensando un polvo de 0 a 2 mm obtenido por trituración natural de las pastillas moldeadas del mismo lote "B" como la pastilla utilizada en el ejemplo previo. La distribución de tamaños de partícula de dicho polvo fue de: inferiores a 2 mm: 100%; inferiores a 0,4 mm: 42%; inferiores a 0,2 mm: 20%: inferiores a 50 \mum: 10%; es decir, una distribución de tamaños de partícula muy próxima a la recomendada en el documento EP 0 234 825. El número de pastillas de grafito observadas por metalografía en la sección transversal de las partes fue de 168/mm^{2}.

Ejemplo 4

Se reprodujo el Ejemplo nº 3 en idénticas condiciones con la única diferencia de que la pastilla moldeada fue el del lote "A". El número de pastillas de grafito observadas por metalografía en la sección transversal de las pastillas fue de 170/mm^{2}.

Ejemplo 5

Se repitió el ejemplo nº 3 con las siguientes condiciones. Se trituró un lote de 25 kg de pastillas moldeadas del lote "B" hasta 0 a 1 mm. Las fracciones de 0,63 a 1 mm; de 0,40 a 0,63 mm; de 0,25 a 0,40 mm; de 0,050 a 0,25 mm y de 0 a,0,050 mm se separaron mediante cribado. Se obtuvieron 3,5 kg de 0,63 a 1 mm; 3,9 kg de 0,40 a 0,63 mm; 4,2 kg de 0,25 a 0,40 mm; 7,1 kg de 0,050 a 0,25 mm y 6,1 kg de 0 a 0,050 mm. Se preparó un polvo mezclando: 2 kg de 0,63 a 1 mm; 2 kg de 0,40 a 0,63 mm; 2 kg de 0,25 a 0,40 mm; 7 kg de 0,050 a 0,25 mm; y 2 kg de 0 a 0,050 mm. A estos 15 kg de mezcla de polvo se les añadió 150 cm^{3} de silicato de sodio y 150 cm^{3} de hidróxido sódico 10 normal. La mezcla obtenida se utilizó para fabricar pastillas aglomeradas de forma cilíndrica de 24 mm de diámetro y de 22 mm de espesor. La presión ejercida en la pastilla para darle forma fue de 285 MPa durante 1 segundo. Las pastillas a las que se dio forma se depositaron en un lugar cuidadosamente ventilado durante 8 horas a 25ºC y a continuación se secaron al horno a 110ºC durante 4 horas. Las pastillas obtenidas, de una masa unidad de 25 g, constituyeron el lote llamado lote "C". Entonces se repitió el ejemplo nº 3 con las pastillas provenientes del lote "C" montados con un filtro de espuma cerámica idéntico al empleado en el ejemplo nº 2. El número de pastillas de grafito observadas por metalografía en la sección transversal de las partes fue de 234/mm^{2}.

Ejemplo 6

Se repitió el ejemplo nº 5 con las siguientes condiciones. Se fundió una carga de 1.600 kg de hierro colado en un horno de inducción. Se tomó una muestra del metal líquido y se analizó. El análisis proporcionó el siguiente resultado: C = 3,15%, Si = 1,82%, Mn = 0,71%, P = 0,15%, S = 0,08%. La temperatura eutéctica fue de 1.136ºC. El hierro colado se utilizó para colar partes con una masa unidad de aproximadamente 1 kg, colocado en grupos en un molde de 20 partes alimentado por un conducto de entrada de flujo en el que se colocó una pastilla moldeada soportada por un filtro de 30,25 cm^{2} constituida por una espuma refractaria idéntica a las utilizadas en los otros ejemplos. La pastilla moldeada era del lote "C". El número de células eutécticas observadas mediante metalografía en la sección transversal de las partes fue de 310/mm^{2}.

Ejemplo de la invención 7

Se preparó una serie de filtros de cerámica de carburo de silicio de 30,25 cm^{2} utilizando técnicas estándar. Se revistió una espuma orgánica con una pasta cerámica con la que se rellenaron todos los espacios. A continuación se comprimió la espuma orgánica para expulsar el exceso de pasta dejando la espuma orgánica revestida con la pasta. Después se secó y caldeó la espuma orgánica con la pasta. Se cortó parcialmente un hueco circular de 25,4 mm de diámetro en la superficie del filtro para encajar con la pastilla.

Se preparó una serie de pastillas cilíndricas, de aproximadamente 20,5 mm de espesor y aproximadamente 25,4 mm de diámetro creando una aleación de ingredientes activos con hierro y silicio. La aleación fue fundida, triturada, pulverizada, ajustada y mezclada con silicato de sodio para formar una pastilla. El polvo se colocó en un molde y se comprimió hasta un nivel suficiente para alcanzar la densidad requerida de entre aproximadamente 2,3 y 2,6 g/cc. A continuación se insertó la pastilla en el hueco circular del filtro de cerámica.

Un molde de prueba que comprendía 5 cámaras de igual tamaño en la que cada cámara se llena secuencialmente en un único vertido se utilizó para determinar el índice de disolución de la combinación pastilla/filtro durante el vertido. La combinación pastilla/filtro se insertó en el molde de prueba antes que en las cámaras y se vertieron en el molde 29,51 kg de hierro colado en distintos períodos de tiempo. Se determinó que las temperaturas durante el vertido se encontraban comprendidas entre 1.335 y 1.470ºC sin que se apreciase una diferencia significativa dentro de dichos márgenes de temperatura.

Se tomaron múltiples muestras centrales de las placas coladas en las cámaras primera, tercera y quinta del molde de prueba y se disolvieron las muestras centrales y se analizaron para el circonio mediante espectrometría de plasma acoplado inductivamente. El nivel medio de circonio se definió como la inoculación media (AI). La velocidad de acceso (AV), que es la velocidad del metal en el borde frontal del filtro se calculó con la siguiente ecuación:

AV = PW/(D*EFA*t)

en la que PW es el vertido en gramos; D es la densidad del metal en gramos por centímetro cúbico; EFA es el área eficaz del filtro en cm^{2}, o el área superficial del filtro que no está cubierta por el núcleo; y t es el tiempo en segundos. El índice medio de disolución (ADR) se determinó como los gramos totales del agente inoculante consumidos por el metal, basándose en el análisis del circonio, sobre el total del tiempo de vertido. Los resultados se muestran en la Tabla 1.

Después de haber completado el vertido la pastilla dejó de ser visible en el filtro. La presencia de una inoculación adecuada en la primera y la última placa indicó que el índice de disolución era suficiente para inocular de forma eficaz el vertido entero sin debilitamiento debido a una inoculación pobre en cualquier muestra.

El análisis del hierro colado indicó que todas las muestras de la invención presentaron una inoculación adecuada tal como indica la inoculación media (AI) que se basa en el nivel de circonio del hierro colado.

TABLA 1

Muestra	AV (cm/seg)	AI (ppm Zr)	ADR (g/seg)	Tiempo de vertido (seg)
1	27,45	27	0,3104	7
2	21,35	17	0,149	9
3	19,21	15	0,1234	10
4	17,47	25	0,1854	11
5	17,47	17	0,1244	11
6	16,01	14	0,0939	12
7	14,78	14	0,0867	13
8	13,72	15	0,0862	14
9	13,72	20	0,1169	14

TABLA 1 (continuación)

Muestra	AV (cm/seg)	AI (ppm Zr)	ADR (g/seg)	Tiempo de vertido (seg)
10	12,81	20	0,1091	15
11	12,81	12	0,0644	15
12	12,81	19	0,1022	15
13	12,81	15	0,0823	15
14	12,81	16	0,0876	15
15	12,01	26	0,1325	16
16	12,01	15	0,0771	16
17	12,01	14	0,0687	16
18	11,3	19	0,09	17
19	11,3	20	0,0963	17
20	10,67	15	0,0686	18
21	10,67	19	0,0864	18
22	9,61	16	0,0657	20
23	7,68	24	0,0762	25
24	7,68	23	0,074	25
25	7,39	19	0,0588	26
26	7,12	18	0,0537	27
27	7,12	18	0,0527	27
28	6,4	17	0,0447	30
29	4,8	21	0,0416	40
30	4,09	14	0,0234	47

Ejemplo comparativo

Se preparó una pastilla de ferrosilicio como en el ejemplo de la invención con la excepción de que el tamaño de la partícula y la aglomeración eran tal como emplean habitualmente los inoculantes basados en el ferrosilicio. El índice de disolución se estimó por los análisis de pérdida de pastilla y el porcentaje de elemento inoculante. Los resultados se presentan en la Tabla 2:

TABLA 2

Muestra	AV (cm/seg)	ADR (g/seg)	Tiempo de vertido (seg)
C 1	14	0,349	6
C 2	17	0,42	5
C 3	16	0,42	5
C 4	13	0,349	6

El índice de disolución era demasiado elevado para ser un inoculante eficaz.

Ejemplo comparativo 2

Se insertó un disco de inoculación redondo con un diámetro de 26,4 mm y un espesor de aproximadamente 17 mm en un filtro de carburo de silicio SELEE®. El disco de inoculación comprendía entre un 15 y 49%, en peso, de silicio; entre un 7 y 22%, en peso, de calcio; entre un 2,5 y 10%, en peso, de azufre; entre un 2,5 y 7,5%, en peso, de magnesio y entre un 0,5 y 5%, en peso, de aluminio. Las muestras de 20 kg a 29 kg de hierro gris se vertieron a través del filtro a una velocidad de acceso de aproximadamente 12 a 18 cm/seg. Una vez el vertido se hubo completado se analizó la pastilla restante mediante SEM/EDS. Un análisis similar no fue posible en los ejemplos de la invención ya que la pastilla ya no era distinguible. El análisis sugirió la formación de impurezas complejas comprendiendo silicatos y sulfuros de calcio, magnesio y aluminio.

Un análisis independiente del hierro colado utilizando la pastilla comparativa indicó la formación de carburo de hierro con una formación mínima de grafito lamelar e indicando de este modo una inoculación ineficaz.

A partir de la descripción y de los ejemplos del presente documento se hace evidente que la inoculación eficaz puede alcanzarse utilizando pastillas basadas en el ferrosilicio en contacto con un filtro. No es de esperar que dicha combinación sea apta basándose en los conocimientos de la técnica. Resulta sorprendente la observación de que puede obtenerse una inoculación superior en la que se elimina sustancialmente la formación de carburo y el control del debilitamiento es excelente a lo largo de la duración del vertido. Ello significa un avance en la técnica contrario a las expectativas de los expertos en la materia y basado en la manipulación de las propiedades de los inoculantes basados en el ferrosilicio que previamente no se habían aprovechado basándose en la opinión que se sostenía previamente en la técnica según la que la inoculación con pastillas basadas en el ferrosilicio produciría resultados no deseados.

La invención se ha descrito poniendo un énfasis particular en las formas de realización preferidas. Resulta evidente para los expertos habituales en la materia que pueden realizarse formas de realización alternativas sin apartarse del alcance de la invención el cual está definido por las reivindicaciones adjuntas.

Claims

1. Conjunto que comprende un filtro y una pastilla para la inoculación tardía de hierros colados en su filtración final en el que dicha pastilla se obtiene mediante la aglomeración de una aleación de inoculante en polvo y dicho filtro es un material poroso refractario, en el que dicho inoculante en polvo de dicha pastilla comprende una distribución de tamaños de partícula que comprende un 100%, en peso, inferior a 2 mm; de un 30 a un 70%, en peso, comprendido entre 50 y 250 \mum, e inferior al 25%, en peso, por debajo de 50 \mum y dicho filtro solamente permite el paso a través suyo de partículas inferiores a los 10 \mum.

2. Conjunto según la reivindicación 1, en el que dicho filtro solamente permite el paso a través suyo de partículas inferiores 3 \mum.

3. Conjunto según la reivindicación 1, en el que dicha pastilla presenta una masa, determinada en gramos, y dicho filtro presenta una área superficial, determinada en cm^{2}, y una proporción de dicha masa con relación a dicha área superficial de por lo menos 0,75 y no superior a 1,5.

4. Conjunto según la reivindicación 1, en el que dicha pastilla presenta un polvo de aleación inoculante que comprende entre un 40% y un 60%, en peso, de dicho tamaño entre 50 y 250 \mum y menos de un 20%, en peso, por debajo de dicha fracción menor de 50 \mum.

5. Conjunto según la reivindicación 1, en el que dicho inoculante en polvo comprende una mezcla de dos o más aleaciones inoculantes en polvo.

6. Conjunto según la reivindicación 1, en el que dicho inoculante en polvo es una mezcla de dos o más productos que constituyen un inoculante heterogéneo.

7. Conjunto según la reivindicación 1, en el que dicha pastilla comprende un compuesto activo que comprende aproximadamente de 40 a 99,9%, en peso, de elemento de soporte que comprende el ferrosilicio y aproximadamente de 0,1 a 60%, en peso, de por lo menos un agente inoculante seleccionado de entre las tierras raras.

8. Conjunto según la reivindicación 1, en el que dicha pastilla comprende un compuesto activo que comprende aproximadamente de 40 a 99,9%, en peso, de elemento de soporte que comprende el ferrosilicio y aproximadamente de 0,1 a 60%, en peso, de por lo menos un agente inoculante seleccionado de entre el grupo constituido por cerio, estroncio, circonio, calcio, manganeso, bario, bismuto, magnesio, titanio, aluminio, lantano y azufre.

9. Conjunto según la reivindicación 8, en el que dicha pastilla comprende por lo menos un elemento inoculante seleccionado de entre el grupo constituido por estroncio, circonio, calcio, lantano, manganeso y aluminio.

10. Conjunto según la reivindicación 8, en el que dicha pastilla comprende aproximadamente de 0,1 a 40%, en peso, de elemento inoculante.

11. Conjunto según la reivindicación 10, en el que dicha pastilla comprende aproximadamente de 0,1 a 20% en peso, de elemento inoculante.

12. Conjunto según la reivindicación 1, en el que dicha pastilla presenta una densidad comprendida entre un 60% y un 80% de la densidad real de la aleación del inoculante de la que está constituida la pastilla.