ES2326084T3 - Metodo y equipo para la colada continua o semicontinua de metal. - Google Patents
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Abstract
Un método para colada continua o semicontinua de enfriamiento directo (DC) de aluminio, que incluye un molde (1) con al menos un molde o coquilla (3) del tipo de mazarota caliente con una cavidad de molde (11) que está cerrada con respecto al ambiente y provista de medios de suministro para aceite y gas, estando provisto cada molde de una entrada (4) enlazada con una cámara (5) de distribución del metal, con lo que se suministra el metal a la cámara de distribución (5) desde un almacenamiento de metal en base a un suministro del tipo de sifón, estando además provisto cada molde de una salida con dispositivos (3) para enfriar el metal, de modo que sea colado a través de la salida un objeto en forma de un cordón extendido, un lingote de extrusión (25) o una barra de alambre, caracterizado porque se suministra el metal al molde (3) desde el almacenamiento de metal por medio de un sistema de suministro de metal (5, 31) que está sellado con respecto al ambiente, con lo que la presión de gas sobre el nivel de metal (26) en la zona de solidificación se regula de tal modo que la presión metalostática en el punto de contacto contra el molde es virtualmente cero durante la colada.
Description
Método y equipo para la colada continua o
semicontinua de metal.
El presente invento se refiere a un método y un
equipo para la colada continua o semicontinua de metal, en
particular colada de enfriamiento directo (DC) de aluminio, que
comprende un molde con una cavidad de molde o coquilla que está
provista de una entrada enlazada con un almacenamiento de metal, y
una salida con dispositivos para enfriar el me-
tal, de modo que a través de la salida sea colado un objeto en forma de un cordón extendido, una varilla o una barra.
tal, de modo que a través de la salida sea colado un objeto en forma de un cordón extendido, una varilla o una barra.
El equipo del tipo indicado en lo que antecede
es muy conocido y usado para colar metal aleado, o no aleado, que
siga siendo procesado por la cadena de producción, por ejemplo para
fines de segunda fusión o de extrusión.
Una exigencia importante para este tipo de
equipo de colada de la técnica anterior ha sido la de conseguir una
superficie lisa libre de segregación en el producto colado. Esto ha
sido de particular importancia para productos en los cuales la
superficie no sea retirada antes del procesado.
Se supone que la segregación superficial es
originada por dos fenómenos principales:
1. Segregación inversa: cuando el metal entra en
contacto con la coquilla, la solidificación se iniciará en una capa
delgada. Esta solidificación tendrá lugar normalmente desde la
coquilla hacia el centro de la barra. Cuando el metal experimenta
la transición de la fase líquida a la fase sólida, el volumen
disminuirá en el exterior, y esa disminución debe ser sustituida
con masa fundida aleada procedente de áreas más alejadas. Esto
produce la denominada solidificación inversa, ya que tiene lugar la
segregación hacia el frente de solidificación. Este tipo de
segregación produce típicamente una zona aleada delgada bajo la
superficie de la barra, que es un 10-20% más rica
en elementos de aleación que el contenido de aleación nominal.
2. Eflorescencias: cuando la cáscara
solidificada en el exterior de la barra no está en contacto físico
con la pared de la coquilla, el metal aleado puede ser expulsado al
exterior a través de la cáscara solidificada o parcialmente
solidificada (refusión). Esta solidificación produce una delgada
zona muy aleada fuera de la superficie original, y una zona
empobrecida de aleación en correspondencia bajo la superficie
original.
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Se ha supuesto que la segregación inversa es
afectada, a su vez, por:
1. La transferencia de calor desde la barra a
las paredes de la coquilla.
2. La longitud de la zona de contacto entre la
coquilla y la barra.
3. El refino del grano y la morfología de la
solidificación.
4. Los flujos próximos a la superficie de la
barra y su efecto sobre el campo térmico.
5. Las propiedades específicas de la aleación
(por ejemplo, la conductividad térmica y el camino que sigue la
solidificación).
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Además, se supone que las eflorescencias son
afectadas por:
1. La transferencia de calor desde la barra a
las paredes de la coquilla.
2. La distancia entre la zona de contacto en la
coquilla y el punto de incidencia del agua.
3. La morfología de la solidificación y el
refino de grano.
4. Las deformaciones estacionarias y periódicas
de la cáscara exterior (efecto de esponja).
5. Las diferencias de presión sobre la cáscara
solidificada/semisolidificada.
6. Los flujos próximos a la superficie de la
barra y su efecto sobre el campo térmico.
7. Las propiedades específicas de la aleación
(por ejemplo, la conductividad térmica y el camino que sigue la
solidificación).
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Para reducir la segregación, se ha supuesto que
es importante lo siguiente:
1. Una reducida transferencia de calor entre la
coquilla y la barra. Esto incluye también una fricción reducida
entre la pared de la coquilla y la barra.
2. Una distancia óptima entre el inicio de la
zona de contacto y el punto de incidencia del agua (debe ser
ajustada con relación a los parámetros de la colada y a la
transferencia de calor entre la coquilla y la barra).
3. Un reducido nivel de metal sobre, o en, la
coquilla.
4. Fluctuaciones reducidas en el nivel del metal
(producen menos segregación y menores variaciones en la topografía
de la superficie).
5. Evitar las fluctuaciones periódicas en la
zona de contacto, debidas a la variación de la presión de gas y de
volumen dentro de moldes de mazarota caliente (moldes de
gas-slip). Esto produce los característicos anillos
que se ven en la superficie de las varillas.
El único método actualmente en uso que puede dar
por resultado una barra sin segregación superficial es el de colada
electromagnética, pero ese método requiere una cuantiosa inversión y
sistemas de control completo. Con la colada electromagnética, se
cancelan las diferencias de presión sobre la cáscara, es decir, que
desaparecen las eflorescencias. Al mismo tiempo, no hay contacto
entre el metal y la pared del molde, y por lo tanto tampoco se
forma una zona de segregación inversa. Usando la tecnología de
colada convencional, es posible reducir tanto las eflorescencias
como la segregación inversa, reduciendo para ello el efecto del
contacto de la coquilla con el metal.
Usando una denominada mazarota caliente con
dispositivos de suministro para el gas y el aceite en la zona de
solidificación para el metal, y donde se forma un cojín de gas bajo
la mazarota caliente, se reduce la zona de contacto con la coquilla
y la transferencia de calor a la coquilla, ya que se reduce la
distancia desde el punto de incidencia del agua a la zona de
contacto con la pared de la coquilla. De este modo se consigue una
pequeña zona de segregación inversa. Con este método de colada, sin
embargo, se usa una presión metalostática relativamente alta, por
lo que subsisten todavía algunas eflorescencias. Además, el método
produce pulsaciones en la cantidad de suministro de gas, combinadas
con la reducción periódica de la pared de la coquilla, lo cual da
lugar a un proceso de segregación anular y también a una topografía
anular en la varilla.
Usando una boquilla de aguja o una boquilla de
bola flotante, se puede también reducir la diferencia de presión
sobre la cáscara solidificada y la zona de contacto entre la
coquilla y la barra, de modo que se disminuye la segregación
superficial. Sin embargo, éste es un método difícil de usar
óptimamente, debido a la regulación individual de los moldes y a
los aspectos de seguridad, por cuanto el flujo de metal puede ser
detenido bruscamente (boquillas cegadas). Con las condiciones
óptimas de colada para la segregación superficial, el agua penetrará
entonces en el aluminio líquido y creará un riesgo de explosión.
Por lo tanto, la mayor parte de los procesos de boquilla de aguja
se llevan a cabo con un nivel de metal en el molde más alto que el
óptimo, para una reducida segregación superficial, es decir, que se
aumenta la fuerza que motiva la segregación.
La Patente de EE.UU. Nº 3.552.478, se refiere a
un método para iniciar y mantener el suministro de metal a un molde
de colada continua que opere hacia abajo, e incluye los pasos de
aspirar metal de un depósito, a través de un tubo de subida, al
interior de una artesa por encima del depósito, cerrar luego el tubo
de subida y mantener cerrada una bajante al molde, y dejar después
que aumente la presión en la artesa y abrir a continuación la
bajante y dejar que fluya el metal y se inicie la colada. El método
es especialmente adecuado para la colada de metal en moldes de
oruga.
El presente invento representa un método para la
colada continua o semicontinua de metal, con el cual se reducen
considerablemente o se eliminan las desventajas antes indicadas de
segregación inversa y de eflorescencias. Además, se ha llegado a
una solución con la que se obtiene mucha más seguridad durante la
operación de la colada, es decir, a una solución HSE mejorada.
Además, se ha llegado a una solución que hace posible regular el
nivel de metal en la coquilla (o coquillas), es decir, el nivel de
metal en relación con el enfriamiento primario y secundario, que
hace sea sencillo adaptar la operación de la colada a la aleación a
ser colada.
El método se caracteriza por las propiedades que
se definen en la reivindicación independiente 1 que se acompaña.
Además, el equipo se caracteriza por las
propiedades que se definen en la reivindicación independiente 3 que
se acompaña.
En las reivindicaciones subordinadas 2 y
4-5 se definen características ventajosas del
presente invento.
En lo que sigue se describirá el presente
invento con más detalle por medio de ejemplos y con referencia a
los dibujos que se acompañan, en los que:
La Fig. 1 representa una vista en perspectiva,
vista parcialmente desde un lado y desde el frente, de un sencillo
equipo de colada de acuerdo con el presente invento, en el cual una
cubierta que está diseñada para cerrar el equipo por arriba se
mantiene abierta, de modo que sea posible ver parcialmente por el
conducto de suministro de metal aislado térmicamente.
La Fig. 2 representa una vista en alzado del
equipo representado en la Fig. 1, en el cual se suministra el metal
líquido al equipo durante la iniciación de una operación de
colada.
La Fig. 3 representa lo mismo que la Fig. 2,
pero durante una etapa posterior de la operación de la colada.
Las Figs. 4 a) y c) representan imágenes de
varillas coladas con el equipo de colada de mazarota caliente
tradicional y con un equipo de acuerdo con el presente invento,
respectivamente; y las Figs. 4 b) y d) representan imágenes de la
prueba de muestras de metal de las varillas ilustradas en las Figs.
4 a) y b), respectivamente.
Como se ha dicho en lo que antecede, la Fig. 1
representa una vista en perspectiva de un ejemplo de equipo de
colada simple, de acuerdo con el presente invento, para colar
lingotes de extrusión. Es simple en el sentido de que únicamente
comprende seis coquillas o moldes 3 (véanse también las Figs. 2 y 3)
con entradas de metal 4. Este tipo de equipo puede comprender
bastantes más coquillas, hasta algunos cientos, dependiendo de su
diámetro, entre otras cosas, y puede tener capacidad para colar
decenas de toneladas de metal por hora.
Expresado en términos generales, además de las
coquillas, las cuales no se han representado en la Fig. 1, el
equipo comprende una estructura de bastidor 2 con un sistema de
canalón 6 aislado térmicamente para el suministro de metal desde un
almacenamiento de metal (horno de de depósito o similar) y una
cámara de distribución aislada en correspondencia (colector de
metal) 5, para la distribución del metal a las respectivas
coquillas. Sobre la cámara de distribución 6, el equipo está
provisto de una tapa o cubierta desmontable 7, que está diseñada
para sellar la cámara de distribución con respecto al ambiente.
Trozos cortos de tubo 8 dispuestos en conexión con la cubierta 7,
que se usan para inspección durante la colada, entre otras cosas,
están conectados a la entrada 4 para cada coquilla 3 y están
cerrados durante la colada, mientras que los conductos de
ventilación 9 (véanse también las Figs. 2-3) que
emergen desde otros trozos cortos de tubo con un dispositivo de
cierre sobre la pared del molde en el equipo, están conectados a la
cavidad 11 del molde en el molde 3. En el extremo del equipo hay un
panel de control 19 que no forma parte del presente invento y que no
se describirá aquí con mayor detalle.
Como se ha ilustrado con más detalle en las
Figs. 2 y 3, el equipo para colada representado concierne a una
solución vertical, semicontinua, en la cual se usa un apoyo móvil 13
para cada coquilla 3, para mantener cerrada por el fondo la
coquilla al principio de cada colada. Las propias coquillas son del
tipo de mazarota caliente, en el cual se usa un collar o protección
14 de aislamiento térmico directamente en la entrada a la cavidad
del molde. Además, el aceite y el gas se suministran a través de
anillos permeables 15 en la pared de la cavidad 11 del molde. Como
se ha dicho en lo que antecede, se ha previsto un conducto de
ventilación 9 para cada coquilla. Éste se cierra por medio de un
dispositivo de cierre 10 o un tapón 16, al principio de cada colada
(véase la sección correspondiente en lo que sigue).
Además, se ha previsto un trozo corto de tubo 27
que está diseñado para conexión con un depósito de vacío (depósito
de presión negativa o sistema de extracción), de modo que se pueda
aplicar una presión negativa a la cámara de distribución 5 durante
la colada (véase la sección pertinente en lo que sigue).
El metal llega a través del canalón 6 y es
suministrado a un depósito intermedio 17 a un nivel algo inferior,
a través de un dispositivo de válvula 19 (no representado en
detalle). El depósito intermedio 17 está abierto por la parte
superior (en 22), pero un conducto 20 está diseñado para pasar el
metal a la cámara de distribución 5, la cual está situada a un
nivel más alto, y a las coquillas. Con esta solución, en la que se
ha previsto un depósito intermedio 17 a un nivel inferior, y en la
que el metal es hecho pasar (aspirado) desde ese nivel a través de
la cámara de distribución 5 a la cavidad del molde situada a un
nivel más alto que el del depósito 17, se usa el principio de sifón
para alimentar el metal a la coquilla. Por consiguiente, es posible
también, regulando el nivel en el depósito intermedio 17, regular
el nivel 26 del metal en la cavidad del molde 11, y por
consiguiente también el punto de contacto (zona de solidificación)
contra la pared de la coquilla. Por lo tanto, regulando el nivel en
el depósito 17, se regula también el nivel 26 en la cavidad del
molde, mientras que la presión metalostática contra el punto de
contacto 15 en la coquilla (cavidad del molde) es virtualmente 0.
Esto es la esencia del presente invento, y se explicará con más
detalle en lo que sigue.
Con respecto al resto del equipo, se ha previsto
un tubo corto de drenaje 21 en conexión con el depósito intermedio
17. A través de ese tubo corto de drenaje, es posible drenar
(eliminar) el metal restante de la cámara de distribución 5 y del
depósito intermedio 17.
Con referencia a las Figs. 2 y 3, se describirá
con más detalle el método de la operación del equipo de acuerdo con
el presente invento. En la Fig. 2 se ha ilustrado el punto de
partida de una operación de colada. Se suministra metal desde un
almacenamiento (no representado) a través del canalón 6, a través
del dispositivo 18 de válvula abierta, al depósito intermedio 17, a
la cámara de distribución 5 t a las coquillas 3 (solamente se han
representado dos coquillas en estas Figs., por razones prácticas).
Se acopla la tapa 7 y se conecta el tubo corto de conexión 27 al
sistema de extracción, de modo que se evacue todo el aire. Se llenan
el canalón 7, el depósito intermedio 17 y la cámara de distribución
5, incluidos los moldes 3, hasta un mismo nivel (el metal se ha
representado en un color gris más oscuro). Se cierra la tubería de
ventilación 9, que se extiende desde la cavidad de molde 3, por
medio del dispositivo de cierre 10 y/o del tapón 16.
En la Fig. 2 se ha representado una situación en
la cual la operación de colada no se ha iniciado todavía y el apoyo
13 está mantenido apretado contra la salida de la coquilla. El
dispositivo de válvula 18 está abierto en ese momento, pero se irá
cerrando gradualmente. Después de que haya sido suministrado el
metal líquido al depósito intermedio 17, a las coquillas y a la
cámara de distribución 5 y de que haya quedado equilibrado, se
inicia la operación se inicia la operación de colada. Entonces
bajará el nivel del metal en el depósito 17, mientras que se
mantendrá el nivel del metal en la cámara de distribución 5, por
medio de la presión negativa (en relación con la ambiente) formada
por medio de la extracción a través del tubo corto de conexión 27.
Se forma entonces un lingote 25 de extrusión por colada, como se ha
ilustrado en la Fig. 3. Se mantienen cerrados el dispositivo de
cierre 10 y/o el tapón 16 para la tubería de ventilación 9, que
impiden la ventilación a la atmósfera hasta que la presión
metalostática en la coquilla 11 sea equivalente a la presión
atmosférica. Se quita entonces el tapón 16 y existe equilibrio
entre el nivel del metal 23 en el depósito 17 y el nivel del metal
26 en la coquilla, con el resultado de que fluirá metal a la
coquilla 3 cuando se suministre metal al depósito intermedio 17
desde el canalón de suministro 6.
En la Fig. 3 se ha representado la situación
ideal (equilibrada) de colada, en la cual el tapón 16 ha sido
retirado y la válvula 10 está abierta. Existe equilibrio entre el
nivel del metal 26 en el molde 3 y el nivel del metal 23 en el
depósito intermedio 17. En tal situación, la presión metalostática
es virtualmente cero en el punto de contacto del metal contra la
coquilla. El método de acuerdo con el presente invento viene
representado, como se ha visto en lo que antecede, precisamente por
eso, es decir, porque el metal es suministrado a la coquilla de tal
modo y con tal regulación que la presión metalostática en el punto
de contacto contra la coquilla es virtualmente cero durante la
colada. Esto se consigue por medio del equipo representado en las
figuras y que se ha descrito en lo que antecede.
Se hace notar, sin embargo, que el presente
invento, tal como se ha definido en las reivindicaciones, no queda
limitado a las soluciones ilustradas y descritas en lo que antecede.
Por lo tanto, el concepto del presente invento será aplicable no
solamente a equipo de colada semicontinua, sino también a equipo de
colada continua horizontal. Además, es posible conseguir de otros
modos una diferencia de presión de virtualmente cero en el punto de
contacto contra la coquilla, por ejemplo, poniendo a presión un
depósito de colada con una presión igual a la presión metalostática
en la cavidad del molde (solución de contrapresión).
La solución, tal como se define en las
reivindicaciones, tampoco está limitada a las denominadas coquillas
de mazarota caliente o de gas-slip, sino que puede
ser usada en un equipo de colada enfriado directamente, más
tradicional. Además, el equipo puede ser también dispuesto en
conexión con la entrada de la coquilla, para agitar el metal con
objeto de atenuar cualquier otro problema que se plantee en relación
con la segregación o la eflorescencia. Además, con objeto de
eliminar problemas con posible formación de óxido, se puede usar un
gas inerte, por ejemplo argón.
Se llevaron a cabo varias pruebas en las que se
colaron lingotes de extrusión de diversas aleaciones de aluminio,
usando un equipo de acuerdo con el presente invento. Se compararon
esas pruebas con pruebas en las cuales se colaron las mismas
aleaciones usando equipo de colada de mazarota caliente existente.
En las Figs. 4 a) y b) se han representado imágenes de la
superficie y de micro estructura de la superficie de un lingote de
extrusión de aleación AA 6082 colado con el equipo de mazarota
caliente existente, mientras que en las Figs. 4 c) y d) se han
representado imágenes de un lingote de extrusión colado con un
equipo de acuerdo con el presente invento. Como se muestra en la
Fig. 4 c), la superficie es mucho más fina y más lisa para las
varillas coladas según el presente invento. Además, la Fig. 4 d)
revela claramente que la microestructura de una varilla colada con
el presente invento tiene menos poros oscuros contra la superficie
que indiquen segregación.
Claims (5)
1. Un método para colada continua o semicontinua
de enfriamiento directo (DC) de aluminio, que incluye un molde (1)
con al menos un molde o coquilla (3) del tipo de mazarota caliente
con una cavidad de molde (11) que está cerrada con respecto al
ambiente y provista de medios de suministro para aceite y gas,
estando provisto cada molde de una entrada (4) enlazada con una
cámara (5) de distribución del metal, con lo que se suministra el
metal a la cámara de distribución (5) desde un almacenamiento de
metal en base a un suministro del tipo de sifón, estando además
provisto cada molde de una salida con dispositivos (3) para enfriar
el metal, de modo que sea colado a través de la salida un objeto en
forma de un cordón extendido, un lingote de extrusión (25) o una
barra de alambre,
caracterizado porque
se suministra el metal al molde (3) desde el
almacenamiento de metal por medio de un sistema de suministro de
metal (5, 31) que está sellado con respecto al ambiente, con lo que
la presión de gas sobre el nivel de metal (26) en la zona de
solidificación se regula de tal modo que la presión metalostática en
el punto de contacto contra el molde es virtualmente cero durante
la colada.
2. Un método de acuerdo con la reivindicación
1,
caracterizado porque
se suministra el metal a una cámara de
distribución (5) o conducto (31) que está en comunicación con un
depósito de vacío a través de un tubo corto de conexión (33) y cuyo
conducto (31) está además conectado a, y recibe suministro desde,
un depósito de metal intermedio (17) dispuesto a un nivel inferior,
con lo que el metal es suministrado al depósito (17) a través de un
dispositivo de válvula (18) y es regulado por medio de ese
dispositivo de válvula para lograr un efecto de sifón a través del
conducto (31) con lo que el nivel (23) del metal en el depósito
(17) es virtualmente el mismo que el, o ligeramente superior al, el
nivel (27) del metal en la cavidad de molde (11) en el molde (3), y
de modo que la contrapresión en la coquilla durante la colada es
equivalente a la presión atmosférica.
3. Equipo para colada continua o semicontinua de
enfriamiento directo (DC) de aluminio, que incluye un molde (1) con
al menos un molde o coquilla (3) del tipo de mazarota caliente, con
una cavidad de molde (11) que está cerrada con respecto al ambiente
y provista de medios de suministro para aceite y gas, estando
provisto cada molde de una entrada (4) enlazada con una cámara (5)
de distribución del metal, con lo que se suministra metal a la
cámara de distribución (5) desde un almacenamiento, sobre la base de
un suministro del tipo de sifón, estando además provisto cada molde
de una salida con dispositivos (3) para enfriar el metal, de modo
que sea colado un objeto en forma de un cordón extendido, una
varilla (25) o un lingote de extrusión, a través de la salida,
caracterizado porque
se ha previsto un sistema de suministro de metal
(5, 31) que está sellado con respecto al ambiente, entre el
almacenamiento de metal y la entrada (4) del molde (3), y medios
para regular la presión de gas sobre el nivel del metal (26) en la
zona de solidificación, de tal modo que la presión metalostática en
el punto de contacto con el molde sea virtualmente cero durante la
colada.
4. Equipo de acuerdo con la reivindicación
3,
caracterizado porque
el sistema de suministro de metal adopta la
forma de una cámara de distribución o conducto (5, 31) que comunica
con un depósito de vacío a través de un tubo corto de conexión (33),
y cuyo conducto (31) está además conectado a, y está diseñado para
ser suministrado con metal procedente de un depósito intermedio de
metal (17) dispuesto a un nivel inferior, con lo que el metal está
diseñado para ser suministrado al depósito (17) a través de un
dispositivo de válvula (18) y está diseñado para ser regulado por
medio de ese dispositivo de válvula, consiguiéndose un efecto de
sifón a través del conducto (31), con lo que el nivel (23) del metal
en el depósito es virtualmente el mismo que el, o ligeramente
superior al, nivel (26) del metal en la cavidad de molde en el
molde (3), y con lo que la contrapresión en el molde durante la
colada es equivalente a la presión atmosférica.
5. Equipo de acuerdo con las reivindicaciones 3
y 4,
caracterizado porque
el sistema de contrapresión comprende una cuba
de presión o depósito de presión en el cual la presión es más alta
que la presión atmosférica ambiente.
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