ES2358131T3 - Material termorresistente para máquina de colada de metal de bajo punto de fusión. - Google Patents
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Abstract
Material termorresistente para una máquina de colada de metal de bajo punto de fusión, que comprende silicato de calcio y un fluoruro, en el que el silicato de calcio comprende por lo menos un elemento seleccionado de entre el grupo constituido por wollastonita (CaSiO3), tobermorita (5CaO-6SiO2-5H2O) y xonotlita (6CaO-6SiO2-H2O).
Description
Material termorresistente para máquina de colada
de metal de bajo punto de fusión.
La presente invención se refiere a un material
termorresistente utilizado en una máquina de colada para colar un
metal de punto de fusión relativamente bajo que presenta
generalmente un punto de fusión de 800ºC o menos, tal como
aluminio, magnesio, zinc, estaño, plomo o una aleación de los
mismos, en un sitio en contacto con un metal fundido del metal de
bajo punto de fusión.
En la máquina de colada, se utilizan artículos
procesados de diversos materiales termorresistentes como materiales
de revestimiento para un foso de colada, una cubeta y un horno de
retención para transferir, suministrar y retener el metal fundido
tal como se describió anteriormente, o como elementos acoplados,
tales como un flotador, un canal de colada, un anillo superior
caliente y una placa de transición. Sobre todo, se han utilizado
ampliamente materiales termorresistentes, en los que se refuerza
materia de silicato de calcio con fibras de carbono debido a su
buena resistencia térmica, alta solidez aunque peso ligero y además
excelente procesabilidad (por ejemplo, véase el documento de
patente 1 y el documento de patente 2).
Documento de patente 1: Patente japonesa nº
1577427
Documento de patente 2: Patente japonesa nº
1638119
Por otro lado, también equipos móviles tales
como cámaras digitales, videocámaras digitales, teléfonos móviles y
ordenadores personales portátiles, o cargas pesadas tales como
automóviles, armazones y cuerpos de bastidor tienden a formarse con
aleaciones de magnesio para ahorrar peso. Sin embargo, el magnesio o
una aleación que contiene magnesio presenta una actividad muy alta,
y produce una corrosión extremadamente fuerte en el material que
entra en contacto con un metal fundido del mismo. Por consiguiente,
partes convencionales que comprenden materia de silicato de calcio
o un material a base de sílice y alúmina presentan el problema de
que sólo varias utilizaciones, o sólo una utilización en algunos
casos, hacen que haya que cambiarlos.
Con el fin de potenciar la resistencia a la
corrosión, se ha intentado aplicar materiales de recubrimiento
termorresistentes. Sin embargo, los materiales de recubrimiento
termorresistentes existentes son menos eficaces en la mejora de la
resistencia a la corrosión frente al metal fundido de magnesio o la
aleación que contiene magnesio. Además, debido a la tensión
aplicada a una parte recubierta por el movimiento del metal fundido
y a la diferencia con respecto a un material de base en el
coeficiente de expansión térmica, ha surgido también el problema de
que la parte recubierta se separa perdiendo completamente su
efecto.
El documento
GB-A-500901 da a conocer una
composición para la preparación de un molde para metales de colada,
comprendiendo dicha composición arena de sílice, cemento portland,
azufre, fluoruro de amonio y agua.
Un objetivo de la invención es mejorar la
durabilidad frente a un metal fundido que presenta fuertes
propiedades de corrosión, tal como magnesio o una aleación que
contiene magnesio, mientras que se mantienen excelentes propiedades
de aislamiento térmico, resistencia específica y procesabilidad del
material de silicato de calcio en un material termorresistente para
una máquina de colada de metal de bajo punto de fusión.
Otros objetivos y efectos de la invención se
pondrán de manifiesto a partir de la siguiente descripción.
La presente invención proporciona un material
termorresistente para una máquina de colada de metal de bajo punto
de fusión, que comprende silicato de calcio y un fluoruro, en el que
el silicato de calcio comprende por lo menos un elemento
seleccionado de entre el grupo constituido por wollastonita
(CaSiO_{3}), tobermorita (5CaO\cdot6SiO_{2}\cdot5H_{2}O)
y xonotlita (6CaO\cdot6SiO_{2}\cdotH_{2}O).
La invención se refiere también a la utilización
de dicho material termorresistente en una máquina de colada de
metal de bajo punto de fusión en un sitio en contacto con un metal
fundido de magnesio o una aleación que contiene magnesio.
Se exponen unas formas de realización preferidas
de la invención en las reivindicaciones dependientes.
La "aleación que contiene magnesio" tal
como se denomina en la invención significa generalmente una aleación
de magnesio y un metal de bajo punto de fusión distinto de
magnesio, tal como aluminio, zinc, estaño o plomo. Aunque el
contenido en magnesio puede ser cualquiera, el magnesio está
contenido de manera realista dentro del intervalo comprendido entre
el 0,1% en peso y el 99,9% en peso basado en la cantidad total de la
aleación.
El material termorresistente para una máquina de
colada de metal de bajo punto de fusión según la invención presenta
excelentes propiedades de aislamiento térmico, resistencia
específica y procesabilidad derivadas del silicato de calcio, y se
confiere al mismo una resistencia a la corrosión frente a un metal
fundido que presenta altas propiedades de corrosión tal como
magnesio o una aleación que contiene magnesio, que es excelente en
comparación con la de materiales convencionales. Por consiguiente,
por ejemplo, cuando se utiliza en un foso de colada de una máquina
de colada, la frecuencia de intercambio de partes se reduce
sustancialmente en comparación con la técnica convencional, y el
coste del propio material es también aproximadamente equivalente al
del material convencional. Por consiguiente, en el tiempo de
duración y el coste del material, es posible la colada totalmente a
muy bajo coste en comparación con la técnica convencional.
La figura 1 es una vista esquemática para
ilustrar el procedimiento de prueba de la prueba de corrosión en
los ejemplos.
La invención se describirá en detalle a
continuación.
El material termorresistente para una máquina de
colada de metal de bajo punto de fusión de la invención comprende
un silicato de calcio específico como material original con el fin
de garantizar propiedades de aislamiento térmico, resistencia
específica y procesabilidad, y se incorpora un fluoruro en el mismo
con el fin de conferir resistencia a la corrosión. El contenido en
flúor en el material termorresistente de la invención está
comprendido preferentemente entre el 0,05 y el 30% en peso, más
preferentemente entre el 0,05 y el 5% en peso, todavía más
preferentemente entre el 0,1 y el 4,0% en peso, y de manera
particularmente preferida entre el 0,5 y el 3,0% en peso.
El silicato de calcio comprende por lo menos un
elemento seleccionado de wollastonita (CaSiO_{3}), tobermorita
(5CaO\cdot6SiO_{2}\cdot5H_{2}O) y xonotlita
(6CaO\cdot6SiO_{2}\cdotH_{2}O). El contenido de silicato de
calcio en el material termorresistente para una máquina de colada de
metal de bajo punto de fusión no está particularmente limitado
siempre que el contenido en flúor en el material termorresistente se
encuentre dentro del intervalo anteriormente descrito, aunque está
comprendido preferentemente entre el 70 y el 99,95% en peso, y más
preferentemente entre el 85 y el 99,9% en peso, todavía más
preferentemente entre el 88 y el 99,5% en peso, y de manera
particularmente preferible entre el 92 y el 99% en peso. Cuando el
contenido de silicato de calcio es inferior al 70% en peso, las
propiedades de aislamiento térmico, resistencia específica y
procesabilidad disminuyen. Por otro lado, cuando el contenido de
silicato de calcio supera el 99,95%
en peso, el contenido en flúor es demasiado pequeño para obtener el efecto de mejorar la resistencia a la corrosión.
en peso, el contenido en flúor es demasiado pequeño para obtener el efecto de mejorar la resistencia a la corrosión.
Los fluoruros no están particularmente
limitados, sino que incluyen fluoruros inorgánicos tales como
fluoruro de calcio (CaF_{2}), fluoruro de magnesio (MgF_{2}),
criolita (Na_{3}AlF_{6}), fluoruro de litio (LiF), fluoruro de
bario (BaF_{2}), fluoruro de aluminio (AlF_{3}), fluoruro de
estroncio (SrF_{2}), fluoruro de cerio (CeF_{3}), fluoruro de
itrio (YF_{3}), fluoruro de sodio (NaF), fluoruro de potasio (KF),
silicofluoruro de sodio (Na_{2}SiF_{6}) y silicofluoruro de
amonio ((NH_{4})_{2}SiF_{6}). En la invención, se
utiliza preferentemente por lo menos un elemento seleccionado de
fluoruro de calcio (CaF_{2}), fluoruro de magnesio (MgF_{2}) y
criolita (Na_{3}AlF_{6}) debido a su bajo coste. Además, en la
invención, el fluoruro se dispersa en forma granular en el material
termorresistente para una máquina de colada de metal de bajo punto
de fusión. Por consiguiente, cuanto más pequeño sea el tamaño de
partícula mejor, aunque no está particularmente limitado. El tamaño
de partícula es preferentemente de desde 3 hasta 15 \mum, y más
preferentemente desde 5 hasta 10 \mum. El material
termorresistente para una máquina de colada de metal de bajo punto
de fusión puede estar formado por dos componentes del fluoruro y el
silicato de calcio mencionado anteriormente, de tal modo que el
contenido del fluoruro no está particularmente limitado siempre que
el contenido en flúor en el material termorresistente se encuentre
dentro del intervalo anteriormente descrito, aunque está comprendido
preferentemente entre el 0,05 y el 30% en peso, más preferentemente
entre el 0,1 y el 15% en peso, todavía más preferentemente entre el
0,5 y el 12% en peso, y de manera particularmente preferida entre el
1 y el 8% en peso. Cuando el contenido del fluoruro es inferior al
0,05% en peso, no puede mejorarse la resistencia a la corrosión.
Superar el 30% en peso da como resultado disminuciones en las
propiedades de aislamiento térmico, resistencia específica y
procesabilidad del material termorresistente para una máquina de
colada de metal de bajo punto de fusión.
Aunque el material termorresistente para una
máquina de colada de metal de bajo punto de fusión de la invención
puede estar formado por silicato de calcio y el fluoruro tal como se
describió anteriormente, también pueden añadirse materiales
conocidos que hasta la fecha se han incorporado en materiales
termorresistentes, según sea necesario. Sobre todo, se prefiere la
adición de fibras de refuerzo, y pueden añadirse fibras de vidrio,
fibras de carbono, fibras de material cerámico o similares en una
cantidad comprendida entre el 0,1 y el 3% en peso. Se prefiere que
estas fibras de refuerzo presenten un diámetro de fibra comprendido
entre 3 y 15 \mum y una longitud de fibra comprendida entre 3 y
10 mm debido a su excelente efecto de refuerzo.
Con el fin de producir el material
termorresistente para una máquina de colada de metal de bajo punto
de fusión de la invención, pueden utilizarse procedimientos de
producción conocidos. Por ejemplo, puede utilizarse un
procedimiento de fabricación de láminas o un procedimiento de prensa
de deshidratación. Específicamente, se somete a moldeo por
deshidratación una suspensión acuosa que contiene un material de
partida para silicato de calcio y el fluoruro para formar, por
ejemplo, un producto moldeado deshidratado tabular, y el producto
moldeado deshidratado se somete a tratamiento hidrotérmico para
generar silicato de calcio. El material de partida para silicato de
calcio es una mezcla de un material de partida de cal y un material
de partida de ácido silícico, y está constituido por cal,
xonotlita, wollastonita, cuarcita y similares. Además, se añade
preferentemente un agente antiespumante o un agente floculante a la
suspensión acuosa, y cada uno puede añadirse en una cantidad
comprendida entre el 0,01 y el 0,3% en peso en cuanto a la materia
sólida. Se prefiere que el agente antiespumante no permanezca en el
material termorresistente resultante para una máquina de colada de
metal de bajo punto de fusión. Por consiguiente, se prefiere
utilizar un agente antiespumante soluble en agua y descargarlo
junto con el agua en el momento del moldeo por deshidratación.
En el moldeo por deshidratación, se ajustan las
condiciones de moldeo, de modo que el material termorresistente
resultante para una máquina de colada de metal de bajo punto de
fusión presente una densidad comprendida entre 200 y 2.500
kg/m^{3}, más preferentemente entre 700 y 1.000 kg/m^{3}, y una
resistencia a la flexión de entre 1 y 20 MPa, más preferentemente
de entre 6 y 12 MPa. Cuando el material termorresistente para una
máquina de colada de metal de bajo punto de fusión presenta una
densidad y una resistencia a la flexión de este tipo, presenta
propiedades de aislamiento térmico, resistencia específica,
procesabilidad y resistencia a la corrosión excelentes y bien
equilibradas.
El tratamiento hidrotérmico requiere sólo
colocar el producto moldeado deshidratado en un autoclave y
calentarlo bajo una atmósfera de vapor. Es necesario realizar este
tratamiento hidrotérmico hasta que la síntesis de silicato de
calcio ha finalizado, y las condiciones del mismo se fijan
apropiadamente dependiendo de la composición del material de
partida para silicato de calcio, el tamaño del producto moldeado
deshidratado y el tipo de silicato de calcio que va a formarse. Sin
embargo, es adecuado realizar el tratamiento a una presión de vapor
de 0,9 a 1,8 MPa para un tiempo de tratamiento de 2 a 20 horas.
Tras el tratamiento hidrotérmico, el producto
resultante se seca para obtener un material termorresistente para
una máquina de colada de metal de bajo punto de fusión, que puede
utilizarse tal como está. Sin embargo, la forma cristalina de
silicato de calcio en este estado es una forma mixta de wollastonita
y xonotlita. Para deshidratar el agua de cristalización de
xonotlita con el fin de potenciar más la resistencia a la corrosión,
se realiza preferentemente calcinación. No hay ninguna limitación
en la calcinación, siempre que pueda deshidratarse el agua de
cristalización. Por ejemplo, es apropiado realizar la calcinación en
una atmósfera de nitrógeno a entre 600 y 800ºC durante de 2 a 5
horas. Como para la forma cristalina de silicato de calcio tras la
calcinación, la wollastonita se convierte en el principal
componente, porque se ha deshidratado la xonotlita.
El material termorresistente para una máquina de
colada de metal de bajo punto de fusión de la invención es
excelente en procesabilidad, que procede del silicato de calcio, y
puede procesarse fácilmente para proporcionar una forma deseada
mediante corte o similar. Además, se confiere una excelente
resistencia a la corrosión mediante el fluoruro, de modo que el
material termorresistente de la invención se utiliza lo más
adecuadamente de manera particular en un sitio en contacto con un
metal fundido de magnesio o una aleación que contiene magnesio. Por
consiguiente, el material termorresistente de la invención es
adecuado como material de revestimiento para un foso de colada, una
cubeta y un horno de retención de una máquina para colar magnesio o
una aleación que contiene magnesio, o como elementos acoplados
tales como un flotador, un canal de colada, un anillo superior
caliente y una placa de transición.
La presente invención se ilustrará en mayor
detalle haciendo referencia a los siguientes ejemplos y ejemplos
comparativos.
Ejemplos 1 a 14 y Ejemplos
comparativos 1 a
6
Según las formulaciones representadas en las
tablas 1 a 3, se mezclaron los materiales de partida a continuación
para silicato de calcio, fluoruros y otros materiales y se agitaron
para preparar suspensiones acuosas. Los detalles de los componentes
son los siguientes:
A continuación, se sometieron las suspensiones
acuosas a moldeo por deshidratación mediante una prensa para formar
productos moldeados deshidratados tabulares, y después de eso, se
colocaron los productos en un autoclave y se sometieron a
tratamiento hidrotérmico en condiciones de 1,7 MPa durante 8 horas.
A continuación, se secaron los productos resultantes a 105ºC
durante 24 horas, y adicionalmente, se calcinaron en una atmósfera
de nitrógeno a 750ºC durante 3 horas para obtener muestras de
prueba tabulares que presentan un espesor de 25 mm.
Para cada muestra de prueba, se midió la
densidad, y adicionalmente, se hicieron mediciones de la resistencia
a la flexión en tres puntos y el coeficiente de expansión térmica y
una prueba de corrosión según los siguientes métodos. Los
resultados de las mediciones y los resultados de la prueba se
muestran en las tablas 1 a 4.
Para una probeta de 300 mm de largo, 75 mm de
ancho y 25 mm de espesor cortada de la muestra de prueba, se midió
la resistencia a la flexión en tres puntos a una distancia entre
puntos de apoyo de 200 mm y una velocidad de carga de 10 mm/min.
utilizando un autógrafo "AG-50kNG" fabricado
por Shimadzu Corporation.
Para una probeta de 20 mm de largo, 5 mm de
ancho y 5 mm de espesor cortada de la muestra de prueba, se midió
el coeficiente de expansión térmica mientras que se elevaba la
temperatura desde temperatura ambiente hasta 800ºC a una velocidad
de 5ºC/min. en el aire, utilizando un aparato de medición
termomecánico "TMA8310" fabricado por Rigaku Denki Kogyo Co.,
Ltd.
Se cortó una probeta que presentaba una forma
rectangular con un lado de aproximadamente 70 mm y un espesor de 25
mm de la muestra de prueba. Tal como se muestra esquemáticamente en
la figura 1, se colocó una columna de 8 mm de diámetro y 10 mm de
altura compuesta por una aleación de magnesio (AZ31) sobre una parte
casi central de la probeta dispuesta en un soporte, y se aplicó una
carga de 2 MPa sobre la superficie superior de la columna. En este
estado, se elevó la temperatura desde temperatura ambiente hasta
800ºC, tardando 2 horas, en una atmósfera de argón, fundiéndose de
ese modo la aleación de magnesio. Después de eso, se mantuvo la
probeta a 800ºC durante 1 hora en la atmósfera de argón en un
estado en el que se aplicó la misma carga sobre una superficie
líquida de la masa fundida de la aleación de magnesio, manteniendo
de ese modo el estado del contacto de la masa fundida de la probeta
con la aleación de magnesio. Tras un periodo de 1 hora, se liberó la
presión, y se recuperó la masa fundida de la aleación de magnesio
de la superficie de la probeta. Tras enfriarse la probeta hasta
temperatura ambiente, se observó la sección transversal de la
probeta, y se midió el área de una parte que estaba corroída por el
contacto con la masa fundida de la aleación de magnesio. El área que
prácticamente no representaba un problema particular se clasificó
como "A", el área que representaba un tanto un problema pero
que prácticamente no representaba un problema se clasificó como
"B" y el área que prácticamente representaba un problema se
clasificó como "C". Los resultados de los mismos se muestran en
las tablas 1 a 4.
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\vskip1.000000\baselineskip
(Tabla pasa a página
siguiente)
Los respectivos especímenes de muestra de los
ejemplos 1 a 8 presentan una mejora sustancial en la resistencia a
la corrosión en comparación con el espécimen de muestra del ejemplo
comparativo 1 que no contiene fluoruro. Además, presentan también
una mejora notable en la resistencia a la corrosión en comparación
con los especímenes de muestra de los ejemplos comparativos 2 a 5
que contienen nitruro de boro o carburo de silicio que se ha dicho
que son excelentes en resistencia a la corrosión frente a metales
fundidos. Además, en los especímenes de muestra de los ejemplos
comparativos 2 a 5, la velocidad de disminución de la resistencia a
la flexión es también alta. En cambio, en los respectivos
especímenes de muestra de los ejemplos 1 a 8, se inhibe también una
disminución en la resistencia a la flexión.
Claims (5)
1. Material termorresistente para una máquina de
colada de metal de bajo punto de fusión, que comprende silicato de
calcio y un fluoruro, en el que el silicato de calcio comprende por
lo menos un elemento seleccionado de entre el grupo constituido por
wollastonita (CaSiO_{3}), tobermorita
(5CaO\cdot6SiO_{2}\cdot5H_{2}O) y xonotlita
(6CaO\cdot6SiO_{2}\cdotH_{2}O).
2. Material termorresistente según la
reivindicación 1, en el que el fluoruro está presente en una
cantidad comprendida entre el 0,05 y el 30% en peso en cuanto al
contenido en flúor.
3. Material termorresistente según la
reivindicación 1 ó 2, en el que el fluoruro es por lo menos un
elemento seleccionado de entre el grupo constituido por fluoruro de
calcio (CaF_{2}), fluoruro de magnesio (MgF_{2}) y criolita
(Na_{3}AlF_{6}).
4. Material termorresistente según cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 3, en el que el material termorresistente
presenta una densidad comprendida entre 200 y 2.500 kg/m^{3} y una
resistencia a la flexión comprendida entre 1 y 20 MPa.
5. Utilización del material termorresistente
según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4 en una máquina de
colada de metal de bajo punto de fusión en un sitio en contacto con
un metal fundido de magnesio o una aleación que contiene
magnesio.
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