ES2385643B1

ES2385643B1 - Procedimiento para estimación de la conductividad eléctrica de una aleación.

Info

Publication number: ES2385643B1
Application number: ES200930719A
Authority: ES
Inventors: Lluis Riera Fontana; Núria FERRER CRUSELLAS; Joaquim Morela Traveria
Original assignee: La Farga Lacambra SA
Current assignee: La Farga Lacambra SA
Priority date: 2009-09-23
Filing date: 2009-09-23
Publication date: 2013-06-13
Anticipated expiration: 2029-09-23
Also published as: ES2385643A1

Abstract

Procedimiento para estimación de la conductividad eléctrica de una aleación que comprende las etapas siguientes:#a) obtener la composición química de una aleación en estado líquido por medio de espectrometría de emisión óptica.#b) realizar un modelo numérico de la conductividad eléctrica de la aleación en función de la concentración de cada uno de los elementos presentes en la composición química de la misma.#c) calcular la conductividad de la aleación en estado líquido mediante aplicación del modelo numérico obtenido en el paso b).#d) contrastar la conductividad eléctrica de la aleación en estado líquido calculada en el apartado c) con la conductividad eléctrica medida a partir de muestras del producto en estado sólido.

Description

PROCEDIMIENTO PARA ESTIMACiÓN DE LA CONDUCTIVIDAD ELÉCTRICA DE UNA ALEACiÓN.

Objeto de la invención. 5 La presente invención se refiere a un procedimiento que permite estimar la conductividad eléctrica de una aleación cuando esta se encuentra aún en estado líquido.

La presente invención resulta de gran interés para el sector de la fundición de metales

en general, y especialmente para la fabricación de componentes destinados a la transmisión de

energ ía eléctrica.

Antecedentes de la invención.

En la actualidad, la conductividad eléctrica de un metal se mide una vez que dicho
material se encuentra en estado sólido. Es decir, después de que éste haya sido sometido a los distintos procesos de transformación que permiten pasar de la aleación en estado líquido al producto final.

15 Por ejemplo, en la fabricación de un alambrón de cobre mediante un procedimiento de Colada Continua, la aleación de cobre en estado líquido sale del horno de fusión para ser introducida en la rueda de colada, dónde se produce la solidificación continua del material, y se le proporciona una forma de barra trapezoidal. El material solidificado que sale de la rueda de colada se encuentra en un estado sólido maleable a una temperatura alrededor de 900 oC. Ello

20 permite al material afrontar las distintas etapas de deformación en caliente que sufre a continuación y que permiten transformarlo hasta el producto final de diámetro deseado. Estas etapas comprenden: desbastado de la barra, laminación en caliente, decapado, enfriado, secado, control continuo de defectos, aplicación de antioxidante y enrollado, entre otros. Al final se obtiene un producto en estado sólido, denominado alambrón, de peso y diámetro variable en

25 función de su destino final. Este producto se utiliza como materia prima para la fabricación de hilos y cuerdas flexibles y rígidas que constituyen la parte conductora de los cables para el transporte de energía eléctrica. Una vez obtenidos los rollos de alambrón según el procedimiento descrito anteriormente es necesario inmovilizarlos en un almacén intermedio a la espera de tener los

30 resultados que permitirán clasificarlo y enviarlo al almacén de expedición para la entrega al cliente final. Los rollos de alambrón se clasifican y almacenan de acuerdo a sus propiedades físicas y químicas. Entre las distintas propiedades físicas, presenta una destacada importancia la conductividad eléctrica, sobre todo considerando que dicho alambrón será destinado de forma casi exclusiva a la fabricación de cables para la transmisión de energía eléctrica. Por ello, tras todas las etapas del procedimiento descrito anteriormente se debe medir la conductividad eléctrica de cada alambrón antes de que éstos sean enviados al almacén de expedición. La conductividad eléctrica del alambrón viene determinada de forma estándar por la medición de la resistencia eléctrica a 20 oC de un segmento de 1 metro de longitud por medio de un puente de Wheatstone (figura 1).

De acuerdo con el procedimiento anteriormente descrito se desprende la necesidad de

disponer de un importante espacio para almacenar el alambrón a la espera de obtener los

resultados de su conductividad eléctrica y poder así clasificarlo adecuadamente en el almacén

de expedición para ser enviado al cliente (figura 2).

5: Los valores de conductividad obtenidos pueden resultar, en ocasiones, insatisfactorios

como consecuencia de un cambio en la composición química de la aleación presente en el

horno de fusión. Dichos valores no esperados se detectan una vez que ya ha sido fabricada

una considerable cantidad de alambrón que probablemente tenga que ser desechada por no

cumplir los requisitos exigidos, incrementando los costes operativos.

1 O: Los problemas anteriormente descritos, que han sido comentados tomando como

ejemplo un procedimiento de Colada Continua para la fabricación de alambrón de cobre, se

hacen extensivos a cualquier tipo de procedimiento en el que partiendo de un metal o aleación

en estado líquido tenga como objeto fabricar cualquier producto en estado sólido del que sea

necesario conocer su conductividad eléctrica.

15: La presente invención resuelve los problemas anteriormente expuestos mediante un

procedimiento que permite estimar la conductividad eléctrica de una aleación cuando ésta se

encuentra en estado líquido. Ello permite hacer una clasificación previa del producto en el

momento de ser fabricado de modo que éste sea trasladado directamente al almacén de

expedición, eliminando los almacenes intermedios. Posteriormente, los valores de la

20: conductividad eléctrica estimada se contrastaran con los resultados de los análisis mediante el

puente de Wheatstone, de este modo se verifica la fiabilidad de la conductividad estimada para

asegurar la calidad. Gracias a ello, la presente invención ofrece unas notables ventajas en

logística y ahorro de espacio, ya que no es necesario tener un stock de producto en un

almacén intermedio a la espera de tener los resultados de conductividad eléctrica, sino que

25: éste se traslada directamente al almacén de expedición.

Por otro lado, las diferencias entre los valores estimados y los valores reales permiten

detectar problemas asociados al proceso de laminación, tales como endurecimiento del

material por daño mecánico con la consecuente pérdida de conductividad eléctrica. De este

modo, el hecho de confrontar los valores teóricos con los reales permite actuar rápidamente

30: sobre el proceso para solucionar cualquier problema de laminación.

Descripción de la invención.

El procedimiento para la estimación de la conductividad eléctrica de una aleación de

acuerdo a la presente invención comprende las etapas o pasos siguientes:

Etapa a) análisis de la composición química de la aleación en estado líquido por medio

35: de espectrometría de emisión óptica. Esta técnica se basa en la emisión de fotones por parte

de los diferentes elementos que componen una muestra en estado sólido al ser excitada por

medio de una chispa. Cada elemento emite una serie de fotones con una determinada longitud

de onda que lo identifica; la cantidad de los fotones emitidos define la concentración del

elemento. Para llevar a cabo el análisis se toma una muestra líquida de la aleación del horno

de fusión, mediante un recipiente con forma de vaso cónico para que la muestra líquida al

pasar a estado sólido pueda ser liberada con facilidad. Posteriormente la muestra se somete a

un proceso de fresado para obtener una superficie lisa y brillante que resulta indispensable

para medir con exactitud la composición química.

5: Etapa b) realización de un modelo numérico de la conductividad eléctrica de la aleación

en función de la concentración de cada uno de los elementos presentes en la composición

química de la misma. Dicho modelo numérico comprende un coeficiente de peso relativo para

cada elemento de la aleación. La cuantificación de los coeficientes de peso relativo tiene como

punto de partida el análisis de una extensa serie de muestras patrón. Las muestras patrón

1 O: consisten en una serie de alambrones cuya conductividad eléctrica se ha determinado

mediante el puente de Wheatstone o cualquier otro método normalizado. Dichos alambrones

proceden de la misma colada a partir de la cual se obtiene la muestra líquida. Se toman como

muestras patrón aquéllas cuya composición química está dentro del rango de variación posible

de la aleación con el objeto de que el modelo numérico de interpolación basado en regresión

15: lineal de variables múltiples sea lo más preciso posible.

El valor numérico de cada uno de los coeficientes de peso relativo asociado a cada

elemento químico se determina maximizando el coeficiente de correlación entre el modelo

numérico y las conductividades eléctricas de las muestras patrón.

La etapa e) consiste en calcular la conductividad eléctrica de la aleación, cuando ésta

20: todavía se encuentra en estado líquido, mediante la aplicación del modelo numérico obtenido

en el paso b ).

A la vez que el modelo numérico proporciona la conductividad eléctrica estimada de la

aleación en estado líquido se desarrolla el proceso de fabricación del alambrón o el producto

en estado sólido. Una vez obtenido el mismo se almacena directamente en el almacén de

25: expedición en el lugar que le toque según la conductividad eléctrica estimada y se extrae una

muestra para la posterior determinación de la conductividad eléctrica real.

Posteriormente, durante la etapa d) se contrasta la conductividad eléctrica de la

aleación en estado líquido calculada en el apartado e) con la conductividad eléctrica medida de

las muestras del producto en estado sólido, para verificar que ambas coinciden.

30: Breve descripción de los dibujos.

La figura 1 muestra la configuración del puente de Wheatstone, donde la resistencia

eléctrica se determina según: Rx = (R1 X R3) 1R2.

La figura 2 muestra un diagrama de bloques con los flujos de movimiento del material

según la situación actual y según la presente invención. La situación actual se encuentra

35: reflejada mediante flechas de trazos discontinuos, mientras que los flujos de acuerdo a la

presente invención se muestran mediante flechas de trazos continuos.

La figura 3 muestra un gráfico, que se muestra a modo de ejemplo, donde se aprecian

distintos valores de conductividad eléctrica medida frente a sus valores correspondientes de

conductividad eléctrica estimada, así como la correlación entre dichos valores.

Ejemplos.

A continuación se describe un ejemplo que ayuda a comprender mejor la invención y

que se relaciona expresamente con una realización de dicha invención que se presenta como

un ejemplo no limitativo de ésta.

5: El presente ejemplo se refiere a la estimación de la conductividad eléctrica de una

aleación de base cobre que se encuentra en estado líquido. Dicha aleación se utiliza para la

fabricación, por medio de un procedimiento de Colada Continua, de un alambrón de cobre con

aplicación final dentro del campo de la transmisión de la energía eléctrica.

La composición química de la aleación, cuando ésta se encuentra en estado líquido, se

1O: determina mediante espectrometría de emisión óptica a partir de una muestra líquida de la

misma obtenida directamente del horno de fusión. Entre la composición química obtenida

pueden encontrarse elementos metálicos conductores como: Ag, Ni, Sn, entre otros. También

pueden encontrarse elementos semiconductores como: Sb, Te, Se, entre otros. El presente

ejemplo contempla la presencia de tres elementos químicos A, B y C en la aleación de base

15: cobre.

Tras determinar la composición química de la aleación se toman n muestras patrón con

composiciones:

20

Las muestras patrón se obtienen a partir de alambrones fabricados de la misma colada

a partir de la cual se obtiene la muestra líquida. Las muestras patrón se seleccionan de modo

que el modelo numérico sea lo más real posible, tomando aquéllas cuya composición química

está dentro del rango de variación posible de la aleación.

25: Las muestras patrón anteriores presentan conductividades eléctricas conocidas:

Dichas conductividades eléctricas se obtienen a través de los métodos de medición de

30: la resistividad eléctrica tradicionales, en condiciones estándar, a 20° de temperatura sobre

muestras patrón de 1 m de longitud. Los resultados se ofrecen en %1ACS (lnternational

Annealed Copper Standards).

Para realizar el modelo numérico se utiliza una variable arbitraria X definida como:

35: x =a[A]+ MB]+8[c] (1)

5: Donde a, {3 y ó son los pesos relativos asociados a las concentraciones [A], [B] y [C] expresadas en ppm de los elementos químicos A, By C, respectivamente Se considera que la conductividad eléctrica K(X) es continua y derivable indefinidamente y por lo tanto desarrollable en serie de potencias de X alrededor de un punto Xo cualquiera:

K(X) =K(X0 )+ D · K'(X0 )·(X-X 0 )+ E· K"(X0 )· (X-X 0 ) 2 + ...: (2)

1 O 15: El proceso de obtención de la fórmula implica obtener los coeficientes de ajuste a, {3 y ó tales que para el grado de polinomio en X deseado (normalmente 1, ajuste lineal) maximicen el ajuste de K(X) respecto a las conductividad es eléctricas K1 ... Kn. La maximización se realiza sobre el coeficiente de correlación entre las conductividad es eléctricas K1 ... Kn medidas en las muestras patrón y sus X1 ... Xn deducidas según la expresión, de modo que el valor del coeficiente de correlación obtenido sea lo más cercano posible a 1. La tabla 1 muestra un ejemplo de coeficientes de peso relativos asociados a su correspondiente elemento químico.

TABLA 1

Elemento Químico: Zn Pb Sn Ni Te As

Coeficiente de peso: 1,6501 0,0235 0,0970 3,9293 8,2492 3,6876

TABLA 1 (continuación)

Elemento Químico: Se Sb Ag o P, Mn, Fe, Si, Mg, Cr, Cd, Bi, Co, Al

Coeficiente de peso: -5,9240 0,9979 0,3637 1,0000 o

Claims

REIVINDICACIONES

1.-Procedimiento para estimación de la conductividad eléctrica de una aleación caracterizado porque comprende las etapas siguientes: a) obtener la composición química de la aleación en estado líquido por medio de

5 espectrometría de emisión óptica. b) realizar un modelo numérico de la conductividad eléctrica de la aleación en función de la concentración de cada uno de los elementos presentes en la composición química de la misma. e) calcular la conductividad eléctrica de la aleación en estado líquido mediante aplicación del

1 O modelo numérico obtenido en la etapa b). d) contrastar la conductividad eléctrica de la aleación en estado líquido calculada en el
apartado e) con la conductividad eléctrica medida a partir de muestras del producto en estado sólido.
2.-Procedimiento para estimación de la conductividad eléctrica de una aleación según la

20 4.-Procedimiento para estimación de la conductividad eléctrica de una aleación según la reivindicación 3 caracterizado porque los coeficientes de peso relativo se determinan de modo que se maximice el grado de correlación entre el modelo numérico y las conductividades eléctricas de las muestras patrón.

15 reivindicación 1 caracterizado porque el modelo numérico comprende un coeficiente de peso relativo para cada elemento de la composición química de la aleación. la conductividad eléctrica de una aleación según la caracterizado porque la cuantificación de los coeficientes de ajuste parte de en estado sólido de conductividad eléctrica conocida.