ES2842964T3 - Método y aparato para determinar el porcentaje de equivalente de carbono, carbono y silicio en metales ferrosos líquidos - Google Patents

Método y aparato para determinar el porcentaje de equivalente de carbono, carbono y silicio en metales ferrosos líquidos Download PDF

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Abstract

Un aparato para determinar el porcentaje de Equivalente de Carbono, Carbono y Silicio en una muestra de metal ferroso líquido; comprendiendo dicho aparato una estructura de copa refractaria (2); una cavidad (1); un cable de termopar (4); una carcasa de tubo de cuarzo (3); una base (6); agentes refrigerantes (5), un soporte (7), un cable de compensación (9) y un dispositivo electrónico (8); en el que la estructura de copa refractaria (2) está hecha de arena recubierta de resina; el diámetro y la altura de dicha estructura de copa están proporcionados para que estén dentro del intervalo de 20 a 40 mm y de 10 a 25 mm respectivamente; la cavidad (1) dimensionada para acomodar un peso de la muestra de metal líquido entre aproximadamente 50 y 180 g de peso; el cable de termopar (4) es capaz de medir la temperatura de dicha muestra de metal ferroso líquido en el intervalo de 1050 a 1400 °C; dicha carcasa de tubo de cuarzo (3) está dispuesta horizontalmente dentro de dicha estructura de copa (2) de manera que cubre dicho cable de termopar (4); dicha carcasa de tubo de cuarzo (3) evita el contacto entre dicho metal ferroso líquido y dicho cable de termopar (4) y elimina la posibilidad de contaminación; dicha carcasa de tubo de cuarzo (3) está sellada con agentes refractarios para evitar fugas por el orificio de dicha estructura de copa (2); una mezcla de aglutinantes refractarios y 0,20 a 0,50 g de agentes refrigerantes (5) dispuestos en el fondo de dicha estructura de copa refractaria; dicha copa (2) posee una base adecuada (6) y está dimensionada adecuadamente para encajar en el soporte (7); estando dispuesto dicho soporte (7) para llevar la señal de medición al dispositivo electrónico (8) a través de dicho cable de compensación (9) para un análisis adicional del porcentaje de equivalente de carbono, carbono y silicio en dicha muestra de metal ferroso líquido.

Description

DESCRIPCIÓN
Método y aparato para determinar el porcentaje de equivalente de carbono, carbono y silicio en metales ferrosos líquidos
Campo técnico:
La presente invención se refiere a un aparato y método para determinar el porcentaje de equivalente de carbono, carbono y silicio en metal ferroso líquido. Más particularmente, la presente invención se refiere a la detección de la composición de metal ferroso líquido en un tiempo mucho más rápido utilizando copas refractarias.
Antecedentes y técnica anterior:
El análisis térmico existente para la detección del porcentaje de equivalente de carbono, carbono y silicio requiere aproximadamente 180 segundos y consume aproximadamente 200-325 gramos de metal. El análisis térmico implica la medición y el análisis del patrón de enfriamiento del metal líquido, en condiciones controladas. Cuando se vierte metal líquido en una copa, se almacena la temperatura máxima registrada por la copa y se escanea un enfriamiento más lento. Durante el enfriamiento, cuando el primer núcleo se solidifica, cede su energía cinética, se observa una detención térmica, lo que metalúrgicamente se denomina temperatura de liquidus (TL). Esta temperatura, que es inversamente proporcional al porcentaje de equivalente de carbono (CE), ayuda a determinar el valor de %Ce. Al enfriar aún más, con la ayuda de una capa de telurio en la base de la copa, la muestra se enfría y se convierte en hierro blanco, en lugar de gris. Esto da la temperatura de solidificación (TS). La detección de Tl y TS ayuda a detectar el porcentaje de carbono y silicio.
El documento US5503475 se refiere a un método para determinar el equivalente de carbono, el contenido de carbono y el contenido de silicio de hierro fundido.
El documento US5720553 se refiere a un aparato y proceso para el análisis rápido por inmersión directa de hierro fundido.
El documento US 4.358.948 se refiere a un crisol de metal fundido que comprende un termopar horizontal (32) dispuesto como base.
Las copas existentes utilizadas son de forma redonda o cuadrada, de modo que se pueden acomodar 225-325 gramos de metal líquido para la prueba. El telurio se pega en la parte inferior de la copa o se recubre por toda la superficie interna de la copa. El cable del termopar utilizado para medir la temperatura es un cable grueso tipo K (CR-AL) de 22 SWG.
La patente estadounidense 3404570 describe el método y el aparato para determinar la concentración de un silicio en una muestra de un material eléctricamente conductor midiendo en una muestra vertida del material que se enfría de tal manera que exista un gradiente de temperatura a través de la muestra, la temperatura y una fuerza de termopar producida con la muestra en cada uno de los dos puntos de la muestra espaciados en la dirección del gradiente de temperatura. La magnitud de la diferencia entre las fuerzas electromotrices a una diferencia de temperatura predeterminada entre los puntos es representativa de la concentración del constituyente. Sin embargo, este método es complejo y requiere mucho tiempo.
La presente invención es rápida y sencilla y sólo lleva de 50 a 180 segundos. El concepto de composición de búsqueda en la presente invención es por análisis térmico frente a la medición de conductividad en la técnica anterior.
La patente de los Estados Unidos número 3546921 describe un método para producir una detención térmica inicial en la curva de enfriamiento de una muestra de hierro fundido hipereutéctico mediante la adición de estabilizadores de carburo como Bi, B, Ce, etc. .
Sin embargo, este método se aplica solo para la determinación de únicamente el equivalente de carbono mediante la determinación de la temperatura de liquidus. Esta invención no determina el % de carbono y el % de silicio en el metal.
La presente invención determina una detención térmica adicional llamada temperatura de solidus. Además, dos elementos adicionales, el carbono y el silicio se determinan frente al equivalente de carbono único en la técnica anterior.
La patente de EE.UU. n° 4059996 expone una mejora con respecto a la otra al describir una mancha de material en contacto con la pared inferior de una cavidad. La mancha de material incluye un material promotor de la formación de carburo y preferiblemente se mezcla con un material para generar hidrógeno. El material refractario ayuda a evitar que el material que promueve la formación de carburo se queme rápidamente y se mezcle demasiado rápido con el metal fundido. El hidrógeno así desprendido se utiliza para generar turbulencias en el metal que ayudan al material formador de carburo a llegar a cada esquina de la copa y así lograr la formación de carburos en toda la copa.
El problema con este método se debe a la turbulencia, la caída de temperatura se observa mientras se llena la copa y el llenado de la copa es un trabajo especializado. Se debe seguir una práctica de detener y repetir el vertido para evitar que el metal hirviendo salga de la copa. Todo esto tiene como objetivo lograr una distribución uniforme de los agentes refrigerantes por toda la copa.
En la presente invención, no se crea turbulencia. El material de formación de carburo se mezcla sin fuerza externa debido al menor volumen de copa. Esto evita la generación de hidrógeno nocivo a una temperatura tan alta de 1400 °C y las salpicaduras de metal de la copa.
La Patente de Estados Unidos N° 4515485 también describe la mejora en la Patente de Estados Unidos N° 4059996 para mezclar agentes de enfriamiento a través de la copa utilizando hidrógeno desprendido de una manera mejor controlada. Sin embargo, no resuelve completamente los problemas asociados con la ebullición y el derrame de metal debido a la generación de hidrógeno.
La presente invención elimina de raíz la causa de la creación de turbulencias al reducir el volumen de la copa que elimina el requisito de generación de turbulencia en el metal líquido.
La patente de EE.UU. n° 4274284 describe un método para mejorar el tiempo de respuesta del termopar Cromel Alumel que se utiliza para medir la temperatura de la copa. Un tiempo de respuesta elevado es muy esencial para una medición precisa de las detenciones térmicas, como se describe allí. El termopar está bajo tensión térmica constante hasta que se completa el análisis. Esto requiere el uso de un calibre más grueso que provoca un tiempo de respuesta y un mayor costo del cable y, por lo tanto, de la medición. El calibre del cable es más resistente a la tensión térmica, ya que el tiempo necesario para la medición es grande. Sin embargo, el termopar permanece expuesto al metal líquido y, por lo tanto, el metal contamina el termopar, lo que dificulta la precisión.
En la presente invención, el volumen de la muestra se reduce de 50 a 180 gramos frente a 200-325 gramos como requiere la técnica anterior. Debido al menor tiempo de muestreo, se reduce el tiempo durante el cual el termopar tiene que sufrir estrés térmico. Se puede usar un termopar más delgado debido al menor tiempo de exposición. En segundo lugar, un cable más delgado tiene un menor retardo y, por lo tanto, un mejor tiempo de respuesta. Por tanto, el objetivo de la técnica anterior de reducir el retardo de temperatura se consigue automáticamente reduciendo el diámetro del cable. La presente invención permite usar termopares más delgados, reduciendo así el costo de muestreo. El tubo de cuarzo (3) utilizado elimina la contaminación del material carbonoso, que es otro objetivo del estado de la técnica.
La patente de EE.UU. n° 6739750 proporciona un recipiente de muestreo para el análisis térmico de metal fundido al reducir el tiempo requerido con la ayuda de un recipiente de muestreo de tipo sonda. El volumen del recipiente se decide por la limitación en la precisión de la medición de la velocidad de enfriamiento. Se requiere que la velocidad de enfriamiento esté más cerca de (0 a - 0,20 como se menciona en la figura 3 B). En dicho proceso, el diámetro convencional de alrededor de 30 mm se redujo a alrededor de 20 mm y la profundidad convencional de 50 mm se redujo a 36 mm o más. El uso de esta técnica implica el uso de una muestra de tipo sonda más costosa que tiene una limitación de profundidad mínima de 36 mm de cavidad. Con la presente invención, mediante equipos y algoritmos, se mide una velocidad de enfriamiento de hasta 3 °C en lugar de 0,20 °C, lo que elimina la limitación de profundidad de 36 mm o más en la técnica anterior.
La patente de EE.UU. n° 5720553 describe el uso de inserciones metálicas, en lugar de agentes refrigerantes, para actuar como un disipador de calor promoviendo así la solidificación blanca. Sin embargo, el costo de la medición es alto y la técnica implica el tipo de muestreo por inmersión, que no es la medición preferida en todas partes. La presente invención usa agentes de enfriamiento y un volumen bajo de muestra de metal para promover la solidificación blanca.
Inconvenientes del estado de la técnica anterior:
1. El metal se solidifica en las manchas de hierro gris y blanco, lo que dificulta en gran medida la precisión de la prueba.
2. La temperatura de vertido del metal es muy alta. Se quema cierta cantidad de telurio, lo que afecta la calidad de la prueba.
3. El termopar está bajo tensión térmica constante hasta que se completa el análisis.
4. El metal se mantiene en el horno durante más tiempo, lo que provoca una pérdida de electricidad/potencia y deteriora la calidad del metal.
5. El análisis térmico requiere más tiempo.
6. La cantidad de metal necesaria para el análisis es mayor.
7. La cantidad de refrigerante necesaria es mayor.
Resumen de la presente invención:
El objeto principal de la presente invención es proporcionar;
A) Un método que utiliza una copa refractaria hecha de arena revestida de resina con una capacidad de 50 a 180 g en lugar de una copa de la técnica anterior que necesita una cantidad de 200-325 g.
B) Un equipo para la determinación del porcentaje de carbono, silicio y equivalente de carbono.
Otro objeto de la presente invención es aumentar la velocidad de enfriamiento reduciendo el tamaño de las copas revestidas con resina. Cuanto menor es el volumen, mayor es la relación superficie/peso y, por tanto, se consigue una mayor velocidad de enfriamiento.
Otro objeto más de la presente invención es lograr un equilibrio en la temperatura de vertido de manera que la temperatura y el tiempo requeridos estén disponibles para mezclar los agentes refrigerantes y al mismo tiempo se alcance la velocidad máxima de enfriamiento.
El propósito de la presente invención es reducir el tiempo necesario para que el material de enfriamiento se mezcle en cada esquina de la copa en poco tiempo reduciendo la distancia de los bordes desde el centro de la copa reduciendo las dimensiones de la copa.
El objetivo de la presente invención es ahorrar tiempo, es decir, de 50 a 80 segundos en comparación con la técnica anterior, que necesita 180 segundos y ahorrar el metal recogido en la cavidad para el análisis térmico.
Ventajas de la presente invención:
1. El metal se solidifica en hierro blanco a medida que aumenta la velocidad de enfriamiento reduciendo el tamaño de la copa y reduciendo así el volumen del metal líquido, lo que ayuda a la precisión de la prueba.
2. La tensión en el termopar dura menos tiempo ya que el tiempo requerido para el análisis se reduce debido a la velocidad de enfriamiento más rápida.
3. El tiempo necesario para que el material de enfriamiento (telurio) se mezcle en cada esquina de la copa se reduce a medida que se cambian las dimensiones de la copa.
4. El metal se mantiene en el horno durante un período más corto, lo que ahorra electricidad/energía y ayuda a mantener la calidad del metal.
5. La cantidad de metal requerida para el análisis es menor y por lo tanto disminuye el desperdicio de metal.
6. Se reduce la cantidad de agentes refrigerantes para convertir el hierro gris en hierro blanco.
7. La presente invención proporciona por tanto un método conveniente y rápido para el análisis térmico de un metal ferroso líquido.
Descripción de la presente invención:
De acuerdo con la presente invención para el análisis térmico de un metal ferroso líquido, se proporciona un aparato y método para determinar la concentración de un constituyente en un metal ferroso líquido. Más particularmente, la presente invención se refiere a un método y aparato para la determinación del porcentaje de carbono, silicio y equivalente de carbono utilizando equipo electrónico.
Aparato:
El aparato de la presente invención se ilustra en la figura 1 del dibujo adjunto. La figura 2 representa el diagrama de bloques del dispositivo electrónico.
El aparato de la presente invención comprende un pozo o molde o estructura de copa refractaria (2), cavidad (1), cable de termopar (4), tubo de cuarzo (3), base (6), telurio (5), soporte (7), cable de compensación (9) y dispositivo electrónico (8).
La estructura de copa refractaria o molde (2) está hecha de arena revestida de resina. La arena soporta altas temperaturas de 1050 °C a 1400 °C ya que es refractaria por naturaleza. El diámetro y la altura de la estructura de la copa (2) es de aproximadamente 20 a 40 mm y de 10 a 25 mm, respectivamente, de modo que el peso del metal en la copa es de aproximadamente 50 a 180 g.
El cable de termopar tipo K (CR-AL) 22 a 24 swg (4) se utiliza para medir la temperatura. La carcasa del tubo de cuarzo (3) se coloca horizontalmente en la estructura de la copa (2) de manera que cubra el cable CR-AL (4). El tubo de cuarzo (3) evita el contacto del metal ferroso líquido y el cable del termopar (4) y elimina la posibilidad de contaminación. El tubo de cuarzo (3) está sellado con agentes refractarios para que no haya fugas por el orificio de la copa (2).
Los agentes refrigerantes tales como bismuto, boro, cerio, plomo, magnesio y telurio (5) se mezclan con aglutinantes refractarios y se pegan en el fondo de la copa como agente refrigerante. La cantidad de agentes refrigerantes utilizados es de 0,20 a 0,50 g. (0,2 a 0,6% en peso).
La copa refractaria (2) tiene una base adecuada (6) para encajarla en el soporte (7). Este soporte luego lleva la señal al dispositivo electrónico (8) a través del cable de compensación (9) para un análisis adicional del porcentaje de carbono, silicio y equivalente de carbono.
Un dispositivo electrónico (8) capaz de detectar puntos de detención térmica a altas velocidades de enfriamiento está conectado al soporte (7) a través de un cable de compensación (9). Este dispositivo electrónico (8) encuentra la temperatura de liquidus y solidus según el algoritmo, almacena, convierte y muestra los valores correspondientes de % CE, % carbono y % Si en la pantalla.
El dispositivo electrónico (8) comprende un equipo de acondicionamiento de señal (8a), un convertidor de señal analógica a digital (8b), un procesador de entrada y salida (8c), pantalla (8d) y procesador de señal digital (8e). Método:
La muestra líquida de metal ferroso se vierte en una cavidad (1) de la copa (2). La temperatura máxima registrada por la copa (2) se almacena en el dispositivo electrónico (8) y se escanea el enfriamiento adicional. El calor liberado cuando la austenita comienza a precipitar produce una parada isotérmica en la curva de enfriamiento. Durante la solidificación en la copa, se emite calor latente. Debido al efecto del enfriamiento natural y la liberación de calor latente, se alcanza un equilibrio térmico y se obtiene una detención térmica. Esta temperatura se llama temperatura de liquidus (TL). La detención encontrada, según esta invención, es relativamente débil debido a la velocidad de enfriamiento más rápida. Esta detención débil se debe al menor peso de la muestra y, por lo tanto, al menor calor latente disponible para detener la temperatura. Al ser la temperatura de liquidus inversamente proporcional al % de equivalente de carbono (CE), se determina empíricamente el valor de % CE.
La muestra se enfría con la ayuda de agentes refrigerantes (5) que recubren el fondo de la copa (2) desde el interior de la cavidad y la muestra se convierte en hierro blanco. Cuando todo el metal líquido solidifica se obtiene una detención térmica adicional. Esta temperatura se llama temperatura de solidus (TS). El tiempo necesario para que se complete el análisis es de aproximadamente 50 a 80 segundos.
Es una propiedad de cualquier sustancia tener un punto de congelación fijo. Pero el hierro fundido, hierro sg, o hierro dúctil que está bajo consideración de la presente invención es una excepción a esto. Generalmente el hierro considerado en la presente invención solidifica mostrando una estructura gris cuando se fractura. En tal caso, el hierro con la misma composición solidifica a diferente temperatura dependiendo de la nucleación. Cuanto mayor es la nucleación, mayor es el punto de congelación. Pero cuando se deja enfriar rápidamente, se solidifica creando una fractura blanca. Se llama solidificación metaestable. El hierro con la misma composición solidifica a una temperatura única si se deja solidificar a una temperatura de solidificación metaestable.
El diagrama universal de hierro-carbono/diagrama de hierro-carbono-silicio muestra diferentes composiciones de solidificación para diferentes valores de temperatura de liquidus y solidus para la solidificación blanca.
La presente invención hace uso de la solidificación metaestable. El metal se enfría rápidamente con agentes refrigerantes. Esto hace que se produzca una solidificación metaestable. El instrumento detecta la temperatura de solidificación del hierro. Se introduce en el instrumento una tabla de diferentes valores de temperaturas de solidificación frente a su correspondiente composición. El algoritmo busca valores almacenados de temperatura de liquidus y solidus y localiza los valores correspondientes de % de equivalente de carbono,% de carbono.
El valor de % Si se calcula usando la fórmula
% de equivalente de carbono = % de carbono (1/3)* % de silicio La menor cantidad de muestra considerada en la presente invención se enfría más rápido que la cantidad de muestra convencional. Por tanto, la presente invención utiliza el instrumento, que puede procesar velocidades de enfriamiento más altas.
Las velocidades de enfriamiento más rápidas se miden debido a la menor cantidad de muestra bajo prueba. El equipo y el algoritmo usados en la presente invención pueden manejar velocidades de enfriamiento de 0 a 3 °C/s mientras encuentran temperaturas de liquidus y solidus.
El método que utiliza el equipo y algoritmo para el proceso completo se describe en detalle en este documento.
1. Cuando se vierte metal líquido en la copa (2), el termopar dentro de la copa (2) se calienta y genera una señal en milivoltios.
2. El acondicionamiento de la señal (8a) de los milivoltios se realiza utilizando varios componentes como filtros y condensadores.
3. La señal analógica se convierte en señal digital utilizando un convertidor de señal analógica a digital de alta resolución (8b) para que el procesador de entrada y salida (8c) pueda procesarla.
4. Se almacenan todos los puntos del proceso de enfriamiento en una matriz utilizando el procesador de entrada y salida (8c).
5. Se genera una curva utilizando un motor de procesador de señal digital (8e). La interpolación de los puntos intermedios se realiza para suavizar la curva.
6. La velocidad de enfriamiento instantánea, es decir, la primera derivada en cada punto de la curva de enfriamiento suavizada, la realiza el motor del procesador de señales digitales (8e) y los valores de la velocidad de enfriamiento se almacenan en otra matriz.
7. El motor del procesador de señal digital (8e) aplica un filtro para ajustar una curva suave para el gráfico de la 1a derivada por interpolación.
8. Se encuentra la segunda derivada en cada punto de la curva de la primera derivada suavizada y los valores de la segunda derivada se almacenan en otra matriz.
9. El motor del procesador de señal digital (8e) aplica un filtro para ajustar una curva suave para el gráfico de la segunda derivada por interpolación y los valores obtenidos se almacenan en otra matriz.
10. La tercera derivada en cada punto de la curva de la segunda derivada suavizada se encuentra con la ayuda del procesador de señal digital (8e) y los valores de la tercera derivada se almacenan en otra matriz.
11. Los puntos de cruce máximo, mínimo y cero de la tasa de enfriamiento, las curvas de ia y 2a derivadas se encuentran utilizando un motor de procesador de señal digital (8e).
12. La temperatura de liquidus y la temperatura de solidus se detectan utilizando los puntos mencionados anteriormente.
Detección de puntos de liquidus y solidus: cuando el hierro que contiene carbono y silicio se solidifica, lo hace en el rango de temperatura en lugar de solidificarse en un punto de congelación particular. Cuando se vierte material en la copa (2), el dispositivo electrónico (8) detecta la temperatura máxima. Cuando se deja enfriar el material, inicialmente comienza a enfriarse a la velocidad máxima de enfriamiento. Cuando la temperatura alcanza la temperatura de solidificación, algunas moléculas comienzan a solidificarse para precipitar la austenita y así proporcionar el calor latente de solidificación. El resultado del enfriamiento natural del material y la evaluación del calor latente reducen la velocidad de enfriamiento del metal solidificado. Dependiendo de la cantidad de calor latente disponible con el metal solidificado, la velocidad de enfriamiento comienza a descender, alcanza un nivel mínimo y comienza a aumentar nuevamente. La temperatura de menor velocidad de enfriamiento alcanzada es la temperatura de liquidus. Dado que las lecturas se almacenan como tiempo vs temperatura, la primera derivada de estos puntos es la tasa de enfriamiento y la segunda derivada es la tasa de cambio de la tasa de enfriamiento. Por lo tanto, cuando la segunda derivada pasa por cero, se obtienen los mínimos en la curva de velocidad de enfriamiento. La temperatura correspondiente es la temperatura de liquidus. Con el mismo principio se encuentra la temperatura de solidus. Cuando el material se enfría más, alcanza una temperatura en la que el material es completamente sólido. Vuelve a emitir calor y la velocidad de enfriamiento vuelve a bajar. Este cambio en la velocidad de enfriamiento se detecta y se registra como temperatura de solidus. Usando el algoritmo, la velocidad de enfriamiento de 0 a 3 °C./s. puede medirse, manipularse y analizarse mediante el procesador de entrada y salida (8c) del dispositivo electrónico (8) para detectar temperaturas de liquidus y solidus.
13. La tabla empírica de temperatura frente a los correspondientes % de equivalente de carbono y % de carbono se almacenan en el procesador de entrada y salida utilizando el diagrama de hierro y carbono. El procesador de entrada y salida (8c) encuentra el valor correspondiente del equivalente de carbono utilizando la temperatura de liquidus y muestra su valor en el dispositivo electrónico (8).
14. El procesador de entrada y salida (8c) se usa para encontrar el % de silicio usando la siguiente fórmula. % equivalente de carbono = % de carbono (1/3) * % de silicio.
15. El procesador de entrada y salida (8c) envía valores de % carbono y % silicio, temperatura de liquidus y solidus y muestra los valores en la pantalla (8d) del dispositivo electrónico (8).
El procesamiento importante en este equipo y algoritmo reside esencialmente en el paso 5, donde se aplica un filtro y se genera un ajuste de curva suave. Este algoritmo asegura valores más precisos cuando se trabaja con una mayor tasa de enfriamiento. El algoritmo es capaz de detectar la temperatura de liquidus y la temperatura de solidus hasta una velocidad de enfriamiento de 3 grados/s mientras encuentra las temperaturas de liquidus y solidus.
Se proporcionan aquí descripciones detalladas de la realización preferida; sin embargo, debe entenderse que la presente invención puede realizarse de diversas formas. Por lo tanto, los detalles específicos descritos en este documento no deben interpretarse como limitantes, sino más bien como una base para las reivindicaciones y como una base representativa para enseñar a un experto en la técnica a emplear la presente invención en prácticamente cualquier sistema, estructura o materia apropiadamente detallada.
Las realizaciones de la invención descritas anteriormente y el método descrito en el presente documento sugerirán modificaciones y alteraciones adicionales a los expertos en la técnica. Tales modificaciones y alteraciones adicionales pueden realizarse sin apartarse del espíritu y alcance de la invención; que se define por el alcance de las siguientes reivindicaciones.

Claims (7)

REIVINDICACIONES
1. Un aparato para determinar el porcentaje de Equivalente de Carbono, Carbono y Silicio en una muestra de metal ferroso líquido; comprendiendo dicho aparato una estructura de copa refractaria (2); una cavidad (1); un cable de termopar (4); una carcasa de tubo de cuarzo (3); una base (6); agentes refrigerantes (5), un soporte (7), un cable de compensación (9) y un dispositivo electrónico (8); en el que la estructura de copa refractaria (2) está hecha de arena recubierta de resina; el diámetro y la altura de dicha estructura de copa están proporcionados para que estén dentro del intervalo de 20 a 40 mm y de 10 a 25 mm respectivamente; la cavidad (1) dimensionada para acomodar un peso de la muestra de metal líquido entre aproximadamente 50 y 180 g de peso;
el cable de termopar (4) es capaz de medir la temperatura de dicha muestra de metal ferroso líquido en el intervalo de 1050 a 1400 °C;
dicha carcasa de tubo de cuarzo (3) está dispuesta horizontalmente dentro de dicha estructura de copa (2) de manera que cubre dicho cable de termopar (4); dicha carcasa de tubo de cuarzo (3) evita el contacto entre dicho metal ferroso líquido y dicho cable de termopar (4) y elimina la posibilidad de contaminación; dicha carcasa de tubo de cuarzo (3) está sellada con agentes refractarios para evitar fugas por el orificio de dicha estructura de copa (2); una mezcla de aglutinantes refractarios y 0,20 a 0,50 g de agentes refrigerantes (5) dispuestos en el fondo de dicha estructura de copa refractaria; dicha copa (2) posee una base adecuada (6) y está dimensionada adecuadamente para encajar en el soporte (7); estando dispuesto dicho soporte (7) para llevar la señal de medición al dispositivo electrónico (8) a través de dicho cable de compensación (9) para un análisis adicional del porcentaje de equivalente de carbono, carbono y silicio en dicha muestra de metal ferroso líquido.
2. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicho dispositivo electrónico (8) comprende un equipo de acondicionamiento de señal (8a);
un convertidor de señal analógica a digital (8b);
un procesador de entrada y salida (8c);
una pantalla (8d); y
un procesador de señales digitales (8e).
3. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la estructura de copa es poligonal.
4. Un aparato de acuerdo la reivindicación 1, en el que los agentes refrigerantes se seleccionan de entre telurio, bismuto, boro, cerio, plomo y magnesio.
5. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el cable de termopar es un tipo K (cable de termopar CR-AL.)
6. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la medición del porcentaje de equivalente de carbono, carbono y silicio tarda de 50 a 180 segundos
7. Un método de utilización del aparato de acuerdo con la reivindicación 1 y la reivindicación 2 para determinar el porcentaje de equivalente de carbono, carbono y silicio en una muestra líquida de metal ferroso que comprende las etapas de:
a. Verter la muestra líquida de metal en dicha copa (2), calentando así dicho cable de termopar dentro de dicha copa (2) y generando una señal en milivoltios;
b. Realizar el acondicionamiento de señal (8a) de la señal de termopar generada en milivoltios usando varios componentes como filtros y condensadores;
c . Convertir la señal analógica a una señal digital que usa un convertidor de señal analógica a digital de alta resolución (8b) permitiendo así el procesamiento por parte del procesador de entrada y salida (8c); d. Almacenar todos los puntos del proceso de enfriamiento en una matriz usando el procesador de entrada y salida (8c);
e. Generar una curva suavizada utilizando un motor de procesador de señal digital (8e); por interpolación de los puntos intermedios;
f. Almacenar en otra matriz la tasa de enfriamiento y la tasa de enfriamiento instantánea, es decir, la primera derivada en cada punto de la curva de enfriamiento suavizada;
g. Aplicar un filtro usando dicho motor de procesador de señales digitales (8e) para ajustar una curva suave para el gráfico de la 1a derivada por interpolación; donde la primera derivada representa la velocidad de enfriamiento;
h. Encontrar la segunda derivada en cada punto de la curva de la primera derivada suavizada y almacenar en otra matriz los valores de la segunda derivada; donde la segunda derivada representa la tasa de cambio de la tasa de enfriamiento
i. Aplicar un filtro usando dicho motor de procesador de señal digital (8e) para ajustar una curva suave para el gráfico de la segunda derivada por interpolación y almacenar los valores obtenidos en otra matriz;
j. Encontrar la tercera derivada en cada punto de la curva de la segunda derivada suavizada usando dicho motor de procesador de señal digital (8e) y almacenar los valores de la tercera derivada en otra matriz; k. Encontrar los puntos de cruce máximo, mínimo y cero de la velocidad de enfriamiento, curvas de 1a y 2a derivadas utilizando dicho motor de procesador de señales digitales (8e);
l. Detectar la temperatura de liquidus y solidus usando los puntos mencionados anteriormente; en donde (i) la temperatura de liquidus es la temperatura de la velocidad de enfriamiento más baja alcanzada identificada por el punto donde la segunda derivada obtenida en (h) pasa por cero, de modo que se obtienen los mínimos en la curva de velocidad de enfriamiento; y
(ii) la temperatura de solidus es la temperatura en la que el material es completamente sólido, identificada como la temperatura a la que el material emite calor y se detecta una caída adicional en la velocidad de enfriamiento;
(iii) la temperatura de liquidus y la temperatura de solidus pueden ser detectadas por el procesador de entrada y salida (8c) de dicho dispositivo electrónico (8) usando un algoritmo para medir, manejar y analizar una tasa de enfriamiento de 0 a 3 °C/s; como
(A) cuando el hierro que contiene carbono y silicio solidifica, lo hace en el rango de temperatura en lugar de solidificarse en un punto de congelación particular;
(B) cuando se vierte la muestra en dicha copa (2), dicho dispositivo electrónico (8) detecta la temperatura máxima;
(C) cuando se deja enfriar la muestra, inicialmente comienza a enfriarse a la velocidad máxima de enfriamiento;
(D) cuando la temperatura alcanza la temperatura de solidificación, algunas moléculas comienzan a solidificarse para precipitar la austenita y así dar calor latente de solidificación;
(E) el enfriamiento natural resultante de la muestra y la evaluación del calor latente reducen la velocidad de enfriamiento de la muestra de metal solidificado; dependiendo de la cantidad de calor latente disponible con la muestra de metal solidificado, la velocidad de enfriamiento comienza a reducirse, alcanza un nivel mínimo y luego comienza a aumentar nuevamente;
(F) dado que las medidas obtenidas se almacenan como tiempo frente a temperatura, la primera derivada de estos puntos es la velocidad de enfriamiento y la segunda derivada es la tasa de cambio de la velocidad de enfriamiento;
(G) cuando la segunda derivada pasa por cero, se obtiene el mínimo en la curva de velocidad de enfriamiento y la temperatura correspondiente es la temperatura del líquido; y
(H) cuando la muestra se enfría más, alcanza una temperatura en la que la muestra es completamente sólida; y de nuevo emite calor y la velocidad de enfriamiento vuelve a bajar; se detecta este cambio en la velocidad de enfriamiento y se identifica la temperatura de solidus;
m. Almacenar en dicho procesador de entrada y salida (8c) la tabla empírica de temperatura frente al correspondiente % de equivalente de carbono y % de carbono usando el diagrama de hierro y carbono; usar dicho procesador de entrada y salida (8c) para encontrar el valor correspondiente de equivalente de carbono usando temperatura de liquidus y mostrar su valor en dicho dispositivo electrónico (8);
n. Usar el procesador de entrada y salida (8c) para encontrar el % de silicio usando la siguiente fórmula:
% de equivalente de carbono = % de carbono (1/3)* % de silicio
o. Enviar valores de % carbono y % silicio, temperatura de liquidus y solidus desde dicho procesador de entrada y salida (8c) y mostrar valores en la pantalla (8d) de dicho dispositivo electrónico (8).
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