ES2901405T3 - Un proceso sin magnesio para producir hierro de grafito compacto (HGC) - Google Patents
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Abstract
Un proceso sin magnesio para producir hierro de grafito compacto que comprende poner una aleación de tratamiento en una cuchara de tratamiento, poner un inoculante sobre la misma en la cuchara de tratamiento y verter un metal de base fundido en la misma, en donde dicha aleación de tratamiento comprende hierro, silicio y lantano, en donde el lantano constituye el 330 % con respecto al peso de la aleación de tratamiento y el silicio constituye el 4050 % con respecto al peso de la aleación de tratamiento, en donde la aleación de tratamiento comprende opcionalmente al menos uno de entre calcio y aluminio, cada uno en un intervalo del 0,53 % con respecto al peso de la aleación de tratamiento, y el resto de la aleación de tratamiento es hierro, y el porcentaje de adición requerido de dicha aleación de tratamiento es del 0,42 % con respecto al peso de la composición de dicho metal base y dicho inoculante constituye el 0,10,5 % con respecto al peso de la composición, en donde el inoculante es opcionalmente una composición de ferrosilicio que comprende al menos uno de entre calcio, aluminio, bario o lantano, o una combinación de los mismos.
Description
DESCRIPCIÓN
Un proceso sin magnesio para producir hierro de grafito compacto (HGC)
Campo de invención
La presente invención se refiere a un proceso de producción de hierro de grafito compacto (HGC) sin la adición de magnesio.
Antecedentes de la invención
La producción actual de hierro de grafito compacto (HGC) implica la adición de magnesio, un elemento de tratamiento volátil y peligroso, que genera escoria. Para contener la alta reactividad del magnesio y facilitar su manipulación, normalmente se incorpora en una aleación de ferrosilicio. Por lo tanto, en la producción de hierro dúctil (HD) y de hierro de grafito compacto (HGC) se utilizan comúnmente aleaciones de ferrosilicio que contienen diversos porcentajes de magnesio.
Prácticamente todos los informes publicados y patentes investigadas mencionan el magnesio como el principal elemento de tratamiento para la producción de HGC. Por ejemplo, algunas de estas se citan a continuación: US 4568388 A "Magnesium-titanium-ferrosilicon alloys for producing compacted graphite iron in the mold and process using same", US 4430123 "Production of vermicular graphite cast iron", US 4338129 "Production of vermicular graphite cast iron", US 5178826 "Method and apparatus for the production of nodular or compacted graphite iron castings", US 4501612 "Compacted graphite cast irons in the iron-carbon-aluminum system", US 4596606 "Method of making CG iron", US 5758706 "Process control of compacted graphite iron production in pouring furnaces", US 5639420 "Method of manufacturing compacted graphite cast iron".
El método de producción de HGC que utiliza magnesio como la principal aleación de tratamiento provoca humos, fogonazos, reacciones violentas y genera una considerable cantidad de escoria. Además, el proceso requiere un control muy estricto del magnesio residual en el metal dentro de una ventana muy estrecha del 0,008 % de Mg. La formación de HGC es estable únicamente en un intervalo del 0,008 % de magnesio. Por debajo del límite inferior, el grafito forma escamas y por encima del límite superior, el grafito forma esferoides. Incluso pequeñas cantidades de escamas de grafito presentes en la microestructura reducen las propiedades mecánicas. La presencia de un exceso de esferoides de grafito en la microestructura reduce las propiedades físicas y de fundición. Por lo tanto, para la producción satisfactoria de HGC, es imprescindible un control estricto del magnesio. Este control del magnesio dentro del intervalo estable del 0,008 % exige un control muy estricto y ajustado del proceso con una monitorización constante y acciones correctivas.
El magnesio se utiliza actualmente para la producción del hierro de grafito compacto, pero conlleva muchas desventajas; en presencia de un exceso de magnesio, en lugar de grafito en forma vermicular se forman nódulos de grafito como en el caso del hierro dúctil o, en presencia de menos magnesio, se forman de escamas como en el caso de la fundición gris. La aleación de magnesio es la más utilizada a pesar de tener limitaciones como: a) una solubilidad limitada en la fundición, solo del 0,04 %; b) un punto de ebullición muy bajo, solo de 1.107 °C, lo que hace que reaccione violentamente con rapidez; c ) se requiere un control estricto durante el tratamiento con magnesio, así como durante el vertido de moldes después del tratamiento con magnesio, lo que también significa que es obligatoria una monitorización constante de la reacción para asegurarse de que esta no sea excesiva y genere una variedad diferente de fundición; d) es un potente estabilizador de carburos; e) no es eficaz para neutralizar elementos residuales procedentes de la chatarra de acero y otras materias primas que contienen plomo, zinc, titanio, arsénico, antimonio y bismuto; f) extrema volatilidad y producción de humos que dan lugar a una atmósfera perjudicial e inaceptable en el taller de fundición.
El HGC también puede producirse por otros métodos, nuevamente con magnesio como aleación de tratamiento, pero con la adición obligatoria de elementos opuestos como titanio, aluminio y circonio. Estos métodos tienen sus propias desventajas y no son tan populares como el proceso controlado solo con magnesio.
Un ejemplo de estos puede encontrarse en la solicitud de patente US 5639420 de Sanders et al., donde se utiliza el método más conocido, el tratamiento en cuchara. Según Sanders et al., en el tratamiento de una aleación que consta de Fe, Si, Mg, RE y Ca, en donde RE se refiere a un metal de las tierras raras, el Si reacciona con el hierro y el magnesio se añade a la aleación con fines reactivos. La práctica de usar metales de las tierras raras en la aleación es bien conocida, pero la selección de la cantidad de uno de estos metales de las tierras raras específico es la clave para obtener una calidad sustancial del hierro de grafito compacto. Algunos ejemplos de tierras raras utilizadas como componentes de aleación para producir hierro de grafito compacto pueden mencionarse en solicitudes de patente como la US 20090123321A1, en la que se produce un HGC ferrítico con alto contenido de silicio utilizando una aleación en la que el metal de las tierras raras seleccionado es cromo en una aleación de ferrosilicio de magnesio. En todo el proceso anterior, RE se refiere a una aleación de tierras raras que contiene cerio y lantano, o cerio, lantano, neodimio y praseodimio con trazas de otros lantánidos.
En la solicitud de patente US20040042925, Torbjorn Skaland utiliza, en un tratamiento de nodularización del hierro dúctil, un método de tratamiento en cuchara para nodularizar una aleación de ferrosilicio y magnesio, para lo que usa lantano
como metal de las tierras raras en el intervalo del 0,3 % al 5 % en peso como inoculante. En la solicitud de patente US 4568388 A, Dremann y Fugiel, producen hierro de grafito compacto mediante el uso de una aleación de ferrosilicio, titanio y magnesio, con el 0,5 % de calcio y el 0-2 % de aluminio y el resto hierro, como aditivos de la aleación.
Se puede encontrar alguna información general en los documentos WO2006/068487 A1, EP1499750 A2, GB 1223694A, y en el artículo de revista: Raghavan V., "Fe-La-Si (iron-lanthanum-silicon)", vol. 22, n° 2, páginas 158-159, Journal of Phase Equilibria, Springer, EE. UU.
Objetivo de la invención
El objetivo de la presente invención es proporcionar un proceso de producción de hierro de grafito compacto (HGC) que sea un proceso sin magnesio.
Compendio de la invención
La invención se describe en las reivindicaciones adjuntas.
Breve descripción de los diagramas
La figura 1 ilustra esquemáticamente la ventana de proceso que ha de mantenerse estrictamente al usar magnesio durante la fabricación de HGC. El % de magnesio residual que ha de mantenerse es del 0,01 -0,02.
La figura 2 Ilustra esquemáticamente este proceso en donde el metal del horno se deriva directamente a una cuchara de tratamiento abierta que contiene la aleación de tratamiento y el inoculante.
La figura 3 Ilustra este proceso en donde el metal del horno se deriva directamente a una cuchara de tratamiento abierta que contiene la aleación de tratamiento y el inoculante.
La figura 4 Ilustra el amplio intervalo de la ventana de proceso estable que ha de mantenerse al usar esta aleación de tratamiento que contiene lantano para la producción de HGC. El % de lantano residual que ha de mantenerse es del 0,03-0,1.
La figura 5 Ilustra la microestructura típica del HGC producido por el proceso con lantano; (a) de grado ferrítico y (b) de grado perlítico.
Descripción detallada
Quizás, el mayor problema del uso de magnesio para la producción de HGC es que requiere un control estricto del porcentaje de magnesio durante el tratamiento del metal de base con el mismo, así como durante el vertido de los moldes después del tratamiento con magnesio. En otras palabras, la ventana de procesamiento del magnesio debe monitorizarse estrictamente y las adiciones de los elementos requeridos para el proceso se añaden en momentos muy específicos, teniendo en cuenta la temperatura y la reacción.
La figura 1, según Dr. Steve Dawson en su artículo Process Control for Production o f CGI, 106 AFS Casting Congress, EE. UU., 2002, ilustra una representación gráfica del porcentaje de nodularidad en la fundición frente al porcentaje de magnesio para determinar en qué punto se produce la transición de la forma escamosa a1HGC y de1HGC al hierro dúctil. Esta “amortiguación” es necesaria para garantizar que no se forme grafito escamoso antes del final del vertido, que puede durar hasta quince minutos desde la adición inicial de magnesio. La ventana de proceso total se muestra entre las líneas 1 y 2, e indica una formación estable de hierro de grafito compacto, después de la cual solidificaría como hierro dúctil. La meseta del HGC estable se obtiene en un intervalo de aproximadamente el 0,008 % de magnesio y queda separada del hierro gris por una transición abrupta.
Este proceso, como se explica más adelante, ayuda a eliminar dicho factor de control estricto al eliminar completamente el magnesio del procedimiento de producción y permitir o hacer posible una ventana de procesamiento estable más prolongada para la producción de HGC, con un intervalo estable mayor/más amplio para la aleación de tratamiento, un porcentaje que hace que el proceso sea más fácil de usar.
El mejor y otros modos para llevar a cabo la presente invención se presentan en relación con las realizaciones, representadas en esta memoria en la figura 2. Las realizaciones se describen en esta memoria con fines ilustrativos y están sujetas a muchas variaciones. Se entiende que se contemplan diversas omisiones y sustituciones de equivalentes según puedan sugerir o hacer convenientes las circunstancias, pero se pretende que cubran la aplicación o la implementación sin apartarse del alcance de la presente invención tal como se define en las reivindicaciones adjuntas. Además, debe entenderse que la fraseología y la terminología empleadas en esta memoria tienen el propósito de la descripción y no deben considerarse limitantes. Los encabezamientos utilizados en esta descripción son solo por conveniencia y no tienen ningún efecto legal o limitante.
Los términos "un" y "una" en esta memoria no denotan una limitación de cantidad, sino que más bien denotan la presencia de al menos uno de los elementos referidos.
La figura 2 ilustra un esquema de flujo del proceso de fabricación de hierro de grafito compacto (HGC). Inicialmente, se pone una aleación de tratamiento en una cuchara de tratamiento, que generalmente es una cuchara de vertido abierta y luego se pone un inoculante en la cuchara de tratamiento y se vierte en la misma un metal de base fundido. La aleación de tratamiento comprende hierro, silicio y lantano, en donde el lantano constituye el 3-30 % con respecto al peso de la aleación de tratamiento, el silicio constituye el 40-50 % con respecto al peso de la aleación de tratamiento y el resto es hierro, con lo que se forma una aleación de tratamiento que es una aleación de FeSiLa o de ferrosilicio y lantano. Las variaciones de la aleación de tratamiento también podrían incluir el metal lantano puro, una aleación de hierro y lantano, una aleación en molde con tamaños más finos de la composición anterior de la aleación de tratamiento. Alternativamente, un alambre tubular con el 100 % de lantano en polvo o FeSiLa en polvo con un porcentaje de lantano variable o los dos anteriores mezclados con el inoculante en polvo.
Según las figuras 2 y 3, el metal se funde en un horno de inducción con un control químico adecuado y en donde el metal de base contiene del 3 al 5 % de carbono con respecto al peso del metal de base, del 1,5 al 5 % de silicio con respecto al peso del metal de base y menos del 0,016 % de azufre con respecto al peso del metal de base. Dependiendo del grado de HGC, el metal de base puede contener manganeso en el intervalo del 0,015 al 0,8 % con respecto al peso del metal de base y cobre en el intervalo del 0,1 % al 0,8 % con respecto al peso del metal de base o estaño dentro del intervalo del 0,01 % al 0,1 % con respecto al peso del metal de base, que también podría estar en combinación con otros elementos.
Según una realización preferida del proceso sin magnesio para producir hierro de grafito compacto, la aleación de tratamiento constituye el 0,4-2 % con respecto al peso de la composición del metal de base, y el inoculante constituye el 0,1-0,5 % con respecto al peso de la composición. La inoculación se realiza con ferrosilicio. La inoculación constituye la etapa final en la preparación de los hierros grafíticos e implica la introducción de pequeñas cantidades de un inoculante de ferrosilicio que contiene elementos tales como al menos calcio, aluminio, bario o lantano, o una combinación de los mismos.
El proceso según las figuras 2 y 3 implica una aleación de tratamiento que consiste en un único elemento de las tierras raras añadido en una aleación de ferrosilicio. El metal de las tierras raras en la aleación de tratamiento es solo lantano y puede variar del 3 al 30 %. La composición típica de la aleación podría ser silicio 15 (Si), del 40 al 50 %, y lantano (La), de 3 al 30 %, el resto podría ser hierro (Fe) junto con algunos aditivos recomendados como calcio (Ca) y aluminio (Al), el 1 % o más de cada uno según la cantidad requerida para producir e1HGC. En otra realización, la aleación de tratamiento puede tener calcio y aluminio, cada uno en el intervalo del 0,5 % al 3 % con respecto al peso de la aleación de tratamiento.
Los efectos beneficiosos del lantano son la reducción del enfriamiento y la formación de carburos en cualquier fundición, lo que indica que el papel del lantano en las adiciones de tierras raras utilizadas para producir fundición de grafito compacto (fundición GC) es importante. En general, se ha visto que los metales de las tierras raras se añaden en la formación de tales aleaciones como mezcla de dos o más metales de las tierras raras, pero el enfoque de esta invención es resaltar la ventaja de usar solo lantano como único metal de las tierras raras.
En otra realización, el inoculante se añade durante la transferencia del metal desde el horno a la cuchara de tratamiento o desde la cuchara de tratamiento a la cuchara de vertido, en la corriente durante el vertido de la cuchara en los moldes, como bloques o inserciones en el molde durante el vertido en la cavidad del molde o como bloques o inserciones en el molde durante la colada en el molde. La cuchara de tratamiento podría mantenerse abierta durante todo el proceso. Una vez que la cuchara de tratamiento que contiene la aleación de tratamiento y el inoculante está lista, el metal de base del horno de inducción se vierte directamente en la cuchara de tratamiento, con el resultado de la formación del hierro de grafito compacto.
La figura 4 es una extensión de la figura 1 y permite mostrar el mejor intervalo que puede limitarse como el amplio proceso estable que debe mantenerse al usar esta aleación de tratamiento que contiene lantano para la producción de HGC. La figura 5 es una imagen ilustrativa de los resultados obtenidos al usar este proceso con solo lantano. Las imágenes de la figura 5 corresponden a la microestructura típica del HGC producido en dos grados: (a) grado ferrítico y (b) grado perlítico.
Una vez finalizado el proceso de tratamiento, el metal se vierte en una variedad de recipientes que podrían ser simplemente otra cuchara por conveniencia o se vierte directamente en moldes de colada.
Claims (13)
1. Un proceso sin magnesio para producir hierro de grafito compacto que comprende poner una aleación de tratamiento en una cuchara de tratamiento, poner un inoculante sobre la misma en la cuchara de tratamiento y verter un metal de base fundido en la misma, en donde dicha aleación de tratamiento comprende hierro, silicio y lantano, en donde el lantano constituye el 3-30 % con respecto al peso de la aleación de tratamiento y el silicio constituye el 40-50 % con respecto al peso de la aleación de tratamiento, en donde la aleación de tratamiento comprende opcionalmente al menos uno de entre calcio y aluminio, cada uno en un intervalo del 0,5-3 % con respecto al peso de la aleación de tratamiento, y el resto de la aleación de tratamiento es hierro, y el porcentaje de adición requerido de dicha aleación de tratamiento es del 0,4-2 % con respecto al peso de la composición de dicho metal base y dicho inoculante constituye el 0,1-0,5 % con respecto al peso de la composición, en donde el inoculante es opcionalmente una composición de ferrosilicio que comprende al menos uno de entre calcio, aluminio, bario o lantano, o una combinación de los mismos.
2. El proceso sin magnesio para producir hierro de grafito compacto según la reivindicación 1, en donde dicho lantano está en un intervalo del 3-10 % con respecto al peso de la aleación de tratamiento.
3. El proceso sin magnesio para producir hierro de grafito compacto según cualquiera de las reivindicaciones 1 o 2, en donde la aleación de tratamiento comprende al menos uno de entre calcio y aluminio o una combinación de los mismos, en donde el calcio y el aluminio están cada uno en un intervalo del 0,5-3 % con respecto al peso de la aleación de tratamiento.
4. El proceso sin magnesio para producir hierro de grafito compacto según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde dicha aleación de tratamiento se trata con un metal de base que comprende el 3-5 % de carbono con respecto al peso del metal de base, el 1,5-5 % de silicio con respecto al peso del metal de base y menos del 0,016 % de azufre con respecto al peso del metal de base.
5. El proceso sin magnesio para producir hierro de grafito compacto según la reivindicación 4, en donde el metal de base comprende al menos uno de elementos promotores de aleación manganeso, cobre, estaño, antimonio, molibdeno, vanadio o perlita para aumentar la resistencia del metal.
6. El proceso sin magnesio para producir hierro de grafito compacto según la reivindicación 5, en donde al menos dicho manganeso está en un intervalo del 0,15-0,8 % con respecto al peso del metal de base, el cobre está en un intervalo del 0,1-0,8 % con respecto al peso del metal de base o el estaño está en un intervalo del 0,01-0,1 % con respecto al peso del metal de base, o combinaciones de los mismos.
7. El proceso sin magnesio para producir hierro de grafito compacto según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde dicho inoculante es una composición de ferrosilicio, en donde la composición de ferrosilicio comprende al menos uno de entre calcio, aluminio, bario o lantano, o una combinación de los mismos.
8. El proceso sin magnesio para producir hierro de grafito compacto según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en donde la adición de inoculante se realiza:
poniéndolo sobre la aleación de tratamiento en la cuchara de tratamiento, o
durante la transferencia de la cuchara de tratamiento a la cuchara de vertido, o
en la corriente durante el vertido en el molde de colada, o
como bloques o inserciones en el molde durante la colada en el molde.
9. El proceso sin magnesio para producir hierro de grafito compacto según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8 es un proceso en cuchara de vertido abierta en donde la cuchara de tratamiento se mantiene abierta durante el proceso de tratamiento.
10. El proceso sin magnesio para producir hierro de grafito compacto según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en donde la aleación de tratamiento puede añadirse en forma de grumos o de polvo como en alambres tubulares o como inserciones en procesos en molde para producir hierro de grafito compacto.
11. Una aleación de tratamiento para tratar un metal base para producir hierro de grafito compacto, en donde la aleación de tratamiento comprende hierro, silicio y lantano, en donde el lantano constituye el 3-30 % con respecto al peso de la aleación de tratamiento y el silicio constituye el 40-50 % con respecto al peso de la aleación de tratamiento, y la aleación de tratamiento comprende opcionalmente al menos uno de entre calcio y aluminio, cada uno en un intervalo del 0,5-3 % con respecto al peso de la aleación de tratamiento, y el resto de la aleación de tratamiento es hierro.
12. La aleación de tratamiento según la reivindicación 11, en donde dicho lantano está en un intervalo del 3-10 % con respecto al peso de la aleación de tratamiento.
13. La aleación de tratamiento según cualquiera de las reivindicaciones 11 o 12, en donde la aleación de tratamiento comprende al menos uno de entre calcio y aluminio o una combinación de los mismos, en donde el calcio y el aluminio están cada uno en un intervalo del 0,5-3 % con respecto al peso de la aleación de tratamiento.
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