ES2913751T3 - Aleación a base de cobalto con una alta resistencia a altas temperaturas, hiladora para la producción de fibras minerales que comprende dicha aleación y procedimiento para la producción de fibras minerales que usa una hiladora de este tipo - Google Patents

Aleación a base de cobalto con una alta resistencia a altas temperaturas, hiladora para la producción de fibras minerales que comprende dicha aleación y procedimiento para la producción de fibras minerales que usa una hiladora de este tipo Download PDF

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Abstract

Una aleación metálica caracterizada porque consiste en los siguientes elementos, en porcentaje en peso, con respecto al peso total de la aleación: Niobio (Nb): 1-4 % Hafnio (Hf): 0-0,5 % Cromo (Cr): 27-29 % Níquel (Ni): 1-5 % Carbono (C): 0,3-0,45 % Tántalo (Ta): 0-2 % Titanio (Ti): 0-2 % Hierro (Fe): 1-3 % Manganeso (Mn): menos del 0,5 % Silicio (Si): menos del 0,3 % Zirconio (Zr): menos del 0,2 % siendo el resto cobalto (Co) e impurezas inevitables.

Description

DESCRIPCIÓN
Aleación a base de cobalto con una alta resistencia a altas temperaturas, hiladora para la producción de fibras minerales que comprende dicha aleación y procedimiento para la producción de fibras minerales que usa una hiladora de este tipo
Campo de aplicación
Según su aspecto más general, la presente invención se refiere a una aleación metálica novedosa que tiene una alta resistencia mecánica a temperaturas muy altas.
En particular, la presente invención se refiere a una aleación a base de cobalto que tiene una alta resistencia mecánica a altas temperaturas, lo que la hace adecuada para su uso en la producción de fibras minerales tales como, en particular, fibras de vidrio, fibras de roca y similares.
La presente invención también se refiere a un artículo de fabricación tal como, en particular, una hiladora adecuada para su uso en la producción de fibras minerales, así como a un procedimiento para la producción de un artículo de fabricación de este tipo.
La presente invención también se refiere a un procedimiento para la producción de fibras minerales tales como, en particular, fibras de vidrio, fibras de roca y similares, que usa dicha hiladora.
Técnica anterior
Como se sabe, la producción de fibras minerales, tales como fibras de vidrio, fibras de roca y similares se realiza normalmente por medio de un procedimiento centrífugo interno que consiste en verter una masa fundida de material mineral (por ejemplo, vidrio fundido) en un rotor que se conoce como “hiladora” que funciona a altas velocidades de rotación, estando la hiladora provista de una banda periférica (o disco) provista de una pluralidad de pequeños orificios. Debido a la fuerza centrífuga, la masa fundida se proyecta contra la banda periférica perforada de la que emergen filamentos primarios de material mineral fundido a través de los orificios, estirándose dichos filamentos a su vez para formar fibras delgadas debido a la acción de un gas a alta temperatura suministrado por un quemador anular que rodea el disco.
Dado que las hiladoras funcionan en condiciones extremadamente exigentes, en particular altas fuerzas centrífugas y altas temperaturas de hasta o incluso más de 1200 °C, se ven sometidas a un importante estrés térmico, por ejemplo, choque térmico durante las etapas de arranque y parada del procedimiento, importante estrés mecánico (altas fuerzas centrífugas y erosión por el flujo de material mineral) y también un importante estrés químico debido a la oxidación y corrosión por el material fundido y los gases a alta temperatura que se emiten desde el quemador alrededor de la hiladora.
Los efectos de tal estrés causan un deterioro gradual de la hiladora que puede producirse de diversas formas tales como, por ejemplo, deformación por fluencia en caliente de las paredes verticales, formación de fisuras y/o desgaste inducido por erosión en la región de los orificios, etc. y esto, en última instancia, conduce a la sustitución de los componentes dañados.
Por lo tanto, es necesario que los materiales que forman las hiladoras mencionadas anteriormente tengan características de alta resistencia mecánica a alta temperatura, así como características de resistencia a la corrosión y a la oxidación.
A este respecto, se conocen diversas aleaciones metálicas a base de cobalto que tienen una alta resistencia mecánica a alta temperatura y que pueden usarse para la fabricación de hiladoras usadas en la producción de fibras de vidrio.
Por ejemplo, la patente de Estados Unidos 6.068.814 describe una aleación metálica que tiene una alta resistencia mecánica a alta temperatura y que comprende el 40-50 % de cobalto, el 9-12 % de cromo, el 9-12 % de níquel, el 6­ 12 % de tungsteno, el 2,8-4,8 % de niobio, el 0,1-0,3 % de circonio, el 0,6-1 % de carbono, el 0,1-0,3 % de silicio, el 0,1-0,3 % de manganeso, el 0,1-0,3 % de titanio, el 0,1-0,8 % de vanadio, consistiendo el resto en impurezas que no influyen significativamente en sus propiedades mecánicas.
La solicitud WO 2009/071847 describe una aleación que comprende el 23-34 % de cromo, el 0,2-5 % de titanio, el 0,5­ 7 % de tántalo, el 0,2-1,2 % de carbono, menos del 5 % de níquel, menos del 3 % de hierro, menos del 1 % de silicio y menos del 0,5 % de manganeso. Esta aleación se caracteriza en particular por un contenido de níquel mucho menor en comparación con las aleaciones anteriores, que se dice que da como resultado un material con una resistencia mecánica mejorada y, por lo tanto, aumenta la vida útil de trabajo de las hiladoras hechas usando este material.
El documento JP S60262935 da a conocer una aleación resistente al calor a base de cobalto que consiste en el 0,01­ 0,2 % en peso de C, el 0,01-2 % de un tipo o más de Si y Mn, el 18-40 % de Cr, el 5-25 % de Ni, el 0,1-12 % de un tipo o más de Mo y W, el 0,001-<0,5 % de Hf y el resto Co con impurezas inevitables.
A pesar del progreso logrado hasta ahora, existe la necesidad de productos basados en fibras minerales que sean cada vez más resistentes a altas temperaturas con el fin de satisfacer las demandas del mercado. Esto requiere el uso de composiciones minerales, en particular composiciones de vidrio que pueden convertirse en fibras a temperaturas incluso más altas y, en consecuencia, también las hiladoras usadas para este propósito deben tener a su vez una alta resistencia mecánica también a temperaturas más altas en comparación con las aleaciones convencionales a base de níquel y/o cobalto.
Por lo tanto, el objeto principal de la presente invención es proporcionar una aleación metálica novedosa que sea adecuada para la producción de hiladoras que van a usarse en la producción de fibras minerales, tales como fibras de vidrio y fibras de roca, y que tiene características mejoradas de resistencia mecánica y resistencia a la corrosión a altas temperaturas tal como para satisfacer los requisitos mencionados anteriormente.
Un objeto adicional de la presente invención es proporcionar un artículo de fabricación tal como, en particular, una hiladora para su uso en la fabricación de fibras minerales que tiene características mejoradas de resistencia mecánica y resistencia a la corrosión a altas temperaturas.
Sumario de la invención
La invención se da a conocer en las reivindicaciones adjuntas.
Descripción detallada
En la presente descripción y en las reivindicaciones adjuntas, a menos que se indique de manera diferente, todos los números que describen cantidades, porcentajes y así sucesivamente, deben entenderse como calificados en todos los casos por el término “aproximadamente”. Además, cada intervalo incluye cualquier combinación de los valores específicos mínimos y máximos descritos e incluye cualquier intervalo intermedio dentro de los mismos, aunque no se mencione específicamente.
En la aleación metálica según la invención, el cobalto representa la estructura básica de austenita.
Está presente cromo como componente del sistema de austenita necesario para garantizar un efecto antioxidante a alta temperatura. Generalmente, este efecto no se garantiza cuando el contenido de cromo es inferior al 27 %. Al mismo tiempo, el cromo provoca el rápido deterioro de la resistencia mecánica y la dureza de la aleación cuando su contenido es superior al 29 %. Por lo tanto, en la aleación según la invención, el contenido de cromo se mantiene dentro del intervalo del 27-29 %.
Está presente níquel en la aleación según la invención en pequeñas cantidades y ayuda a estabilizar la estructura de la aleación, mejorando su maquinabilidad. El contenido de níquel no es superior al 5 %, ya que mayores cantidades aumentan significativamente los costes de producción de la aleación.
Están presentes manganeso y silicio en la aleación en pequeñas cantidades e influyen en la descarbonatación, controlando al mismo tiempo la fluidez. El contenido de cada uno de estos elementos está limitado según las reivindicaciones porque mayores cantidades de uno o ambos de estos elementos aumentan la fragilidad y pueden causar grietas o fisuras durante el procedimiento de enfriamiento después de la colada.
En la aleación según la invención, el niobio y el titanio forman carburos con el carbono presente, teniendo estos el efecto adicional de estabilizar la estructura de la aleación, dotándola de una alta resistencia mecánica a alta temperatura, incluso en condiciones de funcionamiento por encima de 1200 °C.
La aleación según la invención también contiene niobio y opcionalmente también puede contener tántalo, ambos en cantidades reducidas, como se indicó anteriormente. La presencia de niobio permite mejorar las características de maquinabilidad de la aleación, mientras que el tántalo permite aumentar la dureza de la aleación y, por lo tanto, se recomienda la presencia de ambos de estos elementos. Preferiblemente, cuando está presente tántalo, reemplaza parcialmente el contenido de niobio de manera que, en esta realización, el contenido total de niobio tántalo está comprendido dentro del intervalo de valores previstos para el niobio, es decir, el 1-4 %.
La aleación según la invención puede contener además hafnio con el fin de aumentar adicionalmente la resistencia mecánica en condiciones de calor. Preferiblemente, cuando está presente hafnio, reemplaza parcialmente el contenido de niobio de manera que, en esta realización, el contenido total de niobio hafnio está comprendido dentro del intervalo de valores previstos para el niobio, es decir, el 1-4 %.
La aleación según la invención comprende además circonio que se añade en una pequeña cantidad porcentual, es decir, menos del 0,2 %, como desoxidante.
La aleación según la invención también comprende carbono, que es un elemento muy importante. De hecho, el carbono forma carburos con cromo, niobio y titanio, aumentando la fuerza de unión entre los cristales de la estructura para mejorar la resistencia a la rotura y la resistencia a altas temperaturas.
Sorprendentemente, se ha encontrado que una aleación producida por la combinación de los elementos indicados anteriormente en las cantidades respectivas según la presente invención tiene características de resistencia mecánica a alta temperatura, en particular a temperaturas mayores de 1200 °C, superiores a las de las aleaciones a base de níquel y/o cobalto convencionales, mientras se mantiene al mismo tiempo también una alta resistencia a la oxidación y a la corrosión.
Por lo tanto, la aleación según la invención es particularmente adecuada para su uso en aplicaciones de alta temperatura y en un entorno oxidante y/o corrosivo que son típicos de los procesos centrífugos actuales usados para la producción de fibras minerales tales como, en particular, fibras de vidrio, fibras de roca y similares. En estas aplicaciones, la aleación según la invención puede usarse en particular para la fabricación de hiladoras que, a su vez, tienen ventajosamente una vida útil de trabajo más larga, sin sufrir daños mecánicos tales como deformaciones y/o grietas y daños debidos a oxidación y/o corrosión tales como para influir negativamente en la calidad de las fibras minerales obtenidas y/o el procedimiento para la producción de las mismas, todo esto también en condiciones de funcionamiento donde hay temperaturas particularmente altas, por ejemplo, temperaturas superiores a 1200 °C, según lo requieran los procedimientos más recientes para la formación de fibras minerales.
Sin limitarse a ninguna teoría científica particular, se considera que la formación de carburos con cromo, niobio y titanio contribuye significativamente a lograr las características de resistencia mecánica superiores de la aleación según la invención, aumentando dichos carburos la fuerza de unión entre los cristales de la estructura de la aleación y, en consecuencia, mejorando la resistencia a la rotura y la resistencia a altas temperaturas. Al mismo tiempo, debe indicarse que la aleación según la invención está esencialmente desprovista de tungsteno, concretamente, no contiene tungsteno o contiene cantidades muy pequeñas debido a impurezas inevitables. Por lo tanto, a diferencia de las aleaciones metálicas anteriores, tales como la descrita en el documento US 6.068.014, donde la presencia de carburo de tungsteno contribuye significativamente a lograr la resistencia mecánica a alta temperatura, en la aleación según la invención es la presencia de otros carburos, en particular carburos de cromo, niobio y opcionalmente de titanio y tántalo, lo que contribuye a obtener las características de resistencia mecánica superiores a alta temperatura.
La aleación según la invención se fabrica según el método dado a conocer en las reivindicaciones.
La fusión puede realizarse usando técnicas que son convencionales per se, por ejemplo, por medio de fusión por inducción.
En particular, la aleación según la invención puede usarse para la producción de cualquier artículo de fabricación con características de alta resistencia mecánica a alta temperatura, tal como en particular una hiladora para su uso en la producción de fibras minerales.
A este respecto, el material fundido obtenido de la fusión de la mezcla de los elementos constituyentes de la aleación y el enfriamiento posterior como se indicó anteriormente se cuela en un molde adecuado que tiene la forma del artículo deseado, preferiblemente un molde de material cerámico, dando como resultado un artículo de fabricación en bruto, por ejemplo, una hiladora en bruto.
La colada puede realizarse de una manera convencional per se, por ejemplo, puede ser preferiblemente una colada a la cera perdida en un molde del tipo mencionado anteriormente, preferiblemente a vacío.
A continuación, el artículo de fabricación en bruto se somete a al menos un tratamiento térmico de acabado. El artículo de fabricación en bruto se somete a un primer tratamiento térmico a una primera temperatura de entre 1200 °C y 1250 °C durante un tiempo de entre 1,5 horas y 2,5 horas para permitir la solubilización de los carburos, seguido de un segundo tratamiento térmico a una segunda temperatura inferior a dicha primera temperatura y que oscila entre 1000 °C y 1050 °C durante un tiempo de entre 10 horas y 12 horas para permitir la precipitación de los carburos.
Preferiblemente, el primer tratamiento térmico se realiza a una temperatura de 1200 °C durante 2 horas, mientras que el segundo tratamiento térmico se realiza a una temperatura de 1000 °C durante 10 horas.
Al final de los tratamientos térmicos mencionados anteriormente, el artículo de fabricación en bruto se enfría hasta temperatura ambiente, por ejemplo, en aire, obteniendo un producto acabado.
Este producto acabado puede someterse, a su vez, a operaciones de mecanizado sucesivas usando máquinas herramienta dependiendo de la aplicación específica.
En particular, en el caso de una hiladora obtenida como anteriormente destinada para su uso en la producción de fibras minerales tales como fibras de vidrio, fibras de roca y similares, la hiladora puede someterse a operaciones de perforación en su pared periférica o en una parte de la misma (por ejemplo, una banda o disco anular) para permitir la emisión de los filamentos primarios del material mineral fundido vertido en la hiladora.
Estos orificios tienen normalmente dimensiones muy pequeñas, por ejemplo, de entre 0,4 y 1 mm y pueden fabricarse, por ejemplo, por medio de procedimientos de haz de electrones o electroerosión usando máquinas herramienta que son convencionales per se.
A este respecto, se ha encontrado que las hiladoras hechas con la aleación según la invención también pueden mecanizarse fácilmente empleando las máquinas herramienta habituales usadas en el sector en cuestión.
La presente invención también se refiere a un procedimiento para la producción de fibras minerales tales como, en particular, fibras de vidrio, fibras de roca y similares, que usa una hiladora producida como se describió anteriormente. Este procedimiento comprende verter un flujo de material mineral fundido en una hiladora rotatoria que comprende la aleación según la invención y estirar los filamentos primarios de material mineral fundido que emergen de los orificios de la pared periférica de la hiladora o parte de la misma por medio de la acción de gas caliente suministrado por un quemador anular que rodea externamente una pared periférica de este tipo.
La hiladora que comprende la aleación según la invención permite el mecanizado del material mineral fundido que va a convertirse en fibras incluso a temperaturas muy altas, en particular a temperaturas de la masa fundida dentro de la hiladora superiores a 1200 °C durante un período útil de funcionamiento igual a cientos de horas sin que la hiladora se vea sometida a ningún daño mecánico o químico (oxidación y/o corrosión) tal como para afectar negativamente al procedimiento de producción y/o a la calidad de las fibras minerales obtenidas a partir del mismo.
La presente invención se describirá ahora mediante un ejemplo de realización proporcionado a modo de ejemplo no limitativo.
Ejemplo
Usando una técnica de fusión por inducción en una atmósfera inerte (argón), se preparó una masa fundida con la siguiente composición:
Niobio (Nb): 3,5%
Cromo: 28 %
Níquel (Ni): 1,5 %
Carbono (C) 0,4 %
Tántalo (Ta): 0,5 %
Titanio (Ti): 1,4 %
Hierro (Fe) 2 %
Manganeso (Mn): menos del 0,3 %
Silicio (Si): menos del 0,3 %
Zirconio (Zr): menos del 0,2 %
siendo el resto cobalto (Co) e impurezas inevitables.
La masa fundida se obtuvo fundiendo una mezcla que tenía la composición mencionada anteriormente a una temperatura de 1730 °C, luego se enfrió hasta una temperatura de 1500 °C y luego se sometió a colada a la cera perdida a vacío dentro de un molde de material cerámico para formar una hiladora en bruto.
La hiladora en bruto se sometió luego a un primer tratamiento térmico a una temperatura de 1200 °C durante 2 horas para permitir la solubilización de los carburos, seguido de un segundo tratamiento térmico a una temperatura de 1000 °C durante 10 horas para permitir la precipitación de los carburos.
Al final de los tratamientos térmicos mencionados anteriormente, la hiladora en bruto se enfrió al aire hasta temperatura ambiente obteniendo una hiladora acabada que posteriormente se sometió a mecanizado con el fin de formar una pluralidad de orificios con un diámetro de 0,6 a 0,9 mm en una parte de su pared periférica.
El rendimiento de la hiladora acabada así obtenida se evaluó en un procedimiento para la producción de fibras de vidrio en el que la temperatura de la composición mineral introducida en la hiladora fue superior a 1200 °C.
Los resultados de la prueba mostraron que la hiladora fue capaz de funcionar durante cientos de horas sin que la calidad de la fibra de vidrio obtenida del procedimiento de producción se viera afectada negativamente.

Claims (6)

  1. REIVINDICACIONES
    i. Una aleación metálica caracterizada porque consiste en los siguientes elementos, en porcentaje en peso, con respecto al peso total de la aleación:
    Niobio (Nb): 1-4%
    Hafnio (Hf): 0-0,5%
    Cromo (Cr): 27-29 %
    Níquel (Ni): 1-5 %
    Carbono (C): 0,3-0,45%
    Tántalo (Ta): 0-2 %
    Titanio (Ti): 0-2 %
    Hierro (Fe): 1-3 %
    Manganeso (Mn): menos del 0,5 %
    Silicio (Si): menos del 0,3 %
    Zirconio (Zr): menos del 0,2 %
    siendo el resto cobalto (Co) e impurezas inevitables.
  2. 2. La aleación metálica según la reivindicación 1, en la que la aleación metálica comprende Hf y la suma del contenido de Nb Hf está comprendida entre el 1 % y el 4 % en peso con respecto al peso total de la aleación.
  3. 3. La aleación metálica según la reivindicación 1 o 2, en la que la aleación metálica comprende Ta y la suma del contenido de Nb Ta está comprendida entre el 1 % y el 4 % en peso con respecto al peso total de la aleación.
  4. 4. La aleación metálica según la reivindicación 1 o 3, que consiste en los siguientes elementos, en porcentaje en peso con respecto al peso total de la aleación:
    Niobio (Nb): 3,5%
    Cromo (Cr): 28 %
    Níquel (Ni): 1,5 %
    Carbono (C): 0,4 %
    Tántalo (Ta): 0,5 %
    Titanio (Ti): 1,4 %
    Hierro (Fe): 2 %
    Manganeso (Mn): menos del 0,3 %
    Silicio (Si): menos del 0,3 %
    Zirconio (Zr): menos del 0,2 %
    siendo el resto cobalto (Co) e impurezas inevitables.
  5. 5. Un artículo de fabricación para la producción de fibras minerales tales como fibra de vidrio, fibra de roca y similares, que comprende una aleación según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores.
  6. 6. Una hiladora para la producción de fibras minerales tales como fibra de vidrio, fibra de roca y similares, que comprende una aleación según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 4, teniendo dicha hiladora una pared periférica o una parte de la misma equipada con una pluralidad de orificios.
    Un procedimiento para la producción de un artículo de fabricación, en particular una hiladora para su uso en la producción de fibras minerales, comprendiendo el procedimiento las etapas de:
    - fundir a vacío o en atmósfera al menos parcialmente modificada y a una temperatura de entre 1700 °C y 1750 °C una mezcla de los elementos que constituyen la aleación según una cualquiera de las reivindicaciones 1-4 para obtener una masa fundida y enfriar dicha masa fundida hasta una temperatura de entre 1500 °C y 1550 °C tal como para permitir la formación de granos cristalinos,
    - colar la masa fundida en un molde, obteniendo un artículo de fabricación en bruto,
    - someter dicho artículo de fabricación en bruto a un primer tratamiento térmico a una temperatura de entre 1200 °C y 1250 °C y durante un tiempo de entre 1,5 horas y 2 horas, tal como para permitir la solubilización de los carburos y luego a un segundo tratamiento térmico a una temperatura de entre 1000 °C y 1050 °C y durante un tiempo de entre 10 horas y 12 horas para permitir la precipitación de los carburos,
    - enfriar hasta temperatura ambiente el artículo de fabricación en bruto sometido a dichos tratamientos térmicos, obteniendo dicho artículo de fabricación, en particular una hiladora.
    El procedimiento según la reivindicación 7, en el que dicha fusión se lleva a cabo a una temperatura de 1730 °C y dicho enfriamiento de la masa fundida se lleva a cabo a una temperatura de 1500 °C.
    El procedimiento según la reivindicación 7 u 8, en el que dicho primer tratamiento térmico se lleva a cabo a una temperatura de 1200 °C, durante un tiempo de 2 horas, y dicho segundo tratamiento térmico se lleva a cabo a una temperatura de 1000 °C, durante un tiempo de 10 horas.
    Un procedimiento para la producción de fibras minerales, tales como fibras de vidrio, fibras de roca y similares, que comprende las etapas de:
    - verter un flujo de material mineral fundido en una hiladora según la reivindicación 6, haciéndose rotar la hiladora;
    - estirar los filamentos primarios de material mineral fundido que salen de los orificios de la pared periférica o parte de la misma de dicha hiladora por medio de la acción de gas caliente,
    en el que la temperatura del material fundido dentro de la hiladora es de al menos 1200 °C.
ES18796457T 2017-11-20 2018-11-06 Aleación a base de cobalto con una alta resistencia a altas temperaturas, hiladora para la producción de fibras minerales que comprende dicha aleación y procedimiento para la producción de fibras minerales que usa una hiladora de este tipo Active ES2913751T3 (es)

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