MX2012008624A - Manguito de capas compuestas. - Google Patents

Abstract

La invención divulga un manguito de capas compuestas utilizado como alimentador de metal suplementario en procesos de colado por fundición, el cual permite disminuir las pérdidas de calor producidas entre sus paredes y la arena del molde, el cual comprende dos capas concéntricas, una capa interior exotérmica y una capa exterior aislante; formando dichas capas una parte superior que corresponde a un cilindro hueco, y una parte inferior que corresponde a la base del manguito.

Description

MANGUITO DE CAPAS COMPUESTAS Campo de la invención La presente invención se relaciona con la industria de fabricación de piezas fundidas de aceros y hierros, obtenidas en moldes de arenas aglomeradas con ligantes, donde la forma de la pieza es obtenida a partir de un molde que deja el vaciado adecuado en la arena. En particular, la presente invención consiste en un manguito de capas compuestas, utilizado como alimentador de metal suplementario en procesos de colado por fundición donde dicho manguito sirve para evitar defectos provocados por la contracción volumétrica de las aleaciones metálicas al pasar del estado líquido al sólido .

Antecedentes de la invención La mayoría de los metales y de las aleaciones sufren una disminución importante de su volumen al pasar del estado líquido al sólido, conocido como contracción volumétrica. Durante el proceso de solidificación de una pieza de fundición, esta contracción de volumen tiene que ser compensada con un aporte adicional de metal, en caso contrario, se producen grietas y defectos graves en las piezas conocidas ampliamente como rechupes.

El metal en estado líquido aportado para compensar la pérdida de volumen descrita, es suministrado por una o varias cavidades practicadas en el molde, conocidas como montantes. La configuración geométrica más ampliamente utilizada para la confección de montantes es la cilindrica, con una relación de largo a diámetro, que varía de 1 a 3. La ubicación de estos montantes puede ser sobre la pieza o al lado de la misma, dependiendo de su geometría y sus superficies disponibles. La condición fundamental de un montante es disponer de metal líquido hasta el final de la solidificación de la pieza, para ello debe contar con una configuración geométrica que permita que su disipación de calor se realice a una velocidad menor que la disipación de calor de la pieza a través del molde de fundición .

Actualmente, se dispone en forma comercial de cilindros huecos, preformados, denominados manguitos, que disminuyen significativamente el tamaño de los montantes, consiguiéndose disminuir el diámetro y la altura de estos.

El porcentaje de disminución de metal contenido en un montante puede llegar al 60% de la masa de metal con respecto al montante en verde, que es un cilindro del mismo material del molde, generalmente arena, produciendo una disminución de los costos asociados debido a la disminución de arena en los moldes, menor consumo de materiales refractarios y menos energía todo debido al menor retorno de masa de montantes, además se puede apreciar un aumento de productividad, etc.

Los manguitos tienen espesores del orden de un décimo del diámetro interno y alturas de 1 a 3 veces el diámetro, pueden tener secciones cónicas o pueden estar provistos de tapas en su parte superior. Estos manguitos pueden ser denominados camisas, luvas, y en inglés se denominan "Riser Sleeves" . Estos preformados se comercializan identificando sus' dimensiones y campo de aplicación, expresado en el módulo de enfriamiento que pueden alimentar (se define el módulo de enfriamiento, como la razón entre el volumen de la pieza y el área en contacto con la arena del molde) , y el peso máximo de la pieza que pueden cubrir sin producir rechupe. Comúnmente, todos los fabricantes de estos insumos proporcionan tablas con variables, para seleccionar el producto óptimo, dada una configuración específica de pieza, aleación, secciones, etc.

El procedimiento más utilizado para la fabricación de manguitos es la obtención del producto a partir de una pulpa acuosa y su centrifugación o succión por vacío en un dispositivo adecuado, ya sea una centrífuga con el canastillo de dimensiones externas del manguito o un dispositivo de vacío con las dimensiones del manguito, una vez retiradas del molde, se procede a un secado y curado de los aglomerantes. Otro procedimiento de fabricación es la utilización de máquinas disparadoras de mezclas granulares adecuadas, con aglomerante cold Box, silicato- C02, resina fenólica uretánica catalizada con aminas, resol - C02, resol formiato de metilo. Los manguitos comerciales pueden ser del tipo aislantes o exotérmicos.

Los manguitos aislantes basan su desempeño como alimentadores en la capacidad de aislar las fronteras de transferencia de calor, esta propiedad se define por la conductividad térmica, índice técnico que se mide en W/m°K (watts por metro y grado Kelvin) . Los manguitos aislantes, de menor rendimiento en comparación con los exotérmicos, se usan preferentemente en piezas de gran volumen, en metales no ferrosos como latones y bronces y como acoplador de escorias en fundidos de hierro gris y nodular.

La magnitud de la conductividad térmica de una gran variedad de manguitos comerciales se encuentra en el rango- de 0,3 a 0,5 W/m°K. La composición de estos manguitos está basada en una mezcla de fibras refractarias y polvos granulares que conforman un producto de baja densidad (comprendido entre 0,35 g/cm3 a 0,70 g/cm3), y resistencia mecánica adecuada para su manipulación y uso'.

Los manguitos exotérmicos basan su accionar no sólo en la capacidad de aislar, sino que reaccionan con el calor aportado por el metal fundido generando abundante calor proporcionado por reacción de Aluminotermia, en donde el Aluminio en polvo, contenido en la formulación de las mismas, en contacto con oxidantes reacciona de acuerdo a: 2A1 + Fe203 A12 03 + 2Fe Las velocidades de reacción se controlan en función de la granulometría y pureza del Aluminio empleado y tipo de oxidantes . La fabricación de estos manguitos es análoga a la fabricación de manguitos aislantes.

La capacidad de aporte de metal de un montante revestido con manguito se expresa como el porcentaje de metal aportado (Kg) , en relación al total de metal contenido (Kg) en el manguito .

Los manguitos exotérmicos aportan como máximo un 35% de su metal contenido, mientras que los manguitos aislantes aportan como máximo un 28% de su metal contenido.

La geometría de las piezas fundidas influye en la capacidad de alimentación de un manguito. Para calcular el efecto de la geometría de la pieza en la alimentación, se utiliza el módulo de enfriamiento de la pieza, expresada en dimensiones de longitud. Para asegurar una correcta alimentación, se calcula el módulo geométrico del manguito, el cual debe ser mayor que el módulo de enfriamiento de la pieza, con un factor mínimo de un 25 %, es decir: M Geométrico Manguito = 1,25 x M Pieza Así, el módulo del manguito se calcula incrementando el módulo geométrico del mismo (Volumen/área) por un factor llamado factor de extensión, en donde el factor de extensión de los materiales exotérmicos es 1,40.

Este factor empírico refleja el mejoramiento debido a la menor conductividad y el aporte exotérmico.

M Manguito = M Geométrico Manguito x 1,4 Los fabricantes de manguitos proporcionan el módulo del manguito ya incrementado por el factor de extensión.

Dentro del Arte Previo se encuentra el documento WO 01/70431 Al, el cual expone mezclas para manguitos exotérmicos y/o aislantes, las cuales comprenden: (1) una composición de manguito que a la vez comprende microesferas huecas de alumino-silicatos estabilizadas, y (2) un aglutinante químicamente reactivo. Los manguitos son formados a partir de dichas mezclas y son curados en presencia de un catalizador mediante el proceso COLD-BOX. Un metal oxidable utilizado típicamente en esta invención es polvo de aluminio, mientras que como material aislante se utiliza típicamente microesferas huecas de alumino-silicatos que no son reactivas. De esta manera, cuando las condiciones lo ameritan se pueden producir manguitos con propiedades exotérmicas y con propiedades aislantes, en donde la relación para manguitos exotérmicos en peso entre polvo de aluminio y microesferas huecas de Alúmino- silicatos no reactivas varía entre 1:5 a 1:1, y preferentemente entre 1:3 y 1:1,5.

Si bien la utilización de manguitos que utilizan componentes refractarios, oxidantes, aislantes, aluminio en polvo o resinas, a introducido mejoras con respecto a las tecnologías utilizadas anteriormente (en donde no se utilizaban manguitos y los montantes se hacían de arena) , el hecho de mezclar homogéneamente los componentes en un solo material no hacen suficientemente eficiente el proceso, principalmente debido a que no se aprovecha las ventajas individuales del material exotérmico y aislante, y las ventajas que presenta la formación de una barrera de alta temperatura empleada en los manguitos exotérmicos, perdiendo calor que es extraído por la arena del molde que cubre al manguito. Por otro lado, otra desventaja del arte previo radica en el uso de geometrías no optimizadas, con espesores de pared parejos, que no compensan las disminuciones de módulo de enfriamiento al disminuir secciones de pasadas de metal .

SUMARIO DE LA INVENCIÓN De esta manera, la presente invención consiste en un manguito que permite disminuir las pérdidas de calor producidas entre sus paredes y la arena del molde, al incorporar una capa aislante entre la capa exotérmica y la arena, aumentando de esta manera la capacidad de aporte metálico del manguito y al mismo tiempo aumentando el factor de extensión del mismo, produciendo como efecto un aumento del rendimiento metálico en la obtención de piezas fundidas.

Para producir los efectos enunciados, la invención considera la utilización de capas compuestas durante la fabricación del manguito, estando la capa interior de propiedad exotérmica en contacto con el metal y la capa exterior en contacto con la arena del molde de carácter altamente aislante. Si se configura un manguito como una combinación de una capa exotérmica en contacto con el metal líquido y otra pared de características de alta aislación en contacto interno con la pared exotérmica y contacto externo con la arena del molde, se disminuye en forma significativa la pérdida de calor del manguito exotérmico por el hecho de no estar la superficie exotérmica en contacto con arena, la cual tiene una conductividad térmica de 0,95 W/m°K. Al tener contacto de la interfase exterior del manguito exotérmico en contacto con material aislante de conductividad 0,35 W/m°K, de acuerdo a las leyes básicas de transferencia de calor y aplicando ley de Fourier de conductividad de sólidos, podemos calcular una disminución de 2,5 veces la pérdida de calor del manguito exotérmico interior.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA FIGURAS La figura 1 ilustra una vista frontal en corte de un sistema de colada, que incluye: Canal de alimentación (1) ,· Pieza (2) ; Montante (3) ; Manguito (4) ; y Galleta de quiebre (5) .

La figura 2 ilustra una vista isométrica en corte del manguito de capa compuesta de acuerdo a la presente invención.

La figura 3 ilustra una vista frontal en corte del manguito de capa compuesta de acuerdo a la presente invención .

La figura 4 muestra la curva de calentamiento exotérmico de manguito.

La figura 5 muestra la curva derivada de calentamiento exotérmico del manguito.

La figura 6 muestra los resultados obtenidos con SOLID CAST, comparando (a) un manguito ND 260 de capa exotérmica y (b) un manguito ND 240 de doble capa de acuerdo a la presente invención, con una capa interior exotérmica y una capa exterior aislante.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN La presente invención es descrita en forma detallada con referencia a la figura 2 y 3. De acuerdo a ésta, se provee de un manguito (4) de capas compuestas utilizado como alimentador de metal suplementario en procesos de colado por fundición, el cual evita defectos provocados por la contracción volumétrica de las aleaciones metálicas. Dicho manguito (4) comprende dos capas concéntricas, una capa interior exotérmica (7) y una capa exterior aislante (6) , donde dichas capas forman una parte superior (8) que corresponde a un cilindro hueco; y una parte inferior (9) que corresponde a la base del manguito (4) .

Tal como se puede apreciar en la figura 3, el manguito (4) consiste en un cilindro hueco, donde éste posee un diámetro interior D, en centímetros, y donde el espesor (e) total de ambas capas se encuentra en el rango de 0,1 D y 0,1 D más 2 cm, donde preferentemente dicho espesor (e) corresponde a 0,1 D más 1 cm. Este posee además una altura H de dimensiones comprendidas entre 1,5 D a 2 D, y en donde el rango del diámetro D de la invención es de 10 cm a 60 cm para todo tipo de aleaciones.

En una configuración preferida de la invención las capas interior (7) y exterior (6) poseen igual espesor. Sin embargo, la relación de espesores entre las capas interior (7) y exterior (6) puede ser variable según lo requiera el diseño.

Por otro lado, en una configuración preferida de la invención, la parte inferior (9) puede consistir en un cono circular truncado de altura H' , comprendida entre 0,3 D a 0,5 D y diámetro interno D' , cuya magnitud se encuentra entre 0,5 D a 0,75 D. No obstante, esta base también podría ser cilindrica, en donde se mantendrían las dimensiones D, H y el espesor del manguito..

Alternativamente, dicho manguito (4) puede incluir en su fondo galletas de quiebre (5), corte o de estrangulación, tal como se ilustra en la figura 1.

El manguito (4) de la invención conforma un cuerpo rígido y las capas que lo conforman están adheridas permitiendo su manipulación. Tanto la capa interna (7) como la capa externa (6) , son fabricadas con mezclas granulares específicas, utilizando para su aglomeración resinas de fundición curadas en frío, mediante catalizadores líquidos o gaseosos .

El manguito (4) de la presente invención no se limita al uso de microesferas huecas, pudiéndose utilizar perlitas expandidas, vermiculitas expandidas, fibras cerámicas de alúmina, aluminio en polvo, resinas orgánicas de curado en frío o cualquier ligante inorgánico.

Por otro lado, el material utilizado para las capas concéntricas (6,7) comprende una o varias resinas orgánicas de un grupo conformado por resina fenólica uretánica, resina alcalina de ester, resina furánica. Similarmente , dichas capas concéntricas (6,7) pueden comprender uno o varios ligantes inorgánicos de un grupo conformado por silicatos de ester, cementos hidráulicos refractarios de alumino silicatos o silicatos.

De acuerdo a una configuración preferida de la invención, los rangos utilizados para las formulaciones de ambas capas, aislante y exotérmica, son los siguientes: EJEMPLO DE APLICACION El proceso de fabricación de estos manguitos de capas compuestas considera el disparo en proceso Cold Box de mezcla aislante en un molde provisto de una pieza interior que permite fabricar el espesor externo, luego se cambia esta pieza interior por una de espesor menor y se dispara en proceso Cold Box la mezcla exotérmica.

El espesor de ambas capas, exotérmica y aislante, se fija de igual magnitud por razones productivas.

La base teórica que permite calcular la eficiencia de manguitos de doble capa, está basada en la simulación de solidificación con elementos finitos a. través del Software SOLID CAST y posterior comprobación en fundidos de cubos patrones .

De los cálculos teóricos y comprobaciones en prácticas, se verifica que la configuración de capas compuestas exotérmica y aislante, es de mayor eficiencia que una capa exotérmica y por ende de una capa aislante.

Para la simulación de doble capa se utilizó una pieza de referencia (prisma patrón) de dimensiones 42 cm x 42 cm x 27 cm (altura) , que tiene un peso de 360 Kg en aleación de acero con Cromo y Molibdeno, con conductividad térmica de 26,3 W/m°K, capacidad calorífica 454 J/Kg°K, temperatura de colada de i.520°C, temperatura de solidificación de 1190°C, rango de solidificación 50°C y calor latente de fusión 267.306 J/Kg. El montante del manguito de doble capa consiste en un cilindro de 24 cm de diámetro, con 24 cm de altura con el f ondo cónico de altura de cono de 12 cm, diámetro inferior interno del cono 17 cm. El peso resultante del montante es de 97 Kg de metal en estado líquido.

El manguito tiene un espesor total de 3,4 cm, con una capa exotérmica interior de 1,7 cm y una capa externa aislante de 1,7 cm. Las propiedades termodinámicas utilizadas en el espesor exotérmico son: conductividad térmica 0,5 W/m°K, capacidad calorífica 837 J/Kg°K, densidad 600 Kg/m3 , temperatura de ignición 400 °C, tiempo de quemado 1,5 minutos y temperatura de quemado 1370 °C. Las propiedades termodinámicas del espesor aislante son: Conductividad térmica 0,35 W/m°K, capacidad calorífica 837 J/ Kg°K y una densidad de 480 Kg/m3.

Este manguito es comparado con un manguito de 26 cm de diámetro, fabricado con una sola capa de 3,4 cm de espesor exotérmica con las mismas propiedades termodinámicas que la capa exotérmica del manguito de doble capa conformado por un cilindro de 26 cm de diámetro con 26 cm de altura con el fondo cónico de altura de cono de 13 cm, diámetro inferior interno del cono 18 cm. El peso resultante del montante es de 124 g de metal en estado líquido. La pieza de referencia para la comparación es la misma para los dos manguitos, en dimensiones y en material.

Las propiedades termodinámicas se evalúan en prueba cinética de encendido de material a 1.000 °C. La prueba consiste en introducir una termocupla en una probeta de dimensiones 14 x 6 x 1,5, esta termocupla está conectada a un computador con una interfase que controla tiempo y temperatura generando curvas características.

Una de dichas curvas se muestra en la figura 4, la cual corresponde a la curva de calentamiento exotérmico del manguito. A partir de ésta se puede calcular el poder calorífico mediante el área bajo la curva, de este valor se calcula la temperatura de quemado.

Además, la figura 5 muestra la derivada de la temperatura con respecto al tiempo, correspondiente a la curva de calentamiento exotérmico del manguito. A partir de la cual se obtiene el tiempo de ignición de la capa de manguito exotérmico, y la capacidad calorífica promedio. La conductividad se obtiene por calentamiento de un cilindro de material de manguito por determinación de temperaturas de equilibrio.

De la información proporcionada por ambas curvas, se extraen los valores optimizados en poder calorífico, temperatura de quemado y la conductividad térmica que nos proporciona la capacidad de aislación de calor. Estos valores son introducidos en el programa de elementos finitos Solid Cast, utilizando las capas de la invención y se comparan los resultados de manguitos del tipo exotérmico y manguitos de doble capa alimentando un cubo de referencia. La figura 6 muestra que los manguitos de doble capa mantienen el metal líquido por más tiempo que un manguito del tipo exotérmico, esto se aprecia en la zona más clara, que representa la última fracción de metal que solidificará, esta zona debe estar situada sobre la pieza. La figura 6 compara un manguito ND 260 de capa exotérmica, de peso metálico contenido de 124 Kg, comparado con un manguito ND 240 de doble capa, y de menor tamaño, de peso metálico contenido de 97 Kg. El manguito ND 240, supera como alimentador al manguito ND 260. Ensayos prácticos en fundidos industriales comprueban lo anterior.

El manguito con interior exotérmico, rodeado de un aislante, permite mantener por más tiempo la temperatura de la reacción de Aluminotermia, evitando el enfriamiento de metal del montante, aumentando el aporte metálico del manguito.

Solamente a modo de ejemplo se indican las siguientes formulaciones para ser utilizadas en el manguito de la invención: Una formulación exotérmica adecuada para la invención y probada es : Utilizando las formulaciones en producción de manguitos de acuerdo a la invención, con dos capas equivalentes en espesor, se obtienen manguitos con propiedades mejoradas, las cuales fueron verificadas con colada de prismas patrones, con las medidas enunciadas. Estos prismas fueron analizados con ultrasonido, verificando los cálculos de simulación. Los mejoramientos del manguito de la invención, se comparan con un manguito y montante de iguales condiciones geométricas, considerando sólo material exotérmico con las propiedades termodinámicas descritas.

El factor de extensión del módulo del manguito sube de 1,4 a 1,6; por lo tanto, el módulo del manguito de dos capas es un 15% mayor que un manguito exotérmico de igual geometría .

El aumento de este módulo del manguito de doble capa, permite una disminución del tamaño de los montantes, con importantes ahorros metálicos.

El aporte del metal contenido en el montante con manguito de doble capa es de un 45 %, es decir, un 22 % más de aporte en relación a un manguito exotérmico de igual espesor, cuyo aporte es de un 35%.

Claims (14)

NOVEDAD DE LA INVENCIÓN Habiendo descrito la presente invención se considera como novedad y por lo tanto se reclama como propiedad lo descrito en las siguientes REIVINDICACIONES .

1. Un manguito (4) de capas compuestas utilizado como alimentador de metal suplementario en procesos de colado por fundición, CARACTERIZADO porque comprende: dos capas concéntricas, una capa interior exotérmica (7) y una capa exterior aislante (6), formando dichas capas: una parte superior (8) que corresponde a un cilindro hueco; y una parte inferior (9) que corresponde a la base del manguito (4 ) .

2. El manguito de acuerdo con la reivindicación 1, CARACTERIZADO porque posee un diámetro interior D de la parte superior (8) y un espesor (e) , que considera ambas capas, que se encuentra entre una décima parte del diámetro D y la décima parte del diámetro D más 2 cm.

3. El manguito de acuerdo con la reivindicación 2, CARACTERIZADO porque el espesor (e) es una décima parte del diámetro D más 1 cm.

4. El manguito de acuerdo con la reivindicación 2, CARACTERIZADO porque posee una altura H comprendida entre 1,5 D a 2 D.

5. El manguito de acuerdo con la reivindicación 1, CARACTERIZADO porque las capas, interior (7) y exterior (6) poseen igual espesor.

6. El manguito de acuerdo con la reivindicación 1, CARACTERIZADO porque la relación de espesores entre las capas interior (7) y exterior (6) es variable.

7. El manguito de acuerdo con las reivindicaciones 1 y 2, CARACTERIZADO porque la parte inferior (9) corresponde a un cono circular truncado que posee una altura H' comprendida entre 0,3 D a 0,5 D y un diámetro interno D' comprendido entre 0,5 D a 0,75 D.

8. El manguito de acuerdo con la reivindicación 1, CARACTERIZADO porque l parte inferior (9) corresponde a un cilindro hueco con las mismas dimensiones de la parte superior ( 8 ) .

9. El manguito de acuerdo con la reivindicación 1, CARACTERIZADO porque el rango de diámetro interno de la parte superior (8) se encuentra entre 10 cm y 60 cm.

10. El manguito de acuerdo con la reivindicación 1, CARACTERIZADO porque el material utilizado para las capas concéntricas (6,7) corresponde a uno o varios de un grupo conformado por microesferas huecas, perlitas expandidas, vermiculitas expandidas, fibras cerámicas de alúmina, aluminio en polvo, resinas orgánicas de curado en frío y ligantes inorgánicos.

11. El manguito de acuerdo con la reivindicación 1, CARACTERIZADO porque el material utilizado para las capas concéntricas (6,7) comprende una o varias resinas orgánicas de un grupo conformado por resina fenólica uretánica, resina alcalina de ester, resina furánica.

12. El manguito de acuerdo con la reivindicación 1, CARACTERIZADO porque el material utilizado para las capas concéntricas (6,7) comprende uno o varios ligantes inorgánicas de un grupo conformado por silicatos de ester, cementos hidráulicos refractarios de alumino silicatos o silicatos .

13. El manguito de acuerdo con la reivindicación 1, CARACTERIZADO porque el material utilizado para la capa concéntrica aislante (6) es : arena de sílice entre 15 a 25%, perlita expandida granular entre 10 a 20%, vermiculita expandida entre 5 a 15%, microesferas huecas entre 38 a 48% y resina fenólica uretánica entre 7 y 17%.

14. El manguito de acuerdo con la reivindicación 1, CARACTERIZADO porque el material utilizado para la capa concéntrica exotérmica (7) es: aluminio en polvo entre 20 a 30%, perlita expandida granular 10 a 20%, fluoruro de calcio 2 a 8%, oxido de hierro 2 a 8%, nitrato de bario 2 a 8%, microesferas huecas 25 a 35% y resina fenólica uret nica entre 10 a 20%.