ES2217190T3 - Elaboracin de aleaciones de tipo aluminio - silicio. - Google Patents
Elaboracin de aleaciones de tipo aluminio - silicio.Info
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Abstract
Procedimiento de elaboración de aleaciones Al-Si, por introducción en el aluminio líquido, a una temperatura incluida entre 700 y 850°C, de granos de silicio metalúrgico con una granulometría inferior a 10 mm, caracterizado porque estos granos de silicio se obtuvieron por granulación con agua y porque, cuando alcanzan la temperatura del aluminio líquido, tienen la propiedad de fragmentarse en granos más pequeños.
Description
Elaboración de aleaciones de tipo
aluminio-silicio.
La invención se refiere a un procedimiento de
elaboración de las aleaciones aluminio-silicio, más
particularmente de las aleaciones con más de 7% de silicio, por
introducción de silicio metalúrgico en el aluminio líquido.
El silicio es un elemento adicional comúnmente
utilizado en las aleaciones de aluminio, particularmente en las
aleaciones Al-Si-Mg (serie 6.000) y
las aleaciones Al-Si (serie 4.000). En esta última
categoría de aleaciones, esencialmente utilizada para la
fabricación de piezas moldeadas, la proporción de silicio puede ser
importante y a veces sobrepasar la proporción del eutéctico que se
sitúa alrededor de un 13%. Estas aleaciones pueden contener otros
elementos adicionales tales como el magnesio, el cobre, el
manganeso, el cinc o el níquel.
Por lo general, la elaboración de estas
aleaciones se hace en hornos de llama o en hornos de inducción, a
temperaturas de unos 700 a 800°C. En cuanto empieza la operación,
se añade a la carga de aluminio una carga de silicio metalúrgico
correspondiente a unos 75 a 90% de la cantidad necesaria. Llegado
este punto, se carga el silicio en forma de trozos y su disolución
en el aluminio se hace progresivamente durante la fusión de la
carga, lo que en absoluto constituye un freno para la productividad
del horno. Una vez fundida la carga, se extrae una muestra para
analizarla y se realiza una adición complementaria de silicio para
la titulación final, operación cuya duración, que depende de la
cinética de disolución del silicio en la aleación esencialmente
compuesta de aluminio, puede limitar la productividad del horno en
el que se realiza la operación.
En la técnica aplicada hasta ahora, esta adición
final se hace en forma de silicio obtenido a partir de lingotes,
con una masa siempre superior a 10 kg, triturados y luego molidos
para obtener trozos de menos de 10 mm y, después de un tamizado a 1
mm, un producto con una fracción granulométrica
1-10 mm.
La cinética de disolución del silicio sólido en
el aluminio y sus aleaciones es relativamente lenta y, a pesar de
la granulometría de introducción seleccionada para el silicio, la
operación puede tomar fácilmente una hora. La remoción del baño,
por ejemplo con una rasqueta, es una práctica generalizada para la
aceleración de la disolución de los elementos adicionales entre los
que se encuentra el silicio. Su mayor inconveniente es que a cada
intervención destruye la capa de alúmina protectora que se forma en
la superficie de la aleación líquida a base de aluminio, lo que
así conduce a pérdidas de aluminio del orden de un 2 a 3% del metal
ahornado.
La diferencia de densidad entre el silicio sólido
y la aleación de aluminio líquido en curso de elaboración es muy
pequeña, de suerte que el silicio introducido tiende a flotar en la
superficie del baño de aleación. La superficie expuesta a la
atmósfera del horno resulta aumentada, lo que tiene como
consecuencia el aumento de la oxidación de los elementos metálicos
ahornados y la formación de granzas en detrimento del
rendimiento.
La invención tiene por objeto un procedimiento de
elaboración de aleaciones de tipo Al-Si,
particularmente de aleaciones entre 7 y 13% de silicio, en un horno
de llama o en un horno de inducción, que permite una disolución
rápida del silicio, una reducción del número de remociones del
baño y una formación de granzas menos impor-
tante.
tante.
La invención tiene por objeto un procedimiento de
elaboración de aleaciones Al-Si por introducción en
el aluminio líquido, a una temperatura incluida entre 700 y 850°C,
de granos de silicio metalúrgico con una granulometría inferior a
10 mm, caracterizado porque los granos de silicio, cuando alcanzan
la temperatura del aluminio líquido, tienen la propiedad de
fragmentarse en granos más pequeños.
Preferentemente, los granos de silicio
metalúrgico utilizados se preparan por granulación con agua del
silicio en fusión.
La invención se apoya sobre la constatación hecha
por la solicitante de un comportamiento diferente, durante la
elaboración de las aleaciones aluminio - silicio, entre el silicio
que se suele utilizar y obtenido por colada de lingotes,
trituración y molienda, y el silicio obtenido por granulación con
agua. En efecto, en ciertas condiciones de utilización, este último
permite reducir a la vez el tiempo de disolución del silicio en el
aluminio líquido así como las pérdidas de metal por oxidación.
El silicio metalúrgico granulado con agua se
utiliza para la síntesis de los halogenosilanos que sirven para la
preparación de las siliconas, como lo indican las patentes EP
0610807 (Wacker Chemie) o EP 0673880 (Pechiney Electrométallurgie).
Un procedimiento de granulación con agua del silicio viene descrito
por ejemplo en la patente FR 2723325 (Pechiney
Electrométallurgie).
La solicitante procuró analizar las diferencias
entre estos dos tipos de granos de silicio. Una primera diferencia
se refiere a la proporción de partículas finas. En efecto, en el
silicio triturado en granos se puede notar la presencia de
cantidades nada despreciables de partículas de tamaño inferior a 5
\mum. La experiencia muestra que el tamizado de un polvo para la
extracción de su fracción inferior a 50 \mum resulta casi
ineficaz para la eliminación de las partículas más finas, por
ejemplo la fracción inferior a 5 \mum. Estas partículas muy finas
se generan probablemente durante el acondicionamiento del producto
y la observación del polvo con un microscopio confirma su
existencia. La evaluación de su cantidad relativa en masa puede
determinarse con una granulometría láser. En la fracción
granulométrica 1-10 mm del silicio preparado por
vía seca, seguimos encontrando por lo menos un 0,5% de fracciones
másicas de partículas con un tamaño inferior a 5 \mum.
A la inversa, en el silicio granulado con agua,
podemos aprovechar el modo de preparación del producto para
introducir en el procedimiento una etapa de aclarado con agua que
permite eliminar la mayor parte de las partículas de tamaño
inferior a 5 \mum. Así se puede obtener un granulado que contenga
menos de 0,1% de partículas de tamaño inferior a 5 \mum, incluso
menos de 0,05%, efectuando dos aclarados sucesivos. También es
interesante notar que en el producto así preparado, los índices de
partículas respectivamente inferiores a 50 \mum y a 5 \mum
siguen siendo prácticamente los mismos después de su aumento
ulterior a la temperatura del metal líquido.
Se ha evidenciado otra diferencia durante las
pruebas de introducción en el aluminio líquido, efectuadas en
laboratorio por la solicitante. En efecto, estas pruebas mostraron
un comportamiento particular del silicio granulado con agua con
respecto al silicio triturado. Colocados en la superficie del baño
de aluminio en fusión, los granos estallan repentinamente y se
rompen en granos más pequeños, que se proyectan a unas decenas de
centímetros. Pudiéramos haber pensado que este comportamiento era
la consecuencia de la presencia de humedad residual. Para eludir
este punto, la solicitante hizo pruebas en un horno de laboratorio
calentado entre 700°C y 850°C, pero vacío, y por consiguiente sin
aluminio en fusión. El comportamiento del silicio granulado
introducido en este horno y en estas condiciones ha sido el mismo
que en presencia de aluminio, lo que excluye la posibilidad de una
reacción entre el aluminio y eventuales residuos de humedad.
El estallido de los granos no se refiere
solamente a unos granos de silicio granulado, sino a la mayor
parte, lo que excluye la posibilidad de una repentina
volatilización de inclusiones de agua fortuitamente presentes en
unos de estos granos.
El estallido de los granos más gruesos sigue
siendo relativamente superficial y deja núcleos mecánicamente
estables. A la inversa, para los granos de tamaño inferior a 10 mm,
cada grano se fragmenta y no da más de 2 a 4 partículas. El
producto así obtenido queda exento tanto de finos inferiores a 50
\mum como de finos inferiores a 5 \mum. Así, cuando se hace la
prueba sobre una muestra de granos con un tamaño incluido entre 5
y 6,7 mm, después de un tratamiento térmico, se vuelve a encontrar
la siguiente composición expresada en número de granos:
granos de tamaño superior a 5 mm: 37%
granos de tamaño incluido entre 2 y 5 mm: 47%
granos de tamaño incluido entre 1,6 y 2 mm:
7%.
Probablemente, la causa de este comportamiento
del silicio granulado se tiene que buscar en las tensiones mecánicas
internas cumuladas en el metal durante su solidificación rápida y
que se liberan cuando ocurre el choque térmico provocado por su
introducción en el aluminio líquido.
Para los tamaños de grano superiores a 10 mm, el
fenómeno resulta menos marcado y el comportamiento de granos
obtenidos con un nuevo acondicionamiento y una trituración de los
granos más gruesos procedentes de una granulación con agua tiende a
confundirse con el del silicio colado en lingotes, triturado y
molido. Este comportamiento puede ser debido a la mala conducción
térmica del silicio, lo que tiene como consecuencia que, durante la
granulación con agua, el efecto de temple en la envoltura de los
granos quede limitado, mientras que su temperatura interior no
bajará sino de forma mucho más lenta.
Puesto que la granulación con agua del silicio
líquido puede dar productos cuya granulometría se sitúa entre 0 y
30 mm, es preciso seleccionar a partir del silicio granulado, por
tamizado por ejemplo, una fracción granulométrica más fina,
limitándose a la fracción inferior a 10 mm.
Para obtener un rendimiento de silicio
satisfactorio durante la introducción en el aluminio líquido, es
preciso respetar ciertas condiciones operativas. Siendo muy pequeña
la diferencia de densidad entre el silicio granulado sólido y el
aluminio líquido, el silicio granulado, así como el silicio
triturado, tiende a flotar en la superficie del baño y
preferentemente puede volver a encontrarse en las granzas. Por
consiguiente, es preciso limpiar correctamente las granzas de la
superficie del baño en fusión antes de adicionar el silicio
granulado. Por otra parte, es preferible trabajar a una temperatura
incluida entre 800°C y 850°C, sea por lo menos a unos 50°C por
encima de la temperatura seleccionada en las condiciones operativas
corrientes.
En estas condiciones, se comprueba:
- que la cinética de disolución del silicio
granulado es más rápida que la del silicio triturado, para una
granulometría comparable. La ganancia que permite el silicio
granulado respecto a la velocidad de disolución es más importante
que la que permite un aumento de temperatura, sin tener los
inconvenientes en términos de oxidación del baño.
- que las remociones necesarias del baño pueden
ser menos frecuentes y menos importantes con un producto que se
disuelve rápidamente que con un producto que sólo se disuelve
lentamente.
Así, se pueden reducir el tiempo de la
elaboración de la aleación y el número de remociones, lo que
permite reducir de forma significativa las pérdidas por oxidación.
Se comprueba así pues una ganancia de 1% sobre el rendimiento metal
para operaciones del orden de 100 kg, este provecho puede alcanzar
los 3% para operaciones de 5 t.
El procedimiento según la invención permite
obtener aleaciones Al-Si con una calidad por lo
menos tan buena como la de las aleaciones que se preparan con
silicio triturado y molido. La calidad inclusionaria de las
aleaciones es del mismo nivel, el número de inclusiones
descubiertas en la aleación no varía de manera significativa. Las
proporciones de hidrógeno medidas en la aleación líquida son del
orden de 0,1 a 0,2 cm^{3} de hidrógeno para 100 g de aleación.
Durante la adición de silicio, estas proporciones varían de más o
menos 10% cualquiera que sea el tipo de silicio utilizado, lo que
viene a confirmar que el silicio granulado no constituye un aporte
de hidrógeno significativo.
En los ejemplos que vienen a continuación, el
control de la calidad inclusionaria del metal líquido se hizo con
las pruebas K-Mold y LIMCA (Liquid Metal
Cleanliness Analysis) cuyo objeto es cuantificar las
concentraciones de inclusiones de óxidos a través de resultados
expresados con unidades propias de cada una de estas pruebas.
La prueba K-Mold consiste en
contar el número de inclusiones descubiertas en la superficie de
rotura de una muestra colada en un molde de forma definida. Los
resultados vienen expresados en número de inclusiones con respecto
a la superficie de rotura de la muestra. Esta prueba permite
descubrir las inclusiones más gruesas, típicamente en la fracción
50 \mum - 300 \mum.
El control LIMCA pone por obra un material
aparentado al Coulter Counter y permite evaluar la concentración en
el metal de las inclusiones sólidas con un tamaño incluido entre 20
\mum y 150 \mum; los resultados vienen expresados en número de
inclusiones por kg de metal. Para aleaciones de tipo
Al-Si, los valores observados pueden ir de 1.000
inclusiones por kg para una aleación considerada como limpia, a
100.000 inclusiones por kg para una aleación muy sucia.
El control de la proporción de hidrógeno se hace
con un aparato ALSCAN que permite una medida inmediata en la
aleación líquida. Los resultados se expresan en cm^{3} de
hidrógeno gas, calculados en las condiciones normales de
temperatura y de presión, para 100 g de aleación.
La producción de un horno de silicio, tratada en
cuchara para eliminar principalmente el calcio, se coló en
lingoteras de hierro colado en lingotes de unos 10 cm de
espesor.
El análisis del metal dio:
Fe: 0,27%; Ca: 0,045% ; Al : 0,12%; C: 0,08%; P:
12 ppm
Mn: 0,07%; Cr: 3 ppm; Cu: 1 ppm; Ti: 12 ppm; Ni:
4 ppm; V: 8 ppm
Esta producción se trituró a una granulometría
máxima de 10 mm, luego se pasó por el tamiz a 1 mm para separar la
fracción 1-10 mm. Para evaluar la calidad
granulométrica de este producto, se extrajo una muestra que se lavó
con agua.
Después, se hizo evaporar el agua de lavado para
recoger los finos arrastrados que se analizaron con un granulometro
de láser. Se pudo volver a constituir así el verdadero análisis
granulométrico del producto original, que resultó contener 0,51% de
finos de tamaño inferior a 5 \mum.
Este silicio clásico colado en lingotes,
triturado, luego molido y pasado por el tamiz a 1-10
mm, fue separado en cuatro lotes idénticos, de los que uno fue
utilizado en un taller de pruebas para la titulación de baños de
aleaciones Al-Si antes de la colada. Las
operaciones efectuadas consistieron en aumentar de un punto el
título de silicio de aleaciones Al-Si a
respectivamente 0,6 y 12% de Si. Estas operaciones se efectuaron en
un horno eléctrico de resistencia, a 750°C, en crisoles de 100 kg
de aleación.
Los tiempos necesarios para la disolución de la
adición de silicio fueron de 10 a 12 minutos.
Las pruebas practicadas en el metal antes y
después de la adición de silicio mostraron una progresión media del
índice K-Mold de aproximadamente 10.
Las proporciones de hidrógeno medidas en el metal
líquido antes y después de la adición de silicio dieron resultados
casi constantes alrededor de 0,18 cm^{3}/100 g. El rendimiento
metal fue evaluado a un 98,3%.
El segundo lote de silicio triturado preparado en
el ejemplo 1 se utilizó durante una prueba en un taller de
fabricación de aleación A-S13 para la titulación del
baño antes de la colada. La operación se realizó en un horno de
llama de 5 toneladas cuya temperatura venía regulada con un punto
de consigna de 750°C. Para la titulación se añadieron 245 kg de
producto y entre el momento de esta adición y la colada final
pasaron 47 minutos. Se efectuaron dos remociones de baño y al
finalizarse la operación se recuperaron 16 kg de escorias.
El rendimiento silicio, calculado según el
aumento del título provocado por la adición, fue de un 93%.
El control de calidad de la aleación AS13 dio los
siguientes elementos:
Calidad inclusionaria evaluada con el método
LIMCA: 1.100 inclusiones/kg.
Proporción de hidrógeno: 0,20 cm^{3}/100 g.
El tercer lote de silicio triturado preparado en
el ejemplo 1 se utilizó para volver a hacer la experiencia del
ejemplo 1 controlando la temperatura del horno a 810°C. Los tiempos
necesarios para la disolución de las adiciones de silicio fueron de
8 a 10 minutos, lo que permitió evaluar a unos 20% la ganancia
debida al efecto del aumento de temperatura. Las pruebas practicadas
en el metal antes y después de la adición de silicio mostraron una
progresión media del índice K-Mold de
aproximadamente 15. Las proporciones de hidrógeno medidas en el
metal líquido antes y después de la adición de silicio dieron
resultados casi constantes, alrededor de 0,22 cm^{3}/100 g. El
rendimiento metal fue evaluado a un 96%.
El cuarto lote de silicio triturado preparado en
el ejemplo 1 se utilizó durante una prueba en un taller de
fabricación de aleación A-S13 para la titulación del
baño antes de la colada. La operación se realizó en un horno de
llama de 5 toneladas cuya temperatura venía regulada con un punto
de consigna de 810°C. Para la titulación se añadieron 179 kg de
producto y entre el momento de esta adición y la colada final
pasaron 28 minutos. Se efectuaron dos remociones de baño y al
finalizarse la operación se recuperaron 12 kg de escorias.
El rendimiento silicio, calculado según el
aumento del título provocado por la adición, fue de un 94%.
El control de calidad de la aleación AS13 dio los
siguientes elementos:
Calidad inclusionaria evaluada con el método
LIMCA: 1.400 inclusiones/kg.
Proporción de hidrógeno: 0,20 cm^{3}/100 g.
Una prueba de fabricación de silicio granulado se
efectúo en la misma instalación industrial que la que sirvió para
preparar el silicio triturado del ejemplo 1, sin cambiar ni la
carga del horno de silicio, ni las condiciones operativas del
tratamiento en cucharas para el afinado. El contenido de una
cuchara de silicio en fusión a 1.530°C fue colado en una
instalación de granulación con agua en cuba.
El producto recuperado en el estanque de
granulación fue objeto de un aclarado con agua pulverizada antes de
su secado y de su tamizado a 10 mm. La fracción superior a 10 mm
fue eliminada y destinada a otras aplicaciones. No se efectúo
ningún tamizado a 1 mm.
El granulado de 0/10 mm obtenido fue objeto de un
control granulométrico realizado en las mismas condiciones que en
el ejemplo 1. El índice de finos con un tamaño inferior a 5 \mum
fue de 0,03%.
El análisis químico del metal dio:
Fe: 0,28%; Ca: 0,038%; Al : 0,14%; C: 0,08%; P:
12 ppm Mn: 0,07%; Cr: 3 ppm; Cu: 1 ppm; Ti: 14 ppm; Ni: 4 ppm; V:
7 ppm
El metal así preparado fue separado en dos lotes
idénticos de los que uno fue utilizado en un taller de pruebas para
la titulación de baños de aleaciones Al-Si antes de
la colada. Como en el ejemplo 1, las operaciones efectuadas
consistieron en aumentar de 1 punto el título de silicio de
aleaciones Al-Si a respectivamente 0,6 y 12% de Si.
Estas operaciones se efectuaron en un horno de resistencias, a
750°C, en crisoles de 100 kg de aleación.
Los tiempos necesarios para la disolución de la
adición de silicio fueron de 10 a 12 minutos.
Las pruebas practicadas en el metal antes y
después de la adición de silicio mostraron una progresión media del
índice K-Mold de aproximadamente 12.
Las proporciones de hidrógeno medidas en el metal
líquido antes y después de la adición de silicio dieron resultados
casi constantes alrededor de 0,20 cm^{3}/100 g. El rendimiento
metal fue evaluado a un 99,0%.
El segundo lote de silicio granulado preparado en
el ejemplo 5 se utilizó durante una prueba en un taller de
fabricación de aleación A-S13 para la titulación del
baño antes de la colada. La operación se realizó en un horno de
llama de 5 toneladas cuya temperatura venía regulada con un punto
de consigna de 810°C. Para la titulación se añadieron 256 kg de
producto. La fusión y la mezcla de esta adición fue muy rápida; se
efectuó una sola remoción de baño y la colada empezó apenas 19
minutos después de la adición de silicio. Al finalizarse la
operación, se recuperaron sólo 3,5 kg de escorias.
El rendimiento silicio, calculado según el
aumento del título provocado por la adición, fue de un 98%.
Calidad inclusionaria evaluada con el método
LIMCA: 800 inclusiones/kg.
Proporción de hidrógeno: 0,18 cm^{3}/100 g.
Claims (7)
1. Procedimiento de elaboración de aleaciones
Al-Si, por introducción en el aluminio líquido, a
una temperatura incluida entre 700 y 850°C, de granos de silicio
metalúrgico con una granulometría inferior a 10 mm,
caracterizado porque estos granos de silicio se obtuvieron
por granulación con agua y porque, cuando alcanzan la temperatura
del aluminio líquido, tienen la propiedad de fragmentarse en granos
más pequeños.
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque la temperatura de introducción del
silicio está incluida entre 800 y 850°C.
3. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque el silicio
puesto por obra contiene menos de 0,1% de partículas de tamaño
inferior a 5 \mum.
4. Procedimiento según la reivindicación 3,
caracterizado porque después de la fragmentación, el silicio
conserva un índice inferior a 0,1% de partículas de tamaño inferior
a 5 \mum.
5. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el silicio
puesto por obra contiene menos de 0,05% de partículas de tamaño
inferior a 5 \mum.
6. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el silicio se
obtiene por selección de la fracción granulométrica
1-10 mm preparada por tamizado, sin trituración ni
molienda ulterior.
7. Procedimiento según la reivindicación 6,
caracterizado porque el silicio puesto por obra fue objeto
de uno o varios aclarados sucesivos con agua para eliminar las
partículas más finas antes del secado final.
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