ES2329985T3 - Reduccion del tamaño de las mazarotas y/o mejora de la calidad del metal en el vaciado por gravedad de productos conformados mediante arco electrico movil. - Google Patents

Reduccion del tamaño de las mazarotas y/o mejora de la calidad del metal en el vaciado por gravedad de productos conformados mediante arco electrico movil. Download PDF

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Abstract

Un aparato de fundición de metales para reducir el tamaño de las mazarotas y/o mejorar la calidad de piezas fundidas metálicas discretas, el aparato comprende: a) al menos un electrodo de arco de plasma para formar un arco de plasma de movimiento continuo sobre la superficie superior de al menos una mazarota que se proyecta por encima de una pieza metálica que está siendo fundida en un molde; b) al menos un soporte para suspender dicho o dichos electrodos de arco de plasma; c) un segundo electrodo que puede sujetarse en una superficie metálica de dicho molde que está siendo usado para la fundición o en el metal fundido, para completar un circuito eléctrico a través de la pieza de metal de dicho molde para formar un arco de plasma y d) medios de control conectados entre dicho aparato y una fuente de alimentación y dispuestos para suministrar energía a dicho o dichos electrodos de arco de plasma para completar dicho o dichos circuitos eléctricos que incluyen el metal fundido, en el molde para formar un arco de plasma de movimiento continuo entre la superficie superior de cada uno de dichas mazarotas y la cara inferior del correspondiente primer electrodo antes mencionado, y controles conectados entre dicho aparato y una fuente de alimentación que hacen posible el control del o de los circuitos eléctricos, en el que cada arco de plasma móvil es capaz de actuar sobre la parte superior de cada uno de dichas mazarotas para hacer fluir/agitar el metal fundido en cada uno de dichas mazarotas.

Description

Reducción del tamaño de las mazarotas y/o mejora de la calidad del metal en el vaciado por gravedad de productos conformados mediante arco eléctrico móvil.
Campo de la invención
La presente invención se refiere a mejoras en el vaciado de metales tanto ferrosos como no ferrosos.
Más particularmente, la invención suministra un aparato y un procedimiento para reducir el volumen de las mazarotas y para la posibilidad de reducción de la sopladura de contracción y la porosidad, de aquí en adelante definidos como "espacios vacíos" en el vaciado por gravedad, por ejemplo: en la fundición mediante moldes permanentes o semi-permanentes de arena. En algunos casos puede conseguirse la reducción del tamaño del grano, de la porosidad y de las inclusiones consiguiéndose una mejor homogeneidad y estructura.
Antecedentes de la invención
La fundición por gravedad de productos finalizados conformados (GCSP) de metal se hace habitualmente por vaciado en moldes de arena o permanentes o semi-permanentes. Los productos habitualmente no sufren ningún otro procesamiento plástico adicional, excepto algún mecanizado y tratamiento térmico si fuera necesario.
La GCSP se basa en el vaciado mediante gravedad de metales/aleaciones dentro de un molde conformado. En el vaciado en arena, por ejemplo, el molde está hecho de arena y arcilla que se endurecen antes del vaciado formando un modelo. El molde es desechable/reciclable y debe reproducirse para cada vaciado. Las formas complicadas se hacen a partir de varios núcleos de arena (en algún momento denominados granos), que se juntan para crear el modelo. De acuerdo con ello, un molde permanente habitualmente está constituido por al menos dos partes de un cuerpo de metal que se unen entre sí para formar el modelo. Este tipo de moldes se utiliza para usos múltiples. Los moldes semi-permanentes contienen tanto un cuerpo externo de metal como núcleos internos de arena y principalmente se usan para obtener formas complicadas tales como culatas.
Para la manufacturación de piezas fundidas libres de defectos y para compensar el volumen de la contracción durante el proceso de solidificación, se utilizan mazarotas en forma de chimenea para crear una presión metaloestática (hidrostática) para empujar el metal líquido hacia las áreas contraídas. Ya que la parte superior de la pieza fundida es la última en solidificarse y debido a que contempla toda la contracción, un vaciado bien diseñado será el que tiene suficientes mazarotas para compensar toda la contracción y los defectos que se producen durante el proceso de solidificación. Las mazarotas tienen un papel adicional sirviendo como depósito de metal líquido para compensar la contracción dentro del cuerpo en solidificación. Por ejemplo, en las piezas fundidas de aluminio o acero de alta calidad el peso de las mazarotas pueda alcanzar al peso del producto finalizado. Al final del proceso, las mazarotas se cortan, se desechan o se vuelven a fundir.
Obviamente, una vez que el metal de la mazarota se ha solidificado ya no sirve para su propósito. Para retrasar dicha solidificación, se han desarrollado algunos productos comercialmente disponibles. Manguitos cerámicos térmicamente aislantes pueden ayudar a extender el período de liquidez de la mazarota. Puede aplicarse un polvo exotérmico para generar calor sobre la superficie superior de la mazarota, pero dicho polvo puede provocar la contaminación de la pieza fundida.
El documento CH 497932 presenta un dispositivo para calentar las cabezas de las lingoteras o de las mazarotas de los moldes de fundición para proporcionar un suministro de metal fundido para compensar la contracción, el dispositivo comprende una camisa de alimentación tubular para ser fijada en la cabeza o la mazarota, una campana de material cerámico o revestida de material cerámico sobre la parte superior de la camisa y un elemento de resistencia eléctrica que se proyecta dentro de la campana y que está soportado por un aro de contacto. El aro de contacto está dividido en secciones aisladas para suministrar corriente eléctrica al elemento de resistencia eléctrica.
El movimiento de un arco eléctrico de acuerdo con la invención, por ejemplo un arco circulante, actúa sobre la parte superior de todos las mazarotas o de las mazarotas seleccionados, crea un calor suficiente para conservar el depósito metálico de las mazarotas en estado fundido durante un período de tiempo más largo y produce suficiente presión como para hacer posible reducir el tamaño de las mazarotas entre un 60% y un 80%. El arco eléctrico móvil, que produce el flujo/la agitación del metal líquido, compensa la reducción de la energía potencial cuando la altura de las mazarotas se reduce entre un 60% y un 80%.
El arco eléctrico puede ser producido por diferentes medios y electrodos, por ejemplo, según se describe en la solicitud de patente PCT, PCT/IL97/00023. Esta patente presenta diferentes electrodos para producir arcos de plasma circulante para su uso en la fundición.
También está en el ámbito de la presente invención la capacidad de aumentar la calidad de los productos, principalmente la reducción de al porosidad y del tamaño del grano, dependiendo de la aleación y de la pieza fundida. Por ejemplo, el hierro fundido y algunas piezas fundidas de aluminio - silicio tienen áreas de baja densidad en la fundición debido a la porosidad. En la fundición de aleaciones de aluminio el problema puede resolverse utilizando una gran cantidad de mazarotas, pero en el hierro fundido es casi inevitable. La aplicación del proceso según se describió anteriormente puede reducir la porosidad, reducir el tamaño del grano y mejorar las propiedades mecánicas.
La presente invención consigue los anteriores objetos suministrando un aparato para producir el flujo/la agitación del metal en el metal líquido, dicho aparato comprende:
a)
al menos un electrodo de arco de plasma para formar un arco de plasma de movimiento continuo sobre la superficie superior de al menos un bebedero, que se proyecta por encima de una pieza metálica que está siendo fundida en un molde.
b)
un soporte para suspender dicho electrodo de arco de plasma sobre la superficie superior de dicho o dichas mazarotas durante el proceso de fundición.
c)
un segundo electrodo, que puede unirse al metal líquido o a una superficie metálica del molde que está siendo usado para la fundición, para completar un circuito eléctrico a través del metal de dicho molde para formar un arco de plasma y
d)
medios de control conectados entre dicho aparato y una fuente de alimentación y dispuestos para suministrar energía a dicho o dichos electrodos de arco de plasma para completar al menos un circuito eléctrico que incluye el metal fundido en el molde para formar un arco de plasma de movimiento continuo entre la superficie superior de dicho bebedero y la cara inferior de dicho primer electrodo, y controles conectados entre dicho aparato y dicha fuente de alimentación para hacer posible el control del o de los circuitos eléctricos, en donde cada arco de plasma móvil es capaz de actuar sobre la parte superior de cada uno de dichas mazarotas para hacer fluir/agitar el metal fundido en cada uno de dichas mazarotas.
El proceso de la presente invención proporciona un procedimiento para reducir el tamaño de las mazarotas y/o reducir los espacios vacíos, inclusiones, porosidad y tamaño del grano en las piezas fundidas metálicas y para mejorar su homogeneidad, dicho procedimiento comprende:
paso a)
vaciar un metal fundido dentro de un molde con al menos un bebedero en la parte superior;
paso b)
suministrar un o unos electrodos de arco de plasma y situarlos ligeramente por encima de la superficie superior del metal fundido del o de las mazarotas y
paso c)
conectar un potencial eléctrico a dicho o dichos electrodos para formar un arco de plasma de movimiento continuo entre dicho o dichos electrodos y la superficie superior de dicho o dichas mazarotas durante el proceso de solidificación o durante una parte del mismo, actuando cada arco de plasma móvil sobre la parte superior de dicho o dichas mazarotas haciendo fluir/agitando al metal fundido de cada uno de dichas mazarotas.
Ha de resaltarse que el procedimiento y el aparato que se describen han sido comprobados en la práctica. El tamaño del electrodo depende del tamaño de las mazarotas y la cantidad de electrodos necesarios depende de la complicación geométrica del producto que está siendo fundido. La cantidad de energía y la duración del tratamiento con arco también dependen del producto. Por ejemplo, un aparato de diez electrodos para la fundición semi-permanente de culatas de acuerdo con las reivindicaciones 1 y 5 de la presente invención ha sido construido y manipulado para cumplir los objetos de la invención, consulte las figuras 2 - 3. Para un electrodo de 40 mm de diámetro, 0,03 kWh por kg es lo más adecuado para producir agitación/flujo, calentamiento y presión para esta fundición semi-permanente de culatas de aluminio.
Un ejemplo de un bebedero con reducción de volumen puede verse en las figuras 4 - 5.
Una muestra de reducción de porosidad en la culata anteriormente mencionada puede verse en las figuras 8 - 9.
Una muestra del refinamiento del grano en una aleación de aluminio puede verse en las figuras 10 - 11. Una pieza de aluminio fue fundida con dos mazarotas con y sin la aplicación del arco eléctrico móvil sobre la parte superior de las mazarotas. La figura 10 de una fundición convencional tiene una microestructura gruesa con separación interdendrítica gruesa mientras que la figura 11 de la pieza tratada tiene una estructura mucho más fina.
Se aplicaron dos arcos circulantes de 150 Amp cada uno durante 120 segundos (el tiempo completo de solidificación).
Breve descripción de los dibujos
La invención se describirá ahora adicionalmente con referencia a los dibujos adjuntos, que representan por ejemplo realizaciones preferidas de la invención. Se muestran detalles estructurales solamente en la medida que sea necesario para el entendimiento de los fundamentos de la misma. Los ejemplos descritos, junto con los dibujos, evidenciarán a aquellos expertos en la materia cómo pueden realizarse formas adicionales de la invención.
En los dibujos:
La figura 1 es una vista parcialmente en sección de una realización preferida del aparato de acuerdo con la invención, que muestra la realización de una fundición semi-permanente por moldeo.
La figura 2 es una vista en perspectiva de una pieza fundida manufacturada mediante el uso de un aparato de 10 electrodos.
La figura 3 es una vista en planta de una realización de 12 electrodos.
La figura 4 es una fotografía de una culata de aluminio de 36 kg producida mediante fundición convencional.
La figura 5 es una fotografía de la misma culata de aluminio de la figura 4 de 26 kg tratada mediante el procedimiento y el aparato de la presente invención.
La figura 6 es una vista lateral de una pieza fundida de acero fabricada mediante fundición convencional.
La figura 7 es una vista lateral de la misma pieza fundida que se ve en la figura 6, tratada mediante el procedimiento y el aparato de la presente invención.
La figura 8 es una fotografía de un segmento de una culata de aluminio de 26 kg producida mediante fundición convencional.
La figura 9 es una fotografía del mismo segmento de culata de aluminio de la figura 8 de 26 kg tratada mediante el procedimiento y el aparato de la presente invención.
La figura 10 es una fotografía de la microestructura de una pieza fundida de aleación de aluminio manufacturada mediante fundición convencional.
La figura 11 es una fotografía de la microestructura de la misma pieza fundida de aleación de aluminio que la mostrada la figura 10 tratada mediante el procedimiento y el aparato de la presente invención.
Descripción detallada de la invención
En la figura 1 se ve un aparato 10 para la fundición de metales para reducir el tamaño de las mazarotas 12 en piezas de fundición metálicas discretas y en algunas aleaciones para reducir los espacios vacíos, inclusiones, porosidad y tamaño del grano de las mismas. También se mejora la homogeneidad tal como puede verse en la figura 11. En la presente realización se trata un vaciado 22 de molde semi-permanente.
El diagrama muestra un aparato 10 que soporta dos electrodos primarios 16 de arco de plasma, que se sitúan a aproximadamente 2 - 20 mm por encima de la superficie superior del metal fundido de las mazarotas 12. Un terminal 24 se une con el primer electrodo 16. Un soporte 26 suspende cada electrodo primario 16 según sea necesario. Un electrodo secundario 28 se sujeta en una superficie metálica 30 del molde 22 que se está utilizando para la fundición o directamente en el metal fundido 31. El electrodo secundario 28, conectado con la otra línea de terminal, completa un circuito eléctrico que pasa a través del metal fundido 31 vaciado en el molde 22, a través de un arco 34 de plasma que se forma entre la superficie superior de cada bebedero 12 y la cara inferior del primer electrodo 16 correspondiente.
Se proporcionan medios 36 de control, para ajustar los parámetros eléctricos conectados a los electrodos primarios y secundarios 16, 28. Los medios 36 de control se conectan con una fuente 38 de alimentación adecuada.
Cuando se conecta energía a los electrodos 16, 28 de arco de plasma, se forman circuitos eléctricos a su través y mediante la generación de los arcos 34 de plasma. La separación entre la superficie superior de las mazarotas 12 y la superficie inferior del correspondiente electrodo primario16 es puenteada por el arco 34 de plasma de movimiento continuo, que hace fluir/agita el metal fundido dentro del molde 22. Los medios 36 de control conectados entre el aparato 10 y la fuente 38 de alimentación hacen posible que un operador controle los parámetros eléctricos que fluyen en los circuitos eléctricos.
Con referencia al resto de las figuras, se han utilizado números de referencia similares para identificar partes similares. Ahora con referencia a la figura 2, se ve el vaciado 32 de una culata, que está siendo tratada mediante el uso del aparato 40 de cabezas múltiples. El aparato 40 es similar al aparato 10, descrito en la figura 1, diseñado para 10 electrodos primarios 16 cada uno sobre un bebedero 12.
La figura 3 ilustra una realización 42 de 12 electrodos que muestra cuánto se pueden acercar los electrodos 16 cuando son necesarios muchas mazarotas para producir una pieza moldeada 44 de alta calidad.
En la figura 4 se muestra una fotografía de una culata 44 de aleación de aluminio que pesa 36 kg que se produjo mediante fundición convencional, con 10 mazarotas 13 de 14 kg.
La figura 5 es una fotografía 45 de la misma culata 45 de aleación de aluminio tratada mediante el procedimiento y el aparato de la presente invención con 10 mazarotas 15 más pequeños de 4 kg.
La figura 6 muestra una pieza de blindaje 66 convencionalmente fundida de aproximadamente 77 cm de largo, hecha de acero refractario. El grosor típico de la pared es de 50 - 75 mm. La pieza fundida 66 sin la mazarota 68 pesa 170 kg y se produjo usando un bebedero 68 de un diámetro de 240 mm que pesaba 140 kg cuando fue desechado. Mediante el uso del aparato 10 mostrado en la figura 1 se produjo la misma pieza fundida 56 de 170 kg a través del uso de un bebedero 70 mucho más pequeño mostrado en la figura 7. La mazarota 70 mostrado en la figura 7 pesaba 26 kg cuando se desechó, un 19% de lo que pesaba el bebedero 68 mostrado en la figura 6.
En la figura 8 se muestra una fotografía 72 de un segmento 74 de una culata de aleación de aluminio que pesa 26 kg que se produjo mediante fundición convencional. En la sección superior de la imagen se ve una porosidad inaceptable.
La figura 9 es una fotografía 76 de un segmento 78 de una culata de aleación de aluminio del mismo tamaño tratada mediante el procedimiento y el aparato de la presente invención. No se evidencia porosidad en la fotografía 76, debido a la acción de fluidificación/agitación del arco de plasma.
La figura 10 es una fotografía 80 de la microestructura de un fragmento de muestra tomado de una pieza fundida de aleación de aluminio, que incluye un 7% de silicio, fabricada mediante fundición convencional. La estructura eutéctica es basta en comparación con la figura 11.
La figura 11 es una fotografía 82 de una microestructura con el mismo aumento que muestra la microestructura de la misma aleación de aluminio tomada a partir de una pieza fundida tratada mediante el procedimiento y el aparato de la presente invención. Son evidentes una estructura eutéctica más fina y una homogeneidad mejorada.
La presente invención también incluye procedimientos para la producción de las piezas fundidas mejoradas descritas y, en particular, para conseguir esto a la par que se utilizan mazarotas espectacularmente menores. Los procedimientos pueden implementarse utilizando el aparato previamente descrito.
El alcance de la invención descrita tiene la intención de incluir todas las realizaciones que caen dentro del significado de las siguientes reivindicaciones. Los ejemplos anteriores ilustran formas útiles de la invención, pero no deben considerarse como limitadores de su alcance, ya que aquellos expertos en la materia convendrán rápidamente que pueden formularse variantes y modificaciones adicionales de la invención sin apartarse del significado de las siguientes reivindicaciones.

Claims (8)

1. Un aparato de fundición de metales para reducir el tamaño de las mazarotas y/o mejorar la calidad de piezas fundidas metálicas discretas, el aparato comprende:
a)
al menos un electrodo de arco de plasma para formar un arco de plasma de movimiento continuo sobre la superficie superior de al menos una mazarota que se proyecta por encima de una pieza metálica que está siendo fundida en un molde;
b)
al menos un soporte para suspender dicho o dichos electrodos de arco de plasma;
c)
un segundo electrodo que puede sujetarse en una superficie metálica de dicho molde que está siendo usado para la fundición o en el metal fundido, para completar un circuito eléctrico a través de la pieza de metal de dicho molde para formar un arco de plasma y
d)
medios de control conectados entre dicho aparato y una fuente de alimentación y dispuestos para suministrar energía a dicho o dichos electrodos de arco de plasma para completar dicho o dichos circuitos eléctricos que incluyen el metal fundido, en el molde para formar un arco de plasma de movimiento continuo entre la superficie superior de cada uno de dichas mazarotas y la cara inferior del correspondiente primer electrodo antes mencionado, y controles conectados entre dicho aparato y una fuente de alimentación que hacen posible el control del o de los circuitos eléctricos, en el que cada arco de plasma móvil es capaz de actuar sobre la parte superior de cada uno de dichas mazarotas para hacer fluir/agitar el metal fundido en cada uno de dichas mazarotas.
2. Un aparato de fundición de metales como el reivindicado en la reivindicación 1, en el que el número de mazarotas es 12.
3. Un aparato de fundición de metales como el reivindicado en la reivindicación 1, en el que al menos un electrodo de arco de plasma está situado aproximadamente entre 2 y 20 mm por encima de la superficie superior del metal fundido de las mazarotas.
4. Un aparato de fundición de metales como el reivindicado en la reivindicación 1, en el que dichas piezas fundidas son piezas fundidas en arena.
5. Un aparato de fundición de metales como el reivindicado en la reivindicación 1, en el que dichas piezas fundidas se producen en moldes permanentes.
6. Un aparato de fundición de metales como el reivindicado en la reivindicación 1, en el que dichas piezas fundidas se producen en moldes semi-permanentes.
7. Un procedimiento de fundición de metales para reducir el tamaño de las mazarotas necesarios y/o para mejorar la calidad de la fundición, dicho procedimiento comprende:
paso a)
vaciar un metal fundido dentro de un molde con al menos una mazarota por encima;
paso b)
disponer un o unos electrodos de arco de plasma y situarlos ligeramente por encima de la superficie superior del metal fundido del o de las mazarotas y
paso c)
conectar un potencial eléctrico a dicho o dichos electrodos para formar un arco de plasma de movimiento continuo entre dicho o dichos electrodos y la superficie superior de dicho o dichas mazarotas durante el proceso de solidificación o durante una parte del mismo, actuando cada arco de plasma móvil sobre la parte superior de dicho o dichas mazarotas fluidificando/agitando al metal fundido de cada uno de dichas mazarotas.
8. Un procedimiento de fundición como el reivindicado en la reivindicación 7, en el que dicha energía eléctrica aplicada a dicho electrodo para formar dicho arco de plasma produce una corriente de al menos 50 A.
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