ES2614602T3 - Revestimiento para un cilindro de colada de una instalación de colada de dos cilindros - Google Patents
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Abstract
Cilindro de colada para una instalación de colada de dos cilindros que está sujeto a una carga térmica variable y altas presiones de cilindro durante la colada próxima a la forma final de bandas de metales no ferrosos, que consta de un revestimiento de una aleación de cobre curable de (expresado respectivamente en % en peso) del 0,4 % al 2 % de cobalto que puede sustituirse parcialmente por níquel, del 0,1 % al 0,5 % de berilio, alternativamente del 0,03 % al 0,5 % de circonio, del 0,005 % al 0,1 % de magnesio y, dado el caso, como máximo el 0,15 % de al menos un elemento del grupo que comprende niobio, manganeso, tantalio, vanadio, titanio, cromo, cerio y hafnio, el resto cobre incluyendo impurezas relacionadas con la producción y aditivos de procesamiento habituales y que está producido al menos en cuanto al revestimiento por las etapas de procesamiento colada, conformación en caliente, recocido de disolución de 850 °C a 980 °C, conformación en frío hasta el 30 % así como curado de 400 °C a 550 °C durante un período de tiempo de 4 a 32 horas y un tamaño de grano medio máximo de 1,5 mm según la norma ASTM E 112, una dureza de al menos 170 HBW y una conductividad eléctrica de al menos 26 Sm/mm2.
Description
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DESCRIPCION
Revestimiento para un cilindro de colada de una instalacion de colada de dos cilindros
La invencion se refiere a un cilindro de colada para una instalacion de colada de dos cilindros.
La meta a nivel mundial, especialmente de la industria del acero, de fundir productos semielaborados lo mas proximo a la forma final posible para ahorrar etapas de deformacion en fno y/o en caliente ha dado lugar desde aproximadamente 1980 a una serie de desarrollos, por ejemplo, en procedimientos de colada continua de uno y dos cilindros.
En estos procedimientos de colada, durante la colada de aleaciones de acero, mquel, cobre asf como aleaciones que solo pueden laminarse en caliente con dificultad, en los cilindros o rodillos refrigerados con agua se presentan temperaturas superficiales muy elevadas en el area de vertido de la masa fundida. Estas se encuentran, por ejemplo, de 350 °C a 450 °C durante la colada proxima a la forma final de una aleacion de acero, constando los revestimientos de los cilindros de colada de un material de CuCrZr con una conductividad electrica de 48 Sm/mm2 y una conductividad termica de aproximadamente 320 W/mK. Los materiales de CuCrZr se han utilizado hasta el momento particularmente para coquillas de colada continua y ruedas fundidoras sometidas a elevados esfuerzos termicos. En estos materiales, por la refrigeracion de los cilindros de colada, la temperatura superficial desciende aproximadamente de 150 °C a 200 °C dclicamente con cada revolucion poco antes del area de vertido. En el lado posterior refrigerado de los rodillos de colada, por el contrario, permanece en su mayor parte constante a aproximadamente 30 °C a 40 °C durante la rotacion. El gradiente de temperatura entre la superficie y el lado posterior, en combinacion con la modificacion dclica de la temperatura superficial de los rodillos de colada, provoca tensiones termicas en el area superficial del material del revestimiento.
De acuerdo con investigaciones del comportamiento de fatiga en el material de CuCrZr usado hasta el momento a distintas temperaturas con una amplitud de alargamiento de ± el 0,3% y una frecuencia de 0,5 hertzios (estos parametros corresponden aproximadamente a una velocidad de rotacion de los rodillos de colada de 30 rpm), por ejemplo, a una temperatura superficial maxima de 400 °C, correspondientemente a un espesor de pared de 25 mm por encima de la refrigeracion por agua, en el mejor de los casos se espera una durabilidad de 3000 ciclos hasta la formacion de grietas. Por eso, los rodillos de colada deben repasarse ya tras un tiempo de funcionamiento relativamente corto de aproximadamente 100 minutos con el fin de la eliminacion de grietas superficiales. A este respecto, la duracion entre los trabajos de repaso depende, entre otras cosas, fundamentalmente de la eficacia de los agentes lubricantes/separadores en la superficie de colada, de la refrigeracion condicionada por la construccion y el proceso asf como de la velocidad de colada. Para el intercambio de los rodillos de colada, debe detenerse la maquina de colada y debe interrumpirse el proceso de colada.
Otra desventaja del material de coquillas CuCrZr probado es la dureza relativamente escasa de aproximadamente 110 HBW a 130 HBW para este caso de aplicacion. En el caso de un procedimiento de colada continua de uno o dos cilindros, a saber, no puede evitarse que ya antes del area de vertido lleguen salpicaduras de acero a las superficies de los cilindros. Las partfculas de acero solidificadas se presionan entonces en las superficies relativamente blandas de los cilindros de colada, mediante lo cual se ve afectada considerablemente la calidad superficial de las bandas coladas de aproximadamente 1,5 mm a 4 mm de grosor.
La menor conductividad electrica de una aleacion de CuNiBe conocida con una adicion de hasta el 1 % de niobio tambien da como resultado una mayor temperatura superficial en comparacion con una aleacion de CuCrZr. Puesto que la conductividad electrica se comporta de manera aproximadamente proporcional con respecto a la conductividad termica, la temperatura superficial de un revestimiento de un cilindro de colada de la aleacion de CuNiBe se aumenta a aproximadamente 540 °C en comparacion con un cilindro de colada con un revestimiento de CuCrZr con una temperatura maxima de 400 °C en la superficie y 30 °C en el lado posterior. Es cierto que las aleaciones de CuNiBe o CuCoBe terciarias presentan en principio una dureza Brinell de mas de 200 HBW, pero la conductividad electrica de los productos semielaborados estandares producidos a partir de estos materiales como, por ejemplo, varillas para la elaboracion de electrodos de soldadura por resistencia o chapas y bandas para la produccion de resortes o bastidores de conductores, alcanza, en todo caso, valores que se encuentran en el intervalo desde 26 Sm/mm2 hasta aproximadamente 32 Sm/mm2. En condiciones optimas, con estos materiales estandar unicamente debena alcanzarse una temperatura superficial de aproximadamente 585 °C en el revestimiento de un cilindro de colada.
Tambien para las aleaciones de CuCoBeZr o CuNiBeZr conocidas en principio por la patente estadounidense 4.179.314, no se deduce ningun indicio de que con la seleccion espedfica de los componentes de aleacion puedan conseguirse valores de conductividad de > 38 Sm/mm2 junto con una dureza minima de 200 HBW.
Se conoce una aleacion de cobre curable como material para la produccion de coquillas de colada continua tanto por la patente estadounidense 4.377.424 como por el documento DE 100 18 504 A1. Tambien pueden usarse aleaciones de cobre curables como material para la produccion de moldes de fundicion (documento US 4.599.120 A). En principio, en los materiales de coquillas de colada continua y moldes de fundicion se exigen otros requisitos diferentes a los de los materiales para cilindros de colada.
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En el alcance del documento EP 0 548 636 B1, aparte del estado de la tecnica, se cuenta el uso de una aleacion de cobre curable del 1,0 % al 2,6 % de mquel que puede estar sustituido total o parcialmente por cobalto, del 0,1 % al 0,45 % de berilio, alternativamente del 0,05 % al 0,25 % de circonio y, dado el caso, como maximo el 0,15 % de al menos un elemento del grupo que comprende niobio, tantalio, vanadio, titanio, cromo, cerio y hafnio, el resto cobre incluyendo impurezas relacionadas con la produccion y aditivos de procesamiento habituales con una dureza Brinell de al menos 200 HBW y una conductividad electrica de por encima de 38 Sm/mm2 como material para la produccion de cilindros de colada y ruedas fundidoras.
Aleaciones con estas composiciones como, por ejemplo, las aleaciones CuCo2Be0,5 o CuNi2Be0,5, presentan desventajas en la conformabilidad en caliente a causa del contenido de elemento de aleacion relativamente alto. Sin embargo, son necesarios elevados grados de conformacion en caliente para conseguir, a partir de estructuras de colada de grano grueso con varios milfmetros de tamano de grano, un producto de grano mas fino con un tamano de grano de <1,5 mm (segun la norma ASTM E 112). Especialmente para cilindros de colada de gran tamano, hasta ahora solo pueden producirse lingotes lo suficientemente grandes con calidad suficiente con un coste muy elevado; sin embargo, casi no estan disponibles dispositivos de conformacion tecnicos para realizar con un coste razonable una amasadura en caliente lo suficientemente elevada para la recristalizacion de la estructura de colada a una estructura de grano fino.
La invencion se basa (a partir del estado de la tecnica) en el objetivo de crear un cilindro de colada como componente de una instalacion de colada de dos cilindros que, durante la colada proxima a la forma final de bandas de metales no ferrosos, pueda exponerse facilmente a cargas termicas variables y altas presiones de cilindro con una alta vida util.
Este objetivo se resuelve con las caractensticas indicadas en la reivindicacion 1.
Por el uso de una aleacion de CuCoBeZr(Mg) con contenido de Co y Be bajo intencionadamente escalonado puede garantizarse, por una parte, una curabilidad aun suficiente del material para la obtencion de elevada resistencia, dureza y conductividad; por otra parte, solo son necesarios bajos grados de conformacion en caliente para la recristalizacion completa de la estructura de colada y el ajuste de una estructura de grano fino con plasticidad suficiente.
El revestimiento se produce por las etapas de procesamiento colada, conformacion en caliente, recocido de disolucion de 850 °C a 980 °C, conformacion en fno hasta el 30 % asf como curado de 400 °C a 550 °C durante un penodo de tiempo de 4-32 horas, presentando el revestimiento un tamano de grano medio maximo de 1,5 mm segun la norma ASTM E 112, una dureza de al menos 170 HBW y una conductividad electrica de al menos 26 Sm/mm2.
Gracias a un cilindro de colada conformado de esta forma como componente de una instalacion de colada de dos cilindros se logra incrementar en mas del doble la velocidad durante la colada de una banda de un metal no ferroso, especialmente de aluminio o de una aleacion de aluminio, en comparacion con una disposicion de cilindros equipada con revestimientos de acero puros. Ademas, se consigue una calidad superficial significativamente mejorada de la banda colada. Tambien esta garantizada una vida util considerablemente mas prolongada del revestimiento.
El cilindro de colada puede estar conformado como cilindro hueco, es decir, con rigidez propia sin nucleo. No obstante, la superficie puesta en contacto con las bandas que van a colarse tambien puede ser componente de un revestimiento con un nucleo, especialmente un nucleo de acero. El revestimiento puede estar entonces zunchado, calado o montado sobre un tal nucleo como soporte y despues bloqueado mecanicamente.
Aparte de eso, es concebible que, en el caso del uso de un revestimiento, este pueda estar conformado en una o varias capas.
La superficie envolvente de la superficie del cilindro de colada puede estar disenada cilmdricamente o con un bombeado para compensar, dado el caso, una flexion del cilindro.
Otra mejora de las propiedades mecanicas del revestimiento, especialmente un aumento de la resistencia a la traccion, puede obtenerse ventajosamente segun la reivindicacion 2 por que la aleacion de cobre contiene del 0,03 % al 0,35 % de circonio y del 0,005 % al 0,05 % de magnesio.
De acuerdo con otra forma de realizacion (reivindicacion 3), la aleacion de cobre para el revestimiento contiene un porcentaje < 1,0 % de cobalto, del 0,15 % al 0,3 % de berilio y del 0,15 % al 0,3 % de circonio.
Aparte de eso, resulta ventajoso cuando, segun la reivindicacion 4, en la aleacion de cobre del revestimiento, la relacion de cobalto respecto a berilio asciende entre 2 y 15.
Segun la reivindicacion 5, esta relacion de cobalto respecto a berilio asciende especialmente entre 2,2 y 5.
La invencion permite que, correspondientemente a las caractensticas de la reivindicacion 6, la aleacion de cobre contenga, ademas de cobalto, hasta el 0,6 % de mquel.
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Otras mejoras de las propiedades mecanicas del cilindro de colada pueden conseguirse cuando, de acuerdo con la reivindicacion 7, la aleacion de cobre del revestimiento contiene hasta un maximo del 0,15 % de al menos un elemento del grupo que comprende niobio, manganeso, tantalio, vanadio, titanio, cromo, cerio y hafnio.
De manera especialmente ventajosa, se demuestra que el revestimiento de acuerdo con la reivindicacion 8, en el estado curado, presenta un tamano de grano medio de 30 pm a 500 pm segun la norma ASTM E 112, una dureza de al menos 185 HBW, una conductividad entre 30 y 36 Sm/mm2, un 0,2 % de lfmite elastico de al menos 450 MPa y un alargamiento de rotura de al menos el 12 %.
Cuando, correspondientemente a las caractensticas de la reivindicacion 9, el revestimiento esta provisto de un recubrimiento que reduce la permeabilidad termica o iguala el flujo termico, puede incrementarse aun mas la calidad del producto de la banda colada de un metal no ferroso, pero especialmente de aluminio o de una aleacion de aluminio. Este recubrimiento se consigue espedficamente a causa del comportamiento funcional del revestimiento de una aleacion de cobre en el caso especialmente de una banda de aluminio por que se forma sobre la superficie del revestimiento, por la interaccion de cobre con aluminio, al principio de un proceso de colada y laminado, una capa de adhesion sobre la que penetra entonces, en el desarrollo adicional del proceso de colada, aluminio en la superficie de cobre y ad puede conformarse una capa de difusion resistente y estable, cuyo grosor y propiedad estan determinados fundamentalmente por la velocidad de colada y las condiciones de refrigeracion. Con ello, se mejora la calidad superficial de la banda de aluminio y consecuentemente se aumenta de manera significativa la calidad del producto.
Con las caractensticas de la reivindicacion 10 puede prolongarse aun mas la vida util del revestimiento.
Segun la reivindicacion 11, la superficie del cilindro de colada puede estar conformada de manera lisa. Esta configuracion puede conseguirse especialmente por cilindros. De esta manera, en la zona marginal se inducen tensiones de compresion que posibilitan una resistencia adicional frente a la formacion de grietas y la propagacion de grietas para aumentar la durabilidad del cilindro de colada.
Aparte de eso, es concebible que, correspondientemente a la reivindicacion 12, la superficie del cilindro de colada este texturizada. Puede realizarse una texturizacion, por ejemplo, por mecanizado con arranque de virutas, rodadura entre discos planos, electroerosionado o radiacion. Por medidas de este tipo puede influirse espedficamente en el coeficiente de transferencia de calor.
Finalmente, de acuerdo con la invencion, es aun imaginable que, segun la reivindicacion 13, en las depresiones formadas por una texturizacion, este incrustada una sustancia con una conductividad termica mas baja en comparacion con la conductividad termica del cobre.
Una tal sustancia tambien puede ser, ademas de un material metalico, como especialmente mquel o una aleacion de mquel, un material ceramico. Un relleno de este tipo de las depresiones formadas por una texturizacion en la superficie del cilindro de colada sirve para la generacion de buenos acabados superficiales y el aseguramiento de una influencia duradera de la conductividad termica.
La invencion se explica aun con mas detalle a continuacion. Mediante siete aleaciones para el revestimiento de un cilindro de colada (aleaciones A a G) y tres aleaciones comparativas (H a J) se muestra como es cnticamente la composicion para conseguir la combinacion de propiedades pretendida.
Todas las aleaciones se fundieron en un horno de crisol y se vertieron para dar lugar a bloques redondos del mismo formato. La composicion en porcentajes en peso esta indicada en la siguiente Tabla 1. La adicion de magnesio sirve para la desoxidacion previa de la masa fundida y la adicion de circonio influye positivamente sobre la plasticidad en caliente.
Tabla 1
- Aleacion
- Co (%) Ni (%) Be (%) Zr (%) Mg (%) Cu (%)
- A
- 0,68 - 0,20 0,20 0,03 Resto
- B
- 1,0 - 0,22 0,22 0,03 Resto
- C
- 1,4 - 0,20 0,18 0,02 Resto
- D
- 0,65 - 0,29 0,21 0,04 Resto
- E
- 1,0 - 0,31 0,24 0,01 Resto
- F
- 1,4 - 0,28 0,29 0,03 Resto
- G
- 1,0 0,1 0,22 0,16 0,03 Resto
- H
- - 1,7 0,27 0,16 - Resto
- I
- 2,1 - 0,55 0,24 - Resto
- J
- 1,4 0,54 0,20 Resto
5
10
15
20
25
30
Las aleaciones se prensaron a continuacion para dar lugar a barras planas con una baja relacion de prensado (= seccion transversal del lingote / seccion transversal de la barra de presion) de 5,6:1 sobre una prensa de extrusion a 950 °C. Las aleaciones se sometieron despues a un recocido de disolucion de al menos 30 minutos por encima de 850 °C con posterior temple en agua y a continuacion se curaron de 4 a 32 horas en el intervalo de temperature entre 400 °C y 550 °C. Se consiguieron las combinaciones de propiedades expuestas en la siguiente Tabla 2.
Tabla 2
- Aleacion
- Rm MPa Rpo2 MPa A % HB 2,5 187,5 Cond. Sm/mm2 electrica Tamano de grano mm
- A
- 694 492 21 207 36,8 0,09-0,025
- B
- 675 486 18 207 32,8 0,09-0,018
- C
- 651 495 18 211 30,0 0,045-0,013
- D
- 707 501 19 207 31,4 0,09-0,025
- E
- 735 505 19 229 33,6 0,045-0,018
- F
- 735 520 19 224 32,3 0,09-0,025
- G
- 696 513 18 213 33,5 0,065-0,018
- H
- 688 556 10 202 41,0 2-3
- I
- 784 541 11 229 30,3 1,5-3
- J
- 645 510 4 198 30,9 4-6
Rm = resistencia a la traccion
Rp0,2 = 0,2 % de lfmite elastico
A = alargamiento de rotura
HBW = dureza Brinell
Como se puede deducir de las combinaciones de propiedades, las aleaciones de acuerdo con la invencion para la produccion de un revestimiento de un cilindro de colada consiguen la estructura de grano fino recristalizada pretendida con un alargamiento de rotura correspondientemente bueno. En el caso de las aleaciones comparativas H a J, esta presente un tamano de grano por encima de 1,5 mm, mediante lo cual se reduce la plasticidad del material.
Se puede conseguir un incremento de resistencia adicional por la conformacion en fno antes del curado. En la siguiente Tabla 3 estan representadas combinaciones de propiedades respecto a las aleaciones A a J que se consiguen por recocido de disolucion del material prensado durante al menos 30 minutos por encima de 850 °C con posterior temple en agua, del 10 % al 15 % de laminado en fno (reduccion de la seccion transversal) y posterior curado de 2 a 32 horas en el intervalo de temperatura entre 400 °C y 550 °C.
Tabla 3
- Aleacion
- Rm MPa Rpo2 MPa A % HBW 2,5 187,5 Cond. Sm/mm2 electrica Tamano de grano mm
- A
- 688 532 20 211 36,7 0,13-0,025
- B
- 679 534 18 207 34,6 0,045-0,018
- C
- 741 600 17 227 34,4 0,065-0,018
- D
- 690 537 21 207 32,6 0,065-0,025
- E
- 735 576 19 230 34,7 0,045-0,018
- F
- 741 600 17 227 34,4 0,13-0,025
- G
- 695 591 15 224 33,0 0,18-0,035
- H
- 751 689 9 202 40,9 2-4
- I
- 836 712 10 229 31,0 2-3
- J
- 726 651 6 198 31,5 3-6
Las aleaciones A a G de acuerdo con la invencion muestran de nuevo buenos alargamientos de rotura y un tamano de grano por debajo de 0,5 mm, mientras que las aleaciones comparativas H a J presentan un grano grueso con un tamano de grano por encima de 1,5 mm y valores de alargamiento de rotura mas bajos. Por lo tanto, estas aleaciones de cobre poseen ventajas de procesamiento inequvocas en la produccion de revestimientos, especialmente para cilindros de colada mas grandes de instalaciones de colada de dos cilindros, mediante lo cual se hace posible un producto final de grano fino con propiedades fundamentales optimas para el ambito de aplicacion.
Claims (13)
- 5101520253035404550REIVINDICACIONES1. Cilindro de colada para una instalacion de colada de dos cilindros que esta sujeto a una carga termica variable y altas presiones de cilindro durante la colada proxima a la forma final de bandas de metales no ferrosos, que consta de un revestimiento de una aleacion de cobre curable de (expresado respectivamente en % en peso) del 0,4 % al 2 % de cobalto que puede sustituirse parcialmente por mquel, del 0,1 % al 0,5 % de berilio, alternativamente del 0,03 % al 0,5 % de circonio, del 0,005 % al 0,1 % de magnesio y, dado el caso, como maximo el 0,15 % de al menos un elemento del grupo que comprende niobio, manganeso, tantalio, vanadio, titanio, cromo, cerio y hafnio, el resto cobre incluyendo impurezas relacionadas con la produccion y aditivos de procesamiento habituales y que esta producido al menos en cuanto al revestimiento por las etapas de procesamiento colada, conformacion en caliente, recocido de disolucion de 850 °C a 980 °C, conformacion en fno hasta el 30 % asf como curado de 400 °C a 550 °C durante un penodo de tiempo de 4 a 32 horas y un tamano de grano medio maximo de 1,5 mm segun la norma ASTM E 112, una dureza de al menos 170 HBW y una conductividad electrica de al menos 26 Sm/mm2
- 2. Cilindro de colada segun la reivindicacion 1, en el que la aleacion de cobre contiene del 0,03 % al 0,35 % de circonio y del 0,005 % al 0,05 % de magnesio.
- 3. Cilindro de colada segun la reivindicacion 1 o 2, en el que la aleacion de cobre contiene un porcentaje menor al 1,0 % de cobalto, del 0,15 % al 0,3 % de berilio y del 0,15 % al 0,3 % de circonio.
- 4. Cilindro de colada segun una de las reivindicaciones 1 a 3, en el que en la aleacion de cobre la relacion de cobalto respecto a berilio asciende entre 2 y 15.
- 5. Cilindro de colada segun la reivindicacion 4, en el que en la aleacion de cobre la relacion de cobalto respecto a berilio asciende entre 2,2 y 5.
- 6. Cilindro de colada segun al menos una de las reivindicaciones 1 a 5, en el que la aleacion de cobre contiene, ademas de cobalto, hasta el 0,6 % de mquel.
- 7. Cilindro de colada segun al menos una de las reivindicaciones 1 a 6, en el que la aleacion de cobre contiene hasta un maximo del 0,15% de al menos un elemento del grupo que comprende niobio, manganeso, tantalio, vanadio, titanio, cromo, cerio y hafnio.
- 8. Cilindro de colada segun la reivindicacion 1, en el que el revestimiento en el estado curado presenta un tamano de grano medio de 30 pm a 500 pm segun la norma ASTM E 112, una dureza de al menos 185 HBW, una conductividad entre 30 y 36 Sm/mm2, un 0,2 % de lfmite elastico de al menos 450 MPa y un alargamiento de rotura de al menos el 12 %.
- 9. Cilindro de colada segun una de las reivindicaciones 1 a 8, en el que el revestimiento esta provisto de un recubrimiento que reduce la permeabilidad termica.
- 10. Cilindro de colada segun la reivindicacion 9, en el que el recubrimiento presenta una elevada dureza de superficie.
- 11. Cilindro de colada segun una de las reivindicaciones 1 a 10, en el que la superficie esta conformada de manera lisa.
- 12. Cilindro de colada segun una de las reivindicaciones 1 a 10, en el que la superficie esta texturizada.
- 13. Cilindro de colada segun la reivindicacion 12, en el que en las depresiones formadas por la texturizacion esta incrustada una sustancia con una conductividad termica mas baja en comparacion con la conductividad termica del cobre.
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