ES2713380T3 - Procedimiento para controlar magnesio activo en hierro de fundición dúctil - Google Patents

Procedimiento para controlar magnesio activo en hierro de fundición dúctil Download PDF

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Casa Maristas Azterlan
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VEIGALAN ESTUDIO 2010 S L U
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Abstract

Un procedimiento para controlar si la cantidad de magnesio activo en un material fundido tratado de hierro dúctil o grafito esferoidal está por encima o por debajo de un cierto nivel, que comprende las siguientes etapas: (i) añadir a una taza de análisis térmico con telurio provista de un termopar de inmersión y una tapa metálica, una cantidad controlada de una mezcla de neutralización de azufre y FeSi, comprendiendo dicha mezcla de neutralización: a) del 0,07 al 0,25 % en peso de FeSi con respecto al peso de la muestra de ensayo del material fundido tratado que se vierte en ella en la siguiente etapa (ii); y b) un número de equivalentes de azufre que es el mismo que el número de equivalentes de magnesio activo que corresponde a dicho cierto nivel a determinar, (ii) verter en la taza de análisis térmico una cantidad de material fundido tratado para llenar la taza; (iii) registrar una curva de enfriamiento a partir de la muestra de ensayo, e (iv) identificar, de acuerdo con la forma de la curva, si la muestra de ensayo ha solidificado en el eutéctico de grafito o en el eutéctico de carburo.

Description

DESCRIPCION
Procedimiento para controlar magnesio activo en hierro de fundicion ductil
Campo de la invencion
La invencion se refiere a hierro ductil o grafito esferoidal y, mas particularmente, se refiere a un procedimiento para controlar magnesio activo en el material fundido.
Antecedentes de la invencion
Los talleres de fundicion de hierro ductil estan preocupados particularmente sobre como asegurar que se consigue el grado apropiado de nodularidad para cada pieza producida sin sacrificar la velocidad de produccion y optimizando el tiempo y los costes de produccion.
El hierro ductil se fabrica tratando el hierro de fundicion liquido en una cuchara o en un recipiente de tratamiento especial con elementos de “nodulizantes” que promueven la precipitacion de grafito en forma esferoidal. El magnesio ha resultado ser un elemento muy eficaz y es el mas habitual usado en los procedimientos de fabricacion de hierro ductil.
El magnesio es un elemento altamente reactivo, por lo que rapidamente se combina principalmente con oxigeno y azufre. Su punto de ebullicion es de aproximadamente 1090 °C, muy por debajo de la temperatura del tratamiento de nodulizante habitual (1380-1480 °C). Estos aspectos provocan un bajo rendimiento del tratamiento, que depende del producto y la metodologia usados. Hay muchos parametros que afectan a este rendimiento: temperatura del tratamiento, cantidad de material fundido tratado, composicion quimica, etc. Por lo tanto, en condiciones industriales, es bastante dificil controlar su cantidad, considerando que despues del tratamiento de nodulizante, la perdida de magnesio continua durante un tiempo debido a su combinacion, principalmente con oxigeno y azufre, y su vaporizacion a la atmosfera.
Solo el magnesio que esta en un estado libre (denominado Mg activo) es susceptible de modificacion a la forma del grafito. El Mg activo, por lo tanto, tiene que estar en una cantidad determinada en el material fundido para conseguir con exito grafito nodular, mientras que cuando esta en exceso, promueve la aparicion de contracciones y demasiadas inclusiones, que ademas de los mayores costes de produccion, provoca que no se satisfaga el requisito de propiedades mecanicas y, por lo tanto, la produccion de chatarra. Por estas razones, su control es de importancia fundamental para asegurar que se consigue el grado deseado de nodularidad, y que no haya demasiado magnesio que de lugar a algunos otros problemas.
Uno de los procedimientos usados habitualmente en los talleres de fundicion de hierro ductil para asegurar la presencia de suficiente magnesio activo en el material fundido para obtener piezas de fundicion de hierro ductil es la inspeccion metalografica de una muestra vertida desde el mismo material material fundido. Esta metodologia consume tiempo y recursos, y no permite controlar totalmente todos los lotes. Otro procedimiento que puede aplicarse es la espectrometria de chispa, que implica obtener una muestra inactivada (“quenched”) (muestra de hierro blanco). Esta ultima tecnica da la cantidad total de magnesio (Mg residual) que es la suma del que esta en estado libre y del que esta combinado. Un procedimiento adicional del estado de la tecnica, y que se usa actualmente en algunos talleres, esta basado en una tecnica de analisis termico con el fin de ensayar el contenido de magnesio activo en el material fundido despues del tratamiento (vease el documento EP 0 327 237). El procedimiento determina si el contenido de magnesio activo del hierro liquido esta por encima o por debajo de un nivel establecido previamente.
El procedimiento usa tazas de analisis termico desechables preparadas especialmente que contienen una cantidad controlada de azufre y una cantidad controlada de telurio, y que estan provistos de un termopar de inmersion convencional. El documento EP 0 327 237 divulga que los ensayos se realizan despues del tratamiento con magnesio, antes o despues de la inoculacion, para comprobar el nivel de magnesio activo antes de verter el metal en los moldes. Una muestra de fundicion se vierte en una taza de analisis termico y durante su solidificacion se registra la curva de enfriamiento. Si la aleacion solidifica en forma de hierro blanco, esto significa que no hay Mg activo disponible y, por lo tanto, el telurio promueve una aleacion totalmente carbidica y el sistema predice un nivel de Mg por debajo del establecido. Si la aleacion solidifica en forma de hierro grafitico (no blanco), esto indica que hay algo de Mg activo y, por lo tanto, que el telurio no puede promover una aleacion totalmente carbidica, por lo que el nivel de Mg esta por encima del nivel establecido. Estas curvas de enfriamiento (grafitica y carbidica) son facilmente distinguibles.
Sin embargo, este procedimiento sufre algunos inconvenientes, que en ocasiones conducen a resultados imprecisos, incluso falsos positivos o falsos negativos. En este sentido, los inventores han observado que hay algunos casos en los talleres de fundicion en los que este ensayo conduce a un resultado negativo, aunque la cantidad real de magnesio activo presente en el hierro liquido es tal que el ensayo deberia dar un resultado positivo. El caso opuesto, en el que se obtiene un resultado positivo aunque deberia obtenerse un resultado negativo, tambien es posible.
En vista de lo anterior sigue habiendo una necesidad en el estado de la tecnica de proporcionar un procedimiento alternativo para controlar la cantidad de magnesio activo presente en un material fundido tratado y, en particular, de determinar si la cantidad de magnesio activo esta por encima o por debajo de un nivel establecido, que supere al menos parte de los inconvenientes mencionados anteriormente. El documento WO98/25133 desvela otro procedimiento para controlar la calidad del material fundido.
Descripcion de los dibujos
La Figura 1 es un grafico que muestra las curvas de enfriamiento (Temperatura (°C) frente a tiempo (segundos)) de dos analisis termicos de dos muestras de ensayo diferentes con la misma composicion quimica del metal tratado con la misma aleacion de Mg, pero de diferente calidad metalurgica. La Figura 1 muestra tambien la metalografia de las piezas fabricadas: a) con el metal de buena calidad metalurgica sin defectos y b) con el metal con baja calidad metalurgica con defectos.
La Figura 2 es un grafico que muestra las curvas de enfriamiento de un ensayo positivo, con tres canales, donde la cantidad de Mg activo en el material fundido es suficiente para producir piezas de fundicion de hierro ductil, como se muestra en la metalografia de la pieza de fundicion correspondiente.
La Figura 3 es un grafico que muestra las curvas de enfriamiento de un ensayo negativo, con tres canales, donde la cantidad de Mg activo en el material fundido es insuficiente para producir una pieza de grafito esferoidal, como se muestra en la metalografia de la pieza de fundicion correspondiente.
La Figura 4 es un grafico que muestra las curvas de enfriamiento del Ejemplo comparativo 2, con tres canales, donde la cantidad de Mg activo en un material fundido de baja calidad metalurgica es suficiente para producir una pieza de grafito esferoidal usando: una taza de analisis termico unicamente con azufre y una taza de analisis termico de acuerdo con la presente invencion. Se muestra tambien la inspeccion metalografica de la pieza de grafito esferoidal obtenida.
Descripcion de la invencion
En un primer aspecto la presente invencion se refiere a un procedimiento para controlar la cantidad de magnesio activo presente en un material fundido tratado. Este procedimiento, denominado en lo sucesivo en el presente documento el procedimiento de la invencion, es capaz de determinar con precision si el contenido de magnesio activo del material fundido tratado esta por encima o por debajo de un cierto nivel. Dicho nivel es establecido por el propio taller de fundicion de acuerdo con sus necesidades para su hierro ductil, y asegura que las piezas de fundicion de hierro ductil obtenidas tienen la tasa de nodularidad deseada. Los niveles se expresan en el estado de la tecnica como porcentajes de magnesio activo o no combinado y normalmente estan entre el 0,020 % y el 0,040 %. Normalmente, las tasas de nodularidad convenientes para hierro ductil son iguales a o estan por encima del 90 %. El procedimiento de la invencion comprende las siguientes etapas:
(i) anadir a una taza de analisis termico con telurio provista de un termopar de inmersion y una tapa metalica, una cantidad controlada de una mezcla de neutralizacion que consiste en azufre y FeSi, comprendiendo dicha mezcla de neutralizacion controlada:
a) del 0,07 al 0,25 % en peso de FeSi con respecto al peso de la muestra de ensayo del material fundido tratado que se vierte en ella en la siguiente etapa (ii); y
b) un numero de equivalentes de azufre que es el mismo que el numero de equivalentes de magnesio activo que corresponde a dicho cierto nivel a determinar,
(ii) verter en la taza de analisis termico una cantidad de material fundido tratado para llenar la taza;
(iii) registrar una curva de enfriamiento a partir de la muestra de ensayo; e
(iv) identificar, de acuerdo con la forma de la curva, si la muestra de ensayo ha solidificado en el eutectico de grafito o en el eutectico de carburo.
Las tazas de analisis termico con telurio a usar en el presente procedimiento son tazas convencionales disponibles en el mercado, que pueden adquirirse de diferentes companias, tales como Electronite, Heraeus. La cantidad de telurio esta determinada por la necesidad de que el hierro solidifique a la temperatura metaestable (eutectico carbidico). Comprenden un 20-55 % en peso de telurio con respecto al peso de la muestra de ensayo del material fundido tratado, que se vierte en la taza. Tienen capacidad para cantidades de material fundido de 360 g ± 10 %. Estas tazas estan provistas de un termopar de inmersion, tal como de tipo K. El telurio es un elemento metalico con un bajo punto de fusion, que se convierte a fase gas cuando entra en contacto con el material fundido. La mezcla de neutralizacion consiste en azufre y FeSi. El FeSi usado es 40-75 % de FeSi. De acuerdo con otra realizacion particular es 69 % de FeSi.
La mezcla de neutralizacion se prepara de la siguiente manera: el FeSi se muele para obtener un polvo que se tamiza a traves de un tamiz de 160 ^m, dando como resultado un polvo homogeneo con el mismo tamano de grano que el azufre. Las cantidades necesarias de azufre y de este polvo homogeneo se pesan y mezclan minuciosamente.
La mezcla de neutralization se introduce en las tazas. La taza contiene una cantidad controlada de una mezcla de neutralization que tiene entre el 14 y el 40 % en peso de azufre, siendo el resto FeSi. La taza contiene una cantidad controlada de una mezcla de neutralizacion que consiste en 22 ± 1 % en peso de azufre y 78 ± 1 % en peso de FeSi. El registro de una curva de enfriamiento a partir de la muestra de ensayo se realiza de una manera convencional. La forma registrada de la curva indica si la muestra de ensayo ha solidificado de acuerdo con el modelo estable (eutectico grafitico) o con el modelo metaestable (eutectico carbidico). En el primer caso, la muestra de ensayo solidifica en el eutectico de grafito y la forma de la curva resultante determina que la cantidad de magnesio activo presente en el material fundido tratado esta por encima del nivel establecido. En el segundo caso, la muestra de ensayo solidifica en el eutectico de carburo. La curva resultante muestra que la muestra solidifica en forma de hierro blanco, determinando que la cantidad de magnesio activo esta por debajo del nivel establecido.
El procedimiento de la presente invention se puede poner en practica usando una herramienta de soporte Thermolan® que esta disponible en el mercado, que muestra en una pantalla un mensaje de “OK" o “No OK", y que permite que un operario decida rapidamente sobre la marcha, dentro de un periodo de tiempo de 2-3 minutos despues de verter la muestra de ensayo, si continuar o no con el procedimiento de colada cuando el mensaje es “OK", o aumentar el contenido de magnesio en el material fundido para conseguir el magnesio deseado cuando el mensaje es “No OK". El mensaje “OK" puede tomarse tambien como una indication de que es posible reducir el nivel de magnesio activo en el material fundido para reducir los costes.
Una realization particular del procedimiento de la invencion es para controlar si la cantidad de magnesio activo en un material fundido tratado esta por encima o por debajo de un cierto primer nivel, y si esta por encima o por debajo de un cierto segundo nivel. Es decir, el procedimiento se usa para determinar si la cantidad de magnesio activo en un material fundido tratado esta comprendida dentro de un cierto intervalo deseado. Dicho intervalo es establecido por cada taller de fundicion particular de acuerdo con sus necesidades.
De acuerdo con esta realizacion particular, el procedimiento comprende las siguientes etapas:
(i) anadir a una primera taza de analisis termico con telurio provista de un termopar de inmersion y una tapa metalica, una primera cantidad controlada de una mezcla de neutralizacion de azufre y FeSi, comprendiendo dicha primera mezcla de neutralizacion controlada:
a) del 0,07 al 0,25 % en peso de FeSi con respecto al peso de la muestra de ensayo del material fundido tratado que se vierte en ella en la siguiente etapa (ii), y
b) un numero de equivalentes de azufre que es el mismo que el numero de equivalentes de magnesio activo que corresponde a dicho primer cierto nivel a determinar,
(ii) verter en la taza de analisis termico una cantidad de material fundido tratado para llenar la taza;
(iii) registrar una curva de enfriamiento a partir de la muestra de ensayo,
(iv) identificar de acuerdo con la forma de la curva si la muestra de ensayo ha solidificado en el eutectico de grafito o en el eutectico de carburo; y
(v) realizar las mismas etapas (i) a (iv) indicadas, con una segunda taza de analisis termico con una segunda cantidad controlada de una mezcla de neutralizacion, que comprende un numero de equivalentes de azufre que es el mismo que el numero de equivalentes de magnesio activo que corresponde a dicho segundo cierto nivel a determinar.
El procedimiento de la presente invencion muestra una ventaja importante puesto que tiene en cuenta las posibles diferentes calidades metalurgicas del material fundido a ensayar.
La calidad metalurgica es un aspecto muy importante en la fabrication de piezas de fundicion de hierro ductil. Diversos factores dependen de la calidad metalurgica de la aleacion, tales como la potencia de nucleacion, la capacidad de grafitizacion, la tendencia a formation de carburos y la tendencia a una contraction secundaria del metal. Todas estas caracteristicas tienen una influencia significativa sobre el desarrollo de defectos en las piezas de fundicion y el rendimiento de ensayos de control de magnesio activo. Respecto a esto ultimo, si la capacidad de nucleacion del material fundido es demasiado pobre, el grafito no puede precipitar y se obtiene un hierro totalmente carbidico (hierro blanco) independientemente del nivel de magnesio. Este inconveniente se supera mediante la adicion de FeSi.
La calidad metalurgica de un metal fluctua en un taller de fundicion durante el procedimiento de fabricacion y depende de muchos factores, entre los cuales pueden mencionarse temperatura y tiempo.
Esto puede verse en un ensayo mostrado en la Figura 1. El muestreo de metal se realiza en el area de vertido. La composition quimica del metal tratado con la aleacion de Mg es la misma para los dos canales. Las piezas de fundicion fabricadas con el metal de uno de los canales son correctas, sin defectos, mientras que se observan defectos en las piezas fabricadas con el metal del otro canal. Las secciones de las piezas de fundicion asociadas con cada canal se muestran en la Figura 1. Estos resultados demuestran la influencia de la calidad metalurgica en la determinacion de magnesio activo.
La presente invention tiene en cuenta este hecho, y el impacto de los factores mencionados que, cuando no se tienen en cuenta, pueden conducir en ocasiones a falsos positivos o falsos negativos como se ha explicado anteriormente.
Por consiguiente, el procedimiento de la presente invencion muestra la ventaja de que puede realizarse en cualquier momento durante el procedimiento de fabrication despues del tratamiento con magnesio, y su resultado positivo o negativo no se ve afectado por acontecimientos que pueden ocurrir en un taller de fundicion tales como paradas o retrasos en la production, atenuacion de magnesio, mala calidad del material fundido, etc. De acuerdo con una realization particular, el procedimiento se realiza antes de la inoculation. De acuerdo con otra realization particular, el procedimiento se realiza despues de la inoculacion.
De esta manera, pueden tomarse decisiones por parte del operario suficientemente pronto en el procedimiento de fabricacion para actuar de acuerdo con el resultado de ensayo antes de verter las piezas de fundicion.
El procedimiento es rentable, rapido y aumenta la calidad de la pieza de fundicion, el rendimiento y la velocidad de produccion.
Los siguientes ejemplos no son limitantes y son meramente representativos de los diversos aspectos de la invencion.
Ejemplos
Ejemplo 1
En las Figuras 2 y 3 se muestran los resultados de dos ensayos de esferoidizacion de control con el mismo metal tratado con ferroaleacion de Mg.
Se han realizacion tres ensayos en cada prueba y se registraron las curvas de enfriamiento:
(i) canal 1 con taza de analisis termico (Heraus Electronite) solo para registrar el enfriamiento del material fundido;
(ii) canal 2 con una taza de analisis termico preparada para predecir el magnesio activo (con S+FeSi) para un 0,023 % de magnesio activo.
(iii) canal 3 con una taza de analisis termico que contiene Te y S en exceso para neutralizar el 0,023 % de magnesio activo para predecir la composition quimica ( %C, %S).
El canal 3 controla el magnesio activo definido necesario para fabricar piezas de grafito esferoidal.
El ensayo 1 fue positivo (Figura 2) mientras que el ensayo 2 (Figura 3) fue negativo. Esto significa que la cantidad de Mg activo en el metal liquido del ensayo 1 era suficiente para fabricar una pieza de grafito esferoidal como se muestra en la micrografia de la pieza, sin embargo la cantidad de magnesio activo en el ensayo 2 era insuficiente como se muestra en la micrografia de la pieza.
Ejemplo 2
Ejemplo comparativo: Procedimiento para controlar si la cantidad de magnesio no combinado (activo) en un material fundido tratado esta por encima o por debajo de un cierto nivel (0,023 %) suficiente para conseguir una pieza de fundicion de grafito esferoidal para un material fundido con una baja calidad metalurgica (los resultados se muestran en la Figura 4). Los siguientes ensayos se realizaron en una planta de fundicion.
Se recogieron tres muestras iguales del material fundido en el area de vertido despues del tratamiento con magnesio.
El canal 1 corresponde a una taza de analisis termico con Te y la mezcla de neutralization (S FeSi) para un control de magnesio activo al 0,023 %. El canal 2 corresponde a una taza de analisis termico con Te y S para neutralizar la misma cantidad de magnesio (0,023 %) de acuerdo con el estado de la tecnica. El canal 3 es una taza de analisis termico sin elementos en su interior y muestra la curva de solidification del metal tratado. Puede verse que la calidad metalurgica es baja.
El canal 1 fue positivo; esto significa que la cantidad de magnesio era suficiente para fabricar piezas esferoidales. El canal 2 fue negativo, lo que significa que una pieza de fundicion fabricada no era una pieza de fundicion de hierro ductil, indicando que no habia suficiente magnesio para fabricar piezas esferoidales.
Sin embargo, como se muestra en la Figura 4, la caracterizacion metalografica de las piezas de fundicion fabricadas muestra que en ambos casos se obtuvieron particulas de grafito esferoidales (vease la micrografia en la Figura 4) demostrando que el procedimiento del estado de la tecnica puede conducir a falsos negativos. Puede verse que, aunque la cantidad de magnesio activo en el material fundido de hecho fue suficiente para conseguir particulas de grafito esferoidales, los resultados del ensayo obtenidos fueron diferentes dependiendo de la calidad metalurgica.
Ċ

Claims (4)

REIVINDICACIONES
1. Un procedimiento para controlar si la cantidad de magnesio activo en un material fundido tratado de hierro ductil o grafito esferoidal esta por encima o por debajo de un cierto nivel, que comprende las siguientes etapas:
(i) anadir a una taza de analisis termico con telurio provista de un termopar de inmersion y una tapa metalica, una cantidad controlada de una mezcla de neutralizacion de azufre y FeSi, comprendiendo dicha mezcla de neutralizacion:
a) del 0,07 al 0,25 % en peso de FeSi con respecto al peso de la muestra de ensayo del material fundido tratado que se vierte en ella en la siguiente etapa (ii); y
b) un numero de equivalentes de azufre que es el mismo que el numero de equivalentes de magnesio activo que corresponde a dicho cierto nivel a determinar,
(ii) verter en la taza de analisis termico una cantidad de material fundido tratado para llenar la taza;
(iii) registrar una curva de enfriamiento a partir de la muestra de ensayo, e
(iv) identificar, de acuerdo con la forma de la curva, si la muestra de ensayo ha solidificado en el eutectico de grafito o en el eutectico de carburo.
2. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 1, para controlar si la cantidad de magnesio activo en un material fundido tratado esta por encima o por debajo de un cierto primer nivel y si esta por encima o por debajo de un cierto segundo nivel, que comprende las siguientes etapas:
(i) anadir a una primera taza de analisis termico con telurio provista de un termopar de inmersion y una tapa metalica, una primera cantidad controlada de una mezcla de neutralizacion de azufre y FeSi, comprendiendo dicha primera mezcla de neutralizacion controlada:
a) del 0,07 al 0,25 % en peso de FeSi con respecto al peso de la muestra de ensayo del material fundido tratado que se vierte en ella en la siguiente etapa (ii), y
b) un numero de equivalentes de azufre que es el mismo que el numero de equivalentes de magnesio activo que corresponde a dicho primer cierto nivel a determinar,
(ii) verter en la taza de analisis termico una cantidad de material fundido tratado para llenar la taza;
(iii) registrar una curva de enfriamiento de la muestra de ensayo,
(iv) identificar, de acuerdo con la forma de la curva, si la muestra de ensayo ha solidificado en el eutectico de grafito o en el eutectico de carburo; y
(v) realizar las mismas etapas (i) a (iv) con una segunda taza de analisis termico con una segunda cantidad controlada de una mezcla de neutralizacion, que comprende un numero de equivalentes de azufre que es el mismo que el numero de equivalentes de magnesio activo que corresponde a dicho segundo cierto nivel a determinar.
3. Un procedimiento de acuerdo con las reivindicaciones 1 o 2, en el que la mezcla de neutralizacion controlada tiene un 14-40 % en peso de azufre, siendo el resto FeSi.
4. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 3, en el que la mezcla de neutralizacion controlada consiste en 22 ± 1 % en peso de azufre y 78 ± 1 % en peso de FeSi.
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