ES2852950T3 - Método para colar lingotes de aleación de metal - Google Patents
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Abstract
Un método de colada de un lingote de aleación de metal, que comprende las siguientes etapas: proporcionar un molde de extremo abierto en un lado (1) que comprende una pluralidad de lados (2, 3) y una placa inferior (4) que define una cavidad del molde, pudiendo pivotar dicho molde de extremo abierto (1) alrededor de un eje de rotación horizontal ( 6) entre una posición en la que la abertura del molde apunte hacia arriba y una posición en la que la abertura del molde apunte hacia los lados o hacia abajo, y en donde la placa inferior (4) del molde está provista de medios refrigerantes (5); colocar el molde de extremo abierto (1) de manera que la abertura del molde apunte hacia los lados o hacia abajo; proporcionar un recipiente de colada (7) con una abertura colocada hacia arriba; llenar dicho recipiente de colada (7) con metal fundido (8) para una operación de colada; acoplar el recipiente de fundición (7) al molde de extremo abierto (1) de modo que el recipiente de fundición (7) esté situado debajo del molde mientras que la abertura del molde apunta hacia los lados o hacia abajo; girar el molde de extremo abierto (1) junto con el recipiente de fundición (7) alrededor del eje horizontal de 45° a 180°, preferiblemente de 90° a 180°, desde una posición en la que la abertura del molde apunta hacia los lados o hacia abajo a una posición en la que la abertura del molde apunte hacia arriba, de manera que el metal fundido (8) sea transportado a través de un filtro de espuma cerámica (9) al molde de extremo abierto (1) hasta un espesor deseado; por lo que el metal fundido (8) en el molde abierto (1) se enfría direccionalmente a través de su espesor donde el frente de solidificación permanece monoaxial, en donde al menos uno de los lados del molde (2, 3) está provisto de medios refrigerantes, donde la placa inferior (4) del molde está hecha de un metal y provista de canales de enfriamiento para el paso del medio refrigerante, y en donde al menos el transporte del metal fundido (8) desde el recipiente de fundición (7) al molde de extremo abierto (1) se realiza en atmósfera de gas protector.
Description
DESCRIPCIÓN
Método para colar lingotes de aleación de metal
CAMPO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a un método para colar un lingote de aleación de metal en donde se utiliza un molde de colada para acomodar una masa fundida de metal dando como resultado una solidificación monoaxial. La invención se refiere además a un sistema de moldeo, en particular para llevar a cabo el método.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Como se apreciará a continuación en el presente documento, a menos que se indique lo contrario, las designaciones de aleación de aluminio y las designaciones de templado se refieren a las designaciones de la Asociación de Aluminio en los Patrones y Datos de Aluminio y las Grabaciones de Registro, según lo publicado por la Asociación de Aluminio en 2015 y bien conocido por los expertos en la técnica.
La patente de EE.UU. no. 8,448,690 (Alcoa) divulga un método complejo para producir un lingote con composición variable usando solidificación planar. El metal fundido se alimenta a través de un sistema de colada horizontal, que es ajustable en altura, en una cavidad de molde. La altura de la colada se ajusta al nivel del metal en el molde para evitar superficies de caída libre y turbulencias. La composición de la masa fundida se varía alimentando secuencialmente al menos dos metales de diferentes fuentes en la cavidad del molde. El resultado es un lingote con composición de aleación variable en la dirección longitudinal del lingote. El fondo de la cavidad del molde está provisto de una pluralidad de chorros de enfriamiento, por ejemplo chorros de aire/agua, ubicados debajo del fondo, y están estructurados para pulverizar refrigerante contra la superficie del fondo del sustrato. El sustrato puede perforarse permitiendo que el medio de enfriamiento entre en contacto directo con el lingote de solidificación. La velocidad a la que fluye el metal fundido hacia la cavidad del molde y la velocidad a la que se aplica refrigerante al fondo se controlan para proporcionar solidificación unidireccional. El refrigerante puede comenzar como aire, por ejemplo, y luego cambiar gradualmente de aire a una neblina de aire-agua y luego a agua.
La patente de GB no. 1,164,173 divulga un método de moldeo que comprende recoger en un depósito un cuerpo de material fundido que se va a colar, siendo dicho depósito rígido y formando una unidad con un molde que tiene una longitud sustancialmente mayor que su profundidad, inclinar la unidad para hacer que el cuerpo de material fundido que se va a colar sea transferido al molde, dicha unidad está en un posición con la superficie horizontal superior del cuerpo de material fundido extendiéndose a lo largo de la longitud del molde y la profundidad del molde estando verticalmente hacia abajo de dicha superficie horizontal, y permitir al material que se va a colar solidificar en dicho molde mientras está en dicha posición inclinada.
La solicitud internacional WO 2015/100465 se refiere a un método para colar una pieza fundida según el principio de vertido inclinado, en cuyo método se vierte metal fundido desde al menos un recipiente de colada inclinable en un molde de colada que comprende una cavidad de molde que forma la pieza colada y el metal fundido se extrae directamente de un horno de extracción utilizando el recipiente de colada. Se forma una piel de óxido metálico en el recipiente de colada sobre la superficie del metal fundido y el recipiente de colada que contiene el metal fundido y la piel de óxido metálico que flota sobre el mismo se lleva al molde de colada. El metal fundido se vierte desde el recipiente de colada al molde de colada mediante la rotación común del recipiente de colada y el molde de colada alrededor de un eje de rotación, desde una posición inicial a una posición final, la piel de óxido metálico que se eleva hasta la parte superior del metal fundido durante el proceso de vertido flota predominantemente sobre la parte superior del metal fundido y permanece sustancialmente sobre la superficie del metal fundido.
La solicitud de patente internacional WO 2014/190366 se refiere a un método para colar una pieza de colada según el principio de colada inclinable, en el que la masa fundida de metal se vierte desde al menos un recipiente de colada inclinable en un molde de colada que tiene una cavidad de molde que forma la pieza colada. En una etapa, el al menos un recipiente de colada y el molde de colada se disponen uno al lado del otro, y en una etapa posterior se sedimenta la masa fundida de metal. El al menos un recipiente de colada y el molde de colada se colocan de tal manera que, antes de verter la masa fundida de metal desde el al menos un recipiente de colada en el molde de colada, se establezca un nivel (a) de la masa fundida de metal en el al menos un recipiente de colada está a la misma altura que una sección de una superficie interior del molde de colada. La solicitud de patente de EE. UU. no. 2015/0239042 se refiere a un dispositivo de moldeo para formar un producto moldeado mediante el vertido de un metal fundido en un espacio de formación de producto definido en el interior de un molde, y más particularmente, a un dispositivo de moldeo por gravedad de tipo basculante para obtener un producto moldeado al verter un metal fundido en un espacio de formación de producto debido al propio peso del metal fundido y a continuación solidificar el metal fundido.
Existe la necesidad de un método para producir un lingote solidificado de una manera monoaxial que sea menos complejo.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
Es un objeto de la presente invención proporcionar un método de colada de un lingote de aleación de metal que ha sido solidificado monoaxialmente.
Otro objeto de la presente invención es proporcionar un método de colada de un lingote de aleación de aluminio que ha sido solidificado monoaxialmente.
En un aspecto no reivindicado, se proporciona un sistema de colada para colar un lingote de aleación metálica que ha sido solidificado monoaxialmente.
Estos y otros objetos y ventajas adicionales se cumplen o superan mediante la presente invención que proporciona un método de colada de un solo lingote de aleación de metal, en particular un lingote monolítico, comprendiendo el método las etapas de:
(i) proporcionar un molde de extremo abierto en un lado que comprende una pluralidad de lados y una placa inferior que define una cavidad de molde, y por la cual la cavidad del molde está desprovista de cualquier núcleo o paquete de núcleo como se usa frecuentemente en coladas de fundición, dicho extremo abierto del molde pudiendo pivotar alrededor de un eje de rotación horizontal entre una posición de modo que la abertura del molde apunte hacia arriba y una posición de modo que la abertura del molde apunte hacia los lados o hacia abajo, y en donde la placa inferior del molde está preferiblemente provista de medios de enfriamiento para eliminar de manera controlada el calor del metal solidificado a través de la placa inferior;
(ii) colocar el molde de extremo abierto de manera que la abertura del molde apunte hacia los lados o hacia abajo;
(iii) proporcionar un recipiente de colada con una abertura colocada hacia arriba;
(iv) llenar dicho recipiente de colada con metal fundido para una operación de colada;
(v) acoplar el recipiente de colada al molde de extremo abierto de modo que el recipiente de fundición esté situado debajo del molde mientras la abertura del molde apunta hacia los lados o hacia abajo;
(vi) hacer rotar el molde de extremo abierto junto con el recipiente de colada alrededor del eje horizontal aproximadamente de 45° a 180°, preferiblemente, 90° o 180°, según sea el caso, desde una posición en la que la abertura del molde apunte hacia los lados hacia arriba o hacia abajo hasta una posición en la que la abertura del molde apunte hacia arriba de modo que el metal fundido sea transportado a través de un filtro de espuma cerámica, preferiblemente de forma no turbulenta y laminar, al interior del molde de extremo abierto hasta obtener el espesor deseado o altura deseada del nivel de metal; por tanto, el molde se hace girar hasta que dicho recipiente de colada se coloca sustancialmente por encima de dicho molde y dicha cavidad del molde; y
(vii) mediante el cual el metal fundido en el molde de extremo abierto se enfría direccionalmente a través de su espesor donde el frente de solidificación permanece sustancialmente monoaxial y sustancialmente paralelo a la placa inferior del molde, donde al menos uno de los lados del molde está provisto de medio refrigerante, en donde la placa inferior del molde está hecha de un metal y provista de canales de enfriamiento para el paso del medio refrigerante, y en donde al menos el transporte del metal fundido desde el recipiente de colada al molde de extremo abierto se lleva a cabo bajo un atmósfera de gas protector.
En una etapa siguiente opcional, el método comprende además la etapa (viii) de liberar el recipiente de colada de su posición acoplada y retirar el recipiente de colada del molde de extremo abierto presentado . En una base menos preferida, el recipiente de colada permanece acoplado al molde de extremo abierto y solo se separa con fines de mantenimiento.
La presente invención proporciona un método para producir un lingote solidificado monoaxialmente, y enfriar el lingote a una velocidad de enfriamiento controlada, relativamente constante. El método proporciona una alternativa a la fundición de enfriamiento directo (DC-, Direct Chill en inglés) para producir un lingote para aleaciones forjadas. El método combina un molde dedicado con un enfoque de fundición inclinada y reduce o elimina la macro-segregación de los diversos elementos de aleación en la aleación de metal. Además, la solidificación monoaxial ha demostrado ser beneficiosa para la fabricación de lingotes de, en particular, aleaciones forjadas de aluminio de alta resistencia que tienden a ser muy sensibles al agrietamiento con respecto al desarrollo de grietas en frío y calior durante la fundición. El método se puede utilizar para fundir aleaciones de la serie AA2000 sensibles al agrietamiento, incluidas las aleaciones de Al-Cu-Li y las aleaciones de la serie AA7000. La operación de fundición y, en particular, el control del flujo de metal es significativamente más simple en comparación con el método divulgado rnel documento US-8,448,690. Además, el control de la temperatura de los lados del molde y la placa inferior deja más flexibilidad con respecto a las condiciones de enfriamiento y por lo tanto el control de la microestructura en el lingote. El método no requiere consumibles y, por lo tanto, es muy rentable.
En una realización de la invención, la aleación de metal es una aleación de aluminio y más preferiblemente aleaciones de aluminio forjado que pueden someterse posteriormente a otras operaciones de trabajo en caliente y/o en frío. La composición de aleación de aluminio adecuada incluye aleaciones de las series AA 1000, 2000, 3000, 4000, 5000, 6000, 7000 y 8000.
La invención se puede utilizar para colar lingotes cilíndricos que pueden procesarse posteriormente, por ejemplo, en un proceso de extrusión o forja. Sin embargo, en una forma de realización preferida de la invención se utiliza para fabricar lingotes rectangulares que pueden ser posteriormente procesados mediante una operación de laminado o forja. Un lingote se cuela preferiblemente con una dimensión (espesor) mínima perpendicular a la placa inferior. A tal efecto, el molde de extremo abierto consta de cuatro lados que juntos definen una forma rectangular, opcionalmente con puntos de esquina redondeados, y que se colocan hacia arriba desde la placa inferior del molde. Sobre una base menos preferida, los cuatro lados pueden definir una forma sustancialmente cuadrada.
En una realización, el llenado y la retención del metal fundido en el recipiente de colada se realiza bajo una atmósfera de gas protector, por ejemplo utilizando un gas inerte como por ejemplo argón. Según la invención, el transporte del metal fundido desde el recipiente de colada al molde de extremo abierto se realiza bajo una atmósfera de gas protector. Más preferiblemente, la atmósfera de gas protector se ha secado de antemano, como se conoce en la técnica. Esto evita además el atrapamiento de gases indeseables, hidrógeno, nitrógeno y oxígeno en particular, o la formación de óxidos en el metal fundido, en particular cuando se utilizan aleaciones de aluminio.
En una realización, el llenado y la retención del metal fundido en el recipiente de colada y/o el transporte del metal fundido desde el recipiente de colada al molde de extremo abierto es realizado bajo una cubierta protectora de sal. Opcionalmente, se puede utilizar una cubierta protectora de sal en combinación con una atmósfera de gas protector.
En una realización de la invención, el metal fundido antes de ser transportado al molde de colada se desgasifica en el recipiente a través de un desgasificador u otro medio para eliminar hidrógeno u otros elementos indeseables. elementos del metal fundido, incluidos, por ejemplo, sodio, potasio o calcio. Alternativamente, el desgasificador puede tratar el metal fundido fuera del recipiente de colada y el metal fundido desgasificado se transfiere de nuevo al recipiente de colada.
Según la invención, el metal fundido cuando se transporta desde el recipiente de colada al molde de colada fluye a través de un filtro, como por ejemplo un filtro de espuma cerámica u otros medios para eliminar inclusiones no metálicas, para ejemplo óxidos.
De acuerdo con la invención, la placa inferior está hecha de un metal que tiene una alta conductividad térmica, por ejemplo cobre o aluminio, y está provista de uno o más canales de enfriamiento para el paso del medio refrigerante fluido, por ejemplo agua o una mezcla de agua y aire. La placa inferior permite una velocidad de enfriamiento controlada y relativamente constante del lingote de metal.
Los termopares se pueden colocar en la placa inferior para monitorizar la transferencia de calor y usarse para controlar el caudal del medio de enfriamiento en los canales de enfriamiento para proporcionar una solidificación unidireccional a través del espesor del lingote durante el progreso de solidificación.
La placa inferior puede estar provista de un sistema de expulsión para facilitar la extracción del lingote solidificado del molde de extremo abierto.
Los lados del molde de extremo abierto están hechos preferiblemente de un material refractario y deberían limitar tanto como sea posible cualquier pérdida de calor. Para evitar o al menos limitar cualquier pérdida de calor por los lados, estos pueden estar provistos de medios de control de temperatura.
El término "material refractario" como se usa en este documento pretende incluir todos los materiales que son relativamente resistentes al ataque de metales fundidos, en particular aleación de aluminio fundido, y que son capaces de retener su resistencia a las altas temperaturas contempladas para el molde. Tales materiales incluyen, pero no se limitan a, materiales cerámicos (sólidos inorgánicos no metálicos y vidrios resistentes al calor) y no metales. Una lista no limitativa de materiales adecuados incluye los siguientes: los óxidos de aluminio (alúmina), silicio (sílice, particularmente sílice fundida), magnesio (magnesia), calcio (cal), circonio (circonia), boro (óxido de boro), carburos metálicos, boruros, nitruros, siliciuros, tales como carburo de silicio, carburo de silicio unido a nitruro (SiC/Si3N4), carburo de boro, nitruro de boro; aluminosilicatos, p. ej., silicato de calcio y aluminio, materiales compuestos (p. ej., compuestos de óxidos y no óxidos), vidrios, incluidos vidrios mecanizables, lanas minerales de fibras o mezclas de las mismas, carbono o grafito y similares.
Los materiales refractarios preferidos se basan en alúmina, sílice o sialón, ya que estos se usan comúnmente en un taller de fundición y están fácilmente disponibles.
Los lados del molde de extremo abierto pueden ser de acero, opcionalmente con un fino revestimiento refractario. Para evitar o al menos limitar cualquier pérdida de calor por los lados, estos pueden estar provistos de puentes térmicos o de elementos calefactores y medios de control de temperatura para mantener una temperatura preestablecida.
Los lados del molde de extremo abierto se pueden quitar para facilitar la extracción del lingote solidificado final. Además, para limitar cualquier pérdida de calor a través de los lados del molde y la superficie superior del metal fundido en el molde abierto, se pueden proporcionar una o más fuentes de calor externas adicionales para introducir calor a la superficie del metal fundido. Las fuentes de calor adecuadas son la calefacción eléctrica de gasóleo o la calefacción a gas.
En un aspecto no reivindicado, se divulga un sistema de colada, comprendiendo el sistema de colada un molde de extremo abierto en un lado que comprende una pluralidad de lados y una placa inferior que define una cavidad de molde, estando dicho molde montado de forma pivotante alrededor de un eje de rotación horizontal entre una posición de modo que la abertura del molde apunte hacia arriba y una posición de modo que la abertura del molde apunte hacia los lados o hacia abajo, y en la que opcionalmente se proporciona al menos uno de los lados del molde con medios de control de temperatura, y en donde la placa inferior del molde está provista de medios refrigerantes; y un recipiente de colada con una abertura posicionada hacia arriba que puede girar y montarse alrededor del eje de rotación horizontal.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
La invención se describirá a continuación con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:
Las figuras 1A a 1C muestran una representación esquemática en sección transversal parcial del sistema de colada que utiliza un filtro de espuma cerámica.
Las figuras 2A a 2C muestran una representación esquemática en sección transversal parcial de otra realización del sistema de colada que usa un sello.
En el método mostrado en las Figuras 1A a 1C se proporciona un molde de extremo abierto en un lado (1) que comprende una pluralidad de lados (2, 3) y un placa inferior (4) que define una cavidad de molde. El molde de extremo abierto (1) puede pivotar alrededor de un eje de rotación horizontal (6) entre una posición de modo que la abertura del molde apunte hacia arriba (ver Fig.1C) y una posición de modo que la abertura del molde apunte hacia los lados (ver Fig. 1A) o hacia abajo (no se muestra), y en donde al menos el lado (2) del molde (1) está provisto de medios de control de temperatura (no mostrados) y la placa inferior del molde está provista de medios de control de temperatura, en particular de medios refrigerantes (5). Además, se proporciona un recipiente de colada (7) lleno de un metal fundido (8) para una operación de colada. El recipiente de colada podría ser una cuchara o un horno de fusión. En el método, el molde de extremo abierto (1) se coloca de manera que la abertura del molde apunte hacia los lados (ver Fig. 1A).
En esta etapa el molde (1) está vacío y limpio. En una etapa siguiente, el recipiente de fundición (7) se acopla al molde de extremo abierto (1) de modo que el recipiente de colada se encuentra debajo del molde (1) mientras que la abertura del molde apunta hacia los lados. A continuación (ver Fig.1B) rotar o inclinar el molde de extremo abierto (1) junto con el recipiente de colada (7) alrededor del eje horizontal (6) por al menos 45°, y preferiblemente aproximadamente 90°, a una posición en la que el la abertura del molde apunta hacia arriba, de modo que el metal fundido se transporta al molde de extremo abierto hasta obtener el espesor deseado (ver Fig. 1C). Cuando el metal fundido se transporta progresivamente al molde de extremo abierto, puede fluir a través de un filtro de espuma cerámica (9) para eliminar las inclusiones no metálicas en el metal fundido y se debe evitar la creación de turbulencias. Cuando el metal fundido está en el molde de extremo abierto extrayendo calor a través de la placa inferior (4), se enfría direccionalmente a través de su espesor donde el frente de solidificación permanece sustancialmente monoaxial.
En otra realización mostrada en las Figs. 2A a 2C, el molde de extremo abierto (1) se coloca inicialmente de manera que la abertura del molde apunte hacia abajo. La numeración de las características en la Fig. 2A es la misma que en la Fig. 1A. En la práctica, esto significaría que el molde está ubicado sustancialmente por encima del recipiente de colada (7) (ver Fig. 2A). En una etapa siguiente (ver Fig.2B), el molde y el recipiente de colada se giran o se inclinan alrededor de un eje horizontal (6) aproximadamente 180° hasta una posición en la que la abertura del molde apunta hacia arriba de manera que el metal fundido se transporta al interior del molde de extremos abiertos hasta obtener el espesor deseado (ver Fig. 2C). En esta realización del método, el molde de extremo abierto se puede acoplar o conectar al recipiente de colada a través de un sello (10). Esto permitiría un control mejorado de la atmósfera por encima del metal fundido, por ejemplo mediante el uso de un entorno de gas inerte, y da como resultado una captación reducida de hidrógeno en el metal fundido. Esto permitiría la colada de aleaciones que son muy sensibles a cualquier captación de hidrógeno o nitrógeno, como las aleaciones Al-Mg-Li y Al-Cu-Li.
La invención no está limitada por los ejemplos/realizaciones descritos anteriormente, sino que puede variar dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas.
Claims (6)
1. Un método de colada de un lingote de aleación de metal, que comprende las siguientes etapas: proporcionar un molde de extremo abierto en un lado (1) que comprende una pluralidad de lados (2, 3) y una placa inferior (4) que define una cavidad del molde, pudiendo pivotar dicho molde de extremo abierto (1) alrededor de un eje de rotación horizontal ( 6) entre una posición en la que la abertura del molde apunte hacia arriba y una posición en la que la abertura del molde apunte hacia los lados o hacia abajo, y en donde la placa inferior (4) del molde está provista de medios refrigerantes (5);
colocar el molde de extremo abierto (1) de manera que la abertura del molde apunte hacia los lados o hacia abajo; proporcionar un recipiente de colada (7) con una abertura colocada hacia arriba;
llenar dicho recipiente de colada (7) con metal fundido (8) para una operación de colada;
acoplar el recipiente de fundición (7) al molde de extremo abierto (1) de modo que el recipiente de fundición (7) esté situado debajo del molde mientras que la abertura del molde apunta hacia los lados o hacia abajo;
girar el molde de extremo abierto (1) junto con el recipiente de fundición (7) alrededor del eje horizontal de 45° a 180°, preferiblemente de 90° a 180°, desde una posición en la que la abertura del molde apunta hacia los lados o hacia abajo a una posición en la que la abertura del molde apunte hacia arriba, de manera que el metal fundido (8) sea transportado a través de un filtro de espuma cerámica (9) al molde de extremo abierto (1) hasta un espesor deseado; por lo que el metal fundido (8) en el molde abierto (1) se enfría direccionalmente a través de su espesor donde el frente de solidificación permanece monoaxial, en donde al menos uno de los lados del molde (2, 3) está provisto de medios refrigerantes, donde la placa inferior (4) del molde está hecha de un metal y provista de canales de enfriamiento para el paso del medio refrigerante, y en donde al menos el transporte del metal fundido (8) desde el recipiente de fundición (7) al molde de extremo abierto (1) se realiza en atmósfera de gas protector.
2. Un método según la reivindicación 1, en donde la aleación de metal es una aleación de aluminio, y preferiblemente una aleación de aluminio forjado.
3. Un método de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, en donde el molde de extremo abierto (1) consiste en cuatro lados colocados hacia arriba desde la placa inferior del molde.
4. Un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde el proceso comprende además la etapa de liberar el recipiente de colada de la posición acoplada y retirar el recipiente de colada del molde.
5. Un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en donde la superficie del metal fundido (8) en el molde abierto (1) se calienta mediante una fuente de calor externa.
6. Método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en donde al menos el transporte del metal fundido (8) desde el recipiente de colada (7) al molde de extremo abierto (1) se realiza bajo una capa protectora de sal.
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