ES2219974T3 - Estructura exotermica de fundicion. - Google Patents
Estructura exotermica de fundicion.Info
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Abstract
Se forma un conjunto exotérmico de fundición mezclando microesferas de vidrio hueco y un aglutinante orgánico o inorgánico con constituyentes que forman matriz que incluyen un metal oxidable, un agente de oxidación, unos agregados refractarios de colada y, opcionalmente, un prooxidante, y conformando y curando la mezcla. Las microesferas de vidrio hueco son dispersadas y embutidas en la matriz de ensamblaje.
Description
Estructura exotérmica de fundición.
La presente invención se refiere una estructura
exotérmica para una fundición particularmente a la estructura
exotérmica para una fundición formada por la mezcla de un metal
oxidable, un agente de oxidación, un pro-oxidante
opcional, un agregado de material refractario de una fundición y
microesferas huecas de vidrio, y dando forma y vulcanizando la
mezcla. La estructura se caracteriza porque la matriz se compone del
metal oxidable, del agente de oxidación, de un
pro-oxidante opcional y del agregado de material
refractario de la fundición, estando dispersas y empotradas en la
matriz las microesferas huecas de vidrio.
Por "estructura exotérmica de una fundición
" se refiere a una camisa de una columna ascendente exotérmica,
un núcleo exotérmico, un núcleo rebajado, un lecho de calentamiento
exotérmico, o un artículo similar.
Particularmente típica de la estructura
exotérmica de una fundición según la presente invención, es una
camisa de una columna ascendente exotérmica destinada a ser
utilizada en un molde. Cuando la camisa de la columna ascendente se
une a un molde y un metal derretido se vierte en ésta, la camisa de
la columna ascendente experimenta una reacción exotérmica. El calor
producido por esta reacción, junto al calor del metal fundido,
derrite y dispersa las microesferas huecas de vidrio que están
dispersas y empotradas en la matriz de la camisa de la columna
ascendente, por lo que pequeños poros en la matriz, hacen que ésta
se convierta en porosa. Como, por lo tanto, el efecto
termoconservante de la camisa de la columna ascendente respecto al
metal fundido aumenta notablemente, la camisa de la columna
ascendente da lugar a un excelente efecto de colabilidad.
En una estructura exotérmica de una fundición es
típico obtener la camisa de una columna ascendente exotérmica
conformando y vulcanizando, como materiales principales, un
agregado de material refractario de fundición, tal como la arena de
zircón, un material exotérmico tal como aluminio, y un agente
oxidante tal como nitrato potásico. Ya que la gravedad específica
aparente de esta estructura exotérmica de la fundición es de
alrededor de 1,2-1,5 g/cc, no puede proporcionar un
nivel muy alto de conservación calórica con respecto al metal del
molde, entre el tiempo de vertido del metal fundido en éste y el
tiempo en el que el metal se solidifica a partir del estado
fundido.
Otras estructuras exotérmica de fundición, como
las que se dan a conocer en los documentos de patente WO 94/23865 A
y WO 98/3284 A, se forman a partir de composiciones de material
refractario que contienen, por ejemplo, microesferas huecas de
silicato de aluminio.
Un objetivo de la presente invención es
proporcionar una estructura de una fundición exotérmica, más
concretamente, una estructura exotérmica de una fundición con el
propósito de unirla a un molde, de forma que cuando se vierta metal
fundido en éste, la matriz de la estructura de la fundición
experimente una reacción exotérmica y el calor producido por tal
reacción, junto con el del metal fundido, se mezclen y dispersen las
microesferas huecas de vidrio que están empotradas en la matriz de
la estructura, dando lugar de este modo a pequeños poros que se
forman en los lugares en los que las microesferas huecas de vidrio
se empotraron, haciendo que la matriz se vuelva porosa, por lo que
la estructura exotérmica de la fundición puede manifestar un nivel
muy alto de conservación calorífica con respecto al metal del molde,
en el tiempo transcurrido entre el vertido del metal fundido en el
molde y el tiempo en el que el metal se solidifica a partir del
estado fundido, consiguiéndose buenas propiedades del material
refractario y un efecto destacado de colabilidad.
Para alcanzar dicho objetivo, la presente
invención proporciona la estructura exotérmica de una fundición,
constituida por la mezcla de las microesferas huecas de vidrio y un
aglomerante inorgánico u orgánico con los constituyentes que forman
la matriz, que incluyen un metal oxidable, un agente de oxidación,
un agregado de material refractario de una fundición y,
opcionalmente, un pro-oxidante, dando forma y
vulcanizando la mezcla, fabricándose las microesferas huecas con un
material de vidrio que posee una temperatura de fusión máxima de
800ºC.
La estructura exotérmica de la fundición según la
presente invención se caracteriza porque posee microesferas huecas
de vidrio dispersas y empotradas en su matriz.
La presente invención no especifica
particularmente el tipo de material utilizado para producir las
microesferas huecas de vidrio. Pueden, por ejemplo, fabricarse a
partir de un material de vidrio ordinario como el vidrio de
silicato-cal-sosa (SiO_{2}: 72%
aproximadamente, Na_{2}O: 14-16% aproximadamente,
CaO: 5-9% aproximadamente) que se utiliza
habitualmente como material para vidrio de placas y el vidrio para
botellas, vajillas y otros contenedores. Basta con que cualquier
material de vidrio muestre una temperatura de fusión de 800ºC
aproximadamente como máximo.
La cantidad de microesferas huecas de vidrio
contenidas en la matriz es por lo menos del 10% en peso,
preferentemente del 20-40% en peso. Su diámetro,
aunque no está particularmente limitado, deberá ser generalmente de
3,0 mm o menos, preferentemente de 1,2 mm o menos.
La estructura exotérmica de la fundición según la
presente invención posee microesferas huecas de vidrio dispersas y
empotradas completamente en su matriz. Considérese, por ejemplo, la
camisa de una columna ascendente exotérmica que es típica de la
estructura exotérmica de la fundición según la invención. Cuando la
camisa de la columna ascendente exotérmica se une al tubo ascendente
de un molde, y se vierte metal fundido en el molde, las microesferas
huecas de vidrio que están dispersas y empotradas en la matriz de la
camisa de la columna ascendente, se mezclan y dispersan durante el
proceso de moldeado del metal fundido y de solidificación, después
de calentarse hasta una temperatura de, como máximo, 800ºC
aproximadamente mediante el calor del metal fundido y del calor
generado por una reacción de combustión que el calor del metal
fundido pone en marcha en el material exotérmico (metal oxidable y
agente de oxidación), que constituye la matriz de la camisa de la
columna ascendente. Como resultado, se forman pequeños poros en los
lugares en los que las microesferas huecas de cristal se dispersaron
y empotraron en la matriz de la camisa. Ya que la matriz se
convierte por tanto en porosa, la propiedad matricial de retener el
calor aumenta notablemente, mientras que el material refractario no
cambia. La camisa de la columna ascendente puede producir por un
tanto, un excelente efecto de colabilidad.
La mezcla de materiales para construir la
estructura exotérmica de fundición según la presente invención se
obtiene mezclando las microesferas huecas de vidrio con un metal
oxidable, un agente de oxidación, un agregado de materiales
refractarios y, opcionalmente, un pro-oxidante, y
añadiendo entonces un aglomerante orgánico o inorgánico y,
opcionalmente, un catalizador de vulcanización. A la mezcla
resultante se le da forma y vulcaniza para obtener la estructura
exotérmica de la fundición mediante un procedimiento conocido de
moldeado del molde de arena tal como el procedimiento de CO_{2},
el procedimiento de auto-endurecimiento, el
procedimiento de mezcla líquida de arena, el procedimiento de
bastidor caliente para moldeo en arena, o el procedimiento de
bastidor frío para moldeo en arena.
Los componentes de la mezcla del material según
la presente invención que producen la reacción exotérmica bajo
calentamiento mediante el metal fundido vertido en el molde, son el
metal oxidable y el agente de oxidación, más, opcionalmente, si se
necesita, el pro-oxidante.
El metal oxidable es típicamente aluminio en
polvo o granular, pero también pueden utilizarse el magnesio y
metales similares. Los agentes de oxidación utilizables incluyen el
óxido de hierro, el dióxido de manganeso, el nitrato y el
permanganato de potasio.
La estructura exotérmica de la fundición según la
presente invención puede, si es necesario contener opcionalmente un
pro-oxidante tal como la criolita
(Na_{3}AlF_{6}), tetrafluoruro alumínico potásico o hexafluoruro
alumínico potásico.
El agregado de material refractario utilizable de
la fundición incluye, pero no se limita a la ceniza de aluminio
(escoria que se produce durante la fusión del lingote de aluminio,
que está formada principalmente por alúmina pero también contiene
algo de aluminio metálico y el fundente utilizado durante la
fusión), sílice, zircón, silicato magnésico, olivino, y cromita.
El aglomerante que se añade para permitir dar
forma a la mezcla del material para la producción de la estructura
exotérmica de la fundición según la presente invención, puede ser
cualquiera de los diversos tipos conocidos. Específicamente,
cualquier tipo de aglomerante puede utilizarse en la medida en que
permita que la mezcla del material sea vulcanizada en presencia de
un catalizador de vulcanización, hasta un grado en el que se asegure
el mantenimiento seguro de la forma de la estructura particular de
los diversos tipos de estructura exotérmica de fundición que van a
fabricarse. Aglomerantes utilizables incluyen, por ejemplo, resina
fenólica, resina fenol-uretano, resina furánica,
resina feno-resol alcalina, y resina epoxi
alcalina.
Para ser efectivos, estos aglomerantes deben
añadirse en una cantidad de por lo menos un 5% en peso
aproximadamente, basada en el peso de la estructura exotérmica de la
fundición.
En una forma de realización preferida de la
presente invención, microesferas huecas de vidrio se añaden a una
mezcla compuesta por aluminio en polvo y/o granular, ceniza de
aluminio, óxido de hierro y criolita, donde después se utiliza la
resina de fenil-uretano como aglomerante para dar
forma y vulcanizar la estructura exotérmica de la fundición,
típicamente, una camisa de columna ascendente exotérmica, de
molde.
Cuando la camisa de la columna ascendente
exotérmica se une con el tubo ascendente de un molde, y éste se
utiliza para conformar una forma particular vaciando un metal
fundido a alta temperatura en un molde (tal como en uno de) acero y
dejándolo solidificar, las microesferas huecas de vidrio empotradas
en la matriz de la camisa se derriten y dispersan después de
calentarse hasta una temperatura de alrededor de 800ºC o inferior,
mediante el calor del metal fundido y del calor generado por una
reacción de combustión (oxidación) iniciada por el calentamiento del
metal fundido existente entre el polvo de aluminio y el óxido de
hierro, y que constituyen la matriz de la camisa de la columna
ascendente. Como resultado, se forman pequeños poros en la matriz de
la camisa, de forma que la matriz se vuelve porosa sin alterarse su
cualidad de refractaria. Por tanto, durante el período comprendido
entre el principio y el final de la solidificación de la forma
particular del metal fundido en el molde, la camisa poroso de la
columna ascendente manifiesta una excelente conservación del calor y
mantiene la alta cualidad refractaria intrínseca de su matriz. La
camisa de la columna ascendente exotérmica permite, de este modo una
producción de alto rendimiento de piezas de fundición de excelente
calidad, libres sustancialmente de defectos tales como contracciones
y defectos.
En una forma de realización preferida de la
presente invención, la ceniza de aluminio que se produce como
escoria durante la fundición del lingote de aluminio (que está
formada principalmente por alumina pero que también contiene algo de
aluminio metálico y el fundente utilizado durante la fusión), se
utiliza como un agregado preferido desde el punto de vista de
refractoriedad, propiedades exotérmicas, economía y disponibilidad.
La utilización de la ceniza de aluminio, tiene, sin embargo, un
inconveniente. Específicamente, cuando se utiliza junto con una
resina de fenol-uretano, el aglomerante utilizado
más habitualmente, acorta la vida del bloque de la mezcla del
material, debido a la rápida degradación de la propiedad aglomerante
de la resina de uretano. Esto hace imposible la producción a gran
escala.
La presente invención proporciona también una
solución a este problema.
Se llevó a cabo un estudio para averiguar porqué
la vida del bloque de una mezcla de material se acorta cuando se
utiliza la resina de feno-uretano como aglomerante
de una mezcla de material que contiene ceniza de aluminio. Se
encontró que el origen del problema era el flujo fundente
higroscópico contenido en la ceniza de aluminio, más
específicamente, el agua libre introducida en la ceniza de aluminio
mediante el flujo hidroscópico. Cuando la resina de
fenol-uretano se utiliza como el aglomerante de una
mezcla de material que contiene ceniza de aluminio y que tiene un
contenido de agua libre, pierde rápidamente su poder de unión
reaccionando químicamente con el agua en la ceniza de aluminio.
En la presente invención, por tanto, la ceniza de
aluminio se utiliza como aglomerante después de haberla calcinado en
primer lugar, para reducir su contenido en agua a sustancialmente
cero. Ya que en la ceniza de aluminio calcinada no existe agua que
degrade la propiedad de unión de la resina de
fenol-uretano utilizada como aglomerante, la vida
del bloque de la mezcla de material se prolonga. La producción a
gran escala se hace entonces posible. Otra ventaja es que la
utilización de este aglomerante permite la eliminación de la etapa
de secado que sigue al proceso de conformación de la estructura
exotérmica de una fundición. Estos efectos aumentan notablemente la
utilidad industrial de la presente invención.
La invención se explicará ahora haciendo
referencia a ejemplos específicos.
| A una mezcla formada por, en porcentaje ponderal, | |
| Polvo de aluminio | 25% |
| Ceniza de aluminio deshidratada y secada a 120-150ºC | 30% |
| Microesferas huecas de vidrio, con un diámetro | |
| \hskip0,5cm no superior a 1,2 mm | 36% |
| Nitrato potásico | 6% |
| Criolita | 3% |
se añadió 9% de resina de
fenol-uretano. El resultado de la mezcla se sometió
a amasamiento y mediante vaciador, se conformó moldeándolo como el
interior de una pieza fundida hueca, y se vulcanizó en una corriente
de gas amino para obtener una camisa de columna ascendente
exotérmica.
Se comprobó que la mezcla del material para la
estructura exotérmica de la fundición con la resina de
fenol-uretano como aglomerante, según este ejemplo,
mostraba una vida (del bloque del material) adecuadamente larga como
para permitir la producción a gran escala de las formaciones. El
producto conformado no necesitó de una etapa de
secado.
secado.
| A una mezcla formada por, en porcentaje ponderal, | |
| Polvo de aluminio | 30% |
| Microesferas huecas de vidrio, con un diámetro | |
| \hskip0,5cm no superior a 1,2 mm | 20% |
| Nitrato potásico | 8% |
| Sílice | 30% |
| Oxido de hierro (Fe^{3}O^{4}) | 12% |
se añadió el 10% de resina de
fenol-uretano. El resultado de la mezcla se sometió
a amasamiento y mediante un detonador, se conformó moldeándolo como
el interior de una pieza fundida hueca, y se vulcanizó en una
corriente de gas amino para obtener una camisa de columna ascendente
exotérmica.
Por comparación, una camisa de una columna
ascendente exotérmica de la misma forma que el de los ejemplos
anteriores se conformó mediante el procedimiento del gas CO_{2},
utilizando materiales ordinarios para la producción del molde de la
camisa de la columna ascendente exotérmica (mezcla de arena
silícica, aluminio, dióxido de manganeso y criolita).
La camisa de una columna ascendente exotérmica
según los ejemplos de la invención y la del ejemplo comparativo se
ensayaron entonces utilizando cada una de ellas para conformar un
molde de acero con una temperatura de 1550ºC. Se encontró que la
camisa de la columna ascendente exotérmica de la invención era
notablemente superior a la del ejemplo comparativo, respecto al la
colabilidad y a la ausencia de defectos en las piezas fundidas. De
este modo se determinó que la camisa destacaba respecto al
rendimiento del producto.
Cuando se utilizó la camisa de la columna
ascendente exotérmica (la fundición) según la invención, la
superficie de las piezas fundidas estaba totalmente libre de
defectos. Esto demuestra que mostraba una excelente retención del
calor y refractariedad como camisa de una columna ascendente
exotérmica.
La estructura exotérmica de una fundición según
la presente invención se fabrica conformando y vulcanizando una
mezcla compuesta por un metal oxidable, un agente de oxidación, un
agregado de material refractario de una fundición, microesferas
huecas de vidrio y opcionalmente, un pro-oxidante.
Posee esferas huecas de vidrio dispersas y empotradas en su matriz.
Se une a una parte esencial de un molde que precisa colabilidad.
Considérese, por ejemplo, la camisa de una
columna ascendente exotérmica que es típica de la estructura
exotérmica de la fundición según la invención. Cuando la camisa de
la columna ascendente exotérmica se une al tubo ascendente de un
molde, y se vierte metal fundido en el molde, las microesferas
huecas de vidrio que están dispersas y empotradas en la matriz de la
camisa de la columna ascendente, se funden y dispersan después de
calentarse hasta una temperatura de, como máximo, 800ºC
aproximadamente, mediante el calor generado por una reacción
exotérmica del material exotérmico (metal oxidable, agente de
oxidación y pro-oxidante opcional) y el calor del
metal fundido. Antes de que las microesferas huecas de vidrio
reaccionen con la matriz que las rodea y degraden, por tanto, la
refractariedad de ésta, se forman pequeños poros en ella. Ya que la
matriz se convierte por tanto en porosa, mantiene una retención del
calor y una refractariedad excelentes durante y después de la
solidificación del metal fundido. Como la camisa de la columna
ascendente produce por tanto un excelente efecto de alimentación,
mejora notablemente el rendimiento de las piezas de fundición,
particularmente del rendimiento de los moldes de acero.
Claims (16)
1. Estructura exotérmica de una fundición, que se
consigue mezclando microesferas huecas de vidrio y una matriz
compuesta por un aglomerante inorgánico u orgánico, un metal
oxidable, un agente de oxidación, y un agregado de material
refractario de fundición, y conformando y vulcanizando la mezcla, en
la que las microesferas huecas de vidrio están hechas con un
material de vidrio que posee una temperatura de fusión de 800ºC como
máximo.
2. Estructura exotérmica de una fundición según
la reivindicación 1, que comprende además un
pro-oxidante.
3. Estructura exotérmica de una fundición según
la reivindicación 1 ó 2, en la que las microesferas huecas de vidrio
se dispersan y empotran en la matriz de la estructura.
4. Estructura exotérmica de una fundición según
la reivindicación 1, en la que el material de vidrio es un vidrio de
silicato-cal-sosa.
5. Estructura exotérmica de una fundición según
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en la que las microesferas
huecas de vidrio están contenidas en la matriz en una cuantía de por
lo menos un 10% en peso.
6. Estructura exotérmica de una fundición según
la reivindicación 5, en la que la cantidad de las microesferas
huecas de vidrio está entre el 20-40% en peso.
7. Estructura exotérmica de una fundición según
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en la que el diámetro de
las microesferas huecas de vidrio es de 3 mm o menos.
8. Estructura exotérmica de una fundición según
la reivindicación 7, en la que el diámetro de las microesferas
huecas de vidrio es de 1,2 mm o menos.
9. Estructura exotérmica de una fundición según
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en la que el metal
oxidable es aluminio en polvo y/o granular.
10. Estructura exotérmica de una fundición según
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en la que el agente
oxidante es, por lo menos, uno de los siguientes: óxido de hierro,
el dióxido de manganeso, el nitrato de potasio y permanganato de
potasio.
11. Estructura exotérmica de una fundición según
la reivindicación 2, en la que el agente
pro-oxidante es por lo menos uno de los siguientes:
criolita (Na^{3}AlF^{6}, tetrafluoruro alumínico potásico y
hexafluoruro alumínico potásico.
12. Estructura exotérmica de una fundición según
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en la que el agregado de
material refractario es por lo menos uno de los siguientes: ceniza
de aluminio, sílice, zircón, silicato magnésico, olivino.
13. Estructura exotérmica de una fundición según
la reivindicación 2, en la que la ceniza de aluminio se seca
previamente para reducir su contenido en agua hasta sustancialmente
cero.
14. Estructura exotérmica de una fundición según
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en la que el aglomerante
inorgánico u orgánico es un aglomerante inorgánico u orgánico
utilizado en un procedimiento de moldeo de un molde de arena.
15. Estructura exotérmica de una fundición según
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en la que la estructura de
la fundición exotérmica es una camisa de una columna ascendente
exotérmica, un núcleo exotérmico, un núcleo rebajado exotérmico, un
molde exotérmico o un lecho de calentamiento exotérmico.
16. Estructura exotérmica de una fundición según
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en la que el aglomerante
inorgánico u orgánico es un aglomerante inorgánico u orgánico
utilizado en un procedimiento de moldeado del molde de arena,
seleccionado del grupo formado por un procedimiento de CO_{2}, un
procedimiento de auto-endurecimiento, un
procedimiento de mezcla líquida de arena, un procedimiento de
bastidor caliente para moldeo en arena, o un procedimiento de
bastidor frío para moldeo en arena.
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