filtros revestidos de metal fundido.(es2048618)

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OFICINA ESPAÑOLA DE
PATENTES Y MARCAS
k
ES 2 048 618
kNúmero de solicitud: 9101460
kInt. Cl. : B22C 9/08
11 N.◦ de publicación:
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ESPAÑA
B22D 1/00
B22D 43/00
k
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SOLICITUD DE PATENTE
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22 Fecha de presentación: 19.06.91
k
71 Solicitante/es: Corning Incorporated
Houghton Park
New York 14831, US
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30 Prioridad: 22.06.90 US 542725
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72 Inventor/es: Day, John Paul;
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74 Agente: Herrero Antolı́n, Julio
43 Fecha de publicación de la solicitud: 16.03.94
43 Fecha de publicación del folleto de la solicitud:
16.03.94
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Johnson, Timothy Van y
Quinn, Ronald David
k
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kResumen:
54 Tı́tulo: Filtros revestidos de metal fundido.
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Se proporciona un filtro de metal fundido que tiene
un revestimiento de carbono en ı́ntimo contacto con
un material de termita, en las superficies del filtro. Un conjunto del revestimiento del metal fundido apropiado para colar el metal fundido, que comprende el filtro para el metal fundido y medios para
pasar el flujo del metal principal fundido a través de
dicho filtro. Tal conjunto (10) incluye una mazarota (12), impulsor (14), entrada (16) y cavidad del
molde (18) por el cual fluye el metal fundido a la
cavidad (18). Un filtro (19) se sitúa en el recorrido
del flujo del metal fundido. Los medios tienen superficies que definen el recorrido del metal fundido.
Se revela un procedimiento para el filtrado del metal
fundido que comprende el paso de metal fundido a
través del filtro revestido, descrito anteriormente.
Venta de fascı́culos: Oficina Española de Patentes y Marcas. C/Panamá, 1 – 28036 Madrid
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DESCRIPCION
Antecedentes de la invención
Esta invención se refiere a un filtro de metal
fundido que tiene un revestimiento de carbono y
un material de termita en su superficie. En comparación con filtros no revestidos, el uso del revestimiento permite que los metales con temperaturas de vertido inferiores pasen a través del
filtro durante la operación de filtración. Las ventajas de temperaturas de vertido más bajas son
ventajas económicas, por menor uso de energı́a y
mejor calidad de la colada. El uso de carbono con
termita es ventajoso especialmente para bajar la
temperatura de vertido requerida en la filtración.
Todavı́a aún más particularmente, los filtros de
metales fundidos y revestidos, se usan durante el
recorrido del metal fundido en su conjunto para la
colada en molde y en equipos de colada continua.
Según se usa aquı́, incluido en las reivindicaciones, “carbono” significa cualquier carbono o
material conteniendo carbono, que puede revestirse en y/o recubrirse la superficie de la estructura o compuesto de un filtro de metal fundido y
que rápidamente se disolverá durante el paso del
metal fundido, por el filtro, sin liberar cantidad
alguna significativa de gas.
En el tratamiento de los metales fundidos, se
ha encontrado ventajoso filtrar el metal en el estado lı́quido para eliminar inclusiones. Para filtrar el metal como un lı́quido, se requiere un filtro
con propiedades extraordinarias. El filtro debe
ser apto para resistir choques térmicos extremos,
ser resistente a la corrosión quı́mica y ser apto
para resistir los esfuerzos mecánicos. La técnica
actual del filtro de metal fundido emplea monolitos cerámicos, cuyos componentes principales son
usualmente el carburo de silicio sinterizado, magnesia, circonia, alúmina y/o sı́lice, con modificadores, según se requiera.
Generalmente, en el trabajo de los metales
fundidos, los metales reducidos son calentados
por encima de sus puntos de fusión, cuyo nivel
se denomina sobrecalentamiento, y vertidos en
colada, con propósito de almacenamiento o para
moldearlo en un producto. Durante la operación
de moldeo, antes de la colada, se introduce un
filtro cerámico para atrapar las inclusiones fuera
del metal fundido. Se ha descubierto, por los expertos en la materia de colada del metal fundido
que, excluyendo ciertos contaminantes, durante
la colada se proporcionarán metales sólidos con
propiedades superiores y a costes reducidos.
Ciertos metales fundidos, por ejemplo las aleaciones superiores, aceros inoxidables, aceros aleados, hierros fundidos, y metales no férreros, se
calientan a temperaturas para ensayar los lı́mites
de las propiedades fı́sicas y quı́micas de los filtros.
Que estos lı́mites se sobrepasen se evidencia por
fallos catastróficos del filtro durante el vertido.
Durante un fallo catastrófico, el filtro se rompe
en muchas piezas. El filtro puede aguantar menos
del fallo catastrófico y aún ser inoperable debido
a algunos otros fallos mecánicos. Por ejemplo, si
la resistencia mecánica del material cerámico se
sobrepasa, entonces se deforma el filtro en la dirección del flujo.
Los filtros cerámicos están sujetos a la co2
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rrosión quı́mica. La escoria del metal fundido
puede, a tı́tulo ilustrativo, atacar los enlaces
oxı́geno-silicio de la sı́lice y de este modo debilitar
la integridad estructural del filtro. Esta escoria si
ataca o disuelve da lugar a fallos significativos en
los filtros.
Finalmente, algunos problemas de los metales
fundidos filtrantes pueden asociarse directamente
con el enfriamiento del metal fundido, en su contacto con el filtro. Como el filtro está a temperatura significativamente menor que la temperatura
de vertido del metal fundido,, el metal fundido
inicial que toma contacto con el filtro debe comunicar calor al filtro. Como el filtro extrae el
calor del metal, la parte de metal fundido afectada disminuye su temperatura, lo cual origina el
enfriamiento del metal. Como el metal se solidifica en el filtro, el metal sólido puede bloquear
completamente, o al menos parcialmente, el poder de filtración del filtro, o será lenta la filtración
en los estados iniciales del vertido, disminuyendo
ası́ el rendimiento del filtro.
Resumen de la invención
De acuerdo con un aspecto de la invención se
proporciona un filtro de metal fundido que tiene
un revestimiento de carbono-termita, que reduce
el choque térmico del filtro, y protege al filtro de
la corrosión del metal o compuestos e impurezas
en el metal, e impide el enfriamiento del metal en
el filtro.
De acuerdo con otros aspectos de la invención,
se proporciona un conjunto de metal fundido
apropiado para la colada del metal fundido, que
comprende un filtro de metal fundido y medios
para el paso del flujo del metal fundido a través
del filtro. Los medios tienen superficies que definen un recorrido del metal fundido. El filtro tiene
un revestimiento de carbono en ı́ntimo contacto
con un material de termita, en las superficies del
filtro.
De acuerdo con otro aspecto de la invención,
se proporciona un proceso de filtración de metal
fundido que comprende el paso de metal por el
filtro revestido, descrito antes.
Breve descripción de las figuras
La Figura 1 es un dibujo esquemático que
muestra un conjunto tı́pico de molde, en el cual
se usa el filtro de la presente invención.
Las Figuras 2a, 2b y 2c son diagramas esquemáticos de partes de conjuntos de colada continua que muestran la posición del filtro, de la
presente invención.
La Figura 3 muestra como pasa el metal fundido por un filtro, a un sobrecalentamiento y nivel
de revestimiento dado, en el filtro, variando los
niveles del carbono en el revestimiento. El carbono está presente como un revestimiento sobre
el revestimiento de la termita.
La Figura 4 muestra el paso del metal fundido
por un filtro, a un sobrecalentamiento y nivel de
revestimiento dado, en el filtro, variando los niveles de carbono en el revestimiento. El carbono y
la termita están presentes como un revestimiento
integrado en el filtro.
Descripción detallada de la invención
La presente invención resuelve muchos de los
problemas antes mencionados, asociados con la
técnica del filtro de metal fundido. El benefi-
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cio obtenido por el uso de la invención es, que
el metal fundido, especialmente el acero, a temperaturas de vertido más bajas, o sobrecalentamientos más bajos (la diferencia entre la temperatura de vertido y la temperatura de solidificación). puede preparar (por el flujo) al filtro,
sin enfriar el flujo. Tı́picamente una disminución
media de -6,6◦C (20◦ F) en el sobrecalentamiento
mı́nimo requerido en el metal se considera una
mejora significativa. Se requiere acero con al menos aproximadamente 87,7◦C (190◦ F) para preparar filtros sin revestir. Los filtros revestidos de
termita, que no contienen carbono, requieren al
menos aproximadamente 65,5◦C (150◦F) de sobrecalentamiento en el metal a preparar. Se ha
encontrado que se requieren solamente alrededor
de -6,6◦C (20◦ F) de sobrecalentamiento, si se usa
alguna mezcla de carbono y termitas, como un
revestimiento del substrato del filtro. Esto es una
disminución de aproximadamente 54,4◦ C (130◦
F) de sobrecalentamiento con respecto a los filtros que no incorporan esta invención.
El metal fundido que conviene a la práctica
de la presente invención puede ser cualquier metal fundido. No obstante, aquellos que se prestan
mejor para la práctica de la presente invención
son aleaciones superiores, aceros al carbono, aceros inoxidables, aceros de baja aleación, aceros
aleados, hierros fundidos y metales no ferrosos,
siendo los aceros los metales fundidos más preferidos.
Los filtros que sirven para ser tratados con el
carbono y revestimiento de termita, de la presente
invención, pueden ser generalmente de cualquier
tipo, forma o configuración; el solo requisito es
que sea apropiado para filtrar inclusiones fuera
del metal fundido. Por ejemplo, el filtro puede
estar en la forma de medio filtro o ser una unidad simple. No obstante, los tipos preferidos son
unidades simples de filtro que pueden tener una
estructura de espuma, un metal o estructura celular de cerámica, o una estructura de forma alveolar de pared porosa, en la que el substrato se
hace preferiblemente de un material cerámico. El
substrato es el tipo del material del cual se hace
el filtro. La forma general de la unidad del filtro
puede ser de cualquier forma, dependiendo de su
aplicación. Es de comprender que cualquier material puede usarse como material de substrato del
filtro, en tanto en cuanto pueda resistir el choque
térmico del metal fundido. Algunos materiales
que son especialmente aptos para la práctica de
la presente invención son: la alúmina, mullita,
circon, circonia, espinela, cordierita, aluminosilicatos de litio, titania, feldespatos, cuarzo, sı́lice
fundida, carburo de silicio, arcilla de caolı́n, titanato de aluminio, silicatos, aluminatos y mezclas
de los mismos. Algunos tipos de filtros tı́picos
y materiales para substratos de filtros son filtros alveolares de alúmina, según se describe en
la Patente de los EE.UU. N◦ 4.591.383 y filtros
alveolares de circón, según se describe en la Patente de los EE.UU. N◦ 4.681.624. Estas Patentes
se incorporan aquı́ a tı́tulo de referencia. Otros
tipos de filtro son filtros de espuma cerámica,
según se describe en la Patente de los EE.UU. N◦
4.610.832. Un boletı́n titulado “Metal Filters”,
por Corning Incorporated, describe algunos fil-
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tros que son convenientes para la práctica de la
presente invención. Los filtros pueden tener substratos de espuma cerámica o ser partes prensadas
con agujeros presentes en el mismo.
De acuerdo con un modo de realización preferente, el filtro es del tipo descrito en la Solicitud de Patente de los EE.UU. SN 07/430.719
que está transferida al mismo titular de la presente solicitud. Esa. solicitud se incorpora aquı́
como referencia tal y como se presentó. Este filtro es un material cerámico poroso sinterizado,
basado primariamente en que tiene fases cristalinas de mullita y corindón (alúmina alfa) entremezcladas con una fase basada en alúmina-sı́lice
amorfa, con propiedades que proporcionan una
combinación de resistencia mejorada, resistencia
a la deformación plástica y estabilidad dimensional a alta temperatura de uso, junto con buena
resistencia al choque térmico. Una forma particularmente beneficiosa del material del substrato
es una estructura alveolar o celular monolı́tica
El material cerámico del cual se hace este substrato del filtro tiene una composición analı́tica volumétrica, en peso, de aproximadamente el 74 %
a 80 % de alúmina y el resto siendo sı́lice opcionalmente con otros óxidos y/o impurezas, que
ocurren naturalmente en los materiales del lote,
y tienen una composición de fase, en peso, de
aproximadamente 45 % a 75 % de mullita, aproximadamente de 23 % hasta 45 % de corindón,
aproximadamente de 0 % a 8 % de cristobalita y
siendo el resto sustancialmente del 2 % a 10 %
de base en alúmina-sı́lice amorfa. Generalmente
el otro óxido y/o las impurezas no exceden de alrededor del 3 % en peso. La fase cristalina de
mullita contiene un exceso, no estequiométrico,
de alúmina en solución sólida, que proporciona
esa fase con temperatura de fusión más alta que
la mullita estequiométrica. El otro óxido puede
ser cualquier óxido, por ejemplo, magnesia, que
forma una solución sólida con la alúmina, de la
fase cristalina del corindón. Las impurezas se
contienen sustancialmente en la fase amorfa, que
es normalmente aproximadamente un tercio de
alúmina y aproximadamente dos tercios de sı́lice,
aunque tal fase amorfa puede variar desde aproximadamente 0 % al 40 % de Al2 O3 . El material
es generalmente de cristales de roca y en placa,
entremezclados con fase vı́trea amorfa. Esta composición compensada del material proporciona la
combinación de propiedades mejoradas, según se
describe antes. Una forma particularmente beneficiosa de este tipo de filtro es una estructura
alveolar con paredes finas interconectadas de material sinterizado poroso, que define celdas con extremo abierto. Tal estructura puede tener formas
de sección transversal de celdas, densidades de las
celdas por unidad de área de sección transversal
de la estructura, y espesores de las paredes, tal
y como se conocen generalmente en la tecnologı́a
de las estructuras alveolares de cerámica o celulares monolı́ticas. Aunque es de comprender que
el filtro puede tener cualquier geometrı́a conveniente, esto es, densidad de la celda y espesor de
pared, sin desviarse del alcance de la invención,
tı́picamente las estructuras tienen una densidad
de celda de aproximadamente 1,39 a 62 celdas
por cm2 (9 a 400 celdas por pulgada cuadrada);
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un espesor de pared de 0’0254 a 0’1524 cm aproximadamente (0,01 a 0,060 pulgadas). Para aplicaciones de fundición, semejante a la mostrada
en la Figura 1, el espesor de pared deseable es
aproximadamente de 0,03048 a 0,0889 cm (0,012
a 0,035 pulgadas) y una longitud del flujo de la
celda de 0’635 a 2’54 cm aproximadamente (0,025
a 1,0 pulgadas) y preferiblemente alrededor de
1,16 a 2,032 cm (0,4 a 0,8 pulgadas). Para volumen o colada continua de acero, las estructuras
deseables de filtros tienen un espesor de pared
de 0,0508 a 0,1524 cm (0,020 a 0,060 pulgadas)
y longitud del flujo de la celda de alrededor de
1’905 a 8’89 cm (0,75 a 3,5 pulgadas). El espesor
de pared de un filtro, sin revestimiento, es muy
importante en vertidos de metal fundido para poder sobrevivir el ataque inicial de corrosión de
la escoria, en aproximadamente 5 a 20 segundos,
desde el principio del vertido. Generalmente, un
espesor de pared de aproximadamente 0,04572 cm
(0,018 pulgadas), o más, sobrevivirá los vertidos
del acero fundido. No obstante, se pueden usar
paredes más finas cuando el filtro tiene un revestimiento para mejorar la resistencia al ataque de
la escoria, tal como carbono y/o revestimiento de
termitas, que se describirán a continuación. En
el filtrado de aceros fundidos, es ventajoso que
el material poroso sinterizado de la estructura alveolar, la composición analı́tica de volumen, en
peso, sea de aproximadamente 76 % a 80 % de
alúmina y una composición de fase, en peso, de
aproximadamente 60 % a 70 % de mullita, aproximadamente 23 % a 33 % de corindón, aproximadamente 0 % a 2 % de cristobalita y siendo
el resto de aproximadamente 5 % al 10 % de la
fase basada en alúmina-sı́lice amorfa. En estos
casos, las densidades deseadas de las celdas son
aproximadamente de 1,39 a 15,5 celdas por cm2
(9 a 100 celdas por pulgada cuadrada), y el espesor deseado de pared no revestida, es aproximadamente de 0,04572 a 0,0889 cm (0,018 a 0,035
pulgadas). Para filtrar hierro gris fundido se pueden usar las mismas estructuras, según se describe
antes, para filtrar los aceros, pero se ha encontrado deseable económicamente que el material
poroso sinterizado, de estructura alveolar, tenga
una composición de fase, en peso, de aproximadamente 40 % a 65 % de mullita, aproximadamente
de 30 % a 45 % de corindón, aproximadamente
0 % a 8 % de cristobalita, y siendo el resto de
aproximadamente 5 % a 10 % de fase, basada en
alúmina-sı́lice amorfa.
De acuerdo con un modo de realización cualquiera de los filtros descritos antes tienen la composición de revestimiento de carbono y material
de termita en las superficies del substrato. La presencia de una termita con carbono tiene además el
efecto sinergı́stico de bajar el sobrecalentamiento,
frente al uso de carbono solo. El carbono y la
termita pueden revestir al menos una parte de las
superficies que están en contacto con metal fundido, tal como las superficies de las paredes de las
celdas del filtro. Alternativamente el carbono y
la termita pueden revestir toda la superficie, incluyendo aquellas superficies que rodean los poros
de los materiales del substrato, esto es teniendo
la composición incorporada en la porosidad del
substrato. La termita y el carbono pueden es4
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tar presentes en diversas formas. Por ejemplo, el
substrato puede tener un revestimiento de termita
y el carbono está presente como un revestimiento
de la termita. Alternativamente el carbono puede
presentarse como un revestimiento del substrato
y la termita está presente como un revestimiento
miento sobre el revestimiento del carbono. Todavı́a otro aspecto es tener un revestimiento en
el substrato de una mezcla ı́ntima de carbono y
de termita, el cual se menciona como un revestimiento integrado.
Los revestimientos pueden aplicarse por
técnicas bien conocidas por la tecnologı́a, tal
como, por ejemplo, sumergiendo el filtro en unas
pasta de carbono o de componentes de termita,
seguido de secado. Alternativamente, el revestimiento se puede aplicar en forma seca.
En general se puede usar cualquier tipo de carbono, que revestirá la superficie del substrato y
no liberará ninguna cantidad significativa de gas,
mientras se disuelve en metal fundido en contacto con él. Algunos tipos de carbono son: hulla, lignito, gilsonita, grafito natural o sintético,
diamante, coque de petróleo, coque metalúrgico,
alquitrán de hulla, asfalto de petróleo, carbono pirolı́tico, carbono CVD, piro-carbono, carbono polimérico, carbono vitreos ó carbono vitreo, carbón
activado, carbón vegetal, carbón de leña, negro
de humo, carbón negro de lámpara, asfalto, coque, antracita, negro de filón y negro de acetileno. Los mas preferidos de éstos son los grafitos,
el carbón activado y los negros de humo. otros
compuestos de carbono o materiales conteniendo
cantidades sustanciales de carbono se pueden usar
también, tales como carburos, cianuros y aleaciones de carbono-metal. Se consideran como los
mejores de los carburos, los carburos de Al, B,
Ca, Cr, Fe, Mn, Mo, Ni, Si, Ti, V, W y Zr; si
bien los carburos de Ba, Be, Hf, Nb, Pu, Ta, Th
y U, se cree son adecuados. Los cianuros de K
y Na y aleaciones de carbono con Al, Fe y Ni se
consideran buena elección en sus respectivas categorı́as.
Las termitas son bien conocidas en la técnica.
Las termitas son unas especies quı́micas reactivas. El primer tipo de especie reactiva reacciona
debido a catálisis o a un tratamiento en caliente
de iniciación o comunicación en caliente que estimula una reacción exotérmica.
El segundo tipo de especie reactiva reacciona
debido a catálisis o a un tratamiento en caliente de iniciación o comunicación en caliente,
que estimula una reacción de oxidación-reducción
inorgánica. El tercer tipo de especie reactiva reacciona debido a catálisis o un tratamiento en caliente de iniciación o comunicación en caliente que
estimula una reacción exotérmica que puede ser
una reacción de oxidación-reducción inorgánica.
Los revestimientos de termitas se describen en la
solicitud en trámite SN 07/241.581, la cual está
transferida al mismo titular de la presente solicitud. Esta solicitud se incorpora aquı́ como referencia para archivar.
El tipo de termita es la que aprovecha la relación termodinámica generalmente encontrada
en especies, que cuando son suficientemente estimuladas por medio de catálisis o por medio de
la adición de una energı́a inicial cedida o comu-
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nicación en caliente al reaccionante, completa la
reacción para productos por medio de los cuales
el proceso de reacción genera calor y calienta sus
alrededores. Los expertos en la técnica generalmente conocen que este tipo de reacción tiene una
energı́a libre negativa de reacción. Un ejemplo de
este tipo de reacción es la interacción entre ZrC
+ VN para dar ZrN + VC y calor.
Estas clases de reacciones también pueden caracterizarse por sus entalpias de reacción, una
propiedad significativa referida a la energı́a libre.
Las entalpias individuales de los reaccionantes en
una reacción puede ser un factor principal en interacciones donde, las entalpias netas utilizables
están cerca de o a 0◦ Kcal/mol a la temperatura
de vertido. Estas reacciones pueden proporcionar
beneficios valiosos al filtro, aún cuando la entalpia neta de la reacción no puede ser negativa. Un
ejemplo de esto es una reacción de interacción entre
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MgO + SiO2 para dar MgSiO3
El segundo tipo de termita emplea la dinámica
de la reacción de oxidación-reducción o una reacción redox par. De modo similar al primer modo
de realización donde no se requiere par redox; el
par redox de este tipo de termita tal como aluminio, titania, y nitruro de aluminio se mezclan
para producir nitruro de titanio y alúmina, se
aplica a la superficie de un filtro tal como un filtro cerámico como un revestimiento o como. una
parte del mismo.
Generalmente el par redox preferido libera calor, esto es, la reacción redox es exotérmica. Este
tercer tipo de material de termita es la combinación en la cual la reacción redox en el sentido
termodinámico, tiene energı́a libre negativa y entalpia negativa del calor de reacción. Los beneficios que resultan y el mecanismo de reacción son
análogos a los descritos antes para el primero y segundo tipo de termitas. Una reacción exotérmica
capaz de dar calor al metal de modo que el metal no se enfrié en el filtro. Adicionalmente, una
reacción exotérmica da calor al filtro con lo cual
requiere menos flujo de calor del metal para dejar
el filtro a temperaturas del metal fundido. Esta
fase de la reacción de la termita se conoce como
preparación del filtro. Un ejemplo de este tipo de
termita es óxido de hierro y aluminio que reacciona para formar alúmina y metal de hierro, con
la generación de una cantidad significativa de calor.
Sobre la terminación de la reacción de preparación del filtro, la reacción de revestimiento de
la termita, ya sea por el mecanismo redox o por
calor de reacción, el producto de la reacción permanece como una capa en el filtro. El producto
puede estar en forma oxidada o simplemente un
compuesto más estable de los reaccionantes, que
pueden proporcionar duración quı́mica al filtro.
La durabilidad se manifiesta como una barrera
fı́sica o capa sacrificadora en el filtro que proporciona protección contra el ataque de la escoria. La
reacción particular elegida como el revestimiento
puede depender de la composición de las inclusiones en el metal fundido que ha de filtrarse del
metal fundido, el tipo de metal fundido a filtrarse,
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la composición del substrato de filtro, el calor
exotérmico de la reacción del revestimiento, la
temperatura requerida de preparación, la quı́mica
de la escoria, calderos de coladas refractarios, o
combinaciones de los mismos. Es bien conocido
a aquellos en la técnica que la compatibilidad
fı́sica y quı́mica de la inclusión y el filtro permite más eficiencia en la filtración. Por ejemplo,
si las inclusiones de alúmina son predominantes
en la escoria, una superficie mas eficiente para
la filtración es un revestimiento de alúmina. Por
igualación quı́mica, alúmina en este caso, las inclusiones tienden a llegar a ser altamente asociadas con el filtro, con lo cual se filtran a partir del
metal fundido.
Ventajosamente, adaptar el revestimiento a
las propiedades de la escoria proporciona la libertad para diseñar el filtro y el substrato de materiales que pueden resistir la temperatura experimentada en el entorno del metal fundido. Por
ejemplo, los substratos de filtros altos en alúmina
y sı́lice, tal como la mullita, no pueden soportar
normalmente el ataque por una escoria con alto
contenido en óxido de calcio; los diversos mecanismos de protección proporcionados por el revestimiento de la termita en un substrato de mullita
permiten el uso del substrato donde, hasta ahora,
el mismo substrato habrı́a experimentado fallo catastrófico.
La invención está, adicionalmente, materializada en una reacción redox y/o exotérmica, donde
el revestimiento más que reaccionar con un componente dentro del revestimiento, reacciona con
un metal fundido filtrable. En este ejemplo, la
fuente del metal reactivo en el metal fundido reacciona, con especies oxidadas, en el revestimiento.
Por ejemplo, óxido de estaño más hierro oxidará
al hierro en aceros fundidos. De forma similar, el
silicio disuelto, manganeso y aluminio, constituyentes de los aceros, pueden reducir otros óxidos,
exotermicamente, para alcanzar las ventajas de la
invención. Una ventaja particular, de este modo
de realización, es que los metales refractarios no
han de añadirse al revestimiento, disminuyendo
ası́ la inestabilidad de la parte del revestimiento.
Las desventajas asociadas pueden obtenerse debido a la pérdida de control composicional y subproductos indeseables.
La invención también se incorpora en una
reacción del revestimiento con el substrato. En
este modo de realización particular, un reaccionante oxidado está disponible en el substrato para
reaccionar con el revestimiento, el cual incluye el
metal reductor. Los óxidos menos estables en el
filtro, tales como sı́lice, óxido de cromo y titania,
pueden reducirse por reductores agresivos, tales
como el circonio y el aluminio. El oxı́geno, azufre
y fósforo, disueltos, que pueden estar presentes en
el metal fundido, son también válidos para reaccionar con el metal reaccionante.
La combinación del carbono y la termita sirve
para potenciar el calor disponible para el filtro sobre el calor proporcionado por la termita sin carbono. No se conoce el mecanismo exacto para incrementar el calor. Es posible que el carbono potencie la reacción de la termita, o que el carbono
se disuelva en el metal fundido, disminuyendo de
este modo la temperatura del lı́quido del metal.
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La combinación del carbono y la termita es efectiva especialmente en proporcionar aumento del
calor en el filtrado (preparación del filtro) y en el
colado del metal fundido.
Se cree que cualquier reacción que pueda iniciarse por el vertido de metal fundido será ventajosa como un revestimiento de la termita. Esto incluye cualquiera de los metales de transición y/o
reaccionantes de tierras raras Generalmente, se
obtiene la reacción siguiente:
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MX LZ + yR = RY LZ + xM
donde x puede ser o no igual a y, ó x e y pueden
ser o no igual a z, y L es algún anión. Los metales
oxidados adicionalmente se pueden añadir al lado
del reaccionante de la ecuación para introducir
pares redox por múltiples reacciones redox.
Los metales potenciales reaccionantes pueden
derivarse del litio, mercurio, paladio, plata, cobre, plomo, cadmio, cobalto, niquel, molibdeno,
estaño, hierro, wolframio, vanadio, potasio, cinc,
niobio y cromo. Estos metales, designados por
M, en la ecuación anterior, pueden estar presentes como alguna forma oxidada, tal como óxidos,
carburo, nitruro, haluro, fosfuro, boruro, aluminiuro, siliciuro, nitrato, sulfato, fosfato, carbonato, o algún anión orgánico, tal como oxilatos,
succinatos y quelatos, para reaccionar con otro
metal y producir una reacción exotérmica, redox
o alguna combinación.
Las familias de algunos metales representados y designados por R, en la ecuación anterior,
contemplados en la presente invención comprenden los metales de los Grupos IIA, IIIA, IVA,
IB, IIB, IIIB, incluyendo metales de tierras raras
IVB, VB, VIB, VIIB y VIII, según se muestra
en el Sistema Periódico de los Elementos en el
Handbook of Chemistry and Physics, Edición 46,
publicada por la Chemical Rubber Co. Más especı́ficamente, los metales siguientes pueden emplearse muy útilmente en propósitos de la presente invención, ytrio, manganeso, tántalo, vanadio, silicio, titanio, circonio, aluminio, uranio, bario, magnesio, berilio, torio y calcio.
La termita puede tener adiciones que ayuden
la reacción de la termita. Estos incluyen ignidores (oxidantes) similares a nitratos, manganatos,
cromatos y óxidos de manganeso y fundentes tales
como el fluoruro, cloruro y ioduro.
Un par redox más preferido es el Fe2 O3 y
Al (según se contienen en una aleación 50/50 de
Fe/Al). Esta reacción proporciona una reacción
de preparación apropiada, que genera un revestimiento protector durable y ayuda a filtrar las
impurezas del fundido.
Las combinaciones de las formas anteriores
pueden manipularse para obtener resultados ventajosos de la invención. Un experto en la técnica
puede mezclar una combinación de reaccionantes para auto-reaccionar en el revestimiento, reaccionar con el metal fundido, y reaccionar con el
substrato del filtro para producir las reacciones
exotérmicas redox y/o combinación, resultando
en los beneficios anteriormente citados. Las combinaciones de las formas quı́micas, entre ellas y de
éste, pueden efectuarse con resultados similares.
También se ha encontrado ventajoso añadir
diluyentes a la reacción de la termita. La adición
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de diluyentes puede ralentizar la velocidad de
reacción de las reacciones de la termita, evitando
ası́ el fundido localizado del filtro. El diluyente
puede ser un material inerte que absorbe calor de
la reacción exotérmica. Puede extraerse una mayor cantidad de calor si el diluyente funde a temperaturas menores que la temperatura de la llama
adiabática de la termita. Un beneficio adicional
del diluyente puede realizarse si un diluyente se
elige para sinterizar en el filtro durante la reacción
exotérmica. Este resultado es una barrera protectora adicional. La alúmina es el diluyente más
preferido. Otros diluyentes son la titania, óxido
de cromo y circonia, las cuales exponen todas una
fuerte resistencia al ataque de la escoria.
La cantidad de revestimiento en el filtro puede
variar de acuerdo al tipo de filtro, la aplicación, la
forma como se aplica el revestimiento, el tipo de
termita, el tipo de metal fundido etc. En el caso
de revestimiento integrado de carbono-termita, la
cantidad de revestimiento depende también del
nivel del carbono en la combinación carbonotermita. Con cantidades más altas de carbono,
se requiere menos revestimiento total para bajar
el sobrecalentamiento en una cantidad dada.
De acuerdo con un modo de realización preferente, el filtro tiene un substrato formado por
estructura alveolar porosa. El tipo preferido de
material de termita es el par redox antes mencionado, Fe2 O3 y Al, en el que Al se suministra
en la forma de una aleación de aproximadamente
50 % en peso de Fe y el resto de Al. El metal Fe no es reactivo, en esta composición, pero
se considera parte del material de la termita. El
tipo de carbono preferido es el grafito. Se prefiere
aplicar el carbono-termita como un revestimiento
simple integrado. De acuerdo con este modo de
realización, el nivel de carbono relativo al material del revestimiento de carbono-termita es normalmente al menos aproximadamente del 10 %
en peso, y preferiblemente, al menos aproximadamente, el 15 % en peso y más preferiblemente
del 20 % a aproximadamente 40 %, en peso. El
porcentaje de carbono relativo al material de revestimiento se mide por la fórmula:
% de carbono en el revestimiento total =
peso de carbono
peso de termina + peso de carbono x 100
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En este ejemplo, el nivel de revestimiento relativo al filtro es al menos aproximadamente del,
5 %, en peso, preferiblemente al menos aproximadamente el 15 %, en peso, y más preferiblemente del 25 % aproximadamente al 40 % aproximadamente en peso. El nivel del revestimiento
carbono-termita relativo al filtro simple se mide
por la fórmula:
% de revestimiento =
peso de termina + peso carbono
x 100
peso de filtro simple
Con el filtro descrito antes y el material de
termita, cuando se aplica al carbono y la termita
como un revestimiento de carbono sobre un revestimiento de material de termita, las cantidades
de carbono relativas al revestimiento que están
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normalmente presentes son al menos aproximadamente del 5 % en peso, preferiblemente al menos
aproximadamente del 10 %, en peso, y más preferiblemente de aproximadamente 14 % a alrededor
del 85 %, en peso. En este ejemplo, el nivel de
revestimiento relativo al filtro es desde aproximadamente el 5 % a aproximadamente el 70 %, en
peso.
Aunque las cantidades relativas anteriores de
termita y carbono se dan para un tipo especı́fico
de filtro, es de comprender que cantidades relativas de carbono y termita relativas al filtro pueden
variar según se menciona anteriormente.
Cuando una superficie que tiene carbono y un
material de termita se pone en contacto con metal
fundido, el calor producido por la reacción de la
termita y carbono permite que el metal se vierta
con un menor sobrecalentamiento, para mantener
el metal en el estado de fundido, sin enfriamiento.
La presencia de carbono potencia la supresión de
sobrecalentamiento, aunque el mecanismo exacto
no se conoce. La termita particular que se usa depende de la naturaleza del material del substrato
del filtro y del metal fundido que se quiere filtrar.
Algunos de los sistemas preferidos se dan en los
ejemplos que siguen.
Los filtros de la presente invención pueden
usarse esencialmente en cualquier aplicación en
la que se filtra el metal fundido. Algunas aplicaciones tı́picas son, en la fundición de metal en
moldes de metal fundido y en fundición continua.
Un ejemplo del tipo anterior se muestra en la Figura 1, en la cual se muestra el conjunto fundidor
(10) que se compone de mazarota (12), impulsor (14), entrada (16), y cavidad del molde (18).
La mazarota, el impulsor y la entrada forman el
recorrido del metal fundido por el cual pasa el
metal fundido desde la fuente de metal fundido
(no mostrada) al molde en el cual está la pieza
fundida. El filtro (19) de la presente invención se
puede situar, esencialmente, en cualquier punto
del recorrido del metal fundido. En la Figura 1
la situación del filtro está en el sistema impulsor,
entre la mazarota y la entrada que divide el impulsor en precursor (14A) y poscusor (14B). La
Figura 2a muestraun conjunto (20) para colada
continua de metal fundido que está compuesto de
artesa refractaria (22) en la que se vierte el metal fundido (23) y del tubo de descarga (24) por
el cual pasa el metal fundido desde la artesa. El
tubo de descarga puede incluir compuertas de salida de corredera (no mostradas). Desde el tubo
de descarga pasa el metal fundido a una máquina
de colada continua. El filtro de la presente invención se muestra en una disposición poligonal
(26) en el tubo donde el metal fundido pasa de
la artesa al tubo de descarga. Como se ha discutido previamente, el filtro puede tener cualquier
forma conveniente y situarse donde quiera en el
recorrido del metal fundido, dependiendo de la
geometrı́a particular del sistema del proceso del
metal fundido o en la aplicación especı́fica. La Figura 2b muestra una variación de la disposición
de la colada continua de la Figura 2a, en la que
el filtro se sitúa en una artesa como un dique.
El metal fluye en la dirección de la flecha a través
del filtro. El tubo de descarga se muestra con una
compuerta de corredera (28) en la Figura 2c. El
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filtro para esta variación (29) se sitúa en el tubo
de descarga.
Para una ilustración más completa de esta invención, se presentan los siguientes ejemplos no
limitativos.
Ejemplo 1
Se preparó la termita moliendo Fe2 O3 , polvo
de Fe/Al (50 % en peso de Fe y 50 % en peso
de Al), resina de silicona y alcohol isopropı́lico
(IPA), durante aproximadamente 1 hora para dispersar y mezclar los ingredientes y formar una
pasta. Los filtros quemados (mullita-alúmina)
con 15,5 celdas por cm2 (100 celdas por pulgada cuadrada), aperturas cuadradas de 0,2032
y trama de 0,0508 cm (0,080 y trama de 0,020”)
se sumergen en la pasta para aplicar el revestimiento de la termita, y después se seca. El filtro revestido de termita resultante se vuelve a
sumergir durante tanto tiempo como sea necesario en una pasta de carbono y silicato de sodio, en agua y alcohol isopropı́lico, en una forma
similar para dar al carbono el nivel deseado en
la termita. El carbono se suministra por grafito
Dylon AA disponible en Dylon Industries. El silicato de sodio-agua y alcohol isopropı́lico sirve
como aglomerante y portador, respectivamente.
Los filtros tienen un revestimiento de termita de
aproximadamente 35 % a aproximadamente 40 %
en peso de nivel de carga en el filtro (nivel de
carga = (peso de la termita x peso del filtro sin
revestir) x 100). Los filtros se usan en el tipo de
conjunto del molde mostrado en la Figura 1. La
Figura 3 muestra la colabilidad cuando el acero
al carbono fundido pasa a través de un filtro que
tiene el nivel dado de revestimiento total en el
filtro para niveles variables de carbono en el revestimiento total. (El revestimiento del carbono
y los revestimientos de la termita forman el revestimiento total). Las lı́neas indican los puntos
por encima de los cuales pasa el metal fundido a
través del filtro y bajo el cual el metal fundido
se enfrı́a o no consigue pasar completamente por
el filtro para un nivel dado de carbono. Algunas
condiciones especı́ficas se dan según se indica por
la letra P, para pasar a través del filtro y F para
el fallo del metal fundido para pasar por él. Los
números próximos a las P ó F son el actual porcentaje del carbono en el revestimiento total. El
carbono se presenta como un revestimiento sobre
el revestimiento de la termita. Según se muestra en la Figura 3, los filtros con aproximadamente 35 % de carga, de solamente termita (0 %
de carbono) requieren al menos aproximadamente
65,5◦ C (150◦ F) de sobrecalentamiento para prepararlo. Cuando se añade un revestimiento de
carbono al filtro en la parte superior de la termita,
tal que el nivel de revestimiento total, es aproximadamente 50 %, y la composición volumétrica
del revestimiento es aproximadamente 26 % de
carbono, el sobrecalentamiento requerido disminuye a aproximadamente 21,1 - 26,6◦ C (70-80◦
F). Los valores numéricos anteriores se aplican
a un conjunto de moldeo especı́fico. Es de comprender que los valores numéricos exactos pueden
variar dependiendo en las medidas especı́ficas y
geometrı́a del conjunto del molde y del filtro, el
tipo de metal fundido y el tipo de termita. No
obstante, las tendencias mostradas en la Figura
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3, son la misma.
Ejemplo 2
El óxido de hierro, polvo de aleación Fe/Al
al 50/50, grafito natural, y metil isobutil cetonacelulosa se muelen para formar una pasta. Los
filtros quemados del mismo tipo del Ejemplo 1 se
sumergen en la pasta y se secan como en el Ejemplo 1 para formar un revestimiento integral de
carbono y termita en el filtro. La Figura 4 muestra los resultados de colabilidad del metal fundido
a través del filtro. Las designaciones son las mis-
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mas que las descritas para la Figura 3. Los resultados indican que el sobrecalentamiento requerido
disminuye según aumenta el nivel del carbono a
niveles de revestimiento dados.
Se comprenderá que mientras se ha descrito
la presente invención, con detalle, con respecto
a ciertos modos de realización ilustrativos y especı́ficos del mismo, no se considerara limitado a
éstos sino que puede usarse de otras formas sin separarse del espı́ritu de la invención y del alcance
de las reivindicaciones del. apéndice.
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REIVINDICACIONES
1. Un filtro de metal fundido que tiene un
revestimiento que consiste en carbono en ı́ntimo
contacto con un material de termita, en las superficies del filtro.
2. Un filtro de metal fundido, de la reivindicación 1, en el cual dicho revestimiento está presente en dicho filtro en la forma de un revestimiento de dicho carbono, sobre un revestimiento
de dicho material de termita.
3. Un filtro de metal fundido, de la reivindicación 1, en el cual dicho revestimiento está presente en dicho filtro, en la forma de un revestimiento de dicha termita sobre un revestimiento
de dicho carbono.
4. Un filtro de metal fundido, de la reivindicación 1, en el cual dicho revestimiento está presente en dicho filtro, en la forma de un revestimiento simple de una mezcla de dicho carbono y
dicha termita.
5. Un filtro de metal fundido, de la reivindicación 1, en el cual la estructura de dicho filtro es
una estructura tipo espuma.
6. Un filtro de metal fundido, de la reivindicación 1, en el cual la estructura de dicho filtro es
una estructura celular, en la cual el substrato de
dicho filtro se hace con material seleccionado entre el grupo que consta de materiales cerámicos,
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metales o combinaciones de los mismos.
7. Un filtro de metal fundido, de la reivindicación 1, en el cual la estructura de dicho filtro
está formada por una estructura alveolar, de pared porosa.
8. Un filtro de metal fundido, de la reivindicación 7, en el que el substrato de dicho filtro se
hace de material cerámico.
9. Un conjunto apropiado para colar el metal fundido, comprendiendo dicho conjunto un filtro para metal fundido y medios para el paso del
flujo del metal fundido a través de dicho filtro;
dichos medios tienen superficies que definen un
recorrido del metal fundido y dicho filtro tiene un
revestimiento que consiste en carbono en ı́ntimo
contacto con un material de termita, en las superficies de dicho filtro.
10. Un conjunto de la reivindicación 9, en
el cual dicho conjunto es un conjunto de moldeo
que tiene una o mas cavidades de moldeo, hacia
las cuales conduce el recorrido del flujo de dicho
metal fundido y en el cual se cuela dicho metal
fundido.
11. Un procedimiento para filtrar el metal
fundido, comprendiendo dicho procedimiento el
paso de dicho metal fundido a través del filtro de
la reivindicación 1.
12. Un procedimiento de la reivindicación 11,
en el cual dicho metal fundido es acero.
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kES 2 048 618
kN. solicitud: 9101460
kFecha de presentación de la solicitud: 19.06.91
kFecha de prioridad: 22.06.90
OFICINA ESPAÑOLA
DE PATENTES Y MARCAS
11
ESPAÑA
22
21
◦
32
INFORME SOBRE EL ESTADO DE LA TECNICA
k
51 Int. Cl.5 :
B22C 9/08, B22D 1/00, 43/00
DOCUMENTOS RELEVANTES
Categorı́a
Documentos citados
Reivindicaciones
afectadas
X
EP-A-358361 (CORNING INC.)
* Todo el documento *
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A
FR-A-2539061 (SOC. BRET. DE FONDERIE ET DE MEC.)
* Todo el documento *
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A
ES-A-2019014 (G. FISHER AG)
* Todo el documento *
1-12
Categorı́a de los documentos citados
X: de particular relevancia
O: referido a divulgación no escrita
Y: de particular relevancia combinado con otro/s de la
P: publicado entre la fecha de prioridad y la de presentación
misma categorı́a
A: refleja el estado de la técnica
de la solicitud
E: documento anterior, pero publicado después de la fecha
de presentación de la solicitud
El presente informe ha sido realizado
× para todas las reivindicaciones
Fecha de realización del informe
14.02.94
para las reivindicaciones n◦ :
Examinador
J. Garcı́a-Cernuda Gallardo
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