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Inoculación en el chorro de metal

Foseco

Para leer el artículo con lasfiguras, recomendamos descargar el PDF gratuitamente de este artículo publicado en FUNDIDORES MARZO 2009.


Introducción

Inoculación en vena 1975 - 2009
El último desarrollo importante en el campo de la inoculación de hierro fue llevado a cabo en 1975 por la BCIRA (Asociación Británica para la Investigación de la Fundición) y FOSECO, cuando desarrollaron y lanzaron al mercado la tecnología de Inoculación en el chorro de metal con el SISTEMA
MSI 90 tipo 4PN e INOCULIN* 90.
El equipo MSI 90 fue desarrollado con el fin de añadir inoculante al chorro de metal a medida que éste era vertido en la cubeta de colada, ya que los inventores se percataron de que la inoculación en la cuchara no resultaba efectiva con la nueva tecnología de vertido automático que estaba comenzando a aparecer en las fundiciones de hierro de producción en serie.
Las ventajas del nuevo proceso quedaron captadas en el siguiente eslogan:

«La menor cantidad de inoculante en el último momento»

FOSECO también desarrolló un inoculante nuevo llamado INOCULIN 90, que provoca una potente inoculación y presenta una distribución de tamaño de grano nueva (que proporciona fluidez y solubilidad) y un punto de fusión bajo para garantizar que no existirán inclusiones de inoculante no disuelto.
Durante el período de 30 años transcurrido hasta 2009, FOSECO ha comercializado dos versiones del equipo; inicialmente, se usó el SISTEMA MSI 90 Tipo 4PN (PN neumático) y las fundiciones adquirieron más de 300 sistemas. En 1990, el sistema 4PN fue sustituido por el MSI 90 tipo 68E (electrónico E) y hay otros 250 sistemas de este tipo en uso en las fundiciones.

Necesidades de la fundición en 2009

Actualmente, las fundiciones de hierro están altamente automatizadas, siendo el uso del vertido automático una tecnología estándar.
Las fundiciones se esfuerzan para reducir la variabilidad del proceso y el proceso de inoculación sigue siendo especialmente variable debido a los siguientes factores:
_ Chatarras de acero, la arena y otros materiales básicos no son consistentes, lo que da lugar a una base variable para el hierro
_ Medición y control insuficientes del proceso de planta
_ Pocas fundiciones utilizan la tecnología disponible para medir el estado de nucleación del hierro (análisis térmico) debido al coste de la inversión y a la escasez de recursos técnicos para implementar esta compleja tecnología

_ Los inoculantes (y los nodulizantes), que son materiales fundidos, no son consistentes y gran parte de estos productos se venden con especificaciones que son demasiado amplias
_ El esfuerzo constante para reducir los costes del material ha fomentado el uso de productos más baratos y, por tanto, de peor calidad
_ La variabilidad del tiempo de espera del hierro, que provoca deterioro de la inoculación y variabilidad en la oxidación

_ Variaciones en los análisis químicos

_ Variaciones de la temperatura durante la fusión, la espera y el vertido
_ Muchos añadidos metalúrgicos se realizan con una sencilla base porcentual del peso del lote

_ Variabilidad en la velocidad de vertido del hierro.

Las necesidades de la fundición son:

_ El inoculante apropiado, individualizado para la colada que se está realizando y para la calidad del hierro

_ El añadido adecuado de inoculante

_ El añadido en el momento oportuno

_ El añadido en el lugar preciso.

FOSECO presenta el nuevo MSI+ DC (con Control Dinámico) que satisfará todas estas necesidades.

El sistema MSI+ DC está compuesto por:

_ Unidad de control (figura 1), PC Intel Pentium con monitor de pantalla táctil
_ Equipo de monitorización
_ Registro de datos

_ Caja caliente (figura 2), equipo de dosificación extremadamente reproducible y preciso
_ Ajuste y pesaje del añadido de INOCULIN de acuerdo con el caudal de hierro durante el vertido en correlación con el movimiento del vástago de tapón

_ INOCHECK, cámara digital (figura 3)
_ Comprobación del añadido continuo adecuado de INOCULIN, con precisión, en el chorro de hierro

_ MSI - ITACA, dispositivo para el análisis térmico (figura 4)
_ Comprobación del estado de nucleación del hierro y ajuste preciso del añadido de INOCULIN.

 

El inoculante adecuado

Debido a la gran variedad de coladas realizadas y a que las fundiciones cambian con frecuencia el modelo, resulta fundamental para el equipo de inoculación en el chorro de metal disponer de instalaciones adecuadas para cambios rápidos del inoculante y para la precalibración del equipo con diversos inoculantes; MSI+ DC está calibrado para 5 productos diferentes y dispone de tolvas para cambios rápidos.
Para controlar el coste de la inversión, el MSI+ DC posibilitará que la fundición controle 2 dispensadores (o cajas calientes) en 2 líneas de moldeo independientes desde un panel de control central.

Figura 1 Unidad de control
La gama de inoculantes es muy superior en 2009 de lo que era en 1975, con productos nuevos diseñados para proporcionar mejores prestaciones, por ejemplo, los indicados en la Tabla 1.

Figura 2 Caja caliente

Figura 3 Cámara digital INOCHECK

Figura 4 Dispositivo para el análisis térmico MSI - ITACA

_ INOCULIN 90 _ Buen inoculante de uso general
_ Mejora la forma del grafito
(nodularidad) en el hierro dúctil
_ Elimina los carburos y el endurecimiento superficial en el hierro tanto gris como dúctil
_ INOCULIN 900 _ Clasificación cuidadosa para mejorar la fluidez
_ Más Ba para una inoculación más potente
_ Menos Mn para hierro dúctil ferrítico
_ INOCULIN 920N _ Contiene La
_ Reduce notablemente la tendencia a las microcontracciones al favorecer la solidificación equiaxial
_ Proporciona mayor resistencia en el hierro gris al afinar las virutas de grafito

_ INOCULIN 33 _ Para recuento celular bajo en hierro gris
_ INOCULIN 400 & 440 _ Contiene Bi y tierras raras para proporcionar un número
elevado de nódulos en el hierro dúctil
_ Elimina los carburos en el hierro dúctil

Tabla 1 Gama actual de inoculantes

El añadido preciso de inoculante

El añadido adecuado depende tanto del equipo como de la distribución del tamaño del grano del inoculante.
MSI+ DC permite al operario pesar cada granalla y anotar los datos de cada molde.

El efecto de la distribución del tamaño del grano
La clasificación es fundamental: demasiado grueso provoca partículas sin disolver y demasiado fino da lugar a polvo (menos de 0,2 mm) que puede oxidarse y provocar oquedades térmicas cerca del chorro de hierro. Cuando se utilizan productos baratos mal clasificados, resulta habitual que se pierda de este modo un 10% del inoculante del chorro (figuras 5, 6, 7 y 8).

El efecto de la medida del caudal de metal

El flujo de metal a la cavidad de un molde no es constante; varía desde un inicio masivo, pasando por un ritmo constante al lento declive final. Esto viene determinado por el sistema de alimentación y el cambio de la presión ferrostática a medida que se llena la cavidad del molde. Las fundiciones con vertido automático solventan los inconvenientes del cambio de caudal de dos formas:
_ Una cubeta de colada de gran tamaño en la que se vacía todo el metal y que llena la cavidad a un ritmo definido por un
Figura 5 Una distribución amplia e imprecisa del tamaño del grano da lugar a un añadido de peso variable

Figura 6 Exceso de finos por debajo de 200µ expulsados cerca del chorro de hierro

Figura 7 Una distribución limitada de tamaño de grano proporciona un añadido de peso fiable

Figura 8 Una curva de distribución y clasificación adecuada da lugar a una buena aplicación del chorro de inoculación
La variabilidad de la distribución del tamaño del grano de lote a lote (incluso conforme a la especificación) da lugar a diferentes añadidos de inoculante en la colada.
estrangulador. En este caso, puede aceptarse el añadido de inoculante al chorro a un ritmo constante en la cubeta
_ Ajuste de la apertura del vástago de tapón utilizando una cámara que monitoriza la altura del metal en la taza de colada para mantener lleno el sistema de funcionamiento. Un sistema de llenado automático del molde de este tipo es (UCERAM® 3000) de SERT. En este caso, si el inoculante del chorro se añade a un ritmo constante, algunas partes de la colada quedarán inoculadas excesivamente y otras poco.

Este efecto se muestra de forma esquemática en la Figura 9.

 

Figura 9 Modelo del flujo de inoculante y hierro durante el llenado del molde
En la Figura 9, la línea roja muestra el comportamiento del hierro a la hora de llenar un molde. La línea verde muestra el añadido del inoculante a un ritmo constante, lo que da lugar a una infra-inoculación cuando el caudal de hierro es elevado y una sobre-inoculación cuando se reduce el caudal de hierro, como sucede con todo el equipo de inoculación en el chorro que se ha comercializado hasta hoy en día. La línea azul muestra que el ritmo de añadido del inoculante correcto e ideal se reduce pronto, ya que no es necesario inocular el canal de colada.
El nuevo MSI+ DC cambia el ritmo de añadido de INOCULIN en respuesta al modelo de movimiento del vástago de tapón y logra de este modo un nivel de añadido correcto en relación con el caudal de hierro.

El efecto de un llenado no uniforme del molde

El efecto del añadido constante de inoculante en un molde que se llena de forma no uniforme aparece ilustrado en el siguiente estudio de un caso:

Estudio práctico de un portamanguetas
Esta fundición produce portamanguetas de hierro dúctil ferrítico en estado tosco de fundición. El esquema de la pulverización aparece ilustrado en la Figura 10, con una disposición de 12 coladas para lograr una utilización máxima de la placa de configuración.

Figura 10 Esquema del modelo con 12 coladas
Esta fundición experimenta un problema de distribución no uniforme del silicio que podría afectar al resultado del mecanizado. Un contenido elevado de silicio da lugar a un endurecimiento de la ferrita. La simulación reveló un llenado de molde no uniforme, que aparece indicado en la Figura 11.

Figura 11 Secuencia de simulación de llenado con un vertido del 36%; observe el llenado desigual del molde en cada cavidad
Utilizando una inoculación en el chorro a un ritmo constante, 0,17% en relación con el tiempo de vertido total de 10 segundos conllevaba que, debido a la variación de la velocidad de llenado, la captación de silicio también variaba a la inversa. El caudal mayor (menos inoculante) presentaba el menor volumen de silicio, mientras que el caudal inferior (que recibía la mayor parte del inoculante) mostraba el efecto inverso, es decir, el mayor volumen de silic

El análisis del contenido Si en cada colada del molde mostró los resultados que aparecen indicados en la Tabla 2. El silicio base era el 2,77%, por lo que la captación variaba del 0,07% al 0,17%. Esto representa añadidos de inoculante del 0,11% al 0,26%, con un ritmo de añadido nominal del 0,1%.
N. % silicio % Si en % captación % añadido
colada base colada Si inoculante
101 2,77 2,86 0,09 0,138
102 2,77 2,86 0,09 0,138
103 2,77 2,89 0,12 0,185
104 2,77 292 0,15 0,231
105 2,77 2,94 0,17 0,262
106 2,77 2,88 0,11 0,169
107 2,77 2,85 0,08 0,123
108 2,77 2,84 0,07 0,108
109 2,77 2,88 0,11 0,169
111 2,77 2,86 0,09 0,138
110 2,77 2,90 0,13 0,200
112 2,77 2,91 0,14 0,215
Rango 2,77 2,88 0,11 0,173
promedio 0,108 ­ 0,262

Tabla 2 El llenado no uniforme del molde provoca variabilidad en la inoculación

Estado de nucleación del hierro base;
MSI+ ITACA

El hierro del horno de fusión, después del tratamiento con magnesio y en el horno de colada presenta un estado de nucleación variable debido a:

_ la historia previa de los materiales de carga

_ los diferentes niveles de uso de retornos

_ la variabilidad de la nucleación inherente en la fundición bruta

_ la variabilidad de la calidad de los grafitos de recarburación

_ la variabilidad de los tiempos de espera y las temperaturas (oxidación), etc.

Esto significa que un añadido constante del inoculante da lugar a nivel final variable de la nucleación y, por tanto, a un cambio constante de la metalurgia, por ejemplo, la tendencia a los microrechupes y carburos , el número de nódulos, la nodularidad y el porcentaje ferrita/perlita.
ITACA son las siglas que corresponden a equipo de Análisis Incremental Térmico y Químico (Incremental Thermal And Chemical Analysis). Analiza la curva de enfriamiento y la primera derivada (figura 12) para predecir la tendencia a los defectos, por ejemplo, la contracción y la formación de cementita. Define el CEV real en el diagrama del hierro al carbono y define el factor de inoculación.

Tan pronto como aparece el chorro de hierro, el sistema analiza las imágenes que detecta y cuantifica la presencia de granos de inoculante visibles en el chorro de hierro (figura 14).
El sistema valora la distribución media izquierda y derecha (patente SERT*) e indica con rapidez todas las desviaciones observadas (figura 15).

Figura 12 Curvas de enfriamiento y primeras derivadas
Estos datos se utilizan para ajustar el valor predeterminado
del suministro de INOCULIN MSI+ para compensar la
variabilidad del hierro base. El sistema MSI-ITACA se utiliza exclusivamente con el sistema FOSECO MSI+ DC.

Añadido de INOCULIN en el momento preciso

En el MSI+ DC, se añade INOCULIN en el momento oportuno mediante un sistema de temporizadores y controladores.

Uno de los factores clave para obtener una buena inoculación tardía en el chorro de metal radica en comprobar que el flujo de INOCULIN está sincronizado de forma fiable con el primer chorro de hierro y en compensar el tiempo necesario para que el INOCULIN fluya a lo largo del tubo hasta alcanzar el primer metal colado.

El flujo de INOCULIN puede iniciarse pronto, antes de poner en marcha el movimiento del vástago de tapón.

El flujo de INOCULIN puede terminarse utilizando un temporizador y mediante conexión al movimiento del vástago de tapón (modelo de llenado de molde) con el fin de evitar inocular canales y bebederos, controlando de este modo el coste de la inoculación.

Añadido de INOCULIN en el lugar preciso

Una desventaja del proceso de inoculación en el chorro de metal era la dificultad para monitorizar la presencia efectiva de INOCULIN en el chorro de hierro durante el vertido en todos los moldes. Ahora, con MSI+ DC existe la siguiente solución:

_ el equipo INOCHECK verifica la inyección continua de INOCULIN, en cantidad suficiente, en el chorro de hierro mientras se vierte en el molde

_ INOCHECK analiza las imágenes emitidas por una cámara digital situada en el plano vertical formado por el chorro de hierro y el extremo del tubo que suministra INOCULIN (figura 13).

12

Figura 13 Cámara INOCHECK situada en el plano vertical formado por el chorro de hierro y el extremo del tubo que suministra INOCULIN

Figura 14 Tan pronto como aparece el chorro de hierro, el sistema analiza las imágenes para detectar la presencia de granos de inoculante. El chorro de hierro y el inoculante están bien alineados

Figura 15 El sistema valora la distribución media izquierda y derecha de INOCULIN (patente SERT) y notifica rápidamente cualquier desviación observada. Aquí se puede observar una desalineación derecha

Para garantizar una trazabilidad perfecta, el equipo INOCHECK guarda las imágenes de todas las operaciones de colada. Los datos pueden clasificarse fácilmente por categoría y visualizarse por motivos de calidad utilizando el software INOVIEW. En caso de problemas metalúrgicos, el sistema garantiza la calidad de la inoculación tardía de cada colada.

Por tanto, el equipo INOCHECK posibilita:

_ La verificación de la presencia efectiva en cantidad suficiente de inoculante en cada colada
_ El operario garantiza que el inoculante está sincronizado temporalmente con el chorro de hierro (presencia de inoculante desde el inicio de la colada)

_ El operario comprueba que se inyecta la cantidad deseada de inoculante en el chorro de hierro (verificando cualquier desalineación entre el chorro de hierro y el chorro de inoculante).

Conclusión

La mejor práctica de inoculación afirma que el eslogan «La menor cantidad en el último momento» lanzado hace 30 años continúa siendo válido hoy en día.
En 2007, el añadido de «Control dinámico» y «Grabado» ha minimizado los costes de la inoculación, optimizado la eficiencia y aumentado la solidez del proceso.
El uso del equipo MSI+ DC permite controlar los siguientes elementos:
_ Potencial de nucleación del hierro base

_ Ritmo de vertido del hierro

_ Peso de INOCULIN para cada molde

_ Inyección de INOCULIN en el chorro de hierro

_ Selección del inoculante adecuado, individualizado para la colada que se está realizando y para la calidad del hierro
_ El añadido preciso de inoculante
_ Control del momento de añadido

_ Posicionamiento del añadido.

UCERAM® Unité de Contrôle Expert de Remplissage Automatique de Moule

COMENTARIO
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Instrumentos de control y medición. Reguladores. Refractarios. Moldes. Productos para fundición inyectada.
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