Un método para reducir la oxidación de metal fundido, comprendiendo el método:

(a) formar metal fundido dentro de un contenedor (100) que comprende: una pared de fondo (105), una pared lateral (110), y una apertura (115), teniendo el metal fundido (300) una superficie expuesta que define un área de superficie; (b) generar un criógeno inerte bifásico que comprende un componente de flujo liquido (500A) y un componente de flujo en estado de vapor (500B); (c) suministrar todo el criógeno inerte bifásico hacia el metal fundido por medio de un sistema de suministro de criógeno inerte bifásico (200), de modo que se dirige el componente de flujo liquido (500A) en contacto con el metal fundido (300) para generar un volumen gaseoso de expansión (600) que tiene una velocidad de expansión; y (d) el componente de flujo en estado de vapor se dirige de forma descendente en el contenedor (100) hacia el gas de expansión (600), caracterizado porque: - la etapa (c) comprende dirigir el componente de flujo liquido (500A) próximo a la pared lateral (110) de modo que el componente de flujo liquido (500A) esté en contacto con el metal fundido (300) en un punto próximo a la pared lateral (110), y - la etapa (d) comprende dirigir el componente de flujo en estado de vapor (500B) de forma descendente en el contenedor (100) de modo que inhiba la velocidad de expansión del volumen gaseoso (600).

Antecedentes

Campo

Esta invención se refiere a la minimización de la contaminación de metal fundido durante el procesamiento.

Técnica relacionada

En la industria de fundición de metales, los metales (ferrosos o no ferrosos) se funden en un horno, y después se vierten en moldes para solidificarse en piezas fundidas. En las operaciones de fusión en fundición, los metales se funden habitualmente en hornos de inducción eléctricos. A menudo es ventajoso fundir y transportar los metales sin exposición al aire atmosférico para minimizar la oxidación del metal (incluyendo sus componentes de aleación), que no sólo incrementa el rendimiento y la eficacia para recuperar la aleación, sino que también reduce la formación de óxidos metálicos, lo que puede provocar defectos en la fundición (inclusiones), reduciendo la calidad del producto terminado. Además, el metal fundido tiene una tendencia a absorber gases (principalmente oxígeno e hidrógeno) de la atmósfera (aire ambiente), lo que provoca defectos en la fundición relacionados con gases, tales como la porosidad.

Se utilizan diversos procesos para impedir la exposición del metal al aire atmosférico, incluyendo el tratamiento a vacío y la inertización con un gas o un líquido. En el tratamiento a vacío, una cámara de horno a prueba de fluidos se evacua a vacío sustancialmente de todo el oxígeno ambiente antes de calentar el metal. Sin embargo, este proceso requiere un horno de vacío especial y generalmente sólo es adecuado para pequeños procesos por lotes. Además, el uso de un horno de vacío también da como resultado la necesidad de un periodo de enfriamiento sustancialmente largo, lo que disminuye la productividad de la planta.

Con la inserción de gas, se inyecta un flujo continuo de gas inerte en la cámara del horno. Esto crea una capa de gas inerte que purga el oxígeno ambiente de la cámara, así como previene que el aire ambiente entre en la cámara. Sin embargo, este proceso requiere que se use un volumen de gas extraordinariamente grande durante el proceso, incluso con una cámara sustancialmente a prueba de fluidos. Además, el proceso no consigue mantener la concentración de oxígeno residual lo suficientemente baja para impedir la formación de una capa de óxido en la mayoría de los productos de metal. Las corrientes ascendentes térmicas calientes de dentro del horno caliente están empujando continuamente el gas inerte frío entrante hacia arriba y lejos de la superficie del metal. Por tanto, mientras los gases y el aire caliente se elevan, la corriente inducida mueve continuamente aire frío fresco hacia el horno. El gas inerte inyectado también incorporará aire ambiente junto con él mientras se inyecta en el horno. Debido a estos efectos, es difícil, si no imposible, para las técnicas de inertización de gas proporcionar una verdadera atmósfera inerte (0% de O2) directamente a la superficie del metal. Till, K; La sorda, T y Kline, M, "The induction melting of stainless steel under the protection of liquid Argon for Powder Metal Manufacture", Metal Powder Industries Federation 1994, da a conocer el proceso SPAL en el que se suministra criógeno a un horno de inducción a través de mangueras en una lanza y en último lugar a través de un difusor 30455 de sinterizado. Este sistema es similar al dado a conocer en el documento US 4 990 183.

Con una inertización de líquidos, un criógeno líquido (normalmente N2 o Ar) cubre toda la superficie expuesta del metal (es decir, metal sólido caliente o metal fundido). Puesto que el criógeno líquido tiene mayor densidad que su fase gas y que el aire, es mucho menos probable que se empuje hacia arriba y lejos de la superficie fundida por las corrientes ascendentes térmicas. Después de poner en contacto la superficie del metal, dentro de un corto periodo de tiempo, el líquido se vaporiza en un gas. Mientras el criógeno hierve de líquido a gas, se expande volumétricamente en un factor de aproximadamente 600 - 900 veces mientras aumenta. Como resultado, la expansión empuja el aire ambiente lejos de la superficie del metal, inhibiendo la oxidación. Un inconveniente de la inertización de líquidos es la dificultad de suministrar eficazmente el criógeno líquido al interior del horno en un estado líquido. El gas licuado es extremadamente frío. En el depósito de almacenamiento y en los conductos de distribución, el gas inerte líquido está continuamente absorbiendo calor del entorno, hirviendo parte del líquido a vapor dentro del depósito de almacenamiento y de los conductos de distribución. Este vapor se debe ventilar antes de que el líquido se inyecte en la cámara, de otro modo, se produce burbujeo e inestabilidad del flujo (provocado por la tendencia del gas a chocar con el flujo de líquido en las tuberías de suministro). Como resultado, se pierde una parte significativa del criógeno suministrado debido a la ebullición.

Por tanto, aún existe la necesidad en la técnica de lograr concentraciones de oxígeno residual bajas a través de un proceso de purga sin perder volúmenes sustanciales de gases inertes.

Sumario

En el presente documento se describen sistemas y métodos correspondientes que proporcionan una capa inerte eficaz sobre una superficie de metal en un contenedor tal como un horno de inducción, una artesa, etc. El sistema incluye un contenedor de metal (por ejemplo, metal sólido (carga) caliente o metal fundido) y un sistema configurado para suministrar criógeno inerte bifásico hacia el metal. El sistema de suministro puede incluir una lanza dispuesta próxima a la parte superior del contenedor. La lanza incluye una cubierta que dirige tanto un flujo de criógeno líquido como un flujo de criógeno en estado de vapor hacia la superficie del metal. El criógeno líquido viaja a la superficie del metal, donde se vaporiza para generar un volumen de gas de expansión. El criógeno en estado de vapor, además, se dirige de forma descendente, hacia el gas de expansión. El criógeno en estado de vapor refuerza el gas de expansión, ralentizando su velocidad de expansión para mantener el gas de expansión sobre la superficie del metal. Por tanto, el líquido y el gas en estado de vapor actúan en tándem para inhibir la oxidación del metal.

El sistema puede incluir una serie de diferentes características, incluyendo una cualquiera o una combinación de las siguientes características:

un recipiente abierto para contener el metal fundido, incluyendo el recipiente una pared de fondo, una pared lateral, y una apertura;

una fuente de criógeno inerte, incluyendo el criógeno inerte un componente de flujo líquido y un componente de flujo en estado de vapor;

un sistema de suministro dispuesto próximo a la apertura, comprendiendo el sistema de suministro (1) una lanza que incluye una entrada y una salida, la entrada conectada a la fuerte de criógeno inerte y/o (2) una cubierta acoplada al extremo de salida de la lanza, en el que la cubierta dirige los componentes del criógeno inerte hacia el metal fundido;

una cubierta configurada para dirigir el componente líquido del criógeno inerte hacia la pared del fondo del recipiente de modo que el componente líquido contrae el metal fundido para formar un volumen de gas de expansión que tiene una velocidad de expansión;

una cubierta configurada además para dirigir el componente en estado de vapor hacia el metal fundido para inhibir la velocidad de expansión del volumen de gas de expansión;

una cubierta que tiene un alojamiento curvado con una entrada y una salida situada corriente abajo desde la entrada;

una cubierta posicionada de modo que la salida de la cubierta sea generalmente coplanar con o esté por debajo de la apertura del recipiente;

un sistema de suministro que puede funcionar para generar un caudal de criógeno inerte en el intervalo de aproximadamente 0,002 lb/pulgadas2 (0,14 g/cm2) a aproximadamente 0,005 lb/pulgada2 (0,35 g/cm2), basado en el área de superficie del metal fundido;

difusor que puede funcionar para separar el componente de flujo líquido del componente de flujo en estado de vapor; y

una cubierta que tiene un grado de curvatura de aproximadamente 0º a aproximadamente 90º.

En el presente documento también se describe un método para proporcionar una capa de vapor sobre un material procesado dentro de un contenedor. El método puede incluir una serie de diferentes características, incluyendo una cualquiera o una combinación de las siguientes... [Seguir leyendo]

1. Un método para reducir la oxidación de metal fundido, comprendiendo el método: (a) formar metal fundido dentro de un contenedor (100) que comprende: una pared de fondo (105), una pared lateral (110), y una apertura (115), teniendo el metal fundido (300) una superficie expuesta que define un área de superficie; (b) generar un criógeno inerte bifásico que comprende un componente de flujo liquido (500A) y un componente de flujo en estado de vapor (500B); (c) suministrar todo el criógeno inerte bifásico hacia el metal fundido por medio de un sistema de suministro de criógeno inerte bifásico (200), de modo que se dirige el componente de flujo liquido (500A) en contacto con el metal fundido (300) para generar un volumen gaseoso de expansión (600) que tiene una velocidad de expansión; y

(d) el componente de flujo en estado de vapor se dirige de forma descendente en el contenedor (100) hacia el gas de expansión (600), caracterizado porque:

- la etapa (c) comprende dirigir el componente de flujo liquido (500A) próximo a la pared lateral (110) de modo que el componente de flujo liquido (500A) esté en contacto con el metal fundido (300) en un punto próximo a la pared lateral (110), y

- la etapa (d) comprende dirigir el componente de flujo en estado de vapor (500B) de forma descendente en el contenedor (100) de modo que inhiba la velocidad de expansión del volumen gaseoso (600).

2. El método de la reivindicación 1, que comprende dirigir un flujo de criógeno inerte bifásico a un caudal eficaz para generar el volumen gaseoso de expansión que es sustancialmente coextensivo con la superficie expuesta al metal fundido.

3. El método de la reivindicación 2, en el que el caudal está en el intervalo de aproximadamente 0,14 g/cm2 (0,002 Ib/pulgada2) a aproximadamente 0,35 g/cm2 (0,005 Ib/pulgada2), basado en el área de superficie del metal fundido.

4. El método de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que el metal fundido posee una forma generalmente meniscoide con una parte de menisco central elevada (310) y una parte de menisco de borde inferior (320), y la etapa (c) comprende la etapa de (c.1) dirigir el componente de flujo liquido (500A) en contacto con la parte meniscoide inferior (320).

5. El método de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que el caudal del criógeno inerte se mantiene de modo que el flujo de líquido está localizado dentro de un área más pequeña que la superficie expuesta de metal fundido.

6. El método de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que la etapa (b), generar el criógeno inerte bifásico, comprende la etapa (b.1) dirigir un criógeno inerte líquido desde una fuente (400) a través de un difusor

(220) para separar el componente de flujo liquido (500A) del componente de flujo en estado de vapor (500B).

7. Un sistema de calentamiento (10) que comprende: un recipiente abierto (100) para contener metal fundido (300), incluyendo el recipiente (100) una pared de fondo (105), un pared lateral (110), y una apertura (115); una fuente de criógeno inerte (400), incluyendo el criógeno inerte un componente de flujo liquido (500A) y un componente de flujo en estado de vapor (500B); un sistema de suministro de criógeno inerte bifásico (200) dispuesto próximo a la apertura (115), comprendiendo el sistema de suministro de criógeno inerte bifásico (200): una lanza (210) que incluye una entrada y una salida, estando conectada la entrada a la fuente de criógeno inerte (400); un medio para recibir todo el criógeno inerte desde la lanza (210) y para dirigir el componente de flujo liquido (500A) del criógeno inerte hacia la pared de fondo (105) del recipiente (100) de modo que el componente liquido (500A) esté en contacto con el metal fundido (300) para formar un volumen de gas de expansión (600) que tiene una velocidad de expansión, en el que el medio para recibir el criógeno inerte está configurado además para dirigir el componente de flujo en estado de vapor (500B) de forma descendente hacia el metal fundido (300) y el gas de expansión (600), caracterizado porque:

- el medio para recibir el criógeno inerte está adaptado para inyectar el componente de flujo liquido (500A) próximo a la pared lateral (110) del recipiente (100) de modo que el componente de flujo liquido (500A) está en contacto con el metal fundido (300) en un punto próximo a la pared lateral (110).

8. Un sistema de calentamiento (10) de acuerdo con la reivindicación 7, en el que el medio para recibir el criógeno inerte comprende una cubierta (230) acoplada al exterior de la lanza (210), en el que la cubierta (230) dirige los componentes de flujo (500A, 500B) del criógeno inerte hacia el metal fundido (300), en el que la cubierta (230) está configurada para dirigir el componente de flujo líquido (500A) del criógeno inerte hacia la pared de fondo (105) del recipiente (100) de modo que el componente de flujo liquido (500A) esté en contacto con el metal fundido (300) para formar un volumen de gas de expansión (600) que tiene una velocidad de expansión, y en el que la cubierta (230) está configurada además para dirigir el componente de flujo en estado de vapor (500B) hacia el metal fundido (300) para inhibir la velocidad de expansión del volumen de gas de expansión (600).

9. El sistema de calentamiento (10) de la reivindicación 8, en el que la cubierta (230) comprende un alojamiento

curvado que incluye una entrada y una salida situadas corriente abajo desde la entrada.

10. El sistema de calentamiento (10) de la reivindicación 8 ó 9, en el que la cubierta (230) comprende una salida

orientada de modo que sea generalmente coplanar con la apertura del recipiente u orientada dentro del recipiente en 5 un punto ligeramente por debajo de la apertura del recipiente.

11. El sistema de calentamiento (10) de una cualquiera de las reivindicaciones 8 a 10, en el que el sistema de suministro de criógeno inerte bifásico (200) comprende además un difusor dispuesto en la salida de la lanza (210) y alojado dentro de la cubierta (230), el difusor (220) que puede funcionar para separar el componente de flujo líquido

10 (500A) del componente de flujo en estado de vapor (500B).

12. El sistema de calentamiento de una cualquiera de las reivindicaciones 7 a 10, en el que el sistema de suministro de criógeno inerte bifásico (200) puede funcionar para generar un caudal de criógeno inerte en el intervalo de aproximadamente 0,14 g/cm2 (0,002 Ib/pulgada2) a aproximadamente 0,35 g/cm2 (0,005 Ib/pulgada2), basado en el

15 área de superficie del metal fundido (300).