Influència dels paràmetres de procés sobre la formació d’escòria i dels defectes de contracció en les foses de ferro amb grafit esferoïdal
- Autores: Anna Regordosa Romagosa
- Directores de la Tesis: Núria Llorca i Isern (dir. tes.)
- Lectura: En la Universitat de Barcelona ( España ) en 2017
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Pedro Inchausti Aguirre (presid.), Antoni Roca Vallmajor (secret.), Manuel de Jesús Castro Román (voc.)
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: TDX
- Resumen
Aquesta tesi s’ha dividit en dos blocs principals, el primer bloc tracta de la formació d’escòria durant la producció de les foses amb grafit esferoïdal i el segon bloc de la influència dels paràmetres del procés sobre la formació dels defectes de contracció. En la primera part, dedicada a l’estudi de la formació d’escòria, s’ha analitzat la composició de la mateixa amb FRX, les fases presents amb DRX i s’han inspeccionat les mostres mitjançant SEM i microanàlisi EDS. S’ha comparat l’anàlisi de l’escòria amb les inclusions trobades en les peces produïdes amb fosa nodular i amb els nuclis dels nòduls.
S’ha trobat que l’escòria formada en la fosa dels forns d’inducció, conté molta quantitat de fase amorfa, l’òxid majoritari trobat en aquesta escòria és SiO2 en forma de quars i cristobalita. No s’han trobat diferències significatives entre les mostres d’escòria extretes just en acabar de fondre les càrregues metàl•liques i les extretes després de deixar les mostres en contacte amb l’aire durant 45 minuts. Sí que s’han trobat diferències en l’escòria formada depenent de la càrrega metàl•lica utilitzada, després de fondre les càrregues metàl•liques basades en acer, les foses mostren el contingut més alt en zinc i alumini i les mostres d’escòria corresponents, són les úniques en que es detecta la fase cristallina ZnAl2O4, gahnita. En el cas de l’escòria formada després de fondre les càrregues basades en retorns de la foneria, els continguts de zinc i alumini són baixos mentre que el contingut dels elements involucrats en la producció de FGE (Mg, Ce i La) és comparativament elevat. Les anàlisis de DRX fetes en aquestes mostres revela l’existència de quantitats minoritàries de silicats que contenen aquests elements específics a més a més de la fase SiO2.
S’ha pogut identificar l’escòria adherida al revestiment dels forns d’inducció com MgAl2O4 (espinel•la) formada per la reacció entre els òxids Al2O3 i MgO. S’ha comprovat que aquesta escòria és molt agressiva i es forma majoritàriament quan s’utilitzen càrregues metàl•liques riques en acer durant la fusió i per tant, s’ha demostrat el rol crític de l’alumini en la formació d’aquestes escòries que s’adhereixen al revestiment. Amb aquest coneixement s’ha pogut minimitzar l’adhesió d’escòria en el revestiment dels forns d’inducció, reduint les fonts d’alumini en les matèries primeres i els additius utilitzats i mantenint un balanç favorable entre els òxids involucrats durant la fusió.
Després del tractament amb magnesi, l’escòria formada segueix tenint com un dels òxids majoritaris SiO2, majoritàriament en forma de quars, tot i que, també s’han detectat espinel•la MgAl2O4 i forsterita (Mg,Fe)2SiO4 com a fases cristal•lines majoritàries en aquestes mostres. Al mantenir exposada a l’aire una fosa tractada amb magnesi, la formació de la fase quars, decreix progressivament i el silici es centra en formar part de diferents silicats. Contràriament, la quantitat d’espinel•la, d’altres silicats amb magnesi i de períclasi (MgO) augmenta degut a la oxidació del magnesi i de les terres rares.
En l’escòria del forn de colada trobem com a òxids majoritaris, els òxids de silici i magnesi, que combinats entre ells formen la fase cristallina majoritària detectada en aquesta escòria, la forsterita, altres fases amb zinc (silicats, aluminats i ZnO) també estan presents degut a la quantitat de zinc que s’acumula freqüentment en la cavitat pressuritzada dels forns de colada.
En el revestiment dels forns de colada es troba adherida escòria de composició significativament diferent depenent de la zona d’extracció i de la freqüència de neteja, les mostres extretes de la paret interna del forn, estan majoritàriament formades per períclasi, sulfur de magnesi, sulfur de ceri (Ce2,664S4) i quantitats minoritàries d’altres fases com compostos amb lantani i sulfur de calci (CaS).
Les inclusions d’escòria que s’han trobat en les peces produïdes amb fosa nodular són de dos tipus, partícules amb una forma massiva i partícules amb forma filamentosa, aquestes últimes conegudes com “dross”. Els dos tipus d’inclusions, tenen com a elements més importants el magnesi, el silici i l’oxigen, igual que la fase majoritària que s’ha trobat formant part de l’escòria del forn de colada, la forsterita. En les inclusions més massives, s’han trobat grans de sorra o de restes d’inoculant fet que sembla confirmar que aquest tipus d’escòria s’ha format fora del motlle. En el cas del dross, el seu origen sembla ser la oxidació del magnesi i del silici degut a turbulències durant la colada.
També s’han de remarcar les similituds en les composicions de les inclusions d’escòria trobades en les peces i la composició dels nuclis de grafit, molts d’aquests òxids que conformen l’escòria, després de formar-se poden actuar com a punt de nucleació pel grafit o es poden agregar formant l’escòria que es troba reclosa en les peces.
El segon bloc de la tesi s’ha dedicat a l’estudi de la formació dels defectes de contracció. S’han fet una sèrie d’experiments amb dues peces test inserides en la part de baix d’una placa model, recopilant totes les dades del procés susceptibles de tenir influència en la formació dels defectes de contracció. Les peces s’han tallat per la zona de la partició per avaluar l’àrea afectada pels defectes de contracció També s’han inspeccionat per FE-SEM els diferents tipus de defectes de contracció observats.
S’ha observat que les mostres produïdes amb les foses hipoeutèctiques no inoculades són les que presenten els defectes de contracció més grans i oberts a l’exterior, com cavitats i tibats i també mostren defectes de contracció interns com les macroporositats i les microporositats. Les superfícies internes de les microporositats examinades estan plenes de dendrites amb dipòsits de grafit i arrugues produïdes per la contracció extrema entre els braços de les dendrites. Al inocular, les mostres hipoeutèctiques resultants, ja no presenten les microporositats, però segueixen tenint cavitats obertes a l’exterior amb superfícies internes llises i també s’han detectat tibats de paret i un gran nombre de macroporositats. S’han pogut observar dos tipus de morfologia en les macroporositats, unes amb dendrites cobertes per una capa de grafit i d’altres que contenen dendrites arrodonides i nòduls de grafit agregats sense capa de grafit.
Al augmentar la quantitat de carboni en la fosa s’han eliminat els defectes de contracció oberts a l’exterior tipus cavitat, per tant, en les foses hipereutèctiques no inoculades, s’han trobat tibats de paret, microporositats i macroporositats. Tant les superfícies internes de les microporositats com de les macroporositats mostren dendrites cobertes per una capa continua de grafit, tot i que les dendrites trobades en les microporositats són més nombroses i punxegudes. En les foses hipereutèctiques inoculades només s’han detectat macroporositats amb una superfície interna llisa però irregular i amb una capa continua de grafit relacionada amb un contingut de carboni elevat en l’últim líquid en solidificar.
L’àrea afectada pels defectes de contracció i les dades dels diferents paràmetres del procés, s’ha analitzat pel Mètode de Pearson, no s’ha trobat que la sorra o els paràmetres d’emmotllament tinguin gaire influència en la mida dels defectes de contracció pel tipus d’emmotllament utilitzat i per les peces estudiades.
Com ja s’ha mencionat, s’ha trobat que les peces produïdes amb una composició hipereutèctica mostren uns defectes de contracció més petits que les hipoeutèctiques. Tot i que a partir d’un carboni equivalent determinat, s’observa un augment de la mida dels defectes de contracció sobretot en les peces sobreinoculades. També s’ha pogut observar que la inoculació en un nivell òptim també redueix la mida dels defectes de contracció, tot i que el contingut de carboni equivalent ha demostrat tenir un efecte més potent en la reducció de la mida dels defectes de contracció que la inoculació.
S’ha demostrat una forta relació dels paràmetres l’anàlisi tèrmica amb la mida dels defectes de contracció, per exemple, al augmentar la temperatura de liquidus augmenta la mida dels defectes de contracció, sent l’interval més adient 1145 a 1155oC, que coincideix amb un carboni equivalent entre 4.35 i 4.50 % en pes, que s’ha demostrat que és el més adient per minimitzar els defectes de contracció en peces correctament inoculades (0.1% d’inoculació).
En relació amb la temperatura eutèctica mínima també té una gran dependència tant amb el carboni equivalent com amb el nombre de nòduls i la mida dels defectes de contracció. Existeix un interval ideal de temperatura eutèctica mínima entre 1140 i 1150oC.
Altres paràmetres importants del procés com la temperatura de colada, tot i no tenir un gran efecte, s’ha pogut observar, que al augmentar la temperatura de colada augmenta lleugerament la mida dels defectes de contracció.
S’ha obtingut una equació amb els coeficients de correlació de Pearson, per cada tipus de peça test. Per fer-ho s’han utilitzat els paràmetres amb millor coeficient de correlació de Pearson que es poden avaluar abans de la colada de les peces. S’ha avaluat l’eficàcia de les equacions, que no ha sigut gaire satisfactori degut al comportament no lineal de les variables. S’han utilitzat les mateixes variables per elaborar els arbres de decisió i les xarxes bayesianes per les dues peces test, aconseguint un millor resultat amb les xarxes bayesianes de la peça T. Per tant, s’ha desenvolupat un mètode per predir els defectes de contracció en peces produïdes amb foses de ferro amb grafit esferoïdal, que es pot implantar en les zones de producció i que és capaç de predir en un 90% dels casos abans de produir les peces, quan tindran un defecte de contracció inferior a 10 mm2.
