Concepciones básicas sobre matrices y escorias de fundentes para soldadura automática sumergida bajo arco eléctrico

1. Introducción

Para obtener y desarrollar las partes que conforman un fundente, sea éste fundido o aglomerado, se parte de concepciones básicas del comportamiento físico, químico y termodinámico de los componentes que las constituyen en las condiciones energéticas del arco eléctrico. El primer paso estratégico consiste en seleccionar las zonas de los sistemas termodinámicos de óxidos u óxidos-sales [1,2] que más se correspondan a las potencialidades, que brinda, en primer orden, la composición química global del conjunto de las materias primas (rocas, minerales, concentrados minerales, residuales industriales, etc.) disponibles en el país, que más se adecuen a los propósitos operacionales y metalúrgicos de los consumibles [3]. El sistema de óxidos primario de la matriz elegido (en nuestro caso > 70 % de la composición química total)1 debe enmarcarse lo más próximo posible a las características metalúrgicas (índice de basicidad (IB), actividad química (Aq)), térmicas (temperatura de fusión (Tf), calor específico (cp), conductibilidad térmica (?), velocidad de solidificación, etc.) y propiedades físicas (viscosidad (?), tensión superficial (?), conductibilidad eléctrica (?), permeabilidad gaseosa, etc.) de determinadas zonas de los diagramas de fases binarios, ternarios o cuaternarios para así poder diseñar con cierta certidumbre el comportamiento metalúrgico y tecnológico de las matrices y de sus escorias resultantes. Estas zonas de los diagramas elegidas deben presentar, como indispensables requisitos térmicos y físicos, una temperatura de fusión entre 1 250 y 1 400 oC, una viscosidad (?) entre 0,2 y 0,5 Pa·s y una tensión superficial (?) entre 0.3 y 0.45 J/m2 para ese rango de temperatura [4-6]. Con vistas a alcanzar sólo los dos primeros requisitos en un amplio diapasón de composición química hay que añadirle, indispensablemente, a los tipos de sistema de óxidos alumosilicáticos, antes señalados, una sustancia (CaF2, la más frecuente) que actúe como modificador o regulador de la temperatura de fusión y de la viscosidad y sea, a la vez, compatible con las funciones metalúrgicas y operacionales requeridas para la matriz (escoria) durante el proceso SAW, aunque su componente aniónico en estado gaseoso interfiera en la estabilidad del arco, disyuntiva que hay que balancear.

2. Sistemas de óxidos

Durante los procesos de soldadura por arco eléctrico, el establecimiento del equilibrio termodinámico en la interacción metal de aporte líquido (cordón) y la matriz fundida (escoria) es un hecho indiscutible, pero su diagnóstico cuantitativo está limitado debido a los rápidos cambios de la temperatura y a las grandes diferencias de las velocidades de las reacciones entre las diferentes fases y estados de agregación durante la evaporización, fusión o solidificación: gas-líquido-sólido o viceversa.

Al principio de la década de los treinta del siglo pasado se argumentaba que el alcance de la ley de la acción de las masas en la soldadura por arco eléctrico podía servir sólo para definir la ocurrencia de las reacciones [5-7]. En trabajos posteriores se postulaba que se podría alcanzar un cierto grado de definición cuantitativa sobre la base del establecimiento del equilibrio químico durante la soldadura por arco eléctrico [7-9]. Numerosos datos experimentales referidos al estado sólido y líquido del metal del cordón y de la propia escoria han servido de base para perfeccionar las concepciones actuales de los cálculos termodinámicos [10-14] . Con la profundización teórica a tenor de los avances científico-técnicos alrededor de estas investigaciones se acumulaba un acervo de conocimientos que indicaba una tendencia a establecer un aceptable nivel diagnóstico sobre el equilibrio químico entre las fases del cordón y las de la escoria correspondiente a una u otra alta temperatura. Estos avances se sustentaban con el argumento de que los fenómenos superficiales, en la gota y en el baño a altas temperaturas, presentaban una importancia singular y preponderante en la soldadura por arco eléctrico (SPA) y que se incrementaban debido a la agitación mecánica que provocaba las gotas al caer sobre el baño, las fuerzas de los campos electromagnéticos y la convección termocapilar (efecto Marangoni) [10, 14, 15]. La interacción entre el metal y la escoria y entre estos y los compuestos gaseosos ocurre intensamente en las superficies de las interfases de las gotas y del baño de soldadura, por tanto, a pesar de la relativa brevedad del proceso de soldadura, es factible que el equilibrio termodinámico se establezca en estas superficies de interacción [12]. A partir del desarrollo de las concepciones termodinámicas se presenta la posibilidad de diagnosticar los fenómenos dentro de los volúmenes donde se extienden las reacciones entre las interfases.

La deficiencia más recurrente en los trabajos publicados estaba relacionada con la ausencia de criterios para establecer la cantidad de fases presentes en la escoria al principio y al final del proceso de soldadura; así se limitaba solamente a obtener la composición química de las fases pero no a cuantificarlas.

Por esta razón determinar las cantidades de alambre y fundente consumidos, así como también la caracterización química y fásica de la escoria y del metal del cordón obtenidos durante la soldadura, es una premisa importante para establecer la magnitud del a lcance del equilibrio dentro de los volúmenes donde ocurren las reacciones entre las fases y, además, establecer la actividad química de los componentes de la escoria y del metal a partir del estado estándar de referencia que brinda el comportamiento termodinámico de los compuestos puros.

Entre los parámetros termodinámicos de la metalurgia de soldadura, la temperatura del baño presenta un significado primordial, por lo que se pretendió establecer el concepto de temperatura promedio o efectiva del baño de soldadura. Esta temperatura del baño metálico con composición de un acero de bajo contenido de carbono (< 0,2 %) debe enmarcase, como principio, entre las dos temperaturas características más altas del hierro puro: la temperatura de fusión Tf(Fe) = 1 802 K (1 539 ºC) y la de ebullición Teb(Fe) = 3 003 K (2 730 ºC) [13, 16, 17].

Otro rasgo a tener en consideración es que la velocidad de calentamiento de este tipo de acero provocado por el arco en movimiento sobrepasa en mucho los 2 000 K por segundo [11, 14, 15]. Al alcanzar el metal del baño de soldadura como promedio la temperatura del metal líquido a los 2 273 K, ésta se mantiene prácticamente constante durante fracciones de segundo y en la transición de líquido a sólido por unos escasos segundos [14, 16, 18]. En el caso de las mediciones directas de la temperatura del baño de aceros de bajo contenido de carbono, estas se hayan relacionadas con las temperaturas de fusión y el comportamiento lineal de la fuerza electroautomotriz (FEM) de los metales de los termopares empleados: 1- platino-platino rodio, 2-volframio-rodio, entre otros. A partir del conjunto de mediciones directas de la temperatura del baño de soldadura, según a la composición química de aceros de bajo contenido de carbón, surgen valores de temperaturas relacionados con dos zonas del baño: una estrecha de 3 300 K (sobre calentamiento) para las altas temperaturas ubicadas en el centro del baño y otra de 1973 hasta 2 073 K para bajas temperaturas cercanas a los bordes del baño. La temperatura efectiva en el metal del baño se enmarca en el rango entre 2 273 K y 1 973K (?T = 300 K) y se encuentra distribuida en una estrecha franja cerca del límite del metal líquido, por lo que puede esperarse, debido al enfriamiento rápido del metal, que la composición química y fásica del metal sea cercana a la del equilibrio correspondiente a 2 273 K (2 000 ºC) [2, 5, 8].

Otras investigaciones se han dirigido a determinar indirectamente la temperatura del baño de soldadura, basándose en los cálculos termodinámicos de varias reacciones, por ejemplo:

SiO2(esc) = Si(metal) + 2O(met) (1.1),

Así se llega a un consenso de que la temperatura efectiva más probable y que brinda un amplio rango de buenos resultados se encuentra alrededor de (2 150 ± 100) K.

Todas las variaciones de la composición química de las fases que interaccionan durante el arco tienden al establecimiento del equilibrio químico en mayor o menor medida, en el sentido de que el estado de equilibrio químico de las reacciones químicas no significa un estado estático, sino que se encuentra en constante intercambio y transformación de unos compuestos (A, B) en otros (G, H) y viceversa en función de la temperatura.

aA + bB = gG + hH (1.2).

La cuantificación de este estado de equilibrio de incesante transformación se expresa por la constante de equilibrio (K), que es función de las actividades químicas (ai) (concentración efectiva) de los componentes que intervienen en la reacción y se expresa por:

Esta teoría, en lo fundamental, da satisfactorios resultados, pero existen evidencias considerablemente fehacientes de que las fracciones molares (Ni) o porcentuales de las sustancias no reflejan la concentraciones activas verdaderas (ai), debido a que en las escorias multifásicas (silicáticas y alumosilicáticas) unos componentes interactúan con otros de manera que los coeficientes (?i) de las actividades adquieren diferentes valores:

Las escorias basadas en silicatos y alumosilicatos están constituidas, en estado fundido, por iones complejos del tipo [SixOy]z- y [SixAlwOy ]p- respectivamente y de moléculas complejas, que se forman a partir de la interacción de óxidos de diferentes tipos [2, 19, 20].

La teoría de los complejos moleculares e iónicos brinda resultados semicuantitativos valiosos. La concepción de los iones complejos permitió diferenciar teóricamente las bases de las interacciones de los iones complejos [SixOy]z- con los iones O2- y brindó métodos de cálculo más exactos de los coeficientes de las actividades (?) de los componentes, partiendo de los fundamentos de la termodinámica estadística [21].

La relación de la temperatura y la concentración de dos, tres, cuatro y más componentes (óxidos) en determinadas zonas en función de otras propiedades físicas (viscosidad, tensión superficial, etc.) se asocian mediante los diagramas de estados, que son de amplia utilización [2]. La representación gráfica de los diagramas binarios y ternarios de estado constituyen una valiosa herramienta estratégica, bastante utilizada, para el diseño de mezclas de masas fundidas con característica especiales y también para la síntesis de compuestos inorgánicos, sin embargo es poco el empleo de diagramas cuaternarios en la obtención de fundentes para la SAW [22], debido a que, entre otros aspectos, para su representación gráfica necesita un modelo tridimensional, un tetraedro. En el sistema de óxidos se han empleado estos diagramas con el objetivo de obt ener matrices vítreas y fundentes fundidos destinados a la SAW [22, 23].

3. Escorias

Así como las propiedades del cordón de soldadura reflejan la calidad del proceso SAW, las escorias, derivadas de las matrices de los fundentes, expresan la eficiencia del proceso [6], aunque la calidad y la eficiencia del proceso no se pueden atribuir exclusivamente a ninguno de los dos productos del proceso de soldadura, ya que entre ambos existe una estrecha sinergia.

Los requisitos cada vez más acrecentados para los fundentes de soldadura por arco eléctrico, con respecto a las propiedades físico-mecánicas y composición química del metal depositado, impulsaron el desarrollo de nuevos materiales y la utilización de nuevas fuentes de materias primas, buscando obtener constituyentes que contribuyan a formar durante los procesos de soldadura escorias más efectivas en la eliminación del azufre, fósforo y de inclusiones no-metálica, en la protección del cordón del medio ambiente, en elevar el aprovechamiento de la transferencia de elementos químicos útiles al metal del cordón de soldadura y en su fácil desprendimiento, dando al cordón una morfología y acabado superficial requeridos. Todo esto induce a continuar e l estudio de los sistemas de óxidos fundamentalmente constituidos ya no sólo a partir de óxidos y sales puros, sino también incluso a partir de seleccionar y utilizar racional y efectivamente materias primas de baja ley e incluso residuos industriales sólidos disponibles para la obtención y desarrollo de fundentes útiles con características requeridas en la producción de fundentes para la SAW [23, 24]. Por ello las investigaciones pretéritas sobre los sistemas de escorias y la presentación de sus resultados en forma de datos y diagramas constituyen un acervo investigativo de incuestionable valor y una herramienta de indudable efectividad, por ejemplo, en el diseño de las partes de los fundentes de soldadura: matrices y cargas alea ntes y alambres-electrodos. En este aspecto son fundamentales los trabajos, entre otros muchos más, de: [1, 2, 13, 25-31] .

La escoria de soldadura ya solidificada es un sistema multicomponente, complejo con distintos grados de cristalinidad, que refleja directa e indirectamente la eficiencia de los múltiples efectos tecnológicos y metalúrgicos durante el proceso de soldadura por arco eléctrico sobre las propiedades del cordón, por ello la confección de las partes del fundente, a partir de las cuales la escoria se forma, es de importancia vital. Debido a esa complejidad es que estos tipos de escorias, originadas durante la soldadura, se circunscriben en la práctica a adecuarlos a diagramas de fases de sistemas de dos, de tres y, muy raramente, de cuatro componentes, suponiendo que la influencia de los componentes no tenidos "en cuenta" (< 20 %) como no esenciales es poca, por lo que se considera en valorar especialmente en cada caso concreto su efecto [32]. Esta embarazosa disyuntiva puede vencerse en la medida en que se escojan acertadamente métodos matemáticos en la formulación de la mezcla [33] y de planificación de experimentos en la confección de las partes de los consumibles de soldadura y valorar su efecto por las características de los productos del proceso de soldadura [32]: el cordón y la escoria. Para los métodos de planificación experimental parece ser que no existen limitaciones en cuanto a las cantidades o número de componentes o parámetros y propiedades. Sin embargo, para conjugar estos datos experimentales con los diagramas de fases surgen complicaciones en la representación termodinámica de los datos experimentales. El método más evidente e ilustrativo es el gráfico. Pero la representación en un plano de las propiedades del sistema multicomponente es muy difícil, y en la mayoría de los casos es sumamente engorrosa (para no decir imposible).

En la práctica el uso de diagramas de fases y el empleo de diseños de experimentos en la elaboración de fundentes de soldadura por arco eléctrico es un campo casi virgen en nuestro país [34-37]. El CIS de UCLV es un pionero destacado en este sentido y ha cosechado resultados que han conducido a más de 15 tesis de doctorado y a unas 5 patentes [38].

Los sistemas de óxidos (SiO2-MnO, SiO2-Al2O3-CaO, SiO2-Al2O3-MgO, SiO2-Al2O3-CaO- MgO, SiO2-Al2O3-(CaO,MgO)-TiO2, entre otros) combinados con sales (por ejemplo, CaF2) son los más empleados en las investigaciones de consumibles de soldadura desarrolladas en el CIS.

En estado fundido, los sistemas multicomponentes pueden estar constituidos por varios subsistemas: monocomponente, binarios, ternarios, cuaternarios, etc. Por ejemplo un sistema hexacomponente de óxidos puede estar formado por los tipos de subsistemas siguientes: uno hexacomponente, seis pentacomponentes, 15 cuaternarios, 20 ternarios, 15 binarios y seis monocomponente, resultando un total mínimo de 63 subsistemas. Es estratégico conocer de cuantos tipos de subsistemas puede estar constituidos el conjunto de componentes (p. ej. óxidos) elegido como sistema, ya que sirve para valorar la complejidad de los sistemas multicomponentes fundidos y para formar una estrategia del enfoque termodinámico de la posible existencia de fases en estado sólido.

El posible número total mínimo de subsistemas (NTMS), que se forma a partir de un conjunto de componentes (óxidos) del sistema principal, se puede calcular por la ecuación siguiente [23]:

Donde n es el número de todos los componentes del sistema; p es el número de componentes que se agrupan para formar sistemas de menor orden (monocomponente: p = 1, binarios: p = 2, ternarios: p = 3, cuaternarios: p = 4, etc.); (n-p) constituye el número del resto de los componentes que agrupados no forman por sí mismos un subsistema de menor orden. Por ejemplo, del sistema pentacomponente (SiO 2-Al2O3- CaO-MgO-CaF2) se forman, según la fórmula (1.5), los siguientes subsistemas:

Es decir, cinco sistemas monocomponente, 10 binarios, 10 ternarios, cinco cuaternarios y uno pentacomponente. No todas las combinaciones de los componentes de estos sistemas conducen a un compuesto estequiométrico o fase de estructura definida y termodinámicamente estable. En estado sólido pueden obtenerse varios compuestos constituidos por todos los componentes del sistema, pero no todos con la misma fórmula estequiométrica (polimorfismo).

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