Fundente para la Soldadura por Arco Sumergido

Resumen

Se realiza un estudio de síntesis de un fundente del sistema MnO-SiO2 con adición de modificadores (CaO, Al2O3, CaF2) sobre la base de un diseño de experimentos de tipo Mc Lean y Anderson. Los fundentes de los diferentes puntos experimentales son obtenidos mediante fusión en un horno eléctrico de arco. Se establecen las ecuaciones de regresión que relacionan la masa de fundente y el tiempo de colada con la composición de los fundentes. Sobre la base de las características de los fundentes obtenidos se define el rango de composición mas adecuado para sus óxidos principales y se corrobora su reproducibilidad para la composición media. Se realiza un balance de masa y de energía de la obtención del fundente y se realizan los ensayos de homologación del mismo en función de su aplicación industrial.

Introducción

Los fundentes fundidos del sistema MnO-SiO2 generalmente son ubicados según su relación porcentual a la derecha de la zona eutéctica del sistema binario con relaciones porcentuales MnO/SiO2(1,12 [1, 2-5]. Se justifica esta ubicación de los fundentes en el sistema de estado a la búsqueda de menores consumos de mineral de manganeso para reducir directamente los costos y reducir además los aportes de P al metal del cordón de soldadura, pero en ello se limita la posibilidad de adecuación de la relación MnO/SiO2, no solo a temperaturas mayores, sino que no aprovechan todo lo posible la influencia de esta relación sobre las propiedades del fundente. Es precisamente este aspecto el que ha llevado a la mayoría de los autores a pensar en la adición de modificadores (MgO, TiO2, Na2O, K2O, BaO, ZrO2), buscando corregir las propiedades, pero aún así no alcanzan el efecto de una relación mayor MnO/SiO2, sobre todo en las actividades del SiO2 y el MnO, que se traduce en menores contenidos de Mn y mayores de Si, C y S en los depósitos para un mismo electrodo y régimen de soldadura.

En aquellos casos donde los minerales de manganeso lo permitan de acuerdo a su contenido en fósforo y no existan limitaciones económicas es conveniente entonces trabajar en la región eutéctica (1,128=MnO/SiO2=2,4 [6]. Por otra parte los minerales de manganeso se caracterizan, luego de un proceso de calentamiento, por relaciones MnO/SiO2 superiores [6, 7, 8, 9].

Entonces, la síntesis de un fundente del sistema MnO-SiO2 de modo general lleva implícito un desplazamiento en el diagrama de estado binario hacia una zona de menores valores de relación porcentual MnO/SiO2 que las posibles a lograr por la disociación de los óxidos superiores de manganeso presentes en los minerales [6]. Para lograr esto solo existen dos vías posibles: disminuir los contenidos de MnO mediante reducción hasta Mn en presencia de un reductor (carbono, silicio, aluminio) donde la escoria a obtener sería el fundente esperado como se plantea en una serie de trabajos [10-14] o aumentar los contenidos de SiO2 (adición de cuarzo, arena de sílice u otro mineral contentivo de este óxido) como lo practican la mayoría de los autores [1, 6, 15, 16, 17]. La primera vía, aún sin entrar en consideraciones económicas, resulta poco factible desde el punto de vista de procesamiento por la complejidad del proceso reductivo y sobre todo por las altas temperaturas necesarias que no permiten obtener una escoria granulada con las características físicas para su utilización directa como fundente fundido en la soldadura, requiriendo de un proceso de aglomeración, como se refleja en una serie de trabajos [10, 11, 13 y 14].

De acuerdo a la caracterización del mineral de manganeso del yacimiento "Margarita de Cambute" es factible obtener un fundente fundido del sistema MnO-SiO2 que responda a la relación MnO/SiO2 señalada como favorable [6]. No obstante se considera oportuno valorar la adición de modificadores del sistema que a la par de dicha relación binaria contribuyen a un mejor comportamiento del fundente y a una mayor calidad de la unión soldada.

Así el objetivo básico que aborda este trabajo esta dirigido a la síntesis de un fundente del sistema MnO-SiO2 a partir del mineral pirolusítico del yacimiento "Margarita de Cambute" y con la adición de correctores del sistema (CaO, Al2O3, CaF2) sobre la base de un diseño experimental de mezclas para una región restringida. Toda vez que el mayor consumo de fundente en la Republica de Cuba se corresponde a la fabricación de balones de gas domestico se dirige la atención hacia esta aplicación sin que ello signifique una limitante de la versatilidad del fundente en la soldadura de aceros al carbono y de baja aleación en general.

Diseño experimental para la obtención del fundente

A partir de los criterios planteados sobre las peculiaridades de los fundentes de alta sílice y alto manganeso y de las propiedades especificas del mineral del yacimiento de ¨Margarita de Cambute¨ y su comportamiento durante el procesamiento térmico, así como de las características de otros minerales arriba valorados, se definen cada una de las variables especificas del diseño y sus rangos.

El MnO (X1) interviene de forma decisiva junto a la sílice (SiO2) (X2) en los procesos metalúrgicos (procesos de oxidación- reducción y afino) durante la soldadura, confiriéndole características especificas tanto metalúrgicas como tecnológicas a los fundentes con contenidos significativos de estos óxidos. Los contenidos de éstos pueden ser variados en amplios rangos atendiendo a los factores químico- físicos, tecnológicos e incluso económicos, siendo el primero el más importante puesto que ello define sus propiedades y comportamiento en la soldadura como lo plantean [4, 5]. Con frecuencia son valorados los contenidos de impurezas formadoras de inclusiones en los minerales de manganeso [18, 19].

La literatura especializada, como los autores arriba mencionados y otros, como [1, 15, 20, 21, 22], ofrecen un amplio rango de contenido de MnO y SiO2 enmarcado en los límites 22(X1(53 % y 35(X2(52 % respectivamente, que se ha tomado en el presente trabajo como rangos de variación para estas variables.

Por otra parte, como hemos planteado, el mineral de manganeso del yacimiento Margarita de Cambute (X1*) a utilizar, presenta SiO2 en su composición en valores que no satisface las relaciones MnO/SiO2 esperadas, por lo que se hace necesaria en este caso la adición de SiO2(X1) en forma de arena de sílice (X2*)[6]. Otros óxidos que pueden aparecer como constituyente mineral en la mena de manganeso como son el CaO, MgO, Al2O3, y otros, actúan como modificadores del diagrama de estado y de las propiedades tecnológicas y metalúrgicas del fundente.

El contenido de CaO (X3) influye sobre un conjunto de propiedades. En la literatura especializada se reportan con frecuencia contenidos de CaO (10 % en fundentes de alta sílice y alto manganeso [22]. Toda vez que el aumento del CaO (aumento de la basicidad) favorece los procesos de reducción del manganeso y disminuye la reducción del silicio, favoreciendo la desulfuración y defosforación del baño, así como las propiedades tecnológicas, se ha decidido aumentar su contenido hasta un 20 %, buscando en ello evaluar la intensificación de los procesos de oxidación-reducción y afino. El contenido esperado de CaO(X3) (0(X3(20 %) se alcanza añadiendo a las mezclas determinadas proporciones de Caliza (X3*) (ver Tabla 1), considerando en esto los posibles aportes de CaO de los otros componentes de carga.

El Al2O3 (X4), que puede estar presente en los minerales de manganeso, con frecuencia aparece en los fundentes a consecuencia de esto. Su presencia puede afectar el comportamiento tecnológico del fundente y sobre todo su comportamiento en la síntesis a causa de su influencia sobre la armazón del silicato, pero por otra parte favorece determinadas propiedades físico-químicas que hacen un efecto positivo, sobre todo por su tendencia a la disminución de los contenidos de carbono en el metal [2]. Para valorar esta influencia, sin provocar afectaciones de otras propiedades, el Al2O3 (X4) se moverá en el rango 0( X4(13 % de acuerdo a lo planteado por un número importante de autores [4, 5, 15, 19, 20, 21]. Para la adición de la alúmina fueron valorados el caolín y el feldespato (ver Tabla 1). Este último no cubre toda la gama de combinaciones del diseño experimental, a causa de una relación porcentual Al2O3/SiO2 más baja, por lo que se define como X4* el caolín. El contenido de SiO2 que aporta el caolín es considerado en la adición de arena de sílice (X2*).

Tabla 1. Composición química de los minerales de carga, % en masa.

El CaF2 (X5) ejerce influencia sobre las propiedades del fundente y su interacción con el metal del cordón. El intervalo más adecuado para variar el CaF2 (X5) es 0(X5(9 %, según lo reportado por un número importante de autores [1, 15, 20, 22]. El contenido esperado de este compuesto en la composición del fundente se logra por la adición de fluorita (X5*) (ver Tabla 1).

Como las propiedades de las mezclas experimentales se definen por las constituyentes y estas se mueven no en todo el rango de composición, sino en un intervalo predefinido, la planificación experimental es con bastante aproximación representada por un diseño de tipo Mc Lean Anderson para determinadas condiciones de frontera, para el cual el numero de experimentos (N) se establece como N=q(2q-1, siendo q el numero de variables (5 en nuestro caso) y para el cual debe cumplirse la condición de normalidad (Xi=1 [23].

La cantidad de experimentos a realizar para la matriz completa son N=5(24=80, pero de la aplicación de la condición de normalidad y de la eliminación de puntos con variables fuera de rango, quedan factibles de realizar solo 24 experimentos. Por otra parte de lo planteado arriba se decide establecer, como restricción del diseño, la región de composición de la zona eutéctica en el diagrama MnO-SiO2 (1,128(MnO/SiO2(2,4), a fin de adecuar la relación MnO/SiO2 a las menores temperaturas de procesamiento en la síntesis y al mejor comportamiento de los fundentes en la soldadura que aseguren la calidad de los cordones[6]. De la aplicación de la restricción señalada, solo quedan 8 puntos experimentales a los cuales se le añade un punto en el centroide y dos replicas para un total de 11 experimentos (ver Tabla 2).

Tabla 2. Puntos experimentales a realizar.

*Números que corresponden a la matriz inicial para 80 puntos experimentales.

Para establecer un criterio del proceso de síntesis del fundente en función de las variables de entrada del diseño de experimentos se definen como variables respuestas el tiempo de colada (Y1, min.) y la masa de fundente obtenida (Y2, kg). Estas variables permiten evaluar con suficiente solidez la influencia de las variables de entrada (óxidos fundamentales del sistema) sobre la masa del fundente a obtener en cada caso (Y2) y el tiempo necesario para la obtención de las mismas (Y2). Ambas respuestas, como veremos en el epígrafe 4 están muy relacionadas con la productividad del proceso y en el caso particular del tiempo de colada se relaciona muy directamente con la fusibilidad del sistema de óxidos.

Obtención de los fundentes del diseño experimental

Luego de tener definido el sistema a obtener con las relaciones porcentuales determinadas (MnO:SiO2:CaO:Al2O3:CaF2 en este caso) (ver Tabla 2), así como las particularidades de los minerales específicos que aportan estos óxidos (fundamentalmente su composición química y su comportamiento en el procesamiento pirometalúrgico) (ver Tabla 1) [6] se realiza el proceso de cálculo y conformación de las cargas, teniendo en cuenta para lo primero, las transformaciones e interacciones de los compuestos químicos de los minerales sobre la base de sus relaciones estequiométricas. Los resultados concretos del cálculo de cada una de las mezclas de minerales (puntos experimentales) se muestran en la Tabla 3.

Tabla 3. Composición mineral porcentual de las cargas de los puntos experimentales.

*Números que corresponden a la matriz inicial para 80 puntos experimentales.

Para cada una de las mezclas (ver Tabla 3) es preparada una carga de 4 kg con las granulometrías siguientes: pirolusita, caliza y fluorita 4/0,037 mm, arena de sílice 2/0,1 mm y caolin 0.05/0 mm. Los componentes de carga son pesados en una balanza técnica SARTORIUS cuya precisión es de 0,1 g y sometidos a un proceso de mezclado por un tiempo de 30 min en un mezclador de tambor giratorio, para lograr la homogeneidad adecuada [24]. Los componentes de la carga son adicionados al tambor para un mejor mezclado a contra corriente en orden ascendente de sus densidades: caolín (2,6 g/cm3), sílice (2,65 g/cm3), caliza (2,7 g/cm3), fluorita (3,18 g/cm3) y pirolusita (4,7-5,0 g/cm3) [25].

El proceso de fusión y vertido es considerado la etapa más importante de la síntesis, pues en ella se realizan las transformaciones químico- físicas de los minerales que hacen posible el surgimiento de nuevos compuestos que le imprimen al fundente las características deseadas. De esta etapa depende grandemente la eficiencia del proceso por ser en ella donde se concentra el mayor consumo de energía [24, 17].

Las cargas debidamente mezcladas en la etapa anterior se someten a procesamiento por fusión electrotérmica en horno de arco eléctrico con crisol de grafito, acoplado a una fuente de corriente continua de 1000 A. Los parámetros de trabajo del horno durante todas las coladas son de 33 V con 500 A. La adición de la carga se realiza de manera continua y de forma tal que se forme un cono alrededor del electrodo para disminuir las pérdidas de energía. Una vez fundida toda la carga, esta se mantiene en el horno hasta alcanzar la temperatura de 1500 oC (medida con un pirómetro óptico), luego de lo cual se interrumpe el arco y se deja en reposo el fundido durante 2 minutos para lograr la homogeneización de la temperatura.

El fundido es vertido a una piscina de granulación con agua para lograr, a causa del subenfriamiento, la obtención del fundente granulado con aspecto vítreo, color carmelita oscuro y granos poliédricos. En la Tabla 4 se muestran los resultados obtenidos de cada una de las coladas en cuanto a tiempo (Y1) y masa de fundente (Y2). Las condiciones de vertido son: masa de agua estática igual a 3,5 kg, altura de vertido entre 0,28 m y 0,33 m, flujo constante de 10-3 kg/(m2(min.), Tvertido=1480-1500 oC [17].

A partir de los resultados de colada se realiza el procesamiento estadístico, utilizando el software STATGRAPHICS, estableciéndose los modelos de regresión para las variables respuestas Y1 y Y2 que definen la dependencia de estas con los componentes de las cargas fundidas (Xi). Dichos modelos son:

Y1 =0.3497X1 + 0.5792X2 + 0.3593X3 + 0.9051X4 – 0.878X5 R2aj=99.62% (1)

Y2=0.03099X1 + 0.03677X2 + 0.02266X3 + 0.030197X4 + 0.03876X5 R2aj=99.92 % (2)

Tabla 4. Resultados de coladas del diseño experimental.

*Números que corresponden a la matriz inicial para 80 puntos experimentales.

Luego de obtenida la masa granulada es secada al aire y calcinada durante 2 horas. La temperatura de calcinación se selecciona a partir de un nomograma en función de la basicidad [1], resultando para todos los fundentes obtenidos de alrededor de 400 oC.

Como parte de esta etapa, los fundentes son llevados a la granulometría de 0,25mm a 2,5 mm mediante un proceso de tamizado y trituración de los granos superiores a 2,5 mm, empleando un molino de rodillos en esquema de ciclo cerrado con clasificación previa [22, 24].

A los fundentes obtenidos le fue determinada la composición química, el SiO2 fue determinado por gravimetría, el fósforo y el fluoruro por colorimetría y el resto de los elementos por absorción atómica. Los resultados se reflejan en la Tabla 5. Los valores de basicidad B y actividad química relativa del fundente AF; así como la actividad química relativa (AMnO y ASiO2) y termodinámica (aMnO y aSiO2) del MnO y SiO2 respectivamente, determinados según las expresiones dadas por Potapov[1] se muestran en la Tabla 6.

Tabla 5. Composición química de los fundentes obtenidos, en % masa.

Tabla 6. Valores de basicidad y actividades de los fundentes y los óxidos MnO y SiO2.

Selección de la zona de composición adecuada del fundente

De los resultados reflejados en las Tabla 4 apreciamos que las mejores respuestas se relacionan con los punto experimentales 39(6), 42(7), 48(8) y C1(9), C2(10) y C3(11). No obstante, la consideración de la inevitable variabilidad de la composición química de las materias primas, aunque sea en pequeños rangos, así como la composición química de los fundentes (ver Tabla 5), hacen que pensemos no en un punto como válido para nuestra selección, sino una región, enmarcada en las fronteras de los puntos de mejores resultados. Es decir, que los rangos en que deben encontrarse los compuestos fundamentales del fundente (ver Tabla 5) son los siguientes:

Los puntos experimentales correspondientes a esta región (el fundente seleccionado en lo adelante se nombra como FFMN1) se caracterizan por excelentes propiedades de comportamientos durante la colada, no han mostrado dificultades en la fusión y durante el vertido han mantenido buena fluidez del fundido, quedando el horno limpio. Los puntos 19(1), 22(2), 23(3), 24(4) y 38(5) han manifestado dificultades de comportamiento durante la colada. En el caso del punto 19(1) es observada poca fusibilidad, lo cual ha provocado un aumento considerable del tiempo de colada (ver Tabla 4) y la fluidez del fundido no ha sido la deseada, dificultando el vertido. Los puntos 22(2) y 23(3) han mostrado dificultades de fusibilidad, aunque a temperaturas altas la fluidez del fundido ha sido buena, pero ello ha requirido de una mayor permanencia en el horno (ver tiempo de colada en Tabla 4). Para el fundente 24(4) ha habido dificultades por una viscosidad alta y ha sido necesario un sobrecalentamiento con el consecuente aumento del tiempo de colada. Para el fundente 38(5), al igual que los anteriores, aunque en menor medida, el tiempo de colada se ha prolongado y su fluidez no ha sido la deseada.