Fundente para la Soldadura por Arco Sumergido (página 2)

Como se hace evidente de los resultados de las Tablas 2 y 4, de lo expuesto anteriormente y de la ecuación de regresión Y1, la mayor influencia sobre la fusibilidad y fluidez del fundente la ejerce la fluorita. Esta influencia es definitoria hasta los valores próximos al 4%, para valores superiores la influencia sobre estas propiedades resulta menos apreciable. Así, las dificultades en la síntesis de los puntos experimentales (2) y (3) están relacionadas, no con el alto CaO, sino con la ausencia de CaF2 en las cargas. La variación de la masa de fundente obtenida, dada en la Tabla 4 y expresada por la ecuación de regresión Y2, resulta menos apreciable, siendo muy próxima sobre todo para los fundentes enmarcados en la región de composición seleccionada.

En la valoración de las propiedades tecnológicas los resultados han resultado buenos en todos los casos, por lo que los fundentes enmarcados en la región de composición seleccionada (fundente FFMN1) responden a un buen comportamiento.

Evaluación de la obtención del fundente FFMN1 para su composición media

Para evaluar el fundente seleccionado (FFMN1), enmarcado en los rangos de composición arriba señalados, se han conformado 12 cargas de mineral para la composición media del fundente, compuestas por: 2,675 Kg de pirolusita, 0,977 Kg de arena de sílice, 0,029 Kg de Caliza, 0,092 Kg de feldespato y 0,227Kg de fluorita (la sustitución del caolín por feldespato respecto a los fundentes del diseño experimental no causa alteraciones significativas, ya que se calcula sobre la base de seudocomponentes – óxidos puros – y estas menas solo se diferencian en su relación Al2O3/SiO2) y se ha realizado el proceso de síntesis, utilizando iguales procedimientos, parámetros y equipos que para los fundentes del diseño experimental. Son realizadas 4 coladas de 3 cargas cada una, cuyos resultados se muestran en las Tablas 7.

En la Tabla 8 se muestra la composición química media de cada uno de los fundentes, determinada de igual modo que en el caso de los valores de la Tabla 5. En la Tabla 9 se reportan los valores de basicidad, actividad química relativa del fundente, así como la actividad química relativa y termodinámica del SiO2 y el MnO, determinados de manera similar a los reflejados en la Tabla 6.

Tabla 7. Resultados de coladas para la composición media del fundente FFMN1

Tabla 8. Composición química media del fundente FFMN1 de diferentes coladas

Tabla 9. Valores de basicidad y actividades del fundente FFMN1 y sus óxidos de diferentes coladas

Como se aprecia, los valores de tiempo de colada y masa de fundente obtenidos son muy próximos en todos los casos. Por otra parte, también son cercanos los valores de composición química del fundente para cada colada y a consecuencia de ello, los valores de basicidad y actividades. La proximidad de los resultados obtenidos corrobora que el fundente FFMN1 es reproducible.

Para la evaluación tecnológica y metalúrgica del fundente en la soldadura se ha tomado una muestra representativa de 2 Kg, a partir de la masa total homogenizada de fundente de las 4 coladas. El comportamiento tecnológico del fundente es evaluado realizando cordones de soldadura (5 cordones superpuestos) con alambre EM12K de 2 mm y con los parámetros de régimen siguientes: Corriente de soldadura, IS=280 A; tension del arco, Ua=30-32 V; velocidad de soldadura, VS=42 m/h; Polaridad Invertida y con altura de capa de 25 mm [17]. Estos ensayos se han realizado utilizando el fundente OK Flux 1040 como referencia, siendo los resultados de los mismos equivalentes (excelentes) en todos los casos de acuerdo a la metodología de evaluación empleada, basada en el criterio de expertos [26].

La evaluación metalúrgica del fundente se realiza a partir de la caracterización por análisis espectral de emisión atómica de los cordones, obtenidos en la evaluación del comportamiento tecnológico. Los resultados de esta evaluación se reflejan en la Tabla 10. Estos resultados para el fundente obtenido (FFMN1) son mejores en cuanto al Mn, Si, C, P y S a los obtenidos con el fundente comercial OK Flux 1040, lo cual evidencia que este fundente satisface los requerimientos de la soldadura de balones de gas en combinación con el alambre EM12K.

Tabla 10. Composición química media del metal del cordón obtenido con el fundente FFMN1 y con el fundente OK Flux 1040 con electrodo EM12K. Carbono y azufre por gasovolumetría y el resto por colorimetría.

Balance de masa y energía del proceso de obtención del fundente

El balance de masa se realiza para el procesamiento de la carga mineral de la composición media del fundente FFMN1 y considerando en ello la composición química de los minerales de carga. Los resultados de este balance se muestran en la Tabla 11. En la Tabla 11 se observa que del total de mezcla alimentada al horno el 83,80 % se convierte en fundente y el resto (16,19 %) corresponde a los gases de salida. Este resultado es próximo a lo real obtenido en la Tabla 7, donde de una masa de carga mineral de 12 kg en cada colada alimentada al horno se obtuvo una masa de fundente promedio de 9,914 kg, correspondiente al 82,61% de dicha carga inicial, representando un 98,58 % del teórico posible.

Con los resultados del balance de masa se realiza un balance de energía para la carga establecida, lo que permite valorar las necesidades energéticas para el procesamiento de la carga durante la obtención del fundente.

Para determinar el calor latente total, se realiza la suma de los productos de todos los calores latentes (() por el número de moles (n) (Qlatente=(n() [25]. Estos resultados se muestran en la Tabla 12.

Los calores sensibles de cada uno de los componentes se determinan como

tomando los valores de Cp dados en la Tabla 12 [25].

Tabla 11. Balance de masa del proceso de obtención del fundente, expresado en porciento.

Tabla 12.

Sobre la base del balance de masa de la Tabla 11, teniendo en cuenta que se genera 0,4 g de CaO, 0,314 g de CO2, 41,948 g de MnO y 9,453 g de O2, y con los valores de Cp, dados en la Tabla 12, se determinan los calores sensibles para los productos de las reacciones, los cuales son llevados también a la Tabla 12.

Los calores totales de las reacciones anteriores consideran los calores de formación, los calores sensibles y latentes: QR1=46482,16 cal y QR2=633,93 cal. Finalmente el calor total se determina como el resultado de todos los calores, el calor sensible, el latente y los calores de reacción: QTotal=73,82 kcal.

El consumo de energía será 0,08578 kWh (73,82 kcal) para 100 g de carga. Por otra parte, al procesar 100g de carga se producen 83.80 g de fundente, según la Tabla 11, por tanto el consumo de energía por kg de fundente será: 0,08578kWh/0,08380kg=1,024 kWh/kg FUNDENTE.

Si se consideran los resultados medios de coladas de la Tabla 7 y que el horno se trabajó como valores promedios a 500 A y 33 V, se puede determinar con cierta aproximación el consumo de energía del horno: P=(500*33*50,1625/60)/9,91=1,392 kWh/kgFUNDENTE. De este modo el consumo de energía teórico, determinado a partir del balance de energía (1.024 kWh/kg fundente), representa un 86,49 % de la energía real media suministrada por la fuente del horno.

Conclusiones

• La planificación experimental sobre la base de un Diseño de mezclas de tipo Mc Lean y Anderson permite realizar un estudio del comportamiento en el proceso de síntesis, estableciendose las ecuaciones que relacionan la composición del fundente para sus componentes fundamentales (MnO(X1), SiO2(X2), CaO(X3), Al2O3(X4), CaF2(X5)) con el tiempo de colada y la masa de fundente (Y1 y Y2 respectivamente).

• La región de composición del fundente que responde a los resultados mas adecuados se caracteriza por una relación media MnO/SiO2=1,42 y sus componentes fundamentales se enmarcan en los siguientes rangos:

• De acuerdo al balance de masas el 83,79% de la masa alimentada al horno se transforma en fundente, mientras que para los resultados reales este valor es de 82,61%. Por tanto el rendimiento del proceso de síntesis del fundente constituye el 98,53 % frente al teórico.

• El consumo energético medio real del horno representa 1,392kWh/kgFUNDENTE. El consumo de energía teórico para el procesamiento de la carga al horno, determinado a partir del balance de energía (1.024 kWh/kgFUNDENTE), y representa un 86,49% de la energía real suministrada por la fuente del horno.

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Autor:

Amado Cruz-Crespo1,

Rafael Quintana Puchol1,

Lorenzo Perdomo González1,

Carlos R. Gómez Pérez1,

Eduardo Díaz Cedré1

Carlos R.. Tamara M. Ortiz1,

1 Universidad Central "Marta Abreu" de las Villas, Centro de Investigaciones de la Soldadura, Villa Clara, Cuba,