Consideraciones para la obtención de un fundente aglomerado aleado

Características del proceso metalúrgico reductivo de la cromita

El proceso de fabricación de ferrocromo de alto contenido de carbono se desarrolló en la segunda mitad del siglo pasado [1]. Éste consiste básicamente en reducir en horno de arco eléctrico el cromo y el hierro presentes en la cromita mediante un agente reductor (carbón) [1,2,3], desarrollándose a partir de él diferentes procesos encaminados a obtener ferroaleaciones con bajos contenidos de carbono, ya que la mayor aplicación de los ferrocromos es en la fabricación de aceros inoxidables donde los altos contenidos de carbono dificultan su obtención con la calidad requerida; actualmente se han desarrollado tecnologías que permiten emplear ferrocromos de alto carbono en la fabricación de estos tipos de aceros [4], pero se encarece su producción. Se han desarrollado además, tecnologías de beneficio y procesamiento de minerales que permiten utilizar cromitas con relaciones Cr/Fe menor a 2.5 [5].

Es común el empleo de ferrocromo alto en carbono (metalúrgico) en el desarrollo de materiales para el recargue por soldadura, siendo esto factible en cuanto a composición química, pero tiene la limitante de que es muy difícil de triturar. Partiendo de este criterio y de las potencialidades de las escorias que generaría el proceso (pueden constituir más del 70% de un fundente aglomerado) es que podría estudiarse una nueva variante para la fabricación de fundentes de soldadura, la cual permitiría la obtención simultánea (en un mismo vertido), de ferrocromo (alto en carbono) y escorias utilizables en el desarrollo de matrices de fundentes. Esta estrategia reduce los costos por unidad de ferrocromo y escoria al convertirlos en materias primas aplicables a la conformación de fundentes, lo que permitiría una distribución equitativa de la energía suministrada al proceso metalúrgico

Conformación de la carga al horno. Consideraciones

En todo proceso metalúrgico la conformación de la carga se realiza tomando en consideración el cumplimiento del objetivo propuesto, el cual puede ser la obtención de una aleación con determinadas características particulares, la extracción de un determinado elemento metálico presente en uno de los minerales de la carga o la transformación de un elemento a una forma factible de recuperación, etc. [1,2], sin tener en consideración el destino posterior de las escorias resultantes. En todas estas formulaciones hay que tener en cuenta la composición química del mineral base (aporta el elemento) y del resto de los minerales que contribuirán al desarrollo de dicho proceso.

En los procesos metalúrgicos de reducción juega un papel fundamental el elemento reductor (el coque es el reductor clásico) y la composición química de la ganga del mineral, dirigidos a satisfacer los requisitos de calidad del metal a extraer.

En los procesos tradicionales dedicados a la obtención de ferrocromo alto en carbón, el objetivo central es la recuperación máxima del cromo del mineral con el menor costo posible, por tanto, la carga se formula con estos objetivos. Para formular dicha carga se tiene en cuenta la composición química del mineral. Partiendo de este dato se determina la cantidad de coque requerido más un determinado exceso y se adiciona una cantidad de cuarzo para disminuir la temperatura de fusión (de acuerdo a una determinada zona en el diagrama de fase SiO2 – Al2O3 – MgO), obteniéndose en este proceso un ferrocromo alto en carbono, el cual puede ser empleado así o sometido a un proceso de refinación y una escoria como subproducto formada por los elementos de la ganga del mineral, la cenizas del coque y la sílice adicionada a la carga, que presenta por lo general características refractarias [1,3].

La aplicabilidad de un proceso metalúrgico reductivo como vía para el desarrollo de constituyentes de fundentes de soldadura condiciona la utilización de la escoria en la conformación del sistema de óxidos de la matriz, por tanto, la aleación no va a constituir el único objetivo, esto puede traer como consecuencia que sea necesario la adición de componentes complementarios para el sistema de óxidos de la matriz que se pretenda desarrollar.

Proceso reductivo

En general el proceso de reducción de óxidos metálicos más extendido se efectúa con la ayuda de un medio reductor sólido tal como son las diferentes formas en que se presenta el carbono mineral: grafito, antracita, hulla, etc. [6,7].

Como la reacción de reducción generalmente se efectúa a temperaturas relativamente altas (800 0C), a las cuales el equilibrio químico favorece la formación de CO, se puede suponer el sistema de la reacción de reducción:

En la reducción de los óxidos de cromo con carbono pueden ocurrir potencialmente múltiples reacciones paralelas, cuya factibilidad está regida fundamentalmente por la formación de los productos de la reacción, es decir, de la obtención de cromo metálico o de sus múltiples carburos (Cr7C3 , Cr3C2 y CrC) y del CO, pero de estas reacciones las de mayor probabilidad de ocurrencia son aquellas que termodinámicamente cumplen con los requisitos de presentar los menores valores de (H0(298) y (G0(298) (o los más negativos) [1,8], como se expone a continuación [2]:

La comparación de los valores de la variación de la energía libre de las reacciones (1.5) y (1.6) y de muchas otras más muestra que termodinámicamente es más factible aquella que representa la reducción con formación del carburo de cromo (Cr7C3) y que además ésta requiere de la temperatura más baja para efectuarse y por lo tanto resulta la más probable.

Durante el proceso de reducción de la cromita sucede que se forman carburos de hierro a partir de sus óxidos con una gran eficacia (entre el 95 y 97 %), simultáneamente con el producto de reducción del óxido crómico con una recuperación de 90 – 92% aproximadamente [1].

El hierro reducido líquido disuelve al carburo de cromo (Cr7C3) formándose un carburo complejo (Cr,Fe)7C3, debido a que contribuye adicionalmente a favorecer la reducción del óxido de cromo y a disminuir la temperatura de fusión de la aleación, por tanto favorece al proceso de fusión de la parte metálica.

De acuerdo con los datos termodinámicos reportados por diferentes autores [9,10] se formularon las ecuaciones de la energía libre que describen el comportamiento termodinámico de las reacciones de reducción de la cromita según las variantes (1.5) y (1.6), las cuales se exponen a continuación:

(G0= 261884 – 174.4T (en J para 1.5) (1.7)

(G0= 245304 – 176.8T (en J para 1.6) (1.8)

En las condiciones de equilibrio tanto para la reacción (1.5) como para la (1.6), la temperatura de reducción alcanza los valores de 1502K (1229oC) y 1388K (1115oC), respectivamente. Todos estos aspectos termodinámicos han sido llevados a la práctica en la reducción de cromitas metalúrgicas con buenos resultados.

Productos del proceso

Al igual que en cualquier otro proceso metalúrgico de producción de ferroaleaciones, en este proceso se obtiene ferrocromo y escoria, los que deben reunir los requisitos imprescindibles para su empleo en la formulación de un fundente aglomerado aleado, el ferrocromo y la escoria van a constituir las partes esenciales de la carga aleante y la matriz del fundente respectivamente.

2.1 Ferrocromo. Características

El ferrocromo es una aleación de cromo y hierro con adiciones de carbono, silicio y otros elementos [3].

Los ferrocromos se clasifican fundamentalmente por su contenido de carbono, cuanto menor es éste tanto mayor será el costo de la aleación y más complicado el procedimiento de elaboración [11]. Las clasificaciones más empleadas en la literatura son las siguientes: alto, medio, bajo y extrabajo en carbono, nitrogenados, etc. [1,3].

Por lo general la producción mundial de ferrocromo se destina en su amplia mayoría a cubrir los requisitos y características de la industria metalúrgica, por la gran importancia que tiene el cromo en este sector debido a las propiedades que él ofrece a los aceros ampliando grandemente su campo de aplicación [11].

El ferrocromo empleado en la elaboración de la carga aleante de los materiales de soldar para el recargue requieren determinadas características particulares (contenidos relativamente altos de carbono) a diferencia de los ferrocromos más utilizados en las fundiciones de aceros especiales, esto hace que para la fabricación de estos materiales sea necesaria la adición complementaria de determinadas cantidades de carbón para facilitar la formación de los carburos de cromo, los cuales le dan las propiedades mecánicas (dureza, resistencia al desgaste, a la abrasión, etc.) a los depósitos realizados [12,13]. Además, estos materiales son formulados empleando granulometrías pequeñas, menores a 0.25 mm, por lo que contar con ferrocromos frágiles sería una gran ventaja para la preparación mecánica de estos materiales, ya que reduciría considerablemente el consumo energético necesario para su trituración. Los ferrocromos metalúrgicos son relativamente duros y muy plásticos, lo cual los hace muy difíciles de triturar.

Entre los materiales para soldar destinados al recargue que emplean ferrocromo en su carga aleante se destacan los fundentes aglomerados aleados [14,15], los electrodos sintéticos [12,16] y tubulares [17,18].

Durante el proceso de reducción explicado en el epígrafe anterior se forman diferentes carburos de cromo, los cuales son termodinámicamente más factibles de formarse que el cromo metálico debido a sus menores valores de energía libre de Gibbs, además las condiciones creadas facilitan la formación de carburos.

En el diagrama del sistema binario Cr-C existen tres carburos de cromo de porcentaje atómico en carbono 20, 30 y 40%: el Cr4C (o más exactamente el Cr23C6) de cristalización en sistema cúbico, punto de fusión de 1520 0C y 5.46% de C, el Cr7C3 con sistema hexagonal, punto de fusión de 1780 0C y 9.01% de C y el Cr3C2 con sistema rómbico, punto de fusión 1895 0C y 13.34% de C [1,3,19]

De estos tres carburos los dos primeros y particularmente el Cr7C3 aparece frecuentemente en las aleaciones del sistema Fe-C-Cr; este carburo puede solidificar parcialmente a partir de fundidos cuyos contenidos de carbono están comprendidos entre 8.9 y 5.6% a temperaturas entre 1765 y 1510 0C [19], siendo además el más factible de obtenerse en las condiciones de reducción analizadas. En estos sistemas pueden formarse carburos complejos estables de cromo y hierro (CrFe)4C, (CrFe)7C3 y (CrFe)3C.

Los ferrocromos altos en carbono contienen los carburos dobles del tipo (CrFe)7C3 los que pueden tener hasta 55% del cromo sustituido por hierro y el carburo (CrFe)3C sólo puede tener hasta un 15% del cromo sustituido por hierro.

También es importante señalar que los carburos del tipo (CrFe)23C6 son más duros (1500-1800 Hv) que los carburos del tipo (CrFe)3C (1000-1250 Hv) [19]. La factibilidad de formación de estos carburos tiene una gran importancia para este trabajo debido a que en él se pretende emplear estos ferrocromos como elemento aleante en el desarrollo de fundentes destinados al relleno superficial de piezas sometidas al desgaste, por tanto son muy importantes las propiedades físico mecánicas que estos ferrocromos le puedan conferir a los depósitos [20].

Una característica importante a destacar en las aleaciones de hierro – cromo es la influencia que ejerce el cromo sobre el poliforfismo del hierro. El cromo influye sobre los puntos de transformación de hierro delta a hierro gamma y de hierro gamma a hierro alfa. En consecuencia cuando las proporciones de cromo en una aleación son superiores a 13% el carácter alfágeno del cromo llega a suprimir las transformaciones delta – alfa – gamma. Esos ferrocromos mantienen la estructura primaria de solidificación ferrítica cúbica centrada en las caras sin transformación alotrópica alguna hasta la temperatura ambiente [19]. La figura 1, correspondiente al diagrama binario Fe-Cr, muestra que prácticamente todas las posibles aleaciones de cromo y hierro solidifican dando solución sólida alfa [19].

Figura 1: Diagrama de equilibrio Fe-Cr

La presencia de carbono en una aleación hierro cromo trae consigo cambios en las transformaciones alotrópicas del hierro debido a su carácter gammágeno. Para contenidos de cromo superiores al 28% la aleación ternaria es plenamente ferrítica, cualquiera que sea el porcentaje de carbono [19]. Esta propiedad permite emplear técnicas magnéticas para separar los ferrocromos de las escorias.

2.2 Escorias. Características

En todo proceso metalúrgico conjuntamente con el metal se obtiene un producto secundario, la escoria, que contiene los compuestos oxigenados que no se redujeron o que nuevamente se formaron durante el proceso [21]. Las escorias metalúrgicas representan un sistema complejo de componentes múltiples que se procesan en estado líquido o sólido obteniéndose una producción diversificada [22]. La cantidad de escoria producida, su composición y propiedades depende fundamentalmente de la composición química y mineralógica de la ganga del mineral, las cenizas del coque, el contenido de azufre en la carga, el estado térmico del horno, etc.[2].

Estas escorias se producen en volúmenes bastante grandes, por lo que ha sido de gran interés por todos los fundidores darle aplicaciones importantes a estos productos después de haber cumplido sus funciones durante el proceso metalúrgico, observándose una tendencia a disminuir estos volúmenes empleando minerales de mayor ley [21,23], aunque esto se ve afectado por la disminución de las reservas de minerales de alta ley.

A las escorias se le han dado múltiples aplicaciones para lo cual se tiene en cuenta fundamentalmente su composición química debido a que esta influye en la basicidad y actividad química. Entre las aplicaciones más importantes se pueden señalar la producción de cemento, fertilizante, relleno de caminos, etc.[22,23]; las aplicaciones futuras de estas escorias no son tomadas en cuenta a la hora de conformar la carga metalúrgica debido a que el objetivo central de estos procesos es la obtención de la aleación metálica.

Según Potapov [24] la basicidad de la matriz (escoria) de un fundente puede ser determinada a partir de las relaciones molares entre sus diferentes componentes, por la siguiente expresión:

La basicidad de los fundentes juega un papel importante, ya que influye directamente en la actividad química. La actividad es a su vez fundamental en las funciones metalúrgicas del fundente durante el proceso de soldadura, además puede influir en los procesos de oxidación-reducción, en la transferencia de elementos químicos a los depósitos, etc.[25,26].

Un aspecto a considerar en el empleo posterior de cualquier tipo de escoria sería el aprovechamiento de la energía acumulada en la masa fundida, ya que esto implicaría un enorme ahorro de energía y tiempo para las operaciones de acondicionamiento y preparación de las mismas; en muchas de estas aplicaciones no se considera este aspecto.

En los procesos de producción de ferroaleaciones las cantidades y propiedades de la escoria dependen de la tecnología del proceso, del tipo y calidad de la materia prima empleada, de la marca de aleación producida, de la composición química del refractario de la instalación de fusión y de los recipientes receptores [21].

Conclusiones

• El empleo de un proceso metalúrgico por reducción carbotérmica de cromitas refractarías puede constituir un método para la obtención simultánea de matrices y componentes de cargas aleantes para la confección de fundentes para la SAW.

• A partir de la composición química de las cromitas refractarias cubanas y otros minerales es factible conformar una carga capaz de generar mediante un proceso metalúrgico de reducción carbotérmica un sistema de óxidos matricial del tipo SiO2 – Al2O3 – MgO (escorias) y una aleación de cromo (FeCr) aplicables a la confección de fundentes de soldadura.

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Autor:

Lorenzo Perdomo González

Rafael Quintana Puchol

Amado Cruz Crespo

Carlos René Gómez Pérez