INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS
“ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO DE FUSIÓN DE FUNDENTES PARA MOLDE DE COLADA CONTINUA
DE PLANCHÓN DELGADO”
T E S I S
PARA OBTENER EL GRADO DE
INGENIERO EN METALURGIA Y MATERIALES
P R E S E N T A:
ANGÉLICA SÁNCHEZ MARTÍNEZ
ASESOR: DR. ALEJANDRO CRUZ RAMÍREZ
MÉXICO, D. F. JUNIO, 2007
RESUMEN
i 1.- INTRODUCCIÓN
1 2.- GENERALIDADES
5 2.1.- Colada Continua
4 2.2.- Fundentes para molde de colada continua 6 2.3.- Función de los fundentes para molde de colada continua 8
2.4.- Comportamiento de fusión 9
2.5.- Velocidad de fusión de los fundentes para molde de colada continua de planchón delgado
10 2.6.- Formación de la película del fundente, lubricación y transferencia de calor
12 2.7.- Propiedades físicas de los fundentes
2.7.1.- Viscosidad
16
2.7.2.- Medición de la viscosidad 16
2.7.3.- Determinación de factores de la viscosidad de flujos
15 2.7.4.- Modelos para el calculo de la viscosidad
18
2.7.5.- Diagrama seudoternario de Mills 22
2.8.- Selección de los fundentes en polvo para moldes de colada continua de planchón delgado
23 2.9.- Principio de diseño de fundentes en polvo a altas velocidades
25 2.9.1.- Efecto del carbono libre
25 2.9.2.- Efecto del carbonato
26 2.10.- Proceso convencional Vs Proceso de planchón delgado
26 3.- DESARROLLO EXPERIMENTAL
3.1.- Diagrama de flujo
30
3.2.- Equipo y Materias primas
30 3.3.- Análisis Químico
31 3.4.- Pruebas por DRX
31 3.5.- Microscopia Electrónica de Barrido
32 3.6.- Pruebas de fusión
32 3.7.- Preparación de dados y portamuestras
33 3.8- Determinación del perfil de temperaturas del horno 34
3.9.- Fabricación de cilindros compactados de fundente en polvo 36
3.10.- Determinación de las temperaturas de ablandamiento, fusión y fluidez 36 4.- RESULTADOS Y ANALISIS DE RESULTADOS
4.1.- Análisis Químico 39 4.2.- DRX
40 4.3.- MEB y Microanálisis
41 4.4.- Incertidumbre absoluta de las temperaturas de ablandamiento, fusión y Fluidez 4.4.1.- Incertidumbre relativa de las temperaturas de ablandamiento, fusión y Fluidez
4.4.2.- Temperaturas de ablandamiento, fusión y fluidez
42 49
50 4.5.- Viscosidades (modelos: IRSID Y NIPPON-STEEL)
4.6.- Diagrama seudoternario CaO-SiO2-NaF
53 57
5.- CONCLUSIONES 60
6.- BIBLIOGRAFÍA 61
MOLDE DE COLADA CONTINUA DE PLANCHÓN DELGADO.
RESUMEN
El proceso de colada continua constituye actualmente la base para la producción de acero en el mundo. Los fundentes en polvo cumplen diferentes funciones clave en el proceso, las cuales tienen un fuerte impacto sobre la calidad superficial e interna del producto, por lo que, es de suma importancia la elección del fundente en polvo en función del grado de acero a producir.
Los dos parámetros más importantes a considerar para explicar la función de los fundentes es el grado de fusión del fundente en polvo y la viscosidad de la escoria resultante. Estas propiedades controlan la lubricación y la transferencia de calor del acero al molde. Además de que el reciente proceso de colada continua de planchón delgado (thin slab casting), también utiliza fundentes en polvo, cuyo desempeño es aun mas critico por las mayores velocidades de colada y de los que se tiene una mayor falta de información.
Por lo anterior, surgió la necesidad de estudiar el comportamiento de fusión de los fundentes para la producción de planchón delgado de acero, a partir de la determinación de las temperaturas de transición del fundente (Temperatura de ablandamiento, fusión y fluidez) mediante una técnica de medición previamente establecida.
En el presente trabajo se determinaron las temperaturas de ablandamiento, fusión y fluidez de un fundente comercial para planchón delgado, además se determino el efecto de las adiciones de compuestos químicos (Al2O3 y Na2CO3) sobre las temperaturas de transición. Adicionalmente se utilizaron dos modelos reportado para la determinación de la viscosidad del fundente en base a la temperatura de fluidez determinada experimentalmente y su composición química.
La industria siderúrgica nacional continua con su tendencia exportadora y generadora de divisas, para lo cual se ha ajustado a los niveles de calidad imperantes en el mercado internacional y a optimizar sus procesos y costos de producción. Es por esta razón que se ha introducido ya en más del 90% y con tendencia creciente, el vaciado de acero por el proceso de colada continua por su mayor eficiencia metálica y los mejores niveles de calidad superficial e interna que se obtiene.
Sin embargo, los requerimientos para exportación son cada vez más estrictos y se vuelve más difícil continuar las políticas de reducción en costos y mejoras en la calidad. Uno de los puntos críticos es precisamente el proceso de colada continua, en que se requiere un conocimiento más profundo de todos los fenómenos metalúrgico-dinámicos que en él ocurren, a fin de aplicar este conocimiento en forma congruente para establecer los criterios correctos del manejo de las variables de operación a nivel industrial.
Algunos de los defectos superficiales más significativos, como las grietas longitudinales, grietas longitudinales en las esquinas y marcas profundas de oscilación, que llegan a presentarse hasta en más del 80% de las coladas en aceros peritécticos se atribuyen en gran medida al efecto de los fundentes en polvo para molde.
A pesar del uso rutinario de los fundentes para molde de colada continua y de los estudios realizados, no existe una prescripción para las plantas de colada continua, acerca de la selección de estos polvos, debido a que no se entiende por completo su efecto en el producto de colada, bajo condiciones de colado específicas.
Esto se debe parcialmente al hecho de que se espera que el fundente llene un gran número de funciones, las cuales no siempre son compatibles en términos de la propiedades requeridas del producto, por lo tanto la selección de los polvos depende fuertemente de los parámetros específicos de colada de cada planta, por lo que se han utilizado en buena parte por prueba y error, lo cual ha generado en gran porcentaje productos defectuosos y pérdidas en la productividad (1).
Los fundentes para molde son escorias sintéticas usadas para cubrir el acero líquido en el molde de colada continua de planchón, que cumplen diferentes funciones clave. Básicamente, los fundentes están constituidos por mezclas mecánicas de diversos materiales, principalmente: cenizas, escoria de alto horno, espato-flúor, carbonatos de álcalis y criolita.
La composición de los fundentes para molde está generalmente basada en el sistema SiO2-CaO-Al2O3, con óxidos alcalinos (Na2O) y fluoruros (CaF2) agregados como fluidizantes. El grafito es usado en cantidades de 3 a 6% para controlar las características de fusión de los fundentes (2).
Recientemente se ha reportado su uso también en la colada continua de productos no planos y en el reciente proceso de colada continua de planchón delgado (thin slab casting), el cual también utiliza fundentes en polvo, cuyo desempeño es aún más crítico por las mayores velocidades de colada, y de los que se tiene una mayor falta de información.
En 1997, la división de productos planos de Hylsa S.A. de C.V. en Monterrey fue premiada por sus altas operaciones y por su iniciación en la comercialización de láminas ultra-delgadas, chapa de acero en tiras laminado en caliente producido por el proceso de colada continua de planchón delgado.
El objetivo principal de la división de productos planos de Hylsa Monterrey S.A. de C.V. fue de vender en el año 2000, 100,000 toneladas métricas de acero laminado en caliente de 1.2 mm. En Hylsa Monterrey, la lamina delgada tiene un espesor aproximado de 1.5 mm o mas delgado y la lámina ultra-delgada tiene un espesor de 1.2 mm.
Actualmente, Hylsa puede manejar productos con espesores de 1.2 mm o mas delgados. Con la mezcla de las láminas delgadas y las láminas ultra-delgadas Hylsa espera estar produciendo cerca de 500,000 toneladas métricas por año.
El proceso de fabricación de productos planos de acero mediante la colada continua de planchón delgado (de 3 a 5 veces más delgado que el convencional) ha ganado aceptación rápidamente en esta década y promete transformar la industria del acero.
Por lo anterior, es de vital importancia conocer las propiedades físicas y químicas y determinar el comportamiento térmico de los fundentes para molde de colada continua de planchón delgado como una manera de controlar y aumentar los niveles de producción de acero mediante este novedoso proceso, además de mejorar la calidad superficial del producto de colada.
Los principales fabricantes de máquinas de colada continua de planchón delgado en el mundo son Schloemann-Siemag AKtiengesell schaft con su proceso de planta de tira compacta (CSP) y por Mannessmann-Demag y su proceso Planta de tira en línea (ISP). Datos de 1995 indican que se encuentran en operación 7 plantas de este tipo alrededor del mundo con una capacidad instalada de 10 millones de toneladas. (3)
Básicamente las principales diferencias de los fundentes utilizados en el proceso de planchón convencional y el de planchón delgado es el contenido de carbono y fluorita, los primeros contienen en promedio 3% C y 12% CaF2, mientras que los segundos contienen alrededor de 8-9% C y de 15-23% CaF2.
2.1.- Colada Continua.
La amplia adopción de la colada continua ha tenido un fuerte impacto en la industria del acero, debido a que una sección semiterminada, tal como un planchón, tocho o palanquilla son formadas directamente del acero líquido, sin la necesidad de pasar por las etapas del lingote o recalentamiento y laminado. Los costos de operación de una planta de fabricación de acero por colada continua son mucho menores que aquellos producidos por vaciado en lingotes y el posterior proceso de laminación.
El acero fundido pasa del reactor de aceración o refinación hacia una olla de vaciado, y de ésta a su vez pasa a un depósito llamado distribuidor. El acero fluye entonces, desde el distribuidor hacia uno o más moldes de cobre de fondo abierto enfriados por agua. Antes de iniciar el vaciado, se inserta una barra iniciadora o barra falsa en el fondo del molde, la cual promoverá la solidificación inicial del hilo.
Una vez iniciado el vaciado, cuando el nivel del metal sube en el molde a una altura deseada, la barra falsa se extrae gradualmente conforme el metal es introducido en el molde. La figura 1. Ilustra el proceso de colada continua.
El enfriamiento inicial del metal ocurre en la barra falsa. La solidificación continúa inmediatamente en la periferia del molde, aumentando paulatinamente el grosor de esta cáscara. La cáscara es de aproximadamente de 12 a 25 mm de espesor en la salida del fondo del molde. La tira de acero es soportada mecánicamente hacia abajo a través de la zona de enfriamiento secundario donde se rocía agua a presión en la superficie del planchón para completar el proceso de solidificación.
El soporte mecánico (rodillos superiores e inferiores) y el agua de enfriamiento actúan contra la presión ferrostática del centro líquido, evitando el abultamiento de las caras en el planchón. Después de que ha solidificado por completo, el planchón es cortado a la longitud deseada por un aparato cortador adecuado (4).
Fig. 1 Representación esquemática del proceso de colada continua.
2.2.- Fundentes para molde de colada continua.
Los fundentes para molde de colada continua ó los polvos para molde son escorias sintéticas que se agregan en forma manual o automática durante el colado del acero, los cuales se utilizan para cubrir el menisco de acero líquido en el molde. Se espera que los fundentes realicen una variedad de funciones.
La composición del fundente del molde se basa generalmente en el sistema SiO2- CaO-Al2O3. Además se agregan óxidos alcalinos y fluoruros como fluidizantes por ejemplo el CaF2 y Na2O. El grafito se utiliza generalmente de 3 a 6% con el fin de controlar la característica de fusión del fundente y mejorar las propiedades de aislamiento térmico de los fundentes.
Se espera que el fundente proteja la superficie líquida del metal de la reoxidación y de la excesiva pérdida de calor. Esta protección puede ser proporcionada por cualquier fundente que cumpla con los requerimientos de fusión del acero a producir y cubra completamente el menisco sin que transporte con facilidad el oxígeno de la atmósfera al acero.
El FeO en la escoria es particularmente perjudicial debido a su tendencia a aumentar el potencial del oxígeno en la interfase metal-escoria, reintroduciendo oxígeno al metal, además de que facilita el transporte de oxígeno de la atmósfera a la superficie del metal a través de la capa de escoria (5).
Los diferentes tipos de fundentes pueden ser catalogados como: polvos de base ceniza, polvos sintéticos y polvos prefundidos o fragmentados.
Las propiedades de los fundentes pueden ser controladas por la composición química del fundente y la morfología de sus componentes. Las propiedades que pueden ser controladas son las siguientes:
1. Temperatura de fusión.
2. Velocidad de fusión.
3. Viscosidad.
4. Tensión superficial.
5. Actividad química de sus componentes.
2.3.- Función de los fundentes para molde de colada continua.
Las principales funciones de los fundentes de colada continua son:
1. Proteger al menisco de la reoxidación a través del contacto directo con la atmósfera.
2. Aislar térmicamente la superficie del metal líquido para evitar una solidificación prematura.
3. Absorber y disolver inclusiones de alto punto de fusión, tales como productos de la desoxidación, y por lo tanto prevenir su atrapamiento en la cáscara solidificada.
4. Mejorar la lubricación para facilitar la salida del producto de colada del molde.
5. Controlar la velocidad y uniformidad de remoción de calor del producto para reducir los esfuerzos resultantes de la diferencia de temperaturas a través del espesor de la cáscara solidificada.
6. Controlar las características del menisco por sí mismo a través del control de la tensión interfacial para reducir la severidad de las marcas de oscilación, la fuente fundamental de grietas transversales.
2.4.- Comportamiento de fusión.
El proceso de fusión experimentado por un fundente en un molde de colada continua presenta cuatro etapas y se muestra en la Fig. 2:
1. Después de haber sido agregado dentro del molde, el polvo es calentado, reteniendo su estructura original y morfología.
2. Mientras el calentamiento avanza, el carbono en el polvo empieza a quemarse. Algunas partes del material base entran en contacto unas con otras, con lo cual empieza un proceso de sinterizado. Este proceso de sinterizado avanza con el calentamiento del polvo y la combustión del carbono.
3. El material base empieza a fundirse, formando gotas de fundente fundido alrededor de las partículas de carbono. Conforme las partículas de carbono se consumen, el material base fundido coalésce.
4. Finalmente se forma un baño de fundente fundido.
Posteriormente, la fase liquida fluye sobre la superficie del acero y se infiltra entre el molde y el acero durante el ciclo de oscilación. Una parte del fundente infiltrado solidifica cuando entra en contacto con la pared del molde de cobre enfriado por agua y forma una capa sólida, mientras que una capa de fundente fundido permanece en contacto con la cáscara de acero solidificado(5).
El acero es enfriado por la pared del molde, y el planchón de acero con un centro líquido es removido continuamente del fondo del molde a través de la cámara de aspersión donde se enfría por medio de agua rociada a presión. Al descender a lo largo de la pared del molde, los fundentes cumplen una función de lubricación y de
(6)
Fig. 2. Comportamiento del fundente para molde durante el proceso de colada continua.
2.5.- Velocidad de fusión de los fundentes para molde de colada continua.
La velocidad de fusión de los fundentes para molde de colada continua tiene un efecto significativo en el funcionamiento del polvo. La fusión de un polvo para molde determina la capacidad del fundente para mantener una cierta profundidad del líquido estable, lo cual es requerido para mantener un adecuado y continuo suministro del fundente fundido al hueco que se forma entre la pared del molde y el acero (7).
Cuando la velocidad de fusión es demasiado alta, es imposible mantener una capa estable de polvo sin reaccionar sobre la superficie del baño. Esta inestabilidad puede promover exposición intermitente de la capa de acero fundido a la atmósfera. El resultado es un incremento en pérdidas de calor, lo cual eventualmente provoca la formación de “material flotante”, el crecimiento del espesor del fundente y una solidificación prematura del menisco del acero.
Por otro lado, si la velocidad de fusión es demasiado baja, la carencia de fundente fundido provocara una infiltración desigual del fundente dentro del hueco molde/acero. Esto resulta en defectos del producto de colada tales como fracturas longitudinales y posibles poros.
Los resultados de pruebas de fusión han mostrado que los polvos al cubrir la superficie del acero líquido, forman varias capas y éstas son las mismas para los fundentes ya sean en polvo o granulados.
Diferentes pruebas han sido desarrolladas por varios investigadores (8) para explicar las velocidades de fusión de los polvos; aunque ninguna de estas es totalmente satisfactoria, se ha demostrado que la velocidad de fusión se incrementa por los siguientes factores:
1. Disminución del contenido de carbono libre.
2. Incremento del radio de las partículas de carbono.
3. Tipo de carbono.
4. Disminuyendo la temperatura de fusión (y consecuentemente la viscosidad) en función de la composición química del fundente.
5. Incrementando el tamaño de partícula de los constituyentes.
6. Incrementando el flujo de calor vertical (p. Ej. Incrementado la velocidad de colada).
El carbono presente en los polvos proviene de dos fuentes, carbono libre agregado a la mezcla de óxidos y carbono combinado presente como carbonatos en los óxidos minerales. Las partículas de carbono libres retardan la fusión de los fundentes para molde al evitar la coalescencia de las partículas de óxidos; esto quiere decir; que la velocidad de fusión disminuye cuando el contenido de carbono libre se incrementa.
La velocidad de fusión de diferentes polvos para molde puede también ser determinada usando medidas de profundidad de la capa fundida de escoria en el molde. Esta profundidad debe ser más grande que las suma de la amplitud de oscilación del molde y la variación del nivel del molde. Si la profundidad es más pequeña que el valor deseado, entonces la cantidad óptima de escoria lubricante no estará disponible por lo que el contenido de carbono del polvo para molde debe ser disminuido para incrementar la velocidad de fusión.
2.6.- formación de la película del fundente, lubricación y transferencia de calor.
El fundente para molde es consumido cuando el planchón es sacado del molde. El fundente provoca el movimiento del planchón para ser sacado entre la pared del molde y la superficie de este, como resultado se forma una capa de fundente alrededor del planchón. Se encontró que esta película de fundente reduce la incidencia de grietas longitudinales a la mitad de la cara del planchón.
Las fracturas longitudinales se originan de una combinación de esfuerzos térmicos y de torsión actuando en la dirección transversal. El esfuerzo térmico es generado por la diferencia de temperaturas a través del espesor de la cáscara sólida. Los esfuerzos de torsión son causados por la presión ferrostática interna, lo cual origina que se abombe la cáscara, por la contracción de solidificación y la contracción térmica.
Ambos esfuerzos son máximos tanto en la superficie del acero como a la mitad del ancho solidificado del acero en el molde (9). Es de vital importancia, entonces, que el fundente se infiltre entre el acero y el molde en una capa continua y uniforme.
Obviamente, es deseable que la escoria líquida, lubrique entre la pared molde- acero en la mayor parte de la longitud del molde. Para conseguirlo es necesario que el polvo seleccionado, tenga una temperatura de liquidus lo suficientemente baja que prevenga la solidificación parcial o total de la escoria en la parte baja del molde. La viscosidad de la escoria se selecciona usualmente para proporcionar una lubricación e infiltración optima.
Muchos de los defectos que se encuentran comúnmente en los procesos de colada continua están relacionados con el uso inadecuado de los polvos de molde.
Como ejemplo se pueden citar las grietas longitudinales, roturas de línea, agrietamiento de esponja y estrella, marcas de oscilación y formación de inclusiones.
Las grietas probablemente se forman en la parte superior del molde donde la temperatura superficial del planchón es de alrededor de 1340ºC, en este intervalo de temperatura, el acero tiene bajos esfuerzos y ductilidad. El problema se aleja cuando el intervalo de transferencia de calor se incrementa.
La presencia de una capa de fundente reduce generalmente la transferencia de calor en el molde, pero incrementa la transferencia de calor en la región del menisco. El incremento de la transferencia de calor en el menisco es el resultado del relleno del hueco provocado por la contracción de solidificación. Sin embargo, si el fundente no se infiltra uniformemente entre el molde y el acero, los esfuerzos localizados son generados, aumentando el problema de agrietamiento.
Varios autores (10) demostraron que la viscosidad del fundente tiene mayor efecto sobre la incidencia de las grietas longitudinales, y desde entonces varios otros autores (10) intentaron analizar la formación de la película del fundente y sus efectos sobre lubricación y transferencia de calor, usando varias suposiciones simplificadas.
Emi et al (9) y Kor (10) resolvieron la ecuación de movimiento de Navier Stokes para la región del menisco en el molde. Las conclusiones a las que llegaron son las siguientes:
1. Para mantener un cierto espesor de la película de fundente, la viscosidad del fundente debe ser disminuida así como la velocidad de vaciado debe ser incrementada.
2. Incrementando la frecuencia de oscilación para una viscosidad deseada, se incrementa la velocidad de vaciado para mantener un cierto espesor del fundente.
3. Una película gruesa provoca una baja velocidad de corte en el fundente, así como hacer más pequeña la amplitud y más baja la frecuencia de oscilación del molde.
4. El esfuerzo de corte transmitido a la superficie del planchón por el fundente hacia el extremo de la superficie endurecida por la alta velocidad de vaciado, alta viscosidad y pequeño espesor de la película es mucho menor que la fuerza producida del hierro puro.
Emi (9) encontró que el consumo del fundente disminuye con la viscosidad uniforme y que la velocidad de vaciado no tiene efecto sobre la velocidad de consumo, en contraste con las predicciones de Kor (10). Sin embargo, Emi (9) confirmo las conclusiones de kor (10) considerando la frecuencia de oscilación.
Emi (9) además determinó que el espesor de la capa de fundente se incrementa con la viscosidad hasta un cierto punto, debido a la disminución de la transferencia de calor en el molde.
Riboud (10) determinó que el espesor máximo de la capa de fundente puede ser controlada por la velocidad de fusión del fundente. Hasselstrom (10) confirmo lo anterior y ofrece la siguiente expresión para la velocidad del consumo de fundente (q) basado en la teoría de la lubricación general (Ec. 1):
h g
q uh ρFe
η 12 2
3
−
= ...(1)
Donde: u = velocidad de vaciado.
η = viscosidad.
ρFe = densidad del Fe.
g = aceleración de la gravedad.
La Ec. (2) muestra la velocidad de consumo óptimo
2 /
2 1
3 ⎥
⎦
⎢ ⎤
⎣
= ⎡
g u q u
ρFe
η ………. (2)
Esta ecuación nos indica que la velocidad de fusión del fundente puede ser proporcional a 1/3 de la velocidad de vaciado.
2.7.- Propiedades físicas de los fundentes.
2.7.1.- Viscosidad.
La viscosidad se define como una medida de la resistencia que presentan los fundentes a fluir cuando están sujetos a una fuerza externa como fue propuesto por Newton “los esfuerzos cortantes (τ), generado como un resultado del movimiento relativo de dos capas adyacentes en un líquido, es proporcional al gradiente de la velocidad (dv/dx) y perpendicular a la dirección de la fuerza aplicada. El factor de proporcionalidad es la viscosidad del fluido (η):
⎥⎦⎤
⎢⎣⎡
= dx η dv
τ ……….. (3)
2.7.2.- Medición de la viscosidad.
La viscosidad de los fundentes y escoria a altas temperaturas usualmente se determinan con un viscosímetro rotatorio. Este método de medida de torque es desarrollado cuando un agitador o varilla es rotado a una velocidad estable en un crisol lleno con fundente líquido. Existen otros tipos de pruebas para la determinación de la viscosidad tales como la esfera descendente y el plato oscilante.
2.7.3.- Determinación de factores de la viscosidad de flujos.
La viscosidad de un fundente fundido es determinada por su temperatura y composición química. La temperatura depende de la viscosidad sobre un intervalo de temperaturas de acuerdo a la ecuación de Arrhenius:
⎥⎦⎤
⎢⎣⎡
= RT
Aexp E
η ………(4)
Donde:
A = constante de Arrhenius.
E= energía de activación para flujos viscosos.
R= constante de los gases.
T= temperatura absoluta (k).
En cuanto a la composición química se encontró que la sílice es el factor principal que determina la viscosidad del fundente. Esto se pudo comprobar por el trabajo de IRSID(5), donde 16 fundentes sin alúmina fueron comparadas y a las cuales se les adicionaron SiO2 observándose un incremento en la viscosidad.
Por otro lado, también se observó que la Al2O3 incrementa la viscosidad y el nivel de influencia dependerá de los otros constituyentes del fundente.
Lanyi(11) investigó el efecto del incremento del contenido de Al2O3 , en el cual encontró que la viscosidad se incrementa gradualmente incrementando el contenido de Al2O3. Lo anterior, fue confirmado por Gruzbev(11) quién además encontró que el Cr2O3 tiene un efecto similar.
Para los sistemas de escorias incluidos los fundentes, los constituyentes que los conforman se clasifican en formadores de red tales como la sílice y la alúmina, otros constituyentes de los fundentes para molde son llamados modificadores de red, tales como los fluoruros (NaF, CaF2), álcalis (Na2O, K2O), y óxidos básicos (CaO, MgO, BaO, SrO), que disminuyen la viscosidad y la temperatura de transición de vidrio. El óxido bórico (B2O3), si bien es un formador de red también reduce la viscosidad notablemente como resultado de un bajo punto de temperatura de fusión.
2.7.4.- Modelos para el cálculo de la viscosidad.
Varios investigadores (12) han desarrollado modelos empíricos para el cálculo de las viscosidades de fundentes de colada continua a partir de su composición química. Mc Cauley y Apelian (12) midieron la viscosidad de 20 fundentes para molde de colada continua dentro de los intervalos de composición dados en la tabla I. determinaron que la viscosidad a una temperatura dada puede ser expresada como una función de la relación de la formación de la red de iones y aniones, o como una función de la fracción mol del silicio.
Tabla I. Rango de composición de polvos para molde usados en los modelos de predicción de viscosidades.
COMPOSICIÓN QUIMICA (% peso) MODELO
SiO2 Al2O3 CaO CaF2 Na2O MgO Li2O McCauley/Apelian 27-48 10 23-42 0-12 4-15 --- ---
IRSID 34-56 0-12 8-46 0-18 0-22 --- --- NIPPON STEEL 25-50 0-23 16-41 5-20 5-20 0-15 0-7
Riboud et al (12). en IRSID llevaron a cabo mediciones de la viscosidad de 23 fundentes sintéticos y 22 fundentes industriales dentro del rango de composición dado en la tabla I. El modelo de IRSID utiliza la ecuación de Frenkel (Ec. 5) para correlacionar la viscosidad con la temperatura y la composición:
) / exp(B T
= AT
η ...(5) Donde:
A y B = constantes T = temperatura (K)
El modelo divide los componentes en cinco constituyentes: CaO*, Na2O*, SiO2, Al2O3 y CaF2, donde la fracción mol de CaO* esta definida como:
X CaO* =X CaO + XMgO + XFeO + XMnO + XB2O3
Y para el Na2O, la fracción mol es:
X Na2O* = X Na2O + XK2O
La viscosidad es estimada usando estas dos ecuaciones previas y los valores de los parámetros A y B dados en la tabla 2.
Tabla 2. Ecuaciones para evaluar la viscosidad de los fundentes para moldes.
Modelo: IRSID
Ecuación: ⎟
⎠
⎜ ⎞
⎝
= ⎛
T AT exp B η
Donde: η= viscosidad (Pa·s) T= temperatura (K)
( ) ( ) ( )
[
19.81 1.73 * 5.82 2 7.02 2 35.76( 2 3]
exp XCaO XCaF XNaO XAlO
A= − + + + −
(
*)
46,356(
2)
39,159(
2)
68,833(
2 3)
23896 140
,
31 XCaO XCaF XNaO XAlO
B= − − − +
Donde: X= fracción molar
Modelo: NIPPON STEEL Ecuación:
T LnA B Lnη = +
Donde: η= viscosidad (Poise) T= temperatura (K)
816 . 4 19
. 0 063
. 0 121
. 0 061
. 0 242
.
0 2 3− − + 2− 2 −
−
= AlO CaO MgO CaF Na O
LnA
564 . 012 , 29 103
. 455 646
. 413 635
. 165 186
. 283 54
.
92 2+ 2 3− − 2− 2 +
−
= SiO AlO CaO CaF LiO
B
Con la composición en %mol.
Ecuación para la determinación de la temperatura de transición de vidrio.
Lee et al (12) y RIST (Korea) determinaron la ecuación para la temperatura de transición de vidrio, el cual llamaron temperatura de solidificación (Ts):
) ( 41 . 6 ) ( 55 . 8 ) ( 49 . 4 ) ( 41 . 1 ) ( 15 . 2 6 . 241 ,
1 XMgO XAl2O3 XNaO XCaF2 XLi2O
Ts= − − − − − ……(6)
Donde: T = temperatura (°C) X = %mol
Riboud y Larrecq (12) compararon la ecuación de IRSID contra la de McCauley y Apelian (12) usando los mismos datos que se dan en la tabla 1, concluyendo que:
1. El modelo de IRSID da una estimación exacta para la viscosidad.
2. La ecuación de McCauley y Apelian (12), expresada como una función de la relación de iones y aniones, proporciona una estimación aceptable, aunque es menos exacta que IRSID, siempre que los contenidos de CaF2 y NaF no excedan el 15%.
3. La ecuación de McCauley y Apelian (12), expresada en términos del contenido de SiO2, da una estimación pobre para la viscosidad cuando el contenido de Al2O3 es menor del 10%.
Koyama et al (12) y Nippon Steel llevaron a cabo medidas de la viscosidad en fundentes dentro del intervalo de composición de la tabla I. Mediante análisis estadístico de 483 datos, obteniendo la ecuación representada en la tabla 2.
Koyama et al (12) encontró que la ecuación de IRSID además de dar un buena concordancia para fundentes con Li2O sin MgO, predice valores de la viscosidad que no van de acuerdo con los medidos para fundentes que contienen MgO.
Koyama et al (12) determinó que al considerar MgO como CaO es una fuente de error. Su ecuación produce un coeficiente de correlación de 0.96, que fue superior al de la ecuación de IRSID para un sistema de fundente con MgO.
Las ecuaciones presentadas en la tabla 2. Respetando sus limitaciones e intervalos de validez, son una poderosa herramienta auxiliar en el diseño de fundentes en función de la viscosidad y la temperatura de transición de vidrio.
2.7.5.- Diagrama Seudoternario de Mills.
De acuerdo a Mills (13), se puede representar la composición química de los fundentes de una manera simple en el diagrama Seudoternario CaO-SiO2-NaF, que además nos permita visualizar algunas de sus propiedades. La construcción de este diagrama parte de la base termodinámica, en el cual el Na2O y el CaF2
reaccionan para formar NaF y por lo tanto los contenidos de Na2O y CaF2 están representados en términos del NaF de acuerdo a la siguiente reacción:
NaF CaO
CaF O
Na2 + 2 = +2
Por ser la SiO2 y el Al2O3 formadores de red, ambos se consideran en el componente de la SiO2; en el componente del CaO se considera la suma de los óxidos CaO, MgO, FeO, MnO y algún exceso del Na2O que permanece después de satisfacer la reacción química anterior.
El modelo de Mills (13) consiste en calcular el número de moles de cada componente del sistema NaF-SiO2-Al2O3 y posteriormente la fracción mol de cada componente, considerando algún exceso del Na2O sin reaccionar conocido como
“k” en el modelo, el cual se suma a las moles del componente CaO.
2.8.- Selección de los fundentes en polvo para moldes de colada continua de planchón delgado.
La producción de planchones por promedio de colada continua de planchón delgado y laminación directa llego a ser una de las mejores tecnologías durante la década pasada y es ahora experimentado por 30 lugares mundiales. Desde los primeros días Corus identificó esta tecnología integrada como la existencia de una excelente ruta para la producción de planchones de un tamaño más delgado que son usualmente producidos en coladas continuas para planchones convencionales en combinación con laminadores.
El DSP (Direct Sheet Plant) completó la transformación a un 100% de los productos planos de la producción en IJmuiden. Esto formó una segunda ruta a los productos planos en adición a las coladas convencionales y laminadores de planchones en frío y en caliente.
El laminador es directamente alimentado de la colada continua de planchón delgado el cual esta dedicado a la producción de tamaños delgados y esto se refleja en su capacidad por (semi) laminación continua. Además, el laminador esta optimizado para laminación ferrítica, el cual ofrece una flexibilidad extra hacia el control de las propiedades del producto final.
El control del proceso de planchón delgado es más estricto, por lo cual se asume generalmente que las propiedades del fundente para molde llegan a ser más críticas. Así que fue necesario tener un nuevo entendimiento de la composición del fundente para molde y de las propiedades físicas.
Recientemente, algunos autores (14,15) revisaron las aplicaciones de los fundentes en polvo, incluyendo experiencias en planta para planchón delgado. En general, el uso de los fundentes en polvo para molde de planchón delgado son derivados de
Las mejoras de los fundentes en polvo se basan principalmente en determinaciones de sus propiedades térmicas en función de su composición química, morfología y distribución de tamaños, sus efectos se observan directamente en la lubricación y la transferencia de calor del molde al acero por lo cual son considerados parámetros importantes.
El comportamiento de fusión de un fundente en polvo influye fuertemente en la profundidad del charco líquido y la susceptibilidad hacia la formación del borde. El comportamiento de fusión puede ser descrita por la trayectoria de fusión y la velocidad de fusión.
En ambos casos, las adiciones de carbono libre (Clibre) es considerado como un factor principal. El otro parámetro principal es la condición de flujo en el molde por ejemplo la estabilidad del menisco durante el vaciado. La profundidad del charco líquido es resultado de los valores en equilibrio de la alimentación y la infiltración del fundente en polvo para molde.
Las adiciones de carbono libre son muy importantes para controlar el comportamiento de fusión de un fundente en polvo para molde. En adición a esto, los carbonatos también afectan la fusión del fundente en polvo para molde.
Durante el vaciado, el carbonato genera CO2 y este aumenta la velocidad de fusión debido a la agitación de la capa de fundente.
Considerando una distribución desigual de las partículas de carbono, el efecto del carbonato probablemente no promueva la fusión de aquellos fundentes en polvo para molde, pero aumenta la formación de borde. Quizás esto pueda ser una lejana explicación por el mal desempeño de algunos fundentes en polvo para molde y será un punto de atención en el futuro.
Comparando con los fundentes en polvo para molde de colada continua de planchón delgado, el éxito de los fundentes en polvo para planchones convencionales mostró una pobre distribución de carbono libre. Esto indica que la formación de escorias a bajas velocidades de vaciado (<1.9m/min.) y/o a menor espesor de la lamina (225 mm) es menos crítica.
2.9.- Principio de diseño de fundentes en polvo a altas velocidades.
La máxima velocidad de colada continua de planchón que tiene una larga sección transversal es de 2-2.5m/min. Para un acero bajo carbono desoxidado con aluminio. Esta colada continua fue desarrollada en Europa y Estados Unidos, ganando esta última por tener una velocidad de colada de 3-3.5 m/min.
En el caso de colada continua de acero, la lubricación entre la pared del molde y la cáscara solidificada esta suministrada por los polvos fundidos de molde sobre el meniscos del molde.
Generalmente la frecuencia de roturas por pegaduras se incrementa cuando el grosor de la película del polvo disminuye, porque el consumo del polvo decrece cuando la velocidad de colada se incrementa. De esta manera el principio de la investigación del diseño del fundente en polvo es muy importante para desarrollar una técnica para altas velocidades de colada continua.
2.9.1.- Efecto del carbono libre.
El contenido de carbono libre es un factor eficaz para controlar el intervalo de fusión de los fundentes. Se considera que el carbono libre sirve como una barrera inerte entre las partículas sólidas y las gotas liquidas.
El carbono negro es más efectivo que el coke. Este fenómeno se debe a la diferencia del tamaño de partículas. Las partículas finas tales como el del carbono negro son más efectivas por la capa de óxido que tienen las partículas (o fluoruro) y no las partículas gruesas tales como el coke.
2.9.2.- Efecto del carbonato
Generalmente una cantidad razonable de iones metálicos de tierras alcalinas son adicionados a un fundente en polvo. Estos iones son adicionados como fluoruros o carbonatos, porque sus óxidos son inestables en estado sólido. Los fluoruros son relativamente estables en el estado líquido en aceros fundidos, pero los carbonatos reaccionan con facilidad.
MxCO3 + C MxO + 2CO (g) MxCO3 + C MxO + CO2 (g)
Donde: M = Li, Na, K, Mg, Ca, Ba, etc.
El CO y CO2 son gases generados por los carbonatos. Estos gases generados por los carbonatos presentes pueden ser un factor importante para explicar el comportamiento de fusión del fundente en polvo. Sin embargo, el efecto de una reacción de disociación del carbono sobre el rango de fusión nunca ha sido investigado.
2.10.- Proceso convencional Vs Proceso de planchón delgado
El proceso de colada cercano a la forma final (Near net Shape) implica la colada directa del metal en (o cercano a) la forma final. El proceso “Near net shape”
integra la colada y los primeros pasos de deformación en los molinos de laminación para obtener formas útiles directamente del acero líquido. El proceso convencional produce planchones con espesores en el intervalo de 120 a 300 mm
con velocidades de colada promedio de 2 m/min., mientras que el proceso de colada continua de planchón delgado se obtienen planchones con espesores en el intervalo de 30-60 mm obtenidos con velocidades de 4 a 6 m/min. Las tablas 3 y 4 muestran algunas características del proceso de planchón delgado y del proceso de planchón convencional respectivamente.
Tabla 3. Condiciones de colada para planchón delgado (1995)
Localización Capacidad Espeso del planchón (mm) Inicio Nucor Steel (CSP)
Crawfordsville, USA
900,000 40-50 1989
Nucos Steel (CSP) Hickman, USA
1,000,000 50 1992
AST,(CSP) Terni, Italy
- 50 1992
Arvedi (ISP) Cremona, Italy
500,000 30-60 1992
Nucor Steel (CSP) Crawfordsville, USA
900,000 40-50 1994
Nucor Steel (CSP) Hickman, USA
1,000,000 50 1994
HYLSA (CSP) Monterrey, México
900,000 50 1994
Hanbo Steel (CSP) Asan Bay, Korea
1,000,000 50 1995
Adicionalmente con el nuevo proceso CSP se obtienen considerables ahorros en energía de hasta 0.6 GJ/ton de acero rolado comparado con el proceso convencional. La tabla 5 muestra datos adicionales del proceso CSP en Estados Unidos.
Tabla 4. Tipo de maquinas y condiciones de colada para planchón convencional
No. de Máquina 1 2 3
Tipo de Máquina VOEST CONCAST DST
Tipo de molde recto curvo curvo
Longitud del molde (mm) 900 700 700 Velocidad de salida (m/min) 0.75-1.2 0.6-0.75 0.9-1.2
Tabla 5 Datos del proceso CSP en Estados Unidos (1995)
CSP (1995) CSP (2000) CSP (2010) Datos Técnicos
Tamaño típico (ton/años) Tiempo de vida (años) Construcción (años)
500-1,000,000 30 1.5
500-1,000,000 30 1.5
500-1,000,000 30 1.5
Datos de Energía
Uso de combustible (GJ/thm) Uso de electricidad (Gj/t) Energía Primaria (Gj/t) Ahorros (%)
0.38 0.12 0.7
77
0.38 0.12 0.7
77
0.38 0.12 0.7
78
Datos Ambientales Emisiones CO2 (%) Emisiones SO2 , NOX (%) Otras emisiones
-77 -77 Polvo/agua
-77 -77 Polvo/agua
-78 -78 Polvo/agua
Capacidad EU (ton/años) Capacidad en el exterior (ton/años)
1,000,000
5,700,000
1,900,000
14,600,000
N/A
N/A
La tabla 6 y 7 muestras composiciones típicas de fundentes de planchón delgado(14) y convencionales(16) respectivamente, se observa que la principal diferencia radica en el contenido del C y CaF2 siendo estos contenidos mayores para los fundentes de planchón delgado.
Tabla 6 Análisis químicos de fundentes para planchón delgado TIPO DE POLVO COMPUESTO
A B C D E F
SiO2 25.3 27.2 26.7 26 32.8 29
CaO 33.1 34.4 34 34.3 26.5 35
MgO 3.7 3.7 3.4 3.6 1.2 1
Al2O3 3.9 3.8 3.7 3.9 5.1 2.8
Fe2O3 0.57 0.27 0.27 0.36 1.6 0.64
Na2O+K2O 8.83 8.62 8.32 8.19 12.62 4.67
Li2O 0.8 0.7 0.7 0.93 0.01
CaF2 20.34 21.57 20.54 23.63 18.69 23
C total 8.72 7.86 7.83 7.7 6.52 11
Tabla 7. Análisis químico de fundentes comerciales
COMPUESTO A B C D
SiO2 29.48 24.98 24.96 28.32
CaO 27.64 20.07 16.31 32.74
MgO 0.96 5.67 0.74 0.34
Al2O3 3.74 4.81 9.63 5.34
Fe2O3 1.18 0.50 - 0.52
Fe3O4 - - 9.67 -
MnO 0.03 0.08 0.02 0.11
Na2O 6.07 10.79 10.79 5.39
K2O 0.3 0.30 0.18 0.15
C 2.93 3.06 0.39 2.7
CaF2 9.23 11.96 14.47 12.35
3.1.- Diagrama de Flujo
El diagrama de flujo de la Fig. 3 muestra el desarrollo experimental que se siguió para llevar a cabo el estudio del comportamiento del fundente en polvo.
Para llevar a cabo dicho estudio se contó con un fundente en polvo para planchón delgado de acero de un proveedor Alemán, de marca Metallurgica.
FUNDENTE
ANALISIS QUIMICO
DRX
PRUEBAS DE FUSIÓN ADICIÓN:
Al2O3: 1,2,4,6 y 10 Na2O: 3,6 y 9
TEMP. DE ABLANDAMIENTO, FUSIÓN Y FLUIDEZ
MEB
CALCULO DE LA VISCOSIDAD MODELOS: IRSID Y
NIPPON-STEEL
CONCLUSIONES DEL COMPORTAMIENTO DE
FUSIÓN.
Fig. 3 Diagrama de flujo del desarrollo experimental del fundente en polvo.
3.2.- Equipo y materias primas
A) MATERIALES
- Fundente en polvo para planchón delgado marca Metallurgica - Carbonato de sodio, Anhídrido (polvo) grado reactivo
- Alúmina en polvo grado reactivo
- Cemento refractario
- Camisas de cerámicas para termopar
B) EQUIPO
- MEB JEOL 6300
- Difractómetro Broker D8 focus - Mortero de alúmina
- Balanza analítica digital
- termopares Cromel – alúmel tipo “k”
- Horno tubular de resistencia (Tmax=1200°C) Φ= 20mm y L= 170mm - Transformador variable para controlar la corriente alimentada - Graficador digital de cuatro canales
- Portamuestras de acero inoxidable.
- Dados de acero inoxidable.
3.3.- Análisis químico
El fundente para planchón delgado tiene forma esférica, el cual se analizó por métodos convencionales de titulación y absorción atómica para determinar su composición química.
3.4.- Pruebas de difracción de rayos X (DRX)
Con la finalidad de conocer las especies mineralógicas presentes en el fundente en polvo (marca metallurgica), se caracterizó por difracción de rayos X.
El análisis se llevo a cabo empleando un difractómetro Broker D8 focus con los siguientes parámetros de prueba (tabla 8).
Tabla 8 Parámetros de DRX.
Colimadores 2 -2.2 mm Escala 2θ 20 – 100º Incrementos 0.2 Velocidad de barrido 2º/min.
Radiación Cu- Kα
3.5.- Microscopia electrónica de barrido.
Se utilizó el Microscopio Electrónico de Barrido JEOL 6300 para la observación de la morfología, tamaños y distribución del fundente, la observación se hizo con electrones retrodispersados. Las condiciones de observación fueron: 20 KV con una distancia de trabajo de 15 mm y una lente condensadora de 2. Por ser los fundentes óxidos metálicos no conductores, se recubrieron por evaporación con grafito sobre su superficie para poder ser observados en el microscopio, para ello se empleo la evaporadora de grafito Denton Vacuum Desk II. Se empleó el método de análisis EDS (Energy Dispersive Spectra) para obtener por microanálisis la composición química cualitativa del fundente en polvo, las condiciones de operación fueron: 15 Kv y una distancia de trabajo de 39 mm, examinando un área de muestra de 140 por 120 µm, correspondiente a 600 aumentos.
3.6.- Pruebas de fusión
Para el desarrollo de las pruebas de fusión de los fundentes y la determinación de las temperaturas de transición se adaptó el siguiente sistema experimental (Fig. 4) el cual consta básicamente de un horno tubular, un graficador digital, un transformador variable (reóstato) y un termopar “cromel-alúmel”.
Antes de llevar a cabo la determinación experimental de las temperaturas de transición se determinó el perfil de temperaturas y se construyeron algunos dados y bases de acero inoxidable 304, los cuales sirven para fabricar cilindros de fundente compactado y como soporte respectivamente para introducirlos en el horno y desarrollar las pruebas.
Fig. 4. Sistema experimental 3.7.- Preparación de dados y portamuestras
Para el desarrollo de las pruebas de medición de temperaturas de transición del fundente en polvo se llevo a cabo primeramente la preparación de los portamuestras a partir de la placa de acero inoxidable austenítico con las siguientes dimensiones Fig. 5 y 6:
Fig. 5 Dado y émbolo de acero inoxidable. AISI 304 (Dimensiones en mm)
Fig. 6 Contenedor de acero inoxidable AISI-304 (Dimensiones en mm)
3.8.- Determinación del perfil de temperaturas del horno
Se determinó el perfil de temperaturas del horno de resistencia para conocer la zona del horno en donde la temperatura sea constante y poder tener la certeza de que la temperatura no varía en esta zona. Para poder determinar el perfil de temperaturas del horno se realizó lo siguiente:
Se utilizaron dos termopares tipo “k” Cromel – alúmel, uno de los termopares se coloco en el centro del horno mientras que al segundo termopar se graduó con marcas de 1 cm., colocándolo en un extremo del horno, posteriormente se procedió a suministrar corriente al horno por medio de un transformador variable a un voltaje de 20 volts, después de un determinado tiempo el horno alcanzó una temperatura que se mantuvo constante, esto se observó en el graficador digital por la señal del termopar que se encuentra en el centro del horno.
Una vez que se mantiene constante la temperatura, se procedió a variar la posición del segundo termopar dentro del horno introduciéndolo un centímetro y registrando la temperatura de esa zona cuando se estabiliza la lectura, este procedimiento se lleva a cabo hasta terminar con la longitud total del horno.
Los valores de temperaturas obtenidos como resultado son graficados (Fig. 7) para poder establecer la distancia y la posición del intervalo de temperatura confiable, en este caso la distancia que se estableció fue de 8cm. en el centro del horno.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 300
400 500 600 700 800 900 1000 1100
LONGITUD DEL HORNO (cm)
TEMPERATURA(°C)
ZONA DE TRABAJO
T. cte= 1000°C
3.9.- Fabricación de los cilindros compactados de fundente en polvo
Con los dados de acero inoxidable se comenzó la fabricación de los cilindros de fundente (para planchón delgado) de 0.3g, para evaluar las temperaturas de transición del fundente en el sistema experimental de la Fig. 4. Dicha fabricación de los cilindros de fundentes compactados se lleva a cabo de la siguiente manera:
1. En un mortero se mezcla el fundente en polvo con algunas gotas de alcohol, esto es con la finalidad de darle mayor consistencia al cilindro, además de evitar que el cilindro se adhiera a las paredes del dado.
2. Una vez que el dado se encuentra en una superficie plana, se procede a llenarlo de fundente con la ayuda de una espátula.
3. Se compacta manualmente con el émbolo y se prosigue a llenarlo nuevamente hasta la parte superior del dado, adicionando una gota de alcohol para luego compactarlo nuevamente.
4. Para poder extraer el cilindro en verde del dado se cuenta con un émbolo mas grande el cual permite ejercer presión por un lado del dado y por el otro se va extrayendo de forma gradual el cilindro de fundente compactado para finalmente obtener cilindros de fundente compactado de 6mm de diámetro y 10mm de altura; los cuales están listos para ser introducidos en el horno.
3.10.- Determinación de las temperaturas de ablandamiento, fusión y fluidez.
Para determinar las temperaturas de ablandamiento, fusión y fluidez se realiza de forma visual por comparación de alturas llevándose a cabo de la siguiente forma:
1. En las esquinas de dicho portamuestras se introducen dos pequeñas referencias constituidas por alambre de termopar, la primera con un altura de 0.8 cm. de la altura del cilindro de fundente y la segunda a una altura de 0.5 cm. de la altura del cilindro de fundente.
2. Se coloca el cilindro de fundente compactado sobre el portamuestras.
3. Se coloca el portamuestras en la zona de trabajo que se determinó anteriormente, el cual nos indica que es en el centro del horno y también se coloca el termopar cromel-alumel lo mas cercano posible del portamuestras Fig. 8.
4. Se suministra corriente por medio del transformador variable, esto se realiza de forma gradual ya que se aumentan 5 volts cada 5 minutos hasta alcanzar un voltaje de 30 volts.
5. La temperatura del horno comienza a aumentar, por lo cual en un cierto tiempo la altura del cilindro del fundente comienza a disminuir hasta alcanzar la altura de la primera referencia que es de 0.8 cm., cuando esto ocurre se registra la temperatura que reporta el graficador la cual es considerada como la temperatura de ablandamiento Fig. 9b.
6. Al continuar la prueba la temperatura se va elevando y el tamaño del cilindro sigue disminuyendo hasta alcanzar la altura de la segunda referencia que es de 0.5 cm. de la altura inicial del cilindro registrando nuevamente la temperatura que reporta el graficador, considerándola como la temperatura de fusión Fig. 9c.
7. Finalmente el cilindro se funde completamente y comienza a fluir por el barreno inferior del contenedor, cuando esto ocurre se registra de nuevo la
8. Al finalizar la prueba, se comienza a bajar de forma gradual el voltaje del transformador variable, es decir se bajan 5 volts cada 5 minutos hasta alcanzar una temperatura de 300 ºC, y finalmente se extrae el portamuestras.
Fig. 8 Representación esquemática de la práctica de medición de temperaturas de ablandamiento, fusión y fluidez.
Fig. 9 Representación esquemática de la determinación de las temperaturas de b) Ablandamiento, c) Fusión y d) Fluidez
4.1.- Análisis químico
Del análisis químico que se muestra en la tabla 9. Se observa que los componentes mayoritarios presentes en el fundente en polvo son el SiO2 y el CaO, lo cual concuerda con lo reportado en la literatura; sin embargo, se observa una gran cantidad de fluorita (CaF2) y carbono total los cuales son deseables en un fundente para la producción de planchón delgado ya que este último es importante para controlar el comportamiento de fusión y en menor proporción se tiene Al2O3, Na2O, K2O y MgO.
Tabla 9. Análisis químico del fundente en polvo para planchón delgado de acero.
COMPOSICIÓN QUIMICA.
% PESO.
SiO2 29 CaO 35 MgO 1 Al2O3 2.80
CT 11
CaF2 23 Na2O 4.47 K2O 0.20
4.2.- Difracción de Rayos X
A fin de conocer las especies mineralógicas presentes en el fundente en polvo para planchón delgado, se utilizó para su caracterización de este la técnica de difracción de rayos X. los resultados de esta prueba, se presenta en el difractográma de la Fig. 10, en el cual se puede apreciar que en el fundente en polvo aparecen compuestos químicos simples, tales como: C, Al2O3, SiO2, CaCO3
y CaF2. Asímismo se observa que estos resultados coinciden con los resultados que se obtuvieron del análisis químico, ya que se puede ver claramente que la fluorita (CaF2), la sílice (SiO2) y el grafito (C) son los componentes mayoritarios presentes en el fundente en polvo para planchón delgado y que en este caso el calcio se encuentra combinado con el silicio formando la especie pseudo- wollastonita (CaSiO3), además de que el calcio esta presente como calcita (CaCO3), también se observa en menor proporción a la alúmina (Al2O3).
20 40 60 80 100
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600
INTENSIDAD(cps)
2Φ
CaCO3
SiO2 CaSiO3 C CaF2
Al2O3
Fig. 10 Difractográma del fundente en polvo de marca Metallurgica.
4.3.- MEB y Microanálisis
Fig.11. Fotomicrografías de MEB a 600X
En la microfotografía de la Fig. 11 se aprecia una mezcla de una gran variedad de partículas de diferentes tamaños y formas. De la técnica de electrones retrodispersados por contraste composicional, se puede establecer que las partículas claras son las que tienen el mayor número atómico; éstas pueden corresponder a óxidos de hierro y a la calcita, mientras que las partículas obscuras corresponden a las especies más ligeras que pueden atribuirse a minerales que contienen Al2O3, Na2O y K2O, como los feldespatos, arcillas o grafito.
El análisis por EDS del fundente de planchón delgado se observa en la figura 12.
A pesar de ser un análisis cualitativo, concuerda con los análisis químicos reportados, ya que se observan como componentes mayoritarios al Silicio y al calcio; se deben tomar con reserva los resultados del carbono y el oxígeno, por ser elementos de bajo número atómico. En este análisis no se reveló la presencia de fluor porque no es detectable por el detector del microscopio, constituido por una ventana de berilio
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0
ENERGIA (KeV)
Fe Ca
K Si
S Na
Mg C K K O
Al
K K
Ca
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0
ENERGIA (KeV)
Fe Ca
K Si
S Na
Mg C K K O
Al
K K
Ca
34.31 O
1.51 Fe
0.13 K
24.52 Ca
11.02 Si
0.63 Al
0.00 Mg
3.67 Na
24.20 C
% PESO ELEMENTO
Fig.12. Microanálisis del fundente de planchón delgado
4.4.- Incertidumbre absoluta de las temperaturas de ablandamiento, fusión y fluidez.
Debido a que las mediciones experimentales de las temperaturas de transición tienen un cierto grado de error, se llevo a cabo un análisis estadístico para determinar la incertidumbre absoluta de estás mediciones, para lo cual se hicieron repeticiones de las pruebas, para el fundente en polvo sin adiciones se llevaron a cabo 7 pruebas y para cada una de las adiciones se realizaron pruebas por triplicado. Las tablas 6, 7, 8, 9 y 10 corresponden a las pruebas con adiciones de Al2O3, mientras que las tablas 11, 12 y 13 correspondes a las pruebas con adiciones de Na2CO3.
Para determinar la incertidumbre relativa, se calculó la media aritmética de las temperaturas de ablandamiento, fusión y fluidez con sus respectivas adiciones, para posteriormente restar la media aritmética con cada una de las temperaturas mencionadas anteriormente.
Como podemos observar en la tabla 10 la incertidumbre absoluta de las temperaturas de ablandamiento es de ±10 lo cual significa que es el intervalo de las temperaturas de los valores que también pudieron haberse obtenido durante la medición con cierta probabilidad.
Para las temperaturas de fusión, podemos observar una incertidumbre absoluta de
±14, quizás esta variación se debió a un intercambio de calor entre el termopar y la muestra. Por otro lado, podemos notar que las temperaturas de fluidez también tienen variaciones similares a las de las temperaturas de ablandamiento y fusión ya que su incertidumbre absoluta es de ±11.
Tabla. 10 Temperatura de ablandamiento, fusión y fluidez del fundente en polvo de planchón delgado sin adiciones.
Sin Adiciones No.
de prueba
T
ablandamiento °C
Incertidumbre absoluta
(± )
T fusión
°C
Incertidumbre absoluta
(± )
T fluidez
°C
Incertidumbre absoluta
(± )
1 1064.4 5.07 1101.2 3.54 1115 0.41 2 1070 10.67 1112 14.34 1127 11.59 3 1063.4 4.07 1102.1 4.44 1110.8 4.61 4 1053 6.33 1087.7 9.96 1103.5 11.91 5 1053 6.33 1088.8 8.86 1117.9 2.49 6 1053.2 6.13 1095.9 1.76 1123 7.59 7 1058.3 1.03 1095.9 1.76 1110.7 4.71
En la tabla 11 se presentan las temperaturas de ablandamiento, fusión y fluidez del fundente en polvo con 1% de Al2O3 al igual que sus respectivos intervalos de incertidumbre. Para los tres casos, es decir, para las temperaturas de ablandamiento, fusión y fluidez podemos observa un rango de error estimado de
±1 a ±7, lo cual significa que se tuvo un mínimo de error.
