INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA QUIMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA METALURGICA
SECCION DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACION
PROYECTO DE INVESTIGACION:
Obtención y Caracterización de Fundentes Para Molde de Colada Continua de Acero
Clave: 20060050
DIRECTOR DEL PROYECTO DR. ALEJANDRO CRUZ RAMIREZ
México D.F. Enero 2007
1. RESUMEN
Los fundentes en polvo utilizados en el molde de colada continua cumplen diferentes funciones clave, por lo que juegan un papel preponderante tanto en la calidad de los productos de colada, como en el control mismo del proceso. Estos polvos tienen una influencia significativa en los fenómenos de transferencia de calor, contracción y solidificación del acero.
Actualmente las acerías mexicanas utilizan fundentes de procedencia extranjera, lo cual muestra la urgencia de generar tecnología propia que permita su fabricación, así como la comprensión de su comportamiento en los fenómenos de solidificación del acero. El presente trabajo establece criterios de diseño para la fabricación de fundentes en polvo a partir de materiales, disponibles en el mercado local.
Se caracterizaron fundentes comerciales empleados en plantas siderúrgicas en México mediante pruebas de laboratorio: análisis mineralógico, análisis químico, comportamiento de fusión y solidificación, DRX y MEB, que aunado al monitoreo del cambio de propiedades de estos fundentes al ser modificados mediante adiciones de compuestos químicos, permitió obtener criterios y estrategias de diseño que sirvieron de base para elaborar nuevos fundentes a partir de minerales.
La caracterización de los fundentes comerciales indica que se fabrican por simple mezcla mecánica de minerales, utilizando feldespatos y arcillas como materiales base, que contienen SiO2, Al2O3, Na2O y en menor proporción K2O, MgO, Fe2O3 y MnO; caliza como fuente principal de CaO, fluorita (CaF2) como fluidizante y grafito como fuente de carbono. Mediante pruebas de solidificación se identificó la presencia de una gran variedad de especies cristalinas formadas durante la solidificación de los fundentes, las cuales tienen una influencia directa sobre los fenómenos de transferencia de calor en el hueco molde – hilo.
2. INTRODUCCION
En años recientes, la colada continua de acero ha hecho rápidos progresos con el mejoramiento de la tecnología en la producción de acero y la disminución de los pasos requeridos para ello. El uso de fundentes en polvo es ahora una práctica prioritaria en colada continua, debido a su fuerte impacto sobre la calidad superficial e interna del producto de colada de acero y la productividad de la máquina de colada continua.
Además del aislamiento químico y térmico de la superficie de acero fundido, funciones originales otorgadas a los fundentes en polvo, actualmente son conocidos como una herramienta efectiva para controlar el flujo de calor y la fricción entre el molde y la cáscara solidificada de acero. En vista de lo anterior, es de suma importancia la elección de un fundente óptimo para un grado de acero y condiciones de colada determinadas o para resolver un problema en particular.
Los fundentes o polvos de molde son escorias sintéticas usadas para cubrir el acero líquido en el molde de colada continua de planchón, que cumplen diferentes funciones clave. Recientemente se ha reportado su uso también en la colada continua de productos no planos, además de que el reciente proceso de colada continua de planchón delgado (thin slab casting) 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.
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.
Justificación
Debido a los numerosos factores involucrados y a una carencia de conocimiento sobre los mecanismos que afectan la calidad del producto, la selección de un fundente en polvo ha sido en su mayoría por prueba y error o simplemente dejando al proveedor la posible solución a los problemas, con cambios de formulación no especificados al cliente. Tal procedimiento no ha sido suficientemente eficaz para reducir defectos y pérdidas en la productividad.
El proceso de colada continua constituye actualmente la base para la producción de acero en el mundo. En México, desde su privatización a principios de los años 90, se ha seguido la tendencia internacional de incorporar el proceso de colada continua practicamente a la totalidad de la producción de acero. Por otro lado, el sector siderúrgico se constituyó en el único que logró mantener un crecimiento sostenido en los últimos años.
A fin de continuar la tendencia exportadora y generadora de divisas, este ramo industrial ha tenido que ajustarse a los requerimientos de calidad imperantes en el mercado internacional y a optimizar sus procesos y costos de producción. En las dos grandes siderúrgicas nacionales enfocadas a la producción de acero para productos planos, AMHSA e IMEXSA, se ha identificado al proceso de colada continua de planchón como el paso critico para el control de la calidad superficial del acero producido.
Actualmente los proveedores de fundentes en polvo para las acerías mexicanas son compañías extranjeras (norteamericanas y alemanas principalmente), que fabrican los fundentes variando las relaciones de mezcla de las materias primas para obtener propiedades térmicas determinadas, sin que las características específicas de las mezclas sean conocidas. Esta clara dependencia explica la necesidad de generar la tecnología que permita su fabricación nacional.
El desempeño de los fundentes en polvo tiene un efecto significativo en la calidad superficial y en la calidad general del producto de colada continua; y
puede regularse mediante una óptima selección del fundente, de acuerdo a las condiciones de colada y tipo de acero a fabricar.
Estos defectos superficiales pueden ser disminuidos significativamente seleccionando adecuadamente los fundentes en polvo, para generar una apropiada transferencia de calor en la interfase molde-acero disminuyendo de esta forma la generación de defectos superficiales.
OBJETIVOS
Establecer criterios de diseño de fundentes comerciales para distintos grados de acero mediante su caracterización que permitan su fabricación a partir de materia prima disponible en el mercado nacional.
3. METODOS Y MATERIALES
ETAPA 1. Caracterización de Fundentes Comerciales
La experimentación se realizó en dos etapas, la primera de ellas basada en el estudio de las propiedades físicas, químicas y de uso de cuatro fundentes comerciales y modificaciones de ellos en su composición original por adiciones de Na2CO3, C, CaF2 y Al2O3 principalmente. La segunda etapa, consiste en la fabricación de fundentes con materia prima industrial, básicamente minerales, estos son: Caliza, Arcillas, Caolín y bentonitas.
Análisis Químico de Fundentes Comerciales
Cuatro fundentes comerciales en polvo, utilizados actualmente por la siderúrgica integrada IMEXSA, se caracterizarón para la determinación de sus propiedades térmicas y reológicas. Esto se llevó a cabo con el objeto de obtener parámetros de diseño para su posterior fabricación a partir de materias primas de uso industrial. El análisis químico revelo como componentes mayoritarios a la sílice (SiO2), óxido de calcio (CaO), alúmina (Al2O3), óxido de sodio (Na2O), fluorita (CaF2) y carbono (C) y en menores proporciones MnO, K2O, Fe2O3, MgO y TiO2.
El polvo 1 se emplea para la producción de aceros bajo carbono (0.015 – 0.06 %C), el polvo 2 se utiliza para producir aceros alto carbono (0.1 – 0.25
%C), el polvo 3 (polvo de arranque) se utiliza para iniciar la operación de colada continua y el polvo 4 se utiliza para la producción de aceros medio carbono (0.07 – 0.1 %C).
Mineralogía Óptica
Se utilizó el microscopio de luz polarizada o petrográfico, basándose en el principio de que cada mineral examinado es esencialmente un mecanismo óptico. A través del uso de este microscopio, la óptica de minerales individuales puede ser interpretada con gran detalle.
Se empleó el método de inmersión, el cual consiste en colocar sobre un portaobjetos una gota de un líquido de índice de refracción conocido, para posteriormente adicionar partículas del mineral molido entre 65 y 100 mallas mediante una aguja previamente humedecida en el líquido. Se agita el líquido con la muestra para que todas las partículas del mineral queden dentro del seno del líquido.
Se utilizó un microscopio de polarización Leitz SM-LUX-POL con luz transmitida, usando nicoles cruzados y placa de cuarzo, además de aceite de inmersión (glicerol) con un índice de refracción de 1.47 y Bálsamo de Canadá con un índice de refracción de 1.53; la observación y toma de fotografías se llevaron a cabo a 20 aumentos.
Difracción de Rayos X
Se obtuvieron los difractogramas de los cuatro polvos comerciales, a fin de establecer las especies presentes en el polvo original. Adicionalmente, para estudiar el desarrollo de la fusión del polvo, se interrumpió el proceso de fusión de los polvos a las temperaturas de ablandamiento y fusión determinadas experimentalmente y se practicó difracción de rayos X a las muestras.
Se utilizó un difractómetro de Rayos X SIEMENS D 5000 con las siguientes condiciones de operación: 35 Volts y 25 Ampers, con un colimador en el primario de 6mm y en el detector de 0.6 mm. Este análisis se llevo a cabo también para los fundentes fabricados con las mismas condiciones de operación.
Microscopia Electrónica de Barrido
Inicialmente se utilizó el Microscopio Electrónico de Barrido JSM-35CF para la observación de la morfología, tamaños y distribución de los polvos, la observación se hizo con electrones secundarios y electrones retrodispersados, obteniendo mejores imágenes con los últimos. 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 evaporaron con grafito sobre su superficie para poder ser observados en el microscopio, para ello se empleo la evaporadora de grafito Denton Vacuum Desk II.
Posteriormente se utilizó el Microscopio Electrónico de Barrido JEOL 6300, con el cual se empleó el método de análisis EDS (Energy Dispersive Spectra) para obtener por microanálisis la composición química de los fundentes. 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.
Comportamiento de Fusión
Las pruebas consistierón en la fabricación inicial de pequeños cilindros de fundente en polvo compactados de acuerdo a la norma DIN 51730, los cuales se colocan en contenedores de acero inoxidable y se introducen en un horno de tubo (φ= 1.9 cm), con capacidad de calentamiento de hasta 1200 ºC. El objetivo de esta prueba es la medición de las temperaturas de ablandamiento, fusión y fluidez. Un diagrama del equipo utilizado se observa en la Figura 1.
Interruptor
Graficador
Horno Tubular
Reostato
Multimetro
Termopar K
Base refractaria
Figura 1. Instalación eléctrica del equipo.
La medición de temperaturas consiste en calentar lentamente la muestra (cilindro compactado de fundente en polvo), que se coloca sobre una base de acero inoxidable. La temperatura se controla manualmente mediante un reóstato que alimenta de corriente al horno y el multímetro a su vez controla el voltaje de salida del reóstato; la temperatura se mide con un termopar tipo K y finalmente se registra en un graficador digital.
Las temperaturas de ablandamiento, fusión y fluidez se determinaron visualmente por comparación de la altura de la muestra con tubos de alúmina de referencia colocados en el contenedor de acero, al ir calentando el cilindro de fundente a una velocidad aproximada de 1º/minuto; esta velocidad de calentamiento se sigue desde aproximadamente cien grados antes de alcanzar la temperatura de ablandamiento.
La consideración de alturas en la medición de estas temperaturas, se llevó a cabo de acuerdo a la prueba desarrollada por Foseco, que coincide en gran medida con la norma DIN 51730 para determinar el comportamiento de fusión de cenizas.
El cilindro de fundente compactado empieza a fundir, con lo cual la altura inicial del mismo va disminuyendo hasta alcanzar la altura del primer tubo de alúmina colocado a 13/16 de la altura inicial del cilindro; al llegar a este punto, se registra la temperatura como temperatura de ablandamiento. La temperatura continúa elevándose lentamente y la altura del cilindro sigue disminuyendo hasta alcanzar la altura del segundo tubo de alúmina colocado a ½ de la altura inicial del cilindro, esta temperatura se registra como temperatura de fusión.
Finalmente, al seguir incrementando la temperatura el cilindro se funde totalmente y fluye por un canal del contenedor de acero de tres milímetros de diámetro, esta es la temperatura de fluidez. Se determinaron las
temperaturas de ablandamiento, fusión y fluidez de los fundentes comerciales y también se determinaron estas temperaturas variando la composición original de los fundentes adicionando compuestos químicos tales como CaO, Al2O3, etc.
ETAPA 2. Fabricación y Caracterización de Nuevos Fundentes
Materias Primas
Las materias primas que se utilizaron para la fabricación de los fundentes son minerales, tales como: caliza, arcillas (caolín) y feldespatos (bentonitas sódica y cálcica). Estas materias primas se emplearon porque contienen las especies mineralógicas y los compuestos químicos de los fundentes comerciales.
Mezclas Fabricadas
Se fabricaron dos fundentes, para la producción de acero bajo carbono (0.015-0.06 %C) y medio carbono (0.07-0.1 %C) de acuerdo a criterios observados en la caracterización de los fundentes comerciales.
El primero es el polvo 1 utilizado para la producción de acero bajo carbono calmados con aluminio y el polvo 4 usado para la producción de aceros medio carbono incluidos los peritécticos. Para cada uno se fabricaron dos mezclas diferentes. Las mezcla 1.1 y 1.2 para el polvo 1 y las mezclas 4.1 y 4.2 para el polvo 4. El polvo 1.1 se basa en una mezcla de caliza y bentonita cálcica y el polvo 1.2 en una de caliza y caolín, mientras que el polvo 4.1 corresponde a una mezcla de caliza y bentonita sódica y el polvo 4.2 es caliza con arcilla.
La relación de mezclas se efectuó estableciendo un sistema de ecuaciones entre los dos componentes, el reactivo limitante fue la sílice. El ajuste final de composición química se realizó agregando pequeñas cantidades de
reactivos analíticos (CaF2, Al2O3, CaO, Na2CO3 y C) según el balance final.
Se empleo como base una cantidad de 40 g. Las mezclas fabricadas fueron caracterizadas por las mismas técnicas empleadas para los fundentes comerciales descritas anteriormente.
La composición química de los minerales empleados en la fabricación de los fundentes se observa en la Tabla 1.
Tabla 1 Análisis químico de la materia prima industrial.
Compuesto Materia Prima
Bentonita-Na Bentonita-Ca Mineral Caolín Caliza Arcilla
SiO2 62.0 63.0 55.0 61.8 14.0 55.5
CaO 3.0 3.4 7.0 1.8 42.34 -
MgO 2.6 2.5 2.8 0.7 - -
Al2O3 12.0 11.76 16.0 21.0 - 19.4
Fe2O3 1.45 1.4 6.0 1.3 - 4.02
Na2O 2.20 1.7 3.5 1.5 0.55 2.02
K2O - - 3.0 0.96 - -
4. RESULTADOS.
Estudio Mineralógico, MEB con EDS. Meta 1.
El estudio mineralógico reveló que los fundentes comerciales están constituidos por diversos minerales abundantes en la naturaleza, que se encuentran de diversas formas y tamaños en los cuatro fundentes, variando solo el contenido tentativo de las especies presentes, como se puede apreciar en los resultados mostrados en la Figura 2, correspondiente al fundente I.
Las especies identificadas en los cuatro fundentes, son las siguientes: los feldespatos, que pueden ser sódicos o potásicos, de fórmula general (K,NaAl3SiO8); en las fotografías se observan de forma anedral a subedral y de forma tabular (alargada); se presentan de color azul y amarillo verdoso.
Los minerales arcillosos se observan de forma anedral en los fundentes; en las fotografías aparecen de color café o café-rojizo; la fórmula general que presentan los minerales arcillosos es (Al2Si2O5(OH)4). Estas arcillas son básicamente silicoaluminatos como la caolinita, el cual es un mineral rico en alúmina. El estudio mineralógico reportó la presencia de micas, en este caso posiblemente corresponda a la mica moscovita (KAl2(AlSi2O10)(OH)2), la cual es un silicoaluminato potásico hidratado.
La calcita (CaCO3) se encuentra presente en los cuatro fundentes; se observa de color amarillo y se encuentra de forma subedral. Este mineral es la fuente del óxido de calcio para la fabricación de los fundentes. La sílice (SiO2) se detectó en el estudio mineralógico, contenida en las arcillas y los feldespatos. En los cuatro fundentes se puede observo a los minerales opacos, que se encuentran de forma subedral y son atribuibles al grafito (C) y la hematita (Fe2O3).
No se observan partículas aglomeradas indicadoras de algún proceso de sinterizado, ni residuos de materias primas correspondientes a algún subproducto de procesos.
F
F A
A A
F F
C C
C C
O
O
O
O
F A
A
Figura 2 Fotomicrografía del polvo I a 20X, se observan feldespatos (F) de color azul, morado y verde, Arcillas (A) de color café y café-rojizo, Minerales Opacos (O) y Carbonatos (C) de color amarillo.
Del estudio de microscopia electrónica de barrido de los fundentes comerciales, se observaron mezclas de una gran variedad de partículas de diferentes tamaños y formas.
Debido que se utilizó 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 ser principalmente magnetita, hematita y calcita, mientras que las partículas obscuras corresponden a las especies más ligeras que pueden atribuirse a los feldespatos, las arcillas y el grafito. El análisis por el microscopio electrónico de barrido comprueba lo observado en el estudio mineralógico y se concluye que los fundentes son una simple mezcla mecánica de minerales, en donde solo se varío la relación de mezcla.
Se efectuó el microanálisis por EDS de los fundentes de una muestra representativa; el barrido se llevo a cabo de un área de muestra.
correspondiente a 600 aumentos, los resultados de esté análisis son muy similares para los cuatro polvos; es decir se identifican los mismos elementos, variando la cantidad de cada uno de ellos. A pesar de ser un análisis cualitativo, concuerda con los análisis químicos reportados; se deben tomar con reserva los resultados del carbono y el oxígeno, por ser elementos de bajo número atómico.
Comportamiento de Fusión. Meta 2.
Las Figura 3 presentan en forma gráfica los resultados de las temperaturas de ablandamiento, fusión y fluidez, medidas experimentalmente para el fundente comercial I con adiciones de compuestos químicos.
(a) (b)
900 950 1000 1050 1100 1150 1200
0 1 2 4
% Al2O3
Temperatura (°C)
Tablandamiento
Tfusión Tfluidez
6 900
950 1000 1050 1100 1150 1200
0 3
%Na2CO3
Temperatura (°C)
Tablandamiento
Tfusión Tfluidez
6
900 950 1000 1050 1100 1150 1200
0 1 3 5 950
1000 1050 1100
1150
0 2
%CaF2
Temperatura (°C)
Tablandamiento
Tfusión
Tfluidez
950 1000 1050 1100
1150
0 2
%CaF2
Temperatura (°C)
Tablandamiento
Tfusión
Tfluidez
4 4
%C
Temperatura (°C)
Tablandamiento
Tfusión Tfluidez
(c) (d)
Figura 3 Gráficas de las temperaturas de ablandamiento, fusión y fluidez con adiciones de (a) Al2O3, (b) Na2CO3, (c) C y (d) CaF2, para el Polvo I.
El análisis de las temperaturas medidas experimentalmente para los fundentes comerciales, se basa en el intervalo de composición química del acero a producir, el polvo 1 utilizado para aceros bajo carbono (0.015 – 0.06 %C), polvo 2 para aceros alto carbono (0.1 – 0.25 %C), polvo 3 (polvo de arranque) y el polvo 4 para producir aceros medio carbono (0.07 – 0.1
%C).
Las temperaturas de ablandamiento, fusión y fluidez determinadas experimentalmente muestran que el polvo 2, para la producción de aceros alto carbono, presenta las más bajas temperaturas, en el rango de 833 a 973°C, ésto se debe a que la temperatura de líquidus de los aceros alto carbono es menor en el diagrama Fe-Fe3C que para aceros bajo carbono, y no se requiere de una temperatura de fluidez alta del fundente.
De igual forma para el polvo de arranque, polvo 3, se observa que su intervalo de fusión va de 966 °C para la temperatura de ablandamiento hasta 1059 °C que es su temperatura de fluidez. Esto se comprueba en el análisis químico de los fundentes ya que los fundentes 2 y 3 tienen un alto contenido de Na2O, el cual funciona como rompedor de red del silicato abatiendo de esta manera las temperaturas de ablandamiento, fusión y fluidez.
Por otro lado, para el fundente 1 usado para la producción de aceros bajo carbono y el fundente 4 que se emplea para la producción de acero medio carbono, estas temperaturas son mayores, de 1021 °C a 1099 °C, para el polvo 1 y de 1087 °C a 1173 °C para el polvo 4, temperaturas de ablandamiento y fluidez respectivamente.
Efecto del Al2O3.
Analizando el efecto de las adiciones hechas a los fundentes comerciales, se observó que al adicionar alúmina, las temperaturas de ablandamiento, fusión y fluidez se incrementan en los cuatro fundentes, este comportamiento es el señalado en la literatura, la alúmina actúa como un formador de red, incrementando de esta manera las temperaturas de
ablandamiento, fusión y fluidez y también la viscosidad. No se observa que los fundentes analizados puedan disolver inclusiones de alúmina sin afectar sus propiedades.
Los incrementos más notables en las temperaturas medidas se presentan con adiciones bajas de alúmina de 1 y 2%, así por ejemplo para el fundente 1 (Figura 3) con una adición de 1% se incrementa la temperatura de fluidez en 33 °C, mientras que con 2% de la temperatura se incrementa solo en 11
°C. Este tipo de comportamiento se presenta también en los polvos 3 y 4.
Efecto del CaF2.
Por ser la fluorita un rompedor de red, se espera que las temperaturas de ablandamiento, fusión y fluidez disminuyan, sin embargo también puede ocurrir lo contrario. A excepción del polvo 1, el cual con una adición de 2%
de CaF2 presenta una disminución de 24 °C, pero con la adición de 4% de CaF2 las temperaturas se incrementan en 8 °C con respecto al valor anterior; se puede decir que en los cuatro fundentes la adición de fluorita aumenta las temperaturas de ablandamiento, fusión y fluidez.
Este comportamiento se debe a que los agentes fluidizantes más poderosos son el Li2CO3 y el NaF, sin embargo al adicionar otros óxidos metálicos alcalinos y fluoruros, entre ellos la CaF2, no necesariamente se provoca una reducción de los puntos de fusión de los fundentes. La explicación que dan a este fenómeno es que algunos óxidos metálicos y fluoruros poseen la capacidad de cristalizar durante el enfriamiento en vez de actuar sobre la red de silicatos, dependiendo de los contenidos de otros componentes y de su tendencia a reaccionar con la red.
Para los fundentes estudiados se observó que contenidos de CaF2 menores de 10% se obtiene una disminución en las temperaturas de fusión del fundente y con mayores contenidos, estas temperaturas se incrementan.
Los fundentes comerciales tienen altos contenidos de CaF2 que van de 9.2%
para el polvo 1 hasta 14.4% para el polvo 3
Efecto del Na2CO3.
El efecto del carbonato de sodio (Na2CO3) sobre las temperaturas de ablandamiento, fusión y fluidez, es el de disminuir estas temperaturas para los cuatro fundentes. El compuesto químico que actúa sobre las temperaturas es el Na2O, el cual se obtiene de la disociación del Na2CO3 a altas temperaturas, este álcali funciona como rompedor de red, disminuyendo las temperaturas de fusión, al igual que la viscosidad.
Para que exista una disminución considerable de las temperaturas se requiere adicionar porcentajes de 3% y hasta 6%, a diferencia de las adiciones de Al2O3 y CaF2 en las que se requieren bajas adiciones para tener un efecto considerable en las temperaturas del intervalo de fusión.
Efecto del C.
El carbono es agregado a los fundentes para controlar la velocidad de fusión de los mismos al irse quemando durante la operación de colada, sin reaccionar con la red de silicatos por lo cual los resultados obtenidos no se consideran plenamente escalables.
En los cuatro fundentes al adicionarlo se tuvo un incremento en las temperaturas de ablandamiento, fusión y fluidez. Estos incrementos son considerables para los fundentes 1 y 2 en los cuales con 1% de C adicionado se aumentó la temperatura de fluidez en 29 °C y 27°C respectivamente, mayores adiciones incrementan su temperatura muy poco; con 5% C para el polvo 1 y 2 la temperatura de fluidez aumenta solo 8°C con respecto a la anterior. Para los polvos 3 y 4 la adición de C incremento las temperaturas en menor proporción respecto a los dos primeros.
Obtención y Caracterización de Nuevos Fundentes. Meta 3.
A partir de los minerales de la Tabla 1, se procedió a la fabricación de nuevos fundentes. Las combinaciones de materias primas para la elaboración de fundentes para aceros bajo carbono calmados con aluminio,
mezclas 1.1 y 1.2 y para aceros medio carbono y peritécticos, mezclas 4.1 y 4.2, se observa en la Tabla 2.
Tabla 2. Fundentes fabricados (relación de mezcla de materia prima)
stos resultados resultan ligeramente menores en SiO2 y CaO que los
igura 4 Fotomicrografía de la mezcla 1.2 a 20X, se observan partículas COMPUESTO
Mezcla 1.1 Mezcla 1.2 Mezcla 4.1 Mezcla 4.2
Caliza 35.78 35.78 29.44 33.46
Bentonita sódica 35.83 - - -
Bentonita cálcica - - 40.07 -
Caolin - 35.28 - -
Arcilla - - - 32.77
CaO 9.3 9.35 9.96 11.69
Al2O3 - - 1.09 4.32
Na2CO3 7.87 8.53 6.59 5.86
C 2.7 2.66 2.3 2.13
CaF2 8.52 8.39 10.54 9.75
% PESO
E
fundentes comerciales que se tomaron de base para la elaboración de los fundentes propios. Los resultados del estudio mineralógico para los nuevos fundentes se observan en la figura 4 para la mezcla 1.2.
C
F
F
A
C O
A O
F
pequeñas de carbonatos (C) de color amarillo y minerales opacos (O), además de arcillas (A) de color café rojizo y algunos feldespatos (F) de color morado.
Las mezclas 1.1 y 1.2 presentan arcillas de forma anedral de color café
ara las mezclas 4.1 y 4.2 se observan los mismos minerales que en las
l estudio por MEB, se obtuvieron microfotografías a 600 aumentos de las
abla 3. Temperaturas de ablandamiento, fusión y fluidez para los
Temperatura (ºC)
rojizo y carbonatos de formas subedrales de color amarillo; se observan grandes cantidades de partículas pequeñas, entre las que se identifican feldespatos, que se aprecian en diferentes colores: azul, morado y verde, así como una gran cantidad de partículas pequeñas de carbonatos en color amarillo y partículas opacas atribuíbles en este caso al carbono.
P
mezclas anteriores, con la única diferencia notable de que en estas mezclas existen feldespatos degradándose a minerales arcillosos, lo cual se aprecia en la degradación de color azul a un color café. Las especies minerales contenidas en las mezclas fabricadas corresponden a las especies identificadas en el estudio petrografico de los fundentes comerciales, con la única diferencia de que algunas partículas son más pequeñas para el caso de las mezclas fabricadas; debido a su ajuste final con reactivos analíticos.
E
mezclas fabricadas, en las cuales se observan una gran variedad de partículas de diferentes formas y tamaños, siendo mayor la proporción de partículas finas presentes en cada mezcla. Estos resultados refuerzan lo observado en el análisis petrográfico, en cuanto a la morfología y tamaños de las partículas. Los resultados de la medición de las temperaturas de ablandamiento, fusión y fluidez de las mezclas fabricadas se presentan en la Tabla 3. Se observa que las temperaturas de fluidez más bajas las presentan las mezclas 1.1 y 1.2.
T
fundentes fabricados.
n Identificació
Ablandamiento Fluidez
Del fundente Fusión
Mezcla 1.1 1041 1065 1074
Mezcla 1.2 1082 1097 1108
Mezcla 4.1 1068 1097 1126
Mezcla 4.2 1072 1127 1160
De acuerdo a estos resultados, se que las tem s de iento, fusión y fluidez de las mezclas fabricadas difieren
observa peratura
ablandam
ligeramente en comparación con las de los fundentes comerciales, la temperatura de fluidez para la mezcla 1.1 difiere en 25 °C, para la mezcla 1.2 difiere en 9 °C, la mezcla 4.1 difiere en 47°C y la mezcla 4.2 difiere en 13°C para las temperaturas de fluidez, lo cual se puede considerar aceptable.
5. IMPACTO
La adecuada selección de fundentes para la producción de distintos grados de aceros por colada continua es primordial para obtener productos con calidad óptima y aumentar la velocidad de producción.
Es posible fabricar los fundentes en polvo para colada continua a partir de yacimientos minerales locales. Para este trabajo se contó con un número limitado de minerales, por lo que las composiciones globales se ajustaron con reactivos químicos, pero un banco de minerales caracterizados en forma precisa es suficiente para la manufactura de los fundentes.
Para fabricar fundentes para la producción de aceros bajo carbono calmados con aluminio se requiere una temperatura de fluidez del fundente de 1040 a 1070 °C, una viscosidad de 2 a 2.5 poise a 1300 °C y una baja temperatura de cristalización. Para obtener estas características se requiere de una relación CaO/SiO2 cercana a 1, bajos contenidos de SiO2 y Al2O3 y altos contenidos de Na2O. Se debe evitar además la adición de Fe2O3.
Mientras que para fabricar fundentes para la producción de aceros medio carbono se requiere de una temperatura de fluidez del fundente de 1180 a 1190 °C debido al bajo contenido de carbono que presentan estos aceros y su alto punto de fusión, una baja viscosidad del orden de 0.8 poise a 1300
°C. Esto se logra con una alta basicidad (mayor a 1).
Para fabricar fundentes para la producción de acero alto carbono se requiere de una temperatura de fluidez de fundente baja de 980 a 990 °C, una viscosidad baja que se logra con altos contenidos de Na2O y CaF2 y bajos contenidos de SiO2, CaO y Al2O3, es recomendable además utilizar tamaños de partículas pequeños.
Finalmente, para fabricar fundentes de arranque se requiere de una temperatura de fluidez lo más baja posible, un índice de basicidad bajo, alto contenido de óxido de fierro y tamaños de partícula pequeños.
