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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

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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

INDICE

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

INDICE

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

i

ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO DE FUSIÓN DE FUNDENTES PARA 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.

1

1.- INTRODUCCIÓN

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.

INTRODUCCIÓN

2

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.

INTRODUCCIÓN

3

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)

INTRODUCCIÓN

4

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.

5

2.- GENERALIDADES

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.

GENERALIDADES

6

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.

GENERALIDADES

7

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.

GENERALIDADES

8

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.

GENERALIDADES

9

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

transferencia de calor en la interfase molde – acero (6).

GENERALIDADES

10

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.

GENERALIDADES

11

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).

GENERALIDADES

12

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.

GENERALIDADES

13

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.

GENERALIDADES

14

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.

GENERALIDADES

15

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):

ghuhq Feρη122

3

−= ....................(1)

Donde: u = velocidad de vaciado.

η = viscosidad.

ρ Fe = densidad del Fe.

g = aceleración de la gravedad.

La Ec. (2) muestra la velocidad de consumo óptimo

2/1

23 ⎥

⎤⎢⎣

⎡=

guuqFeρη ………………. (2)

Esta ecuación nos indica que la velocidad de fusión del fundente puede ser

proporcional a 1/3 de la velocidad de vaciado.

GENERALIDADES

16

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):

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=dxdvητ ……………….. (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:

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=RTEAexpη ………………(4)

GENERALIDADES

17

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.

GENERALIDADES

18

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( TBAT=η ..................(5)

Donde:

A y B = constantes

T = temperatura (K)

GENERALIDADES

19

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.

GENERALIDADES

20

Tabla 2. Ecuaciones para evaluar la viscosidad de los fundentes para moldes.

Modelo: IRSID

Ecuación: ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=TBAT expη

Donde: η= viscosidad (Pa·s)

T= temperatura (K)

( ) ( ) ( )[ ]3222* (76.3502.782.573.181.19exp OAlONaCaFCaO

XXXXA −+++−=

( ) ( ) ( ) ( )3222* 833,68159,39356,4623896140,31 OAlONaCaFCaO

XXXXB +−−−=

Donde: X= fracción molar

Modelo: NIPPON STEEL

Ecuación: TBLnALn +=η

Donde: η= viscosidad (Poise)

T= temperatura (K)

816.419.0063.0121.0061.0242.0 2232 −−+−−−= ONaCaFMgOCaOOAlLnA

564.012,29103.455646.413635.165186.28354.92 22322 +−−−+−= OLiCaFCaOOAlSiOB

Con la composición en %mol.

GENERALIDADES

21

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)(15.26.241,12232 OLiCaFNaOOAlMgO XXXXXTs −−−−−= ……(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.

GENERALIDADES

22

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:

NaFCaOCaFONa 222 +=+

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.

GENERALIDADES

23

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

los polvos usados para el planchón convencional.

GENERALIDADES

24

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.

GENERALIDADES

25

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.

GENERALIDADES

26

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

GENERALIDADES

27

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.

GENERALIDADES

28

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

GENERALIDADES

29

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 2.8Fe2O3 0.57 0.27 0.27 0.36 1.6 0.64

Na2O+K2O 8.83 8.62 8.32 8.19 12.62 4.67Li2O 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

30

3.- DESARROLLO EXPERIMENTAL 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 LAVISCOSIDAD

MODELOS: IRSID YNIPPON-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

DESARROLLO EXPERIMENTAL

31

- 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).

DESARROLLO EXPERIMENTAL

32

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”.

DESARROLLO EXPERIMENTAL

33

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:

DESARROLLO EXPERIMENTAL

34

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:

DESARROLLO EXPERIMENTAL

35

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 16300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

LONGITUD DEL HORNO (cm)

TEMPERATURA

(°C

)

ZONA DE TRABAJO

T. cte= 1000°C

Fig. 7 Perfil de temperaturas del horno

DESARROLLO EXPERIMENTAL

36

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:

DESARROLLO EXPERIMENTAL

37

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

temperatura la cual se considera como temperatura de fluidez Fig. 9d.

DESARROLLO EXPERIMENTAL

38

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

39

4.- RESULTADOS Y ANALISIS DE RESULTADOS

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

RESULTADOS Y ANALISIS DE RESULTADOS

40

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

0100200300400500600700800900

1000110012001300140015001600

IN

TE

NS

ID

AD

(c

ps

)

CaCO3

SiO2

CaSiO3

CCaF2

Al2O3

Fig. 10 Difractográma del fundente en polvo de marca Metallurgica.

RESULTADOS Y ANALISIS DE RESULTADOS

41

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

RESULTADOS Y ANALISIS DE RESULTADOS

42

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

14001300120011001000

900800700600500400300200100

0

ENERGIA (KeV)

Fe

Ca

K

Si

S

Na

Mg

CKK

O

Al

K

K

Ca

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

14001300120011001000

900800700600500400300200100

0

ENERGIA (KeV)

Fe

Ca

K

Si

S

Na

Mg

CKK

O

Al

K

K

Ca

34.31O

1.51Fe

0.13K

24.52Ca

11.02Si

0.63Al

0.00Mg

3.67Na

24.20C

% PESOELEMENTO

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.

RESULTADOS Y ANALISIS DE RESULTADOS

43

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.

RESULTADOS Y ANALISIS DE RESULTADOS

44

Tabla. 11 Temperatura de ablandamiento, fusión y fluidez del fundente en polvo de

planchón delgado con 1% de Al2O3.

1% Al2O3

No. de

prueba

T ablandamiento

°C

Incertidumbre absoluta

T fusión

°C

Incertidumbre absoluta

T fluidez

°C

Incertidumbre absoluta

8 1035.1 1.9 1069.1 4.4 1093 1.3 9 1030.2 3.0 1071.1 2.4 1091 3.3

10 1034.3 1.1 1080.3 6.8 1099 4.7

Las temperaturas de ablandamiento, fusión y fluidez que se obtuvieron como

resultado de la experimentación con una adición del 2% de Al2O3, se presentan

en la siguiente tabla 12. En dicha tabla también podemos observar la

incertidumbre absoluta para cada una de las temperaturas mencionadas

anteriormente, y en el cual se establece un intervalo de confiabilidad para la

temperatura de ablandamiento de ±26, para la temperatura de fusión se tiene un

valor de ±12 y para la temperatura de fluidez de ±16.

Tabla. 12 Temperatura de ablandamiento, fusión y fluidez del fundente en polvo de

planchón delgado con 2% de Al2O3.

2% Al2O3

No.

De prueba

T ablandamiento

°C

Incertidumbre absoluta

T fusión

°C

Incertidumbre absoluta

T fluidez

°C

Incertidumbre absoluta

11 1084.7 26.4 1100.3 11.8 1121.1 15.9 12 1047 11.3 1085.9 2.6 1100.6 4.6 13 1043.3 15.0 1079.2 9.3 1094 11.2

RESULTADOS Y ANALISIS DE RESULTADOS

45

Las temperaturas de ablandamiento, fusión y fluidez del fundente en polvo con

una adición del 4% de Al2O3 reportadas en la tabla 13 tienen un rango de error

estimado de ±9 a ±27, posiblemente este rango de error se deba a perturbaciones

que se pudieron presentar durante la experimentación.

Tabla. 13 Temperatura de ablandamiento, fusión y fluidez del fundente en polvo de

planchón delgado con 4% de Al2O3.

4% Al2O3

No. de

prueba

T ablandamiento

°C

Incertidumbre absoluta

T fusión

°C

Incertidumbre absoluta

T fluidez

°C

Incertidumbre absoluta

14 1086.1 27.7 1102.2 24.1 1115.6 23.2 15 1046.6 11.8 1064 14.1 1082.5 9.9 16 1042.6 15.8 1068 10.1 1079.1 13.3

En la siguiente tabla 14 se muestra las temperaturas de ablandamiento, fusión y

fluidez con una adición del 6% de Al2O3. Al igual que las tablas anteriores se

determinó la incertidumbre absoluta para cada temperatura, en dicha tabla

podemos observar que la incertidumbre absoluta para la temperatura de

ablandamiento es de ±3 lo cual significa que tenemos un rango mínimo de error.

En la temperatura de fusión se tiene una incertidumbre absoluta de ±8, y para la

temperatura de fluidez la incertidumbre absoluta es de ±11.

RESULTADOS Y ANALISIS DE RESULTADOS

46

Tabla. 14 Temperatura de ablandamiento, fusión y fluidez del fundente en polvo de

planchón delgado con 6% de Al2O3.

6% Al2O3

No. de

prueba

T ablandamiento

°C

Incertidumbre absoluta

T fusión

°C

Incertidumbre absoluta

T fluidez

°C

Incertidumbre absoluta

17 1023 2.7 1047.6 2.4 1118.3 22 18 1025 0.7 1044.6 5.4 1085.4 10.9 19 1029.1 3.4 1057.8 7.8 1085.2 11.1

En la tabla 15 se muestran nuevamente las temperaturas de ablandamiento fusión

y fluidez que se determinaron del fundente en polvo para planchón delgado con

una adición del 10% de Al2O3. En dicha tabla podemos observar que la

temperatura de ablandamiento presenta una incertidumbre absoluta de ±7, al igual

que la temperatura de fusión su incertidumbre absoluta es de ±10. Sin embargo, la

incertidumbre absoluta de la temperatura de fluidez es de ±17, es decir, resulto ser

la temperatura que tiene un mayor rango de error estimado.

Tabla. 15 Temperatura de ablandamiento, fusión y fluidez del fundente en polvo de

planchón delgado con 10% de Al2O3.

10% Al2O3

No. de

prueba

T ablandamiento

°C

Incertidumbre absoluta

T fusión

°C

Incertidumbre absoluta

T fluidez

°C

Incertidumbre absoluta

20 1035 5 1063.8 1 1098.1 10 21 1038 2 1052.5 10 1071 17 22 1047.6 7 1070.7 8 1095.3 7

RESULTADOS Y ANALISIS DE RESULTADOS

47

En la tabla 16 se puede apreciar las temperaturas de ablandamiento, fusión y

fluidez con una adición del 3% de Na2CO3, y en el cual podemos observar una

incertidumbre absoluta de ±8 para la temperatura de ablandamiento, con lo que

respecta a la temperatura de fusión se tiene una incertidumbre de ±7. Sin

embargo, para la temperatura de fluidez tenemos una incertidumbre relativa de ±4,

siendo esta última la que presenta un valor mínimo de error estimado comparado

con la de las temperaturas de ablandamiento y fusión.

Tabla. 16 Temperatura de ablandamiento, fusión y fluidez del fundente en polvo de

planchón delgado con 3% de Na2CO3.

3% Na2CO3

No. de

prueba

T ablandamiento

°C

Incertidumbre absoluta

T fusión

°C

Incertidumbre absoluta

T fluidez

°C

Incertidumbre absoluta

23 1041 0.5 1066.7 3.1 1095.6 1.0 24 1048.3 7.8 1077 7.2 1097.5 2.9 25 1032.2 8.3 1065.6 4.2 1090.7 3.9

Con lo que respecta a la tabla 17 podemos observar las temperaturas de

ablandamiento, fusión y fluidez que fueron determinadas del fundente en polvo

para planchón delgado con adiciones del 6% de Na2CO3. En esta tabla se muestra

claramente que la temperatura de ablandamiento tiene un rango de confiabilidad

de ±8, para la temperatura de fluidez el rango de confiabilidad es de ±6 y la

temperatura de fusión es de ±4, lo cual significa que la temperatura de fusión

resulto ser la que posee un menor intervalo de confiabilidad, y que las

temperaturas de ablandamiento, y fluidez tienen una incertidumbre relativa similar.

RESULTADOS Y ANALISIS DE RESULTADOS

48

Tabla. 17 Temperatura de ablandamiento, fusión y fluidez del fundente en polvo de

planchón delgado con 6% de Na2CO3.

6% Na2CO3

No. de

prueba

T ablandamiento

°C

Incertidumbre absoluta

T fusión

°C

Incertidumbre absoluta

T fluidez

°C

Incertidumbre absoluta

26 1043 0.1 1061.9 2.1 1100.2 0.3 27 1051 7.9 1067.7 3.7 1093.1 6.8 28 1035.2 7.9 1062.4 1.6 1106.5 6.6

En la siguiente tabla 18 se muestran las temperaturas de ablandamiento, fusión y

fluidez con adiciones del 9% de Na2CO3, en donde se observa también la

incertidumbre absoluta para cada una de las temperaturas mencionadas

anteriormente, y en el cual se establece un intervalo de confiabilidad para la

temperatura de ablandamiento de ±9, para la temperatura de fusión se tiene un

intervalo de ±12 y para la temperatura de fluidez de ±18.

Tabla. 18 Temperatura de ablandamiento, fusión y fluidez del fundente en polvo de

planchón delgado con 9% de Na2CO3.

9% Na2CO3

No. de

prueba

T ablandamiento

°C

Incertidumbre absoluta

T fusión

°C

Incertidumbre absoluta

T fluidez

°C

Incertidumbre absoluta

29 1028.4 9.4 1063.7 12.1 1110 17.0 30 1015.3 3.7 1043 8.6 1075.2 17.8 31 1013.3 5.7 1048 3.6 1093.7 0.7

RESULTADOS Y ANALISIS DE RESULTADOS

49

4.4.1.- Incertidumbre relativa de las temperaturas de ablandamiento, fusión y

fluidez.

La incertidumbre absoluta nos indica el porciento de variación de temperatura en

cada medición; sin embargo, para tener una idea del porciento de error total

considerado en base a la magnitud de temperaturas estimadas, se determinó el

porciento de incertidumbre relativa (tabla 19), esto se llevo a cabo dividiendo la

incertidumbre absoluta y el valor medido el cual es adimensional.

De los cálculos que se llevaron a cabo para la determinación de la incertidumbre

relativa para cada una de las temperaturas de ablandamiento, fusión y fluidez

promedio del fundente en polvo se puede observar que la temperatura de

ablandamiento con 4% Al2O3 es la que presenta un mayor porcentaje de

incertidumbre relativa ya que es de 2.55%. Para la temperatura de fusión con 4%

Al2O3 presenta nuevamente la mayor incertidumbre relativa que es de 2.23% al

igual que en la temperatura de fluidez ya que su incertidumbre relativa es de

2.11%.

También podemos observar que la temperatura de ablandamiento con 6% de

Na2CO3 presenta el mayor porcentaje de incertidumbre relativa cuyo valor es de

0.88%. El máximo valor de incertidumbre relativa que se presenta en la

temperatura de fusión es de 1.14%, este valor corresponde al fundente con 9% de

Na2CO3. Finalmente para la temperatura de fluidez se tienen una incertidumbre

relativa de 1.56% correspondiente nuevamente al fundente con 9% de Na2CO3.

RESULTADOS Y ANALISIS DE RESULTADOS

50

Tabla 19. Temperatura de ablandamiento, fusión y fluidez promedio del fundente

en polvo de planchón delgado. A

dici

ones

(% p

eso)

T

abla

ndam

ient

o

°C

Ince

rtid

umbr

e

rela

tiva

(%)

T fu

sión

°C

Ince

rtid

umbr

e

rela

tiva

(%)

T flu

idez

°C

Ince

rtid

umbr

e

rela

tiva

(%)

0 1059.33 0.94 1097.66 1.28 1115.41 0.99

1 1033.2 0.29 1073.5 0.56 1094.3 0.37

2 1058.3 0.57 1088.5 1.01 1105.2 1.36

4 1058.4 2.55 1078.1 2.23 1092.4 2.11

6 1025.7 0.29 1050 0.67 1096.3 2.01

Al2O3

10 1040 0.67 1062 0.94 1088 1.56

3 1040.5 0.77 1069.8 0.65 1094.6 0.27

6 1049.07 0.67 1064 0.28 1099.9 0.55 Na2CO3

9 1019 0.88 1051.6 1.14 1093 1.56

4.4.2- Temperaturas de Ablandamiento, Fusión y Fluidez

Los resultados obtenidos de la experimentación están representados gráficamente

en la Fig. 13, en donde se relacionan las temperaturas de ablandamiento, fusión y

fluidez contra el porciento peso de las adiciones de Al2O3 y Na2CO3, y en el cual

se puede observar claramente el efecto que tiene el Na2CO3 al ser adicionado de 3

a 6% ya que se observa un ligero incremento tanto en la temperatura de

ablandamiento como en la de fluidez. Sin embargo la temperatura de fusión tiende

a disminuir lentamente, pero al sobrepasar el valor de 6% de Na2CO3 las tres

temperaturas, disminuyen de forma gradual.

RESULTADOS Y ANALISIS DE RESULTADOS

51

Estos resultados concuerdan con los estudios que realizaron Scheel y Korte

quienes investigaron la influencia que tiene el Na2O y la Al2O3 sobre las

temperaturas. Ellos encontraron que la temperatura de fusión disminuye

proporcionalmente con el contenido de Na2O, debido a que este compuesto actúa

como rompedor de la red de silicatos.

Tem

pera

tura

°C

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

1020

1030

1040

1050

1060

1070

1080

1090

1100

1110

1120

17

17

12

12

99

77

4

4

8

8

4

4

7

7

8

8

T de ablandamiento T de fusión T de fluidez

% Na2CO3

Figura. 13 Variación de la temperatura de ablandamiento, fusión y fluidez con

adiciones de Na2CO3

El efecto de la Al2O3 sobre el fundente se observa en la fig 14 en donde al

adicionar 1% de Al2O3 las temperaturas de ablandamiento, fusión y fluidez

disminuyen rápidamente, al aumentar la cantidad de Al2O3 al 2% podemos notar

que las temperaturas ya mencionadas anteriormente tienden a aumentar, y que al

seguir adicionando Al2O3 hasta un 4% las temperaturas de ablandamiento, fusión

y fluidez disminuyen gradualmente. Si se sigue incrementando la adición de Al2O3

a 6% observamos que la temperatura de ablandamiento y la temperatura de fusión

vuelven a disminuir lentamente, pero la temperatura de fluidez refleja un pequeño

incremento. Al sobrepasar este último porcentaje de Al2O3, existe un notorio

RESULTADOS Y ANALISIS DE RESULTADOS

52

incremento de las temperaturas de ablandamiento y fusión, sin embargo la

temperatura de fluidez tiende a decrecer lentamente.

Estas variaciones que se presentan en los límites donde las tendencias cambian

quizás se deba a que este tipo de fundente en polvo tiene la capacidad de atrapar

y disolver inclusiones no metálicas principalmente los que son provenientes de la

desoxidación del acero, en los contenidos de 1% de Al2O3. Las figuras 13 y 14

muestran el porciento de incertidumbres relativas de los porcentajes de adición

estudiados.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 111020

1030

1040

1050

1060

1070

1080

1090

1100

1110

1120

5

5 17

17

1010

77

22

22

8

8

33

23

23

24

24

27

27

16

16

1212

26

26

7

7

3

3

T de ablandamiento T de fusión T de fluidez

% Al2O3

Tem

pera

tura

°C

Figura 14. Variación de la temperatura de ablandamiento, fusión y fluidez con

adiciones de Al2O3

En base a los resultados obtenidos de temperaturas de fluidez del fundente de

planchón delgado, comparando estos resultados con los reportados(16) para

planchón convencional, se tiene que presentan temperaturas de fluidez similares

con las obtenidas para fundentes de planchón convencional para la producción de

aceros bajo carbono (1099 ºC)

RESULTADOS Y ANALISIS DE RESULTADOS

53

4.5.- Viscosidades: modelos IRSID y Nippon-Steel.

Se calculó la viscosidad del fundente en polvo original y con adiciones de Al2O3 y

Na2CO3 utilizando dos modelos: IRSID y Nippon Steel. Los cálculos de la

viscosidad se llevaron a cabo a Temperatura de fluidez determinada en la

experimentación y a 1300°C.

En la tabla 20 se comparan los valores de las viscosidades calculadas por los dos

modelos mencionados anteriormente, observándose pequeñas diferencias entre

los resultados. Para tener una mejor apreciación de las variaciones de la

viscosidad ver las Fig. 15, 16,17 y 18.

En esta misma tabla 15 también se reporta la temperatura de transición de vidrio,

la cual fue calculada con la ecuación 6. Esta temperatura esta asociada con un

cambio en el comportamiento reológico del fundente, bajo el cual el fundente se

comporta como un fluido no-newtoniano o similar a un sólido.

Tabla.20 Viscosidades del fundente en polvo y temperaturas de transición de

vidrio

Viscosidad (Pa⋅s) (TFluidez)

Viscosidad (Pa⋅s) (1300°C)

Adiciones Peso (%)

IRSID Nippon Steel IRSID Nippon

Steel

T. de transición

de vidrio (°C)

0 6.7226 7.5733 1.5617 1.6102 1121.92 1 8.9114 9.4956 1.6549 1.6231 1121.83 2 8.7863 8.7385 1.7561 1.6391 1121.75 4 11.875 10.417 1.9745 1.6713 1121.61 6 13.558 10.468 2.2103 1.6987 1121.41

Al2O3 10 20.89 12.549 2.7692 1.7636 1121.13

3 6.9708 8.3114 1.3781 1.4293 1118.9 6 5.7204 7.1022 1.2199 1.2725 1114.53

Na2O 9 5.2516 6.8638 1.0828 1.1358 1110.95

RESULTADOS Y ANALISIS DE RESULTADOS

54

En la figura 15. se aprecia claramente que la viscosidad aumenta conforme

aumenta el peso porcentual de la Al2O3 lo cual concuerda con lo investigado por

IRSID (10), y Lanyi (11), ya que la Al2O3 es un formador de red al igual que el SiO2.

Es por esta razón que la Al2O3 tiene el mismo efecto que la sílice sobre la

viscosidad, además de que el nivel de influencia de la Al2O3 sobre la viscosidad

siempre va a depender del fundente, es decir sobre los otros constituyentes que lo

conforman.

Por otro lado, la figura 16 nos muestra la variación de la viscosidad a 1300°C con

respecto al peso porcentual de la Al2O3, donde se puede apreciar claramente un

marcado aumento de la viscosidad conforme se va incrementando la cantidad de

Al2O3, sin embargo la viscosidad a 1300°C es mas baja que la viscosidad a la

temperatura de fluidez, lo cual significa que entre mayor es la temperatura menor

será la viscosidad.

6

8

10

12

14

16

18

20

22

7

8

9

10

11

12

13

0 2 4 6 8 10

% Al2O3

Visc

osid

ad (P

a⋅s)

IRS

ID

Viscosidad (Pa⋅s)N

IPPO

N-S

TEEL

IRSID

NIPPON-STEEL

T FLUIDEZ

Fig. 15. Efecto del peso porcentual de Al2O3 sobre la viscosidad de un fundente en

polvo para planchón delgado a Temperatura de Fluidez

RESULTADOS Y ANALISIS DE RESULTADOS

55

1.6

1.8

2.0

2.2

2.4

2.6

2.8

1.60

1.62

1.64

1.66

1.68

1.70

1.72

1.74

1.76

1.78

0 2 4 6 8 10% Al2O3

Vis

cosi

dad

(Pa⋅

s)IR

SID

Viscosidad (P

a⋅s)N

IPPO

N-S

TEEL

IRSID

NIPPON-STEEL

T = 1300°C

Fig. 16. Efecto del peso porcentual de Al2O3 sobre la viscosidad de un fundente en

polvo para planchón delgado a 1300°C.

En la figura 17, se observa que la viscosidad disminuye gradualmente conforme la

cantidad de Na2CO3 va aumentando. Pues como se menciona en la literatura los

fluoruros (NaF, CaF2), álcalis (Na2O, K2O), y óxidos básicos (CaO, MgO, BaO,

SrO), disminuyen la viscosidad por ser modificadores de red. Lo anterior lo

confirmamos con lo investigado por Mills (2), quien encontró que los fundentes que

contenían un exceso de Na2O bajaban la temperatura de fusión y también había

un incremento en la viscosidad, este mismo comportamiento se presentaba con un

exceso de CaF2.

Para la figura 18, se observa que a 1300°C la viscosidad es relativamente baja en

comparación a la presentada en la figura 14c, pues como se había mencionado

anteriormente la viscosidad esta en función de la temperatura y la composición del

fundente.

RESULTADOS Y ANALISIS DE RESULTADOS

56

6.8

7.0

7.2

7.4

7.6

7.8

8.0

8.2

8.4

8.6

5.2

5.4

5.6

5.8

6.0

6.2

6.4

6.6

6.8

7.0

0 2 4 6 8

NIPPON-STEEL

IRSIDV

isco

sida

d (P

a⋅s)

IRS

IDV

iscosidad (Pa⋅s)

NIPP

ON

-STEE

L

% Na2CO3

T FLUIDEZ

Fig. 17. Efecto del peso porcentual de Na2CO3 sobre la viscosidad de un fundente

en polvo para planchón delgado a temperatura de Fluidez.

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

1.1

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

Visc

osid

ad (P

a⋅s)

IRS

ID

Viscosidad (Pa⋅s)N

IPPO

N-S

TEEL

0 2 4 6 8% Na2CO3

IRSID

NIPPON-STEEL

T = 1300°C

Fig. 18. Efecto del peso porcentual de Na2CO3 sobre la viscosidad de un fundente

en polvo para planchón delgado a 1300°C.

RESULTADOS Y ANALISIS DE RESULTADOS

57

4.6.- Diagrama seudoternario CaO-SiO2-NaF.

En la tabla 21. Se muestra los cálculos de las fracciones molares que sirvieron

para la construcción del diagrama Seudoternario propuesto por Mills (13). En esta

tabla se aprecia claramente que las fracciones molares disminuyen con las

adiciones de Al2O3, ocurriendo todo lo contrario con el Na2CO3.

Tabla 21. Variación de la fracción mol del NaF, SiO2 y CaO al adicionar

Al2O3 y Na2CO3

Fracción Mol Adiciones (% peso) XNaF XSiO2 XCaO

0 0.1324326 0.4674683 0.4000991

1 0.1312545 0.4722057 0.3965398

2 0.1300972 0.4768595 0.3930433

4 0.1278427 0.4859253 0.3862321

6 0.1256649 0.4946822 0.3796529

Al2O3

10 0.1215248 0.5113305 0.3671447

3 0.170997 0.4337732 0.3952297

6 0.2043758 0.4046091 0.3910151 Na2CO3

9 0.2335489 0.3791195 0.3873316

En la Fig. 19 se presenta la composición química del fundente en polvo (marca

Metallurgica) con sus respectivas adiciones de Al2O3 y de Na2CO3 mediante el

diagrama seudoternario CaO-SiO2-NaF propuesto por Mills (13).

El diagrama Seudoternario de Mills (13) de la figura 20 presenta las temperaturas

de fluidez medidas para el fundente en polvo original y con sus adiciones de Al2O3

y Na2CO3. Por ultimo, se presenta el la figura 21 el diagrama Seudoternario de las

viscosidades del fundente en polvo original y con adiciones.

RESULTADOS Y ANALISIS DE RESULTADOS

58

Para los tres diagramas (19, 20 y 21) las proporciones molares de Na2O y CaF2 se

reflejan como NaF a partir de la base termodinámica de que el Na2O y CaF2

reaccionan para formar NaF. Por ser SiO2 y Al2O3 formadores de red, ambos, se

consideran en el componente SiO2; en el componente del CaO se considera la

suma de los óxidos CaO, MgO, FeO, MnO y algún exceso de Na2O que

permanece después de satisfacer la reacción entre el CaF2 y el Na2O en el polvo

original.

XSiO2XNaF

XCaO

Al2O3

Na2CO3

0.6

0.5

0.40.3

0.2

0.1

0.6 0.5 0.4

Fig. 19 Diagrama seudoternario CaO-SiO2-NaF propuesto por Mills (13), donde se

representa la composición química del fundente en polvo original y con adiciones.

RESULTADOS Y ANALISIS DE RESULTADOS

59

XSiO2XNaF

XCaO

Al2O3

Na2CO3

0.6

0.5

0.40.3

0.2

0.1

0.6 0.5 0.4

11151094

1105

10921096

1088

1094

1099.9

1093

Fig. 20 Diagrama seudoternario CaO-SiO2-NaF propuesto por Mills (13), donde se

representa las temperaturas de fluidez medidas en el polvo original y con

adiciones

XSiO2XNaF

XCaO

Al2O3

Na2CO3

0.6

0.5

0.40.3

0.2

0.1

0.6 0.5 0.4

1.61

1.621.64

1.671.69

1.76

1.43

1.27

1.13

T = 1300°C

Fig. 21 Diagrama seudoternario CaO-SiO2-NaF propuesto por Mills (13), donde se

representa las viscosidades calculadas para el fundente en polvo original y con

adiciones a 1300°C.

60

5.- CONCLUSIONES 1.- Al utilizar las técnicas de caracterización de: DRX, MEB y Análisis químico se

identificaron las especies mineralógicas presentes en el fundente en polvo

teniendo como principales componentes mayoritarios: SiO2, CaO y CaF2 y en

menor proporción: K2O, MgO, Al2O3 y Na2O.

2.- Se determinaron las temperaturas de ablandamiento, fusión y fluidez del

fundente en polvo mediante pruebas de laboratorio utilizando un diseño

experimental constituido principalmente por un horno tubular.

3.- Con base a los resultados obtenidos en la experimentación se obtuvo que el

Na2CO3 reduce las temperaturas de ablandamiento, fusión y fluidez por ser un

modificador de red. Por lo contrario, la Al2O3 incrementa las temperaturas

mencionadas anteriormente por ser un formador de red al igual que la SiO2.

4.- La composición química influye directamente sobre la temperatura de

transición de vidrio del fundente, ya que se comprobó que la Al2O3 disminuye

ligeramente la temperatura de transición de vidrio, al igual que con el Na2CO3 por

ser un óxido anfótero esta temperatura baja ya que el Na2O actúa como un

rompedor de red.

5.- Al incrementarse la cantidad de Al2O3 la viscosidad del fundente aumenta de

forma gradual además de que también se ve afectada por la temperatura de fusión

ya que a mayor temperatura de fusión se encontró que la viscosidad es menor.

6.- Con respecto al Na2CO3 el efecto que tiene sobre la viscosidad es diferente,

ya que la viscosidad disminuye conforme se incrementan las adiciones del Na2CO3

influyendo igualmente la temperatura de fusión del fundente.

61

7. - BIBLIOGRAFIA.

1. Ramma Bommaraju: “Optimum Selection and Application of Mold Fluxes for

Carbon Steels”, Inland Steel Flat Products Company, 1991, pp. 108,109.

2. W.L.Mc Cauley y D. Apelian: “Continuous Casting Mold Fluxes”, parte 1, Iron

and Steelmaker. Vol. 10, No. 12, 1983, pp. 38-39.

3. http://ec.europa.ev/comm/energy_transport/atlas/htmlu/neartech.html

4. Rodríguez Reyes Adriana: “Propiedades Térmicas de Fundentes de Colada

Continua”. Tesis Profesional, ESIQIE-IPN, Mayo 1995.

5. C.A. Pinheiro, I.V. Samarasakera, J.K.Brimacombe: “Mold Fluxes for Continuous

Casting of Steel”, parte I, The University of British Columbia.I&M, October 1994,

pp 55.

6. J.A. Celaya, R.D. Morales, V. Tápia: “Polvos de Molde de Colada Continua

Análisis Preliminar”. Memorias del XVI Simposio Nacional de Siderurgía. Morelia,

Mich. Noviembre, 1994, pp. 23.1 – 23.13

7. C.A. Pinheiro, I.V. Samarasakera, J.K. Brimacombe. “Mold Fluxes for

Continuous Casting of Steel”. Part IX, the University of British Columbia, Junio

1995, pp 43-44.

8. Kenneth, C. Mills: “The Performance of Casting Powders and their Effect on

Surface Quality” 75th Steelmaking Conference, 1992, pp. 85-92.

9. W.L. Mc. Cauley; D. Apelian: “The Role of Slags in Steelmaking Continuous

Casting Mold Fluxes”, Iron & Steelmaker, Vol. 10, No. 12 (1983), pp. 42-43.

BIBLIOGRAFIA

62

10. W.L. McCauley; D. Apelian: “The Role of Slags in Steelmaking Continuous

Casting Mold Fluxes”, part III, Iron & Steelmaker, 1983, pp. 32, 33, 34.

11. W.L. Mc. Cauley y D. Apelian: “The Role of Slags in Steelmaking Continuous

Casting Mold Fluxes”, Parte 5, Iron and Steelmaker, Vol. 10, No. 12, 1983, pp. 42-

43

12. C.A. Pinheiro, I.V. Samarasakera, and J.K. Brimacombe: “Mold Fluxes for

Continuous Casting of Steel”, part IV, The University of British Columbia. I&M,

January 1995, pp. 43-44.

13. K.C. Mills. “Physical properties of casting powders” part I Scheme to represent

chemical compositions of powders “Iron making Steelmaking” 15 (1988) No.4. 175-

180.

14. Kromhout, J.A; Kamperman, A.A; Kick, M; and Trouw, J, “Mould Powder

Selection for Thing Slab Casting”. VII International Conference on Molten Slags

Fluxes and Salts, The South African Institute of Mining and Metallurgy, 2004,

pp731-735.

15. Masayuki Kawamoto, Keiji Nakajima, Takashi Kanazawa and Ken Nakai,

“Design Principles of Mold Powder for High Speed Continuous Casting” ISIJ

International, Vol. 34 (1994), No.7, pp. 593-598.

16. A. Cruz “Obtención de fundentes para molde de colada continua y su

caracterización” Tesis de Maestría. ESIQIE-IPN. México (2000)