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Concepciones básicas sobre matrices y escorias de fundentes para soldadura automática sumergida bajo arco eléctrico



    1.
    Introducción

    Para obtener y desarrollar las partes que conforman un
    fundente, sea éste fundido o aglomerado, se parte de
    concepciones básicas del comportamiento físico,
    químico y termodinámico de los componentes que las
    constituyen en las condiciones energéticas del arco
    eléctrico. El primer paso estratégico consiste en
    seleccionar las zonas de los sistemas termodinámicos de
    óxidos u óxidos-sales [1,2] que más se
    correspondan a las potencialidades, que brinda, en primer orden,
    la composición química global del conjunto de las
    materias primas (rocas, minerales, concentrados minerales,
    residuales industriales, etc.) disponibles en el país, que
    más se adecuen a los propósitos operacionales y
    metalúrgicos de los consumibles [3]. El sistema de
    óxidos primario de la matriz elegido (en nuestro caso >
    70 % de la composición química
    total)1 debe enmarcarse lo más
    próximo posible a las características
    metalúrgicas (índice de basicidad (IB), actividad
    química (Aq)), térmicas (temperatura de
    fusión (Tf), calor específico (cp), conductibilidad
    térmica (?), velocidad de solidificación, etc.) y
    propiedades físicas (viscosidad (?), tensión
    superficial (?), conductibilidad eléctrica (?),
    permeabilidad gaseosa, etc.) de determinadas zonas de los
    diagramas de fases binarios, ternarios o cuaternarios para
    así poder diseñar con cierta certidumbre el
    comportamiento metalúrgico y tecnológico de las
    matrices y de sus escorias resultantes. Estas zonas de los
    diagramas elegidas deben presentar, como indispensables
    requisitos térmicos y físicos, una temperatura de
    fusión entre 1 250 y 1 400 oC, una viscosidad (?)
    entre 0,2 y 0,5 Pa·s y una tensión
    superficial (?) entre 0.3 y 0.45 J/m2 para ese rango de
    temperatura [4-6]. Con vistas a alcanzar sólo
    los dos primeros requisitos en un amplio diapasón de
    composición química hay que añadirle,
    indispensablemente, a los tipos de sistema de óxidos
    alumosilicáticos, antes señalados, una sustancia
    (CaF2, la más frecuente) que actúe como modificador
    o regulador de la temperatura de fusión y de la viscosidad
    y sea, a la vez, compatible con las funciones metalúrgicas
    y operacionales requeridas para la matriz (escoria) durante el
    proceso SAW, aunque su componente aniónico en estado
    gaseoso interfiera en la estabilidad del arco, disyuntiva que hay
    que balancear.

    2. Sistemas de
    óxidos

    Durante los procesos de soldadura por arco
    eléctrico, el establecimiento del equilibrio
    termodinámico en la interacción metal de aporte
    líquido (cordón) y la matriz fundida
    (escoria) es un hecho indiscutible, pero su
    diagnóstico cuantitativo está limitado debido a los
    rápidos cambios de la temperatura y a las grandes
    diferencias de las velocidades de las reacciones entre las
    diferentes fases y estados de agregación durante la
    evaporización, fusión o solidificación:
    gas-líquido-sólido o viceversa.

    Al principio de la década de los treinta del
    siglo pasado se argumentaba que el alcance de la ley de la
    acción de las masas en la soldadura por arco
    eléctrico podía servir sólo para definir la
    ocurrencia de las reacciones [5-7]. En trabajos posteriores se
    postulaba que se podría alcanzar un cierto grado de
    definición cuantitativa sobre la base del establecimiento
    del equilibrio químico durante la soldadura por arco
    eléctrico [7-9]. Numerosos datos experimentales referidos
    al estado sólido y líquido del metal del
    cordón y de la propia escoria han servido de base para
    perfeccionar las concepciones actuales de los cálculos
    termodinámicos [10-14] . Con la profundización
    teórica a tenor de los avances
    científico-técnicos alrededor de estas
    investigaciones se acumulaba un acervo de conocimientos que
    indicaba una tendencia a establecer un aceptable nivel
    diagnóstico sobre el equilibrio químico entre las
    fases del cordón y las de la escoria correspondiente a una
    u otra alta temperatura. Estos avances se sustentaban con el
    argumento de que los fenómenos superficiales, en la gota y
    en el baño a altas temperaturas, presentaban una
    importancia singular y preponderante en la soldadura por arco
    eléctrico (SPA) y que se incrementaban debido a la
    agitación mecánica que provocaba las gotas al caer
    sobre el baño, las fuerzas de los campos
    electromagnéticos y la convección termocapilar
    (efecto Marangoni) [10, 14, 15]. La interacción entre el
    metal y la escoria y entre estos y los compuestos gaseosos ocurre
    intensamente en las superficies de las interfases de las gotas y
    del baño de soldadura, por tanto, a pesar de la relativa
    brevedad del proceso de soldadura, es factible que el equilibrio
    termodinámico se establezca en estas superficies de
    interacción [12]. A partir del desarrollo de las
    concepciones termodinámicas se presenta la posibilidad de
    diagnosticar los fenómenos dentro de los volúmenes
    donde se extienden las reacciones entre las
    interfases.

    La deficiencia más recurrente en los trabajos
    publicados estaba relacionada con la ausencia de criterios para
    establecer la cantidad de fases presentes en la escoria al
    principio y al final del proceso de soldadura; así se
    limitaba solamente a obtener la composición química
    de las fases pero no a cuantificarlas.

    Por esta razón determinar las cantidades de
    alambre y fundente consumidos, así como también la
    caracterización química y fásica de la
    escoria y del metal del cordón obtenidos
    durante la soldadura, es una premisa importante para
    establecer la magnitud del a lcance del equilibrio dentro de los
    volúmenes donde ocurren las reacciones entre las fases y,
    además, establecer la actividad química de los
    componentes de la escoria y del metal a partir del estado
    estándar de referencia que brinda el comportamiento
    termodinámico de los compuestos puros.

    Entre los parámetros termodinámicos de la
    metalurgia de soldadura, la temperatura del baño presenta
    un significado primordial, por lo que se pretendió
    establecer el concepto de temperatura promedio o efectiva del
    baño de soldadura. Esta temperatura del baño
    metálico con composición de un acero de bajo
    contenido de carbono (< 0,2 %) debe enmarcase, como principio,
    entre las dos temperaturas características más
    altas del hierro puro: la temperatura de fusión Tf(Fe) = 1
    802 K (1 539 ºC) y la de ebullición Teb(Fe)
    = 3 003 K (2 730 ºC) [13, 16, 17].

    Otro rasgo a tener en consideración es que la
    velocidad de calentamiento de este tipo de acero provocado por el
    arco en movimiento sobrepasa en mucho los 2 000 K por segundo
    [11, 14, 15]. Al alcanzar el metal del baño de soldadura
    como promedio la temperatura del metal líquido a los 2 273
    K, ésta se mantiene prácticamente constante durante
    fracciones de segundo y en la transición de líquido
    a sólido por unos escasos segundos [14, 16, 18]. En el
    caso de las mediciones directas de la temperatura del baño
    de aceros de bajo contenido de carbono, estas se hayan
    relacionadas con las temperaturas de fusión y el
    comportamiento lineal de la fuerza electroautomotriz (FEM) de los
    metales de los termopares empleados: 1- platino-platino rodio,
    2-volframio-rodio, entre otros. A partir del conjunto de
    mediciones directas de la temperatura del baño de
    soldadura, según a la composición química de
    aceros de bajo contenido de carbón, surgen valores de
    temperaturas relacionados con dos zonas del baño: una
    estrecha de 3 300 K (sobre calentamiento) para las
    altas temperaturas ubicadas en el centro del baño y otra
    de 1973 hasta 2 073 K para bajas temperaturas cercanas a los
    bordes del baño. La temperatura efectiva en el metal del
    baño se enmarca en el rango entre 2 273 K y 1 973K (?T =
    300 K) y se encuentra distribuida en una estrecha franja cerca
    del límite del metal líquido, por lo que puede
    esperarse, debido al enfriamiento rápido del metal, que la
    composición química y fásica del metal sea
    cercana a la del equilibrio correspondiente a 2 273
    K (2 000 ºC) [2, 5, 8].

    Otras investigaciones se han dirigido a determinar
    indirectamente la temperatura del baño de soldadura,
    basándose en los cálculos termodinámicos de
    varias reacciones, por ejemplo:

    SiO2(esc) =
    Si(metal) +
    2O(met) (1.1),

    Así se llega a un consenso de que la temperatura
    efectiva más probable y que brinda un amplio rango de
    buenos resultados se encuentra alrededor de (2 150 ± 100)
    K.

    Todas las variaciones de la composición
    química de las fases que interaccionan durante el arco
    tienden al establecimiento del equilibrio químico en mayor
    o menor medida, en el sentido de que el estado de equilibrio
    químico de las reacciones químicas no significa un
    estado estático, sino que se encuentra en constante
    intercambio y transformación de unos compuestos (A, B) en
    otros (G, H) y viceversa en función de la
    temperatura.

    aA + bB = gG + hH (1.2).

    La cuantificación de este estado de equilibrio de
    incesante transformación se expresa por la constante de
    equilibrio (K), que es función de las actividades
    químicas (ai) (concentración efectiva) de los
    componentes que intervienen en la reacción y se
    expresa por:

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    Esta teoría, en lo fundamental, da satisfactorios
    resultados, pero existen evidencias considerablemente fehacientes
    de que las fracciones molares (Ni) o porcentuales de las
    sustancias no reflejan la concentraciones activas verdaderas
    (ai), debido a que en las escorias multifásicas
    (silicáticas y alumosilicáticas) unos componentes
    interactúan con otros de manera que los
    coeficientes (?i) de las actividades adquieren
    diferentes valores:

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    Las escorias basadas en silicatos y alumosilicatos
    están constituidas, en estado fundido, por iones complejos
    del tipo [SixOy]z- y [SixAlwOy
    ]p- respectivamente y de
    moléculas complejas, que se forman a partir de la
    interacción de óxidos de diferentes tipos [2,
    19, 20].

    La teoría de los complejos moleculares e
    iónicos brinda resultados semicuantitativos valiosos. La
    concepción de los iones complejos permitió
    diferenciar teóricamente las bases de las interacciones de
    los iones complejos [SixOy]z- con los
    iones O2- y brindó
    métodos de cálculo más exactos de los
    coeficientes de las actividades (?) de los componentes, partiendo
    de los fundamentos de la termodinámica estadística
    [21].

    La relación de la temperatura y la
    concentración de dos, tres, cuatro y más
    componentes (óxidos) en determinadas zonas en
    función de otras propiedades físicas (viscosidad,
    tensión superficial, etc.) se asocian mediante los
    diagramas de estados, que son de amplia utilización [2].
    La representación gráfica de los diagramas binarios
    y ternarios de estado constituyen una valiosa herramienta
    estratégica, bastante utilizada, para el diseño de
    mezclas de masas fundidas con característica especiales y
    también para la síntesis de compuestos
    inorgánicos, sin embargo es poco el empleo de diagramas
    cuaternarios en la obtención de fundentes para la SAW
    [22], debido a que, entre otros aspectos, para su
    representación gráfica necesita un modelo
    tridimensional, un tetraedro. En el sistema de óxidos se
    han empleado estos diagramas con el objetivo de obt ener matrices
    vítreas y fundentes fundidos destinados a la SAW [22,
    23].

    3.
    Escorias

    Así como las propiedades del cordón de
    soldadura reflejan la calidad del proceso SAW, las escorias,
    derivadas de las matrices de los fundentes, expresan la
    eficiencia del proceso [6], aunque la calidad y la eficiencia del
    proceso no se pueden atribuir exclusivamente a ninguno de los dos
    productos del proceso de soldadura, ya que entre ambos existe una
    estrecha sinergia.

    Los requisitos cada vez más acrecentados para los
    fundentes de soldadura por arco eléctrico, con respecto a
    las propiedades físico-mecánicas y
    composición química del metal depositado,
    impulsaron el desarrollo de nuevos materiales y la
    utilización de nuevas fuentes de materias primas, buscando
    obtener constituyentes que contribuyan a formar durante los
    procesos de soldadura escorias más efectivas en la
    eliminación del azufre, fósforo y de inclusiones
    no-metálica, en la protección del cordón del
    medio ambiente, en elevar el aprovechamiento de la transferencia
    de elementos químicos útiles al metal del
    cordón de soldadura y en su fácil desprendimiento,
    dando al cordón una morfología y acabado
    superficial requeridos. Todo esto induce a continuar e l estudio
    de los sistemas de óxidos fundamentalmente constituidos ya
    no sólo a partir de óxidos y sales
    puros, sino también incluso a partir de seleccionar y
    utilizar racional y efectivamente materias primas de baja ley e
    incluso residuos industriales sólidos disponibles para la
    obtención y desarrollo de fundentes útiles con
    características requeridas en la producción de
    fundentes para la SAW [23, 24]. Por ello las investigaciones
    pretéritas sobre los sistemas de escorias y la
    presentación de sus resultados en forma de datos y
    diagramas constituyen un acervo investigativo de incuestionable
    valor y una herramienta de indudable efectividad, por ejemplo, en
    el diseño de las partes de los fundentes de soldadura:
    matrices y cargas alea ntes y alambres-electrodos. En este
    aspecto son fundamentales los trabajos, entre otros muchos
    más, de: [1, 2, 13, 25-31] .

    La escoria de soldadura ya solidificada es un sistema
    multicomponente, complejo con distintos grados de cristalinidad,
    que refleja directa e indirectamente la eficiencia de los
    múltiples efectos tecnológicos y
    metalúrgicos durante el proceso de soldadura por arco
    eléctrico sobre las propiedades del cordón, por
    ello la confección de las partes del fundente, a partir de
    las cuales la escoria se forma, es de importancia vital. Debido a
    esa complejidad es que estos tipos de escorias, originadas
    durante la soldadura, se circunscriben en la práctica a
    adecuarlos a diagramas de fases de sistemas de dos, de tres y,
    muy raramente, de cuatro componentes, suponiendo que la
    influencia de los componentes no tenidos "en cuenta" (< 20 %)
    como no esenciales es poca, por lo que se considera en valorar
    especialmente en cada caso concreto su efecto [32]. Esta
    embarazosa disyuntiva puede vencerse en la medida en que se
    escojan acertadamente métodos matemáticos en la
    formulación de la mezcla [33] y de planificación de
    experimentos en la confección de las partes de los
    consumibles de soldadura y valorar su efecto por las
    características de los productos del proceso de soldadura
    [32]: el cordón y la escoria. Para los métodos de
    planificación experimental parece ser que no existen
    limitaciones en cuanto a las cantidades o número de
    componentes o parámetros y propiedades. Sin embargo, para
    conjugar estos datos experimentales con los diagramas de fases
    surgen complicaciones en la representación
    termodinámica de los datos experimentales. El
    método más evidente e ilustrativo es el
    gráfico. Pero la representación en un plano de las
    propiedades del sistema multicomponente es muy difícil, y
    en la mayoría de los casos es sumamente engorrosa (para no
    decir imposible).

    En la práctica el uso de diagramas de fases y el
    empleo de diseños de experimentos en la elaboración
    de fundentes de soldadura por arco eléctrico es un campo
    casi virgen en nuestro país [34-37]. El CIS
    de UCLV es un pionero destacado en este sentido y ha cosechado
    resultados que han conducido a más de 15 tesis de
    doctorado y a unas 5 patentes [38].

    Los sistemas de óxidos (SiO2-MnO, SiO2-Al2O3-CaO,
    SiO2-Al2O3-MgO, SiO2-Al2O3-CaO- MgO, SiO2-Al2O3-(CaO,MgO)-TiO2,
    entre otros) combinados con sales (por ejemplo, CaF2) son los
    más empleados en las investigaciones de consumibles de
    soldadura desarrolladas en el CIS.

    En estado fundido, los sistemas multicomponentes pueden
    estar constituidos por varios subsistemas: monocomponente,
    binarios, ternarios, cuaternarios, etc. Por ejemplo un sistema
    hexacomponente de óxidos puede estar formado por los tipos
    de subsistemas siguientes: uno hexacomponente, seis
    pentacomponentes, 15 cuaternarios, 20 ternarios, 15
    binarios y seis monocomponente, resultando un total mínimo
    de 63 subsistemas. Es estratégico conocer de cuantos tipos
    de subsistemas puede estar constituidos el conjunto de
    componentes (p. ej. óxidos) elegido como sistema, ya que
    sirve para valorar la complejidad de los sistemas
    multicomponentes fundidos y para formar una estrategia del
    enfoque termodinámico de la posible existencia de fases en
    estado sólido.

    El posible número total mínimo de
    subsistemas (NTMS), que se forma a partir de un conjunto de
    componentes (óxidos) del sistema principal, se puede
    calcular por la ecuación siguiente
    [23]:

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    Donde n es el número de todos los
    componentes del sistema; p es el número de
    componentes que se agrupan para formar sistemas de menor orden
    (monocomponente: p = 1, binarios: p = 2, ternarios: p =
    3, cuaternarios: p = 4, etc.); (n-p) constituye
    el número del resto de los componentes que agrupados no
    forman por sí mismos un subsistema de menor orden. Por
    ejemplo, del sistema pentacomponente (SiO
    2-Al2O3- CaO-MgO-CaF2) se forman,
    según la fórmula (1.5), los siguientes
    subsistemas:

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    Es decir, cinco sistemas monocomponente, 10 binarios, 10
    ternarios, cinco cuaternarios y uno pentacomponente. No todas las
    combinaciones de los componentes de estos sistemas conducen a un
    compuesto estequiométrico o fase de estructura definida y
    termodinámicamente estable. En estado sólido pueden
    obtenerse varios compuestos constituidos por todos los
    componentes del sistema, pero no todos con la misma
    fórmula estequiométrica (polimorfismo).

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