Fundentes al Manganeso para la Soldadura Automática por Arco Sumergido (SAW)

Resumen

Se abordan los minerales de manganeso de frecuente aplicación en fundentes para la Soldadura por Arco Sumergido (SAW). Se detalla en el comportamiento de estos minerales durante el calentamiento en el proceso de obtención del fundente. Son abordados, además, otros minerales de frecuente uso en la obtención de fundente. Se analizan las particularidades de los fundentes de alta sílice y alto manganeso. Se hace una valoración sobre la estructura de los fundentes, sus propiedades químicas, físicas y tecnológicas, así como su participación en los procesos metalúrgicos de oxidación-reducción y afino del metal del cordón.

Palabras claves: Mineral de manganeso. Soldadura por arco sumergido. Fundentes fundidos.

Minerales de manganeso

La mayoría de los autores, entre ellos Buchman (1997) y Brady (1997) clasifican las menas de manganeso atendiendo a su aplicación y en función de sus composiciones, en menas para la industria química ( 80 % MnO2) y menas para la industria siderúrgica, caracterizadas estas últimas por sus relaciones porcentuales de composición. Otros autores como Perdomo (2000a), Gomez-Pinilla (1998), Ring (1996) y Velikov (1991) las clasificaciones atendiendo a las posibilidades de tratamiento.

Según lo planteado por Labordina (1991), Brady (1997) y Grichenko (1991), entre los principales minerales de manganeso se destacan los oxidados y los carbonatos. A los primeros pertenece la pirolusita (MnO2 con 63,2 % de Mn), que es el más frecuente y entre los carbonatos se destaca la rodocrosita (MnCO3 con 47.8% de Mn). Existe además un tercer grupo, que son los silicatos de calcio y manganeso -Rodanita (Mn,Ca).(Si3O9) y bustamita (Ca,Mn).(Si3O9).

En los minerales de manganeso el contenido de fósforo, el cual se encuentra formando parte de especies minerales acompañantes, se considera un parámetro de calidad importante, que llega incluso a definir los esquemas y posibilidades de procesamiento, como refieren un número importante de autores, entre ellos Velichkov (1991), Lee (1990), Mazvishvely (1991), Konstsitkova (1991).

El primer campo de aplicación de los minerales de manganeso lo constituye la producción de ferromanganeso. No obstante, en la producción de materiales para soldar éste mineral es ampliamente utilizado, solo que esta industria requiere de volúmenes de producción sumamente inferiores a los requeridos por la siderurgia. Por ello, incluso la literatura especializada en la metalurgia del manganeso, a veces no aborda este campo de aplicación de éste mineral.

• Comportamiento de los minerales de manganeso a altas temperaturas

El proceso de síntesis de un fundente fundido al manganeso es un proceso pirometalúrgico, acompañado de cambios de fases, en el cual llega a alcanzarse el estado fundido. Conocer las transformaciones que tienen lugar con el aumento de la temperatura para el mineral implica prever la composición de los productos a obtener, el requerimiento energético para los estadios del proceso, así como la composición de los gases de salida.

El tratamiento térmico de la pirolusita, que es el mineral más difundido entre los minerales de manganeso, se caracteriza fundamentalmente por la disociación de los óxidos superiores hasta MnO a relativamente bajas temperaturas, de manera escalonada según el esquema de Baikov, señalado por muchos autores (Misra (1990), Uchida (1991), Mats (1998)):

Cada uno de los estadios de este esquema ha sido abordado detalladamente en diversos trabajos, entre ellos Misra (1990), Bobkova (1991), Alui Yajia (1984), los cuales han dado expresiones de energía libre de Gibbs para determinados rangos de temperatura, adecuándolas a la formación de un mol de oxígeno, con el objetivo de compararlas:

Los trabajos que refieren este hecho (Smart (1995), Jiang (1990), Kulikov (1991)) lo relacionan a un mayor ordenamiento de las redes cristalinas.

Por las condiciones específicas de la obtención de fundentes por fusión, que es el caso que nos ocupa, es evidente que el esquema señalado representa el comportamiento general del mineral de manganeso. No obstante las características particulares del comportamiento térmico de cada mena, así como las condiciones concretas de equipamiento, deben ser tenidas en cuenta para su procesamiento.

Para el caso particular de la reducción de minerales de manganeso frente al carbono, en la producción de ferromanganeso, existen otras consideraciones. Un grupo importante de autores, como Atuai (1984), Baterhan (1992), Runov (1990a) y Gacik (1991a), plantean un esquema de reducción donde el paso de Mn3O4 a MnO tiene lugar frente al CO y por supuesto ello ocurre a una temperatura inferior a la de disociación.

Como consecuencia de la presencia de relativamente altos contenidos de SiO2 en los minerales oxidados de manganeso, durante el procesamiento térmico de estos es posible la formación de MnSiO3 y Mn2SiO4. Las ecuaciones que representan estos procesos, así como los valores de energía de Gibbs, según Mchedlov (1985), Lucio (1979) y Drew (1999), son como sigue:

Una valoración de los minerales de manganeso pirolusíticos y su procesamiento térmico, a los cuales ya nos hemos referido, hace evidente desde el punto de vista de su composición, el predominio del óxido de manganeso sobre el de silicio y de estos sobre los otros óxidos, lo que hace posible su análisis sobre el sistema binario MnO- SiO2, de la figura 1, el cual es referido por una serie importante de autores (Sirina (1991), Stukalo (1987), Podgaestki (1988), con ubicaciones en este sistema para relaciones porcentuales MnO/SiO2(2.4 (a la izquierda de la eutéctica).

Otros minerales empleados en la obtención de fundentes al manganeso

Arenas de sílice

La sílice es un mineral de carácter ácido que se encuentra relativamente puro en grandes cantidades y presenta una reactividad apreciable con las sustancias básicas, cuyos productos son muy estables. La densidad de este mineral (2,65g/cm3 ), al igual que otra serie de características físicas, aparece en un gran número de trabajos, entre ellos McHale (1997), Griffen (1992), Perry (1999) .

El cuarzo, que es la forma polimórfica estable de la sílice a baja temperatura, por la acción del calor se transforma en otras variedades: tridimita y cristobalita, estableciéndose por diferentes autores (Mechedlov (1985), Buchman (1997)) la siguiente serie de transformaciones enantiotrópicas.

La coincidencia de temperatura en los últimos estadios de las transformaciones polimórficas de la sílice y el producto reducido del óxido de manganeso muestra que la cristobalita y la manganosita presentan la mayor reactividad en estado sólido (ver ecuación 1.3). Las transformaciones referidas tienen una importancia considerable en la obtención de fundentes fundidos, pues como plantea Gasik (1991b) el paso de una especie a otra, e incluso a otra variedad, lleva implícito cambios de volumen a veces considerables por ser diferente la cristalización.

En la obtención de fundentes para la soldadura es muy frecuente el empleo de arenas de sílice, para lo cual la mayoría de los autores (Perdomo (1999), Olson (1990)) establecen como requisito fundamental que el contenido de SiO2 sea superior al 90%, exigencia que, a nuestro criterio, no debe ser rigurosamente tomada en consideración o mejor aún, lo que debemos plantearnos es utilizar siempre las arenas de mayor ley posible.

Caliza

La caliza es una roca cuyo componente mineral principal lo constituye la calcita. La calcita pura está formada por 56% de CaO y 44% de CO2 y presenta una densidad de 2.71 g/cm3, aspectos que pueden ser encontrados en una amplia literatura, como son Perry (1999) y McHale (1997).

Al ser calentada la calcita se descompone, en un recipiente abierto y a presión atmosférica, de acuerdo a la siguiente ecuación (Gasik (1991c)):

Mats (1998) y Smart (1995), entre otros, plantean que si la calcita presenta sustituciones isomórficas con los cationes Fe2+ y Mg2+ la descomposición se realiza a temperaturas inferiores. La posibilidad de ocurrencia de esta reacción está relacionada con la temperatura del sistema y la presión parcial del CO2 en él. En las condiciones en que se realiza el proceso de síntesis de un fundente del sistema MnO-SiO2, la presión parcial del CO2 puede influir en la marcha del proceso, ya que está relacionada con las presiones internas en el horno y en consecuencia con la posibilidad de arrastre de las partículas de la carga. En un sistema abierto la condición de equilibrio se alcanza cuando PCO2 vence la presión atmosférica. Según la expresión de (G se determina que en condiciones normales, a 1170 K (897 0C) la calcita se descompone totalmente.

En la producción de fundentes de soldadura la caliza es adicionada en calidad de fundente básico, para regular una serie de propiedades, físicas, tecnológicas y metalúrgicas. El requisito fundamental que deben cumplir estas rocas para su empleo en la conformación de fundentes de soldadura, según Gomez C. R.(1995), Olson (1990), es que su contenido de CaO sea alto ((89% de pureza).

Alumosilicatos

El caolín y el feldespato son alumosilicatos con densidades de
2.6 g/cm3 y 2.5-2.6 g/cm3 respectivamente como plantean Carrillo (2000) y Ring
(1996), caracterizados por las fórmulas (NaCa)[AlSi3O8] (feldespato del
grupo de las plagioclases) y Al4[Si4O10][OH]8 (caolinita).

Para el caso del las plagioclases la relación molar SiO2/Al2O3
es de 3.53:1, mientras que para la caolinita dicha relación es de 2:1.
La presencia conjunta en valores significativos de Al2O3 y SiO2 y una diferenciación
marcada de las relaciones SiO2/Al2O3 hace que para la adición de estos
minerales en las cargas para la obtención de un fundente fundido sean
valoradas las relaciones, no solo en función de la mena, sino en la conjugación
de los contenidos de alúmina y sílice.

Fluorita

El fluoruro de calcio (CaF2) está formado por 51.2% de Ca y 48.8% de F. Su dureza es de 4 en la escala de Mohs y su densidad es de 3.18 g/cm3, junto a otras propiedades físicas que relacionan autores como Kalieva (1985) y Kuzmienko (1980).

La temperatura de fusión de la fluorita es de 1382 0C, esta temperatura de fusión relativamente baja provoca que al fundirse la fluorita produzca un corrimiento de las isotermas de las regiones fásicas del sistema de óxidos en los diagramas de fases hacia temperaturas menores, facilitando la fusión; además provoca un aumento de la permeabilidad gaseosa del fundido durante el proceso de síntesis del fundente, lo cual es abordado detalladamente por Akverdin (1987), y Baisanov (1990), estableciendo este último nexos importantes entre las particularidades del CaF2 y las propiedades de los fundidos.

La fluorita es considerada un fundente con características neutras hasta 1500o, ya que a temperaturas superiores se convierte en básico a causa de su comportamiento frente al SiO2, actuando como regulador de propiedades, por ejemplo el carácter corto o largo del fundido o la conductividad eléctrica como lo plantean Mitchell (1981) y Olson (1981).

Fundentes al manganeso y alta sílice

Los fundentes fundidos que más difusión han encontrado en la práctica, como lo reflejan Potapov (1989), Noguchi (1999), Okabe (1996), Saruhashi (1997a), a causa de sus excelentes propiedades tecnológicas y su comportamiento metalúrgico, son los correspondientes a la clasificación de alta sílice y alto manganeso, que generalmente son ubicados según su relación porcentual a la derecha de la zona eutéctica con relaciones porcentuales MnO/SiO2(1.128 (figura 1). Esta relación muestra una ubicación de los fundentes de este sistema en una zona de composición donde las temperaturas de fusión para mezclas de óxidos puros son altas con valores cercanos a los 16000C y con amplios intervalos de cristalización; sin embargo en la práctica estos fundentes presentan temperaturas e intervalos de cristalización inferiores a causa de la presencia de otros componentes que fungen como modificadores del sistema matriz (tabla 1). Muchos autores (Konstsitkova (1991), Andou Haruka (1983), Abe (1995)) justifican esta ubicación de los fundentes en el sistema binario a la búsqueda de menores consumos de mineral de manganeso para reducir directamente los costos y reducir además los aportes de P al metal del cordón de soldadura, pero en ello limitan la posibilidad de adecuación de la relación MnO/SiO2, no solo a temperaturas mayores, sino que no aprovechan todo lo posible la influencia de esta relación sobre las propiedades del fundente. Es precisamente este aspecto el que ha llevado a la mayoría de los autores a pensar en la adición de modificadores (MgO, TiO2, Na2O, K2O, BaO, ZrO2), buscando corregir las propiedades, pero aún así no alcanzan el efecto de una relación mayor MnO/SiO2, sobre todo en las actividades del SiO2 y el MnO, que se traduce en menores contenidos de Mn y mayores de Si, C y S en los depósitos para un mismo electrodo y régimen de soldadura.

Tabla 1. Composición química media de fundentes comerciales del sistema de escoria MnO- SiO2, utilizados frecuentemente en las Industrias Cubanas.

Las consideraciones expresadas predeterminan que la síntesis de un fundente de alta sílice y alto manganeso de modo general lleva implícito un desplazamiento en el diagrama de estado binario hacia una zona de menores valores de relación porcentual MnO/SiO2 que las posibles a lograr por la disociación de los óxidos superiores de manganeso presentes en los minerales. Para lograr esto solo existen dos vías posibles: disminuir los contenidos de MnO mediante reducción hasta Mn en presencia de un reductor (carbono, silicio, aluminio) donde la escoria a obtener sería el fundente esperado como se plantea por Perdomo (1998), Andou (1983) y Cruz (2000a); aumentar los contenidos de SiO2 (adición de cuarzo, arena de sílice u otro mineral contentivo de este óxido) como lo practican la mayoría de los autores (Saruhachi (1996), Volovel (1998)). La primera vía, aún sin entrar en consideraciones económicas, resulta poco factible desde el punto de vista de procesamiento por la complejidad del proceso reductivo y sobre todo por las altas temperaturas necesarias que no permiten obtener una escoria granulada con las características físicas para su utilización directa como fundente en la soldadura, como se refleja en una serie de trabajos (Perdomo (1998), Cruz (2000a) y Quintana (2000)).

Ya en los propios minerales de manganeso están presentes algunos componentes (CaO, Al2O3, MgO y otros) que actúan en el fundente que se obtiene como modificadores del sistema binario, solo que sus relaciones deben ser corregidas a favor de establecer las propiedades adecuadas en la obtención (en correspondencia con los minerales y el equipamiento) y aplicación del fundente, por lo que en las cargas para la síntesis de este debe ser considerada la adición, además de la sílice, de otros minerales correctores (caliza, caolín, feldespato, fluorita, dolomita, rutilo y otros).

Quintana (1998), Kuchuk (1996) y Castellanos (1994) son del criterio que cuando se pretende obtener altos valores de Mn en el cordón, en el sistema metalúrgico binario alambre- fundente la composición química del alambre debe garantizar el contenido de Mn en la aleación. Si se espera una composición de la aleación sin altos contenidos de este elemento es suficiente el aporte del fundente a causa de la reducción del MnO. En este sentido aún cuando coincidimos con estos autores, pensamos en la posible flexibilización de este criterio al activar el MnO a partir del aumento de la basicidad, lo cual han realizado, pero desde el enfoque de sustitución del MnO por el MgO, un grupo de autores importante, entre ellos, Sugioka (1987), Saruchashi (1996), Potapov (1989). Sin embargo, el hecho de disminuir los contenidos de MnO (disminución de MnO/SiO2) en el fundente al aumentar la basicidad ha dejado sin explorar la posibilidad de intensificar la actividad del MnO y disminuir la del SiO2 a partir de la formación de silicatos básicos estables que tendría lugar si se adiciona Me2+(CaO por ejemplo) para MnO/SiO2=const. Esto puede ser de gran utilidad para lograr depósitos de igual Mn con un alambre de menor contenido de este. Cuando los contenidos de CaO son próximos al 20% en los fundentes al manganeso hasta ahora reportados por diversas fuentes entre las cuales, Podgayeskii (1988), los contenidos de MnO resultan también próximos al 20%.

Propiedades químicas, físicas y tecnológicas de los fundentes

• Propiedades químicas de los fundentes

Basicidad

La interacción química del fundente fundido con el metal de la costura en gran medida la determina la relación de los óxidos ácidos, básicos y anfóteros en su composición. Como bien lo plantean Potapov (1989) y kuzmienko (1980), en los fundentes los fluoruros y cloruros se consideran generalmente compuestos neutros, mientras que estos no reaccionen con otros elementos químicos del fundente formando compuestos volátiles:

El Ca y el CaO de la ecuación (1.7) se consideran la parte básica que queda en la escoria o fundente.

La basicidad (acidez) se valora sobre la base de la relación de sus óxidos según la teoría molecular de las escorias en relaciones molares o porcentuales. Según datos de Yu. Zeke, refiere Cicuitti (1997), hasta el presente se conocen 34 ecuaciones con ayuda de las cuales se puede considerar en mayor o menor medida la posibilidad de dar un criterio sobre la basicidad del sistema de escoria o de la matriz del fundente. Estas fórmulas pueden dividirse en dos grandes grupos: a) Las basadas en la Teoría Iónica de las escorias, b) Las basadas en la Teoría Molecular de las escorias.

Como plantean Marcelo (2000) y Garcia (1984) para el primer grupo de fórmulas son características las siguientes:

Esta última ecuación, aún cuando sabemos que esta limitada al no considerar la existencia de los compuestos, permite a nuestro juicio, caracterizar con bastante aproximación el comportamiento metalúrgico de los fundentes, en particular su participación en los procesos REDOX y afino. En la valoración de la posibilidad de obtención en la escoria de uno u otro óxido libre es necesario considerar la posibilidad de formación de diferentes compuestos (FeO( SiO2, 2FeO(SiO2, MnO(SiO2, 2MnO(SiO2, CaO(SiO2, 2CaO(SiO2), cuando una molécula de SiO2 puede enlazar no una, sino dos moléculas de óxido básico bivalente (CaO, MgO,etc) como bien se plantea por Onorin (1986) y Gasik (1991a). En consecuencia un fundente compuesto de 50% de SiO2 y 50% de MnO sería ácido y no neutro (B=1). Lo anterior es válido si se emplea en la determinación de la basicidad los valores porcentuales, sin embargo si se emplean las relaciones molares el fundente tendrá un carácter básico (B=1.18). Se hace necesario aclarar que la formación de los compuestos a partir de óxidos se verifica por sus relaciones estequiométricas y no por sus relaciones porcentuales.

Si la basicidad es menor que la unidad (B1 y neutros si B=1, en ello coinciden todos los autores consultados entre ellos Burgos (1992) y Potapov (1989). A nuestro criterio esta clasificación de los fundentes en determinada medida es formal, ya que el valor absoluto de la basicidad de cada compuesto es desconocido, no obstante como plantea Pis䭥nnyi (1996) permite emitir juicios del comportamiento metalúrgico de los fundentes, pues para valores más elevados de basicidad, los valores de actividad del ion de oxígeno O2- son mayores, o sea, mayores serán en la escoria los iones libres de este. En correspondencia con lo anterior Pojvisnev (1991) y Mironienko (1991) aseguran que las escorias ácidas poseen menor capacidad oxidante ya que la entrega de oxígeno al metal en este caso se realiza mediante la ruptura de los aniones complejos de SiO2 en la frontera del sistema heterogéneo.

Actividad

La mayoría de los autores, entre los cuales se destacan (Stukalo (1987)
y Podgayeskii (1988) coinciden en dividir los métodos de valoración
de la actividad química (oxidante) de los fundentes (matriz) formalmente
en dos grupos. El primer grupo comprende los métodos universales, válidos
para evaluar las propiedades metalúrgicas del medio protector en todos
los procesos de soldadura por fusión. Estos métodos son generales
y no totalmente precisos, se basan en la consideración de la composición
química del metal fundido bajo la acción del medio protector (fundente).

Algunos autores, Castellanos (1994) entre ellos, plantean valorar la actividad química de los fundentes (su acción oxidante) por el contenido relativo de los elementos de aleación en el metal de la costura en comparación con el contenido original en el electrodo. Este contenido relativo se conoce como, coeficiente de asimilación, o coeficiente de transferencia del elemento aleante al metal de la costura (metal fundido). A nuestro criterio una deficiencia visible de este coeficiente es que considera las pérdidas totales del elemento de aleación en la oxidación y volatilización sin diferenciación de como y en cual estadio estas ocurren.

Esta metodología de valoración de la intensidad de interacción del medio protector con el metal por la cantidad de oxígeno que reacciona con éste, puede ser utilizada prácticamente para todos los tipos de soldadura por fusión. La ventaja de ésta es que permite reflejar cuantitativamente la actividad química oxidante del medio protector y sobre esta base se puede correctamente hacer la elección de la variante metalúrgica de soldadura por fusión (alambre electrodo- medio protector). No obstante la valoración referida tiene una desventaja y es que el índice de la capacidad oxidante del medio protector constituye una magnitud abstracta no relacionada con su naturaleza, es decir que no contempla las particularidades de las relaciones específicas de los componentes, de tal modo que fundentes con idéntico valor de actividad pueden no comportarse de igual modo ya que las actividades individuales de los óxidos son diferentes, incluso para un mismo sistema de óxidos a causa de diferentes relaciones específicas pueden ser diferentes los compuestos existentes en él. Es por ello que la valoración propuesta no da por adelantado la posibilidad de predecir como un medio protector u otro oxida el metal del cordón y permite solo constatar las consecuencias de los procesos de oxidación- reducción (variante del método de prueba y error).

Como que las reacciones de interacción entre el metal y la escoria dependen no solo de las condiciones de concentración en la zona de fusión, sino también del régimen de soldadura como lo plantean Quintana (1998), Rostek (1994), entonces un mismo fundente en dependencia de los parámetros de régimen puede manifestar diferente actividad química. Hay resultados incluso (Cruz (2000c) y (2001)) que demuestran que la actividad química de un fundente puede variar para idénticas condiciones de régimen con la variación de la densidad aparente (características de los granos y dimensiones de estos). Por ello, sobre la base de la valoración propuesta es dificil elegir el fundente para cada caso concreto sin un análisis experimental (método de prueba y error o diseño estadístico de experimentos).

El coeficiente de actividad química relativa de los fundentes varia desde 0 hasta 1, y brinda la posibilidad de distribuir por un orden a los fundentes fundidos partiendo de su actividad química y orientarse con cierto grado de certeza en la selección de un fundente para la soldadura de un acero determinado.

Existen varias clasificaciones de fundentes sobre la base de su actividad química, una de ellas es la realizada por N.M. Novoshiloilov referida por Podgayeski (1988) que clasifica a los fundentes de alta sílice y alto manganeso de la siguiente forma:

• Propiedades físicas de los fundentes

En la soldadura por arco sumergido los fundentes cumplen una serie de funciones: Aíslan el baño de la interacción con la atmósfera, estabilizan el arco, forman la superficie del metal, retardan la transferencia de calor al medio, intervienen en los procesos de afino, de oxidación-reducción etc. La parte cualitativa de las funciones nombradas están relacionadas con las características físicas de los fundentes, sobre todo en estado fundido.

Viscosidad

Un número importante de autores, entre ellos Olivera (1999), Akverdin (1987), han dedicado esfuerzos al estudio de la viscosidad por su influencia sobre el carácter de formación del cordón, la profundidad de fusión del metal base, la salida de gases de la zona de fusión y particularidades del proceso.

Como plantea Olson (1981), en el proceso de soldadura las escorias deben tener una temperatura de fusión no lejana a la temperatura de fusión del metal, prefiriéndose tal estado de temperatura de fusión del metal y la escoria en el cual la escoria pasa al estado líquido fluido para una temperatura algo inferior a la temperatura de fusión del metal (para soldadura de aceros debe ser 200 – 300 0C). Lo planteado, junto a la dependencia de la viscosidad de la temperatura (su carácter corto o largo) y las condiciones de síntesis del fundente, predeterminan las características de fusibilidad de éste.

Densidad y permeabilidad

La densidad en estado líquido y la permeabilidad son atendidas por autores como Mascucci (1998) y Baisanov (1990) con especial interés. Se plantea, como conociendo la variación de la densidad en dependencia de la composición y la temperatura se puede juzgar sobre la estructura de la sustancia en estado líquido y sobre la interacción física de la sustancia líquida con el sólido.

La densidad de las escorias fundidas depende de la temperatura y la presión cuando el sistema no es abierto, así como de las concentraciones de los componentes y las relaciones particulares de estos, como se infiere de un número importante de trabajos, entre ellos Olivera (1999). También de una serie de trabajos Gacik (1991a), Gacik (1991b), Akverdin (1987) se advierte como la aparición en el fundido de compuestos complejos estables en forma de aniones lleva a la desviación de la solución ideal y la curva de densidad se desvía de la recta, observándose un punto de flexión en la curva de densidad cuando en el diagrama de estado se tiene un máximo correspondiente a la formación en estado sólido de un compuesto químico.

Existe poca información sobre la densidad de los fundentes para altas temperaturas en la bibliografía, ya que pueden ocurrir variaciones de volumen. Según Sokolsky (1986), por altos valores de densidad se distinguen los fundentes que contienen grandes cantidades de óxidos de manganeso, por relativamente baja los del tipo de sales del sistema CaF2- NaF. Plantea, también este autor, que el alto contenido de SiO2 generalmente lleva a la aparición en la escoria de aniones complejos del tipo SiXOYZ-, los cuales débilmente retienen a los cationes del metal y aumentan el volumen del fundente (escoria).

Cuando las escorias presentan menor densidad estas se liberan más fácilmente del metal flotando sobre su superficie, lo que posibilita la obtención de cordones de soldadura libres de inclusiones exógenas.

Desde el punto de vista de la protección de la influencia de la atmósfera, la alta permeabilidad del fundente constituye un fenómeno negativo, pero permite una mejor liberación de los gases a través de la escoria del metal que cristaliza y esto es un fenómeno positivo.

La permeabilidad del fundente influye, no solo en el contenido de gas en el metal del cordón, sino también en su forma y en su formación, como lo observa Saruhashi (1999), el cual plantea que esta propiedad depende de sus densidades, características granulométricas y la constitución física del grano (poroso, vítreo o vítreo- poroso, para el caso de los fundentes fundidos). Así, no debe caber dudas que la mejor capacidad aislante de la influencia de la atmósfera la poseen los fundentes que tienden a un empaquetamiento denso de las partículas acorde a su distribución granulométrica. Si bien sobre esto último la información es poca, si existen criterios de algunos autores, entre ellos Potapov (1989), Marcelo (2000) y Leonar (1996) para la altura de capa de fundente del sistema MnO-SiO2 en función de la intensidad del arco, la cual es como se muestra en la tabla 2.

Tabla 2. Altura de capa de fundente en función de la corriente de soldadura.

• Propiedades tecnológicas de los fundentes

Por propiedades tecnológicas de los fundentes durante el proceso de soldadura se entiende la capacidad de estos de permitir el encendido, de mantener la estabilidad del arco, de garantizar una forma adecuada del cordón, de formar en la superficie del cordón una capa fácil de desprender.

De forma cuantitativa resulta difícil evaluar las propiedades tecnológicas, por ello estas son reflejadas por la mayoría de los investigadores, entre los que se destacan Cárdenas (1994), Gomez (1995) y Pérez (1997), mediante índices cualitativos basados en criterios de expertos, no obstante algunos trabajos, entre los cuales Saruhashi (1997a), plantean otros métodos de evaluación, en particular para la estabilidad del arco. Uno de estos métodos de valoración de la estabilidad del arco lo constituye la determinación de la mayor longitud para la cual ocurre su interrupción real (metodología de K.K. Jrenov) como la refiere Podgayeski (1988).

Influencia del fundente sobre la estabilidad del arco

Un encendido no estable del arco puede ser provocado por varias causas: debilitamiento periódico del arco en el cambio de metal o por la utilización de corriente alterna, características insuficientes de la fuente de corriente y composición de los consumibles. Casi la totalidad de los autores, entre ellos Saruhashi (1999), Cruz (2001), atribuyen la mayor responsabilidad a la composición del fundente y en menor medida a la del alambre electrodo y del metal base.

Se puede influir sobre la estabilidad de encendido del arco mediante la introducción en el metal de elementos con bajo potencial de ionización, lo cual casi siempre se logra a través de la composición del fundente, como bien lo plantea Volovel (1998). Como complemento a esto Frolov (1988) señala que los iones de los elementos referidos, en su movimiento hacia el cátodo bombardean la mancha catódica, formando segmentos, en los cuales decrece bruscamente el potencial de salida y ocurre la mayor emisión de electrones.

La presencia de fluoruros o haluros en el fundente desempeña un papel negativo, como señala Kuzmienko (1980) y Kalieva (1985), lo cual está condicionado por el arribo a la atmósfera del arco del anión F- o X-, junto al catión Ca2+. Por esto la concentración del fluoruro de calcio en valores excesivos en fundentes del sistema MnO- SiO2 (>10% CaF2, según Olson (1990)), hace decrecer significativamente la longitud del arco (la estabilidad).

Influencia del fundente sobre la geometría del cordón

Sobre la forma de la sección transversal del cordón gran influencia ejercen las propiedades estabilizadoras del fundente, su densidad y su distribución granulométrica. Según datos de Da Silva (1998) y Perez (1997) variando la longitud del arco y la profundidad de su penetración en el metal base se puede variar el coeficiente de forma del cordón. Esto puede lograrse variando las propiedades estabilizadoras del fundente, de tal modo que un fundente con bajas propiedades estabilizadoras lleva a la disminución de la longitud del arco y la obtención de un cordón estrecho, con gran profundidad de penetración. Para altas propiedades estabilizadoras del fundente hay un alargamiento del arco y en consecuencia la obtención de un alto coeficiente de forma del cordón.

Según resultados de varios autores, entre ellos Portal (1994b), (Cruz (2001)), cuando se emplea un fundente de granos pequeños, como para fundentes de pocas propiedades estabilizadoras, se obtienen cordones más estrechos con gran profundidad de penetración y con un coeficiente de forma elevado, lo contrario ocurre para fundentes de granulometría gruesa. Se hace casi evidente que lo anterior se relaciona con la variación de la densidad aparente de la capa fundente en función del tamaño de los granos.

Como han demostrado V.V. Podgayetsky y K.V. Liubavsky (Olson (1981)) la apariencia externa del cordón en gran medida depende de la uniformidad de deposición del metal, relacionado con las condiciones de cristalización del baño. Para una gran movilidad del baño, por ejemplo, como resultado de la combustión del carbono o el desprendimiento de los gases disueltos, el aspecto externo del cordón empeora significativamente.

Un aspecto importante, al cual hacen referencia Portal (1994b) y Herrera (1998), es que para la soldadura de cordones circulares de poco diámetro conviene utilizar fundentes que forman escorias "cortas", ya que la escoria solidifica rápido y sostiene al baño para que no gotee.

Da Silva (1998) y otros autores relacionan la forma del cordón con los defectos. Según estos en los planos que se forman durante el corte de los bordes o por la falta de fusión, como regla se alojan inclusiones de escoria orientadas en la dirección de la soldadura, de tal modo que los cordones con alto coeficiente de forma garantizan con más frecuencia un menisco convexo que impide la formación de dichas inclusiones en el metal.

Influencia del fundente sobre el desprendimiento de la capa de escoria

Desde el punto de vista de la adherencia mecánica de la escoria, se establece por autores como Saruhashi (1997b) y Noguchi (1999), que se separan más fácil aquellas escorias con poca resistencia, con mayor coeficiente de dilatación lineal y de alta temperatura de reblandecimiento, siendo determinado fundamentalmente por su resistencia mecánica y no por la fuerza de adherencia de ésta con el metal. De igual modo un número importante de investigadores, incluidos los mencionados, plantean que para menores ángulos de bisel la capa de escoria se desprende con mayor dificultad para iguales condiciones.

Cuando el cordón está sobre una superficie plana ( 180o de ángulo) la costra de escoria se sostiene por dos fuerzas dirigidas hacia abajo, una que la sostiene al cordón y otra al metal base. Si el ángulo entre los bordes es menor de 180o surge una componente en dirección horizontal en el contacto de la escoria con el metal base, además de las dos fuerzas verticales. Esta ultima componente según Portal (1994) esta relacionada con la diferencia de los coeficientes de dilatación lineal /(esc- (metal/.

La variación de (esc cuando los componentes del fundente varían en 1%, de acuerdo a lo planteado por Akverdin (1987), es como muestra la tabla 3.

Tabla..a 3. Variación del coeficiente de dilatación de la escoria.

Una serie de trabajos, entre ellos Saruhashi (1999) y Pérez (1997), plantean que a mayor basicidad la resistencia mecánica de la escoria es menor y en consecuencia su adherencia es menor también. Esto a nuestro criterio debe estar vinculado a la influencia de los elementos básicos sobre los enlaces del silicato.

A la adherencia química de la escoria y el metal la bibliografía especializada, entre ellos Frolov (1988), brinda atención especial. Según este la escoria solidifica último (200- 500 oC, 5-40 S), lo cual trae consigo la oxidación del metal solidificado, haciendo que los óxidos que se forman sobre el cordón, en la interfase, sostengan con mayor fuerza la escoria.

Se plantea por Olson (1981) que la mayor adherencia tiene lugar cuando se forma una capa de óxidos mixtos, de 1.5 (m aproximadamente, entre el metal y la escoria. Por su parte Runov (1990b) y Pero-Sanz (1994) plantean que los óxidos divalentes de varios metales de transición (fundamentalmente de la primera serie) que se forman por la oxidación en la interfase (metal- escoria) se diluyen en la superficie de la escoria y según su viscosidad se transportan lentamente hacia el interior de ésta, por lo que no da tiempo a que su concentración en la superficie sea alta; mientras que el FeO que se forma en la superficie del metal se mantiene con cierta adherencia debido a la formación de (FeO1-x) insaturado, por lo que otros óxidos de grado superior (Fe3+, Cr6+, etc.) interactúan con el FeO1-x dando compuestos de tipo espinelas. Lo anterior depende de la viscosidad, la basicidad, la actividad química de la escoria, así como de la composición del depósito, como plantean Runov (1990b) y Richonkov (1989). A medida que aumentan los compuestos (óxidos, espinelas) con parámetros de red próximos a los del Fe( y de la wustita (FeO) la adherencia aumenta. Para contrastar este fenómeno muchos autores, entre los cuales Okabe (1996), sugieren introducir en el fundente elementos más afines por el oxigeno (C, Si).

La adherencia depende, también, de la tensión superficial entre el metal sólido y la escoria, entre el metal liquido y la escoria liquida y entre el metal sólido y el metal liquido. El mejoramiento del desprendimiento se obtiene al aumentar la tensión superficial y la tensión en la interfase, esto lo explica Mosia (1990) por una humectación insuficiente por la escoria de las dendritas crecientes y en consecuencia la poca capacidad a la quimiabsorción.

Criterios sobre la estructura y propiedades de los fundentes silicáticos

Como plantea Ring (1996), este tetraedro presenta la posibilidad de alcanzar un alto grado de polimerización, que permite que cuando dos tetraedros se acerquen por los vértices interactúen, rompiendo los débiles doble enlaces (atracción de los electrones pi) y formando enlaces sencillos y con una red indefinida en la que el silicio coordina con 4 oxígenos y cada oxígeno coordina con 2 silicios.

El enlace Si-O es muy fuerte, según Kurlov (1984a) y Datsko (1997), está constituido por un 50% iónico y un 50% covalente, una parte de los electrones de valencia del silicio no pasa a los átomos de oxígeno, encontrándose estos tetraedros SiO44- (Si:O= 1:4) en forma de unidades aisladas independientes en el enlace espacial. Estos enlaces Si-O se forman como resultado de los orbitales híbridos sp3 del átomo de Si y los orbitales p del átomo de oxígeno que son intermedios entre sp y sp2 y su longitud no varía al pasar del estado sólido al líquido, siendo de 1.61 Ŭ como plantea Datsko (1997).

La relación O:Si define el carácter de la interconexión entre los grupos silicáticos, como refieren diversos autores, entre los cuales Greenwood (1995) y Kurlov (1984b). Según estos autores para O:Si= 4:1 se forman agrupaciones aniónicas aisladas, siendo posible para relaciones O:Si=3-3.5 la formación de tetraedros duples ( Si2O7)6- aislados, de aniones de anillo triple (Si3O9)6- aislados, etc. Se plantea posible también, tal combinación de tetraedros SiO4 en todas las direcciones espaciales donde los 4 vértices de los tetraedros vecinos ( O:Si= 2) se encuentran unidos, siendo en este caso alto el grado de conexión (polimerización).

Al interactuar los óxidos básicos con el SiO2, plantea Taylor (1995), los aniones O2- pasan al SiO2, como resultado de lo cual se forman aniones más simples:

En igualdad de condiciones cuanto más alta es la temperatura, menor es el grado de polimerización, es decir, el proceso anterior ocurre más fácilmente a elevadas temperaturas.

Según plantea Ring (1996) para una relación O:Si> 4, el fundido silicático es básico y el oxigeno no combinado aparece en forma de O2-, mientras que en las escorias ácidas (O:Si<4) el oxigeno resulta insuficiente, por lo que se comparte entre los tetraedros que se unen por los vértices.

De lo planteado por Sokolsky (1986), el átomo tetravalente de silicio en el tetraedro SiO44- puede ser sustituido por el aluminio trivalente Al3+, aumentando así la carga negativa tanto, como átomos de silicio sean sustituidos en el enrejado silicático.