Consideraciones para la obtención de un fundente aglomerado aleado

Características del proceso
metalúrgico reductivo de la cromita

El proceso de fabricación de ferrocromo de alto
contenido de carbono se desarrolló en la segunda mitad del
siglo pasado [1]. Éste consiste básicamente en
reducir en horno de arco eléctrico el cromo y el hierro
presentes en la cromita mediante un agente reductor
(carbón) [1,2,3], desarrollándose a partir de
él diferentes procesos encaminados a obtener
ferroaleaciones con bajos contenidos de carbono, ya que la mayor
aplicación de los ferrocromos es en la fabricación
de aceros inoxidables donde los altos contenidos de carbono
dificultan su obtención con la calidad requerida;
actualmente se han desarrollado tecnologías que permiten
emplear ferrocromos de alto carbono en la fabricación de
estos tipos de aceros [4], pero se encarece su producción.
Se han desarrollado además, tecnologías de
beneficio y procesamiento de minerales que permiten utilizar
cromitas con relaciones Cr/Fe menor a 2.5 [5].

Es común el empleo de ferrocromo alto en carbono
(metalúrgico) en el desarrollo de materiales para el
recargue por soldadura, siendo esto factible en cuanto a
composición química, pero tiene la limitante de que
es muy difícil de triturar. Partiendo de este criterio y
de las potencialidades de las escorias que generaría el
proceso (pueden constituir más del 70% de un fundente
aglomerado) es que podría estudiarse una nueva variante
para la fabricación de fundentes de soldadura, la cual
permitiría la obtención simultánea (en un
mismo vertido), de ferrocromo (alto en carbono) y escorias
utilizables en el desarrollo de matrices de fundentes. Esta
estrategia reduce los costos por unidad de ferrocromo y escoria
al convertirlos en materias primas aplicables a la
conformación de fundentes, lo que permitiría una
distribución equitativa de la energía suministrada
al proceso metalúrgico

Conformación de la carga al horno.
Consideraciones

En todo proceso metalúrgico la
conformación de la carga se realiza tomando en
consideración el cumplimiento del objetivo propuesto, el
cual puede ser la obtención de una aleación con
determinadas características particulares, la
extracción de un determinado elemento metálico
presente en uno de los minerales de la carga o la
transformación de un elemento a una forma factible de
recuperación, etc. [1,2], sin tener en
consideración el destino posterior de las escorias
resultantes. En todas estas formulaciones hay que tener en cuenta
la composición química del mineral base (aporta el
elemento) y del resto de los minerales que contribuirán al
desarrollo de dicho proceso.

En los procesos metalúrgicos de reducción
juega un papel fundamental el elemento reductor (el coque es el
reductor clásico) y la composición química
de la ganga del mineral, dirigidos a satisfacer los requisitos de
calidad del metal a extraer.

En los procesos tradicionales dedicados a la
obtención de ferrocromo alto en carbón, el objetivo
central es la recuperación máxima del cromo del
mineral con el menor costo posible, por tanto, la carga se
formula con estos objetivos. Para formular dicha carga se tiene
en cuenta la composición química del mineral.
Partiendo de este dato se determina la cantidad de coque
requerido más un determinado exceso y se adiciona una
cantidad de cuarzo para disminuir la temperatura de fusión
(de acuerdo a una determinada zona en el diagrama de fase SiO2
– Al2O3 – MgO), obteniéndose en este proceso
un ferrocromo alto en carbono, el cual puede ser empleado
así o sometido a un proceso de refinación y una
escoria como subproducto formada por los elementos de la ganga
del mineral, la cenizas del coque y la sílice adicionada a
la carga, que presenta por lo general características
refractarias [1,3].

La aplicabilidad de un proceso metalúrgico
reductivo como vía para el desarrollo de constituyentes de
fundentes de soldadura condiciona la utilización de la
escoria en la conformación del sistema de óxidos de
la matriz, por tanto, la aleación no va a constituir el
único objetivo, esto puede traer como consecuencia que sea
necesario la adición de componentes complementarios para
el sistema de óxidos de la matriz que se pretenda
desarrollar.

Proceso
reductivo

En general el proceso de reducción de
óxidos metálicos más extendido se
efectúa con la ayuda de un medio reductor sólido
tal como son las diferentes formas en que se presenta el carbono
mineral: grafito, antracita, hulla, etc. [6,7].

Como la reacción de reducción generalmente
se efectúa a temperaturas relativamente altas (800 0C), a
las cuales el equilibrio químico favorece la
formación de CO, se puede suponer el sistema de la
reacción de reducción:

En la reducción de los óxidos de cromo con
carbono pueden ocurrir potencialmente múltiples reacciones
paralelas, cuya factibilidad está regida fundamentalmente
por la formación de los productos de la reacción,
es decir, de la obtención de cromo metálico o de
sus múltiples carburos (Cr7C3 , Cr3C2 y CrC) y del CO,
pero de estas reacciones las de mayor probabilidad de ocurrencia
son aquellas que termodinámicamente cumplen con los
requisitos de presentar los menores valores de (H0(298) y
(G0(298) (o los más negativos) [1,8], como se expone a
continuación [2]:

La comparación de los valores de la
variación de la energía libre de las reacciones
(1.5) y (1.6) y de muchas otras más muestra que
termodinámicamente es más factible aquella que
representa la reducción con formación del carburo
de cromo (Cr7C3) y que además ésta requiere de la
temperatura más baja para efectuarse y por lo tanto
resulta la más probable.

Durante el proceso de reducción de la cromita
sucede que se forman carburos de hierro a partir de sus
óxidos con una gran eficacia (entre el 95 y 97 %),
simultáneamente con el producto de reducción del
óxido crómico con una recuperación de 90 –
92% aproximadamente [1].

El hierro reducido líquido disuelve al carburo de
cromo (Cr7C3) formándose un carburo complejo (Cr,Fe)7C3,
debido a que contribuye adicionalmente a favorecer la
reducción del óxido de cromo y a disminuir la
temperatura de fusión de la aleación, por tanto
favorece al proceso de fusión de la parte
metálica.

De acuerdo con los datos termodinámicos
reportados por diferentes autores [9,10] se formularon las
ecuaciones de la energía libre que describen el
comportamiento termodinámico de las reacciones de
reducción de la cromita según las variantes (1.5) y
(1.6), las cuales se exponen a continuación:

(G0= 261884 – 174.4T (en J para 1.5)
(1.7)

(G0= 245304 – 176.8T (en J para 1.6)
(1.8)

En las condiciones de equilibrio tanto para la
reacción (1.5) como para la (1.6), la temperatura de
reducción alcanza los valores de 1502K (1229oC) y 1388K
(1115oC), respectivamente. Todos estos aspectos
termodinámicos han sido llevados a la práctica en
la reducción de cromitas metalúrgicas con buenos
resultados.

Productos del
proceso

Al igual que en cualquier otro proceso
metalúrgico de producción de ferroaleaciones, en
este proceso se obtiene ferrocromo y escoria, los que deben
reunir los requisitos imprescindibles para su empleo en la
formulación de un fundente aglomerado aleado, el
ferrocromo y la escoria van a constituir las partes esenciales de
la carga aleante y la matriz del fundente
respectivamente.

2.1 Ferrocromo. Características

El ferrocromo es una aleación de cromo y hierro
con adiciones de carbono, silicio y otros elementos
[3].

Los ferrocromos se clasifican fundamentalmente por su
contenido de carbono, cuanto menor es éste tanto mayor
será el costo de la aleación y más
complicado el procedimiento de elaboración [11]. Las
clasificaciones más empleadas en la literatura son las
siguientes: alto, medio, bajo y extrabajo en carbono,
nitrogenados, etc. [1,3].

Por lo general la producción mundial de
ferrocromo se destina en su amplia mayoría a cubrir los
requisitos y características de la industria
metalúrgica, por la gran importancia que tiene el cromo en
este sector debido a las propiedades que él ofrece a los
aceros ampliando grandemente su campo de aplicación
[11].

El ferrocromo empleado en la elaboración de la
carga aleante de los materiales de soldar para el recargue
requieren determinadas características particulares
(contenidos relativamente altos de carbono) a diferencia de los
ferrocromos más utilizados en las fundiciones de aceros
especiales, esto hace que para la fabricación de estos
materiales sea necesaria la adición complementaria de
determinadas cantidades de carbón para facilitar la
formación de los carburos de cromo, los cuales le dan las
propiedades mecánicas (dureza, resistencia al desgaste, a
la abrasión, etc.) a los depósitos realizados
[12,13]. Además, estos materiales son formulados empleando
granulometrías pequeñas, menores a 0.25 mm, por lo
que contar con ferrocromos frágiles sería una gran
ventaja para la preparación mecánica de estos
materiales, ya que reduciría considerablemente el consumo
energético necesario para su trituración. Los
ferrocromos metalúrgicos son relativamente duros y muy
plásticos, lo cual los hace muy difíciles de
triturar.

Entre los materiales para soldar destinados al recargue
que emplean ferrocromo en su carga aleante se destacan los
fundentes aglomerados aleados [14,15], los electrodos
sintéticos [12,16] y tubulares [17,18].

Durante el proceso de reducción explicado en el
epígrafe anterior se forman diferentes carburos de cromo,
los cuales son termodinámicamente más factibles de
formarse que el cromo metálico debido a sus menores
valores de energía libre de Gibbs, además las
condiciones creadas facilitan la formación de
carburos.

En el diagrama del sistema binario Cr-C existen tres
carburos de cromo de porcentaje atómico en carbono 20, 30
y 40%: el Cr4C (o más exactamente el Cr23C6) de
cristalización en sistema cúbico, punto de
fusión de 1520 0C y 5.46% de C, el Cr7C3 con sistema
hexagonal, punto de fusión de 1780 0C y 9.01% de C y el
Cr3C2 con sistema rómbico, punto de fusión 1895 0C
y 13.34% de C [1,3,19]

De estos tres carburos los dos primeros y
particularmente el Cr7C3 aparece frecuentemente en las aleaciones
del sistema Fe-C-Cr; este carburo puede solidificar parcialmente
a partir de fundidos cuyos contenidos de carbono están
comprendidos entre 8.9 y 5.6% a temperaturas entre 1765 y 1510 0C
[19], siendo además el más factible de obtenerse en
las condiciones de reducción analizadas. En estos sistemas
pueden formarse carburos complejos estables de cromo y hierro
(CrFe)4C, (CrFe)7C3 y (CrFe)3C.

Los ferrocromos altos en carbono contienen los carburos
dobles del tipo (CrFe)7C3 los que pueden tener hasta 55% del
cromo sustituido por hierro y el carburo (CrFe)3C sólo
puede tener hasta un 15% del cromo sustituido por
hierro.

También es importante señalar que los
carburos del tipo (CrFe)23C6 son más duros (1500-1800 Hv)
que los carburos del tipo (CrFe)3C (1000-1250 Hv) [19]. La
factibilidad de formación de estos carburos tiene una gran
importancia para este trabajo debido a que en él se
pretende emplear estos ferrocromos como elemento aleante en el
desarrollo de fundentes destinados al relleno superficial de
piezas sometidas al desgaste, por tanto son muy importantes las
propiedades físico mecánicas que estos ferrocromos
le puedan conferir a los depósitos [20].

Una característica importante a destacar en las
aleaciones de hierro – cromo es la influencia que ejerce el
cromo sobre el poliforfismo del hierro. El cromo influye sobre
los puntos de transformación de hierro delta a hierro
gamma y de hierro gamma a hierro alfa. En consecuencia cuando las
proporciones de cromo en una aleación son superiores a 13%
el carácter alfágeno del cromo llega a suprimir las
transformaciones delta – alfa – gamma. Esos ferrocromos
mantienen la estructura primaria de solidificación
ferrítica cúbica centrada en las caras sin
transformación alotrópica alguna hasta la
temperatura ambiente [19]. La figura 1, correspondiente al
diagrama binario Fe-Cr, muestra que prácticamente todas
las posibles aleaciones de cromo y hierro solidifican dando
solución sólida alfa [19].

Figura 1: Diagrama de equilibrio
Fe-Cr

La presencia de carbono en una aleación hierro
cromo trae consigo cambios en las transformaciones
alotrópicas del hierro debido a su carácter
gammágeno. Para contenidos de cromo superiores al 28% la
aleación ternaria es plenamente ferrítica,
cualquiera que sea el porcentaje de carbono [19]. Esta propiedad
permite emplear técnicas magnéticas para separar
los ferrocromos de las escorias.

2.2 Escorias. Características

En todo proceso metalúrgico conjuntamente con el
metal se obtiene un producto secundario, la escoria, que contiene
los compuestos oxigenados que no se redujeron o que nuevamente se
formaron durante el proceso [21]. Las escorias
metalúrgicas representan un sistema complejo de
componentes múltiples que se procesan en estado
líquido o sólido obteniéndose una
producción diversificada [22]. La cantidad de escoria
producida, su composición y propiedades depende
fundamentalmente de la composición química y
mineralógica de la ganga del mineral, las cenizas del
coque, el contenido de azufre en la carga, el estado
térmico del horno, etc.[2].

Estas escorias se producen en volúmenes bastante
grandes, por lo que ha sido de gran interés por todos los
fundidores darle aplicaciones importantes a estos productos
después de haber cumplido sus funciones durante el proceso
metalúrgico, observándose una tendencia a disminuir
estos volúmenes empleando minerales de mayor ley [21,23],
aunque esto se ve afectado por la disminución de las
reservas de minerales de alta ley.

A las escorias se le han dado múltiples
aplicaciones para lo cual se tiene en cuenta fundamentalmente su
composición química debido a que esta influye en la
basicidad y actividad química. Entre las aplicaciones
más importantes se pueden señalar la
producción de cemento, fertilizante, relleno de caminos,
etc.[22,23]; las aplicaciones futuras de estas escorias no son
tomadas en cuenta a la hora de conformar la carga
metalúrgica debido a que el objetivo central de estos
procesos es la obtención de la aleación
metálica.

Según Potapov [24] la basicidad de la matriz
(escoria) de un fundente puede ser determinada a partir de las
relaciones molares entre sus diferentes componentes, por la
siguiente expresión:

La basicidad de los fundentes juega un papel importante,
ya que influye directamente en la actividad química. La
actividad es a su vez fundamental en las funciones
metalúrgicas del fundente durante el proceso de soldadura,
además puede influir en los procesos de
oxidación-reducción, en la transferencia de
elementos químicos a los depósitos,
etc.[25,26].

Un aspecto a considerar en el empleo posterior de
cualquier tipo de escoria sería el aprovechamiento de la
energía acumulada en la masa fundida, ya que esto
implicaría un enorme ahorro de energía y tiempo
para las operaciones de acondicionamiento y preparación de
las mismas; en muchas de estas aplicaciones no se considera este
aspecto.

En los procesos de producción de ferroaleaciones
las cantidades y propiedades de la escoria dependen de la
tecnología del proceso, del tipo y calidad de la materia
prima empleada, de la marca de aleación producida, de la
composición química del refractario de la
instalación de fusión y de los recipientes
receptores [21].

Conclusiones

• El empleo de un proceso metalúrgico por
  reducción carbotérmica de cromitas
  refractarías puede constituir un método para la
  obtención simultánea de matrices y componentes
  de cargas aleantes para la confección de fundentes
  para la SAW.

• A partir de la composición química de
  las cromitas refractarias cubanas y otros minerales es
  factible conformar una carga capaz de generar mediante un
  proceso metalúrgico de reducción
  carbotérmica un sistema de óxidos matricial del
  tipo SiO2 – Al2O3 – MgO (escorias) y una
  aleación de cromo (FeCr) aplicables a la
  confección de fundentes de soldadura.

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Autor:

Lorenzo Perdomo González

Rafael Quintana Puchol

Amado Cruz Crespo

Carlos René Gómez
Pérez