Obtención de ferromanganeso de alto carbono como consumible de materiales para la soldadura

Resumen

Se abordan los aspectos generales sobre los minerales de
manganeso y las características que definen su
aplicación en la obtención de ferromanganeso, las
variantes tecnológicas fundamentales de obtención
de ferromanganeso de alto carbono por vía
carbotérmica; así como se detallan las principales
características de las aleaciones comercializables de
manganeso, obtenidas por procesos pirometalúrgicos. Son
valorados los aspectos esenciales sobre las funciones que
desempeña el manganeso presente en los materiales de
soldadura y sus efectos sobre la calidad del metal del
cordón.

Palabras claves: Ferromanganeso. Materiales para
la soldadura.

Introducción

El desarrollo de materiales para soldar está
inevitablemente relacionado con el empleo de aleaciones al
manganeso. Este, en su carácter de componente de la carga
aleante, tiene funciones metalúrgicas específicas
(desoxidación, desulfuración, aleación del
depósito, entre otros), que garantizan los requerimientos
de composición química, estructura y propiedades
mecánicas de los depósitos de soldadura.

Estas aleaciones son importantes en la
fabricación de electrodos (sobre todo en aquellos casos
donde se persiga la obtención de un producto con
determinada resistencia al impacto).

Entre los factores que más encarecen la
producción de materiales para la soldadura juegan un papel
fundamental las ferroaleaciones por el elevado costo que poseen
en el mercado internacional [1] [2][3].

Las reservas minerales de manganeso, suficientes para
responder a una producción estable de aleaciones de este
metal, se concentra en un número de apíses
relativamente reducido, siendo a veces dificultosos para el
procesamiento por su alto contenido de fósforo
[4][5].

Casi la totalidad de los trabajos que abordan la
obtención de ferromanganeso han estado dirigidos a la
industria siderúrgica, lo cual ha encontrado dificultades
por el alto capital de inversión y consumo
energético para tales soluciones, en correspondencia con
los altos volúmenes de producción requerida [2]
[6].

El empleo de una tecnología de obtención
de ferromanganeso que permita cubrir determinada demanda, con
instalaciones de pequeño formato y de accesible
construcción y montaje, sin altos requisitos de
instrumentación, la convierte en una vía factible
para la solución de problemas en la industria en las
condiciones de países de pocos recursos energéticos
y financieros.

Minerales de manganeso.
Principales características

Las reservas potenciales en el ámbito mundial de
minerales de manganeso se valoran en 3,46 Gton [3]. Estos
minerales se clasifican atendiendo a su aplicación en
minerales para la industria química (80% MnO2) y minerales
para la industria siderúrgica y se caracterizan por sus
relaciones en Mn/Fe. Existen también clasificaciones
atendiendo a las posibilidades de tratamiento [6] [7].

Entre los principales minerales de manganeso se destacan
los oxidados y los carbonatos. A los primeros pertenecen la
Pirolusita (MnO2 con 63,2 % de Mn), el Psilomelano ([MnO, BaO,
CaO, MgO]MnO2.nH2O con 45-60% de Mn), la manganita (MnO2.Mn(OH)2
con 62,5 de Mn), la Bernadita (MnO2.H2O con 44 a 52 % de Mn), la
Barrunta (Mn2O3 con 69,5 % de Mn) y la Hausmanita (Mn2O2 con 72 %
de Mn). Al grupo de los carbonatos pertenece la Rodocrosita
(MnCO3 con 47,8 % de Mn), la Oligonita ((Mn, Fe)CO3 con 23-32 %
de Mn) y la Manganocalcita (Ca, Mn) CO3 hasta 20-25 % de Mn).
Además existe un tercer grupo, que son los silicatos de
calcio y manganeso- Rodanita (Mn, Ca).(Si3O9) y Bustamita (Ca,
Mn).(Si3O9) [8] [9] [10].

En los minerales de manganeso el contenido de
fósforo se considera un parámetro de calidad
importante que se encuentra formando parte de especies minerales
acompañantes [6].

1.1. Fundamentos químico-físicos del
procesamiento de minerales de manganeso a altas
temperaturas

Al someter el mineral a la elevación de la
temperatura el primer proceso que se verifica es la
pérdida de agua (H2Oliq=H2Ovapor) la cual se verifica con
una variación de entalpía de 2258.4 kJ/kg
[3].

El tratamiento térmico de la pirolusita, que es
el mineral más difundido, se caracteriza fundamentalmente
por la disociación de los óxidos superiores a
relativamente bajas temperaturas hasta MnO de manera escalonada
según el esquema [5] [9]:

Cada uno de los estadios de este esquema se puede
expresar mediante la energía libre de Gibbs para
determinados rangos de temperatura y adecuándolas a la
formación de un mol de oxígeno, con el objetivo de
compararlas [3] [6] [11]:

Como consecuencia de la presencia de altos contenidos de
SiO2, en los minerales oxidados de manganeso, durante el
procesamiento de estos es posible la formación de
MnO·SiO2 y 2MnO·SiO2. Las ecuaciones que
representan estos procesos, así como los valores de
energía de Gibbs son como sigue [12] [13]:

Aleaciones de
manganeso

Existen varias aleaciones de manganeso que se
diferencian por su composición, modos de obtención
y sus aplicaciones. Para todas es común la capacidad
desoxidante y aleante, aunque en dependencia de lo que se
persigue se utiliza una u otra. Se pueden diferenciar tres
grandes grupos de aleaciones:

• El FeMn (ver tabla 1).

• El Mn metálico (ver tabla 2).

• El SiMn (ver tabla 3).

Dentro de las aleaciones de FeMn, como se observa en la
tabla 1, hay diferentes grados que responden a diferentes
posibilidades de aplicación y también a modos de
obtención. Los grados Mn0, Mn1, Mn2, Mn3 y Mn4 son
obtenidos en hornos eléctricos y los Mn5 y Mn6 en altos
hornos.

Generalmente las aleaciones son comercializadas en
fracciones grandes, pues ello responde a los usos más
frecuentes (la producción de acero). No obstante, para la
fabricación de materiales para soldar se prefieren en
polvo, requiriendo del uso de la reducción, molidas a
granulometrías de valores entre 0.1-0.25 con los
consecuentes consumos de energía [13].

Tabla 1: Composición
química del ferromanganeso y
aplicación

Tabla 2: Composición
química de los metales de manganeso

Tabla 3: Composición
química del silicomanganeso

Variantes
tecnológicas de obtención de FeMn alto
carbono

Para el procesamiento metalúrgico extractivo de
minerales de Mn en la obtención de aleaciones de manganeso
alto carbono existen dos tendencias mundiales ampliamente
difundidas [2] [3]:

• 1. La tecnología con fundente (con
  adición de caliza).

• 2. La tecnología sin fundente (con
  empleo de virutas de acero).

La primera tecnología persigue la
obtención de una aleación con valores de
fósforo lo más pequeño posible y sobre todo,
la máxima recuperación del Mn. En el segundo caso
se persigue obtener una escoria rica en Mn y pobre en
fósforo, que posibilite la posterior obtención de
aleaciones al Mn con bajos valores de este elemento.

En los inicios la producción de FeMn alto carbono
se realizaba en altos hornos, pero a causa de los grandes
consumos energéticos (consumo de reductor sólido,
coke) esta fue desplazada hacia los hornos electrotérmicos
y en la actualidad prácticamente la producción de
esta aleación solo se realiza por vías
carbotérmicas [14][15].

Durante la producción de FeMn en horno de arco,
el proceso se realiza de manera continua con la adición de
los componentes de carga alrededor de los electrodos, creando con
los minerales que entran directamente en las zonas activas del
horno un cono, que realiza la función de barrera
mecánica no permitiendo el escape de metal por
volatilización.

Generalmente las instalaciones utilizadas en la
producción de FeMn alto carbono son grandes, alcanzando
potencias del transformador del orden de los 10 000 kVA . [14].
Los hornos pueden ser rectangulares o circulares. En el caso de
los rectangulares llegan a tener hasta 9 electrodos, pero estos
presentan dificultades en la hidrodinámica del
baño, creándose zonas muertas en las esquinas del
horno, razón por la cual prácticamente la totalidad
de las instalaciones modernas son circulares.

Con frecuencia en la producción industrial de
FeMn por la tecnología sin fundente, la carga al horno
responde a la siguiente composición: 78% de mineral o
concentrado de manganeso, 18% de coke y 4% de viruta de acero
[3].

En el caso de la tecnología con fundente esta
surge para dar respuesta al amplio diapasón de minerales
carbonatados de Mn que existen en algunas regiones. La
aplicación de esta tecnología concibe, casi
siempre, la etapa previa de aglomeración por sinterizado,
lo cual garantiza la gasodinámica de los hornos que
pudiera verse afectada por la descomposición de los
carbonatos según la ecuación siguiente:

MnCO3 = MnO + CO2 ( 7 )

Los volúmenes de CO2 que se generarían en
el horno provocarían el arrastre de los materiales de
carga y esta suspendería como un lecho fluidizado sin
interactuar con el baño fundido [16][17].

En ocasiones en la producción de FeMn son
aprovechados los gases de salida en el precalentamiento de la
carga, contribuyendo positivamente en el balance
energético del horno, en los tiempos de coladas y en
consecuencia con la productividad y costos por tonelada de
aleación.

Formación de la
escoria

En la producción de FeMn, la escoria se forma a
partir de MnO2 reducido y por la sílice contenida en la
ganga del mineral y cenizas del reductor. Otros compuestos que se
forman inicialmente son silicatos de manganeso, que reducen la
actividad del MnO, haciendo la reducción más
difícil. A medida que se eleva la temperatura se va
introduciendo el CaO en la escoria, desplazando la sílice
ligada al MnO, aumentando la actividad del mismo en la escoria y
facilitando su reducción. Cuanto más CaO se
adicione a la carga mayor será la cantidad de MnO libre y
por tanto mayor su actividad. Debido a este factor, la basicidad
de la escoria aumenta y la actividad del MnO también,
disminuyendo la temperatura de reducción del
mismo.

Se puede concluir diciendo que sería deseable
utilizar una escoria de basicidad más elevada, para poder
trabajar en hornos a más baja temperatura, reduciendo
así las perdidas de manganeso por
volatilización.

Por tanto, escorias de baja basicidad poseen
temperaturas de fusión más elevadas, lo que impide
la utilización de temperaturas bajas, a las que la
reducción del MnO no puede ocurrir.

Un aumento de la actividad del MnO con la basicidad de
la escoria facilita la reducción del mismo por el carbono.
Como consecuencia la recuperación del MnO de la escoria
aumenta.

Por otro lado, para que se obtengan valores elevados de
basicidad de la escoria es necesario que la cantidad de carbonato
en la carga se eleve, ocasionando un mayor consumo de
energía y de reductor, reduciendo la productividad del
horno.

Además de estos factores otros de naturaleza
eléctrica como la resistividad de la escoria serán
alterados por la basicidad de esta, influyendo directamente en la
producción del horno. Por tanto el rendimiento de Mn
(relación entre Mn en la aleación y Mn en la carga)
y la producción del horno pueden ser optimizados
escogiendo una basicidad adecuada en función de la
composición de la carga.

Cuando se opera con escorias de CaO/ SiO2 = 1.1- 1.4,
80% de Mn cargado es incorporado a la aleación, de 8-10% a
la escoria y de 10-20% a los gases [8].

Influencia del Manganeso
en los depósitos de soldadura

Entre los elementos que se usan para preparar materiales
de soldadura se encuentran los minerales de manganeso y
aleaciones del mismo con hierro.

Como formadores de escoria los minerales de manganeso
(pirolusita) aumentan la velocidad de solidificación de la
escoria, lo que tiene gran valor durante la soldadura de cordones
en posición vertical y sobrecabeza.

El manganeso se puede encontrar en los depósitos
como:

• Desulfurante.

• Desoxidante.

• Elemento de aleación.

5.1 Oxidación- reducción del
manganeso

Para escorias de alta sílice y alto manganeso
adquiere una importancia extraordinaria el proceso de
oxidación reducción de este elemento. Para su
descripción K.V. Liuvavskii propone la siguiente
ecuación [18]:

El monóxido de hierro, que constituye un producto
de la reacción, se disuelve parcialmente en la escoria y
parcialmente en el metal líquido. Como resultado de la
ecuación descrita el metal se enriquece al mismo tiempo
con manganeso y oxígeno.

La reducción del manganeso por el hierro ocurre
en todas las zonas de temperatura pero se hace más intensa
hasta los 1800 oC. Es por ello que el manganeso como desoxidante
es más activo en las zonas de bajas temperaturas [3] [6]
[13].

El crecimiento del oxígeno en el metal a causa
del proceso redox del manganeso se puede representar por la
dependencia [9]:

La dependencia anterior no coincide directamente con los
resultados experimentales a causa de la influencia de otros
factores como es la basicidad. Esta última influye sobre
los contenidos de manganeso, disminuyéndolo por
dependencias casi lineales [9]. Para una composición
estable de los consumibles y el metal base las causas principales
que influyen sobre la variación de la composición
del metal son: la variación de la relación del
metal base–metal fundido, variación de la masa
relativa de escoria y las condiciones de transporte a los
procesos de interacción y variación de las
condiciones cinéticas de los estadios de gota y
baño.

5.2 El manganeso como desulfurante

El azufre provoca grietas en caliente a causa de la
formación de eutécticas de bajo punto de
fusión. El FeS tiene un punto de fusión de 1195 oC
y la eutéctica de este sulfuro con el hierro tiene un
punto de fusión de 985 oC. También tiene bajo punto
de fusión la eutéctica

El azufre llega al metal desde los minerales de carga,
sobre todo con el mineral de Mn, con la magnesita y el mineral de
flúor. En los minerales el azufre se encuentra
fundamentalmente en forma de FeS2, el cual a más de 600oC
se disocia según la ecuación que se muestra
[9]:

El FeS se disuelve bien en el hierro liquido, por esto
cuando el azufre se encuentra en esta forma en la escoria y su
contenido es (¨0.05% se observa un enriquecimiento del
baño con este elemento.

En la soldadura bajo escoria alta en manganeso se
verifica la desulfuración por la reacción
siguiente.

Según la ecuación de equilibrio se aprecia
que para bajos contenidos de MnO la reacción tiende a ser
reversible para las temperaturas del baño.

El sulfuro de manganeso MnS es poco soluble en el metal
y pasa parcialmente a la escoria, quedando en el metal en forma
de inclusiones de sulfuros u óxidos sulfuros. Para que el
azufre presente en el metal no provoque grietas en caliente debe
cumplirse que [Mn]/[S](10.3-11.5 [10] [19].

La presencia de otros elementos básicos
además del MnO (CaO, MgO) disminuye el contenido de azufre
en el metal según las reacciones:

Los sulfuros de calcio y magnesio no son solubles en el
metal fundido por lo que pasan parcialmente a la escoria y en el
metal quedan en forma de sulfuros u óxidos sulfuros [5].
Como resultado puede plantearse que para condiciones invariables
de concentración de azufre en el fundente y el baño
con el aumento de la basicidad la capacidad desulfurante del
fundente aumenta.

5.3 El manganeso como elemento de
aleación

El manganeso se emplea para la aleación de muchos
aceros. Siendo elevado el contenido de manganeso en el acero,
este adquiere una alta resistencia al desgaste, a la
abrasión y al impacto. Utilizándose para la
fabricación de piezas para máquinas de
perforación, dragas, equipos de trituración y
molienda, cambios de vías, etc [4][7].

Con frecuencia se requiere en los materiales de
soldadura elevados contenidos de Mn y Cr con el fin de lograr
depósitos resistentes al impacto y abrasión. Son
ampliamente utilizados para el recargue de piezas de las
mencionadas arriba.

Conclusiones

• 1. En los minerales de manganeso el contenido
  de fósforo define la calidad del mismo para su
  procesamiento carbotérmico en la obtención de
  ferromanganeso, lo cual incide en su aplicación
  posterión como elemento de aleación.

• 2. La producción clásica de
  ferromanganeso, caracterizada por grandes volúmenes de
  producción y el consecuente alto consumo de capital de
  inversión y de energía no es viable para
  algunos países poseedores de reservas significativas
  de manganeso. Al tiempo que, la producción de
  pequeños volúmenes, destinados a la
  producción de ferromanganeso para materiales de
  soldadura podría ser viable.

• 3. El manganeso es un elemento químico
  casi indispensable en los materiales de soldadura, ya que
  este influye decisivamente en las propiedades finales del
  metal del cordón, a partir de tres funciones
  esenciales en el baño fundido: desoxidación,
  desulfuración y aleación del metal.

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Nagoya. Octubre del 1990.

Autor:

Amado Cruz-Crespo1,

Lorenzo Perdomo1,

Rafael Quintana Puchol1,

Carlos R. Gómez1,

Jorge L. García
Jacomino1

• 1 Centro de Investigación de Soldadura
  (CIS) de la Universidad Central "Martha abreu" de las
  Villas.