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:
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:
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]:
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:
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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