Las escorias blancas de horno cuchara de ACINOX Tunas, de acuerdo a los contenidos de sus óxidos mayoritarios, están constituidas por el sistema cuaternario CaO-SiO₂-MgO-Al₂O₃ (de 35 % a 60 % de CaO; de 13 % a 28 % de SiO₂; de 3,5 % a 10 % de MgO; de 3,0 a 11 % de Al₂O₃) (Boza 2011). Estas escorias pueden ser analizadas teniendo en cuenta el sistema ternario CaO-SiO₂-MgO con diferentes contenidos de Al₂O₃ o del sistema CaO-SiO₂-Al₂O₃ con diferentes contenidos de MgO (Committe for Fundamental Metallurgy 1981).

Los contenidos medios de los elementos de la escoria se recalcularon para un 100 % del sistema ternario CaO-SiO₂-MgO y se insertó este punto medio “m” (CaO-61,43 %; SiO₂–27,97 %; MgO–10,60 %) en el sistema (Figura 1), el cual se ubica en la zona de altas temperaturas, superiores a los 1 800 ^oC.

De acuerdo con Jerez-Pereira y otros investigadores (2007) es un requisito básico de un fundente para recargue por SAW que su temperatura de fusión sea inferior a la temperatura del acero, fundiendo antes que el metal base y protegiéndolo de la contaminación. Por ello, la composición de la escoria, punto “m” en la Figura 1, debe ser modificada, realizando adiciones de SiO₂ que provoquen un corrimiento en la dirección del vértice de este compuesto, hacia las regiones de la pseudowallastonita, que presenta una temperatura de fusión inferior a 1 400 ^oC. Se lleva entonces a un punto “a”, en el entorno de 55 % de SiO₂, siguiendo una línea recta hacia el vértice 100 % SiO₂, con relación constante CaO/MgO=5,8. Si el 55 % es de SiO₂, entonces % CaO + % MgO = 45 %. La solución del sistema de dos ecuaciones nos da las coordenadas de composición del punto “a” en el sistema: 55 % SiO₂, 38,4 % CaO y 6,6 % MgO (Figura 1).

Figura 1. Figura 1. Diagrama de equilibrio CaO-SiO2-MgO, con 5 % de Al2O3 (Committe for Fundamental Metallurgy, 1981)

Con el propósito de mejorar la fusibilidad del sistema se puede adicionar CaF₂, que actuaría positivamente sobre el índice de basicidad con su efecto beneficioso sobre el desprendimiento de la escoria y sobre la transferencia de elementos de aleación, como el Cr y el Mn. El CaF₂ actúa sobre el enrejado silicático, bloqueando los enlaces Si-O por la sustitución del anión O^2- por F^-, lo que conduce a una mayor fluidez. De acuerdo con Quintana-Puchol y demás colaboradores (2003), el contenido de CaF₂ en el fundente podría estar en el entorno de 10 %, en relación al sistema cuaternario CaO-SiO₂-MgO-Al₂O₃.

Con base en el análisis realizado arriba, la matriz del fundente estaría constituida de escoria blanca de horno cuchara de ACINOX Las Tunas. El aporte de SiO₂, requerido para alcanzar el punto (a) en la Figura 1, se realiza con adición a la escoria de ceniza de la combustión de paja de arroz; en este caso del CAI Sur del Jíbaro, Cuba, cuya composición se refleja en la Tabla 1.

La adición de ceniza se ha determinado de acuerdo con la diferencia de SiO₂ (27,03 % de SiO₂ a añadir) entre el punto “m” y el punto “a” de la Figura 1. Según la Tabla 1, la ceniza contiene 93,5 % como valor medio, entonces para incrementar el SiO₂ en 27,03 % se requiere anadir 28,91 g.

Tabla 1.

*Contenidos variables de los óxidos de Ca, Mg, K, Na, Al, Fe, etc. En dependencia de las características de los suelos

Con los fundentes obtenidos se realizó un depósito sobre chapa de acero AISI 1020 de 300x100x8 mm, para lo cual se utilizó un alambre EL12 de 3 mm, con una corriente de 450 A con polaridad inversa, una velocidad de 27,8 cm/min, un voltaje de arco de 32 V y una altura de capa de fundente de 20 mm.

Para el análisis químico se extrajeron probetas mediante cortes transversales de cada depósito, a las que se le desbastó la parte superior de tal modo que se obtuvo una superficie plana con suficiente área para el análisis, el cual se hizo mediante análisis espectral de emisión atómica.

La preparación para macrografía de muestras extraíadas por cortes transversales se realizó mediante desbaste hasta lija 600 y luego fue atacada con nital al 3 %. Las imágenes de la macrografía de los depósitos se adquirieron con un microscopio óptico de bajo aumento y se determinaron los parámetros geométricos de los depósitos con el empleo del software ImageJ.

A las muestras utilizadas para macrografía se les eliminó el ataque y se pulieron con óxido de cromo, para luego ser atacadas con nital al 2 % para revelar la microestructura de la zona central superior. Esta se observó por microscopía óptica.

Se realizó la comparación de la forma y tamaño de los granos de ambos fundentes. Luego de realizados los depósitos, una muestra representativa de cada fundente se distribuyó sobre una superficie y se le realizaron imágenes digitales de bajo aumento, empleando una escala de referencia. Sobre la base de las imágenes, la morfometría de los granos se evaluó con el empleo del software ImageJ.

Se realizaron ensayos para determinar la resistencia máxima a la compresión de los granos, según la metodología propuesta por Portal (1994) y empleando un dispositivo fabricado por el referido autor, que se basa en incrementar el peso hasta que el grano quiebre. Para establecer la comparación entre los fundentes con 20 % y 30 % de silicato, 10 granos de aproximadamente 2 mm de cada fundente fueron ensayados.

De acuerdo con el procesamiento de las imágenes digitales de los granos de ambos fundentes se determinó el área media del grano (A), el diámetro medio (d_m), el diámetro Feret (d_F), la circularidad (C) y el redondeo (R) (Tabla 3). En la tabla también se muestran los resultados medios de peso soportado (P) hasta quebrar el grano y su conversión a carga (Q) y tensión de rotura a compresión (s) en relación al área de los granos ensayados, de 2 mm de diámetro.

Tabla 3. Tabla 3. Parámetros morfométricos y resistencia de los granos de los fundentes

Se evidencia en la Tabla 3 que el fundente con 30 % de silicato de sodio presenta mayor diámetro medio y diámetro Feret, al tiempo que presenta menor circularidad. Ello se interpreta como una evidencia de menor fragmentación y erosión del grano durante la manipulación en la obtención del depósito. Lo anterior se corresponde con un mayor valor de resistencia a la compresión de los granos del fundente de 30 % de silicato.

Los parámetros geométricos de los depósitos profundidad de penetración (h_p), altura de refuerzo (h_r), ancho (b), área de penetración (h_p) y área de refuerzo (A_r), determinados de acuerdo con las macrografías, se muestran en la Tabla 4. Según las áreas de penetración y refuerzo se estableció el coeficiente de dilución (D=A_p/(A_p+A_r)*100).

Al tratarse de un fundente de recargue, el aumento de la dilución constituye un aspecto desfavorable, ya que la dilución significa la participación del metal base en la conformación del depósito y, consecuentemente, refleja que los elementos de aleación del fundente no se aprovechan adecuadamente en la elaboración del metal depositado. Por otra parte, debe ser garantizada la adecuada adherencia del cordón sobre el sustrato, por lo que se requiere siempre de cierto grado de dilución.

Tabla 4. Tabla 4. Parámetros geométricos de los depósitos

En la Tabla 4 se hace evidente que el fundente con 30 % de silicato de sodio brinda un depósito de mejores características, dado por una menor dilución. Tal diferencia en la dilución es consecuencia de la forma y tamaño de los granos del fundente, que condicionan la densidad aparente y la permeabilidad a la salida de los gases. El fundente con 20 % de silicato presenta granos menores y de mayor grado de redondeo, por lo que hay un mejor acomodo de los granos con cavidades menores para la salida de los gases de la región del arco. Ello conduce a una mayor presión de los gases sobre el arco, reduciendo el ancho y aumentando la penetración. También el intercambio de energía con el medio se hace menor.

En la Tabla 5 se muestra la composición química de los fundentes con 20 % y 30 % de silicato. Hay diferencias significativas entre los dos fundentes evaluados para los elementos principales, en correspondencia con el sistema de aleación añadido (Tabla 2). No obstante, independientemente de las diferencias, ambos depósitos presentan composiciones propias para enfrentar el desgaste abrasivo con ligero impacto, a causa de la presencia del cromo y manganeso fundamentalmente (Portal 1994). Obviamente, el mayor contenido de carbono en el fundente de 30 % de silicato lo hace más favorable para enfrentar el desgaste abrasivo.

Tabla 5. Tabla 5. Composición química de los depósitos con 20 % y 30 % de silicato

En un análisis más detallado de la Tabla 5 se denota que el cromo en ambos fundentes es relativamente similar. Ello se asocia a que este elemento es el de menor afinidad por el oxígeno dentro del sistema de aleación y, por tanto, es protegido por los otros elementos (C, Si, Mn) que realizan la función desoxidante. A su vez, dicha relativa similitud de contenido de cromo en los dos depósitos deja claro que las diferencias en la dilución (Tabla 4) no son causa gobernante de la composición.

El menor contenido de manganeso y el mayor de silicio en el fundente con 30 % de silicato se atribuye a que una mayor presencia de SiO₂ en el fundente favorece la transferencia al baño de este elemento y desfavorece la del manganeso, lo cual se sintetiza en la siguiente ecuación: (SiO₂)_f + 2[Mn] Û 2(MnO)_f + [Si]; log K = -24490/T + 15,6.

El carbono se ha añadido fundamentalmente en forma de grafito (Tabla 2). Este elemento, al entrar en contacto con el oxígeno se oxida, originando CO₂ o CO, que luego se oxida hasta CO₂. Una mayor destrucción de los granos del fundente de 20 % de silicato aumenta la superficie de contacto, conduciendo a una oxidación más intensiva del carbono en forma de grafito que pasa a la atmósfera gaseosa (C+O₂=CO₂).

El fósforo y el azufre presentan menores contenidos en el depósito del fundente de 20 % de silicato, lo cual se asocia con la basicidad del fundente: un menor contenido de SiO₂ en este fundente hace que su basicidad sea mayor, favoreciendo la transferencia del fósforo y el azufre a la escoria. Ello puede ser sintetizado por las ecuaciones siguientes: [FeS] + (CaO)Û(CaS) + [FeO]; 2[Fe₂P] +5(FeO) + 4(CaO)= (CaO)4 P₂O₅ + 9[Fe]L. Es evidente que otros óxidos básicos del fundente, como el MgO, actuarían de modo similar al CaO.

Es visible la diferencia en la microestructura de los depósitos (Figura 2), obviamente asociada a las variaciones de composición química de la Tabla 5, que como ya se analizó anteriormente, son consecuencia, a su vez, de las variaciones en el contenido de silicato de sodio en el fundente.

En el caso del fundente con 20 % de silicato (Figura 2a) la microestructura se caracteriza por una formación dendrítica de la cristalización primaria con una región interdendrítica de austenita residual. Dichas dendritas podrían estar representadas por pequeñas agujas de martensita o bainita. En el caso del fundente con 30 % de silicato se hace visible la presencia de agujas de martensita, con alta presencia de austenita residual.

Figura 2. Figura 2. Microestructura del cordón. a) Cordón con 20 % de silicato y b) 30 % de silicato

En la cristalización primaria de ambos depósitos ocurre la formación de austenita, luego, durante el enfriamiento en estado sólido la austenita es transformada mediante mecanismos no difusivos, obteniéndose estructuras aciculares y duras producto del efecto del manganeso y el cromo. Estos elementos retardan la transformación perlítica, al tiempo que disminuyen la temperatura de inicio de la transformación martensítica. En el caso del cromo, a la vez que retarda la transformación perlítica acelera la formación de bainita. Dadas las altas velocidades de enfriamiento y la presencia de relativamente altos contenidos de cromo y manganeso, no toda la austenita es transformada, quedando en la microestructura austenita residual. En el caso del depósito con fundente de 30 % de silicato el mayor contenido de C (Tabla 5) favorece la formación de martensita en comparación con el de 20 %.

Ambas microestructuras se consideran apropiadas para enfrentar el desgaste abrasivo con ligero impacto (Portal 1994). No obstante, el análisis conjunto de la composición del depósito y la microestructura, así como la resistencia de los granos y la dilución hace obvio que el mejor desempeño integral corresponde al fundente con 30 % de silicato de sodio.