Combatiendo la Porosidad en Acero al Manganeso

El acero con alto contenido de manganeso es un material insustituible en la industria pesada, valorado por su excepcional resistencia al desgaste y su capacidad de endurecimiento por trabajo. Es la elección predilecta para componentes críticos en trituradoras de mandíbula, trituradoras de cono y revestimientos de molinos de pandeo, entre otras piezas de fundición que soportan condiciones extremas. Sin embargo, su producción no está exenta de desafíos. Uno de los problemas más persistentes y costosos en la fundición de este material es la formación de la porosidad, un defecto que puede llevar al desguace o a la reelaboración de lotes enteros de piezas, impactando significativamente la eficiencia y rentabilidad de la producción.

Este artículo se sumerge en el complejo mundo de la porosidad en las fundiciones de acero con alto contenido de manganeso. A través de un análisis exhaustivo de sus causas, desde la interacción de los gases en el acero fundido hasta las propiedades de los moldes y los hierros fríos, y la presentación de soluciones prácticas y probadas, buscamos proporcionar una guía integral para mitigar y resolver este problema crítico. La experiencia ha demostrado que, aplicando un conjunto de métodos efectivos centrados en el proceso y las materias primas, es posible transformar los desafíos de la fundición en resultados de alta calidad.

¿Qué es la Porosidad en la Fundición de Acero al Manganeso?

La porosidad en las fundiciones de acero al manganeso se manifiesta como pequeñas cavidades o burbujas de gas atrapadas dentro de la estructura metálica. Estas imperfecciones se vuelven evidentes una vez que las piezas son sometidas a tratamientos de resistencia al agua o procesos de maquinado. La gravedad del problema se intensifica notablemente cuando se emplea el método de retorno de material, es decir, la reutilización de elevadores, acero fundido o piezas desechadas. En estos casos, se ha observado que hornadas completas pueden presentar defectos de porosidad generalizada, llegando a tasas de desguace de hasta el 80% del lote.

El análisis de estos defectos revela principalmente poros intrusivos y reactivos. Los poros intrusivos se forman cuando el gas del ambiente o de los materiales del molde es arrastrado hacia el metal fundido. Los poros reactivos, por otro lado, son el resultado de reacciones químicas dentro del acero o entre el acero y el molde que generan gas. En las fundiciones que utilizan material de retorno, la complejidad y diversidad de la ubicación y forma de los poros aumentan considerablemente, lo que subraya la necesidad de comprender sus causas subyacentes para implementar soluciones efectivas.

Las Raíces del Problema: Causas de la Porosidad en la Fundición

La formación de porosidad es un fenómeno multifactorial, y su comprensión es clave para el desarrollo de estrategias de prevención. Las causas pueden dividirse principalmente en aquellas relacionadas con la solubilidad de los gases en el acero fundido y las vinculadas a la interacción entre el acero y los materiales del molde.

La Solubilidad de los Gases en el Acero Fundido

El acero fundido, a altas temperaturas, tiene una capacidad considerable para disolver gases como el nitrógeno y el hidrógeno. Sin embargo, a medida que el metal se enfría y solidifica, esta solubilidad disminuye drásticamente. El gas disuelto que ya no puede ser retenido por el metal precipita, formando burbujas. Si estas burbujas no logran escapar antes de que el metal solidifique, quedan atrapadas, dando lugar a los poros.

El Retorno de Material y su Impacto

El uso de material de retorno (como elevadores de vertido, acero fundido o piezas desechadas) en el proceso de fundición introduce una cantidad significativa de nitrógeno e hidrógeno del aire al acero fundido durante la fusión. Este material reciclado, si no se maneja adecuadamente, puede ser una fuente importante de gas disuelto. Además, para garantizar una alta tasa de recuperación de la aleación, a menudo se prohíbe estrictamente la oxidación del acero fundido durante este proceso. Si bien esta medida es beneficiosa para la composición de la aleación, impide la eliminación natural de los gases disueltos que se produciría a través de la reacción de oxidación.

Reacciones Internas y la Desoxidación Deficiente

Una desoxidación deficiente del acero fundido es otra causa crítica de porosidad. Si hay oxígeno residual en el metal, puede reaccionar con el carbono presente (C + O → CO ↑) para formar monóxido de carbono (CO). Las burbujas de CO generadas por esta reacción interna se suman a las que precipitan por la disminución de la solubilidad de otros gases. Estos gases evolucionados tienden a difundirse hacia las porciones más calientes o de mayor temperatura de la fundición. Si no hay una vía de escape adecuada en el molde, o si el enfriamiento es demasiado rápido, estas burbujas quedan atrapadas, formando poros precipitados. Estos poros suelen concentrarse en secciones gruesas de la fundición o en áreas que retienen calor, como los elevadores.

La Interacción entre el Acero Fundido y el Molde

Los poros también pueden originarse por la interacción entre el acero fundido y el molde, incluyendo la arena de moldeo y los hierros fríos. Después del procesamiento, estos poros a menudo aparecen como cavidades circulares difusamente distribuidas. Un caso particular es la aparición de poros reactivos en las posiciones donde se colocan los hierros fríos.

• Estomas en la posición de hierros fríos: La presencia de óxido o humedad en la superficie de los hierros fríos individuales puede reaccionar con el acero fundido durante el vertido (Fe + H2O → FeO + 2H ↑, Fe2O3 • nH2O + (n + 1) Fe → (n + 3) FeO + 2) C + FeO → Fe + CO ↑). Esto genera gas, principalmente hidrógeno. Dado que los hierros fríos no son permeables a los gases, el gas no puede escapar fácilmente y queda atrapado a medida que el metal se enfría y solidifica rápidamente alrededor del hierro frío.
• Ventilación deficiente en la separación de hierros fríos: Cuando se pulveriza pintura en el molde, el recubrimiento puede penetrar demasiado profundamente en la arena de moldeo a lo largo de la brecha del hierro frío. Si el recubrimiento no se quema por completo o el agua generada no se evapora del todo, puede reaccionar con el acero fundido, generando hidrógeno que invade el metal y forma poros.

Estrategias Efectivas para la Desoxidación y Prevención de Porosidad

Para combatir la porosidad en las fundiciones de acero con alto contenido de manganeso, es fundamental implementar un conjunto de medidas integrales que aborden tanto la reducción de gases disueltos como la optimización de los materiales y el diseño del molde.

Reducción de Gases Disueltos: La Escoria Protectora

Una estrategia preventiva clave es reducir la cantidad de gas disuelto en el acero fundido antes de la alimentación. Esto se logra añadiendo una mezcla de 2.5% de cal (óxido de calcio) y 1.5% de fluorita (fluoruro de calcio) en el fondo del horno antes de cargar el metal. Estos materiales reaccionan para formar una escoria que cubre la superficie del acero fundido, creando una barrera protectora que evita el contacto directo del metal líquido con el aire y, por ende, reduce la disolución de gases atmosféricos. Es crucial controlar las cantidades añadidas: una capa de escoria demasiado gruesa puede dificultar la salida de gases del acero fundido, mientras que una capa demasiado delgada no ofrecerá una protección adecuada.

Eliminación Activa de Gases: El Principio de Oxidación Controlada

En los procesos de fundición que incluyen un período de oxidación, la reacción carbono-oxígeno (C + O → CO ↑) genera una gran cantidad de burbujas de CO. Estas burbujas ascienden a través del acero fundido, arrastrando consigo otros gases disueltos y logrando un efecto de desgasificación. Este "hervor" del acero fundido permite que los gases sean descargados eficientemente, resultando en fundiciones con menos poros precipitados.

La Importancia de la Piedra Caliza en la Fundición de Retorno

Para las fundiciones que emplean el método de retorno de material y que, por lo tanto, no tienen un período de oxidación natural, se utiliza un principio de desgasificación similar. Se añade piedra caliza (CaCO3) al acero fundido a alta temperatura. La piedra caliza se descompone térmicamente según la reacción CaCO3 → CaO + CO2 ↑. El dióxido de carbono (CO2) generado produce un efecto de ebullición, y las burbujas de CO2, al flotar hacia la superficie, arrastran consigo los gases disueltos, logrando así la desgasificación del acero fundido.

Recomendaciones Clave para la Adición de Piedra Caliza:

• Tiempo de adición: La piedra caliza debe añadirse solo después de que toda la carga se haya fundido por completo. Esto asegura que el efecto de desgasificación se aplique a la totalidad del acero fundido.
• Método de adición: Dado que la piedra caliza tiene una baja densidad y la capa de escoria protege el acero fundido, es recomendable descargar aproximadamente el 70% de la escoria de acero antes de la adición. Luego, la piedra caliza se introduce directamente en el acero fundido mediante descarga por gravedad. Esto provoca una descomposición rápida y una gran cantidad de gas en poco tiempo, lo que induce un vigoroso hervor del acero y facilita la desgasificación.
• Cantidad y tamaño del bloque: La cantidad ideal de adición es aproximadamente el 3% del peso del acero fundido, buscando un hervor del metal que dure entre 10 y 15 minutos. Una cantidad insuficiente resultará en un tiempo de ebullición demasiado corto y un efecto de desgasificación limitado. Un exceso, por otro lado, puede provocar acumulación y problemas de conductividad. El tamaño de los bloques de piedra caliza es también crucial, siendo ideal entre 100 y 150 mm. Si los bloques son demasiado pequeños, flotarán fácilmente en la superficie de la escoria; si son demasiado grandes, la descomposición será lenta y el hervor no será lo suficientemente intenso, afectando la eficacia de la desgasificación.

Neutralización de Reacciones Internas: Desoxidación Final

Para prevenir reacciones internas indeseables en el acero fundido, se realiza una desoxidación final en la cuchara durante el vertido. Se recomienda añadir 0.2% de tierras raras y 0.1% de crisol de silicio-germanio-aluminio. Estos aditivos reducen el contenido de oxígeno residual en el acero fundido, evitando así la reacción de carbono y oxígeno que genera CO. Además, los compuestos estables formados por las tierras raras con azufre, oxígeno, hidrógeno y nitrógeno en el acero ayudan a fijar estos gases, reduciendo su disponibilidad para formar poros.

Preparación Rigurosa de los Moldes y Hierros Fríos

La calidad de los moldes y los hierros fríos es fundamental para prevenir la porosidad causada por la interacción metal-molde.

• El Papel Crucial del Granallado y Precalentamiento: Antes de usar los hierros fríos, es imprescindible someterlos a un proceso de granallado para eliminar cualquier rastro de oxidación superficial o manchas de aceite. En climas húmedos o fríos, los hierros fríos tienden a absorber humedad. Por ello, deben precalentarse a una temperatura de 40-50°C antes de su uso. Este precalentamiento no solo evapora completamente la humedad, sino que también contribuye a la combustión total del recubrimiento superficial de los hierros fríos y a la evaporación de la humedad residual después de la combustión, evitando así la formación de gas por reacción. Es importante no exceder esta temperatura; un calor excesivo puede secar rápidamente la arena de moldeo en contacto con el hierro frío antes del terremoto, resultando en una estructura de arena suelta y poca resistencia.
• Control del Recubrimiento y Secado del Molde: Después de rociar la pintura en el molde, es esencial "enganchar" la arena de moldeo en el hueco del hierro frío para evitar una penetración excesiva del recubrimiento. Una penetración excesiva puede llevar a una combustión insuficiente o a una evaporación incompleta de la humedad. Una vez aplicada la pintura, el molde debe dejarse reposar durante al menos 30 minutos para asegurar que el agua se evapore por completo antes de cerrar la caja, garantizando así el secado óptimo del molde.

Optimización de Materiales del Molde y Ventilación

La elección de los materiales del molde y una adecuada ventilación son cruciales para un proceso de fundición sin poros.

• Materiales del Molde: El uso de resina fenólica alcalina FT660, que no contiene elementos nocivos como N, P y S, junto con un recubrimiento de secado rápido de magnesia que genera una pequeña cantidad de gas, ayuda a reducir la reacción entre el acero fundido y el molde. Además, aumentar la proporción de arena de grano grueso en la arena de peridoto utilizada para el modelado mejora la permeabilidad de la arena de moldeo, facilitando el escape de gases.
• Mejora de la Ventilación: Dado que la superficie inferior del molde, cubierta con hierros fríos, carece de permeabilidad a los gases, es vital compensar esto con un diseño de ventilación optimizado. Se recomienda aumentar el número de aberturas superiores, ampliar su tamaño y asegurar que se comuniquen con la superficie del modelo. También es importante reparar la ranura de ventilación en el lado de la parte de la oreja de la superficie de separación del molde (superficie superior de la fundición). Finalmente, abrir el elevador para que se comunique con el exterior y añadir placas de escape en el extremo superior de la pieza de fundición sin compuerta permitirá que el gas dentro del molde se drene sin problemas.
• Endurecimiento al Vacío: En función de las condiciones climáticas, el grado de vacío del endurecimiento al vacío se puede ajustar en cualquier momento. Esto asegura que el gas en el espacio de arena se descargue completamente y que la arena de moldeo esté lo suficientemente seca, contribuyendo significativamente a la prevención de porosidad.

Preguntas Frecuentes (FAQ)

¿Por qué es tan crítico evitar la porosidad en el acero al manganeso?

La porosidad debilita la estructura del metal, reduciendo su resistencia mecánica, tenacidad y resistencia al desgaste, propiedades clave por las que se valora el acero al manganeso. Esto puede llevar a fallas prematuras de las piezas en servicio, lo que resulta en altos costos de reemplazo y tiempo de inactividad.

¿Es posible eliminar completamente la porosidad en las fundiciones?

Si bien es extremadamente difícil eliminarla por completo, las técnicas y mejoras descritas en este artículo, como la desoxidación, el control de gases y la preparación del molde, pueden reducir drásticamente su incidencia a niveles aceptables, minimizando el desguace y la reelaboración.

¿Cómo afecta el "método de retorno" a la porosidad?

El "método de retorno" (reutilización de chatarra o material de fundición reciclado) introduce una mayor cantidad de nitrógeno e hidrógeno en el acero fundido. Al no haber un periodo de oxidación que purgue estos gases, su presencia aumenta significativamente el riesgo de porosidad por precipitación.

¿Qué es la desoxidación final y por qué es importante?

La desoxidación final es un paso crucial donde se añaden elementos como tierras raras y silicio-germanio-aluminio al acero fundido justo antes del vertido. Su objetivo es reducir el oxígeno residual y fijar otros gases disueltos, previniendo reacciones internas que forman burbujas de gas y garantizando una fundición más limpia y densa.

¿Cuál es la temperatura ideal para precalentar los hierros fríos?

La temperatura ideal para precalentar los hierros fríos es entre 40 y 50°C. Este rango asegura la evaporación efectiva de la humedad y la combustión del recubrimiento sin causar un secado excesivo de la arena de moldeo circundante, lo que podría comprometer la integridad del molde.

Conclusión

La producción de fundiciones de acero con alto contenido de manganeso de alta calidad es un proceso que exige atención meticulosa a los detalles. Los defectos estomáticos, o porosidad, representan un desafío constante, pero como hemos explorado, sus causas son identificables y sus soluciones, aplicables. Desde el control de los gases disueltos en el acero fundido mediante técnicas de desoxidación y adición de piedra caliza, hasta la preparación rigurosa de los hierros fríos y la optimización de los materiales y la ventilación del molde, cada paso contribuye a una fundición más robusta y sin defectos. Al implementar estas prácticas y prestar especial atención a los detalles operativos, la tasa de desecho y de reelaboración debido a la porosidad puede reducirse drásticamente, allanando el camino para una producción más eficiente y rentable de componentes de acero al manganeso de rendimiento superior.

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