792 FLUIDEZ Y GRADO DE CRISTALIZACIÓN EN POLVOS

JORNADAS SAM/ CONAMET/ SIMPOSIO MATERIA 2003
09-18
FLUIDEZ Y GRADO DE CRISTALIZACIÓN EN POLVOS UTILIZADOS EN EL
PROCESO DE COLADA CONTINUA
E. Brandaleze a, E. Benavidez b , L. Castellá a
a) Instituto Argentino de Siderurgia, Av. Central y 19 Oeste, Barrio Somisa, CP 2900 San Nicolás, Buenos
Aires, Argentina. [email protected] – [email protected]
b) Facultad Regional San Nicolás, Universidad Tecnológica Nacional
Colón 332 – (2900) San Nicolás, Argentina. [email protected]
Se evaluaron las características de cinco polvo coladores para ver la factibilidad de su empleo en la colada
continua de aceros con bajo contenido de carbono. Se realizaron ensayos de fluidez, a 1200ºC, por el método del
plano inclinado, sobre una base de acero inoxidable y una placa de Cu/Ni. Las longitudes de capas (Lc) obtenidas
sobre ambas superficies mostraron relaciones lineales con la viscosidad calculada en forma teórica.
En base a la composición química, se calculó la temperatura de solidificación (Tbr) y se obtuvo, mediante
dilatometrías realizadas sobre muestras fundidas previamente, la temperatura de transición vítrea (Tg ). Con esta
Tg se pudo conocer la temperatura inferior de la fase semilíquida en la que se encuentra la capa por debajo de su
Tbr. Además, se obtuvo una relación lineal entre la Tg y Tbr. Estudios de microscopía sobre muestras fundidas a
1200 ºC y sometidas a enfriamiento brusco permitieron confirmar la presencia de gran cantidad de fase vítrea. El
polvo designado como D, presentó la mayor proporción de fase cristalina y la mayor temperatura de
solidificación, dando indicios de una mayor resistencia al flujo de calor hacia el molde.
PALABRAS CLAVE: Polvos coladores, colada continua, vidrios, solidificación, viscosidad.
1. INTRODUCCIÓN
2. DESARROLLO
Los polvos coladores utilizados en el proceso de
colada continua del acero, tienen asociados algunos
problemas importantes, como ser, el agrietamiento
longitudinal o el pegado [1]. En el caso del colado de
aceros de alto carbono, el inconveniente más común es
el pegado del acero al molde. Esto se genera debido a
la debilidad de la piel sólida del acero cerca del
menisco. En este caso el polvo colador fundido debe
formar una capa delgada entre el acero y el molde para
poder extraer con mayor velocidad el calor y generar
una piel suficientemente gruesa y resistente en el
acero. Es necesario en este caso un polvo colador con
baja temperatura de solidificación y baja viscosidad,
ya que así se minimiza el espesor de la capa sólida de
polvo colador y maximiza la lubricación [2].
El pegado se origina por la obstrucción del flujo del
polvo fundido entre el molde y el acero; esto último
puede generarse por un bajo nivel del menisco,
(insuficiente profundidad de la pileta formada por el
polvo) y/o por el crecimiento del anillo de escoria [3].
En este trabajo se evaluaron polvos coladores
utilizados en el proceso de colada continua de aceros
con alto contenido de carbono y una velocidad de
colada entre 1,7-1,8 m/min. Mediante la aplicación de
distintos modelos teóricos y técnicas experimentales
se determina: el grado de fluidez, temperaturas
críticas, el grado de cristalización y la temperatura de
solidificación. El conocimiento de estos parámetros
permite evaluar la aptitud de un polvo para distintas
condiciones del proceso.
Se seleccionaron cinco polvos de origen comercial
identificados como A, B, C, D y E. Las composiciones
químicas de los mismos se muestran en la tabla I.
POLVOS
% en peso
A
B
C
D
E
SiO2
32,2
33
32,3 33,7 31,5
P2 O5
0
0
0
1
0
CaO
36,2 28,0 26,5 32,3 26,5
MgO
6,2
6,5
1,04
4,6
1,5
Na2 O
10,4 13,0 11,0
8,5
11,0
K2 O
0
0,3
0,78
0,5
0,8
CaF2
19,5 17,7 17,6 14,1 11,3
MnO
0
0,06 0,03
0,1
0,05
TiO2
0
0,2
0,2
0,1
0
Al 2 O3
4,4
6,2
5,2
2,4
3,8
Fe2 O3
0
1,3
2,05
1
1,8
Tabla I. Composición química de los polvos usados.
Las temperaturas críticas de los polvos, conocidas
como punto de esfericidad (Th ) y punto de fluencia
(Tf), se determinaron mediante un equipo Leco (AF500) sobre muestras en forma de conos. Los valores
corresponden a promedios de dos muestras, con un
intervalo de error de ±30 º C.
La fluidez de los polvos coladores se determinó
mediante la técnica del plano inclinado desarrollada
por Mills [4]. En los ensayos, se calentaron muestras
de 10 g en un crisol de platino hasta 1200 °C. Luego
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JORNADAS SAM/ CONAMET/ SIMPOSIO MATERIA 2003
3. RESULTADOS
En este trabajo se calculó en forma teórica: (i) la
viscosidad (η) por medio del modelo desarrollado por
Riboud [6] y (ii) la temperatura de solidificación (Tbr),
siguiendo un trabajo de Sridhar et al [7]. Los valores
determinados se muestran en la tabla II.
En la figura 1 se grafican los puntos de la longitud de
la capa (Lc), medida sobre la base de acero inoxidable,
en función de la fluidez (inversa de la viscosidad: 1/η)
haciendo uso de los valores de η calculados en la
sección anterior.
1,8
A
1,6
1,4
1/η [1/(dPa.s)]
de alcanzar la homogeneización térmica en 15 min, se
volcaron sobre una base de acero inoxidable con una
inclinación de 10º. Se realizaron tres ensayos de cada
uno de los polvos Otros ensayos se realizaron sobre
una base de cobre recubierto con níquel electrolítico,
material original de una placa de molde, con el mismo
ángulo de inclinación. En este caso, solo se realizó un
ensayo de cada polvo. Luego estas capas fueron
cortadas para realizar los ensayos de dilatometría y
observaciones de microscopía.
Las dilatometrías fueron realizadas en un dilatómetro
horizontal Theta Dilatronic II, con una velocidad de
calentamiento de 10 ºC/min. Sobre cada una de las
muestras se realizaron dos corridas dilatométricas. El
primero de los ciclos de calentamiento sirvió para
relajar tensiones residuales remanentes tras del
enfriamiento brusco del ensayo de plano inclinado [5].
En la segunda corrida se determinó el punto de
transformación (Tg ) y el punto de ablandamiento
dilatométrico (Td ), como se muestra en la Figura 3.
Cortes transversales de las capas fueron embutidos,
pulidos y atacados con nital. Las muestras se
observaron con un microscopio óptico Leitz y por
microscopía electrónica de barrido (MEB) en un
equipo Philips 505. Análisis dispersivo en energía
(EDS) se realizó sobre las fases vítreas y cristalinas
halladas en cada muestra.
09-18
B
1,2
1,0
C
D
0,8
0,6
E
0,4
0,2
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
Longitud de la capa [mm]
Figura 1. Longitud de la capa (Lc) sobre la placa de
acero en función de la fluidez.
Se puede notar una relación lineal entre ambos
parámetros. El ajuste, realizado por regresión lineal,
presenta una recta: y = (0,02)x + (0,07) con un desvío
estándar σ = 0,15.
La figura 2 presenta los valores de Lc que se
obtuvieron utilizando la placa de molde (Cu/Ni) como
base de los ensayos del plano inclinado. El polvo B no
fue ensayado sobre esta placa.
2,2
2,0
A
1,8
1,6
1/η [(dPa.s)-1 ]
Muestra η a 1200 ºC(dPa.s) Tbr (ºC)
A
0,58
1112
B
0,89
995
C
1,19
1072
D
1,24
1125
E
1,96
1107
Tabla II. Valores de la viscosidad a 1200 ºC y Tbr.
1,4
1,2
1,0
0,8
C
0,6
D
E
0,4
0,2
0,0
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Longitud de la capa [mm]
Las temperaturas críticas de cada polvo se presentan
en la tabla III.
Muestra Th (ºC) Tf (ºC)
A
1075
1105
B
1045
1065
C
1070
1110
D
1085
1100
E
1075
1105
Tabla III. Valores de las temperaturas Th y Tf
De acuerdo a estos resultados, todos los polvos
coladores se encuentran en un estado de total fluidez
alrededor de los 1100 ºC.
Figura 2. Longitud de la capa sobre la placa de Cu/Ni
en función de la fluidez.
En este caso, se puede observar nuevamente una
relación lineal entre Lc y (η)-1 , pero con una recta de
ajuste: y = (0,06).x + (-0,47) y una σ = 0,13 menor.
Las curvas dilatométricas típicas se muestran en la
figura 3, donde se presenta el comportamiento de la
muestra D durante los dos ciclos ensayados. La curva
del primer ciclo difiere del segundo, pues, tal como se
mencionó, estas muestras poseen tensiones internas
producto del enfriamiento brusco durante el ensayo
del plano inclinado. Las curvas dilatométricas de los
polvos restantes presentaron comportamientos
similares.
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JORNADAS SAM/ CONAMET/ SIMPOSIO MATERIA 2003
0,8
0,7
Composición Matriz
Fase
Zona
(% óxidos)
vítrea cristalina interdendrítica
Na 2 O
7,6
3,7
9,2
MgO
8,1
4,1
11,6
Al2 O3
9,5
8,2
10,2
SiO2
49
47
53,1
CaO
25,1
37
14,1
K2 O
1,0
1,1
MnO
0,3
FeO
0,3
Tabla V. Análisis EDS sobre la muestra de polvo
colador A fundida a 1200 ºC.
Td
polvo D
Tg
0,6
ciclo 1
ciclo 2
∆L/Lo [%]
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
200
250
300
350
400
450
500
550
09-18
600
Temperatura [ºC]
Figura 3. Curva dilatométrica del polvo D.
En la tabla IV, se presentan los valores de las
temperaturas de transformación (Tg ) y de
ablandamiento (Td ) de los cinco polvos.
Muestra Tg (ºC) Td (ºC)
A
483
521
B
438
491
C
478
522
D
494
552
E
482
505
Tabla IV. Valores de Tg y Td de cada uno de los
polvos coladores.
El polvo colador B se caracteriza por formar capa de
cristales en la superficie y presentar cristales en la
capa mixta. Dicha capa tiene un espesor variable entre
50 µm y 350 µm. En la tabla VI se presentan los
análisis realizados mediante EDS sobre los cristales y
la matriz de la muestra.
Composición Matriz
Fase
(% óxidos)
vítrea cristalina
Na 2 O
10,6
9,8
Al2 O3
10,2
10,1
SiO2
53,2
50,8
CaO
24,5
27,5
K2 O
0,9
FeO
0,78
0,8
Tabla VI. Análisis EDS sobre la muestra de polvo
colador B fundida a 1200 ºC.
En la figura 4 se grafica el valor de Tg versus el valor
calculado de Tbr.
Tg [ºC]
500
El polvo colador D presenta una capa de cristales con
forma epitaxial próxima a la superficie, cuyo espesor
oscila entre 55 µm y 95 µm. Además, se observan
cristales aislados en forma dendrítica. A pesar de que
la mayor parte de esta muestra está constituida por
vidrio, es la que presentó la mayor cantidad de
cristales. En la tabla VII se presenta la composición
promedio correspondiente a la matriz, la zona
dendrítica e interdendrítica de este material.
D
C
480
A
E
460
440
B
420
950
1000
1050
T
br
1100
1150
Composición Matriz
Fase
Zona
(% óxidos)
vítrea cristalina interdendrítica
Na2 O
7,2
MgO
6,7
SiO2
61,9
53,3
52,9
CaO
38,1
32,8
47,1
Tabla VII. Análisi EDS de la mu estra de polvo
colador D fundida a 1200 ºC.
[ºC]
Figura 4 - Gráfica de Tg vs. Tbr de los polvos.
De acuerdo a esta gráfica, ambas temperaturas
presentan una relación de tipo lineal. El valor de ajuste
obtenido para este caso fue: y = (0,40) . x + (41,7).
La observación por MEB del polvo colador A permite
comprobar que el material presenta cristales próximos
a la superficie. Este material no desarrolla capa
cristalina y se identifican pocos cristales coalescidos
próximos a la superficie. El resto de la muestra está
compuesto por fase vítrea. En la tabla V se presentan
los análisis realizados mediante EDS, sobre las zonas
vítreas, las dendritas y en la región de líquido presente
entre las dendritas.
Los polvos C y E no forman cristales y se
caracterizaron por presentar sólo fase vítrea. Las
composiciones de las fases vítreas de ambos
materiales, se presentan en la tabla VIII.
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JORNADAS SAM/ CONAMET/ SIMPOSIO MATERIA 2003
Composición (% óxidos) Polvo C Polvo E
Na 2 O
8,9
8,4
Al2 O3
9,0
8,5
SiO2
56,0
53,4
CaO
23,7
27,3
K2 O
1,0
1,2
FeO
1,4
1,2
Tabla VIII. Análisis EDS de la fase vítrea de los
polvos C y E fundidos a 1200 ºC.
4. DISCUSIÓN
A partir de los valores de viscosidad se puede suponer
que en la selección de un polvo colador que brinde
alta lubricación, se considere óptimo al polvo A,
debido a que presenta el menor valor de η. Sin
embargo, en la literatura está difundida la relación:
η× Vc = 2 − 2,5 dPa.s.m.min -1
(1)
donde Vc es la velocidad de colada.
En nuestro caso si se considera Vc = 1,7-1,8 m/min,
los valores de η más aptos para esta condición
deberían estar en el rango entre 1,11–1,47 dPa.s. Por
lo tanto, en este caso se deberían considerar sólo los
polvos C y D.
Otro factor de importancia es el espesor de la capa
entre el molde y al acero que puede desarrollar cada
material. Se sabe que, el espesor es menor cuanto
menor es la viscosidad. Si bien esto favorece la
transferencia de calor en el sistema acero-molde, se
incrementan los riesgos de pegado. De acuerdo a [8] si
la velocidad de fusión del polvo colador es igual o
mayor a la velocidad de consumo crítica (Qc) de
polvo, entonces el espesor (e) que tendrá la capa de
polvo colador fundido, entre el molde y el acero,
estará dada por la relación:
 2.V .η 
e =  c 
 ρ Fe. g 
1/ 2
(2)
donde ρFe es la densidad del acero líquido (7,1 g/cm3 )
y g es la aceleración de la gravedad. Así, para el caso
más crítico (polvo A), el espesor será de 0,24 mm.
Considerando el comportamiento de la capa cerca del
menisco, donde existe una mayor probabilidad de falla
por pegado, el espesor debería estar completamente
formado por fase líquida para lograr una mejor
lubricación. De acuerdo a las temperaturas críticas (Th
y Tf), todos los polvos ensayados se encontrarían en
estado de completa fluidez cuando la temperatura
supera los 1110 ºC; de manera que en principio,
ninguno de los polvos en estudio debería presentar
inconvenientes, dado que la temperatura del sistema a
la altura del menisco supera dichos valores. Además,
los ensayos de plano inclinado verifican un
considerable nivel de fluidez a 1200 ºC en todos los
polvos analizados.
De acuerdo a la Tbr calculada en forma teórica, al
disminuir la temperatura a medida que la distancia al
menisco es mayor, es de esperar una primera presencia
de cristales en la muestra D, la cual presenta la mayor
temperatura
de
solidificación
(1125ºC).
Las
09-18
observaciones de microscopía confirman la mayor
cantidad de cristales en este polvo. Ambos hechos, la
mayor proporción de cristales y la mayor Tbr, indican
que el polvo D, es el que va a presentar la menor
transferencia de calor hacia el molde.
En todos los ensayos con el plano inclinado se obtuvo
una mayor longitud de la capa para una menor
viscosidad. Esta relación lineal entre Lc y η-1 se
mantuvo con ambas placas, tanto la de Cu/Ni como la
de acero inoxidable, aunque se obtuvieron menores
longitudes de las capas en el segundo caso (mayor
pendiente de la recta de ajuste).
Otro dato a destacar en este trabajo es la relación
lineal que se observa entre la Tg y la Tbr. Si bien no
hemos hallado en la literatura una relación directa
entre estas temperaturas, no es raro esperar que exista
una relación entre ambas, ya que representan la
temperatura inicial y final respectivamente, del rango
dentro del cual se encuentra el material en un estado
semi-líquido. Es decir, por debajo de la temperatura Tg
el material será 100% sólido, mientras que por encima
de la Tbr estará completamente líquido.
5. CONCLUSIONES
El polvo colador A es el que presenta menor
viscosidad y por lo tanto otorga la mejor lubricación
en condiciones de colada con velocidades de 1,8
m/min. Por otro lado, el polvo D presentó la mayor
proporción de fase cristalina y la mayor temperatura
de solidificación, dando indicios de una mayor
resistencia al flujo de calor hacia el mo lde.
Combinando datos experimentales y modelos teóricos,
se pudieron comparar diversos parámetros importantes
para evaluar el comportamiento de polvos coladores.
Los ensayos de fluidez a 1200ºC, por el método del
plano inclinado, utilizando tanto la placa de acero
inoxidable como la de Cu/Ni mantienen una relación
lineal entre las longitudes de las capas y la viscosidad.
El empleo de éste método resultó de gran utilidad para
comparar, en forma rápida, la fluidez entre los polvos.
REFERENCIAS
[1] J. Madias, C. Cicutti, A. Castellá, G. Di Gresia,
ISS Steelmaking Conference Proceedings, 1999, pp.
51.
[2] R. Carli, and V. Ghilardi, I&SM, 1998, pp. 43.
[3] M. Emi, Steelmaking Conference Proceedings,
1991, pp. 623.
[4] K. Mills, M. Halali, H. Lörz, et all, Molten Slags,
Fluxes and Salts, 97 Conference, pp. 535.
[5] J. Hlavac, The Technology of Glass and Ceramics,
Edit. Elsevier, Amsterdam 1983.
[6] P. Riboud, Seminaire: formation de la première
peau en coulée continue, IRSID, 1985.
[7] S. Sridhar, K. Mills, O. Afrange, H. Lorz, and R.
Carlli, Ironmaking and Steelmaking, 27, 2000, pp 238.
[8] R.V. Brannion, I & SM, 1986, pp. 41.
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