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7/23/2019 incluciones.pdf

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TESIS INGENIERIA MECANICAFACULTAD DE INGENIERIA

UNIVERSIDAD DE BUENOS AIRES

EVOLUCION DE LAS INCLUSIONESNO METALICAS EN EL PROCESODE ELABORACIN DEL ACERO

Constantino Espinosa

DIRECTORES:Ing. Teresa Prez

Dr. Ing. Carlos Cicutti

Tesis Realizada en:Centro de Investigacin Industrial (CINI). FUDETEC


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Agradecimientos:

Deseo agradecer con mucho afecto a mis directores de tesis, Teresa yCarlos, por todo el apoyo, paciencia y gua mostrados durante el desarrollo deltrabajo.

Al Dr Eduardo Dvorkin por haberme dado la oportunidad de trabajar enel CINI.

A toda la gente del CINI con la que compart gratsimos momentos yvaliosas experiencias. En especial agradezco a Amadeo y Martn, por tantaayuda con las probetas.

A mi familia por su constante apoyo.


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1 RESUMEN........................................................................................................................................... 4

2 OBJETIVO Y CONTENIDO............................................................................................................. 6

3 PROCESO DE ELABORACIN DEL ACERO............................................................................. 7

3.1 INTRODUCCIN .............................................................................................................................. 7

3.2 HORNO ELCTRICO (EAF)............................................................................................................. 7

3.3 HORNO CUCHARA (LF).................................................................................................................. 8

3.4 DESGASIFICADOR AL VACO .......................................................................................................... 9

3.5 COLADA CONTINUA ..................................................................................................................... 10

3.6 METALURGIA SECUNDARIA ......................................................................................................... 11

3.6.1 Desoxidacin ........................................................................................................................ 11

3.6.2 Desulfuracin ....................................................................................................................... 14

3.6.3 Desgasificacin .................................................................................................................... 16

3.6.4 Tratamiento con Calcio........................................................................................................ 17

3.7 CLASIFICACIN DE INCLUSIONES................................................................................................. 20

Por Origen .......................................................................................................................................... 20

3.7.1 Por Composicin.................................................................................................................. 20

3.7.2 Por Tamao.......................................................................................................................... 21

3.8 RESUMEN ..................................................................................................................................... 21

4 TCNICAS EXPERIMENTALES.................................................................................................. 22

4.1 SEGUIMIENTO DE LAS COLADAS Y TOMA DE MUESTRAS ............................................................. 22

4.1.1 Muestreadores y Probetas.................................................................................................... 22

4.1.2 Toma de muestras ................................................................................................................. 23

4.1.3 Preparacin y Pulido............................................................................................................ 24


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4.2 MICROSCOPIO ELECTRNICO DE BARRIDO (SEM)...................................................................... 24

4.2.1 Interacciones Electrn-Muestra........................................................................................... 26

4.2.2 Anlisis EDS......................................................................................................................... 27

4.3 ANLISIS SEMI-CUANTITATIVO.................................................................................................... 29

4.4 PROCESAMIENTO DE INFORMACIN............................................................................................. 30

4.4.1 Analizador automtico de partculas.................................................................................... 30

4.4.2 Filtrado y Clasificacin........................................................................................................ 31

4.4.3 Conversin a xidos y Sulfuros ........................................................................................... 35

5 RESULTADOS Y DISCUSIN....................................................................................................... 40

5.1 CANTIDAD Y DISTRIBUCIN DE TAMAO DE LAS INCLUSIONES .................................................. 40

5.2 MODIFICACIN DE LA COMPOSICIN DE LAS INCLUSIONES......................................................... 44

5.2.1 Fraccin Slida .................................................................................................................... 47

5.3 MACROINCLUSIONES ................................................................................................................... 49

5.3.1 Silicoaluminatos de manganeso ........................................................................................... 50

5.3.2 Silicoaluminatos de manganeso con Zr................................................................................ 52

5.3.3 Aluminatos de Calcio............................................................................................................ 56

5.4 ANLISIS DE ESCORIAS................................................................................................................ 58

5.4.1 Evaluacin de la saturacin de las escorias ........................................................................ 60

6 CONCLUSIONES............................................................................................................................. 64

I. ANEXO I: MODELOS DE CS Y CS ............................................................................................. 66

II. ANEXO II COMPOSICIN QUMICA DE LAS COLADAS ANALIZADAS ..................... 68

III. ANEXO III COMPOSICIN QUMICA DE LAS INCLUSIONES EN LAS MUESTRAS

ANALIZADAS ......................................................................................................................................... 69


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LISTA DE FIGURAS .............................................................................................................................. 73

LISTA DE TABLAS ................................................................................................................................ 76

REFERENCIAS ....................................................................................................................................... 77


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Constantino Espinosa Resumen 10/03/05

1 ResumenDurante el proceso de elaboracin del acero se generan inclusiones no-metlicas, ya sea por

las reacciones que ocurren en el bao metlico (por ej. durante la desoxidacin) como por lainteraccin con agentes externos (refractarios, escorias, etc.). Estas inclusiones pueden

perjudicar las propiedades mecnicas de los productos finales as como tambin provocar

problemas en el proceso de colado. Resulta entonces de gran importancia entender como se

modifica la densidad y composicin qumica de las inclusiones durante el proceso de

elaboracin del acero. En consecuencia, el principal objetivo de esta tesis fue: caracterizar la

evolucin de la poblacin inclusionaria en el acero, poniendo especial nfasis en la

etapa donde se realiza el tratamiento de degasificacin al vaco.

Para la realizacin de este trabajo se tomaron muestras en distintos momentos del proceso en

cuatro coladas industriales. Las probetas fueron tomadas inmediatamente despus del

sangrado del horno elctrico, antes y despus de la etapa de degasificacin al vaco y en el

distribuidor de la mquina de colada continua. Las muestras fueron analizadas utilizando un

microscopio electrnico de barrido con capacidad para identificar y analizar, en forma

automtica, las partculas presentes. Se puso a punto una tcnica para procesar la informacin

obtenida del analizador automtico, de modo de filtrar aquellas partculas que no corresponden

a inclusiones no-metlicas. Por otro lado, el procedimiento desarrollado permite tambinconvertir la composicin elemental de las inclusiones en xidos y sulfuros. De esta manera es

posible evaluar la densidad, distribucin de tamaos y composicin de las inclusiones en un

rea relativamente grande de la probeta, lo que hace al mtodo apropiado para analizar como

se modifica la poblacin inclusionaria a lo largo del proceso de elaboracin del acero.

Los anlisis realizados en las distintas muestras analizadas permitieron establecer que la

densidad de inclusiones disminuye a medida que avanza el proceso. Esta reduccin se

produce por la aglomeracin y flotacin de las inclusiones a la superficie del acero, donde son

capturadas por la escoria. El agitado con argn realizado en esta etapa del tratamiento

colabora en el proceso de flotacin de las inclusiones. Sin embargo, pudo comprobarse que un

agitado excesivo puede actuar negativamente, originando nuevas inclusiones por reoxidacin

del acero con el aire ambiente. En el caso del tratamiento con vaco, el agitado realizado en

una atmsfera inerte permite reducir en forma apreciable la densidad de las inclusiones sin

contaminar el acero.

As como la densidad de las inclusiones cambia durante el proceso, tambin lo hace su

composicin. Se encontr que la reaccin del acero con los refractarios y la escoria provocan

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Constantino Espinosa Resumen 10/03/05

un incremento en el contenido de MgO de las inclusiones, las cules pasan de almina (Al 2O3)

a espinelas (MgO.Al2O3). Este cambio se acenta durante el proceso de degasificacin al vaco

donde las inclusiones incorporan CaO debido a la alta interaccin metal-escoria provocada por

el profundo agitado del acero en esta etapa. Esta fuerte interaccin afecta tambin la

composicin de las escorias. Mientras que antes del tratamiento con vaco la composicin se

encuentra en la zona de doble saturacin con CaO y MgO, al finalizar el proceso la misma se

desplaza hacia una zona de simple saturacin con CaO. Los clculos realizados muestran que,

si bien esta variacin hace que las escorias se tornen ms agresivas para los refractarios, la

capacidad de desulfuracin no se modifica sustancialmente.

Durante la inspeccin de las distintas probetas, se pudo detectar la presencia de algunas

inclusiones que se diferenciaban del resto por tener mayores tamaos y otras composiciones.

Los anlisis realizados permitieron identificar que estas inclusiones estaban asociadas a tresfuentes exgenas diferentes: (i) silicoaluminatos de manganeso originados por la reoxidacin

del acero, (ii) aluminatos de calcio con MgO provenientes de la emulsificacin de la escoria y

(iii) silicoaluminatos con Zr generados por arrastre de la arena usada en la vlvula de la

cuchara.

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Constantino Espinosa Objetivo 10/03/05

2 Objetivo y ContenidoEl objetivo de esta tesis es Caracterizar la evolucin de la poblacin inclusionaria en el

acero, analizando con especial atencin la etapa de desgasificacin al vaco.

En el captulo 3 se describe el proceso de fabricacin de acero: Horno Elctrico, Metalurgia

Secundaria y Colada Continua. Dentro de Metalurgia Secundaria se detalla el proceso de

Desgasificacin al Vaco. Se explica el origen de las inclusiones endgenas y exgenas.

En el captulo 4 se detallan las tcnicas experimentales utilizadas. Se describe el muestreo

realizado en las coladas industriales, el microscopio electrnico de barrido (SEM) y el

Espectrmetro de energa dispersa (EDS) as como las tcnicas de anlisis empleadas: se

detalla la metodologa desarrollada para procesar la informacin obtenida en estos ejemplos.

En el captulo 5 se analizan y discuten los resultados. Se analiza la evolucin de la poblacin

inclusionaria en cantidad y composicin qumica. Se tratan con especial atencin las

macroinclusiones. Tambin es analizada la evolucin de las escorias y su relacin con la

evolucin de las inclusiones.

En el captulo 6 se presentan las conclusiones.

En los anexos se adjunta informacin sobre las distintas coladas, detalles de la composicin de

las inclusiones en las muestras analizadas y se describe la tcnica de correccin de anlisis

semi-cuantitativo realizada por el SEM/EDS.

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3 Proceso de elaboracin del acero3.1 Introduccin

TenarisTamsa fabrica actualmente 670000 toneladas de tubos de acero sin costura. Los

grados de acero producidos corresponden a aceros de bajo y medio carbono con o sin

microaleantes (Cr, B, Ti, Mo, V). Las instalaciones incluyen un Horno Elctrico (Electric Arc

Furnace EAF), una estacin de Horno Cuchara (Ladle Furnace: LF), un Desgasificador al Vaco

(VD) y una mquina de colada continua (MCC).

3.2 Horno Elctrico (EAF)

Figura 3-1: Horno Elctrico (EAF)

Este equipo tiene como principal funcin fundir la carga metlica compuesta por chatarra,

hierro esponja (Direct Reduced Iron: DRI) y arrabio slido. Los porcentajes de cada una

dependen de condiciones econmicas y tcnicas. La carga metlica es calentada y finalmente

fundida al hacer pasar a travs de ella una corriente elctrica.

Adems de fundir la carga metlica, el EAF permite tambin refinar el acero. La refinacin es

realizada por la escoria formada sobre el metal fundido, al agregarse cal viva y cal dolomtica.

La escoria tiene como funcin principal la de remover del metal fundido elementos indeseables:

C, P, Si y Mn [1]. El P, Si y Mn son removidos cuando, al reaccionar con el oxgeno disuelto enel metal fundido, forman xidos que pasan a la escoria.

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Una excepcin es el C, el cul es eliminado por la formacin de gases. La reaccin de

decarburacin es favorecida inyectando O2en el horno mediante una lanza. Como muestran

las reacciones (1) y (2),el C forma CO y CO2 lo que provoca un burbujeo del metal lquido,

fomentando las reacciones metal-escoria.

)(21

2 gCOOC =+ (1)

)(22 gCOOC =+ (2)

Nota: Los elementos subrayados corresponden a elementos disueltos en el acero.

El gas formado tambin provoca un espumado de la escoria, lo que permite proteger los

refractarios del arco elctrico formado entre los electrodos y la carga metlica [1].

Otra reaccin importante que tiene lugar en el EAF es la de defosforacin. En este caso el

fsforo en el metal fundido se oxida formando P2O5, como muestra la siguiente reaccin:

5222/52 OPOP =+ (3)

Este xido es atrapado por el CaO presente en la escoria presumiblemente formando 4CaO

P2O5 [1]. La reaccin de desfosforacin se favorece con un alto contenido de O en el acero

(desplazamiento de la reaccin (3) hacia la derecha), una escoria bsica (alto contenido de

CaO) y una temperatura relativamente baja [1].

3.3 Horno Cuchara (LF)

Una vez fundida la carga metlica en el EAF, el acero es volcado en la cuchara, donde se

realizan las tareas de refinacin y aleacin del acero. Esta etapa es conocida como Metalurgia

Secundaria y se describir con ms detalle en la seccin 3.6.

La mayor parte de los procesos de metalurgia secundaria se realizan en la unidad llamada

Horno Cuchara. Esta unidad es utilizada para realizar el ajuste final de la composicin. Se

puede ver en la Figura 3-2 las distintas partes del LF. Los electrodos permiten mantener un

control preciso de la temperatura del acero calentndolo segn sea la necesidad. Los tapones

porosos son utilizados para inyectar argn en el metal lquido de modo de agitarlos

mecnicamente, y as homogeneizar composicin y temperatura. Este agitado fomenta tambin

las reacciones metal-escoria. Finalmente la tolva superior permite realizar las adiciones de

aleantes y escorificantes requeridas durante el tratamiento.

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Figura 3-2: Horno Cuchara (Ladle Furnace: LF)

3.4 Desgasif icador al Vaco

Adems del oxgeno, en el acero lquido estn disueltos otros gases, particularmente H y N. El

primero proveniente de la humedad de refractarios, chatarra, aleantes, etc., y el segundo de la

interaccin con la atmsfera [2]. Al solidificar el acero, estos gases disueltos pueden segregar

formando una segunda fase, que origina porosidad en el producto colado afectando

negativamente sus propiedades. Por esta razn, se desarrollaron distintos sistemas de

desgasificacin, que permiten reducir el tenor de estos elementos. El equipo presente en

TenarisTamsa es un Desgasificador al Vaco de Tanque (VD).

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Figura 3-3: Desgasificador al Vaco (VD)

Como muestra la Figura 3-3 la cuchara es colocada dentro de un tanque donde se realiza

vaco, llegando a presiones de unos pocos milibares. El agitado se realiza con flujo de argn a

travs de los tapones porosos localizados en el fondo de la cuchara. Este agitado colabora con

el proceso de desgasificacin.

3.5 Colada Continua

Una vez realizada la metalurgia secundaria, el acero puede ser colado en lingotes o en forma

continua. Para la colada continua se usa un molde abierto en los dos extremos (Ver Figura 3-4)

donde el acero es alimentado continuamente por su extremo superior. Actualmente el mtodo

de colada continua ha reemplazado casi completamente al de colada en lingotes debido a que

presenta muchas ventajas tanto econmicas como de calidad del producto obtenido.

El primer paso en la colada continua consiste en vaciar el acero en el Repartidor (o Tundish)

cuya principal funcin es la de distribuir el acero en las distintas lneas de colada. El acero pasa

a cada lnea a travs de un tubo construido con material refractario (buza). Una vez en el molde

el acero es enfriado, solidificando su capa exterior. Los moldes estn construidos con cobre y

refrigerados con agua que fluye en su interior a alta velocidad [3] para maximizar la

transferencia de calor. A continuacin distintos aspersores proyectan sobre el acero una niebla

de agua que lo enfra an ms logrndose finalmente la solidificacin de este.

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Figura 3-4: Esquema Tundish y Molde (Corte)

3.6 Metalurg ia Secundaria

La metalurgia secundaria fue desarrollada en respuesta a mayores exigencias de calidad en los

aceros. Algunas de las tareas que antiguamente se realizaban en el horno elctrico fueron

desplazadas a la cuchara permitiendo alcanzar ms eficientemente los siguientes objetivos:

Mejorar la desoxidacin

Altos grados de desulfuracin

Controlar la temperatura de colada

Controlar la forma de las inclusiones

Desgasificar al vaco [2][4]

Para cumplir con estos objetivos se han desarrollado distintos procesos de metalurgia

secundaria [5]. En TenarisTamsa el tratamiento se lleva a cabo en el Horno Cuchara (Ladle

Furnace: LF) y el Desgasificador al Vaco (VD), descriptos en los puntos anteriores.

3.6.1 Desoxidacin

Este es el tratamiento ms importante realizado al acero [5]. El objetivo es disminuir el

contenido de O disuelto, ya que este puede provocar porosidad y formar inclusiones durante la

solidificacin. Adems, como se explica en la seccin siguiente, una correcta desoxidacin es

condicin necesaria para lograr una buena desulfuracin del acero.

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En general, el agente desoxidante suele agregarse durante el sangrado del horno

(transferencia del EAF a la cuchara), para as aprovechar la alta turbulencia de esta etapa, que

favorece la mezcla entre el acero y el material agregado. A medida que avanza el proceso

suelen realizarse agregados del agente desoxidante para ajustar la composicin y controlar el

contenido de O disuelto en el acero.

La desoxidacin se logra agregando un elemento con alta afinidad por el oxgeno [2][4]. Esto

significa que la variacin de energa libre de la reaccin de oxidacin de este elemento tiene

que ser menor que la de la reaccin de oxidacin del Fe. Asimismo, este elemento debe ser

compatible con la composicin qumica del acero y ser viable econmicamente. Como puede

verse en el diagrama de Elingham [6](Figura 3-5)hay distintos elementos que pueden usarse

para desoxidar el acero: Mn, Si, Ti, Al, Ca y Mg. De todos estos elementos, el que se utiliza con

mayor frecuencia es el aluminio porque permite obtener bajos niveles de O en el bao(desoxidacin profunda) con buen rendimiento industrial. En este caso la reaccin de

desoxidacin puede plantearse:

3232 OAlOAl =+ (4)

3232

OAl

OAlA

aa

ak

= (5)

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Figura 3-5: Diagrama de Elingham

Puede observarse que el producto en la desoxidacin es almina (Al2O3), cuyo punto de fusines 2100C, por lo que est slida a temperatura de trabajo del acero (1600C). Estos productos

de desoxidacin suelen nuclear sobre partculas de xido presentes en los agentes

desoxidantes y el metal lquido [7].

La desoxidacin es la fuente ms importante de inclusiones, particularmente en los aceros

calmados al aluminio [8]. A medida que el proceso avanza, las inclusiones se aglomeran,

coagulan y flotan a la superficie, debido a que tienen menor densidad que el acero. La

velocidad a las que son removidas las inclusiones depende fundamentalmente de laaglomeracin y coagulacin entre ellas, ambas favorecidas por el agitado con argn. Sin

embargo, no es posible remover todas las inclusiones del acero.

Un aspecto importante de la metalurgia secundaria es definir las condiciones ptimas de

proceso que permitan remover la mayor cantidad de inclusiones o bien modificarlas para

minimizar su efecto nocivo en el proceso y en el producto final.

Las inclusiones no metlicas en el acero suelen ser la causa de fallas en elementos

estructurales. Adems, dependiendo de su forma y dureza afectan la calidad de productos

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laminados de acero. En el caso de aceras con mquinas de colada continua, las inclusiones

no metlicas tambin pueden ser responsables de otro serio problema; cuando estas estn

slidas o semislidas a la temperatura de colada se pegan y aglomeran en las paredes de las

buzas y vlvulas de control de flujo. Esta aglomeracin puede ser tan severa que en algunos

casos se llega a interrumpir el flujo de acero en las buzas de la mquina de colada continua

(nozzle clogging) [2] [9] [10], comprometiendo la productividad. An sin llegar a bloquear

completamente las buzas, si estas aglomeraciones se despegan pueden ser arrastradas por la

corriente de acero lquido al molde de colada continua, provocando problemas de calidad en el

producto final.

3.6.2 Desulfuracin

El S tiene un aspecto muy negativo en las propiedades de los productos de acero. Durante la

solidificacin el S puede conminarse con el Fe dando lugar a la formacin de FeS:

FeSFeS + (6)

Este sulfuro de hierro tiene un bajo punto de fusin (1188 C) por lo que durante la laminacin

en caliente estos precipitados estn lquidos, provocando la generacin de desgarres en el

producto laminado.

Este problema se soluciona agregando Mn al acero, de manera que al solidificar, el S precipite

como MnS. Estas inclusiones tienen un mayor punto de fusin que el FeS por lo que seencuentran slidas durante la laminacin. No obstante, estas partculas son fcilmente

deformables, dando origen a inclusiones alargadas en el producto final. Estas inclusiones

alargadas son responsables de las fracturas inducidas por hidrgeno (HIC) [11][2], tpicas en

productos de acero que trabajan en medios con altos contenidos de cido sulfhdrico (sour

service) [12 13], como por ejemplo algunos pozos de petrleo y gas. Es evidente, entonces, la

importancia de lograr una buena desulfuracin, y este objetivo ha sido uno de los grandes

impulsores del desarrollo de la metalurgia secundaria [2].

Para analizar la termodinmica de la desulfuracin se considerar la siguiente reaccin de

equilibrio entre la escoria y su vapor:

)(21)(21 222

2 gOSOgS ++ SEVG =-RTlnKSEV (7)

21

21

2

2

2

2

2

2

2

2 %

=

=

S

O

O

S

S

O

O

SSEV P

P

a

S

P

P

a

aK

(8)

Siendo:

KSEV: constante de equilibrio de la reaccin (7).PO2: presin parcial del oxgeno.

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PS2: presin parcial del azufre.S2-: coeficiente de actividad del S disuelto en la escoria.%S: porcentaje en peso del S en la escoria.

Dado que no es posible determinar experimentalmente los valores de KSEV, y aO2- [14],

entonces se define la capacidad de sulfuro respecto al equilibrio escoria-vapor, Cs, como

muestra la ecuacin siguiente:

21

2

2

2

2

%

==

S

O

S

OSEV

P

PS

aKCs

(9)

Los valores de %S, PO2, PS2se pueden medir en el laboratorio por lo que se puede determinar

el valor de Cs para distintos composiciones de escoria y temperatura. Usando esta

metodologa se han desarrollado en la literatura distintos modelos para calcular Cs. (ver Anexo

I).

Las ecuaciones (7) y (9) consideran el equilibrio del azufre entre vapor y escoria.

Alternativamente, se puede plantear el equilibrio metal-escoria como muestra la ecuacin (10).

OSOS ++ 22 SMESME KRTG ln= (10)

SO

OSSME

aa

aaK

=

2

2

(11)

Siendo:

aS2-: actividad del in S2-en la escoria

aO: actividad de oxgeno en el aceroaO

2-: actividad del in O2-en la escoriaaS: actividad del azufre en el aceroKSME: constante de equilibrio de la reaccin (10).

De manera similar se puede definir la capacidad de sulfuro respecto al equilibrio metal-escoria

(Cs) como muestra la siguiente ecuacin.

S

O

S

OSME

a

aS

aKCs ==

%'2

2

(12)

Asimismo, se han desarrollado distintos modelos que permiten calcular el valor de Cs en

funcin de la composicin de la escoria y de su temperatura. (Anexo I)

Es importante destacar que los valores de Cs y Cs estn relacionados entre s. Esta relacin

se puede establecer usando las reacciones de equilibrio del O y S entre metal y vapor:

)(21 2 gSS SS KRTG ln= (13)OgO )(21 2 OO KRTG ln= (14)

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Sumando (7), (13) y (14) se obtiene la ecuacin (10) de esta manera se puede obtener la

relacin entre las variaciones de energa libre de Gibbs como muestra (15)

OSSEVSME GGGG ++= (15)

Sabiendo que:

=RT

GK ii exp (16)

Tendremos que (15) se transforma en:

OSSEVSME KKKK lnlnlnln ++= (17)

Reemplazando (9) y (12) en (17) obtenemos la relacin entre Cs y Cs buscada

OS KKCsCs lnlnln'ln ++= (18)

Volviendo a la ecuacin (12) podremos reagrupar los trminos de la siguiente forma:

Sfs

aS

a

aSCs

O

S

O

== %%' (19)

Lsa

fsCs

S

S

O

=

='%

(20)

Siendo:

fs: coeficiente de actividad del S en el aceroLs: particin de azufre

Como se puede ver de (20) obtener una buena desulfuracin en el acero, significa tener Ls lo

ms alto posible. Para lograr esto el valor de Cs debe ser alto, lo que significa una escoria

bsica (Ver Anexo I); y una baja actividad de O en el acero, por lo tanto este debe estar

correctamente desoxidado.

3.6.3 DesgasificacinLa desgasificacin est gobernada principalmente por las siguientes reacciones:

(21)

2

%

)(21 2

N

NP

NK

NgN

=

(22)

(23)

2

%

)(21 2

H

HP

HK

HgH

=

(24)

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Se puede ver en (22) y (24) que, para lograr la eliminacin de los gases disueltos en el acero,

es necesaria una baja presin parcial del gas. Cuanto menor sea la presin parcial del gas

menor ser la concentracin en equilibrio con el lquido. Cuando las burbujas de argn pasan a

travs del acero establecen un gradiente de composicin con los gases disueltos en este

ltimo. De esta manera, los gases disueltos en el acero difunden hacia las burbujas de argn,

que flotan hasta la superficie donde escapan a la atmsfera. El flujo de gas necesario para

remover una cantidad dada de H y N disminuye considerablemente cuando decrece la presin

exterior [4]. Es por esta razn que se usan equipos de vaco para la desgasificacin.

Debido a las bajas presiones durante la desgasificacin, el flujo de argn produce una alta

interaccin en la interfase metal-escoria, fomentando las reacciones entre ambas fases [15]

[16]pudiendo afectar la poblacin inclusionaria tanto en densidad como en composicin.

3.6.4 Tratamiento con Calcio

Como ya se ha mencionado, las inclusiones slidas o semislidas son perjudiciales en las

mquinas de colada continua porque pueden provocar el taponamiento de las buzas. Esto se

puede evitar si las inclusiones estn lquidas a la temperatura de colada [13][17]. Una manera

de lograr este efecto en el caso de los aceros calmados al Al es modificando la composicin

qumica de las inclusiones mediante el agregado calcio. Como se ve en la Figura 3-1,a medida

que se incorpora CaO a las inclusiones de Al2O3la temperatura de fusin decrece, llegando un

punto para el cul las inclusiones son completamente lquidos a la temperatura de colada

(aprox. 1600C).

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Figura 3-6: Diagrama binario Al2O3-CaO

El tratamiento con calcio es normalmente el ltimo proceso de la metalurgia secundaria. Para

agregar el Ca se inyecta al acero lquido un tubo de acero en cuyo interior se encuentra polvo

de CaSi compactado [18]. Aunque hay diversos compuestos que pueden ser usados (AlCaSi,

AlCaFe, CaFe, etc.) el CaSi es el ms comnmente usado por su relacin costo-rendimiento.

[17]

A medida que el tubo ingresa en el acero, el Ca se evapora debido a su alta presin de vapor,

parte de este vapor se disuelve en el acero, y este Ca disuelto es el que modifica las

inclusiones de almina [12][17][19]de acuerdo a la reaccin:

( ) AlxOAlCaOOAlxCax xx +=

+ 32

)(3

21 13232 (25)

Cuando la modificacin permite obtener inclusiones lquidas, estas tendrn mayor facilidad

para coagularse y flotar hacia la superficie [4].

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Por otro lado, el tratamiento con calcio tambin provoca la modificacin de los sulfuros en el

acero. El calcio disuelto en el acero puede reaccionar en forma directa con el S formando CaS

de acuerdo a la siguiente reaccin:

CaSSCa =+ (26)

La formacin de CaS reduce la precipitacin de MnS durante la solidificacin del acero. En

algunos casos especficos (el ya mencionado HIC) esta eliminacin de MnS representa una

ventaja adicional del tratamiento con calcio. Sin embargo, un exceso de Ca puede provocar la

precipitacin de CaS durante el tratamiento en el LF, induciendo el taponamiento de buzas ya

que el CaS est slido a temperatura de colada. [10][9]

Finalmente el S disuelto en el acero puede tambin reaccionar con el Ca presente en las

inclusiones ya modificadas como muestra la reaccin:

( )( )

( ) ( )

( ) ( ) CaSOAlCaO

yx

xSAlOAlCaO

yx

yyyxx +

=++

132132 )(33

23

3

2)(

33

23 (27)

Cuando se produce esta reaccin, los sulfuros forman un halo en la superficie de la inclusin

rodeando el ncleo de xidos. La Figura 3-7 muestra un esquema de la modificacin de las

inclusiones por el tratamiento con calcio.

Figura 3-7: Esquema de modificacin de inclusiones por el tratamiento con Ca. [20]

Pese a todas estas ventajas, el tratamiento con Ca presenta un problema: no son conocidas

exactamente las constantes de equilibrio de sus reacciones en el acero [5][21], haciendo difcil

las predicciones tericas y/o explicar problemas operativos [5][15].

Adems, el Ca tiene un punto de ebullicin de 1484C, que es inferior a la temperatura decolada y una presin de vapor elevada. Por estos motivos, el rendimiento de la adicin de

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calcio, definido como la relacin entre el calcio retenido en el acero y el calcio agregado; es

sumamente bajo, variando entre 10% y 30% [22]. Es importante notar que algunos factores

operativos, como la temperatura del acero, la velocidad de inyeccin del Ca y la reoxidacin

durante el tratamiento [22], modifican el rendimiento de la adicin

3.7 Clasificacin de inclusiones

Las inclusiones se pueden clasificar de distintas maneras, por ejemplo: por su origen, su

composicin o su tamao. Ver Tabla 3-1:

Origen Composicin Tamao

Endgenas xidos Microinclusiones

Exgenas Sulfuros Macroinclusiones

Tabla 3-1: Clasificacin de inclus iones

Por Origen

En los puntos anteriores se menciona la formacin de inclusiones en el acero como resultado

de la desoxidacin y de la precipitacin de sulfuros. Estas inclusiones, que son originadas

internamente en el acero, son conocidas como endgenas.

Adems de las anteriores, tambin estn presentes en el acero inclusiones exgenas. Suelen

tener mayores dimensiones que las inclusiones endgenas y, por lo tanto, son ms

perjudiciales. Las fuentes de las inclusiones exgenasson muy variadas destacndose:

Reoxidacin del acero: producida cuando el acero se pone en contacto con un agente

oxidante, principalmente el aire atmosfrico o una escoria con alto contenido de FeO.

Emulsificacin de la escoria: un agitado muy profundo o baja viscosidad de la escoria

puede provocar que partculas de escoria sean atrapadas en el acero

Desgaste refractarios: los movimientos del acero y las altas temperaturas pueden

provocar que se desprendan pequeas partculas de refractario que pasan al acero.

3.7.1 Por Composicin

Las inclusiones producto de la desoxidacin, modificadas posteriormente, estn compuestas

por distintas fases de un conjunto de xidos. En el caso de aceros calmados al aluminio

tratados con calcio, estos xidos tienen porcentajes variables de Al2O3, CaO y MgO. Estos

porcentajes definen las propiedades de las inclusiones que componen y varan durante el

proceso de elaboracin del acero.

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Ya se mencion que, adems de estos xidos tambin se encuentran presentes en el acero

sulfuros, de Ca y de Mn. Se coment tambin que su grado de nocividad depende de la

aplicacin a la que ser sometido el producto final.

3.7.2 Por Tamao

Finalmente, las inclusiones se pueden clasificar segn su tamao, en macro y

microinclusiones. La frontera que las separa es algo arbitraria y ha venido variando en el

tiempo: disminuyendo a medida que los requerimientos para los aceros son ms exigentes.

Las microinclusiones son las ms abundantes y suelen estar distribuidas uniformemente.

Debido a su menor tamao, son menos nocivas que las macroinclusiones con respecto a las

propiedades del producto final.

Las macroinclusiones pueden originar discontinuidades importantes en el acero actuando como

concentradores de tensiones. Esto las hace responsables de fallas y defectos en los productos

finales. El tamao crtico a partir del cul estas inclusiones afectan las propiedades depende

directamente de la aplicacin del producto final y las solicitaciones a las que va a estar

sometido.

3.8 Resumen

Se ha descrito brevemente el proceso de elaboracin de aceros calmados al aluminio,

desgasificados al vaco y tratados con calcio. Se mostr como el proceso es fuente de

inclusiones no-metlicas que suelen ser perjudiciales tanto para el producto como para el

proceso. Se seala la importancia del control del tamao y composicin de las inclusiones para

obtener aceros de alta calidad y producidos con procesos de alto rendimiento. En los siguientes

captulos se detallar los mtodos experimentales utilizados en este trabajo y los resultados

obtenidos.

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Constantino Espinosa Tcnicas Experimentales 10/03/05

4 Tcnicas Experimentales4.1 Seguimiento de las coladas y toma de muestras

Se analizaron cuatro coladas de aceros de medio carbono con Cr y Mo, microaleados con Nb,

B y Ti (Ver Anexo II) producidos en Tenaris Tamsa. Estas coladas fueron fundidas en horno

elctrico, tratadas en el horno cuchara, desgasificadas al vaco y tratadas con calcio. Para el

estudio de las inclusiones presentes en el acero, se obtuvieron probetas de cuatro momentos

distintos del proceso utilizando muestreadores estndar.

4.1.1 Muestreadores y Probetas

Las muestras de acero fueron tomadas con muestreadores como el mostrado en la Figura 4-1

que son similares a los utilizados en procedimientos de rutina. Se puede ver que el molde,

donde se enfra la muestra, est dentro de un tubo de cartn prensado. Este molde est

conectado al exterior a travs de un tubo de cermico, que es por donde ingresa el acero a

muestrear. Este tubo est embebido dentro de un aglomerado cermico que est pegado a las

paredes del tubo de cartn y sobresale. El extremo del tubo cermico est protegido por un

capuchn de chapa de acero. Asimismo, toda la punta del conjunto est protegida por otro

capuchn de chapa de acero. Estos capuchones permiten al muestreador entrar en la colada

sin atrapar escoria dentro del molde.

Figura 4-1: Muestreador Completo-Corte

El muestreador es introducido verticalmente dentro de la cuchara mediante un dispositivoautomtico que garantiza velocidad y profundidad constantes para todas las muestras. Primero,

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el muestreador atraviesa la escoria que es impedida de ingresar al molde por el capuchn

protector. Una vez dentro del acero el capuchn se funde y el molde se llena de acero debido a

la accin de la presin ferroesttica. Instantes despus el muestreador es retirado de la

cuchara, se remueve el molde y se extrae la probeta. Se debe destacar que, en los

procedimientos de rutina dentro del molde hay una pequea chapa de Zr, que es utilizada para

calmar el acero al entrar al molde. En nuestro seguimiento esta chapa fue retirada para evitar la

interaccin del Zr con las inclusiones.

Hay distintos tipos de probeta, las usadas en este caso tienen la forma mostrada en la Figura

4-2.Su forma y tamao permiten el enfriamiento rpido del acero. Por lo tanto, las inclusiones

tienen composiciones y tamaos similares a las del acero lquido.

25

35

4

12 Medidas en mm

Figura 4-2: Probeta-Vistas

4.1.2 Toma de muestras

Con el propsito de seguir la evolucin de la densidad y composicin de las inclusiones durante

el proceso de elaboracin del acero se tomaron muestras de acero lquido en cuatro coladas.

Las muestras fueron extradas en puntos caractersticos del proceso: al inicio del tratamiento

en el LF, antes y despus del VD, y en el Tundish de la mquina de colada continua. As

tambin, se tomaron muestras de escoria en distintos puntos del proceso (ver Figura 4-3).

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Ingresa LF

1-LF AVD DVD

SiCa

Tundish

Sale LFVD

Tiempo

Vaciado

Acero

Escoria

M1 M4 M6 M9

ColadaDesgasificador al

Vaco

Horno Cuchara (LF)Vaciado

Figura 4-3: Esquema de muestreo realizado

Como se mencion previamente, las muestras fueron obtenidas usando un dispositivo

automtico, el cual permite asegurar repetitividad en los resultados. [23]

4.1.3 Preparacin y Pulido

Una vez obtenidas las muestras en las distintas partes del proceso las probetas fueron

preparadas para su observacin. Como primer paso se rectificaron ambas caras de la probeta

de modo de obtener dos superficies planas paralelas. Una vez rectificada la muestra, una de

las superficies fue pulida a espejo. Usando lijas de distinta granulometra desde la ms gruesa

(300) hasta la ms fina (1200). El pulido final fue realizado con pasta de diamante en un pao

hasta alcanzar una superficie especular.

4.2 Microscopio Electrnico de Barrido (SEM)Para la caracterizacin de las inclusiones se utiliz un microscopio electrnico de barrido

(SEM) disponible en el CINI. El SEM, modelo Philips XL-30, est equipado con un

espectrmetro de energa dispersa (EDS) permitiendo realizar anlisis qumicos sobre las

inclusiones. La alta resolucin en este equipo permite observar inclusiones con dimetros de

hasta 1-2 micrones.

En el SEM las imgenes son formadas por la recoleccin y amplificacin de electrones que

rebotan o son emitidos por la superficie de la muestra cuando esta es barrida por un haz deelectrones de alta energa. La imagen formada es una ampliacin de cierto detalle de la

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muestra, tal como lo hara un microscopio ptico. La diferencia radica, sin embargo, en la gran

resolucin y la gran profundidad de campo que se puede alcanzar con el SEM.

En la Figura 4-4 se muestra un esquema de las principales partes de un SEM con un EDS

conectado. Las partes que lo componen son las siguientes:

1. Generador de electrones: aqu se produce el haz y es el encargado de darles energa

de hasta unos 50kV.

2. Lentes electromagnticos: enfocan el haz.

3. Sistema de barrido: permite al haz recorrer todo el campo.

4. Portamuestras: permite posicionar la muestra en largo, ancho y profundidad, tambin

permite girarla y rotarla.

5. Detector de Electrones.

6. Circuitos de control: circuitos electrnicos para el control de la energa de los electrones,

el barrido del haz, la amplificacin y digitalizacin de la seal.

7. Computadora: hace de interfaz entre el SEM y el usuario.

8. Cmara de alto vaco.

Figura 4-4: Microscopio electrnico de barrido (SEM) con espectrmetro de energa

dispersa (EDS).

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4.2.1 Interacciones Electrn-Muestra

Hay dos tipos de interacciones cuando los electrones entran a la muestra:

Dispersin Elstica: Cambia la trayectoria de los electrones dentro de la muestra sin

prdida de energa. Gracias a estas interacciones tenemos la seal de los electrones deretrodispersin (backscattering electrons BSE) que salen por la superficie de la muestra

despus de haber tenido varios eventos de dispersin elsticos.

Dispersin Inelstica: Estos eventos son de varios tipos, e implican una transferencia de

energa de los electrones incidentes hacia los electrones de la muestra. Esta

transferencia lleva a la formacin de electrones secundarios (SE), electrones de Auger,

Rayos-X caractersticos y bremsstrahlung (continuos o de frenado) y otras seales.

El SEM tiene dos modos de observacin, uno muestra la seal producida por los electrones

secundarios y el otro la seal producida por los BSE. La seal producida por los electrones

secundarios es mucho ms sensible a los cambios topogrficos que a los cambios de

composicin en una muestra. En cambio, la seal de BSE es mucho ms sensible a los

cambios de composicin y es poco sensible respecto a los cambios topogrficos. Por esta

razn se usa la seal de BSE para examinar la muestra. En este modo de observacin las

inclusiones se ven como zonas oscuras en una matriz clara debido a que su composicin es

muy distinta, como muestra la Figura 4-5.

Figura 4-5: Micrografa de una inclusin en el SEM.

4.2.1.1 Volumen de interaccin

Existe un lmite en la resolucin que puede obtenerse con un SEM, dicho lmite no est

impuesto por el instrumento en s, sino por las interacciones entre el haz de electrones y la

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muestra. Aunque se puede tener mucho control sobre el haz de electrones incidentes esto ya

no es posible una vez que dicho haz entra en la muestra. Dentro de la muestra los electrones

interactan con un volumen del material (Ver Figura 4-6). Este volumen de interaccin es el

que limita la resolucin del microscopio.

Figura 4-6: Volumen de interaccin

El volumen de interaccin est determinado, en gran medida, por la energa del haz de

electrones y por el nmero atmico de la muestra. El volumen ser mayor a mayor energa del

haz, y menor con una muestra de mayor nmero atmico. Por ejemplo para electrones con 15

keV, el volumen puede tener un radio equivalente tan grande como 0.25 m en oro o 1.5 m

en aluminio [24].

4.2.2 Anlisis EDS

Como ya se mencion, cuando los electrones entran a la muestra, algunos de ellos, son

frenados emitiendo fotones con longitudes de onda de Rayos-X. Estos fotones son de dos

tipos: los caractersticos y los de frenado o bremsstrahlung. Los primeros son emitidos cuando

un electrn de las capas K, L, M es eyectado fuera del tomo de la muestra. Entonces un

electrn de las capas de mayor energa desciende a la posicin del electrn eyectado. Para

hacerlo, emite energa en forma de fotones. Siendo los niveles energticos de cada capa

nicos y caractersticos de cada tomo, el fotn emitido tiene una energa nica y

caracterstica; y por lo tanto, una longitud de onda propia. Este principio es el que permite

realizar un anlisis qumico semi-cuantitativo, o al menos, cualitativo de pequesimos

volmenes.

Parte de la energa de los Rayos-X emitidos es absorbida a medida que estos atraviesan la

muestra. A veces algunos electrones de la muestra absorben suficiente de esta energa como

para ser eyectados fuera de sus tomos. La energa de los Rayos-X tambin disminuye por

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dispersin a travs de la matriz. Cada matriz absorber en forma distinta los Rayos-X

producidos. Entonces, este efecto deber ser considerado cuando se haga un anlisis semi-

cuantitativo.

Una consecuencia de la eyeccin de electrones durante la absorcin de los Rayos-X es lafluorescencia. Esto implica que cuando ese electrn eyectado es reemplazado por otro de una

capa externa se tendr otra emisin adicional de Rayos-X. Los Rayos-X emitidos por

interaccin directa del haz con la muestra son conocidos como de radiacin primaria; y los

emitidos por la interaccin de los Rayos-X de radiacin primaria con la muestra son conocidos

como de radiacin secundaria. Esta ltima tendr una longitud de onda distinta de la primera.

La fluorescencia afectar indudablemente la emisin final de Rayos-X. Cuando los elementos

que se encuentran en una muestra tienen energas de ionizacin muy parecidas como por

ejemplo, los elementos de transicin Mn, Fe, Ni nuestro espectro se ver ms afectado. Estotambin deber ser tomado en cuenta cuando queramos hacer un anlisis semi-cuantitativo.

El EDS est compuesto por un semiconductor y un analizador multicanal. Cuando los fotones

de Rayos-X (fotones X) inciden en el semiconductor se producen pares electrn-hueco,

proporcionales a la energa del fotn. Estos pares electrn-hueco se traducen luego en un

pulso de corriente.

El analizador multicanal, est a su vez compuesto por un amplificador, un convertidor

analgico-digital y una memoria. El analizador multicanal discrima los pulsos de corriente en

distintos canales de acuerdo a su energa. A medida que pasa el tiempo, el analizador cuenta

los pulsos correspondientes a cada canal y almacena esta informacin en la memoria. La

informacin es desplegada luego como un espectro de Rayos-X, Cantidad de pulsos vs.

Energa del fotn X, como se ve en la Figura 4-7.

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Figura 4-7: Espectro obtenido sobre una inclusin con el EDS

4.3 Anlis is semi-cuantitativo

Como hemos visto, el haz de electrones al interactuar con la muestra emite Rayos-Xcaractersticos que permiten conocer los elementos presentes en una muestra (anlisis

cualitativo). Pero tambin es posible hacer un anlisis semi-cuantitativo si se corrigen los

efectos que el nmero atmico, la absorcin y la fluorescencia producen sobre el espectro.

Para hacer el anlisis semi-cuantitativo primero habr que remover la seal continua, formada

cuando los electrones son frenados, del espectro obtenido con el EDS. El resultado es un

espectro que contiene las seales caractersticas nicamente, cuyos picos corresponden a

energas determinadas. En 1951 Castaing propuso la existencia de una relacin directa entre laintensidad de los picos y los porcentajes en masa de los elementos. Este enfoque es ms o

menos correcto si la fluorescencia y la absorcin no son significativas. Sin embargo, cuando

estos fenmenos dejan de ser insignificantes los errores cometidos son inaceptables. El equipo

utilizado en este estudio contiene un software que hace las correcciones necesarias para

contrarrestar la influencia de la absorcin, fluorescencia y peso atmico; permitiendo conocer la

composicin qumica de una muestra con mucha precisin. La tcnica de correccin utilizada

fue ZAF sin estndar. Para ms detalles se puede consultar la referencia [25].

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4.4 Procesamiento de informacin

4.4.1 Analizador automtico de partculas

El SEM tiene un software que permite realizar anlisis de imgenes. Por medio de este sistema

se puede identificar segundas fases precipitadas en la matriz, lo que lo hace ideal paraidentificar inclusiones. Adems, el portamuestras motorizado permite barrer una superficie

amplia de la muestra en forma automtica.

Para el procesamiento de una muestra se establece primero el aumento con que se va a

trabajar y se determina el rea a examinar. El software convierte dicha rea en una matriz de

campos. A continuacin, se digitaliza un campo y el software despliega un histograma de

grises. Se selecciona el rango correspondiente a la fase a analizar. En nuestro caso, las

inclusiones aparecen ms oscuras que la matriz, por lo que selecciona esta parte del espectro,ver Figura 4-8.

Campodigitalizado Posibles

inclusiones

Gama de griseselegida Histograma

Figura 4-8: Ventana de programa para anlisis automtico de partculas

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En el caso que los puntos elegidos en el histograma sean contiguos, el programa los une para

formar un rea. Esta rea representa una partcula, con un dimetro equivalente que puede ir

desde los pocos micrones hasta varias decenas de micrones.

Una vez que se han establecido las distintas partculas, el software, apunta el haz hacia cadauna de ellas. Una vez sobre la partcula, el haz permanece un tiempo prefijado (15 segundos

en nuestro caso) registrando su espectro. Cuando se han analizado todas las posibles

inclusiones del campo, el portamuestras se mueve hasta el siguiente campo donde se repite el

proceso.

El programa convierte el espectro de cada posible inclusin en una relacin de porcentajes en

peso de elementos. Los elementos se eligen en funcin de la informacin disponible sobre la

composicin de las posibles inclusiones. El resultado es un archivo de texto con registros quecontienen campos que detallan la composicin y la geometra de las partculas. Los campos

usados en el presente estudio se detallan en la Tabla 4-1:

Campo DescripcinAvgDiam Dimetro equivalente,

es igual a AreaMg % en peso de MgAl % en peso de AlSi % en peso de SiZr % en peso de Zr

S % en peso de SCa % en peso de CaTi % en peso de TiMn % en peso de MnFe % en peso de Fe

Tabla 4-1: Campos del analizador automtico de partculas.

El archivo generado nos da las composiciones de todas las partculas en la gama de grises que

hemos especificado. A pesar del extremo cuidado en la preparacin y manipulacin de las

muestras, existe siempre la posibilidad de obtener registros de partculas que no son

inclusiones (por ejemplo, la presencia de poros). Por lo tanto, para este tipo de anlisis es

imperativo desarrollar un mtodo que permita separar estos registros de los correspondientes a

las inclusiones, que son nuestro objeto de investigacin.

4.4.2 Filtrado y Clasificacin

Como se explica en el punto anterior, es necesario establecer un criterio que nos permita

eliminar del archivo de salida del SEM/EDS los registros correspondientes a poros,

incrustaciones y contaminacin de manera de quedarnos solamente con los correspondientes ainclusiones verdaderas.

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La diferencia de composiciones y de tamaos de las partculas encontradas, permiten fijar

criterios para filtrar la informacin. A continuacin se presentan los criterios usados para

identificar los distintos tipos de registros que no corresponden propiamente a inclusiones.

Poros y manchas (Tipo: Ag)

Si una partcula presenta un alto contenido de Fe significa que este punto tiene

composicin muy similar a la de matriz. Esto puede deberse a varios motivos.

La partcula es en realidad un poro o un agujero en la muestra. Estos poros

pueden originarse por la contraccin propia del metal al enfriarse, o por la

presencia de gases disueltos en el acero. Tambin la presencia de humedad en

el muestreador puede originar poros. Finalmente, los poros pueden corresponder

a inclusiones arrancadas de su lugar durante el pulido. Si bien en este caso la

partcula debera considerarse en el conteo es muy difcil determinar si

previamente haba una inclusin. Todos estos registros tienen un enorme

porcentaje en peso de Fe, porque el haz interacta mayormente con la matriz.

Presencia de xido y manchas de grasa. Este tipo de impurezas suele tener en

su composicin O y C, que, al no ser cuantificados en nuestro anlisis dan como

resultado registros con porcentajes muy altos de Fe.

El criterio adoptado en este caso fue el de eliminar los registros con %Fe>80 y aquelloscon dimetros mayores a 9 m y %Fe>70. Es importante mencionar que, algunos de

estos registros con Fe>80% pueden corresponder a inclusiones. Sin embargo con un

porcentaje tan alto de Fe los tenores del resto de elementos presentan muchos errores

y son poco representativos.

Este criterio es el que ms registros remueve. En algunos casos puede llegar a eliminar

hasta un 60% de los registros originales.

Abrasivos (Tipo Abr)

Durante el pulido de las probetas inevitablemente se incrustan granos de abrasivo en

las muestras.

Estas incrustaciones pueden ser confundidas con las inclusiones presentes en el acero

por que es necesario desarrollar criterios que permitan identificar este tipo de partculas.

Los anlisis realizados en las lijas usadas para preparar las probetas permitieron

determinar la presencia de dos tipos diferentes de abrasivos: uno con granos de Al2O3ySIC y otro con granos exclusivamente de SiC.

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Dado que las probetas tomadas al inicio del proceso (1LF) las inclusiones son

mayoritariamente de Al2O3(ver seccin3.6.1), se decidi utilizar el abrasivo del segundo

tipo para preparar estas muestras. En el resto de las probetas se usaron indistintamente

ambos tipos de abrasivos.

Con estas consideraciones, las partculas que presentan un elevado contenido de Si y

Al son consideradas incrustaciones de abrasivo. La proporcin de estos elementos

puede variar con el tamao de las partculas, debido a que el haz de electrones

interacta, en menor o mayor medida, con la matriz metlica. Por esta razn, tendremos

tres condiciones que consideran a un registro como provenientes de incrustaciones de

SiC. Por esta razn en los criterios desarrollados para filtrar estas partculas se

considera el contenido del elemento presente en el abrasivo y el porcentaje de Fe

(proveniente de la matriz) ver Tabla 4-2.

Los criterios fueron ajustados realizando corridas automticas y verificando

posteriormente en cada una si las partculas eran efectivamente incrustaciones. Esto se

pone en evidencia por la forma angulosa de las partculas, en algunos casos seguido de

una huella en la matriz como se observa en la Figura 4-9.

Figura 4-9: Incrustacin vista en el SEM.

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Nitruros de Titanio (tipo NTi)

Estas inclusiones no son importantes en nuestro estudio, porque nuestro objetivo es

estudiar la evolucin de las inclusiones provenientes de la desoxidacin, por lo cual se

eliminan los registros con Ti>5%.

Contaminacin ambiente (Tipo Cnt)

A partir de inspecciones realizadas sobre las probetas con el SEM/EDS se ha

observado que estas suelen estar contaminadas con partculas provenientes del

ambiente. Se ha podido establecer que muchas de estas partculas tienen en su

composicin contenidos de Ca mucho mayores a los contenidos de Al, a diferencia de

las inclusiones endgenas donde la relacin es inversa. Por lo tanto, se ha establecido

como criterio %Ca>20 y %Al


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Inclusiones con Zr

Durante el anlisis de las probetas realizado en el presente estudio se detectaron

inclusiones con alto contenido de Zr. Dado que este tipo de inclusiones no provienen de

la desoxidacin de acero, fueron separados para un anlisis posterior, (Ver seccin5.3.2 ).

Todos los criterios mencionados se resumen en la siguiente tabla

CriteriosTipo Diam Mg Al Si Zr S Ca Ti Mn FeAr >5 Ag >80Ag >9 >70NTi >5Cnt 20Abr >30Abr >10 >70Abr 20 >50Abr 40 9 10 5 >5 5 >70Reox >7 >8 60Reox >10 >8 >7 >50Reox 10 >10 >10

Tabla 4-2: Criterios de filt rado

4.4.3 Conversin a xidos y Sulfuros

En general, las inclusiones analizadas en las muestras son del tipo mixtas es decir estn

compuestas por xidos y sulfuros. A modo de ejemplo, la Figura 4-10 muestra un mapeo de

composicin de una inclusin tpica.

Para cada elemento considerado, los puntos de colores indican la presencia de este elemento.

Puede observarse que el Mg, Al y Ca coinciden en la presencia de oxgeno, indicando que esta

parte de la inclusin es un xido, indicando que esta parte de la inclusin es un xido complejo

formado por Al2O3-CaO-MgO. En otra zona de la inclusin se observa coincidencia de Ca y S,

sealando que esta parte es un sulfuro de calcio.

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Al Ca

Mg S

O Mn

Figura 4-10: Mapeo inclus in mixta

Por lo tanto, para poder procesar la informacin obtenida en el anlisis realizado por el EDS en

cada inclusin es necesario convertir la composicin elemental en xidos y sulfuros. El

procedimiento contempla las siguientes etapas:

1. Se separan los porcentajes de Mg, Al, S, Ca y Mn, y se los normaliza llevando la suma deellos al 100%. Usando la siguiente frmula:

=

MnCaSAlMg

ii Inicial

InicialNorm

,,,,%

%100% (28)

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2. Se evala la presencia de MnS. Dado que el Mn normalmente no est formando xidos, sesupone que el mismo est formando MnS. La cantidad de S involucrada vale:

55

32%)( =

MnNormMnSS

(29)

Si la cantidad de S calculada excede al valor medido se supone que todo el S est

formando MnS:

SNormMnSS %)( = (30)

El Mn presente en la inclusin se recalcula haciendo:

32

55%)( = SNormMnSMn (31)

El exceso de Mn medido puede deberse a la interaccin del anlisis EDS con la matriz

metlica o a la presencia de sulfuros no estequiomtricos.

3. En el caso que quede S remanente se considera que reacciona con el Ca para formar CaS,de acuerdo a la relacin:

( )32

40)(%)( = MnSSNormCaSCa S (32)

)(%)( MnSSNormCaSS S= (33)

El Ca que no reacciona con el S forma CaO

( )40

56)(%)( = CaSCaNormCaOCa Ca (34)

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4. La siguiente etapa consiste en normalizar los porcentajes de los xidos (MgO, Al2O3, CaO)y los sulfuros (CaS y MnS). Para esto primero se debe calcular el peso a partir de lacomposicin normalizada de los elementos Mg, Al, S, Ca y Mn, como muestra la siguientefrmula:

( )

32

87)(

40

72)(

40

56)(%

24

40%

54

102%

++

+++=

MnSSCaSCa

CaSCaNormNormNormPtotal CaMgAl (35)

Con este resultado se puede calcular los porcentajes de cada xido y sulfuro normalizado

siguiendo las siguientes frmulas:

10054102%

% 32

=Ptotal

NormOAl

Al

(36)

10024

40%

%

=Ptotal

NormMgO

Mg

(37)

( )10040

56)(%

%

=Ptotal

CaSCaNormCaO

Ca

(38)

( ) 1004072

)(% =PtotalCaSCaCaS (39)

( )10032

87)(

%

=Ptotal

MnSSMnS

(40)

5. Finalmente tendremos que normalizar el grupo de tres xidos (MgO, Al2O3, CaO)descontando el Ca que se convirti en sulfuro. as:

MgOCaOOAl

OAlOAl T

%%%

100%%

32

3232 ++

= (41)

MgOCaOOAl

CaOCaOT

%%%

100%%

32 ++

= (42)

MgOCaOOAl

MgOMgOT

%%%

100%%

32 ++

= (43)

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De esta manera es posible representar la composicin de los xidos en un diagrama ternario

Al2O3-CaO-MgO

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Constantino Espinosa Resultados Y Discusin 10/03/05

5 Resultados y Discusin5.1 Cantidad y distribucin de tamao de las inclusiones

Las distintas probetas, tomadas a lo largo del proceso (Figura 4-3), fueron preparadas y

analizadas como se indic en el captulo anterior.

La composicin qumica de las muestras obtenidas se detalla en el ANEXO II. Una vez filtradas

y analizadas la informacin de las partculas encontradas en cada probeta se procedi a

evaluar la cantidad, tamao y composicin de las inclusiones.

La Tabla 5-1 presenta el rea total inspeccionada en cada muestra y la densidad de inclusiones

resultante, la cual se muestra tambin en la Figura 5-1. En este caso no se incluyeron lasmuestras tomadas en el Tundish (CC) porque, al ser menor la temperatura del proceso, las

mediciones no son totalmente comparables con las tomadas en la cuchara, debido a la

precipitacin de inclusiones de sulfuro que afectan las mediciones de densidad.

Se puede observar en todas las coladas una tendencia similar. A medida que avanza el

proceso, la densidad de inclusiones disminuye. Adems, en todas las coladas se observa que

la disminucin en la densidad es ms pronunciada durante el tratamiento de VD.

Colada Muestra Nmerocampos rea obs.(mm2) Cantidadinclusiones Frec. inc.(1/mm2)A-1 1-LF 520 148.71 423 2.84A-1 AVD 558 159.57 194 1.22A-1 DVD 242 69.21 45 0.65A-2 1-LF 520 148.71 378 2.54A-2 AVD 558 159.57 297 1.86A-2 DVD 232 66.35 43 0.64B-1 1-LF 480 137.27 459 3.34B-1 AVD 473 135.27 538 3.98B-1 DVD 540 154.43 322 2.09

B-2 1-LF 356 101.81 432 4.24B-2 AVD 438 125.26 531 4.24B-2 DVD 528 150.99 446 2.95

Tabla 5-1 Cantidad total de inclusiones en las dis tintas coladas analizadas

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43/82


1-LF AVD DVD0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

5.5

Densidaddeinclusiones(1/m

m2)

Muestra

A1A2B1B2

Figura 5-1: Evolucin de la densidad de inclusiones para las dis tintas coladas analizadas

Esta disminucin puede explicarse por el mecanismo de remocin de inclusiones tratado en la

seccin 3.6.1. A medida que avanza el proceso las inclusiones se aglomeran y coagulan,

aumentando su tamao y flotando con ms facilidad. Como se mencion, este mecanismo es

favorecido por el agitado con Ar que es ms profundo durante el vaco.

La disminucin en la densidad de inclusiones durante el proceso en el LF guarda relacin conlo observado en otras plantas del grupo. [26 27 28] Asimismo, en la literatura se reporta

tambin que durante el proceso de LF hay una disminucin de la densidad de inclusiones [29

30]y esta remocin se acenta durante el tratamiento de VD. [30]

Sin embargo, se puede observar que hay una mayor densidad de inclusiones en las coladas B1

y B2. El anlisis de las variables de proceso involucradas muestra que la nica diferencia

significativa en estas coladas es que el perodo con agitado profundo de Ar (definido como el

tiempo donde el caudal supera los 40 m3

/h) es superior al de las otras coladas (Ver Tabla 5-2).Se ha mostrado en la literatura que [29], si bien el agitado con Ar favorece la remocin de

inclusiones, un valor excesivo puede revertir el efecto, al aumentar el agitado se puede

favorecer la reoxidacin del acero y la emulsificacin de la escoria.

Colada Tiempo (min.)Con Q > 40 Nm3/h

A1 20.5A2 15.0B1 23.5

B2 24.0Tabla 5-2: Tiempos de Agitado Profundo

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Una forma de evaluar el nivel de reoxidacin producido en la colada as analizando la cantidad

de aluminio consumido durante el proceso. Dado que el Al es un desoxidante fuerte, al entrar

en contacto el acero lquido con fuentes de reoxidacin (Ej. aire atmosfrico) se forman

inclusiones con Al2O3, algunas de las cuales son retenidas en la escoria. Una cada apreciable

del contenido de Al puede entonces asociarse a una reoxidacin importante del acero.

Para evaluar el consumo de aluminio en las coladas analizadas se utiliz la siguiente

expresin:

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

( )tonWkgAltonWAltonWAl

tonAlkgCAce

AdicionadoAcei

Acei

Al

+=

+ 10%10% 1 (44)

Siendo:

Ali: contenido de aluminio al inicio del LF

Ali+1: contenido de aluminio a la salida del LF

Aladicionado: total de aluminio agregado durante el proceso en el LF

Wace: cantidad de acero en la cuchara.

Los resultados se muestran en la Figura 5-2donde se puede apreciar que las dos coladas con

mayor densidad de inclusiones tienen un consumo de Al ms elevado, lo cul implicara que en

estas coladas hubo una mayor reoxidacin.

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45/82


0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

A1 A2 B1 B2

Colada

ConsumodeAl(kg

/ton)

Figura 5-2: Consumo de aluminio en el LF.

Cuando se analiza la distribucin de tamaos de las inclusiones se puede observar una

tendencia similar en todas las coladas (ver Figura 5-3)El mayor aporte a la densidad lo hacen

las inclusiones ms pequeas (


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3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 160.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

Colada B1

Frecuencia(1

/mm2)

Dimetro (m)

ILFAVDDVD

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 160.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

Colada B2

ILFAVDDVD

Frecuencia(1

/mm2)

Dimetro (m)

Figura 5-3: Distribucin de tamao de las inclusiones en las distintas coladas analizadas

La evolucin del tamao medio de las inclusiones se muestra en la Figura 5-4. Puede

observarse que, en todas las coladas analizadas, el tamao crece ligeramente al avanzar el

proceso, lo que puede deberse al fenmeno de aglomeracin durante el tratamiento en la

cuchara.

A1 A2 B1 B20

1

2

3

4

5

6

7d < 15 um

Dimetromedio(um

)

Coladas

1-LFAV DDV D

Figura 5-4: Tamao medio de las inclusiones en las dis tintas muestras analizadas

5.2 Modificacin de la composic in de las inclusiones

Como se mencion en captulos anteriores, las inclusiones estn formadas por xidos y

sulfuros. Sin embargo, hasta la muestra DVD las inclusiones estn compuestas prcticamente

por tres xidos: CaO-Al2O3-MgO. Como se mencion en el punto anterior, en la muestra de

Tundish (CC) los sulfuros adquieren importancia, aunque para evaluar el efecto del tratamiento

es preciso analizar la evolucin de los xidos. El efecto de los sulfuros se tiene en cuenta alcalcular la fraccin slida de las inclusiones, ms adelante. (Ver seccin 5.2.1)

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La Tabla 5-3 muestra las distintas composiciones medias de las inclusiones a lo largo del

tratamiento para cada una de las muestras analizadas. Asimismo, se muestra en la Figura 5-5

la evolucin de la composicin promedio en diagramas ternarios CaO-Al2O3-MgO en cada una

de las coladas estudiadas. En el Anexo III se puede observar en detalle las composiciones de

las inclusiones en cada una de las probetas.

Colada Muestra Composicin (% peso)MgO Al2O3 CaO

A-1 1-LF 7.72 91.15 1.14A-1 AVD 27.95 71.02 1.03A-1 DVD 8.74 48.36 42.90A-1 CC 14.20 51.83 33.96A-2 1-LF 3.11 96.17 0.72A-2 AVD 30.33 64.34 5.33A-2 DVD 13.59 49.93 36.48

A-2 CC 8.58 59.20 32.22B-1 1-LF 10.14 88.81 1.06B-1 AVD 17.05 67.03 15.92B-1 DVD 12.48 56.84 30.69B-1 CC 11.99 48.09 39.93B-2 1-LF 4.49 94.81 0.70B-2 AVD 17.71 70.66 11.64B-2 DVD 9.81 61.38 28.82B-2 CC 18.73 55.76 25.51

Tabla 5-3: Composicin promedio de las inclus iones en las co ladas analizadas

INLFAV DDV DCC

Colada A1

80

80

60

60 40

40

20

20

80604020

Al2O

3

MgOCaO

INLFAV DDV DCC

Colada A2

80

80

60

60 40

40

20

20

80604020

Al2O

3

Mg OCa O

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INLFAV DDV DCC

Colada B1

80

80

60

60 40

40

20

20

80604020

Al2O

3

MgOCaO

INLFAV DDV DCC

Colada B2

80

80

60

60 40

40

20

20

80604020

Al2O

3

Mg OCa O

Figura 5-5: Evolucin de la composicin de inclus iones en las co ladas analizadas.

Como ya se ha visto en otras ocasiones [27 28 31], en aceros calmados al aluminio las

inclusiones observadas en la muestra 1LF estn compuestas casi exclusivamente por Al2O3.

En la siguiente muestra (AVD) se puede observar un incremento en el contenido de MgO,

debido a la interaccin del acero con los refractarios. [32] de acuerdo a la siguientes

reacciones:

OMgMgO += (45)AlOAlMgOsOAlMg 3/2.)(3/4 3232 +=+ (46)

En el primer grupo de coladas (A1 y A2) esta incorporacin lleva la composicin de las

inclusiones hacia la regin de las espinelas (Ver Figura 5-7). Esto implica que las inclusiones

formadas en la desoxidacin estn slidas a temperatura de colada haciendo necesario el

tratamiento con calcio.

En cambio, en las coladas B1 y B2 puede observarse adems un enriquecimiento del

contenido de CaO. El agitado ms profundo en estas coladas favorece la interaccin de laescoria con el acero, de tal manera que parte de Ca de la escoria es incorporado en el acero.

En la literatura se ha observado que fuertes interacciones metal-escoria enriquecen las

inclusiones en CaO. [30 33]

Esta interaccin metal-escoria es an ms profunda durante el tratamiento de vaco, y como

puede observarse las inclusiones se enriquecen apreciablemente en CaO (Figura 5-6). Este

aumento en el contenido de CaO se ve reflejado en una disminucin del contenido de CaO en

las escorias durante el tratamiento en el VD. (Tabla 5-10)Esta disminucin tambin se observa

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al analizar las escorias de un nmero mayor de coladas disponibles en una base de datos.

(Tabla 5-11)

Coladas A1-A2

Coladas B1-B280

80

60

60 40

40

20

20

80604020

Al2O3

MgOCaO

Figura 5-6: Evolucin de la composicin de las inclusiones en las coladas analizadas.

5.2.1 Fraccin Slida

Una forma de describir la tendencia que tienen las inclusiones a adherirse a las paredes de labuza generando taponamientos (clogging) es considerando la fraccin slida. Como muestra la

Figura 5-7,a la temperatura de colada (aprox. 1600C) las inclusiones formadas por xidos

tienen un porcentaje en estado slido.

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Figura 5-7: Diagrama ternario Al2O3-MgO-CaO

Si a esta fraccin se suma el aporte de los sulfuros de calcio (que son slidos a la temperatura

de proceso), se puede determinar la fraccin slida total de las inclusiones de acuerdo a la

siguiente expresin:

SulfFSOxFS oxinc %% += (47)

Donde:

FSinc: Fraccin slida de la inclusin.%Ox: Porcentaje de xidos de la inclusin.FSox: Fraccin slida de los xidos.%Sulf: Porcentaje de CaS en la inclusin.

Durante la ejecucin de esta tesis se desarroll un programa de clculo que permite estimar la

fraccin slida de los xidos (FSinc) en el sistema ternario MgO-Al2O3-CaO.

Aplicando esta metodologa se calcul la fraccin slida de todas las inclusiones analizadas en

cada probeta. La Figura 5-8 muestra los valores promedio encontrados en cada caso.

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Figura 5-8: Evolucin de la fraccin slida en las coladas analizadas.

Se puede ver que la evolucin de la fraccin slida coincide con lo observado en el punto

anterior. En la muestra 1LF la fraccin slida es muy alta para todas las coladas ya que las

inclusiones estn formadas casi exclusivamente por almina. En la muestra de AVD se vuelve

a apreciar las diferencias entre las coladas A1, A2 y las coladas B1, B2. Las ltimas tienenfraccin slida ms baja que las primeras debido a que poseen un mayor porcentaje de CaO

(Ver Figura 5-5), que como se ha visto disminuye el punto de fusin de las inclusiones de

almina. Entre la muestra de AVD y DVD todas las coladas experimentan una disminucin

drstica en la fraccin slida de sus inclusiones, esto se relaciona con las fuertes interacciones

metal-escoria que enriquecieron las inclusiones en CaO. Por ltimo, en las muestras de CC se

observa un aumento de la fraccin slida sin un cambio significativo en la composicin de los

xidos. (Ver Figura 5-5)Esto se debe a que la menor temperatura favorece la precipitacin de

CaS en estas muestras aumentando el valor promedio de fraccin slida.

La fraccin slida de las muestras CC se encuentra entre 0.2 y 0.67. En pruebas realizadas en

planta [34]se ha podido determinar que los problemas de colabilidad se hacen ms notables

cuando la fraccin slida de las inclusiones supera un valor crtico de 0.7-0.8.

5.3 Macroinclusiones

Las inclusiones son ms nocivas a medida que aumenta su tamao. Por este motivo se decidi

tratar separadamente las inclusiones con dimetros mayores a 15 m. La Tabla 5-4 muestra la

inLF AVD DVD CC0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0ColadaA1

Fraccinslida

InclusinCompleta

Muestra

ColadaA2ColadaB1ColadaB2

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densidad de macroinclusiones encontradas en las distintas probetas. Al igual que en el caso de

las microinclusiones, se observa una mayor densidad en las coladas B1 y B2.

Colada Muestra Nmerocampos

rea obs.(mm2)

Cantidadinclusiones

Frec. Inc.(1/mm2)

A1 1-LF 520 148.71 3 0.02A1 AVD 558 159.57 3 0.02A1 DVD 242 69.21 2 0.03A1 CC 495 141.56 2 0.01A2 1-LF 520 148.71 3 0.02A2 AVD 558 159.57 7 0.04A2 DVD 232 66.35 5 0.08A2 CC 522 149.28 1 0.01B1 1-LF 480 137.27 16 0.12B1 AVD 473 135.27 8 0.06B1 DVD 540 154.43 10 0.06

B1 CC 472 134.98 2 0.01B2 1-LF 356 101.81 0 0.00B2 AVD 438 125.26 22 0.18B2 DVD 528 150.99 18 0.12B2 CC 435 124.40 4 0.03

Tabla 5-4: Cantidad de macroinclusiones (d>15

m) en las distintas coladas analizadas

En funcin de la composicin qumica se pudieron identificar tres tipos distintos de

macroinclusiones:

a) Silicoaluminatos de manganesob) Silicoaluminatos de manganeso con Zrc) Aluminatos de Calcio

A continuacin se analizan las posibles fuentes de origen de estas inclusiones.

5.3.1 Silicoaluminatos de manganeso

Estas inclusiones tienen origen en la reoxidacin del acero producida cuando el acero

reacciona con un agente oxidante como la atmsfera. Los productos de dicha reaccin son

inclusiones compuestas por los xidos de los agentes desoxidantes presentes en el acero.

En el caso de los aceros analizados en este estudio, los agentes desoxidantes presentes son

Al, Si y Mn. El orden indicado corresponde a la capacidad de desoxidacin de cada elemento

(ver diagrama de Elingham Figura 3-5). Durante la reoxidacin la cantidad de oxgeno es

mucho mayor que en la desoxidacin, y como muestra la Figura 5-9 el oxgeno consume el

aluminio presente en la zona de reaccin, luego reacciona con el silicio para finalmente, si hay

suficiente oxgeno, reaccionar con el manganeso. Algunas de estas inclusiones no llegan aflotar y permanecen en el acero.

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Figura 5-9: Formacin de inclusiones de reoxidacin en aceros calmados al alumin io [35]

Como se puede observar en la figura anterior este tipo de inclusiones tienen forma esfrica

compuesta por dos fases, una rica en Al2O3y la otra por aluminosilicatos de manganeso. Una

inclusin tpica se puede observar en la Figura 5-10 con el detalle de su composicin en la

Tabla 5-5.

Figura 5-10: Inclusin de reoxidacin.

Colada Muestra Diam Anlisis Composicin qumica (% peso)(m) MgO Al2O3 SiO2 ZrO2 S CaO MnO

B1 1-LF 22 General 0.9 39.5 30,3 0,9 0,7 0,4 22,2 F. clara 0.9 35.1 33.1 0.9 0.7 0.4 24.2 F. oscura 1.3 78.9 5.5 1.2 0.9 0.5 4.6

Tabla 5-5: Composicin inclus in Figura 5-10

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Cuando se ubica la composicin general en un diagrama ternario Al2O3, MnO, SiO2, se puede

observar, que a la temperatura de colada, estas inclusiones estn en estado lquido (ver Figura

5-11) lo que justifica su forma esfrica ya que de esta manera se minimiza la energa libre

superficial.

Cristoba

lite

1600

C

2Li

quid

s

Man

gano

site

Spe

ssartit

e

Gala

xit

e

Rhodonite

Mullite

Corundum

Al2O

3

80

80

60

60 40

40

20

20

80604020

SiO2

MnO

Liquido

Cristoba

lite

2Li

quid

s

Man

gano

site

Spe

ssartit

e

Gala

xit

e

Rhodonite

Mullite

Corundum

Al2O

3

80

80

60

60 40

40

20

20

80604020

SiO2

MnO

1600

C

Liquido

Figura 5-11: Diagrama ternario Al2O3, MnO, SiO2

En concordancia con lo comentado en la seccin 5.1,se observ una mayor cantidad de estas

inclusiones en las probetas correspondientes a las coladas B1 y B2.

5.3.2 Silicoaluminatos de manganeso con Zr

Este tipo de inclusiones tienen forma esfrica con una matriz compuesta por silicoaluminatos

de manganeso con Zr, y precipitados con alto contenido de Zr.

Una inclusin tpica de este tipo se puede ver en la Figura 5-12 y en la Tabla 5-6 se detalla su

composicin.

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Figura 5-12: Inclusin de aluminato de calcio con Zr.

Diam Composicin qumica (% peso)Colada Muestra

(m)Anlisis

MgO Al2O3 SiO2 ZrO2 S CaO MnO

Matriz 4.6 20.0 33.7 12.2 1.5 1.0 24.8B1 1-LF 35 Ptos

Blancos3.4 16.0 23.4 37.7 1.2 0.6 16.5

Tabla 5-6: Composicin qumica de la inclusin de la Figura 5-12

La presencia de altos contenidos de Zr motiv que se prestara especial atencin en su origen

ya que el Zr no es un elemento presente en los aceros analizados en este estudio.

Una posible fuente de Zr, y por lo tanto de estas inclusiones, es la arena usada para cubrir la

vlvula de la cuchara durante el proceso en el LF (Ver Figura 5-13). Esta arena se coloca en la

vlvula de la cuchara antes de llenarla con acero lquido. Es posible que, durante el agitado del

acero lquido, parte de esta arena se incorpore al bao metlico, generando inclusiones.

Se realiz un anlisis de difraccin de Rayos-X a esta arena para conocer sus componentes.Como se puede apreciar en la Figura 5-14 los picos correspondientes con los del compuesto

SiO2.ZrO2.

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Figura 5-13: Micrografa de la arena con ZrO2

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0

20

40

60

80

100

DRX Medido Arena

Intensidad

2 Theta()

Picos SiO2ZrO

2

Figura 5-14: Anlisis de dispersin por Rayos-X de la arena de ZrO2

Dado que la apariencia y composicin de los granos de arena difieren de las inclusiones que se

encuentran en el acero, se decidi realizar una prueba para verificar si esto se deba a la

interaccin acero-arena. La metodologa consisti en agregar unos pocos gramos de arena de

ZrO2 en muestreador de acero y sumergirlo en el acero lquido para obtener una probeta

similar a las de rutina como indica la Figura 5-15.Posteriormente, esta probeta fue cortada y

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analizada en SEM para determinar las inclusiones presentes. La Figura 5-16 muestra algunas

de las inclusiones observadas. En este caso se distinguen claramente los granos con su

morfologa y composicin original. Sin embargo, en la unin de las dos partculas se observa

una zona modificada, cuyas caractersticas y composicin se asemejan a las inclusiones

observadas en el acero. Este resultado sugiere que, a pesar del breve tiempo de co

incluciones.pdf

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