Graves defectos por dross en grandes piezas de hierro nodular

J.Alva
Consultor de fundición
Cameri (Italia)

Introducción
La industria de los generadores eólicos representa una importante fuente de trabajo para el sector del hierro nodular hasta el punto de haber favorecido el nacimiento de nuevas fundiciones para el suministro a esta actividad. Las exigencias son las de obtener piezas sanas, con características de resiliencia a baja temperatura y por último, ausencia de defectos superficiales tipo dross.
El dross una escoria compleja que constituye una preocupación tanto para los fundidores como para los clientes por cuanto afecta no solo el aspecto superficial de la pieza sino que puede tambien favorecer el inicio de grietas.
La literatura técnica soportada por la experiencia industrial sugiere que el dross es originado por 3 factores básicos: por el tratamiento de nodulizacion, por la reoxidación que tiene lugar sucesivamente y por último, por las turbulencias durante el llenado de la pieza. No obstante, hacemos notar que hay otra fuente, y no es otra que la relacionada con el estado previo de oxidación del caldo. Esto se ilustrará mas adelante en este artículo.

Tratamiento de nodulización
En el tratamiento, la cantidad y tipo de productos de reacción depende de varios factores:
1. Composición química del caldo;
2. Temperatura de tratamiento;
3. Composición de la aleación.

Composición química del caldo

Los cubilotes generan un dross en mayor volumen, rico en sulfuros de manganeso, y está asociado a escorias de alto punto de fusión. Por esta razón es fácilmente identificable (fig.1). La fusión eléctrica o con hornos rotativos genera, en cambio, escorias menos complejas a base de silicatos de magnesio (enstatita y forsterita) (fig.2).
Fig.1 & Fig.2 ( se pueden ver las figuras en la revista de FEBRERO 2010 de FUNDIDORES)
Temperatura de nodulización
Durante el enfriamiento, el magnesio se oxida siguiendo un esquema dependiente de la temperatura1. A temperaturas relativamente altas (> 1420°C) genera escorias de aspecto "a capas" mientras que a bajas temperaturas se forma dross sólido con un alto contenido de silice.
Nodulizantes
Las aleaciones tradicionales contienen bajos niveles de magnesio (<10%) si las comparamos con aquellas que están asociadas con la técnica del hilo, donde tal elemento supera el 20%. Ello permite reducir las adiciones, lo que potencialmente supone una reducción de la cantidad de escoria asociada. Se asume además, que el mayor contenido de magnesio aumenta la consistencia de estas, lo que debería facilitar el desescoriado. Esto como veremos no es siempre cierto.

Reoxidación
La reoxidación del magnesio tiene lugar despues del tratamiento y continúa con el descenso de la temperatura. La reoxidación también ocurre durante el vaciado del molde, cuando el sistema de llenado favorece velocidades (lineales) altas y puede generar un efecto spray del metal (fig.3). Naturalmente las bajas temperatura potencian el fenómeno.
Fig.3
Otra fuente de dross
De lo antedicho se desprende, que la formación de dross después del tratamiento de nodulización resulta inevitable. La cantidad generada será poca o mucha dependiendo de la influencia de los factores ya mencionados. Cierto es que raramente estos defectos provocan el achatarramiento de piezas grandes, ya que normalmente el dross resulta confinado en un estrato superficial limitado, y puede ser eliminado con el mecanizado. El problema surge cuando el defecto penetra en profundidad, lo cual debemos asociar a un estado previo de oxidacion del caldo base.

Reoxidación del caldo base
Las escorias presentes en los hornos eléctricos sufren cambios en su composición en el caso de mantenimientos prolongados a bajas temperaturas (< 1.360°C), ya que se enriquecen en oxidos de hierro (FeO). Esto es un hecho en los hierros grises, donde el óxido de manganeso juega un rol aditivo2. Ambos reducen la temperatura de fusión de las escorias, favoreciendo la formación de inclusiones peliculares que reaccionan en modo vigoroso con el metal, generando sopladuras de gas CO (fig.4). El uso continuo de cucharas contaminadas con este tipo de escorias lleva al mismo resultado.
No siendo un defecto común, estas escorias no vienen calificadas como dross.
Fig.4 (a, b, c & d)

El magnesio es un elemento desoxidante, pero no logra reaccionar con todo el óxido presente dado el tiempo relativamente corto disponible en el tratamiento de nodulización. Como consecuencia, después del tratamiento las escorias contendran silicatos de magnesio ricos en óxido de hierro, los cuales potenciarán su tendencia agresiva (fig.5).
Fig.5 (a & b)

La situación empeorará en condiciones de turbulencia durante el llenado, lo que lleva a la formación de falsas juntas frias debido a un enriquecimiento adicional de oxido de hierro, como consecuencia de un proceso progresivo de oxidación superficial (fig.6). Las bajas temperaturas de llenado (<1.320°C) agravan el fenómeno, pero no son, por si mismas, la causa que desencadena el fenómeno.
Fig.6 & 7

Evaluación del estado de oxidación
La frase "estado de oxidación del caldo" puede parecer ambigua para muchos fundidores, ya que no existe un modo de medirla. El análisis del oxígeno, según experiencia del autor, no da informaciones suficientemente útiles al respecto. Los análisis de las escorias resultan más útiles, pero son costosos y difíciles de realizar. Dado que las escorias y el caldo "viven" en simbiosis, es mucho mas facil y no representa un coste, el observar la consistencia de estas, en base a la influencia del óxido de hierro sobre ellas (fig.8).
Fig.8

Las escorias altamente oxidadas muestran un color claro con una textura fluida. A temperaturas superiores a 1.450°C pasan inadvertidas ya que cubren "solapadamente" la superficie del caldo, dando la sensación de temperaturas mas bajas de las efectivamente medidas (fig.9a). Acompañan al caldo durante el llenado de la cuchara, incluso después del desescoriado y permanecen después del tratamiento independientemente del tipo de aleación utilizada (fig.9b).
Fig.9 (a & b)
Lo contrario es cierto
para escorias de alto punto de fusión. Estas muestran un color oscuro con una buena consistencia, lo que facilita el desescoriado, ya sea del horno como de la cuchara (fig.10a) y permanecen después del tratamiento de nodulización (fig.10b).
Fig.10 (a & b)

Cura y remedios
De cuanto precede se puede deducir que, los mantenimientos prolongados a baja temperatura y las cucharas contaminadas pueden generar problemas graves de dross. Estas condiciones pueden encontrarse fácilmente en la producción no continua de piezas pesadas. Para prevenir la aparición del problema es necesario actuar sobre el caldo base y corregir el exceso de oxidación evidenciado por el color y fluidez de las escorias.
Un metodo consiste en modificar la composición de las escorias de forma que la silice prevalezca según el diagrama SiO-FeO de la fig.8. Esto puede realizarse mediante adiciones de arena de sílice (0,5% de la carga metálica) ya sea durante la fase de carga o durante la fase de sobrecalentamiento del caldo. Obviamente en este último caso, es necesaria una buena agitación durante algunos minutos para asegurar una buena amalgama con las escorias presentes. Esta práctica ha sido la aplicada al caldo de la fig.9a para llevarlo a la condición de la fig.10 lo que ha sido solución al problema de bajos alargamientos en probetas obtenidas en piezas con inclusiones de dross.

Otro método que es bastante simple y que no requiere agitación en el horno, consiste en adicionar en cuchara un modificador de escorias antes del tratamiento nodulizante. El magnesio asegurará la agitación para la amalgama del producto. En experiencia del autor, se pueden obtener buenos resultados con pequeñas adiciones de Bestcleaner* (0,05% es ya suficiente) lo que limitará el coste de la operación.
Adiciones regulares de ferrosilicio o carburo de silicio durante la fusión son otra alternativa posible, pero ello toma mucho tiempo antes de que se aprecien sus efectos. Es menester idear sistemas de llenado adecuados para prevenir turbulencias y altas velocidades de llenado3.
Por último, dado que el metal y las escorias se encuentran en simbiosis, la modificación de las segundas dará beneficios al primero ya que un exceso en los niveles de oxígeno afectará a la nucleación y por tanto reducirá la capacidad de autogeneración.

Conclusiones
Problemas graves de dross en piezas de hierro nodular tienen su origen en una situación de excesiva oxidación del caldo base que se refleja en la consistencia de las escorias. Esta situación es favorecida por mantenimientos prolongados en hornos eléctricos a temperaturas relativamente bajas (< 1.350°C).
Escorias con buena consistencia son indicadoras de una adecuada desoxidación. Viceversa, escorias fluidas que tienden a cubrir el caldo sugieren la presencia de un exceso de óxidos de hierro (y eventualmente de manganeso). Cucharas contaminadas con estos óxidos son una consecuencia natural de esta situación. El solo aumento de las temperaturas no resolverá el problema.
Las escorias fluidas son muy agresivas y en condiciones de llenado turbulento a temperaturas relativamente bajas (<1.320°C) pueden dar lugar a graves problemas de dross en piezas pesadas. La penetración superficial del defecto se ve favorecida por los tiempos de enfriamiento relativamente grandes que se producen en estas piezas.
Situaciones intermedias, sin duda existen, pero toda fundición productora de este tipo de piezas debería ejercer una adecuada supervisión del caldo mediante la observación de las escorias, interviniendo, si fuera necesario, con alguna de las sugerencias dadas en este artículo. Naturalmente tal práctica puede ser extendida a los hierros grises.

* SKW Trostberg (Alemania)

Referencias
1.R.W.Heine & C.R.Loper Jr. "Dross Formation in the Processing of Ductile Cast Iron" ­ AFS Transactions Vol.74, 1976 pp.274-280
2.R.W.Heine & C.R.Loper Jr. "Principles of Slag and Dross Formation on Molten Iron" ­ Modern Casting, September 1966
3.J.Alva "Analisis y diseño de sistemas de llenado (en italiano) ­ Asociacion italiana de fundicion (Assofond)

Fig.1 Inclusión de escoria de cubilote después del tratamiento (cortesía SKW)

Fig.2 Aspecto típico del dross asociado a la fusión eléctrica (cortesía RT Iron & Titanium)

Fig.3 Imperfecciones superficiales alineadas con la dirección del flujo de derecha a izquierda en un eje de cigüeñal, debido a una velocidad excesiva del metal entrante en la mazarota

(a) (b)

(c) (d)
Fig.4 (a) Pieza grande en hierro gris que muestra (b)manchas negras cerca de la brida interior (c) despues de un desbaste con disco (d) cordones de escoria fluida en la estructura ricos en sulfuros de manganeso

(a) (b)
Fig.5 (a) Dross rico en óxido de hierro en una pieza grande después del desbaste (b) aspecto al microscopio (cortesía de Azterlan, Durango, España). Comparar esta imagenes con aquellas de fig.4c & 4d

Fig.6 Pliegues debido a oxidación superficial en una pieza en hierro nodular

Fig.7 Caso grave de oxidación superficial ­aspecto al microscopio de inclusiones ricas de óxido de hierro

Fig.8 Diagrama de equilibrio SiO2-FeO

(a) (b)
Fig.9 (a) Escorias fluidas en un horno fusor a 1480°C antes del tratamiento (b) después del tratamiento con hilo de alto magnesio (80%)

(a) (b)
Fig.10 (a) Escorias a alto punto de fusión antes del tratamiento después de la adición de 0.5% de arena de sílice. Aunque la temperatura fuera similar al caso anterior (fig.9a) el hierro líquido aparece mas brillante (b) después del tratamiento con el mismo hilo