Centro de Investigaciones de Soldadura Facultad de ...

Centro de Investigaciones de Soldadura

Facultad de Ingeniería Mecánica

Tesis en Opción del título de Master

ESTUDIO COMPARATIVO DEL FUNDENTE FUNDIDO CIS- F10

GRANULADO EN AGUA Y CON AIRE

Autora: Ing. Marilene Álvarez Valdéz

Tutor: Dr. Carlos René Gómez Pérez

MSc. Daniel Pérez Pérez

Curso 2009-2010

1

ÍNDICE

RESUMEN ............................................................................................................................ 1

INTRODUCCIÓN ................................................................................................................ 3

CAPÍTULO I: Obtención y caracterización de fundentes fundidos. ............................. 10

1.1 Obtención de fundentes fundidos ......................................................................... 10

1.1.1 Composición mineralógica ........................................................................... 10

1.1.2 Composición química ................................................................................... 11

1.1.3 Particularidades del proceso de obtención .................................................. 13

1.2 Procedimiento para la evaluación de fundentes .................................................... 16

1.2.1 Propiedades físicas ....................................................................................... 19

1.2.2 Requisitos de evaluación operativa de fundentes ......................................... 23

1.2.3 Caracterización morfológica y mecánica de los depósitos .......................... 24

1.3 Conclusiones del Capítulo 1 ................................................................................. 26

CAPÍTULO II: Experimentación y análisis de los resultados. ...................................... 27

2.1. Análisis morfológico de los granos ...................................................................... 27

2.2. Análisis de la fluidez de apilamiento .................................................................... 29

2.3. Aire intergranular durante la deposición de los fundentes ................................... 32

2.4. Estudio de higroscopicidad ................................................................................... 37

2.5. Estudio de distribución granulométrica ............................................................... 39

2.6. Criterios operativos ............................................................................................... 42

2.7. Estudio de las uniones soldadas ............................................................................ 45

2.8. Criterios económicos ............................................................................................ 52

2.9. Conclusiones del Capítulo II................................................................................. 56

CONCLUSIONES GENERALES ..................................................................................... 58

RECOMENDACIONES .................................................................................................... 59

REFERENCIAS .................................................................................................................. 60

1

RESUMEN

En el presente trabajo se realiza un estudio de la influencia de la forma de los granos del

fundente fundido CIS-F10, tanto granulado con aire como en agua, sobre la geometría de

los cordones de soldadura y sus propiedades. Para ello se realiza un análisis morfológico de

los granos del fundente CIS-F10, sus densidades, la fluidez que presentan durante su

apilamiento, las diferencias entre la cantidad de aire intergranular, durante su deposición

sobre las piezas a soldar y su comportamiento higroscópico. La aplicación de estos

procedimientos de estudio de materiales evidencia que el fundente granulado con aire

(partículas esféricas constituyen el 79,2 %) produce una diferencia relativa superior de la

fluidez (34 %) y del ángulo de talud (28,8 %), presentando un menor (28,2 %) volumen

relativo de aire intergranular, respecto al fundente granulado en agua, con una disminución

de la pendiente de crecimiento de la curva de humectación. Estos aspectos producen una

mayor penetración (8 %) de soldadura y un menor ancho medio (17 %) de la zona de

afectada térmicamente, aunque no se evidencian diferencias en las propiedades

metalográficas, ni mecánicas (< 1 %), en las uniones soldadas. La escoria formada en

ambos casos es de configuración geométrica constante (espesores 4 mm y anchos 25 mm)

con una razón de consumo de fundente de 0,64.

Palabras Claves: Fundente fundido, soldadura con arco sumergido, métodos de

granulación.

2

Abstract

Presently work is carried out a study of the fused flux CIS-F10 grain form influence, so

much granulated with air as in water, about the geometry of the welding job and its

properties. For that is carried out a grains morphological analysis, its densities, its piling up

fluency, its behavior hygroscopic and its differences among the quantity of intergraining

air, during its deposition on the pieces to be weld. The application of these materials study

procedures evidence that the air granulated flux (with 79,2 % spherical particles constitute)

produces a superior difference relative of the fluency (34 %) and a bank angle (28,8 %),

presenting a minor (28,2 %) relative volume of intergraining air, regarding the water

granulated flux, with a decrease of the growth slope of the humectation curve. These

aspects produce a bigger penetration (8 %) of welding and a smaller half width (17 %) of

the zone thermally affected, although differences are not evidenced in the metallographic

properties, neither mechanical (< 1 %), in the welded joint. The slag formed in both cases is

of constant geometric configuration (thickness 4 mm and wide 25 mm) with an 0,64 index

of consumption.

Key Words: Welding flux, submerged arc welding, granulating flux method.

3

INTRODUCCIÓN

Varios autores [1, 2] han desarrollado procedimientos para la obtención de fundentes

fundidos con granos esféricos, a partir de la granulación seca (con aire) del chorro de la

masa fundida, vertida desde el horno (1500 ºC), la cual se fragmenta por choque térmico en

una piscina con agua de masa (Ma), relacionadas (Ma = 30Mf) [3].

Este método clásico es empleado desde 1945 [4] para la obtención de fundentes fundidos,

con tamaños de granos promedio, que oscilan entre 0,25 y 4 mm. Este procedimiento no ha

sufrido transformaciones conceptuales, excepto en la forma de introducción y circulación

interna del agua dentro de la piscina de granulación [5-7], por lo que se considera, además

del más antiguo, el más generalizado entre los escasos productores de fundentes fundidos

para la SAW a escala industrial [8, 9].

Atendiendo a la esencia del proceso (la fragmentación por choque térmico de la masa de

fundente líquido en una piscina con agua) el resultado conduce a la formación de granos de

fundentes con gran cantidad de planos de cizallamiento, filos, puntas, poros y fracciones

másicas importantes en forma de polvo, que tiende a incrementar los niveles de adsorción

de agua y producir pérdidas de material; además, incrementa los tiempos del ciclo

productivo y la energía eléctrica durante la calcinación del fundente, lo cual influye

significativamente en su costo de fabricación [6].

Desde 1988 se estudia en Cuba, específicamente en el Centro de Investigaciones de

Soldadura [10], de la Universidad Central “Marta Abreu” de las Villas (UCLV), la

obtención de fundentes fundidos. En 1990, se comienza en el CIS a obtener fundentes

fundidos, con granulación por vía húmeda [6]. Actualmente es el método utilizado en este

4

centro; sin embargo, en el mundo se investigan alternativas para la obtención de fundentes

por vía seca desde antes de 1992 [11, 12].

kohozo [2] propone, para incrementar la productividad en la obtención de fundentes

fundidos, atomizar con gases, de forma perpendicular al chorro de fundente líquido para

fragmentarlo y hacerlo volar horizontalmente, durante lo cual se solidifica y obtiene en

forma de granos.

También se han desarrollado [13] modelos para la descripción matemática de la función

que caracteriza su desplazamiento en un medio gaseoso estático, permitiendo la

determinación de los parámetros del régimen de soplado, que garanticen los contenidos y

clases granulométricas necesarias conducentes a un adecuado desempeño del proceso de

granulación para su uso industrial, necesarias para un adecuado desempeño del proceso de

soldadura automática con arco sumergido (Submerged Arc Welding, SAW).

NECESIDAD DE LA INVESTIGACIÓN

Sin embargo, el estudio de las diferencias entre los fundentes fundidos granulados en agua

y con aire no ha concluido. Respecto a este aspecto Pérez-Pérez [14] plantea que no se ha

demostrado la influencia que ejercen las diferencias entre la forma y las densidades de estos

tipos de fundentes sobre el comportamiento operativo de los mismos, así como sobre el

coeficiente de forma de los cordones, que con ellos se obtienen, ni sobre sus propiedades

mecánicas.

Por ello, se necesita realizar una asociación de las formas de los granos del fundente

fundido CIS-F10 con su comportamiento ante algunas propiedades físicas, tales como: la

5

densidad aparente, la higroscopicidad, la fluidez que presentan durante su apilamiento, las

diferencias entre la cantidad de aire intergranular, que producen durante su deposición

sobre las piezas a soldar, y la relación, de todo lo anterior, con la forma y propiedades

mecánicas de los cordones de soldadura, obtenidos con su participación.

PROBLEMA CIENTÍFICO

Se desconocen las particularidades de la forma de los granos del fundente CIS F10

granulado con aire sobre su comportamiento operativo y la calidad del metal soldado, así

como su potencial diferenciación respecto a similares resultados, obtenidos con el mismo

fundente granulado en agua.

HIPOTESIS

No existen significativas diferencias operativas durante el empleo del fundente fundido

CIS-F10 granulado en agua y con aire, ni en las características de los depósitos, que con su

participación se obtienen.

NOVEDAD

Se demuestra por vez primera que el proceso de granulación con aire no entorpece

significativamente el comportamiento operativo del fundente fundido CIS- F10 granulado

en agua, ni disminuye las propiedades mecánicas de los cordones de soldadura, que con su

participación se obtienen.

6

OBJETIVO GENERAL

Comparar el fundente fundido CIS- F10 granulado en agua y con aire, mediante un estudio

de algunas de sus propiedades físicas y características operativas, así como de las

propiedades mecánicas de los depósitos de soldadura, que con su participación se obtienen.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

1. Obtener algunos criterios físicos del fundente fundido CIS-F10, granulado en agua y

con aire, al evaluar sus densidades y ángulo de apilamiento.

2. Obtener las propiedades operativas, del fundente fundido CIS-F10 granulado en

agua y con aire, mediante el depósito de cordones de soldadura, durante los cuales

se evalúen la estabilidad del arco, la generación de humo, el desprendimiento de la

escoria y la apariencia del cordón.

3. Obtener criterios sobre los parámetros geométricos de los depósitos realizados con

el uso del fundente fundido CIS-F10, granulado en agua y con aire, a través de la

medición de la penetración, ancho y altura de refuerzo de los cordones.

4. Obtener las propiedades mecánicas de los depósitos de soldadura, realizados con el

fundente fundido CIS-F10 granulado en agua y con aire, mediante el ensayo de

probetas normadas de tracción y resiliencia.

5. Evaluar las diferencias y concordancias existentes entre el uso del fundente fundido

CIS-F10 granulado en agua y con aire, mediante la comparación de sus respectivas

propiedades físicas, operativas y las características encontradas durante la

evaluación de la soldadura.

7

TAREAS

1. Obtención de las densidades picnométricas y aparentes de los fundentes

fundidos estudiados.

2. Obtención de los ángulos de apilamiento de los fundentes fundidos estudiados.

3. Evaluación de los fundentes fundidos estudiados durante la soldadura.

4. Evaluación de la geometría de los depósitos de soldadura realizados con los

fundentes estudiados.

5. Elaboración de las probetas y ensayar mecánicamente.

6. Análisis comparativo de los resultados.

MÉTODOS CIENTÍFICOS FUNDAMENTALES

a) Métodos Teóricos:

1. Análisis y síntesis:

Se emplea el análisis para obtener criterios sobre las propiedades físicas y las características

operativas fundamentales de los granos del fundente CIS-F10 granulado en agua y con

aire.

Se emplea la síntesis teórica para formular las principales regularidades sobre la influencia

de las propiedades físicas de los granos sobre las propiedades operativas de los fundentes y

la calidad del metal depositado.

8

b) Métodos Empíricos:

1. El experimento científico:

Se emplea en la adquisición de datos necesarios para evaluar las propiedades físicas y

operativas de los granos de ambos fundentes y las características del metal depositado.

2. La observación científica:

Se emplea en la obtención de los parámetros experimentales, que caracterizan las

magnitudes físicas, el comportamiento operativo de los fundentes y las magnitudes

representativas del metal depositado.

3. Métodos estadísticos:

Se emplea la estadística descriptiva para el tratamiento de los datos sobre las propiedades

físicas y operativas de los fundentes, así como mecánicas de las uniones soldadas.

Estructura del informe:

En el informe investigativo aparecen organizadas las ideas a través de 2 capítulos.

En el primer capítulo se hace una investigación documental basada en la obtención y

evaluación de fundentes fundidos, destinados al proceso SAW, sean granulados en agua o

con aire. Se trata, a través del método teórico de investigación científica de análisis y

síntesis, las principales regularidades sobre la influencia de las propiedades físicas de los

granos sobre las propiedades operativas de los fundentes y la calidad del metal depositado,

resaltando la esencia del problema científico a resolver en la presente investigación.

9

En el segundo capítulo se aborda, mediante los métodos empíricos de experimentación y

observación científica, la comparación entre las particularidades de las propiedades físicas

(granulométricas, higroscópicas, etc.) y operativas de ambos fundentes, tratados mediante

el método empírico estadístico matemático. Se aplica el análisis y la síntesis para la

valoración de los resultados y el arribo a conclusiones.

Resultados fundamentales:

1. Caracterización física (forma de los granos, fluidez, ángulo de apilamiento, densidad,

higroscopicidad, distribución granulométrica, cantidad de aire intersticial) del fundente

CIS-F10, granulado en agua y con aire.

2. Caracterización de las propiedades operativas (estabilidad del arco, presencia de humo

y llama, desprendimiento de la escoria) del fundente CIS-F10, granulado en agua y con

aire.

3. Caracterización de la morfología de los depósitos (ancho de los cordones, altura de

refuerzo, profundidad de penetración) realizados con el fundente CIS-F10, granulado en

agua y con aire.

4. Caracterización de las propiedades mecánicas (tensión máxima, de fluencia, por ciento

de estricción, por ciento de elongación y estructura metalográfica) de las uniones

soldadas realizadas con el fundente CIS-F10, granulado en agua y con aire.

5. Repercusión de las propiedades físicas del fundente CIS-F10, granulado en agua y con

aire, respecto a su comportamiento operativo y las características morfológicas y de

resistencia mecánicas de las uniones soldadas.

10

CAPÍTULO I: Obtención y caracterización de fundentes fundidos.

1.1 Obtención de fundentes fundidos

1.1.1 Composición mineralógica

El conocimiento de la composición química de las materias primas permite enmarcar

cuantitativamente los niveles adecuados de los contenidos de cada uno de los componentes

principales, que conforman el sistema de óxidos de la matriz fundida seleccionada. Permite,

además, cuantificar los contenidos de los elementos químicos secundarios y los no

deseables que, en algunos casos, pueden limitar el empleo de una materia prima en

específico para la confección de fundentes fundidos vítreos [6]. El Fundente CIS-F10, se

obtiene a partir de una mezcla (Tabla 1) compuesta mayoritariamente por 84 % de

minerales cubanos y 18,6 % de concentrados de importación, aproximadamente.

Tabla 1: Materias primas empleadas en la obtención del fundente CIS-F10, en % [15]

Composición en (%)

Minerales Fundente fundido

CIS-F10

Zeolita 6,81

Caolinita 10,64

Talquita 43,11

Caliza 20,48

Fluorita 9,48

Rutilo 9,48

Las materias primas seleccionadas deben posibilitar relaciones estructurales (orden-

desorden) e interacciones entre ellas, tal que faciliten, además, los procesos de

11

fragmentación, los cuales contribuyen a la formación de clases y distribuciones

granulométricas en rangos adecuados para su uso como fundentes de soldadura.

1.1.2 Composición química

La designación del tipo de fundente prefija un conjunto de propiedades que debe poseer el

mismo. Estas propiedades rigen los criterios de selección del sistema de óxidos y las

relaciones molares entre sus componentes [16]. Las propiedades físico-químicas, que

caracterizan un fundente fundido, deben satisfacer sus funciones operativas y metalúrgicas,

así como las características del metal depositado [17]. En el caso de la granulación con aire

deben garantizar las viscosidades y velocidades de enfriamiento requeridas para su

obtención [1].

El comportamiento termofísico del sistema SiO2-MgO-CaO posee transiciones de cambio

de estado en diapasones de temperaturas relativamente elevadas (≥ 1 500 oC). En

comparación con las fusiones salinas los derretidos de fundentes fundidos poseen una

tensión superficial relativamente alta (entre 0,21 y 0,4 Pa·s). La tensión superficial es

influenciada no solo por la estructura, sino también por la composición del derretido del

fundente fundido, en dependencia de la actividad superficial de sus óxidos componentes

(SiO2, Al2O3, MgO, CaO, Na2O). El incremento de la relación molar de alguno de estos

óxidos en el fundente provoca un incremento de la tensión superficial. Es por ello que, para

reducir esta influencia [6], se introducen en el fundente fundido CIS-F10, como

modificadores, a la fluorita (CaF2) y el rutilo TiO2, que disminuye los valores de viscosidad

y el rango de temperaturas de solidificación. La composición química del fundente CIS-F10

12

(Tabla 2), muestra que está constituido por el sistema de óxidos tetracomponente SiO2-

MgO-CaO-Al2O3 (72,2 %).

Tabla 2: Composición química del fundente CIS-F10, en % [15]

Composición en (%)

Óxidos Fundente fundido CIS-F10

SiO2 35,99

CaO 17,26

MgO 10,75

NaO 0,25

K2O 1,08

Al2O3 5,45

CaF2 9,01

TiO2 8,99

Otros 11,22

Basicidad 0,95

Actividad Química 0,45

La relación porcentual de las materias primas (Tabla 1), que se emplean en la conformación

de la carga a fundir para la obtención del fundente fundido CIS-F10 [6, 15], tanto granulado

en agua, como con chorro de aire, agrupa un 69,45 % correspondiente al sistema

tetracomponentes de Óxidos SiO2 – CaO – MgO –Al2O3 (Tabla 2), mientras el 18 % está

compuesto por modificadores (CaF2, TiO2) y un 12,55 %, como residuo (K2O, Na2O +

otros compuestos).

Considerando que el proceso de granulación no debe infringirle a los fundentes

modificaciones a sus respectivas composiciones químicas, puede estimarse que éstas sea

similar.

13

La relación porcentual de las materias primas, empleadas para obtener el fundente fundido

CIS – F10, permite conformar una carga, que puede emplearse para la obtención de un

fundente fundido granulado con chorro de aire. Los por cientos de las materias primas han

de calcularse de forma similar al fundente fundido CIS-F10 granulado en agua. El mismo

procedimiento de obtención (fusión de las materias primas) debe seguirse, con los

compuestos fundamentales aportados por las materias primas.

La basicidad (B), calculada por la ecuación referida por Potapov [4], del fundente fundido

CIS-F10 (0,95) debe ser similar (4,2 %) a la del fundente granulado con chorro de aire,

clasificando a ambos fundentes como ligeramente ácidos y reductores (B < 1). La actividad

química (Af), calculada por la ecuación referida por Potapov [4], del fundente fundido CIS-

F10 (0,45) granulado en agua y con aire deben ser similares, clasificando a ambos

fundentes como muy activos (Af < 0,6) químicamente (Tabla 2).

1.1.3 Particularidades del proceso de obtención

Las etapas del proceso de obtención de fundentes fundidos para la soldadura con arco

sumergido (Figura 1) difieren del tipo de producto a obtener, sea granulado en agua o con

aire.

La granulación por vía húmeda fue la primera utilizada y estudiada. El procedimiento

consiste en verter un chorro de escoria liquida en una piscina de agua [18]. Uno de los

inconvenientes de este método consiste en el enriquecimiento de la parte exterior de los

granos de fundente con agua, la cual, si no es eliminada completamente, puede

descomponerse durante la soldadura y provocar defectos [19].

14

Figura 1: Etapas del proceso de obtención de fundentes fundidos

Existen otros métodos de granulación por vía húmeda, cuyo enfriador no es precisamente

agua común, sino una emulsión acuosa de sustancias hidrofobizadas, que contienen silicio.

Este método conduce al incremento del contenido de silicio y de azufre en la superficie de

los granos del fundente, por lo que en 1978 fueron sustituidas por emulsiones acuosas de

silanos de polietileno hidratados [18], lo cual no ha dado todos los resultados esperados, por

lo que aún prevalece, con mayor utilización, el agua natural como agente refrigerante.

Preparación de las

materias primas

(Trituración)

Mezclado y

homogenización

Fusión

Granulación en agua

Escurrido

Secado

Calcinación

Granulación con aire

Control

Granulométrico

Embalaje

15

El método de granulación con aire, el cual consiste en la destrucción del chorro de fundente

liquido, vertido desde el horno, y su enfriamiento posterior con la utilización de una

corriente potente de aire [6]. Sin embargo, el empleo de este procedimiento durante la

fabricación de fundentes fundidos puede conducir al surgimiento intensivo de granos

aciculares en el proceso de destrucción del chorro liquido de fundente, sobre todo durante

la granulación de derretidos que contienen óxidos de silicio, y también a la formación de

partículas de formas disímiles, la mayoría de las cuales disminuyen el efecto protector del

fundente durante la soldadura [18]. Es por ello que actualmente se investiga en el control de

los parámetros que influyen en este proceso de fragmentación [20].

Considerando el número de operaciones fundamentales, ambos procesos poseen similitud,

no obstante, se aprecian diferencias en cuanto a las actividades fundamentales entre los

procesos de obtención, el consumo energético y la forma de obtenerse los granos (Figura

1). De forma general, en la obtención de fundentes fundidos se destacan tres etapas: a)

Cálculo químico; b) el método de fusión; c) el método de granulación [6].

Los fundentes fundidos para la soldadura son sólidos granulados, obtenidos a partir de

líquidos subenfriados con estructura predominantemente vítrea compacta (≥ 80 % de los

granos vítreos) con tamaños de granos promedio, que generalmente oscilan entre 0,25 y 4

mm, presentando una composición química y estructural compleja, que les confiere

características adecuadas para la realización de los procesos operativos y metalúrgicos

durante la soldadura [6].

El fundente fundido CIS-F10, estudiado en el Centro de Investigación de Soldadura [21] se

obtiene a partir de mezclas de minerales aluminosilicáticos complejos (80 %, de su

composición másica), formados en su mayoría por cadenas tridimensionales extensas, como

16

el caso de zeolita y feldespato. Según Gómez [21] el fundente en estado líquido, a las

temperaturas de obtención de 1400 °C a 1500 °C , posee una viscosidad menor o igual a 0,5

Pa·s, dada por las interacciones entre los diferentes elementos formadores y rompedores de

retículos cristalinos, en la que la suma de SiO2, Al2O3 y TiO2 constituye alrededor de un

57 % de la composición química del fundente y la relación O: (Si + Al + Ti) se encuentra

en orden ligeramente superior a 2, lo cual presupone una potencialidad en la formación de

un andamiaje estructural tridimensional, presumiblemente formado por aniones complejos

[SimAlnTip]xOy2 durante su enfriamiento a bajas velocidades, donde m>>n>p. El tamaño de

los aniones complejos mencionados está determinado por la cantidad de cationes divalentes

presentes en el fundente vítreo, no existiendo iones de oxígeno libres.

Los derretidos, que se obtienen con estas características, se vierten desde el labio del horno,

a temperaturas entre 1200 °C y 1300 °C. Este líquido viscoso ( 0,5 Pa·s), cae en

trayectoria semiparabólica, con una velocidad inicial (vf) entre 0,3 y 0,5 m·s-1 y un gasto

(G) entre 1 y 1,5 l·min-1. La curva de solidificación de los derretidos antes mencionados

corresponde a la de compuestos vítreos, que solidifican en un diapasón de temperaturas

entre 1000 °C y 1200 °C. Sin embargo, al verterse en agua, se subenfrían y solidifican en

forma granular [6].

1.2 Procedimiento para la evaluación de fundentes

En el primer período para la evaluación físico-química del fundente se siguen tres criterios

fundamentales: químicos, físicos y estructuro-químicos o fásicos [6].

17

La obtención de los criterios químicos se realiza a partir del análisis cuantitativo de los

óxidos que componen el fundente fundido. Ellos sirven para comprobar la

correspondencia entre los resultados del recalculo químico y los compuestos reales, puesto

que, entre las materias primas y el fundente fundido, media un proceso metalúrgico con la

posible volatilización de algunos compuestos. Además, el análisis químico puede dar

información sobre la relación (Si-Ti-Al: O) y, por tanto, sobre criterios estructuro-químicos

[6].

Por otra parte, del análisis químico se pueden obtener las relaciones molares entre los

constituyentes, que determinan el carácter acido-básico y la actividad química del fundente

en estado líquido fluido.

Como criterios físicos de evaluación en el fundente se pueden tomar en consideración los

resultados de los ensayos de densidad, análisis granulométrico, higroscopicidad y dureza de

los granos, entre otros. El análisis granulométrico aporta algunos criterios que posibilitan

corregir los parámetros del régimen de vertido para obtener más del 80 % del fundente

dentro del tamaño y distribución de granos requeridos. Sin embargo, la densidad permite

adquirir determinados elementos sobre la relación de algunos parámetros del régimen de

subenfriamiento y la compatibilidad estructural de los granos del fundente [6].

El ensayo de higroscopicidad (Epígrafe 1.2.1) es muy útil para determinar la capacidad

sortiva de los granos de fundente durante un tiempo y una humedad relativa determinados.

La dureza de los granos, además de aportar criterios para evaluar la resistencia a la

compresión de los granos, y por tanto la fortaleza de los enlaces estructurales del fundente a

temperatura ambiente, es muy útil para el almacenamiento del fundente y la utilización de

dispositivos de extracción mecanizada de la porción no consumida durante la soldadura.

18

Para la evaluación de algunos aspectos estructuro-químicos, además de los datos aportados

por la relación (Si-Ti-Al):O y la densidad pueden utilizarse métodos de análisis por

espectroscopía infrarroja (IR) [6]. El resultado de los mismos proporciona una valiosa

información sobre la variación en la posición o permanencia de ciertas bandas de emisión

de compuestos químico, los que nos permiten valorar la posible variación de la forma de los

enlaces y las relaciones estructurales entre los compuestos, que conforman las materias

primas empleadas y los que constituyen el fundente fundido obtenido. Por estas razones el

IR puede utilizarse como un método cualitativo de caracterización analítica e instrumental

de los rasgos estructurales existentes en las cargas y los fundentes.

El 90 % de los aceros que se sueldan en Cuba bajo arco sumergido son del tipo AISI 1010.

[22]. Estos aceros de uso general poseen un bajo contenido de carbono y no están aleados,

presentando una estructura ferritoperlítica [23, 24].

Estos aceros y similares no presentan elementos de aleación que provoquen variación de

fases o precipitación de carburos indeseables [23], por lo que se consideran de buena

soldabilidad, según el criterio del carbono equivalente propuesto por Sefferiam [25]. Las

uniones de espesores entre 15 y 25 mm, soldadas bajo arco sumergido poseen una

estructura típica de lingote. Sus propiedades mecánicas y composición química son

similares a la de los materiales bases [26].

Los aspectos más trascendentes de estos aceros lo constituyen, en primer lugar, su

resistencia mecánica a la tracción y al impacto a temperatura ambiente, según se reporta en

la literatura [27], aunque para una caracterización más completa de la unión soldada pueden

incluirse el análisis químico y ensayos de macroestructura, inclusiones no metálicas y

ensayos de macrodureza.

19

1.2.1 Propiedades físicas

La higroscopicidad es la capacidad de los fundentes de humectarse ante la presencia de

humedad ambiental, muy estrechamente vinculada con cambios de temperaturas. Todos los

fundentes son higroscópicos, pues se humectan en mayor o menor grado, superficial o

internamente. Los materiales de soldadura, dentro de ellos los fundentes, no deben tener

agua superficial, ni interna. Se ha estudiado [4] que los fundentes no deben tener una

humedad superior al 1 % durante su empleo en la soldadura, debido a la violenta

vaporización del agua, que provoca poros de oxígeno e hidrógeno en el metal del cordón, la

oxidación de los elementos químicos y la posible formación de grietas al difundir el

hidrógeno. Es por ello que se someten a procesos de calcinación antes de su uso y a un

almacenamiento a una temperatura relativamente alta (entre 40 y 60 °C), comparada con la

ambiental.

Dentro de los factores, que afectan el nivel de higroscopicidad en los fundentes, se

encuentran la composición química, estructural (cristalina o vítrea), tamaño y forma

geométrica (área superficial, rugosidad), la humedad y las temperaturas ambientales,

fundamentalmente [28].

El fundente fundido CIS-F10 posee una baja tendencia a la hidratación por su estructura

vítrea [6]. Sin embargo, es susceptible a la humectación en el clima cubano, debido a su

forma irregular, caracterizado por la intercepción de múltiples planos, que originan filos,

puntas, y por la presencia de cavidades, formadas durante el proceso de granulación en

agua, que constituyen concentradores de carga electrostáticas. La eliminación de estos

concentradores de cargas electrostáticas pudiera disminuir su tendencia a la hidratación. La

forma esférica y lisa de las partículas de los fundentes granulados con aire puede conducir a

20

niveles más bajos de concentración de cargas electrostáticas y, por tanto, menor tendencia a

la hidratación. Sin embargo, este aspecto aún no ha sido demostrado.

La morfología caracteriza el área superficial, que unida al tamaño de grano, influye sobre la

densidad aparente y la capacidad de intercambio superficial de los granos [29].

La morfología de los granos repercute, por tanto, en las propiedades higroscópicas de los

fundentes, su capacidad de autofrenado durante el apilamiento y de abrasividad durante el

contacto con la tolva de alimentación, por citar algunos ejemplos [20].

Los fundentes granulados con agua presentan una morfología caracterizada por múltiples

planos de cizallamiento, propio del proceso de contracción por impacto térmico, mientras

que los fundentes fragmentados con chorro de aire poseen una forma preponderantemente

esférica, pero que aún no se reportan sus estudios de caracterización de formas y por

cientos de las mismas [20]. Tampoco se reconoce su influencia durante el comportamiento

operativo, ni su posible repercusión en la densidad aparente y las características

morfológicas de los cordones de soldadura depositados.

La fluidez de apilamiento de los fundentes permite conocer la velocidad de deposición del

fundente y dar criterios sobre el ángulo de acomodamiento (talud) y, por tanto, la altura de

la capa de fundente depositado sobre la junta a soldar.

La diferencia relativa entre la fluidez y el ángulo de talud, puede evidenciar un

comportamiento diferente a la rodadura de los granos de fundente a evaluar, permitiendo

establecer relaciones entre la forma, la distribución en tamaños y las densidades de los

granos, al comparar estos parámetros en los fundentes granulados con agua y con chorro de

aire.

21

La variación de la densidad picnométrica en los fundentes, en dependencia de la

temperatura y la composición química, se debe a su estructura en estado líquido o sólido y a

los enlaces de los compuestos, que lo conforman [6]. En función de lo anterior, puede

plantearse que la coincidencia de ambos factores hace que exista cierta tendencia al

incremento de la densidad picnométrica en los fundentes fundidos, que presentan mayores

contenidos de TiO2 en su composición [16]. Sin embargo, el CaO, al actuar como rompedor

de retículos cristalinos, provoca un cierto grado de desorden, que trae consigo la

disminución de la densidad picnométrica en el fundente [30].

Las densidades influyen en la presión originada por el peso del fundente sobre el arco

eléctrico, la burbuja gaseosa, el metal fundido y el baño de escoria. Es decir, influye no solo

en la forma del cordón (ancho), sino que también puede influir en la velocidad de

evacuación de las inclusiones no metálicas y gases desde el metal líquido [6]. Se plantea

que la densidad picnométrica unido con la forma y distribución de los granos (densidad

aparente), y la altura de la capa de fundente puede modificar la presión sobre el arco y

modificar la forma de la columna del arco y su profundidad de penetración [20].

La diferencia en las densidades entre los tipos de fundentes fundidos granulados en agua y

con aire y su efecto sobre la morfología del cordón, no han sido estudiadas profundamente

hasta el presente.

La distribución granulométrica no es más que la relación entre las proporciones de los

granos de cada tamaño dentro de una mezcla, que arroja curvas de distribución

granulométrica y de sumatorias de masa, cuyo estudio ofrece criterios estadísticos, de

posición, dispersión y correlación entre las muestras experimentales. La distribución

granulométrica de los fundentes fundidos, afecta su densidad aparente [31], la fluidez de

22

apilamiento, la permeabilidad gaseosa e higroscopicidad, la cantidad de aire intergranular

y la forma del cordón.

Este análisis puede aportar criterios sobre el grado de compactibilidad del fundente. La

ponderancia de los granos en la fracción fina tiende a reducir el espacio entre los granos, lo

que hace disminuir la permeabilidad gaseosa de la capa de fundente sólido [29].

El fundente fundido CIS-F10 posee un rango granulométrico entre 0,25 y 2,5 mm [15] y

curvas características de distribución granulométrica y de sumatoria de masa [6],

específicas del proceso de granulación en agua; sin embargo, la forma de la distribución

granulométrica del fundente fundido CIS-F10, granulado con aire y su influencia de sobre

sus propiedades físicas y operativas, no ha sido estudiada.

La cantidad de aire intergranular entre los granos de fundente permite determinar la

cantidad de oxígeno y nitrógeno, que interaccionan con las gotas del alambre electrodo y

con el baño de soldadura [29].

Para determinar el aire intergranular entre los intersticios de los granos del fundente elegido

es necesario determinar [29] experimentalmente los valores la densidad aparente (ρa) y

porosidad (P1) del fundente.

A partir de los contenidos de aire intergranular en los fundentes pueden estimarse los

contenidos de dioxígeno y dinitrógeno asociados y su potencial participación en el proceso

de soldadura.

La diferencia entre estos elementos puede influir modificando el comportamiento

metalúrgico del fundente granulado con aire, respecto al granulado en agua. Este aspecto

tampoco ha sido estudiado en la literatura consultada.

23

1.2.2 Requisitos de evaluación operativa de fundentes

El segundo periodo de caracterización está enmarcado por el proceso de soldadura. En el

mismo se evalúa el comportamiento del fundente durante la interacción alambre-material

base bajo los parámetros del régimen de soldadura.

En esta evaluación es muy importante controlar fundamentalmente la estabilidad del arco

eléctrico, la formación de llama, humo o gases, el desprendimiento de la escoria y la

apariencia del cordón.

Existen varios métodos de comprobación de las propiedades operativas durante el estudio

de fundentes fundidos. Estos métodos se dividen en dos grandes grupos: los métodos

cualitativos y los cuantitativos. Estos dos grupos de ensayos se diferencian por el nivel de

reproducibilidad de los resultados y por su complejidad técnica [6].

Los métodos de ensayos cualitativos están respaldados por condiciones experimentales muy

estrictas. Dentro de estas se encuentran los patrones evaluativos elaborados por expertos,

cuyo resultado puede expresarse cuantitativamente resultando, de esta forma, procesables

estadísticamente. Esto apoyado por la rigidez de las condiciones de experimentación y la

toma de los datos por un personal con alto nivel técnico y gran experiencia lo que permite

garantizar la reproducibilidad de los resultados. Por estas razones puede afirmarse que

como método comparativo son suficientemente confiables, ya que garantizan el nivel de

diferenciación y reproducibilidad necesario para corroborar los criterios teóricos. Estos

métodos son utilizados en prestigiosos centros de investigación para la evaluación

tecnológica de fundentes, según se reporta en la literatura especializada [32].

24

1.2.3 Caracterización morfológica y mecánica de los depósitos

Dentro de los aspectos esenciales a evaluar durante el estudio de la morfología de los

depósitos de soldadura se encuentra la caracterización de sus dimensiones fundamentales

(ancho de los cordones, altura de refuerzo y profundidad de penetración), además de las

estructuras metalográficas.

Sobre la forma de la sección transversal del cordón ejercen gran influencia las propiedades

estabilizadoras del fundente, su densidad y su distribución granulométrica. Según datos de

Rodríguez-Pérez [33] variando la longitud del arco y la profundidad de su penetración en el

metal base se puede variar el coeficiente de forma del cordón. Esto puede lograrse variando

las propiedades estabilizadoras del fundente, de tal modo que un fundente con bajas

propiedades estabilizadoras lleva a la disminución de la longitud del arco y la obtención de

un cordón estrecho, con gran profundidad de penetración. Para altas propiedades

estabilizadoras del fundente hay un alargamiento del arco y en consecuencia la obtención

de un alto coeficiente de forma del cordón.

Según resultados de varios autores [34, 35], cuando se emplea un fundente de granos

pequeños, como para fundentes de pocas propiedades estabilizadoras, se obtienen cordones

más estrechos (b) con gran profundidad de penetración (hp) y con un coeficiente de forma

elevado b

hb , lo contrario ocurre para fundentes de granulometría gruesa. Puede

suponerse que lo anterior se relaciona con la variación de la densidad aparente de la capa

fundente en función del tamaño de los granos.

25

La influencia de la forma de los granos y su distribución granulométrica de los fundentes

granulados con aire, respecto a los granulados en agua, no ha sido estudiada hasta el

momento.

Las propiedades mecánicas de las uniones soldadas de los fundentes se obtienen a través de

la utilización de ensayos mecánicos, realizados siguiendo recomendaciones de los códigos

de soldadura [36].

Los ensayos mecánicos permiten obtener una valoración cuantitativa del comportamiento

físico-mecánico del metal de la unión soldada [21, 37].

Las magnitudes correspondientes a los limites de fluencia y de tensión máxima del material

(acero), así como de su plasticidad, a través de los por cientos de elongación y de

estricción, son parámetros universales de análisis cuantitativo para la comprobación de las

propiedades físico-mecánicas de los metales. Estos parámetros se obtienen a partir del

ensayo de tracción estática.

La resiliencia es una propiedad que depende, en gran medida, composición química y la

estructura de la unión soldada. El ensayo de resiliencia se basa en la determinación de la

cantidad de energía absorbida por el material sometido al impacto.

Del análisis anterior se impone la necesidad de investigar la posible influencia de los

volúmenes de aire intergranular en el fundente depositado, sobre la posible variación en las

propiedades mecánicas de los cordones de soldadura obtenidos con el fundente fundido

CIS-F10, granulado con aire y en agua.

26

1.3 Conclusiones del Capítulo 1

1) El sistema de óxidos, de la matriz fundida seleccionada para la fabricación del

fundente CIS-F10, se obtiene a partir de una mezcla compuesta mayoritariamente

por 84 % de minerales cubanos, 6,81 % zeolita, 10,64 % caolinita, 43,11 % talquita,

20,48 % caliza, y 18,6 % de concentrados de importación 9,48 % fluorita, 9,48 %

rutilo.

2) La basicidad calculada del fundente fundido CIS-F10 (0,95) granulado en agua es

similar (4,2 %) a la del fundente granulado con chorro de aire, clasificando a ambos

fundentes como ligeramente ácidos y reductores (B < 1); la diferencia potencial

entre ellos podría enmarcarse solamente en la forma y distribución de sus granos.

3) No ha sido demostrado suficientemente la repercusión de la forma esférica y lisa de

las partículas de los fundentes granulados con aire, respecto a su tendencia a la

hidratación, en comparación con fundentes fundidos similares granulados en agua.

4) No se ha estudiado con la profundidad suficiente la influencia de la forma de los

granos, obtenidos por fragmentación con chorro de aire, ni de su distribución

granulométrica sobre el comportamiento operativo y las características morfológicas

y mecánicas de los cordones de soldadura depositados.

27

CAPÍTULO II: Experimentación y análisis de los resultados.

2.1. Análisis morfológico de los granos

El proceso de obtención de fundentes fundidos granulados con agua, producto de la brusca

contracción originada por el gran impacto térmico, produce la fractura del sólido

subenfriado [13] debido al desarrollo de tensiones en diferentes direcciones sobre múltiples

zonas (planos) del cuerpo (volumen), proporcionándole a los granos formas irregulares

(Figura 2b), con disímiles superficies lisas, o planos de ruptura, que convergen en aristas o

bordes y puntas agudas, a diferencia de las superficies lisas, características del granulado

con chorro de aire (Figura 2a) [14].

Figura 2: Estructura macroscópica de un grano de fundente fundido CIS F10-A

a) Obtenido por fragmentación horizontal con aire

b) Obtenido por vertido en agua

Durante la granulación con chorro de aire, en dependencia del lugar de la trayectoria en que

interaccionan los chorros de masa fundida y aire, variación de la intensidad entre los

fluidos, se pueden obtener partículas de diferentes tamaños y formas [13].

b) a)

28

Se establece [6] una clasificación de las partículas en nueve tipos: aciculares, angulares,

dendríticas, fibrosas, granulares, irregulares, nodulares y esferoidales. La forma de las

partículas se determina mediante un análisis de morfología de las mismas por observación

visual, comparando con lo planteado en las normas [38].

Para ello se emplean placas de cristal transparente y una lupa, depositando una pequeña

fracción de fundente, mediante espolvoreo, sobre la placa de cristal, evitando

aglomeraciones de partículas. El análisis se realiza definiendo la morfología por

comparación (Tabla 3).

Tabla 3: Análisis morfológico de los granos de fundente CIS-F10, granulado con aire

Tipo de partícula observada % Forma según norma lSO 3252 [38]

Esferoidal 73,8

Nodular (muy pequeño tamaño) 5,4

Asociación de esferas y nódulos 11,5

Adheridas 8,7

Aciculares, (agujas) 0,6

29

Puede apreciarse (Tabla 3) que la suma de las partículas no esféricas constituyen el 20,8 %

del total, mientras que el 79,2 % presentan una forma esferoidal. Es alentador el relativo

bajo por ciento (6 %) de las partículas no adecuadas (nodulares y aciculares).

El carácter heterogéneo en la forma de las partículas puede influir en la fluidez del

fundente, o sea, en la facilidad de transportación por conductos desde la tolva hasta la zona

de soldadura y su acomodamiento en la formación de la pila depositada sobre la junta de

soldadura.

2.2. Análisis de la fluidez de apilamiento

El conocimiento de la fluidez de apilamiento de los fundentes permite conocer la velocidad

de su deposición sobre el metal a soldar y dar criterios sobre el ángulo de acomodamiento

(talud) y la altura de la capa.

El ensayo de fluidez, se basa en la determinación del tiempo en el que el flujo de fundente

sólido granulado, pasa a través de un embudo (Figura 3) de dimensiones específicas [39,

40].

La instrumentación necesaria para el ensayo de fluidez está compuesta (Figura 3) por un

embudo de vidrio con marcas de calibración, un cronómetro digital modelo DM1-001, una

balanza técnica de laboratorio con precisión de ± 0,1 g, una mufla, con temperatura

regulable desde 20 hasta 1000 °C, un nivel de burbuja y una desecadora de cristal con

agente desecante activo “silica gel”, todos certificados por la Oficina Cubana de

Normalización (OCN) como aptos para su uso.

Para la realización del ensayo se calibra el embudo llenándolo y enrasándolo con un

volumen (100 cm3 de agua), hasta una marca calibrada del embudo, tapando la salida o el

30

corto cuello del mismo y liberándose repentinamente, midiendo el tiempo de flujo. Este

procedimiento se repite cinco veces y la media aritmética de estas mediciones (Tabla 4)

constituye el calibrado del embudo.

Figura 3: Dispositivo para el ensayo de fluidez

Tabla 4: Calibración del embudo para el ensayo de fluidez

Mediciones y tiempos (s)

Media aritmética, X

1 2 3 4 5

20,5 20,5 19,5 19,5 20,5 20,1

Embudo

Soporte

31

El valor 25,3, en segundos, es un factor matemático [39], empleado conjuntamente con la

media aritmética de la calibración del embudo ( X ), en segundos, para determinar el

coeficiente (f) de corrección (Ecuación 1), cuyo resultado es 1,26.

X

f 3,25 (1)

Se toma una muestra (700 g) de cada tipo de fundente y se secan en la mufla (105 ± 2 °C),

durante una hora. Se enfrían las muestras en la desecadora hasta la temperatura ambiente.

Se nivela el embudo en la base en posición horizontal. Del total de la masa del fundente

granulado, en función de sus densidades aparentes y la capacidad del embudo, con agua se

escogen tres porciones aproximadas de 159 g, mientras que para el caso del fundente

granulado con aire se escogen tres porciones de 175 g, con un error de medición máximo de

± 0,1 g. Cada una de las porciones ocupa un volumen de 100 cm3. Se vierte cada porción

del fundente seleccionado en el embudo, taponando el orificio de salida previamente, al

quitar el tapón, se acciona el cronómetro y se detiene cuando salgan las últimas partículas

de fundente.

El tiempo de flujo (t) se determina (Ecuación 2) como la media aritmética de los tiempos de

cada porción (Tabla 5) y, a partir de este parámetro, se calcula la fluidez (X).

ftX · (2)

32

El ángulo de talud (Tabla 5) se mide desde la horizontal, hasta el borde de la pendiente de

apilamiento, empleando un goniómetro sobre un mármol, y realizando las mediciones por

tres lugares diferentes de cada pila.

El decremento de la diferencia relativa de la fluidez (34 %) y del ángulo de talud (28,8 %)

del fundente fundido CIS F10 granulado con aire, respecto al granulado en agua, evidencia

un comportamiento diferente a la rodadura, lo cual puede estar asociado a las diferencias

entre la forma de los granos, su distribución en tamaños y sus densidades.

Tabla 5: Resultados del ensayo de fluidez del fundente fundido CIS-F10 para un

coeficiente (f) de corrección (Ecuación 1) de 1,26: A.- granulado en agua, B.- granulado

con aire

Fundente Muestra

Muestras de 500 g

S (s) Fluidez

(s)

Ángulo

de talud

(grados)

Tiempos de flujo (s)

t1 t2 t3

A

1 18,2 18,5 18,3 18,3 23,51 35

2 17,6 17,8 17,7 17,7 22,8 34

3 18,5 18,2 18,3 18,3 23,6 35

Promedio (s) 23,30 34,67

B

1 12,2 12,3 12,5 12,3 15,87 25

2 12,6 12,2 12,2 12,3 15,87 25

3 11,9 11,6 11,5 11,6 14,96 24

Promedio (s) 15,57 24,67

2.3. Aire intergranular durante la deposición de los fundentes

Según estudios reportados [29] durante la deposición de algunos fundentes se instala entre

sus intersticios granulares cierta cantidad de aire (40 % del volumen total de la capa),

constituido aproximadamente por 21 % de oxígeno y 78 % de nitrógeno, gases indeseables

33

durante el proceso SAW. El oxígeno oxida el metal en la zona fundida mediante la

formación de óxidos, creando discontinuidad en el material, mientras que el nitrógeno

disminuye la capacidad de deformación de la unión soldada.

La cantidad de aire intergranular entre los granos de fundente permite determinar la

cantidad de oxígeno y nitrógeno, que interaccionan con las gotas del alambre electrodo y

con el baño de soldadura [29].

Las presión estática (Ecuación 3), que ejerce el fundente sobre el cordón de soldadura, es

una función lineal directamente proporcional a la densidad aparente ( af ) (Tabla 6) del

fundente (g·cm-3); a la aceleración (g) de la gravedad (981 cm·s-2) y al espesor (h) de la

capa de fundente (4,5 cm).

hgP af ** (3)

Se puede suponer que cuanto mayor sea la densidad aparente (Tabla 6), como es el caso del

fundente granulado con aire (B), más profundo debería ser el cordón de soldadura, puesto

que la presión estática, que ejerce la capa del fundente sobre el arco, será mayor que en el

caso del granulado en agua (A).

No obstante, la experiencia de varios operarios del taller deja evidencias de que la presión

estática (Tabla 7) resulta suficiente, en ambos casos, para eliminar la salpicadura del metal

y los defectos de formación de la costura (poros e irregularidades en la superficie en el

cordón, entre otros), incluso en caso de emplear altas intensidades de corriente.

34

Tabla 6. Densidades picnométricas y aparentes del fundente fundido CIS F-10 [14]

Densidad picnométrica

(g·cm-3)

Densidad aparente

(g·cm-3) (A)

Densidad aparente

(g·cm-3) (B)

1 2,31 1,59 1,74

2 2,32 1,58 1,76

3 2,30 1,61 1,74

X 2,31 1,59 1,75

S 0,01 0,015 0,012

(A) Granulado en agua (B) Granulado con aire

Tabla 7. Presión estática que ejerce la capa de fundente fundido CIS F-10 (kPa)

Granulado en agua (A) Granulado con aire (B)

Pe 0,70 0,77

Para determinar el aire intergranular entre los intersticios de los granos del fundente elegido

es necesario determinar [29] experimentalmente los valores de la densidad aparente (ρa) y

porosidad (P1) del fundente. Para ello se fija una masa inicial de fundente (mi) constante de

100 g, pesada con una balanza electrónica analítica, con una capacidad máxima de 200 g

y un error de 0,001 g, entre las temperaturas de 5 y 40 °C, certificada por la OCN como

aptos para su uso. Además, se emplea un volumen inicial (Vi) de queroseno (ρl = 0,82

g·cm-3), aproximadamente de 60 ml, medido en una probeta graduada de 100 ml.

El procedimiento experimental se adecua a los criterios de Quintana [29], calculándose

primeramente la cantidad de aire intergranular (porosidad, P) (Ecuación 4).

35

fV

iV

fV

P

1 (4)

Para cuantificar el aire intergranular en 100 g de fundente se determina primeramente el

volumen intergranular disponible de la masa de granos del fundente (Vp) y el promedio de

sus fracciones granulométricas pV mediante la Ecuación 5.

)( ifSp VVVV (5)

Empleando la densidad del aire (ρaire=1,293 g·cm-3), a 20 ºC, se calcula (Ecuación 6) la

masa de aire intergranular (Tabla 8).

airepV *m aire

(6)

Otra forma de determinar (Ecuación 7) el “volumen relativo” de aire intergranular (VR aint)

durante el apilamiento del fundente sobre el metal a soldar es calculando la diferencia entre

las densidades (Tabla 4) picnométricas y aparentes de los fundentes.

100*V aintR

pf

afpf

(7)

36

Tabla 8: Parámetros para el cálculo de la cantidad de aire intergranular del fundente

fundido granulado con agua (A) y con chorro de aire (B)

Tipo

de

fundente

Vi

(ml)

Vf

(ml)

Vs

(ml) af

(g·cm-3)

P1

(%)

Vp

(ml) aintRV

( ml) error

maire

(g)

A

60,0 76,0 62,8 1,59 79,6 46,8 45,3 3,35 60,51

60,0 77,0 63,3 1,58 78,6 46,8 46,2 1,29 60,51

61,0 77,5 62,1 1,61 78,1 45,6 43,5 4, 88 58,96

Media 60,33 76,83 62,73 1,59 78,76 46,40 44,99 60,00

B

61,0 85,0 57,4 1,74 71,2 33,4 32,76 1,96 43,19

60,0 84,0 56,6 1,76 72,0 32,6 31,25 4,32 42,15

60,5 84,5 57,4 1,74 71,6 33, 4 32,76 1,96 43,19

Media 60,50 84,50 57,13 1,75 71,60 33,00 32,25 42,84

Vi - Volumen inicial (cm3) de queroseno en la probeta; Vf - Volumen final (cm3) alcanzado

por el queroseno cuando se le adiciona el fundente; VS - Volumen ocupado (cm3) por el

fundente dentro de la probeta; y VP - Volumen de queroseno (cm3) que llenó los intersticios

entre los granos y VRaint- volumen relativo de aire intergranular.

Los resultados comparativos muestran (Tabla 8) que, al calcular la cantidad de aire

intergranular por ambos métodos, el error relativo no sobrepasa el 5 %, demostrando la

validez de ambos. También se aprecia que el fundente fundido CIS-F10 granulado con agua

presenta mayor (28,2 %) volumen relativo de aire intergranular, que el fundente granulado

con aire.

En una masa de aire intergranular (maire) de 42,84 g (Tabla 8), en el fundente granulado con

aire están presentes 9,0 g de O2 y 33,8 g de N2, mientras que para el fundente granulado con

agua es de 60,0 g; es decir, que en el fundente granulado con agua están presentes 12,6 g de

O2 y 47,4 g de N2. A partir de estos criterios puede inferirse que ocurran reacciones más

intensas (alrededor de un 28,2 %) durante el proceso de soldadura con fundentes granulados

37

en agua, que con fundentes granulados con aire. Esta diferencia puede influir

beneficiosamente en el comportamiento metalúrgico del fundente granulado con aire,

aunque puede no resultar significativa, sin embargo, para aceros de medio y alto contenido

de carbono y baja aleación si pudiera apreciarse variación de las propiedades mecánicas de

los cordones.

Se aprecia (Tabla 8) que la pila de fundente granulado con aire, depositada sobre la pieza a

soldar, está compuesta por, aproximadamente, un 33 % de aire, respecto a su volumen total,

mientras que en el caso del fundente granulado con agua, por un 46 %.

2.4. Estudio de higroscopicidad

El ensayo de higroscopicidad se basa en la capacidad de humectación de las partículas de

los materiales, durante un tiempo de exposición a una temperatura y humedad relativa

determinada [41], sin la fluctuación de la temperatura de ensayo [42].

El procedimiento experimental se sustenta en los criterios de Durlik [42],

Alfonso [43] y Quintana [44], según los cuales se establece una relación entre el

incremento de la masa producto de la adsorción de agua, y el tiempo de exposición, en

dependencia de la humedad relativa existente en el interior de la cámara (establecidas por

las temperaturas de los termómetros de bulbo seco y húmedo).

Para el estudio se emplea un horno de cámara español, modelo ECFA 80/80/60, una

balanza analítica digital modelo SARTORIUS, tipo 1475, con una capacidad máxima de

hasta 400 g, dos termómetros con graduación de 0 ºC a 50 °C, un cronómetro mecánico y

una cámara hermética modelo GALLENKAMP, todos certificados por la OCN como aptos

para su uso.

38

Se calienta el fundente en el interior del horno hasta la temperatura de 300 °C, durante dos

horas, dentro de cápsulas secas previamente taradas. Posteriormente se extraen y colocan

las capsulas de porcelana con las muestras de fundentes en el interior de una desecadora,

con partículas de “silica gel”, a la que se le realizó vacío mediante una bomba peristáltica

rusa, modelo 214-87. Una vez alcanzada la temperatura ambiente, se colocaron las cápsulas

con fundentes sobre la balanza dentro de la cámara de humectación. El ensayo se realiza a

una humedad relativa de 94 %, que se mide a partir de un psicrómetro o higrómetro que se

compone de dos termómetros ordinarios, uno de los cuales tiene la bola humedecida con

agua, y por la comparación de las temperaturas indicadas en ellos se calcula el grado de

humedad del aire.

Figura 4: Resultados del ensayo de humectación

39

Este ensayo se realiza para el fundente fundido CIS-F10 granulado con aire (Figura 4)

pudiéndose comparar con los resultados para el mismo, pero granulado con agua, y para los

fundentes comerciales AH 348 y AS 200, reportados en la literatura [6].

Puede apreciarse que la humedad absorbida es muy inferior a la del fundente AS 200,

inferior a la del CIS-F10, granulado en agua, y ligeramente inferior a la del AH 348. La

disminución de la absorción en el fundente CIS-F10, granulado con aire, respecto al

granulado en agua, puede depender sustancialmente de la diferencia de la forma y

compactación de los granos obtenidos con el proceso de granulación con aire.

2.5. Estudio de distribución granulométrica

El fundente fundido CIS F-10 (Figura 5), granulado en agua, posee una distribución, en la

que se aprecia un máximo porcentual, que divide la curva de distribución de frecuencias de

los granos en dos partes no simétricas, observándose un predominio de los granos

relativamente más gruesos. Del estudio granulométrico realizado para el fundente CIS-

F10, granulado con aire, se obtiene un máximo porcentual que divide la curva de

distribución de frecuencias de los granos en dos partes, también no simétricas,

observándose un predominio de los granos relativamente más finos. La fracción superior a

2,5 mm, tamaño de grano máximo del rango granulométrico para la clase de fundente

estudiado, requiere de procesos de trituración posteriores en ambos casos, cuyo volumen es

prácticamente similar.

La relativa coincidencia de los parámetros granulométricos que caracterizan al fundente

fundido CIS F-10, tanto granulado con aire, como en agua, hacen pensar que el soplado con

aire puede emplearse para la obtención de tamaños y distribuciones granulométricas

características del ciclo productivo de fundentes fundidos.

40

Figura 5: Curvas de Distribución granulométrica del fundente fundido CIS-F10 granulado

en agua [45] y granulado con chorro de aire

Estos aspectos son positivos para la soldadura, sin embargo los granos esféricos pudieran

disminuir el talud o ángulo de acomodamiento y el autofrenado de los granos. Los

fundentes fundidos obtenidos por trituración o por granulación en agua, al tener filos y

puntas, unido a la distribución granulométrica que adquieren, se autofrenan con más

facilidad, que los obtenidos con granulación por soplado con aire. Este aspecto le confiere a

los fundentes de granos esféricos una aplicación especial en la soldadura por electroescoria,

donde el aspecto de la rodadura de los granos no constituye un factor a observar por

realizarse en zonas restringidas. Sin embargo, durante la soldadura de piezas planas y

dm dm 0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

80

85

90

95

100

0.2

5

0.5

0

0.7

5

1.0

0

1.2

5

1.5

0

1.7

5

2.0

0

2.2

5

2.5

0

2.7

5

3.0

0

3.2

5

3.5

0

3.7

5

4.0

0

Clase Granulométrica (mm)

Masa R

ete

nid

a (

%) Aire

Agua

Md

41

circunferenciales con arco sumergido, este es un factor importante a considerar. La solución

podrá encaminarse en dos sentidos: a) Tecnológica, b) Física.

En la solución tecnológica pudiera ser limitado el corrimiento de los granos mediante

barreras laterales y frontales al cordón, (Figura 6).

Dirección de soldadura

Barrera Escoria

Figura 6: Soldadura con fundente de granos esféricos. Uso de barreras de contención

En la solución física pudieran ser deformadas las gotas de líquido fragmentado antes de su

solidificación, mediante la interposición, en su trayectoria de vuelo, de un embudo

recolector deformador, capaz de transformar su forma esférica en ovoide. Esta

modificación en la forma del grano pudiera resolver los inconvenientes, que trae consigo

los granos esféricos durante su empleo.

La corroboración de este conjunto de ideas solo es soluble experimentalmente, incluyendo

ensayos de operatividad de los consumibles, que sin duda arrojarían resultados interesantes

desde el punto de vista científico, los cuales no han sido referidos en la actualidad. Sin

embargo, por la amplitud de este tema, es recomendable abordarlo oportunamente en otro

trabajo.

42

2.6. Criterios operativos

El estudio operativo de fundente CIS-F10 granulado con aire, para que sirva de

comparación con el granulado en agua, debe realizarse con la misma metodología. Por esta

razón se asumen los mismos criterios evaluativos establecidos por Gómez [6]. De igual

forma, el acero empleado como material base es grado AISI 1010, mientras como alambre

electrodo EL 12. Los diferentes parámetros del régimen (Tabla 9), así como la forma y

pasos metodológicos para la realización del proceso, fueron asumidos como se reglamenta

en la norma AWS A: 5.17 [46].

Tabla 9: Parámetros operativos empleados en el ensayo

Parámetro Magnitud Unidad

Corriente 400 ± 5 A (polaridad invertida)

voltaje 32 ± 2 V

velocidad de soldadura 40 m·h-1

longitud libre del electrodo 30 mm

altura de la capa de fundente 45 mm

Para la realización del proceso se empleó un automático de soldadura alemán modelo

MANSFELD y un dispositivo (Figura 7) como barrera de contención, para evitar la

rodadura de los granos.

Figura 7: Soldadura con fundente con peles esféricos. Uso de barreras de contención

Barrera de

contención

Fundente con

peles esféricos

43

Durante el proceso de soldadura (Figura 8 y Figura 9) se verificaron cuatro propiedades

operativas: estabilidad del arco eléctrico, presencia de llama y humo, apariencia del cordón

y desprendimiento de la escoria.

Tabla 10: Resultados del estudio operativo

Parámetro evaluado Fundente CIS-F10

Granulado en agua [6] Granulado con aire

Estabilidad del arco 5 5

Llama y humo 5 5

Desprendimiento (s) 34 33

Apariencia del cordón 5 5

Figura 8: Proceso de soldadura

empleando el fundente fundido

CIS-F10 granulado en agua

Figura 9: Proceso de soldadura

empleando el fundente fundido

CIS-F10 granulado con aire

44

Para la determinación de las propiedades operativas se elaboraron patrones [6], empleando

una comisión de siete expertos, cuyos resultados resumidos (Tabla 10) se comparan con los

del fundente granulado en agua.

Se observa (Tabla 10), que el comportamiento del fundente es satisfactorio durante el

proceso de soldadura y similar al referidos por Gómez [6] para el mismo fundente

granulado en agua, lo que demuestra que la forma de obtención del fundente por

granulación con aire no conduce a modificaciones sustanciales en las propiedades

operativas del fundente.

La forma irregular caracterizada por filos y puntas de los fundentes granulados en agua

puede conducir a fenómenos de absorción, aun después del proceso de calcinación, por el

efecto electrostático. De aquí que se recomiende por los fabricantes su uso solo después de

calcinado.

A pesar de que los granos de fundentes constituyen sólidos vítreos con capacidad absortiva

reducida [45], la conjugación de los factores antes mencionados hace que adsorban agua, la

que resulta necesario eliminar antes de ser empleadas.

Sin embargo, esta propia forma irregular, conjugada con una distribución granulométrica

acertada, favorece a una adecuada protección de la zona de soldadura.

La menor área superficial la poseen los cuerpos esféricos. La forma lisa y continua de las

esferas, obtenidas en los fundentes fundidos y granulados por soplado con aire, contribuye

a reducir el área superficial de los granos y también los puntos de contacto entre ellos.

La superficie esférica conduce menos a la concentración de campos electrolíticos

superficiales y a la precipitación de agua en su superficie, lo que potencialmente reduce la

45

tendencia a la adsorción, en contraposición de los granos obtenidos por fragmentación en

agua.

La confluencia de estos factores hace suponer que se pudiera prescindir de los procesos de

calcinación antes del uso de los fundentes fundidos granulados por soplado con aire.

Durante su aplicación en la soldadura, el metal fundido podrá encontrarse menos

influenciado por la presencia de oxígeno e hidrógeno.

El grado de solidez de los granos esféricos (Figura 2a), con una distribución granulométrica

más continua, que los granulados en agua (Figura 2b) contribuye al incremento de la

densidad aparente del fundente (Tabla 6).

Este leve incremento de la densidad (≈ 11 %), manteniendo la misma altura de capa

durante el proceso de soldadura, pudiera incrementar la presión sobre la burbuja gaseosa,

que circunda el arco, sobre el metal y la escoria fundidos.

El incremento de la presión sobre la burbuja gaseosa puede conducir al estrechamiento del

arco, concentrando su energía, haciendo los cordones más profundos. El incremento de la

densidad del fundente puede incrementar la presión sobre el metal líquido disminuyendo la

altura de refuerzo de los cordones. El incremento de la presión sobre la escoria la puede

hacer más delgada, lo que facilita la salida de los gases. Estos aspectos pudieran

corroborarse en experimentos tecnológicos posteriores.

2.7. Estudio de las uniones soldadas

Las muestras para los ensayos mecánicos de tracción e impacto, según estándares

internacionales [46], se evalúan en una máquina de ensayo de tracción (“IBERTEST”,

modelo VIP-600-0/AuT) y en un péndulo de ensayos Charpy, modelo UT-30,

46

respectivamente. Los diferentes parámetros del régimen, así como la forma y pasos

metodológicos para la realización del proceso, fueron asumidos como se reglamenta en la

norma AWS A: 5.17 [46]. Es importante, además de las dimensiones de los cupones para

los ensayos (Figura 2.10) y, aunque la norma no lo especifique, exponer la forma de

extracción de los semiproductos (Figura 2.11 y Figura 12). En esta norma se especifican los

parámetros del régimen de soldadura (Tabla 9) y la metódica para su correcta ejecución,

además de la forma y las dimensiones de las probetas (Figura 2.12). Los resultados de los

ensayos mecánicos (Tabla 11) muestran una coincidencia en el comportamiento de

ductilidad, resistencia mecánica y resiliencia de las uniones, evidenciando diferencias poco

significativas en el comportamiento de estas propiedades.

Figura 2.10: Cupón de soldadura para la realización del ensayo operativo

12,7

25 25 25

305

250

12,7

12,5

A

A B

B

150,25

30º

9,5

50

47

Mues

tras

Dimensiones del semiproducto

Para ensayo métalográfico Para ensayo de tracción Para ensayo de impacto

Figura 2.11: Dimensiones de los semiproductos (aclaraciones para la extracción de las muestras para ensayos)

Mues

tras

Dimensiones de las probetas

Para ensayo métalográfico Para ensayo de tracción Para ensayo de impacto

Figura 2.12: Dimensiones de las probetas terminadas

0,4 45 ± 2o

55 ± 0,6

10

± 0

,1

8 ±

0,1

Ø 6

± 0

,1

30

36

Ø 1

2 ±

0,1

10

60 ± 1

2,5 R 1,5 20 (± 5)

60 (± 5)

12 m

m

300 mm

12 m

m

300 mm

Fresar a 5

mm Fresar a 5 mm

40

5 ± 0,1

48

Tabla 11: Resultados de los ensayos mecánicos aplicados a cupones soldados* con

fundentes CIS-F10; A. – granulados en agua y B. – granulados con aire

Propiedad mecánica Unidades A B

Limite de rotura MPa

438 437

442 440

441 441

Promedio 440,33 439,33

Desviación Estándar 2,08 2,08

Límite de fluencia MPa

322 320

320 323

317 318

Promedio 319,67 320,33


Elongación %

18 20

20 19

21 22

Promedio 19,67 20,33


Estricción %

45 44

46 46

43 44

Promedio 44,67 44,67


Resiliencia J·cm-2

7 7

7 6

6 9

Promedio 6,67 7,33


*Parámetros del régimen de soldadura (400 A, 32 V y vs = 0,27 m·min -1)

El análisis morfológico se realiza en un microscopio óptico “NEOPHOT”, modelo 32,

cuyos resultados (Figura 13) muestran una correspondencia entre los coeficientes de forma

de los cordones y sus respectivas formas de influencia térmica. La microestructura

característica de la unión soldada (Figura 14) corresponde a la de una unión típica de acero

(AISI 1010), soldado con arco sumergido.

49

Figura 13: Macrografías de depósitos realizados con los fundentes CIS-F10, granulado en

agua (A) y con aire (B)

Figura 14: Micrografías de las uniones soldadas realizados con los fundentes CIS-F10,

granulado en agua (A) y con aire (B)

Sin embargo, se evidencia (Figura 13, Tablas 12 y 13) una cierta diferencia en la

profundidad de penetración (8 % más en los cordones realizados con fundentes granulados

con aire que con agua) y en la zona afectada térmicamente (17 % menos de ancho medio de

la zona afectada térmicamente, también para el caso el empleo de fundentes granulados con

aire), lo que conduce a pensar en una concentración de la energía del arco por el efecto de

la presión de la capa de fundente causada por el efecto de la densidad picnométrica y la

menor cantidad de aire intersticial (mayor densidad aparente).

A B

A B

50

Tabla 12: Dimensiones fundamentales de los cordones depositados con fundente CIS-F10

granulado en agua

Replica Profundidad del

cordón (mm)

Ancho del

cordón (mm)

Ancho medio de

la Z.A.T (mm)

Dureza (HV)

promedio en el

cordón

1 (Ferrítica) 5,31 17,19 2,33 216

2 (Ferrítica) 5,93 17,46 2,08 190

3 (Ferrítica) 5,53 17,26 2,05 197

Promedio 5,59 17,30 2,15 201,00

Desviación 0,314 0,140 0,154 13,454

Tabla 13: Dimensiones de los cordones depositados con fundente CIS-F10 granulado con

aire

Replica Profundidad del

cordón (mm)

Ancho del

cordón (mm)

Ancho medio de

la Z.A.T (mm)

Dureza (HV)

promedio en el cordón

1 (Ferrítica) 6,19 17,19 1,92 213

2 (Ferrítica) 6,19 15,26 1,81 202

3 (Ferrítica) 5,85 15,91 1,62 212

Promedio 6,08 16,12 1,78 209,00

Desviación 0,196 0,982 0,152 6,083

La cantidad de fundente consumido en la formación del cordón de soldadura puede

determinarse, a partir de la consideración de un régimen de soldadura compuesto por una

intensidad (Is) de 400 A, un voltaje de arco (U) de 32 V, una velocidad de soldadura (vs) de

270 mm·min-1 y el empleo de un alambre-electrodo (AWS EL12) de diámetro (d) 4 mm.

51

Figura 15: Foto de las escorias

Arriba: de fundente granulado con agua; abajo: de fundente granulado con aire

Los espesores (4 mm.) y anchos (26 mm) aproximadamente similares de las escorias

(Figura 15) concuerdan con una razón de consumo de fundente de 0,73, inferior al

reportado por la literatura especializada [25], dado por un consumo de fundente (2,68

g·cm-1) aproximadamente un 30 % menor que de alambre electrodo (3,68 g·cm-1). A partir

de la composición química reportada por Gómez-Pérez [6] para el fundente fundido

CIS-F10, según el índice de basicidad (B = 0,78) y actividad química (A = 0,6) calculados,

a partir de los criterios de Potapov [4], las escorias son de tipo ácida (B < 1) y reductoras

muy activas (A 0,6) concordante con escorias delgadas de baja razón de consumo [4]. La

configuración geométrica constante y similar entre ambos tipos de escorias presupone una

similitud en los procesos de fusión y endurecimiento de las escorias para ambos tipos de

fundente (granulado con agua y con aire). Este aspecto demuestra una diferencia poco

significativa de la influencia de la forma de los granos, su densidad picnométrica y su

distribución granulométrica sobre la forma de las escorias.

52

2.8. Criterios económicos

La obtención de fundentes fundidos puede representarse, según el diagrama de flujo

mostrado en la Figura 1.

El consumo de tiempo y los gastos energéticos incurridos en el proceso de obtención de

fundentes fundidos, dependen del grado de automatización, la disposición del flujo

productivo y el procedimiento de granulación empleado [47], entre otros aspectos.

Tabla 14. Características del equipamiento empleado en la obtención de fundentes

fundidos en el CIS-UCLV

No

Etapas del proceso de

obtención de fundentes

fundidos

Equipo empleado

en el proceso

descrito

Consumo

de potencia

(kW) (1)

Capacidad

productiva

(kg.h-1) (2)

Tiempos de

explotación

(h) (2)

Consumo

energético

(kW-h.kg-1) (3)

1 Preparación Materias

Primas

Molino de

Mandíbulas 11,2 60,5 1,652 0,185

2 Mezclado y

Homogenización Mezcladora 3,1 21,7 4,608 0,142

3 Fusión Horno de

arco eléctrico 19,8 10,8 9,259 1,833

4 Granulación

Húmeda Piscina de

Granulación 3,3 61,7 1,62 0,053

Con aire Soplador

11,7 122,4 0,816 0,095

5 Escurrido Superficie (10 m2)

inclinada … 160 0,625 …

6 Secado Estufa 18,5 40 2,5 0,4625

7 Calcinado

Horno

de

Cámara

18,7 20 5 0,935

8 Control

Granulométrico

Molino

Tamizador 9,9 61,8 1,618 0,16

Totales Agua 26,88 3,77

Aire 17,95 2,415

1. Datos de los equipos, tomados con valores de voltaje 213 V; cos Φ= 0,7.

2. Media de los datos experimentales obtenidos durante la elaboración de 100 kg.

3. )(kg.h Productiva Capacidad

(kW) potencia de Consumoenergético Consumo

1-

53

En la Tabla 14 se muestran los equipos empleados en la obtención de fundentes fundidos en

los laboratorios del CIS-UCLV. En dicha Tabla se relacionan los datos experimentales de

los consumos energéticos y tiempos necesarios para la obtención de fundentes fundidos,

considerando los procesos de granulación en agua y con soplado de aire.

En la Figura 16a se muestran los por cientos relativos de energía y tiempos consumidos, por

etapas del ciclo productivo, durante la obtención del fundente fundido CIS-F-10 granulado

en agua (a), mientras que en la Figura 16b, durante la obtención del mismo fundente, pero

granulado con chorro de aire.

El número de operaciones conduce a estimar como más costosa y prolongada la obtención

de fundente fundido granulados en agua, cuando se compara (Figura 16a y Figura 16b), con

los obtenidos mediante la granulación por soplado con aire.

Figura 16: Consumo de energía relativa (a) y de tiempos (b) en el proceso de obtención de

fundentes fundidos mediante granulación con agua

1- Preparación de materias Primas (Trituración)

2- Mezclado y Homogenización

3- Fusión

4- Granulación

5- Secado

6- Calcinado

7- Control granulométrico

5

12% 4

1%

6

25%

3

49%

2

4%

1

5%

7

4%

1 - P re p a ra c ió n d e ma te ria s P rima s (T ritu ra c ió n )2 - M e zc la d o y H o mo g e n iza c ió n

4 - G ra n u la c ió n5 - S e c a d o

1

6% 2

17%

3

35%

4

6%

8

6%7

19%

6

9% 5

2%2 - M e zc la d o y H o mo g e n iza c ió n

6 - S e c a d o5 - E sc u rrid o



3- Fusión

4- Granulación

5- Escurrido

6- Secado

7- Calcinado


a) b)

54

Figura 17: Consumo de energía (a) y tiempo (b) relativos en el proceso de obtención de

fundentes fundidos mediante granulación con aire

Del estudio puede concluirse que durante el proceso de obtención de fundentes fundidos

granulados en agua, las operaciones que mayor cantidad de energía necesitan son las de

fusión (49 %), calcinado (25 %) y secado (12 %), mientras que las que las de mayor tiempo

de ejecución son las de fusión (35 %) y calcinado (19 %).

Al eliminar las etapas de escurrido, secado, calcinación y al adicionar los consumos

energéticos de la granulación con aire, puede observarse (Figura 16a) que la obtención de

fundente fundido granulados con aire se consume un 37 % menos de energía y que se

realiza en un 30 % de menor tiempo (Figura 16b), en comparación con la realizada

vertiendo en agua. Este aspecto hace el proceso de granulación con aire más interesante,

desde el punto de vista económico, para los países en desarrollo o con costos relativamente

altos de generación o consumo de la energía eléctrica. Al eliminar las etapas de escurrido,

secado y calcinación, como se observa (Figura 16a y Figura 16b), en el caso de la

b) a)

1

9%

2

26%

3

51%

5

5%

4

9%

2- Mezc lado y Homogenizac ión3- Fusión4- Granulac ión

1

8%2

6%

3

75%

4

4%

5

7%

2- Mezc lado y Homogenizac ión3- Fusión4- Granulac ión



3- Fusión

4- Granulación


55

granulación de fundentes fundidos mediante chorro de aire, el proceso de fusión se

convierte en el más importante consumidor energía (75 %) y de tiempo (51 %). Estos

indicadores aún pueden ser disminuidos incrementando la eficiencia del horno (fuente

energética, recubrimiento aislante térmico y procedimiento de operación).

56

2.9. Conclusiones del Capítulo II

1. En el fundente granulado con aire la suma de las partículas esféricas constituyen el 79,2

%, las deformes un 20,8 % del total y no adecuadas (nodulares y aciculares) un (6 %),

lo que produce una diferencia relativa menor entre la fluidez (34 %) y menor del ángulo

de talud (28,8 %), presentando un menor (aproximadamente un 28,2 %) volumen

relativo de aire intergranular, respecto al fundente granulado en agua.

2. La disminución de la pendiente de crecimiento de la curva de humectación en el

fundente CIS-F10, granulado con aire, respecto al granulado en agua, puede depender

sustancialmente de la diferencia de la forma y compactación interna de los granos.

3. Se evidencia una mayor penetración (8 %) y un menor ancho medio (17 %) de la zona

afectada por el calor en los cordones realizados con fundentes granulados con aire, que

en los realizados empleando fundentes granulados en agua, no apreciándose diferencias

significativas en la estructura ferrítica de los cordones de soldadura, ni entre las

propiedades mecánicas (> 1 %) al emplear ambos tipos de fundentes.

4. La configuración geométrica constante y similar entre ambos tipos de escorias

(espesores 4 mm y anchos 26 mm) presupone una similitud en los procesos de fusión y

endurecimiento de las escorias con una razón de consumo de fundente similar (0,73)

para ambos tipos de fundentes (granulado con agua y con aire). Este aspecto demuestra

una diferencia poco significativa de la influencia de la forma de los granos, su densidad

picnométrica y su distribución granulométrica sobre la forma de las escorias.

5. Durante la soldadura de piezas planas y circunferenciales con arco sumergido, es

importante considerar que los granos esféricos del fundente granulado con aire

57

disminuyen el talud o ángulo de acomodamiento y el autofrenado de los granos;

mientras que en el caso de los fundentes fundidos obtenidos por granulación en agua,

al tener filos y puntas, unido a la distribución granulométrica que adquieren, se

autofrenan con mayor facilidad.

6. Durante el proceso de obtención de fundentes fundidos granulados en agua, las

operaciones que mayor cantidad de energía necesitan son las de fusión (49 %),

calcinado (25 %) y secado (12 %), mientras que las que las de mayor tiempo de

ejecución son las de fusión (35 %) y calcinado (19 %). La obtención de fundente

fundido granulados con aire se consume un 37 % menos de energía y que se realiza en

un 30 % de menor tiempo, en comparación con la realizada vertiendo en agua. Para el

caso de la granulación de fundentes fundidos mediante chorro de aire, el proceso de

fusión se convierte en el más importante consumidor energía (75 %) y de tiempo

(51 %). Estos indicadores aún pueden ser disminuidos incrementando la eficiencia del

horno (fuente energética, recubrimiento aislante térmico y procedimiento de operación).

58

CONCLUSIONES GENERALES

1. La solidez de los granos, con una distribución granulométrica más continua, hacen que

la densidad aparente del fundente fundido granulado con aire sea mayor que el

granulado en agua, no siendo así el ángulo de apilamiento donde producto de la forma

esférica de los granos es menor que para el fundente granulado en agua; la humedad

absorbida por este tipo de fundente y la cantidad de aire intergranular también es

menor en comparación con el granulado en agua.

2. La altura de la capa y las densidades (picnométrica y aparente) de ambos fundentes,

modifican la presión sobre el arco de soldadura, la forma de la columna del arco y su

profundidad de penetración.

3. Existe una diferencia poco significativa de la influencia de la forma de los granos, su

distribución granulométrica y la densidad picnométrica de ambos fundentes sobre la

forma de las escorias.

4. No existen diferencias significativas en las propiedades mecánicas (limite de rotura,

limite de fluencia, elongación, estricción y resiliencia) de los depósito de soldadura,

realizados con el fundente fundido CIS- F10 granulado en agua y con aire.

59

RECOMENDACIONES

1. Estudiar el proceso de fragmentación y determinar las correlaciones existentes entre

los fluidos en contacto para estimar el tamaño de grano medio a obtener.

60

REFERENCIAS

1. Pérez-Pérez, D.G., C, Fundente fundido con granos esféricos y procedimiento de

obtención., in CU 23122 A1. 2006: Cuba.

2. Konishi, T., Production of fused flux for submerged arc weldind. 1985: Japan.

3. Gómez, C., Algunas consideraciones sobre la obtención de fundentes fundidos.

Construcción de Maquinarias, 1993. No 2.

4. Potapov, N.N., Materiales para la soldadura por arco eléctrico. 1989, Moscú:

Construcción de Maquinaria. 544.

5. Kohozo Baba, H.I.N., Miyazaki, Method of manufacturing granulated ferronickel.

1980: Unit States.

6. Gómez, C., Obtención de fundente fundido para la SAW a partir de rocas minerales

cubanas, in Centro de Investigaciones de Soldadura. 1996, Universidad Central

"Marta Abreu" de Las Villas: Santa Clara. p. 104.

7. Gyoichi Suzuki, T.R.A.Y., Process for recovering and utilizing usefull substances

from molten metal produced during reduction treatment of steel slags. 1981: Unit

States.

8. Quintana, R., Gómez, C., Concepción metodológica en la confección de matrices

vítreas para fundentes aglomerados destinados a la soldadura automática a partir

de caolín y dolomita. Soldagem & Inspeçao, 2006. 11/(2): p. 85 - 92.

9. Cruz, A., Gómez, C., Obtención por fusión de un fundente para la soldadura por

arco sumergido del sistema MnO - SiO2 – CaO – Al2O3 – CaF2. . Soldagem &

Inspeçao, 2006 11(2): p. 102 - 111.

10. Francisco Martín, W., Metodología de la investigación. 2006, Cienfuegos: Editorial

Universidad de Cienfuegos. 137.

11. Shuichi, A., Fabricación de fundente de tipo fundido con bajo hidrógeno y baja

densidad para la soldadura bajo arco sumergido. 1990: Japan.

12. Saneji, N., Producción de fundente fundido. 1981.

13. Pérez Pérez, D., Procedimiento para la determinación de los parámetros de origen

del proceso de dispersión de granos de fundentes fundidos fragmentados con aire y

criterios sobre su aplicación Revista Zulia, 2009.

14. Pérez Pérez, D., Potencialidades de la granulación horizontal con aire del fundente

fundido CIS-F10. Soldagem&Inspecao, 2008. Vol. 13(3).

15. Gómez, C., Fundente fundido para la soldadura automática bajo arco sumergido y

procedimiento de su obtención. Patente 2000 - 0023. 2005: Cuba.

16. Gómez, C.Q., R., Algunas consideraciones sobre la formación de estructuras

vitreas en fundentes fundidos. . Construcción de Maquinarias, 1994. Enero-marzo.

17. Apps, R.L.R.D.M., Welding Handbook. 8a. Ed ed, ed. A.W. Society. Vol. 1 al 4.

1998.

18. Procedimiento de obtención de fundentes. 1974, B23K35/36: Rusia.

19. Kuzmienko, B.G.e.a., Empleo de la granulación con aire para el incremento de la

calidad de fundentes de soldadura (en ruso). Soldadura Automática, 1986. 11: p. p.

56-59.

20. Pérez-Pérez, D., Potencialidades de la granulación horizontal con aire del fundente

fundido CIS-F10. Soldagem&Inspecao, 2008. Vol. 13(3).

61

21. Gómez, C., Evaluación de uniones soldadas obtenidas con fundentes fundidos

desarrollados con minerales cubanos. Minería y Geología, 2000. XVII(No.1): p.

61-65.

22. Best, A., Quimica del estado solido. Teoria y Practica. 1988: Edit. Mir. Moscú.

23. Anónimo, AWS D1.1 Structural Welding Code-Steel. 19th Edition ed. 2004 Miami,

Florida: American National Standard. 488 pp.

24. Gómez, C., Evaluación y diagnóstico de consumibles soldadura por arco eléctrico.

Revista Energética 2000. XXII(No. 2).

25. Pozo Morejón, J., Apuntes para el establecimiento de una tecnología de soldadura

por arco eléctrico. 2000, Santa Clara. 54.

26. Ramírez, J. Soldadura por Arco Manual con Electrodo Revestidos. Shielded Metal

Arc Welding. SMAW. 2008 [cited 2008 06/06/08]; Available from:

http://www.monografias.com/trabajos7/elecrev/elecrev.shtml.

27. Ramos, F., Empleo de MatWeb para la determinación de las propiedades de los

materiales base, in Proyecto de Ingeniería Mecánica I. Soldadura. 2008: CIS.

UCLV.

28. Pérez Pérez, D., Potencialidades de la granulación horizontal con aire del fundente

fundido CIS-F10. Soldagem&Inspecao, 2008. Aceptada para Publicar(3).

29. Quintana, R., Gómez, C., Influencia del Aire Ocluido en la Capa de Deposición de

Fundentes durante la Soldadura Automática: un Aspecto Tecnológico a considerar

en la Calidad del Cordón (The Influence of the Air occluded in the Deposition

Layer of Flux during the Automatic Welding: a Technological Aspect to consider in

the Quality of the Cord). Soldagem&Inspecao, 2007. 12(4).

30. Cruz, A., Gómez, C., Estudio de los vínculos de la composición de un fundente

fundido con su estructura y propiedades (Study of the relationship between the

composition of a bonded flux with his structure and behaviors).

Soldagem&Inspecao, 2007. 12(4): p. 305-315.

31. Quintana, R., Gómez, C., Aire ocluido en la deposición de fundentes granulados, un

aspecto tecnológico a considerar durante el proceso SAW, in COMEC 2006. 2006:

UCLV.

32. García-Rodríguez, A., Valoración del Desempeño de un Dispositivo de

Autoalimentación Diseñado para la Evaluación Operativa de Electrodos

Revestidos. Soldagem&Inspecão, 2009. São Paulo. 14, No. 1: p. 058-065.

33. Rodríguez, M., Consideraciones sobre la interrelación químico – física del rutilo en

la estabilidad del arco. Revista Construcción de Maquinaria, 1993. 1.

34. Cruz, A., Fundente al manganeso para la soldadura por arco sumergido de domos

de calderas de centrales azucareros. Centro Azúcar, 2001. 1: p. 63-68.

35. Portal, G., Desarrollo de fundentes no fundidos para el relleno de rodillos de

bulldozer y piezas que trabajan en condiciones similares. 1994, Centro de

Investigaciones de Soldadura: Santa Clara. p. 100.

36. AWS, ANSI /AWS A5.17/ A5.17M-97. Specification for Carbon Steel Electrodes

and Fluxes for Submerged Arc Welding. Supersedes An American National

Standard. 1997.

37. Gómez, C., Caracterización física y mecánica de uniones soldadas obtenidas con

fundente fundido CIS F10. Minería y Geología, 2001. 17 (2).

38. Particle Shape Analysis, in ISO 3252.

39. Flow of metal powders, in ISO 4490.

http://www.monografias.com/trabajos7/elecrev/elecrev.shtml

62

40. Standard Test Method for Flow Rate of Metal Powders, in ASTM B213

41. Valencia Morález, A., Consideraciones teóricas de las curvas de sorción-tiempo, in

V Simposio de soldadura. 1993: CIS-UCLV.

42. Durlik, J., Influencia de la humedad del fundente en las propiedades de las uniones

soldadas. (en polaco). 1974. p. 80 pp.

43. Alfonso, C.A. Valoración de la higroscopicidad en matrices cerámicas. in III

Simposio de soldadura. 1990. CIS-UCLV.

44. Quintana Puchol, R., Algunas consideraciones sobre la humectación de electrodos

básicos. Construcción de Maquinarias, 1989. N. 3: p. 46-51.

45. Gómez, C., Obtención de fundente fundido para la SAW a partir de materias primas

minerales cubanas, in CIS. 1996, UCLV: Santa Clara. p. 100.

46. Especificación para fundentes y electrodos de baja aleación para la soldadura por

arco sumergido, in AWS A5:17: US.

47. Gómez, C., Fundente fundido para la soldadura automática bajo arco sumergido y

procedimiento de su obtención. 2004: Cuba.

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