Universidad Central de Venezuela

Facultad de Ingeniera

Escuela de Ingeniera Metalrgica y Ciencia de los Materiales

Departamento de Qumica-Altas Temperaturas

DESGASIFICACIN

Realizado por:

Guacare Lorena C.I: 21455685

Zorrilla Katherine C.I: 18.002.035

Caracas, febrero de 2015

INTRODUCCIN

El acero contiene elementos perjudiciales que deben eliminarse antes de su

solidificacin. Para reducir al mximo el contenido de estos gases se somete al acero

lquido a un tratamiento al vaco conocido con el nombre de desgasificacin.

El proceso de desgasificacin es un mtodo de afino del acero. Consiste en liberar la

mayor cantidad de sustancias gaseosas retenidas en su interior a travs de la combustin del

carbono y otras impurezas del acero presentes en el arrabio. Estos gases son el CO propio

de la efervescencia, el H2 propio del vapor de agua, y el O2 y el N2 procedentes del aire.

DESGASIFICACI DEL ACERO

El objeto de la desoxidacin de los aceros es la eliminacin del oxgeno del bao,

dado que la reaccin entre oxgeno y el carbono es la ms importante, y la que con mayor

frecuencia puede originar defectos en las piezas fundidas. El mtodo ms frecuente es

mediante el uso de elementos desoxidacin que tengan avidez por el oxgeno superior a la

del carbono, y que al combinarse con l se formen compuestos estables, insolubles, que

puedan flotar en el bao. Por otro lado hay que considerar la influencia negativa que estos

elementos pueden tener sobre las propiedades del acero, dado que pueden formar

compuestos nocivos que afecten a las propiedades mecnicas del acero.

Otras opciones son la desoxidacin mediante al carbono del acero, trabajando en

vaco, aunque esta operacin, adems de compleja, no es suficiente para solucionar el

problema por s misma. La colada bajo vaco da magnficos resultados en la eliminacin del

hidrgeno, pero tiene el problema del coste de la instalacin y su explotacin. La porosidad

en las fundiciones es ms frecuente en las piezas coladas en arena verde que en las piezas

coladas en moldes de arena qumica. Ello es debido al vapor de agua formado en la

superficie, que provoca la disolucin de oxgeno e hidrgeno en el acero. Esto es

especialmente destacable en los aceros de alto carbono. Es por esto que el adecuado control

de hmeda de los moldes, la permeabilidad de la arena y la presencia de salidas adecuadas

para los gases tienen gran importancia en esta forma de moldeo, junto con el uso de

elementos desoxidantes.

PROCESO DE DESGASIFICACIN DE METALES

Fundamentos de Reacciones Gas Metal:

Gases Diatmicos:

La solubilidad de un gas en un metal es una funcin de la presin del gas en

equilibrio con el metal lquido. La solubilidad del gas diatmico nitrgeno es proporcional

a la raz cuadrada de la presin de Nitrgeno que est en equilibrio con el fundido. Esta

relacin ha sido conocida por la ley de Sieverts y sigue directamente las consideraciones

del equilibrio en la reaccin:

1

22 =

Donde la constante de equilibrio puede ser expresada como:

=

2=

(%)

2

La solubilidad del Nitrgeno es directamente proporcional a la raz cuadrada de la

presin de nitrgeno por nitrgeno disuelto en hierro lquido. El coeficiente de actividad de

nitrgeno en el metal lquido puro es 1, y es independiente de la concentracin, de la

presin de Nitrgeno, hasta una presin atmosfrica severa. De este comportamiento, el

seguimiento de un gas diatmico tal como el Nitrgeno se disuelve monoatmicamente en

un metal lquido a alta temperatura. La ecuacin anterior puede ser reescrita como:

% = 2

Una similar relacin se puede escribir con otros gases diatmicos.

La solubilidad de un gas en una aleacin es tambin funcin de la concentracin

de los solutos en la aleacin. Como un ejemplo, la influencia de los elementos aleantes en

la solubilidad de nitrgeno en el hierro lquido es mostrada en la siguiente figura:

Fig.1: Porcentaje en Peso de Nitrgeno Vs Porcentaje en peso de elementos aleantes

Si la constante de equilibrio K permanece fija, un cambio en la solubilidad de

Nitrgeno ocasionada por la presencia de un elemento aleante puede ser representado por

un cambio correspondiente en el coeficiente de actividad fN habitualmente se toma la

solucin infinitamente diluida de nitrgeno como estado de referencia.

lim%0

[

%] = = 1

El estudio de la solucin de Nitrgeno por medio de la Ley de Sieverts, en

soluciones de Fe N, el valor de fN sigue siendo uno y el parmetro de Nitrgeno de libre

interaccin es cero. Como resultado del estado de referencia tomado, el coeficiente de

actividad del nitrgeno en una aleacin de Fe con otro elemento J, se obtiene por medio

de la siguiente ecuacin:

= [%( )

% ()]PN2, T

Una grfica del logaritmo del coeficiente de actividad del Nitrgeno en hierro

lquido en funcin de tres elementos aadidos, se observa a continuacin:

Fig.2: Logaritmo del coeficiente de actividad del Nitrgeno en hierro lquido en

Funcin de tres elementos aadidos

La pendiente de una curva tomada de un elemento de aleacin acercndose a una

concentracin cero, representa el parmetro de interaccin. En la tabla N 1 se muestra a

continuacin se tiene el cambio de energa libre para la solucin de varios gases en

solventes de metal lquido:

Tabla 1: Energa libre para diversas soluciones.

Gases Compuestos:

La constante de equilibrio puede ser escrita por las reacciones entre los gases

disueltos en metales y otros constituyentes en la solucin. Por ejemplo el equilibrio de la

presin parcial de CO sobre el acero lquido es una funcin de las actividades del carbn y

el oxgeno en el metal lquido. Lo vemos con la siguiente expresin:

+ =

Donde la constante de equilibrio se escribe como:

=

.

Pudindose reescribir de la siguiente forma:

= . .

Lo que indica que la presin parcial de CO en equilibrio con el acero es determinada

por la constante de equilibrio y el producto de las actividades del carbn y el oxgeno en

solucin. Esa ltima expresin implica una relacin hiperblica entre la concentracin del

carbn y el oxgeno en hierro lquido para una presin dada de CO. En la figura siguiente se

muestra este comportamiento hiperblico para 1 atmosfera de presin de CO.

Fig. 3: Porcentaje de Peso de Oxgeno Vs Porcentaje de Peso de Carbn

Esta grfica tambin muestra una evaluacin elctrica promedio y de la chimenea

del horno donde la composicin del bao de acero est ligeramente sobre el equilibrio con

una presin de 1 atmosfera de CO. Si el coeficiente de actividad para el oxgeno o el carbn

puede ser influenciado por las concentraciones de otros elementos, la relacin ya no sera

perfectamente hiperblica. La presencia de otros solutos puede ligeramente influenciar la

forma de la curva de equilibrio, mientras que la posicin de la curva de equilibrio queda

influenciada por la presin de CO. Por otro caso, si consideramos la disolucin de un

componente que contiene una especie atmica de un componente gaseoso. Por ejemplo, la

solubilidad producida por el Nitruro de Aluminio est dada por la reaccin:

= +

Donde la actividad del nitruro es tomada como uno (1) y la constante de equilibrio

es expresada como sigue:

=.

= .

Si combinamos esta expresin con la ya expuesta en prrafos anteriores:

=

2=

(%)

2

Se puede entonces determinar la presin parcial del nitrgeno en equilibrio con una

fundicin que contiene un porcentaje en peso de aluminio y en contacto con el nitruro de

aluminio, previsto de coeficientes de actividades conocidas. La reaccin podra ser

expresada como:

=1

22 +

Donde la relacin de equilibrio est dada por:

= (2). . (%)

El coeficiente de actividad del aluminio fAl, es una funcin de la composicin de la

fundicin y est determinada por la concentracin del aluminio y nitrgeno disuelto y sin

otro elemento aleante que pueda estar presente. Durante la desgasificacin de la del acero

fundido, el carbn disuelto puede reaccionar con los refractarios, un ejemplo de ello se

expone en la siguiente ecuacin:

(s) + = (g) + (g)

El soporte experimental para este fenmeno ha sido desarrollado por Bennett, quien

mostr que el carbn se perda por la reaccin con un refractario de magnesio bajo el vaco.

Reacciones similares pueden ser tomadas con slice y almina. Los refractarios usados para

desgasificacin poseen una resistencia necesaria para este tipo de ataque. La mayor

estabilidad termodinmica de la almina sobre el vaco en condicin de desgasificacin

permite soportar este proceso.

DESGASIFICACIN AL VACO:

Es una operacin que es capaz de producir metales lquidos que contienen muy

bajas concentraciones de gases disueltos. En este proceso, el metal lquido se lleva a un

recipiente cerrado a presiones extremadamente bajas. El mecanismo por el cual se eliminan

los gases disueltos es esencialmente el mismo que de difusin a travs de una capa lmite en

la superficie y la evaporacin desde esa superficie hasta el espacio de vapor que est por

encima. Puesto que la presin parcial de los gases disueltos por encima de la superficie de

la masa fundida es extremadamente baja en el vaco y permanece as durante toda la

operacin, el proceso es una forma muy efectiva de eliminar gases disueltos.

Suponiendo que el paso de control de velocidad sea la difusin de especies atmicas

del componente gaseoso a travs de una capa lmite en el metal, la cintica de los procesos

de desgasificacin al vaco se pueden describir por la ecuacin:

=

.

Donde:

A: Gas de la interface gas metal

V: Volumen del metal.

C: Concentracin del gas disuelto.

Puesto que la concentracin en la interface Gas-metal se asume que est en

equilibrio con la fase de gas, en este caso, en el vaco, el gradiente de concentracin est

dada por la relacin C/. Si el proceso se lleva a cabo a presiones reducidas en lugar de ser

bajo vaco, el gradiente estar dado por (C-CE)/, donde CE es la concentracin del gas

disuelto en equilibrio con su presin parcial reducida en el atmosfera del proceso.

La ecuacin anterior puede ser integrada a:

log (

) =

2.3

DESGASIFICACIN INERTE AL RAS O NIVELADO:

La desgasificacin inerte al ras es un proceso para remover un gas disuelto de un

metal lquido, por medio de un inerte burbujeo o a travs de un gas insoluble del metal

lquido. La solubilidad del gas disuelto es una funcin de la presin parcial de los

componentes en la fase de gas con que el material est en contacto. La exposicin de una

fundicin a una atmosfera que es muy diluida en el gas disuelto proporcionar una fuerza

impulsora para la eliminacin del gas disuelto. El mecanismo para la eliminacin del gas

disuelto en el metal lquido implica la difusin hacia la superficie de la fundicin, reaccin

en la superficie y subsecuente eliminacin de la fundicin. Consecuentemente ningn

proceso que proporcione una atmosfera diluida y que adems acorte el recorrido de

difusin, o proporcione una alta rea superficial, debe proporcionar un medio ms rpido

para retirar el gas disuelto. El soplado de un gas inerte al ras a travs de un metal lquido

como una dispersin fina de burbujas es un proceso de este tipo.

Un proceso en Equilibrio:

Los procesos en ingeniera son importantes in la velocidad de soplado inerte de

desgasificacin para la eliminacin del gas disuelto. Si se asume que el soplado del gas est

en equilibrio con la fundicin cuando sale de la superficie de la misma, que la presin del

gas disuelto en las burbujas saliendo de la fundicin es igual a la presin parcial de

equilibrio para las concentraciones instantneas de gas disuelto en la fundicin. La relacin

diferencial sera:

G = (F + G). [G

G + F]

Donde

NG: Pies cbicos de gas disuelto.

NF: Pies cbicos de gas de barrido.

PG y PF: Respectivas presiones parciales en la burbuja de gas existente.

Si la presin total en el sistema es de una (1) atmosfera entonces

G + F = 1 , y la ecuacin puede reescribirse como:

G = (G). [1 + G

G]

Para el caso en el que la disolucin del gas es diatmica, la presin de equilibrio del

gas disuelto PG est relacionada con la concentracin de gas disuelto por la ley de Sieverts.

G = G(G)1

2

Integrando una de las ecuaciones previamente expuestas, para determinar el

volumen del gas, se tiene:

F

0

= [7580

] G2. [

G

G2]

o

F = [7580

] G2. [

1

1

o]

Esta expresin variara ligeramente cuando otros tipos de gases son considerados.

ELEMENTOS DESOXIDANTES

Los desoxidantes ms empleados son el aluminio, el silicio y el manganeso. En la

figura 4 puede observarse la actividad de diferentes elementos desoxidantes. En la misma

se puede apreciar como el desoxidante ms enrgico es el circonio, seguido por el aluminio

y el titanio, y entre los de menor poder desoxidante se encuentran, el vanadio, el cromo y

manganeso.

Fig. 4 actividad del oxgeno Vs Actividad de los desoxidantes.

EL HIDROGENO EN EL ACERO

Este gas crea a veces problemas sobre todo cuando se fabrican piezas moldeadas de

acero de grandes dimensiones. En las piezas de gran dimetro y de responsabilidad, la

presin de hidrogeno en el acero slido, an en pequeas cantidades ocasionas defectos

denominadas flakes, hair lines, crack, copos, entre otros; que son perjudiciales y obligan

a realizar numerosas investigaciones para evitarlos. Estos defectos d manifiestan en las

piezas rotas, donde aparecen en la superficie defectuosa como machas brillantes.

Fig. 5 Solubilidad del hidrogeno en el hierro a distintas temperaturas.

La cantidad de hidrgeno que contienen los baos de acero depende de la presin

parcial de hidrgeno en la atmsfera situada sobre el metal fundido. La concentracin de

hidrogeno en el acero est regida por la ley de Sievert que indica que es proporcional a la

raz cuadrada der la presin parcial del hidrgeno y viene dada por la expresin:

El NITRGENO EN LOS ACEROS

El nitrgeno crea ocasiones dificultades en los aceros por producir fragilidad y

reducir la ductilidad. En el estado lquido el acero puede llegar a contener hasta 0,0450% de

nitrgeno.

Fig. 6 Solubilidad de nitrgeno en el hierro.

Este puede fijarse en el acero como compuestos complejos por la accin de ciertos

elementos como Al, Ti y Zr que forman nitruros.

La baja eliminacin de nitrgeno en el acero es probablemente debida a la menor

velocidad de difusin del nitrgeno, que es mucho ms baja que la del Hidrgeno. Aqu no

se puede llegar a los lmites de eliminacin sealados por la ley de Sieverts.

EL OXIGENO EN EL ACERO

La cantidad de oxigeno que pueden disolver los aceros aumenta con la temperatura

y disminuye con el contenido de carbono.

Fig. 7 Solubilidad del oxgeno en el hierro.

CONCLUSIONES

La desgasificacin general, se dividen en: Fundamentos de Reacciones Gas-Metal

para Gases Diatmicos, esta se rige por la ley Sieverts que establece que la solubilidad del

gas diatmico nitrgeno es proporcional a la raz cuadrada de la presin de Nitrgeno que

est en equilibrio con el fundido. Seguido por, los gases compuestos que plantean que la

constante de equilibrio puede ser expresada por las reacciones entre los gases disueltos en

metales y otros constituyentes en la solucin. Por lo que, la desgasificacin del acero

fundido, genera que el carbn disuelto puede reaccionar con los refractarios, causando la

prdida de masa del Carbono. Se tiene que, la desoxidacin es un proceso que permite

eliminar el oxgeno presente en el bao, ya que esta puede causar defectos en el material.

Por otra parte, la desgasificacin al vaco es una operacin que permite tener una baja

concentracin de gases disueltos, el cual consiste en un proceso, donde metal lquido se

lleva a un recipiente cerrado a presiones extremadamente bajas. Por lo que, la desoxidacin

a vaco es muy compleja, pero elimina de manera eficiente la presencia de hidrgeno.

Por ltimo, la desgasificacin inerte a ras o nivelado es un proceso que permite

remover el gas disuelto en un metal lquido. Por tanto, los desoxidantes ms empleados son

el aluminio, el silicio y el manganeso.

BIBLIOGRAFA

PEHLKE R., Unit Processes of Extractive Metallurgy. American

Elsevier Pubblishing, 1973.

MACKOWIAT J, Fiscoquimica para metalrgicos Tecnos. Madrid

1972.