Obturacion de buzas de cuchara : caso de aceros de alto carbono calmados a1 silicio-manganeso-aluminio

Obturacion de buzas de cuchara : caso de aceros de alto carbono calmados a1 silicio-manganeso-aluminio* Jorge Madias**, Ruben Varela*", Horacio Reggiardo*" y Victor Pagliano***

Para estudiar problemas de colabilidad de aceros destinados a la colada continua de palanquillas, se desarrollb una metodologta consisten te en investigar 10s depcisitos en buzas y las microinclusiones en el acero, asi como analizar el sistema de desoxidacicin, estableciendo modelos termodindmicos que permitan prever la formacicin de fases oxidadas desfavorables. En este trubajo se presenta el caso de aceros de alto carbono, calmados a1 siliciemanganeso con una pequeiia adicibn de aluminio. De 10s estudios realizados surge que el depbsito en la buza estaba formado por cristales de hexa-aluminato de calcio ( y tambikn de espinela y altimina alfa), inmersos en una matriz vttrea rica en Al, Si, Ch y Mn. Las microinclusiones presentes en el acero eran homogkneas y conten fan Al, Mn, Si y Ch, proveniendo btas, de la desoxidacidn con ferrosilicio, silicomanganeso, siliciuro de calcio y aluminio. Para evitar la obturacicin de la buza hay que formar inclusiones ltquidas a la ternperatura de colado. Analizando el sistema de desoxidacibn Fe-Mn-Si-Al-0, se pueden establecer las condiciones que permitan evitar la forrnacibn de inclusiones que pertenezcan a1 campo de estabilidad de la altimina

c. El estudio del sistema de desoxidaci6n correspondiente, para establecer diagrams de equilibrio entre el acero y las inclusiones, y poder asi predecir la formaci6n de fases desfavorables basindose en datos termodinitmicos. d. El anasis de datos y muestras de coladas industriales con buena y mala colabilidad, para corroborar la predicci6n del mod e l termodinimico. ~ e. En funci6n de todo lo antedicho, ajustar la prictica operativa para evitar la formci6n de fases desfavorables desde el punto de vista de la colabilidad. En este trabajo se expone el caso de aceros de alto carbono, calmados a1 manganso, silicio y aluminio, que durante un periodo de 1988 presentaron dificultades por disminuci6n del caudal de acero desde la cuchara a1 repartidor. Se describe el proceso de desoxidaci6n usado y su anasis en base a la termodinimica, apuntando a evitar la formaci6n de dep6sitos. Se analizan 10s resultados del estudio de un dep6sit0, y se extraen conclusiones respecto de su origen y formaci6n.

Desoxidaci6n de 10s aceros de alto carbono

Durante la realizaci6n de estudios sobre problemas de colabilidad en aceros destinados a la colada continua de palanquillas en ACINDAR Planta 2, se fue desarrollando una metodologia de trabajo consistente en: a. El andisis de datos de las coladas con obturacih, para descartar aquellas con temperaturas bajas y detectar posibles variaciones en la prictica operativa. b. El estudio de muestras de buzas correspondientes a coladas en que se presentaban dificultades por baja colabilidad, mediate diversas t6cnicas. Tambien el anilisis de microinclusiones sobre muestras de proceso ylo de serniprodu'cto correspondientes a distintas coladas.

* Trabajo presentado en las Jornadas MetaMrgicas de la Sociedad Argentina de Metales (Morbn, mayo 1989), que obtuvo el Premio del Instituto Nacional de Tecnologia Industrial (INTI) a1 "Mejor Trabajo de Desarrollo Tecnolbgico". ** Direcci6n de lnvestigaciones Industriales, Instituto Argentina de Siderurgia. *** Metalurgia y Desarrollo Aceria A.S.E., ACINDAR. Siderurgia 5 0 - Buenos Aires - ISSN 0325-0520 - Marzo 1991

La prictica de desoxidaci6n de 10s aceros de alto carbono destinados a obtener palanquilla por colada continua a chorro libre debe satisfacer, entre otros, 10s siguientes requerirnientos: Adecuada relaci6n entre Si y Mn para evitar problemas durante el colado, fundamentalmente en el molde. Nivel de oxidaci6n minimo para evitar aparici6n de sopladuras. Inclusiones liquidas, que no formen dep6sitos en las buzas.

A esto se le surnan requerimientos relacionados con 10s procesos posteriores de transformci6n y el uso final. Por ejemplo, inclusiones deforrnables si el material debe ser trefilado, y propiedades mecinicas acotadas en funci6n del uso final. Todo esto determina que se deba realizar una desoxidaci6n compleja con silicio, manganese y aluminio. El acero se obtiene por fusi6n oxidante en el horno elkctrico, con un contenido de carbono bajo. Durante el sangrado del horno, se realiza una serie de adiciones para desoxidar y acercarse a la composici6n quimica deseada: recarburante, ferrosilicio, silicomanganeso, siliciuro de calcio y aluminio. La cantidad de aluminio que se agrega es pequefia, y esti en funci6n del contenido de carbono en el acero antes del sangrado. Luego, el acero es calentado en el horno de cuchara a la temperatura de colada, y se le hace el ajuste final de la composi-

ci6n quimica y el nivel de oxidaci6n. El modelo de previsi6n inclusionaria desarrollado por Fujisawa y Sakao para el sistema Fe-Mn-Si-Al-0, perrnite predecir qu6 tip0 de inclusiones estartin en equilibrio con el acero liquid0 para la condici6n Mn + Si = 1 (1). Se establecen las actividades de 10s constituyentes en el sisterna Si02-MnO-A124por medio de consideraciones termodinAmicas. Con estos resultados, se estiman las relaciones de equilibrio entre el acero y 10s 6xidos a una dada temperatura, construykndose diagrams como el de la Figura 1.

Estudio de una buza de cuchara obturada En marzo de 1988 se produjo, con cierta frecuencia, la disminuci6n del caudal de acero entre la cuchara y el repartidor durante el colado de aceros de alto carbono. El anAlisis de 10s datos recogidos para estas coladas, permiti6 establecer que no se trataba de un problem de baja temperatura del acero. Luego de una colada en que se present6 el hecho, se extrajo la buza inferior de la vhlvula de la cuchara.

La cuchara utilizada tenia revestimiento dolomitico. Un detalle del disefio de la irtilvula puede verse en la Figura 2.

Fig. 1 - Relaci6n entre el cociente Mn/Si y el contenido de oxigeno disuelto en el acero liquido, a 1535 OC. Coladas de acero 1080 con obturaci6n de buza de cuchara.

A1 iniciar la colada, h temperatura del acero en la cuchara era de 1525 "C. La actividad de oxigeno, medida a1 finalizar el proceso en el horno cuchara, era de 18 ppm. En la Tabla 1 se presenta el aniilisis del acero en distintas etapas de su elaboraci6n.

La buza inferior tenia un dep6sito de particulas no mettilicas de color azul, de unos 7 mm de espesor, en toda su longitud (Figura 3). Sobre este dep6sito se efectu6 un antilisis quimico, asi como difractometria, microscopia bptica, microdureza y rnicroandisis semicuantitativo. Como resultado de 10s estudios puede inferirse que la parte no mettilica del dep6sito estaba constituida por cristales de hexa-aluminato de calcio (minoritariamente, alomina alfa y espinela) in-

Tabla 1 - Evoluci6n de la composici6n del acero durante la colada.

"orno elictrico

Llegada horno cuchara

Salida horno cuchara

Palanquilla

Fig. 2 - Esquema de la vilvula de cuchara.

mersos en una matriz vitrea rica en silicio, alurninio, calcio y manganese. El a d i s i s quimico global del dep6sito era:

A 1 2 4 79,3 FeO 1,6 %.

%;

Sic& 11,2 %; MgO 3 %; CaO 2,9 %; MnO 1,7 %;

El dep6sito presentaba algunas variaciones desde la pared de la buza hacia el interior. En la interfase entre el refractario y el dep6sito se observaba aliunina en forma de listones, sobre una matriz rica en Al, Si y Mn (Figura 4). Luego se presentaba una capa de poco espesor, con predominio de cristales de allimina (Figura 5).

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Finalmente, en el grueso del dep6sito predorninaba, con una coloraci6n azul f~cihnentevisibie, el hexa-duminato de calcio sobre una rnatriz rica en Al, Si, Ca y Mn (Figura 6). El tamafio de 10s cristales era muy variable, entre 3 y 30 pm. Utilizando palanquilla correspondiente a esta colada, se hizo el anasis de algunas microinclusiones. El diiimetro de las microinclusiones globulares vari6 entre 5 y 10 pm. La composicibn qufmica vari6 dentro del siguiente rango:

O

: 4 a 1 0 ° / ~ ; MgO:

l a 7O10;

Fe0:5a10%;

TiOZ:2a5%

Se trataba de inclusiones homogdneas sin variaciones de composici6n dentro de una inclusi6n dada.

Analisis de resultados Conociendo el anfisis de silicio y manganeso, la actividad de oxigeno, y la temperatura del acero en la cuchara antes del inicio de la colada, puede plantearse cukl es la situaci6n de equilibrio en base a1 modelo de Fujisawa y Sakao.

5 mm

Fig. 3 - Probeta de microscopia: dep6sito no metilico azul, con particulas de acero (derecha) sobre buza de alta alGrnina (izquierda).

Sobre la Figura 1 puede verificarse que, para 10s valores de Mn, Si y a 0 de esta colada, pueden coexistir al~minay 6xidos liquidos en equilibrio con el bafio. Para evitar la formaci6n de alfimina, la actividad de oxigeno deberia haber sido levemente superior. Las caracteristicas del depbsito pueden dar lugar a dos interpretaciones respecto de su formaci6n: a - La formaci6n de inclusiones de hexa-aluminato de calcio durante la desoxidaci6n en el sangrado, y su posterior dep6sito en la buza. b - La formaci6n del hexa-aluminato de calcio durante el enfriamiento de una masa viscosa de inclusiones depositadas en la buza. --

El hexa-aluminato de calcio podria haberse formado durante el sangrado, debido a las adiciones de alurninio y siliciuro de calcio.

Fig. - Inte rfase refrac tario-dep6siito. Listones de a1 ~ i n ay rnatriz con 39 01. MnO1; 34 % SiO,; 18,5 A1,O ,;5 %MgO;,2 010 CaO ;y 1,s 010 TiO,.

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Fig. 5 - Capa inicial del depbsito. Cristales de albmina (A) y de hexa-abminato de calcio (CA,). (1) 33 % MnO; 25 OIO TiO,; 21 a SiO,; 15 OOI A1,0,; 4 % MgO; 1 % FeO. (2) 39 "/. SiO,; 30 % Al,O,; 22 C CaO; 7 a MnO: 1 O h FeO.

Fig. 6 - Aspecto del depbsito en el microscopio electrbnico. Cristales de hexa-aluminato de calcio: 73 70 AbO,; 12 OIo CaO; 6 TiO,; 5 % MnO; 2 % MgO; 1 % FeO. Matriz: 26 "10 A1,0,; 25 % CaO; 24 % SiO,; 17 % MnO; 4 Ti0,; 1 % K,O; 1 % FeO.

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PequeRos contenidos de calcio en el acero pueden originar la transformaci6n de la aldmina a hexa-aluminato de calcio (Figura 7). Existen diversos antecedentes de taponamientos de buzas debidos a1 hexa-aluminato de calcio, en coladas desoxidadas con piedras de Ca Si y aluminio (2,3) o tratadas con calcio para modificar inclusiones (4), o debido a adiciones de cal-espato (5). En general se estima que, desde el punto de vista de la colabilidad, el hexa-aluminato de calcio es mils perjudicial que la alirmina. Pero todo esto es d i d o , fundamentalmente, para el caso de aceros calmados a1 aluminio, que forman dep6sitos sin matriz vitrea. Como se desprende del a d i s i s y aspecto, las microinclusiones no estaban constituidas por cristales de hexa-aluminato de calcio o aldmina, sin0 que eran de una composici6n compleja y homogeneas. El tamafio de 10s cristales observados en el dep6sito era mayor que el de las microinclusiones analizadas. Puede entonces suponerse que estas inclusiones homogeneas (de las que es muy dificil predecir punto de fusi6n o viscosidad por su compleja composici6n), son las que se depositan en la buza. Su origen es la desoxidaci6n compleja con ferrosilicio, silicomanganeso, siliciuro de calcio y aluminio.

Fig. 7 - Inclusiones en equilibria con el acero en un baRo de Fe-Al-Ca-0a 1550 OC (basado en datos terrnodidmicos).

CaA12 Si20s

Anortita 1665 O

Si bien s610 se adicionaron 10 kg de aluminio como tal, debe tenerse en cuenta que las ferroaleaciones podrian aportar otro tanto. El dep6sito es mAs rico en aluminio que la media de las inclusiones. Las inclusiones con contenidos de aluminio mils elevados, probablemente tengan propiedades que faciliten la adhesi6n a1 dep6sito. Tambien hay que tener en cuenta que las microinclusiones se analizaron en la palanquilla, y que su composici6n quimica podria haber evolucionado despues de que el acero abandon6 la cuchara. Los cristales observados en el dep6sito se formarian durante el lento enfriamiento que se produce cuando el dep6sito crece.

Cap Alp Si07

Qelenita

Analizando, en un corte del diagram A124 -CaO-MgO-Sia, el enfriamiento de un liquido de composici6n similar a la del dep6sito, puede deducirse que se formrh espinela de magnesia, a 1 ~ rnina alfa y hexa-ahminato de calcio, tal como sucedi6 en la realidad (Figura 8).

Conclusiones La disminuci6n del caudal de acero durante algunas coladas de calidades de alto carbono, se debi6 a la deposici6n de 6xidos en la buza de cuchara. Las microinclusiones presentes en el acero eran homogbneas, y contenian principalmente, Al, Mn, Si y Ca. Provenian de la desoxidaci6n con ferrosilicio, silicomanganeso, siliciuro de calcio y aluminio. El dep6sito estaba constituido por cristales de hexa-aluminato de calcio (minoritariarnente, espinela y alirmina a),inmersos en una rnatriz vitrea (rica en Al, Si, Ca y Mn) y acero. Se estima que 10s cristales se precipitaron durante el lento enfriamiento del dep6sito a medida que bste crecia. Para evitar la obturaci6n de la buza hay que formar inclusiones liquidas a la temperatura de trabajo. Analizando el sistema de desoxidaci6n Fe-Mn-Si-Al-0, se pueden establecer las condiciones que permiten evitar la formaci6n de inclusiones que perte nezcan a1 carnpo de estabilidad de la a l W a , en el orden de temperaturas del acero en la cuchara y en el repartidor.

La metodologfa descripta se ha aplicado a otras calidades, por ejemplo, aceros de bajo carbono calmados a1 silicio-manganeSiderurgia 50 - Buenos Aires - ISSN 0325-0520 - Marzo 1991

mq AI, o, Espinela

Fig. 8 - Enfriarniento de liquido con la composicibn del depbsito. Sistema gelenita-espinela-anortita.

so-aluminio. En este caso, el modelo termodinamico,utilizado fue distinto, ya que no se cumplia la condici6n de Mn + Si = 1. La utilidad de este tipo de modelos es indudable como herrafienta para control de procesos.

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