1 Evaluación de ferroaleación obtenida del residual sólido del procesamiento químico de cenizas del petróleo para electrodos de soldadura manual Autor: Alexander Bonet Martínez Tutores: Dr. Lorenzo Perdomo González Dr. Manuel Rodríguez Pérez Lic. Laura Ailín Perdomo Gómez 2023 2 Evaluation of Ferroalloy Obtained from Solid Residue from Chemical Processing of Petroleum Ash for Manual Welding Electrodes Author: Alexander Bonet Martínez Tutors: Dr. Lorenzo Perdomo González Dr. Manuel Rodríguez Pérez Lic. Laura Ailín Perdomo Gómez 2023 i Este documento es Propiedad Patrimonial de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas, y se encuentra depositado en los fondos de la Biblioteca Universitaria “Chiqui Gómez Lubián” subordinada a la Dirección de Información Científico Técnica de la mencionada casa de altos estudios. Se autoriza su utilización bajo la licencia siguiente: Atribución- No Comercial- Compartir Igual Para cualquier información contacte con: Dirección de Información Científico Técnica. Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas. Carretera a Camajuaní. Km 5½. Santa Clara. Villa Clara. Cuba. CP. 54 830 Teléfonos.: +53 01 42281503-1419 ii iii Dedicatoria Este trabajo de diploma va dedicado a mi familia, a mis amistades y en especial a mi madre por su apoyo incondicional, a mi mamá porque sabe más que nadie lo que significa esta carreara para mí iv Resumen En el trabajo se realizó el procesamiento aluminotérmico del residual sólido generado del tratamiento químico de las cenizas de combustión del petróleo, compuesta por 73 % de V2O5 y 4,88 % de NiO. Se formuló una termita para obtener una aleación de FeVNi la cual quedó conformada por cascarilla de laminación, residual y virutas de aluminio. Se realizó un balance de masa del proceso, el cual permitió estimar las cantidades y composición química teórica de la aleación. La aleación FeVNi se evaluó como carga de aleación de electrodos revestidos, fabricándose electrodos compuestos por minerales cubanos: caliza, bentonita y caolín. Como resultado de la evaluación tecnológica de los electrodos fabricados se obtuvo buena estabilidad del arco, buen desprendimiento de escoria y deficiente apariencia del cordón. Los valores de dureza de los depósitos obtenidos fueron de 217 HV para las variantes A y B y 515,6 HV para la variante C. Los contenidos de V obtenidos para las variantes A y B fueron de alrededor del 2 % y Ni de 0,5 %. Los resultados obtenidos con los electrodos evaluados abren posibilidades reales para desarrollar electrodos especiales para recargue mediante soldadura manual por arco eléctrico. v Abstract In the work, the aluminothermic processing of the solid waste generated from the chemical treatment of petroleum combustion ash, composed of 73 % V2O5 and 4.88 % NiO, was carried out. A thermite was formulated to obtain a FeVNi alloy which was made up of rolling scale, residual and aluminum shavings. A mass balance of the process was carried out, which allowed estimating the quantities and theoretical chemical composition of the alloy. The FeVNi alloy was evaluated as an alloy charge of coated electrodes, fabricating electrodes composed of Cuban minerals: limestone, bentonite and kaolin. As a result of the technological evaluation of the manufactured electrodes, good arc stability, good slag shedding and poor cord appearance were obtained. The hardness values of the deposits obtained were for variants A and B were around 2% and Ni 0.5%. The results obtained with the evaluated electrodes open up real possibilities for developing special electrodes for overlay by manual electric arc welding. vi Contenido INTRODUCCIÓN ............................................................................................ 1 CAPÍTULO I. ESTADO DEL ARTE ................................................................ 5 1.1 Combustibles usados en calderas de generación de energía ......... 5 1.2 Generación de cenizas de combustión.............................................. 5 1.3 Tecnologías de tratamiento de cenizas de combustión ................... 6 1.3.1Tratamiento hidrometalúrgico ....................................................... 6 1.3.2Tratamiento pirometalúrgico ......................................................... 7 1.3.3 Inertización..................................................................................... 8 1.3.4 Procesamiento químico de cenizas en la UCLV ......................... 9 1.4 Vanadio y níquel ................................................................................ 10 1.4.1 Vanadio ........................................................................................ 10 1.4.2 Níquel ........................................................................................... 11 1.5 Recargue ............................................................................................ 12 1.5.1 Recubrimientos resistentes a la abrasión ................................. 12 1.5.2 Recubrimientos resistentes al desgaste adhesivo ................... 13 CAPÍTULO II. MATERIALES Y MÉTODOS ................................................. 15 2.1 Obtención de la ferroaleación vanadio níquel mediante procesamiento aluminotérmico ........................................................ 15 2.1.1 Materias primas. Preparación ..................................................... 15 2.1.2 Obtención del FeVNi ................................................................... 16 2.2 Fabricación y evaluación del electrodo revestido .......................... 17 2.2.1. Particularidades de los revestimientos de los electrodos ...... 17 2.2.2 Materias primas. Preparación..................................................... 18 2.2.3 Depósitos para la evaluación de los electrodos ....................... 20 2.2.4 Probetas para la caracterización del metal depositado ........... 20 CAPÍTULO III. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ............................................. 23 3.1. Resultados del procesamiento aluminotérmico ............................ 23 3.1.1 Balances de masa y calor de reacción ...................................... 23 3.1.2 Procesamiento aluminotérmico ................................................. 25 3.2. Evaluación del prototipo de electrodo revestido ........................... 26 3.2.1 Revestimiento del electrodo ....................................................... 26 3.2.2 Evaluación tecnológica del electrodo ............ ¡Error! Marcador no definido. 3.2.3 Resultados de la caracterización de los depósitos de soldadura .............................................................. ¡Error! Marcador no definido. CONCLUSIONES ......................................................................................... 36 RECOMENDACIONES ................................................................................. 37 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................ 38 1 INTRODUCCIÓN La creciente demanda de energía eléctrica ha fomentado el desarrollo tecnologías para poder satisfacerla, muchas veces sin darle importancia al impacto negativo que se produce sobre los distintos ecosistemas terrestres, incluyendo la salud de los seres humanos. Desde hace algunos años se viene incrementando la importancia de la protección ambiental a través de estudios que evitan o buscan remediar los impactos negativos producidos por las plantas generadoras de electricidad, sobre todo aquellas que queman combustibles fósiles. Más del 80 % de la matriz energética de Cuba se basa en la quema de combustibles fósiles, petróleo y sus derivados. La generación de energía en Cuba se distribuye en un 40,6 % en centrales termoeléctricas, 21,7 % con motores a fueloíl y 21,9 % con motores a diésel. La anterior distribución, por fuente de generación, permite apreciar el vital papel que desempeñan las centrales termoeléctricas en la generación de energía en Cuba. Durante la quema de estos combustibles se generan las correspondientes cenizas, las que normalmente se clasifican en dos grupos: volantes y de fondo, por lo que una parte de los contaminantes serán arrastrados por la corriente de gases y la otra quedará retenida en las cenizas por la densidad y tamaño de las partículas en el interior (fondo) de la instalación (Figueredo, 2022). La distribución de la generación de energía permite afirmar que las centrales termoeléctricas constituyen la principal fuente de emisión de cenizas contaminantes durante la producción de energía eléctrica en Cuba (Alonso- Hernández CM, 2005). Las emisiones de gases contaminantes pueden ser reducidas mediante la adición de diferentes compuestos, los que reaccionan con el azufre evitando así su salida en la corriente gaseosa, quedando retenidos en las cenizas de fondo que quedan en el interior de la instalación. Además, las plantas de generación de energía deben estar provistas de separadores electrostáticos los que retienen parte de los compuestos metálicos, en los cuales se acumulan y al aumentar la cantidad retenida sobre ellos, caen al fondo mezclándose con las cenizas calientes, por lo que interactúan formando nuevos compuestos. Estos aspectos hacen que las cenizas de la combustión del petróleo sean clasificadas como sustancias contaminantes del 2 medio ambiente, prohibiéndose su vertimiento, debiendo almacenarse en condiciones seguras (CITMA, s.f.). Durante las operaciones de mantenimiento se extraen las cenizas de la combustión del petróleo donde las características particulares de cada una de ellas dependerán de las características de las instalaciones y de los combustibles. Lo anteriormente expuesto constituye un problema real existente en el país, lo cual hace evidente la necesidad de un estudio que permita evaluar los problemas de contaminación por cenizas que presentan las plantas de generación de energía eléctrica, sobre todo porque Cuba no dispone de tecnologías establecidas para el tratamiento de estos residuales. Esta situación trae consigo almacenar estos residuales en lugares seguros con los consecuentes costos de almacenamiento. Por otro lado, entre los contaminantes presentes en las cenizas de la combustión del petróleo se encuentran compuestos de vanadio y níquel, metales de gran importancia estratégica para diferentes sectores de la economía. Todo lo anterior justifica la necesidad de buscar estrategias que permitan procesar las cenizas de combustión del petróleo que contienen vanadio y níquel, que en concentraciones elevadas provocan enfermedades respiratorias y de la piel principalmente, evitando así su confinamiento y de ser posible convertir los productos obtenidos de su procesamiento, en nuevos materiales de uso industrial. Estos metales pesados tienen una gran importancia en el campo de la manufactura de aceros aleados, catalizadores, tintes, colorantes, medicina, etc. La recuperación de V y Ni a partir de las cenizas provenientes de la combustión del fueloil brindaría utilidad a un desecho industrial con posible rentabilidad, y disminuiría la posibilidad de contaminación que podría originar su acumulación. Por lo tanto, las razones fundamentales que destacan el interés de la recuperación de metales de las cenizas son primeramente para la reducción de una fuente contaminante y segundo el atractivo valor de los metales en el mercado. Son diversos lo métodos que se han estudiado que permiten la recuperación de los metales contenidos en residuales. En la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas (UCLV) se estudia la recuperación del vanadio y del níquel contenido en cenizas de la combustión del petróleo procedentes de la termoeléctrica Carlos 3 Manuel de Céspedes, mediante tratamiento químico, el cual consiste en lixiviación ácida y posterior precipitación, obteniéndose como resultado final un producto recuperado con un alto contenido de sales y óxidos de vanadio y níquel fundamentalmente. Durante la etapa de lixiviación se obtiene una fase líquida y un sólido remanente, este último aun presentando un alto contenido de vanadio, por lo que resulta de vital importancia la búsqueda de un método que permita recuperarlo, sin la generación de nuevos residuales (Darcourt Dorticós, 2022) Problema práctico Durante el procesamiento químico de las cenizas de la combustión del petróleo se genera un residual sólido el cual aún contiene apreciables concentraciones de vanadio y níquel, clasificándose como un residual contaminante. Problema científico No se tiene información suficiente acerca de la recuperación del vanadio y el níquel presente en los residuales sólidos generados del procesamiento químico de las cenizas de la combustión del petróleo. Hipótesis Mediante procesamiento aluminotérmico es posible recuperar el vanadio y el níquel contenido en el sólido remanente del tratamiento químico realizado a las cenizas de combustión del petróleo. Objetivo General Obtener una aleación FeVNi a partir del procesamiento aluminotérmico del sólido remanente del tratamiento químico de las cenizas de combustión del petróleo, de la termoeléctrica Carlos Manuel de Céspedes, para su uso en la fabricación de electrodos de recargue. 4 Objetivos específicos 1. Formular y procesar una carga que permita el procesamiento aluminotérmico del sólido remanente del tratamiento químico de cenizas de combustión del petróleo para obtener una aleación FeVNi. 2. Evaluar la aleación obtenida en la fabricación de un electrodo para recargue mediante soldadura manual por arco eléctrico. 3. Caracterizar los depósitos obtenidos. Tareas 1. Revisión bibliográfica 2. Preparación de las materias primas para obtener la ferroaleación y para fabricar los electrodos 3. Obtención y preparación de la ferroaleación FeVNi 4. Fabricación de los electrodos 5. Evaluación de los electrodos 5 CAPÍTULO I. ESTADO DEL ARTE 1.1 Combustibles usados en calderas de generación de energía Son todas las sustancias conocidas como hidrocarburos (UNS, s.f.) y estas pueden ser: carbones minerales, hidrocarburos líquidos e hidrocarburos gaseosos. Fundamentalmente todos aquellos que tienen en su composición carbono e hidrógeno. Además, pueden tener cantidades variables de O, N, S, etc. Los combustibles más empleados son los combustibles fósiles: carbón, derivados del petróleo (gasolina, fuelóleo, gases licuados del petróleo (GLP)) y gas natural (Escate, s.f.). 1.2 Generación de cenizas de combustión La combustión de hidrocarburos para generar energía eléctrica produce fundamentalmente dos tipos de residuos sólidos: las cenizas volantes, obtenidas por precipitación electrostática o mecánica del polvo suspendido en los gases de la combustión y las cenizas de hogar o escoria, que caen al fondo por gravedad y que se diferencian de las primeras principalmente por el tamaño de partícula, las que se muestran en la figura 1.1. La producción de cenizas volantes supera a las cenizas de hogar. Figura 1.1: Principales residuos de una central térmica a carbón. Las cenizas volátiles del carbón (CVC) se producen en gran cantidad en todo el mundo. Las actuales tecnologías de la combustión permiten quemar combustibles 6 con un alto contenido en sulfuro como el coque de petróleo, lo que genera compuestos que no son CVC, como la ceniza volátil del coque de petróleo (CVCP), principalmente a partir de procesos de combustión de lecho fluidificado. La generación de las cenizas volátiles CVC y CVCP puede tener consecuencias graves para el medio ambiente como una posible contaminación de las aguas subterráneas por la lixiviación de metales pesados y las emisiones de materia particulada, lo que hace necesario tratarlas o reutilizarlas (Moreno, 2009). Entre las cenizas que contienen vanadio están las que se generan en las plantas termoeléctricas, las cuales producen energía eléctrica mediante turbinas de vapor, que es generado por calderas que utilizan fueloil residual como combustible. La producción eléctrica alcanza los 450 kW/h, con una producción de cenizas de aproximadamente 200 m3 al año por caldera, que son removidas por precipitadores electrostáticos y almacenadas en la misma planta (González, 2004). El fueloil residual Nº6 (tipo Bunker C) proviene de crudos venezolanos y es el mismo combustible que se utiliza actualmente en las termoeléctricas de Cuba. Estudios previos han determinado que estos crudos son ricos en vanadio y níquel. Las características de este combustible atienden a las exigencias de la norma COVENIN Nº787 sobre productos derivados del petróleo para la utilización en calderas, encontrándose valores extremos de 2,70-3,00 %p de S, 450 ppm de V, 60 ppm de Na, cenizas sulfatadas de 0,1 a 0,25 %p y viscosidad de 424 cp. Tanto estas características del derivado del petróleo como su alta viscosidad dan lugar a una elevada producción de cenizas durante la combustión (González, 2004) La recuperación de V y Ni a partir de las cenizas provenientes de la combustión del fueloil brindaría utilidad a un desecho industrial con posible rentabilidad, y disminuiría la posibilidad de contaminación que podría originar su acumulación (González, 2004) 1.3 Tecnologías de tratamiento de cenizas de combustión 1.3.1Tratamiento hidrometalúrgico La hidrometalurgia son procesos que implican soluciones acuosas utilizadas para la extracción y recuperación de metales a partir de minerales y residuos, en estos la lixiviación desempeña un papel fundamental. La lixiviación es una operación unitaria 7 que consiste en el retiro de una fracción soluble en forma de solución a partir de una fase sólida permeable e insoluble con que se asocia. La separación implica, por lo común, la disolución selectiva, con difusión o sin ella; pero en el caso extremo del lavado simple, consiste en el desplaza miento (con cierta combinación) de un líquido intersticial por otro, con el que es miscible. El constituyente soluble puede ser sólido o líquido y estar incorporado, combinado químicamente o adsorbido, o bien, mantenido mecánicamente en la estructura porosa del material insoluble. El sólido insoluble puede ser masivo y poroso; con mayor frecuencia es de partículas y estas últimas pueden ser de poros abiertos, de celdas, con paredes celulares selectivamente permeables o con superficies activadas (Perdomo Gómez, et al, 2021) Puede incluir una solución física simple, o la disolución facilitada por una reacción química. La velocidad de transporte de disolvente en la masa que se va a lixiviar o de la fracción soluble en el disolvente o la solución de extracto del material insoluble, o alguna combinación de esas velocidades, pueden ser importantes. El proceso de lixiviación se verá favorecido por el aumento de la superficie por unidad de volumen de sólido que se deban lixiviar y por la disminución de las distancias radicales que se deben atravesar al interior de los sólidos. La disminución del tamaño de las partículas contribuye a ambas cosas. Por otra parte, los sólidos finos provocan una lenta velocidad de percolación, dificultan la separación de sólidos y producen quizás un sólido de mala calidad. Esas características establecen las bases para un tamaño óptimo de partículas (GONZALEZ ROSAL, 2012). 1.3.2Tratamiento pirometalúrgico Los tratamientos pirometalúrgicos incluyen procesos carbotérmicos, donde la reducción de los compuestos metálicos se realiza con carbón o aluminotérmicos realizados con aluminio, pudiéndose realizar combinaciones entre ellos. Cada uno de estos métodos tiene sus características particulares (González, 2022) La aluminotermia, como su nombre lo indica es un proceso de fundición utilizando la acción reductora del aluminio sobre los óxidos de otros metales, logrando mediante este método un autosostenimiento del proceso de fundición debido a que el calor de formación del óxido de aluminio es mucho mayor que el de la mayoría 8 de los demás óxidos metálicos, referidos a la misma cantidad de oxígeno con un mínimo de consumo eléctrico el cual es utilizado solamente para el momento del encendido del reactor u horno. Es aplicable a la obtención de numerosos metales a partir de sus óxidos. Todos ellos deben tener un calor de formación menor que el del óxido de aluminio en la reacción (Carlson, 2010): 4Al + 3O2 → 2Al2O3 Se desprenden 393,6 Kcal. Esta gran cantidad de calor desprendida produce temperaturas cercanas a los 3 000 ºC, reacción que no genera productos gaseosos (Carlson, 2010). A temperatura tan elevada no solo se funde el metal que se forma y que por su mayor densidad se reúne en el fondo, sino que también es capaz de fundir el óxido de aluminio formado y que se reúne en la superficie del metal, por su menor densidad, constituyendo una capa protectora (Susumu Takamori, 2002). A la mezcla del óxido metálico con el aluminio se le da el nombre de termita. Estas termitas solo reaccionan cuando el punto de la mezcla se calienta a una temperatura elevada mediante un cebo o fulminante. Una vez iniciada la reacción en un punto, el calor desprendido es suficiente para propagar la reacción a toda la masa de la termita. La propagación tiene lugar con una velocidad intermedia entre las reacciones explosivas y las reacciones ordinarias. Semejante tipo de reacciones recibe el nombre de reacciones de cebo (Belitskus, 1972). La ventaja de este procedimiento, a pesar de ser caro por el empleo del aluminio, estriba en que los metales resultantes quedan totalmente exentos de carbón, y es sabido que pequeñas cantidades de carbón en los metales o sus aleaciones les hacen perder sus mejores cualidades, aunque en los aceros no siempre es perjudicial el empleo de carbono (Belitskus, 1972). 1.3.3 Inertización El tratamiento que se les debe dar a los residuos industriales, es un tema de gran preocupación. En efecto, su gran volumen y la naturaleza contaminante de los mismos, requieren un procesamiento adecuado antes de su confinamiento en los rellenos de seguridad. Así surge el concepto de inertización de residuos industriales, como respuesta a este problema. La inertización es una tecnología de gestión de 9 residuos peligrosos, para su transformación en residuos o material inerte, de modo que no experimente transformaciones físicas o químicas (Ambiental, s.f.). Es un tratamiento utilizado ampliamente en la gestión de residuos peligrosos que engloba dos procesos: la estabilización del residuo, proceso que utiliza una serie de reactivos para reducir su naturaleza peligrosa, minimizando la velocidad de migración de los contaminantes al medio ambiente y reduciendo la toxicidad de sus componentes; y la solidificación del residuo, que se describe como el proceso de adición de reactivos con el fin de solidificar el residuo, aumentando su resistencia y disminuyendo la compresibilidad y la permeabilidad del mismo (Pérez Gonzalo, 2010). En ciertas ocasiones, el residuo obtenido puede ser apropiado para su uso en otras aplicaciones. Por ese motivo, también se dice que la inertización es una técnica de valoración, por tanto, los países menos desarrollados necesitan de estrategias que permitan identificar y cuantificar los riesgos ocasionados por los residuos peligrosos. De este modo, se puede elaborar un sistema de gestión integral de residuos, desde la generación hasta la disposición final y en el que todos los actores involucrados cumplan con el rol que les corresponde (Ambiental, s.f.) 1.3.4 Procesamiento químico de cenizas en la UCLV En la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas se realizan estudios encaminados al procesamiento de residuales industriales que contienen vanadio, entre ellos cenizas de la combustión del petróleo y catalizadores agotados de la fabricación de ácido sulfúrico, con el objetivo de extraer los elementos metálicos contenidos en ellos, fundamentalmente el vanadio. Para el caso de las cenizas de combustión del petróleo, se han realizado estudios a las cenizas procedentes de la termoeléctrica Carlos Manuel de Céspedes, evaluándose un procedimiento de trabajo el cual consiste en lixiviación con ácido sulfúrico de concentración 14,5 % durante dos horas, relación sólido–líquido de 1:5, a una temperatura de 50 °C, y régimen de agitación turbulento, manteniéndose la velocidad de agitación en 450 rpm. Una vez finalizado el tiempo de trabajo, se filtra la mezcla, obteniéndose un residuo sólido, el cual es secado a 120 °C durante tres horas, y una fase líquida, a la cual se le adiciona una disolución de carbonato de sodio de concentración 1 mol/L 10 hasta alcanzar un pH = 9. Al finalizar la precipitación la mezcla se filtra y se obtiene un nuevo residual líquido y un producto sólido, el cual se calcina a 450 °C durante dos horas, obteniéndose un concentrado de óxidos metálicos y sales (Darcourt Dorticós, 2022). El nuevo residual sólido que genera luego de la lixiviación aún contiene vanadio, siendo necesario buscar alternativas que permitan extraerlo, sin la generación de nuevos residuos. 1.4 Vanadio y níquel 1.4.1 Vanadio El vanadio (V) es un metal de color gris y blando en estado puro, de peso atómico 50,95 g/mol. Pertenece al grupo V de los metales de transición. Fue descubierto por Andrés Manuel del Río (GONZALEZ ROSAL, 2012). Su abundancia en la naturaleza se sitúa en un 0,02 % y se estima que hay 11 250 000 toneladas de V recuperable. Se encuentra formando importantes complejos minerales. El V muy puro es escaso por su facilidad de reaccionar con el oxígeno, nitrógeno y carbono, permitiendo que pueda ser utilizado a elevadas temperaturas en procesos termometalúrgicos convencionales (Asencio, 2011). El V también puede presentarse junto con el níquel y el hierro en ciertos crudos, especialmente en forma de complejos organometálicos con estructura tipo porfirina. Varios de los compuestos de V se emplean en la industria química, sobre todo en la fabricación de catalizadores de oxidación, y en la industria cerámica como agentes colorantes. Tiene varios estados de oxidación: 2+, 3+, 4+ y 5+. Es anfótero, principalmente básico en los estados de oxidación bajos y ácidos en los altos (Asencio, 2011). En su forma pura es blando y dúctil. Puede trabajarse en caliente y frío fácilmente, pero debe calentarse en una atmósfera inerte o al vacío a causa de que se oxida rápidamente a temperaturas por encima del punto de fusión de su óxido. El metal retiene muy bien sus propiedades a temperaturas elevadas. El V puro funde aproximadamente a 1 700 °C, pero la adición de pequeñas cantidades de carbón aumenta el punto de fusión de manera muy marcada. Es un elemento costoso que se utiliza corrientemente con fines metalúrgicos. Generalmente se emplea en 11 aleaciones ferrosas conjuntamente con cromo o wolframio dependiendo del uso y de las propiedades requeridas. El V raras veces es obtenido en forma pura, ya que el 80 % del metal producido se emplea como ferrovanadio en la preparación de aceros especiales. Industrialmente, se separa de algunos de los minerales en que se encuentra, o bien de los residuos de ciertos petróleos que lo contienen. Las aleaciones de vanadio, obtenidas añadiendo pequeñísimas cantidades del metal a los aceros, tiene un elevado interés porque confieren a estos, resistencia al óxido y elevan su resistencia a la tracción y su límite de elasticidad o la ductilidad. El aumento de la producción mundial de acero en los últimos años fue factor determinante de la fuerte demanda de vanadio, debido a esto y a las nuevas aplicaciones que se están investigando, la demanda de V constantemente está aumentando (GONZALEZ ROSAL, 2012). El V se halla en cantidades apreciables hasta 1 400 ppm en los crudos venezolanos, observándose, además que su contenido es proporcional al del azufre. Se presenta en el crudo formando complejos del tipo de las porfirinas metálicas, de alto peso molecular y pocos volátiles, lo cual dificulta su separación (Asencio, 2011). 1.4.2 Níquel El níquel (Ni) es un metal duro, blando, plateado, dúctil y maleable, su número atómico es 28 y su masa atómica es 58,71 g/mol. La mayor parte del níquel comercial se emplea en el acero inoxidable y otras aleaciones resistentes a la corrosión. También es importante en monedas, como sustituto de la plata, el níquel finamente dividido se emplea como catalizador de hidrogenación (GONZALEZ ROSAL, 2012). El níquel es un elemento bastante abundante, constituye cerca de 0,008 % de la corteza terrestre y 0,01 % de las rocas ígneas. El níquel se presenta en pequeñas cantidades en plantas, animales, en el agua de mar, el petróleo y en la mayor parte del carbón. El níquel metálico es fuerte y duro, cuando está finamente dividido es de color negro. La densidad del níquel es 8,9 veces la del agua a 20 °C (68 F); se funde a 1 455 °C (2 651 F), y hierve a 2 840 °C (5 144 F); es sólo moderadamente reactivo. Resiste la corrosión alcalina y no se inflama en trozos grandes, pero los alambres muy finos pueden incendiarse. En forma metálica es un agente reductor 12 fuerte (Asencio, 2011). 1.5 Recargue El recargue es un proceso que consiste en aplicar material de aporte de soldadura a los componentes metálicos para repararlos o protegerlos de la abrasión y la corrosión (Crespo, 2019). Según se ha señalado anteriormente, la forma más completa de identificar el desgaste de una superficie es sobre la base de varios factores; como son la naturaleza de los cuerpos que interactúan, el movimiento relativo y el mecanismo en que se desarrolla el desgaste. Sin embargo, para seleccionar el sistema de aleación se considera que es necesario partir del mecanismo de desgaste predominante en la superficie, pues de esta manera se podrá seleccionar de forma acertada el material de aporte más conveniente a emplear (Rodríguez, 2019). Se entiende por morfología de la estructura de las aleaciones empleadas en el recargue a la presencia de Microconstituyentes en la estructura, tamaño, orientación y su proporción con respecto a la matriz, es decir las fases que constituyen la base de la estructura. Según lo anterior, en el recargue pueden obtenerse en la estructura del metal aportado, dos zonas bien definidas: la matriz y los microconstituyentes duros. Para cada tipo de desgaste existen morfologías de la estructura que son muchos más resistentes que otras y por lo tanto son las más recomendadas en cada caso. Para obtener una morfología determinada en las aleaciones aportadas durante el recubrimiento es necesario considerar la composición química del material aportado y del metal base, así como el ciclo térmico impuesto a la aleación (Rodríguez, 2019). 1.5.1 Recubrimientos resistentes a la abrasión Resulta conocido que en el desgaste abrasivo predomina el microcorte como mecanismo de deterioro. Esto produce la aparición de surcos y el desprendimiento del material de la superficie de trabajo, provocados por la penetración de partículas de alta dureza. Por ello, la forma de protección superficial contra este tipo de deterioro, se deberá basar en crear en las zonas expuestas, una barrera de precipitados que impida la penetración, en la matriz, del agente abrasivo. Paralelamente, el recubrimiento deberá presentar, con el material base, una unión 13 tal que no permita la fragmentación de éste bajo la fuerza de penetración de las partículas causantes de la afectación de la superficie (Crespo, 2019). En la actualidad, se producen diferentes materiales para obtener una adecuada recuperación de las superficies afectadas por la abrasión. El elemento fundamental en estas aleaciones es el C, conjuntamente con los elementos formadores de carburos como son: Cr, W, Mo, Ti y V. El por ciento de estos elementos dependerá del grado de intensidad del medio abrasivo. En el caso de abrasión severa, el contenido de C deberá ser superior a 0,4 %, y llega incluso, a alcanzar el 6 %. Al sobrepasar 2 % de C, las características del depósito corresponden a un hierro fundido. Para alta abrasión en ausencia de impacto, se podrán utilizar depósitos de fundición blanca. En estos casos, aparecerán altos contenidos de los elementos formadores de carburos. Los rangos más comúnmente utilizados son: Cr < 35 %; Mo < 10 %; W < 18 %; V < 4 %. En caso de muy severas condiciones de abrasión, se utilizan materiales de aporte del tipo tubular cuya carga aleante está constituida, básicamente, por carburos sinterizados, fundamentalmente, de W (KOTECKI, D. 1995). 1.5.2 Recubrimientos resistentes al desgaste adhesivo Como ya se ha señalado, el deterioro superficial que tiene lugar en condiciones de fricción metal-metal, presenta como característica sobresaliente, la interacción de las irregularidades de las superficies en contacto que llevan a la deformación plástica de las crestas, que dan origen, incluso, a microsoldaduras de éstas, lo que provoca, finalmente, el desgarre del material. Conforme a ello, la cualidad más importante de recubrimiento empleado en estas condiciones de trabajo, deberá ser su resistencia a la deformación plástica (Crespo, 2019). Resulta conocido que la deformación plástica se origina en los materiales metálicos, por el deslizamiento, multiplicación y coalescencia de las dislocaciones. Por ello el material aportado deberá contar con el mecanismo adecuado para el bloqueo del deslizamiento de las dislocaciones. Esto es posible de alcanzar si se busca una estructura donde se logre la precipitación de fases finamente dispersas en los planos de mayor empaquetamiento atómico (CHATTERJEE, S. 2003). 14 Las aleaciones Fe-C más comúnmente utilizadas, por lo general, para estos fines, son aceros de aleación baja que poseen un contenido de C entre 0,1 y 0,4 %, mientras los elementos aleantes se pueden en contra en los rangos siguientes: 0,5 a 6 % Cr; 0,3 a 2 % Si; 0,4 a 6% Mn; 0,4 a 1 % Mo; 0,3 a 1 % V y Cu < 2 %. Cuando la fricción se produce a elevadas temperaturas, se utiliza, además, el W y el Co. Entonces se incrementa el contenido de C. En cada caso se hace necesario analizar el par de fricción, para el cual resulta recomendable seleccionar materiales de composición química desigual que posean una diferencia de dureza moderada no mayor 8 HRC. Con estas precauciones se logra disminuir la probabilidad de ocurrencia de microsoldaduras (Dvořák, P .2017). En los últimos años, han surgido aleaciones Fe-C cuyos depósitos resistentes a la fricción metal-metal, lo logran mediante el mecanismo de precipitación de segunda fase a través de precipitados ricos en Ni, o ricos en Cu. Esto implica que, en el primer caso, el contenido de C aumente y en el segundo disminuya (CHATTERJEE, 2003). 15 CAPÍTULO II. MATERIALES Y MÉTODOS 2.1 Obtención de la ferroaleación vanadio níquel mediante procesamiento aluminotérmico 2.1.1 Materias primas. Preparación Las materias primas usadas para el proceso aluminotérmico fueron: - Cascarilla de laminación: es un subproducto siderúrgico procedente del proceso de laminación en caliente del acero que está constituido, fundamentalmente, por los tres óxidos de hierro, hierro metálico y con contenidos variables de grasas y aceites (Gomez Ríos, 2015). La cascarilla usada en el trabajo procede de ACINOX Tunas. - Virutas de aluminio, procedentes de la Empresa Antenas de Santa Clara, las que constituyen un subproducto del proceso de corte y maquinado. - Residual sólido procedente del procesamiento químico de cenizas de la combustión del petróleo de la Termoeléctrica Carlos Manuel de Céspedes de Cienfuegos. La composición química de las materias primas utilizadas para preparar la ferroaleación (FeVNi) se muestra en la Tabla 2.1. Tabla 2.1: Composición química de las materias primas Residual Virutas de aluminio Cascarilla Composición % Composición % Composición % NiO 4,88 Si 0,5 Fe2O3 25,74 Fe2O3 2,41 Fe 0,2 FeO 17,01 MnO 1,64 Mn 0,1 Fe3O4 50,06 MgO 3,46 Cu 0,1 Fe 3,45 SiO2 9,19 Mg 0,2 impureza 3,74 Al2O3 2,27 Zn 0,2 Cr2O3 0,16 Cr 0,1 V2O5 73,89 Ti 0,1 CaO 3,64 Al 98,5 PbO 0,01 S 1,56 Las virutas de aluminio utilizadas se tamizaron por debajo de 3 mm. La cascarilla de laminación tiene una granulometría muy variable, por tanto, fue triturada tamizándose hasta lograr que todo el residual quedara por debajo de 2 mm. 16 El residual sólido generado del procesamiento de las cenizas es secado primeramente al sol y luego en una estufa a una temperatura de 120 ºC. Posteriormente es triturado y tamizado por debajo de 2 mm. 2.1.2 Obtención del FeVNi La mezcla para la obtención de la aleación FeVNi, mediante aluminotermia, se conformó de acuerdo a los datos mostrados en la Tabla 2.2. Tabla 2.2. Composición de la carga para la obtención de la aleación FeVNi Los diferentes componentes de la carga, una vez pesados de acuerdo a las proporciones mostradas en las Tablas 2.2, se adicionan al mezclador en el siguiente orden: viruta de aluminio, residual industrial y cascarilla de laminación. El mezclado se realiza en un mezclador tipo tambor durante 30 minutos, siendo posteriormente sometida cada mezcla a un precalentamiento en una estufa a unos 200 °C, para su procesamiento (aún caliente) en el reactor de grafito. La reacción fue iniciada por la acción del arco eléctrico, mostrándose en la Figura 2.1 el proceso de obtención de la ferroaleación. Figura 2.1: Obtención de la ferroaleación. Una vez concluido el proceso de fusión, la mezcla se deja enfriar y se extrae el metal y la cerámica (escoria), quedando el metal en la parte inferior y la cerámica en la superior debido a la diferencia de densidades entre ambos productos. En el trabajo se prepararon y procesaron dos termitas. Componente Residual sólido Virutas de aluminio Cascarilla de laminación Total Masa (g) 200 102 50 352 17 Después del pesado de los productos obtenidos en la termita, el metal se tritura y se tamiza hasta una granulometría entre 0,25 – 0,1 mm, para incorporarlo posteriormente al electrodo de soldadura. La figura 2.2 muestra una foto de la ferroaleación triturada. a) b) Figura 2.2 a) Ferroaleación triturada sin tamizar, b) Ferroaleación tamizada. 2.2 Fabricación y evaluación del electrodo revestido 2.2.1. Particularidades de los revestimientos de los electrodos En la tabla 2.3, se muestran los principales minerales utilizados en la fabricación de revestimientos para electrodos, y sus funciones principales, donde se puede observar aquellos que facilitan la estabilidad del arco ya que contienen elementos de bajo potencial de ionización. También se pueden observar otras funciones importantes que garantizan los minerales relacionados. Tabla 2.3. Principales minerales utilizados para la fabricación de electrodos y su función principal (Weyland V.,1978) Mineral Composición Química E.A F.E F F.G D A Asbesto MgO.SiO2 X X Dolomita (CaO, MgO). CO2 X X X Carbonato de hierro FeCO3 X X X Óxido de hierro Fe2O3 X X Feldespato K2O.Al2O3.2SiO2 X X Ferromanganeso FeMn X X X Ferrosilicio FeSi X X X Fluorita CaF2 X X X Silicato K2O.SiO2.nH2O X X Caolin Al2O3.2SiO2.2H2O X X Cuarzo SiO2 X X 18 Caliza CaCO3 X X X Magnetita Fe3O4 X X Magnesita MgCO3 X X X Rutilo TiO2 X X X E.A Estabilizador de Arco, F.E Formadores de Escoria, F Fundente, F.G Formador de Gases, D Desoxidante, A Aleación 2.2.2 Materias primas. Preparación Según las funciones que deben garantizarse a través de los minerales añadidos en el revestimiento, mostrados en la tabla 2.3, y con el fin de utilizar solamente componentes nacionales se seleccionaron los siguientes: Caliza, Bentonita, Caolín y el Grafito. El grafito se utiliza para aportar C y aumentar la dureza. Como fuente de elementos de aleación se utilizó la aleación obtenida por el proceso de aluminotermia (FeVNi). Las materias primas usados para la preparación del electrodo fueron: - Caliza, procedente del yacimiento el Purio, en el municipio de Encrucijada. - Bentonita, procedente de yacimientos distribuidos al sur de la Habana. - Caolín, proviene de un yacimiento ubicado en Gaspar, Ciego de Ávila. - Aglomerante, silicato de sodio, producido en Sagua La Grande, Villa Clara. - Grafito en polvo procedente de la trituración de electrodos de grafito partidos en la Empresa ACINOX Tunas. - Aleación de FeVNi obtenida del procesamiento aluminotérmico del residual sólido generado del procesamiento químico de las cenizas de combustión del petróleo. Todas las materias fueron trituradas hasta una granulometría < 0,16 mm. Para la preparación del revestimiento del electrodo se usó como carga de aleación: 30 % FeVNi y 10 % de grafito, quedando el resto del revestimiento formado por: caliza (42 %), bentonita (5 %) y caolín (13 %), todo aglomerado con 30 % de silicato de sodio. La composición química de las materias primas usadas para fabricar el electrodo se muestra en la Tabla 2.4. 19 Tabla 2.4 Composición química de las materias primas para la fabricación del electrodo revestido FeVNi % Caliza % Caolín % Bentonita % Grafito % Fe 27,70 SiO2 0,5 SiO2 45,56 SiO2 54,1 C 100 Ni 5,47 Al2O3 0,2 Al2O3 36,98 Al2O3 12,72 Silicato % V 59,05 FeO 0,18 FeO 1,215 Na2O 1,06 Na2O 10 Si 6,50 P 0,03 MnO2 0 K2O 0,2 SiO2 30 Cu 0,08 CaCO3 92 TiO2 0,19 CaO 3,05 H2O 60 Cr 0,23 Otros 7,09 MgO 0,07 MgO 1,67 100 Ti 0,08 100 CaO 0,1 FeO 7,83 S 0,89 Na2O 0,16 TiO2 0,94 K2O 0,11 PPI (900 º) 17,56 En el trabajo se fabricaron con la misma mezcla del revestimiento dos variantes de electrodos: Variante A- espesor del revestimiento: 1 mm. Variante B- espesor del revestimiento: 2 mm. Los componentes sólidos fueron mezclados durante 30 minutos en un mezclador rotatorio, siendo posteriormente mezclados con el 30 % de silicato de sodio en un mezclador de paleta. Como núcleo del electrodo se usó alambre de acero AISI 1010 de 4 mm, los cuales fueron revestido por extrusión en una máquina existente en el Centro de Investigaciones de Soldadura de la UCLV. La Figura 2.3 muestra una foto de la máquina. Figura 2.3 Máquina para revestir electrodos del CIS. 20 Los electrodos revestidos fueron secados al aire durante un día, siendo posteriormente secados en estufa a 160 ºC durante dos horas. Con el fin de aportar mayor cantidad de C al metal depositado por el electrodo se fabricó la variante C: Variante C – Mezcla del revestimiento similar al de los electrodos de la variante 1 y 2. Espesor obtenido por extrusión de 2 mm, con un revestimiento periférico de 0,5 mm compuesto por grafito y silicato de sodio. 2.2.3 Depósitos para la evaluación de los electrodos Los electrodos fabricados fueron evaluados mediante la realización de cordones de soldadura, evaluándose primeramente su comportamiento tecnológico, para lo cual se usó una máquina de soldadura, de procedencia URSS, modelo BDU 506-04, utilizándose los siguientes parámetros: Is =145 A Va =40 Votls Vs= 3 m/h La evaluación del comportamiento tecnológico de los revestimientos utilizados para los electrodos se realizó de manera cualitativa a partir de la observación por un grupo de especialistas en este campo. 2.2.4 Probetas para la caracterización del metal depositado Para el estudio metalográfico se realizaron depósitos multicapas sobre chapas de acero AISI 1010. Los cordones se cortaron utilizando una máquina que garantiza el corte de las muestras con un disco abrasivo y enfriamiento con líquido refrigerante. Durante el proceso de preparación las superficies fueron previamente pulidas, teniendo en cuenta un conjunto de operaciones que permitieron lograr la calidad necesaria para poder realizar la observación microscópica superficial. Las operaciones realizadas aparecen en la (NC 10-56:86 y ASTM E3 – 95). La secuencia seguida en este caso fue: Desbaste, pulido, desengrasado, lavado y ataque químico. El desbaste inicial consistió en obtener primeramente una superficie plana mediante el empleo de un disco abrasivo. El desbaste posterior se realizó mediante papeles abrasivos de diferentes granulometrías. Para el pulido se empleó paño y pasta 21 abrasiva. Este se realizó con el objetivo de revelar la estructura obtenida después de realizado el pulido, para observar la estructura metalográfica. Para revelar la microestructura de la capa de recargue se utilizó el reactivo Nital al 2 %. Para la observación de la microestructura de las probetas, se utilizó un microscopio óptico binocular (Figura 2.4) perteneciente al Centro de Investigaciones de Soldadura de la UCLV. El microscopio está dotado de una cámara que permite observar la microestructura en una computadora de mesa. Figura 2.4 Microscopio óptico binocular. De los cordones obtenidos se extrajeron probetas para la medición de la dureza y realizarle el estudio metalográfico. La dureza fue medida en el centro del cordón a una distancia de 2 mm de la superficie, usándose un durómetro Marca Shimatsu del Laboratorio de Tribología y Materiales (Figura 2.5). La carga usada fue de 500 g, y el tiempo de exposición del penetrador fue de 15 s en todos los casos. Figura 2.5 Microdurómetro. 22 Para la determinación de la composición química de los cordones de soldadura se realizaron tres depósitos superpuestos uno sobre otro, posteriormente fueron cortadas las muestras objetos de estudio, las que fueron rectificadas de forma tal que quedara totalmente plana la superficie. La composición química de los depósitos se determinó mediante el método espectral por emisión. En este caso los depósitos objeto de estudio se realizaron según se indica en la Figura 2.6. Figura 2.6 Forma de realización de los depósitos y número de capas para el estudio de la composición química. 23 CAPÍTULO III. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 3.1. Resultados del procesamiento aluminotérmico 3.1.1 Balances de masa y calor de reacción El balance de masa se realizó tomando en consideración la carga que aparece en la Tabla 2.2 y las reacciones químicas de oxidación reducción que deben ocurrir durante el procesamiento aluminotérmico, las que se muestran a continuación: 3NiO + 2Al → 3Ni + Al2O3 (Ec. 3.1) 3V2O5 + 10Al → 6V + 5Al2O3 (Ec. 3.2) 3SiO2 + 4Al → 3Si + 2Al2O3 (Ec. 3.3) Fe2O3 + 2Al → 2Fe + Al2O3 (Ec. 3.4) 3MnO + 2Al → 3Mn + Al2O3 (Ec. 3.5) Cr2O3 + 2Al → 2Cr + Al2O3 (Ec. 3.6) 3Mg + Fe2O3 → 2Fe + 3MgO (Ec. 3.7) Zn + ½O2 → ZnO (Ec. 3.8) La cantidad de aluminio se adicionó de acuerdo a la estequiometria de las reacciones químicas, considerando que los óxidos se reducen al 100 % y que todo el hierro presente en la cascarilla de laminación está en forma de Fe2O3. En la distribución de productos se asumió que el 10 % del azufre pasa al metal, el 30 % a la escoria y el 60 % a los gases, tomando como referencia la distribución de este elemento para la obtención de ferrocromo alto carbono (Arangurent, 1963), mientras que el cinc se volatiliza re-oxidándose en la fase vapor (Dvořák y Hong, 2017). Para hacer el balance se partió de una carga con 200 g del residual sólido. El balance de masa se realizó a partir de la aplicación del principio de Conservación de la Masa, según muestra la ecuación general: Acumulación ═ Entrada – Salida + Generación – Consumo (Ec. 3.9) Los resultados del balance de masa se muestran en la Tabla 3.1 24 Tabla 3.1 Balance de masa (en g) para la carga pirometalúrgica Componente Entrada Generación Consumo Salida NiO 9,46 0,00 9,46 0,00 Fe2O3 51,08 0,00 51,08 0,00 MnO 3,17 0,00 3,17 0,00 MgO 6,71 0,34 0,00 7,05 SiO2 17,83 0,00 17,83 0,00 Al2O3 4,40 192,38 0,00 196,78 Cr2O3 0,31 0,00 0,31 0,00 V2O5 143,33 0,00 143,33 0,00 CaO 7,06 0,00 0,00 7,06 PbO 0,02 0,00 0,00 0,02 S 3,03 0,00 0,00 3,03 Fe 1,93 35,75 0,00 37,69 Ni 0,00 7,44 0,00 7,44 V 0,00 80,33 0,00 80,33 Al 101,85 0,00 101,85 0,00 Si 0,52 8,32 0,00 8,84 Mn 0,10 2,46 0,00 2,56 Cu 0,10 0,00 0,00 0,10 Mg 0,21 0,00 0,21 0,00 Zn 0,21 0,00 0,21 0,00 Cr 0,10 0,21 0,00 0,32 Ti 0,10 0,00 0,00 0,10 ZnO 0,00 0,26 0,00 0,26 O2 0,05 0,00 0,05 0,00 Impurezas 1,87 0,00 0,00 1,87 Total 353,45 327,51 327,51 353,45 Los calores de reacción fueron determinados de acuerdo a las ecuaciones siguientes: Qr = ΔHr (Ec. 3.10) ΔHr = ΣnΔHf prod – ΣnΔHf reacc (Ec. 3.11) Los calores de formación de los óxidos que intervienen en las reacciones químicas se muestran en la Tabla 3.2. 25 Tabla 3.2: Calores de formación de los óxidos en kcal.mol-1 (Perry, 1999) Óxido Al2O3 Fe2O3 NiO V2O5 MgO SiO2 MnO Cr2O3 ZnO ΔH°f -399,09 -198,50 -58,9 -373 -143,84 -203,35 -92,04 -268,8 -83,36 Con la cantidad de calor generada a partir de la determinación de los ΔHr de reacción, la composición química de las materias primas y los datos de conformación de las mezclas (Tablas 2.1 y 2.2), se determina la cantidad de calor total generada por unidad de masa (cal/g). Como resultado se obtuvo que el procesamiento es capaz de generar 919,9 cal/g de carga. Esta cantidad de calor está por encima de las 650 cal/g, cantidad mínima de calor requerida para garantizar el autosostenimiento del proceso y una adecuada separación del metal de la cerámica. Con los resultados del balance de masa se puede estimar la composición química y la cantidad de productos a obtener durante el procesamiento. Tabla 3.3: Cantidades y composición química teórica a obtener del procesamiento aluminotérmico de la mezcla Como se puede observar en la Tabla 3.3 la carga propuesta es capaz de generar 135 g de FeVNi, compuesto por 59 % de V, 5,5 % de Ni y 6,5 % de Si, además de producirse 203 g de cerámica formada por más del 96 % de alúmina. 3.1.2 Procesamiento aluminotérmico Los residuales sólidos generados del procesamiento químico fueron evaluados en la conformación de las termitas con el objetivo de recuperar los elementos metálicos que quedaron después del procesamiento químico realizado a las cenizas. Metal Masa (g) %-m Escoria Masa (g) %-m Fe 37,69 27,89 MgO 7,1 3,5 Ni 7,44 5,51 Al2O3 196,8 96,5 V 80,33 59,45 Total 203,8 100,0 Si 8,84 6,54 Cu 0,10 0,08 Cr 0,32 0,23 Ti 0,10 0,08 S 0,30 0,22 Total 135,13 100 26 Con la termita preparada de acuerdo a la tabla 2.2, se formularon dos cargas, cuyos resultados se muestran en la Tabla 3.4. En la primera termita se obtuvieron 102 g de metal, 183 g de cerámica y 8 g de mezcla no reaccionaron, mientras que, en la segunda termita, la mezcla reaccionó completamente dando como resultado 112 g de metal y 194 g de cerámica. Al comparar estos resultados con el cálculo teórico realizado a partir del balance de masa, se obtiene un rendimiento promedio para el metal de 79,18 % y para la cerámica de 92,49 %, resultados mostrados en la tabla 3.4. Tabla 3.4 Resultados del procesamiento aluminotérmico de las cargas Colada Metal (g) Rendimiento (%) Cerámica (g) Rendimiento (%) 1 102 75,48 183 89,79 2 112 82,88 194 95,19 La figura 3.1 muestra una foto de los productos obtenidos durante la colada, donde se puede apreciar que la cerámica y el metal se separaron completamente. El metal se caracteriza por tener alta fragilidad lo cual favorece su trituración. Figura 3.1 a) Metal producto de la termita y b) Cerámica producto de la termita. 3.2. Evaluación del prototipo de electrodo revestido 3.2.1 Revestimiento del electrodo Tal como se señaló en el epígrafe 2.2.2, el revestimiento del electrodo quedó conformado por caliza (42 %), bentonita (5 %) y caolín (13 %), los cuales se mezclaron con la aleación de FeVNi obtenida de la termita (30 %) y grafito en polvo (10 %), todo aglomerado con 30 % de silicato de sodio. Un balance de masa realizado con todos los elementos que conforman el electrodo permitió definir que 27 el sistema de óxidos que rige el comportamiento del electrodo está formado en más del 90 % por CaO-Al2O3-SiO2. En la figura 3.2 se puede observar el diagrama de estado CaO-Al2O3-SiO2, donde el punto marcado se ubica entre las fases rankinita y gehlenita y muy cercana a la pseudo-wollastonita. Este punto se corresponde aproximadamente con la composición de la escoria del revestimiento propuesto, observándose que tiene una temperatura de 1400 ºC. Figura 3.2. Diagrama de estado CaO-Al2O3-SiO2. Por otro lado, el balance de masa permitió determinar teóricamente, que el electrodo es capaz de depositar, sin dilución, una aleación formada por 4,35 % de V, 0,40 % de Ni y 1,01 % de C. En las figuras 3.3 a) y 3.3 b) se pueden observar los electrodos ya teminados 28 Figura 3.3 a) Electrodos tipo A (isqierda) , Electrodos tipo B (derecha) y 3.3 b) Electrodos tipo C 3.2.2 Evaluación tecnológica del electrodo En la tabla 3.5 se muestran los resultados obtenidos en cuanto al comportamiento operativo de los electrodos a partir de la información bridada por los especialistas que participaron en la evaluación. Tabla 3.5. Comportamiento tecnológico de los electrodos durante el proceso de soldadura Electrodo Estabilidad del arco Desprendimiento de escoria Apariencia del cordón Presencia de humos y llamas A 5 4 2 4 B 5 4,5 2 4 C 5 4 3 4 Los 3 tipos de electrodos tuvieron un comportamiento similar, observándose buena estabilidad en el arco de soldadura, así como su encendido y reencendido. Este resultado se logra por la existencia de un medio altamente ionizado en la zona del 29 arco, debido al empleo en el revestimiento de minerales, cuyos componentes se caracterizan por un bajo potencial de ionización (Rodriguez.1993), como es el caso de la calcita (Ca2+). El desprendimiento de escoria (fue mediante el uso piqueta) se comportó bien ya que la escoria resultó frágil. La apariencia de lo cordones en general fue mala por la alta porosidad que estos presentaban, este resultado puede estar asociado al sistema de escoria, donde no se incorporó fluorita. No se observó presencia de humos y no se desprendieron muchos gases, no se formaron llamas durante la soldadura. En la figura 3.4 se muestran los cordones que se ralizaron en esta prueba con los electrodos tipo C Figura 3,3 Cordones de soldadura ralizados con los electrodos tipo C 3.2.3 Resultados de la caracterización de los depósitos de soldadura Se procesaron los datos correspondientes a los valores de dureza obtenida en el metal depositado para cada una de las variantes de electrodos (A, B, y C), cuyos resultados se muestran en la Tabla 3.6. De acuerdo con el análisis de varianza, se aprecia que no existen diferencias estadísticamente significativas entre los valores medios de la dureza para los depósitos obtenidos con los electrodos de las variantes A y B (ANOVA con p>0,05). Sin embargo, se distingue que hay una diferencia apreciable al comparar la dureza 30 obtenida en el depósito realizado con la variante de electrodo C. En la Figura 3.5, se puede observar el comportamiento de la dureza para los depósitos obtenidos con las tres variantes de electrodos. Tabla 3.6. Resultados de la dureza en el centro del cordón en los depósitos realizados con las dos variantes de electrodos fabricados Variante Mediciones (HV) Media Desv. St Error relativo (%) A 207,2 216,6 9,3 5,07 225,9 216,7 B 214,9 217,8 4,7 5,0 215,3 223,4 C (revestimiento periférico con 100 % de grafito) 515 515,6 11,0 5,8 527 505 Figura 3.5. Comparación de los valores medios de la dureza obtenida en los depósitos realizados con las tres variantes de electrodos fabricados. La tabla 3.7, ofrece los datos de composición química de los depósitos de soldadura. Tabla 3.7. Resultados de la composición química para los depósitos obtenidos con las variantes de electrodos Ay B Muestra C Si Mn P S Cu Al Cr Ni V 31 A 0,11 1,08 0,22 0,03 0,026 0,09 0,03 0,21 0,50 2,077 B 0,11 1,264 0,215 0,035 0,025 0,118 0,029 0,26 0,57 2,416 En la tabla 3.7 se aprecia que los contenidos de vanadio y carbono están por debajo de los valores determinados con el balance de masa, lo obliga a incrementar el contenido de carbono en el revestimiento con el objetivo de aumentar los niveles de transferencia y proteger el vanadio. Por otro lado, se aprecia que el contenido de níquel es ligeramente superior al predeterminado, lo cual puede estar relacionado con la menor afinidad de este elemento por el oxígeno. En el caso de la variante B el contenido de vanadio es ligeramente superior al A, lo cual es debido a que el espesor del revestimiento B es superior al A. En la tabla 3.7 se observa que el contenido de carbono en los depósitos obtenidos con las variantes de electrodos A y B son bajos y prácticamente similares. A pesar de los niveles bajos de C, se obtienen valores de dureza por encima de los 200 HV, lo cual puede estar determinado por lo niveles apreciables de V, que supera el 2 % como se indica en la tabla. Se considera que los valores de dureza apreciables tienen que ver con el efecto del V, ya que según la literatura (Aleksandar 2017), este elemento influye en los procesos de solidificación y la morfología de las microestructuras. Independientemente de los bajos contenidos de C en los depósitos obtenidos con los electrodos A y B, por la elevada afinidad del V por este elemento, se forman pequeños carburos del tipo V6C5, que aparecen durante la cristalización de la austenita primaria [Shizhong,2006]. Este fenómeno frena el crecimiento de las dendritas de austenita formándose una estructura de grano fino con valores de dureza significativos, a pesar de los bajos contenidos de carbono. Para el análisis relacionado con el tipo de microestructura en el cordón depositado por las variantes de electrodos A y B, se ha utilizado el diagrama de solidificación que se muestra en la figura 3.6. Para un contenido de C de 0,1 % y de V entre 2.0 y 2,4 %, aparece a temperatura ambiente la ferrita como microestructura predominante. 32 Figura 3.6 Superficie ”Líquidus¨ del diagrama Fe-V-C Las figuras, 3.7, 3.8 y 3.9 muestra la microestructura de los depósitos de soldadura obtenidos con las variantes de electrodos A y B. 33 Figura 3.7 Microestructura obtenida en el deposito con la variante de electrodo A. Figura 3.8 Microestructura obtenida en el deposito con la variante de electrodo B Figura 3.9 Microestructura del depósito obtenida con l variante de electrodo B a mayor aumento (X500). En la Figura 3.9 se puede observar que, en la microestructura obtenida en el depósito con el electrodo de la variante B, a mayor aumento, se aprecia la presencia 34 de inclusiones de óxido. Este fenómeno puede estar asociado a la ausencia en el revestimiento de la fluorita (CaF2), componente esencial utilizado en la fabricación de consumibles para soldadura, con el fin de garantizar la limpieza y la sanidad del cordón. La presencia de pequeños carburos del tipo V6C5, presentes en la microestructura como se ha señalado anteriormente, no se distinguen en las imágenes anteriores, dado precisamente por la presencia de inclusiones, cuya morfología y tamaño tienen cierta similitud. Para el caso del depósito obtenido con la variante C, se aprecia una dureza que alcanza un valor medio de 515 HV, según se muestra en la Tabla 3.6. El incremento de la dureza en este depósito es consecuencia del incremento de los niveles de C, debido a que al electrodo se le adicionó un revestimiento periférico compuesto por grafito y silicato de sodio. A este depósito no fue posible determinar el contenido de C, pero por su dureza se puede afirmar que hay cambios en el tipo de microestructura. En la figura 3.10 se muestra la microestructura obtenida con el electrodo recubierto de grafito (variante de electrodo C). 35 Figura 3.10 Microestructura obtenida con la variante del electrodo C. Al observar la microestructura de la figura 3.8 se puede observar que aparecen pequeños microconstituyentes, presumiblemente carburos del tipo V6C5. De acuerdo a la literatura, estos microconstituyentes son típicos para las aleaciones con concentraciones de V en el orden de 2 % con apreciables contenidos de C. La presencia de estos carburos en la microestructura considerando su tamaño, no deben tener una influencia marcada en la resistencia al desgaste del metal depositado, independientemente del mecanismo fundamental en la superficie de la pieza. No obstante, si resulta significativo que el metal depositado con el electrodo de la variante C posee una dureza de 515 HV, lo cual resulta favorable para contrarrestar el desgaste adhesivo que se manifiesta por la fricción de superficies metálicas en contacto. 36 CONCLUSIONES 1. La termita conformada con cascarilla de laminación, sólido residual del procesamiento químico de cenizas de combustión y virutas de aluminio, permitió obtener una aleación de FeVNi, fácilmente triturable a polvo y factible de usar en la fabricación de consumibles de soldadura. 2. El electrodo revestido evaluado, usando como carga de aleación el FeVNi obtenido y un 100 % de minerales cubanos en la conformación del revestimiento, permitió obtener cordones de soldadura con buena estabilidad del arco, buen desprendimiento de escoria y regular apariencia del cordón, usando corriente de soldadura entre 100 - 120 A. 3. Los prototipos de electrodos fabricados con la mezcla de revestimiento (A y B) compuesta por: Caliza (42 %), Bentonita (5 %), Caolín (13 %) y 30 % de la aleación de FeVNi; permitió obtener cordones de soldadura con más de 2 % de V y 0,5 % de níquel y con dureza en el orden de los 217 HV. Según estos valores de dureza no son recomendados como capa de recargue de piezas expuestas al desgaste. 4. La variante de electrodo C, donde se utilizó una mezcla de composición similar, pero con revestimiento periférico compuesto por grafito y silicato de sodio, se obtuvo en el depósito una dureza de 517 HV, por lo que este consumible ofrece perspectivas de empleo para el recargue de piezas expuestas a mediana abrasión. 37 RECOMENDACIONES - Realizar un estudio con electrodos fabricados con el revestimiento aplicado por extrusión, con la misma mezcla que la utilizada en la investigación, pero con la adición de grafito y fluorita, para incrementar los valores de la dureza y mayor sanidad en el metal depositado. 38 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS  AK., A., 1994. Possible utilization of flue-gas desulfurization gypsum and fly ash for citrus production: evaluation of crop growth response. Waste Management, Vol. 14, No. 7, pp. 621 627.  Alonso-Hernandez C.M., et al., 2005. 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