Laboratorio de aceración Práctica N° 2 Descarburación
Angel DoroteoApuntes9 de Octubre de 2018
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INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas
Departamento De Ingeniería Metalúrgica y Nuevos Materiales
Laboratorio de aceración
Práctica N° 2
Descarburación
Breves consideraciones teóricas
Los aceros son aleaciones de hierro con carbono y otros componentes, los cuales otorgan ciertas propiedades a estos. La composición de C en los aceros se encuentra en el rango de 0.05 hasta 1.7; con contenidos altos de C se mejora notablemente la dureza y la resistencia (máximo esfuerzo) pero decrecen su tenacidad y su límite elástico.
Variaciones en las propiedades de los aceros respecto al contenido de carbono
Contenido de C en el acero | Denominación | Propiedades principales y aplicación |
0.05 – 0.10 | Acero muy suave | Muy dúctil, soldable al fuego; adecuado para cementación. |
0.2 | Acero suave | Propiedades parecidas al anterior. Comúnmente utilizado para piezas de máquinas y de construcciones de baja resistencia. |
0.3 – 0.5 | Dureza media | Dúctil, soldable eléctricamente y al fuego, templable al agua. Utilizado para piezas de maquinaria que requieren mayor resistencia. |
0.6 – 0.8 | Acero duro | Menos dúctil y soldable; buena templabilidad en agua y en aceite. Se utiliza en piezas sometidas a mayores esfuerzos como resortes y herramientas simples. |
0.9 – 1.0 | Acero para herramienta | Muy buena templabilidad. Se utiliza en herramientas que requieren cierta tenacidad. |
1.1 – 1.7 | Acero duro para herramienta | Muy buena templabilidad. Utilizado para herramientas que requieren elevada dureza y estabilidad de filo sin considerar su fragilidad. |
Oxidación del Carbono (Descarburación).
La particularidad de la oxidación del Carbono reside en que el producto de esta reacción es el CO, el cual al desprenderse del baño metálico en forma de burbujas, crea una impresión de líquido en ebullición. Puesto que la oxidación del Carbono tiene lugar en todo el transcurso de la fusión y ejerce una considerable influencia en la eliminación de una serie de impurezas del metal, ésta se considera como la reacción principal en la producción de acero.
La reacción de oxidación del Carbono disuelto en el metal, es posible anotarla de la siguiente forma:
[pic 1][pic 2]
Siendo y las actividades del Carbono y Oxígeno en el metal[pic 3][pic 4]
La oxidación del Carbono disuelto en el metal hasta CO2 sólo es posible cuando las concentraciones de Carbono son bajas. Incluso en condiciones favorables esta reacción tiene un desarrollo limitado.
La oxidación del Carbono va acompañada de un insignificante efecto térmico. Es posible considerar que las concentraciones de equilibrio de Carbono y Oxígeno casi no dependen de la variación de la temperatura.
Se considera que para las concentraciones del Carbono en el metal <1% y Oxígeno <0.1% sus actividades son aproximadamente iguales a las concentraciones. En este caso, la ecuación para la constante de equilibrio adopta la forma:
[pic 5]
Y para una presión de 0.1 M Pa (0.98686 atm ≈ 1 atm) es posible escribir:
[pic 6]
Donde .[pic 7]
Con los experimentos de Vacher y Hamilton, se determinó que a 1580 - 1620 °C y , el producto de tiene un valor de 0.0025 – 0.0026. En la figura 1 se muestra la dependencia entre las concentraciones de equilibrio y . De los datos de la figura 1 resulta que de la concentración del Carbono depende la de Oxígeno en el metal. El contenido real de Oxígeno en el metal líquido a medida de su descarburación siempre es mayor que el de equilibrio.[pic 8][pic 9][pic 10][pic 11]
La ebullición del baño se determina no solo por la posibilidad termodinámica del transcurso de la reacción química de oxidación del Carbono, sino también por las condiciones cinéticas.
La existencia de moléculas de gas CO sólo es posible en la fase gaseosa. El proceso mismo de oxidación del Carbono se compone de las etapas de acercamiento del oxígeno al lugar de la reacción, la interacción química entre las partículas de carbono y oxígeno y la evacuación de las burbujas creadas de CO de la zona de reacción.
Puesto que la reacción [C] + [O] → CO es posible sólo en el límite con la fase gaseosa, como condición para el transcurso del proceso sirve la existencia o creación de la fase gaseosa en el baño del metal fundido. Ésta puede formarse de burbujas de gas, gases en los poros de la solera o poros en los materiales utilizados en la tecnología de la fusión. Para que la burbuja de CO pueda formarse en el metal, ésta debe superar la presión atmosférica, la presión de las columnas de metal y de escoria sobre ella y la presión capilar (vencimiento de las fuerzas de la tensión superficial)
[pic 12]
Donde es la presión en el espacio útil del horno (Pa), es la presión ferrostática del metal e hidrostática la escoria (Pa), es la tensión superficial del metal (mJ m 2) (para el acero líquido el valor oscila de 1300 a 1600 (mJ/m2); r, el radio de la burbuja formada, mm[pic 13][pic 14][pic 15]
[pic 16]
Fig. 1 Relación entre la concentración del Carbono y las concentraciones de Oxígeno en el metal que se encuentra en equilibrio con el carbono
1 equilibrio a 1600 °C; 2 fusión en horno eléctrico; 3 fusión en horno siemens-Martin
De la ecuación expuesta se deduce que cuanto más profundo sea el baño, mayor la capa de escoria y más alta la presión en el sistema, tanto más difíciles serán las condiciones para la formación y separación de burbujas de CO.
La presión capilar tiene un valor notable sólo siendo pequeñas las magnitudes del radio r; ésta es elevada en el momento de formarse la burbuja, cuando sus dimensiones son semejantes a las dimensiones de la molécula CO. Por ello, la probabilidad de formación de una nueva fase (burbuja de gas) en el metal homogéneo prácticamente es igual a cero.
Con numerosas investigaciones se ha establecido que la creación de una nueva fase se facilita habiendo una superficie dura áspera, de difícil humectabilidad con líquidos. Por ello, la reacción de oxidación del carbono obtiene un mayor desarrollo en la superficie de la solera y en otras superficies interfaciales, donde se tienen condiciones favorables para la formación de burbujas de CO (límite metal-escoria, metal-burbuja, metal-inclusión no metálica, etc.)
Ley de Raoult – Ley de Henry:
La actividad de un componente puede relacionarse con su fracción molar mediante un parámetro adimensional denominado coeficiente de actividad .[pic 17][pic 18]
[pic 19]
Un componente en una solución obedece a la Ley de Raoult cuando su actividad y su fracción mol son iguales:
y [pic 20][pic 21]
Ley de Henry: Establece que la actividad de un elemento es directamente proporcional a su fracción mol cuando esta fracción se aproxima a cero.[pic 22][pic 23]
Cuando [pic 24][pic 25]
Donde es un valor constante y se denomina “Coeficiente de actividad Henriano”[pic 26]
[pic 27]
Considérense las siguientes reacciones
(1)[pic 28]
(2)[pic 29]
-----------------------------------
(3)[pic 30]
Por otra parte, se sabe que
(4)[pic 31]
En el equilibrio (5)[pic 32]
...