BOLAS PARA MOLIENDA DE MINERALES FABRICADAS DE HIERROS ADI/CAVI

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1 CONAMET/SAM BOLAS PARA MOLIENDA DE MINERALES FABRICADAS DE HIERROS ADI/CAVI J.A. Márquez Sánchez, J.A. García-Hinojosa, A. M. Amaro Villena, A. Huerta Cerdán, Departamento de Ingeniería Metalúrgica, Fac. de Química, Universidad Nacional Autónoma de México Ciudad Universitaria S/N Coyoacan México D.F RESUMEN En el presente trabajo se realiza el estudio de la sustitución de bolas de molienda para minerales, originalmente fabricadas de acero y hierro blanco aleados por hierros ADI y CAVI (Austempered Ductile Iron/Carbide Vermicular Ductile Iron). Bolas de hierros nodulares y vermiculares fueron manufacturadas por el proceso de modelo perdido o evaporable. Para el caso del hierro vermicular se obtuvo una fracción de carburos en la microestructura controlando la composición química durante el proceso de fundición. El hierro nodular base se controlo para tener un mínimo de 85 % de perlita en la matriz. Ambos materiales fueron caracterizadas en dos aspectos, microestructura antes y después del tratamiento isotérmico, así como propiedades mecánicas (dureza, resistencia al impacto y resistencia al desgaste), estas últimas después del tratamiento isotérmico. La evaluación de las propiedades de los hierros con tratamiento isotérmico sugiere que estos hierros pueden sustituir a los materiales originales con ventajas adicionales.

2 1. INTRODUCCIÓN El desarrollo de materiales de alta tecnología más eficientes y competitivos esta buscado nuevas alternativas (métodos y procesos) para alcanzar este propósito. Un ejemplo muy importante es el de los hierros nodulares, que es considerado como un material tradicional ferroso el cual ha evolucionado a través del tratamiento isotérmico de autemperizado, que lo hace actualmente más competitivo y considerado como una valiosa y ventajosa alternativa en la sustitución de piezas de acero colado y forjado. Las más recientes aplicaciones [1] están siendo desarrolladas en la industria automotriz, ferroviaria, agrícola, militar, minería y construcción, así como algunas aplicaciones de tipo industrial. El objetivo de aplicar tratamientos isotérmicos a los hierros nodulares, es el de promover la formación de microestructuras de ferrita acicular y austenita estable con altos contenidos de carbono, microestructura que recibe el nombre de ausferrita [2, 3]. Esta estructura proporciona al hierro nodular una elevada combinación de resistencia y ductilidad, características que han contribuido a hacerlo viable de aplicaciones ingenieriles más extensas y donde se demandan mayores propiedades. Es sabido que la producción de hierro nodular con tratamiento ADI (Austempered Ductile Iron) depende del control de algunas variables fundamentales como lo son: la composición química del hierro base, la calidad metalúrgica (microestructura de la matriz, tamaño de nódulo, nodularidad, densidad de nódulo, etc.), temperatura y tiempo de austenización, temperatura y tiempo de tratamiento isotérmico, entre otros [4,5]. Quizá dos de los parámetros más importantes considerados en la manufactura de hierros ADI de alta calidad son: la composición química y la calidad microestructural del hierro base. En la figura 1, se presenta el ciclo típico aplicado al tratamiento ADI de un hierro nodular. El segmento AB indica el calentamiento hasta la temperatura de austenización, seguido por el segmento BC tiempo de austenización, le sigue el segmento CD que es el enfriamiento rápido hasta la temperatura de tratamiento isotérmico Ti, el segmento DE representa la duración del tratamiento isotérmico, para finalmente enfriar la pieza hasta temperatura ambiente [6, 7]. Algunos estudios han clasificado a los hierros ADI en cinco categorías específicas que relacionan la estructura con sus propiedades mecánicas [8, 9], en las que se incluyen ausferritas de alta y baja temperatura, pasando por ausferritas intermedias. Las condiciones del tratamiento pueden variar significativamente en función de las características antes mencionadas, en general los intervalos de tratamiento isotérmico oscilan entre 250 y 480 C, mientras que el tiempo de tratamiento [6,7,10] varía con la temperatura isotérmica seleccionada en términos de la movilidad de carbono, lo que determina la rapidez de transformación, tomándose entre 30 y 240 minutos, para altas y bajas temperaturas respectivamente. T ( C) Tγ B C perlita Ti A D E ausferrita tγ ti tiempo FIGURA 1. Ciclo térmico típico del tratamiento ADI. Este estudio se desarrolla considerando que los costos de operación de los procesos de molienda de minerales en seco o en húmedo, constituyen una parte muy importante en el tratamiento de éstos, especialmente la contribución del consumo de bolas de molienda, que en ocasiones puede ser superior al costo del consumo de la energía eléctrica. Dependiendo de la capacidad de la planta, miles de Kg. de bolas para molienda son consumidos en la industria dedicada a esta actividad. Las propiedades más importantes solicitadas en materiales para la operación de molienda son la resistencia a la abrasión, al impacto y cuando es en húmedo es muy importante la resistencia a la corrosión [11]. Los hierros colados con tratamiento ADI, tiene la ventaja sobre hierros blancos y aceros de tener una mayor tenacidad con lo cual se mejora considerablemente la resistencia al impacto, aunque su resistencia a la abrasión sea ligeramente menor. Estas características combinadas con el costo competitivo de los hierros ADI, lo hacen un material susceptible de sustituir a los materiales tradicionales utilizados en las operaciones de

3 molienda. Considerando el alto consumo de bolas debido al desgaste y fractura de las mismas en los materiales tradicionales que afectan la eficiencia de molienda de minerales, en este trabajo se trata de proponer un material como medio molurante, con propiedades mecánicas adecuadas que mejoren el tiempo de vida de las mismas y reduzcan el costo del proceso. De acuerdo a lo anterior en el presente trabajo se realiza el estudio de la sustitución de bolas de molienda para minerales, originalmente fabricadas de acero aleado y hierro blanco, como primera opción por hierros ADI (Austempered Ductile Iron) y como segunda opción por hierros CAVI (Carbide Vermicular Ductile Iron). Esto último tomando en cuenta que la presencia controlada de carburos en una matriz de ausferrita de hierro vermicular tiene un efecto muy significativo en la resistencia al desgaste de este material y mantiene la alta tenacidad asociada a la ausferrita. La característica anterior hace idóneo a los hierros CADI y/o CAVI en aplicaciones en donde esta propiedade mecánica es la principal demanda. Potenciales aplicaciones han sido publicadas en la bibliografía [12-15], aunque la información todavía es incipiente. 2. DESARROLLO EXPERIMENTAL 2.1 Manufactura de Hierros ADI En la primera parte del desarrollo experimental se trabajo con un hierro nodular no aleado, el cual se fabrico en un horno de inducción de 120 Kg de capacidad, la composición fue ajustada para obtener una matriz con un contenido mínimo de perlita del 80 %. Las bolas de molienda de diámetro de 3.5 cm. fueron obtenidas por el proceso de modelo evaporable (lost foam), en árboles con 20 piezas. El hierro fue caracterizado metalúrgicamente en dos aspectos, la composición química determinada por espectrometría de emisión atómica: 3.64 % C, 2.7 % Si, 0.03 % P, 0.03 % S; 0.70 % Mn, % Mg y Fe balance, así como la calidad microestructural: matriz 85 % perlita y 15 % ferrita, tamaño de nódulo 5-6 ASTM, 90 % de nodularidad, densidad de nodulos nódulos/mm 2 y un % máximo de carburos del 1%. Las bolas obtenidas del proceso de fundición, fueron sometidas a tratamiento ADI. En la primera etapa, las bolas fueron austenizadas a 900 C durante 40 min. En la segunda fueron transferidas al baño isotérmico a base de sales a una temperatura de 400 C ±15 con un tiempo de permanencia de 40 min. Finalmente en la tercera etapa fueron enfriadas en agua desde la temperatura del isotérmico hasta la temperatura ambiente. 2.2 Manufactura de hierros CAVI También bolas de hierro vermicular fueron obtenidas por el mismo proceso de fundición, la composición química de dicho hierro fue 3.71 % C, 2.20 % Si, 0.60 %Mn, %P, % Mg y Fe balance. Posteriormente las piezas fueron sometidas a tratamiento isotérmico bajo las siguientes condiciones: temperatura de austenización 960 C, tiempo de austenización 45 min.; el tratamiento isotérmico se realizo a 350 C durante 40 min., para finalmente enfriar las piezas en agua. Los materiales fueron caracterizados metalograficamente antes y después del tratamiento térmico, así mismo se evaluaron algunas propiedades mecánicas como la dureza, la resistencia al desgaste y la resistencia al impacto. Estas propiedades fueron comparadas con las de dos materiales tradicionales utilizados en la manufactura de molienda que son el hierro blanco aleado y el acero aleados en condiciones de temple y revenido. 3. RESULTADOS 3.1 Hierros nodulares con tratamiento isotérmico (ADI) Los resultados de la caracterización de las piezas de hierro nodular con tratamiento ADI fueron los siguientes. La estructura fue predominantemente ausferrita (95 %) con una baja cantidad de austenita sin transformar (5 %), indicativo de un buen tratamiento de austemperizado. Las microestructuras del hierro nodular antes y después del tratamiento se muestran el las FIGURAS 2a y 2b. Una bola con tratamiento fue cortada por la parte central, en la cual se tomo el perfil de dureza superficie-centro, a través del cual las variaciones fueron mínimas, la dureza promedio fue del orden de 365 HB±10. La resistencia al impacto en probeta tipo Charpy fue de 100 Joules, y la resistencia al desgaste en seco de laboratorio fue de 9 % en peso de la pieza, después de 10 horas de ensayo.

4 CONAMET/SAM Uno de los materiales tradicionalmente utilizado es el hierro blanco aleado, las piezas comerciales tienen con una dureza promedio 480 HBN y resistencia la impacto de 30 ft-lb, su composición química es de: 3.1 % C, 0.9 % Si, 0.68 % Mn, 0.12 % P, 0.30 % S, 2.05 % Cr, 3 % Ni y Fe balance. La microestructura corresponde a un hierro blanco hipoeutéctico formado por perlita y ledeburita como se puede observar en la FIGURA 3. Otro material utilizado para bolas de molienda es el acero aleado forjado. La microestructura en condiciones de temple y revenido es heterogéneas de la superficie al centro, que van desde estructuras martensíticas con bajas proporciones de bainita, hasta dominantemente bainíticas, observar la FIGURA 4. Lo anterior crea zonas de tensiones entre los cambios de microestructura promoviendo la variación de dureza y la fragilidad del material. FIGURA 3. Microestructura de una bola de acero fabricada de hierro blanco hipoeutéctico. (a) (b) FIGURA 4. Microestructura de una bola de acero (a) superficie con estructura de martensita, dureza de 50 HRc (513 HBN) y (b) centro con estructura de bainita y perlita, dureza de 32 HRc (318 HBN). La resistencia al desgaste de estos dos últimos materiales se obtuvo y comparo contra la del ADI en condiciones reales de molienda a nivel laboratorio. Para evaluarla se realizaron pruebas de moliendabilidad de Bond, siguiendo el procedimiento experimental estándar descrito en la literatura [4,5], con determinaciones del Índice de Bond, y pérdida de peso de las bolas en cada ciclo de molienda (desgaste), todo esto sobre materiales de clinker con la composición de mezcla 65% clinker, 8.80% yeso y 26.2% puzolana (materiales para producir cemento). Dichas pruebas se realizaron en seco, en un molino de bolas de 20.8 cm. de diámetro y 15.2 cm. de longitud, colocando una carga de 8.28 Kg. de bolas constituidas por: bolas de hierro blanco de las cuales una fue marcadas y tres de hierro nodular con tratamiento ADI también marcadas con barreno, todas éstas con diámetros promedio de 4 cm.

5 Los resultados experimentales de desgaste del hierro ADI en comparación con el hierro blanco en diferentes ciclos de molienda fueron los siguientes: las bolas de hierro ADI mostraron un comportamiento de desgaste relativamente bajo y constante a partir del minuto 90 de molienda, en donde la variación de pérdida de peso fue en promedio de 0.02±.003 g, comparado con el hierro blanco con pérdida de peso promedio de.013±.002g. En la FIGURA 5, se muestra comparativamente la perdida de peso en gramos contra el tiempo de molienda, para el caso de la bola de hierro blanco y las tres de hierro ADI Pérdida de peso (g) tiempo (min) ADI2 ADI3 ADI4 HB Figura 5. Desgaste comparativo entre las tres bolas de molienda de hierro ADI y la bola de hierro blanco (HB). 3 (a) (b) FIGURA 2. Hierro nodular (a) antes del tratamiento ADI y (b) después del tratamiento ADI.

6 3.2 Hierros vermiculares con tratamiento isotérmico (CAVI) En la segunda etapa experimental se fabricaron bolas de molienda por el mismo proceso de fundición de hierro vermicular con presencia de 25 % de carburos, la microestructura del material antes del tratamiento ADI se muestra en la FIGURA 6. Las bolas fueron cortadas por mitad y preparadas para evaluar la microestructura resultante del tratamiento isotérmico, observar FIGURA 7. Sobre la superficie de corte se obtuvo el perfil de dureza, el cual fue constante con una dureza de 38.5 ± 1.5 HRc equivalente a 372 puntos de dureza HBN. Finalmente fue sometida a ensayo de desgaste [16], los resultados del desgaste del material se muestran en la FIGURA 8. (a) (b) FIGURA 6. Microestructura del hierro vermicular mostrando la presencia de carburos en un 25 %. (a) resolución 100X y (b) Detalle de los carburos, 500X. 4. DISCUSIÓN 4.1 Hierro ADI A manera de discusión en el caso de los hierros ADI, se observa (FIGURA 4) que la mayor o menor pérdida de peso obtenida en ambos materiales bajo las condiciones de trabajo ensayadas, se atribuye a la microestructura y dureza de éstos, ya que el tipo de clinker-mezcla probado presenta una dureza constante. El punto de la estabilización de pérdida de peso en las bolas de ADI aproximadamente a los 100 minutos de prueba, puede ser asociada a que el material incrementa su dureza superficial por un trabajado termomecánico superficial, al estar impactando sobre el cemento, las paredes mismas del molino y entre las mismas bolas de molienda. Considerando que la resistencia al impacto es un factor muy importante en las bolas de molienda debido al impacto continua a que son sometidas durante la operación de molienda se observa que el hierro ADI tiene un valor un poco más de tres veces el del hierro blanco, 100 lb-ft contra 30 del hierro blanco. Por lo que la probabilidad de que el hierro blanco se fracture durante el proceso de molienda es más alta, condición que disminuye la eficiencia de molienda. Lo

7 anterior es una gran ventaja para el hierro ADI a pesar de presentar un mayor desgaste durante la molienda. FIGURA 7. Microestructura del hierro vermicular después del tratamiento isotérmico tiempo (min) FIGURA 8. Curva de desgaste del hierro vermicular con carburos y con tratamiento isotérmico. 4.2 Hierro CAVI En relación a los resultados obtenidos con el hierro vermicular con carburos, la microestrura muestra que es factible obtener una matriz de ausferrita con buenas características y sin disolución significativa de los carburos bajo las condiciones de tratamiento aplicadas, estas características permiten asegurar una mayor resistencia al desgaste. La perdida de peso durante el ensayo de desgaste aunque no tiene un comportamiento del todo regular, es sin embargo menor que la de los hierros nodulares con ADI, para este caso la pérdida de peso fue de 0.07 % después de 6 hrs. de ensayo. El valor de esta propiedad lo hace ideal para aplicaciones en donde esta propiedad es mandataria. Uno de los principales problemas para el caso de los hierros vermiculares con carburos e incluso para los nodulares con carburos, se presente en el control de la microestructura durante el proceso de fundición, las condiciones deben ser muy estrictas en relación al magnesio residual para controlar la forma del agregado de grafito, además de los contenidos de carbono, silicio y manganeso que controlar la fracción presente de carburos en la matriz. Estos resultados preeliminares para el CAVI dan una excelente perspectiva del potencial que pueden tener estos materiales en muy diversas aplicaciones donde se demande desgaste. Aunque es necesario realizar pruebas adicionales en las que se incluya la evaluación de la resistencia al impacto y la comparación contra los aceros aleados utilizados para aplicaciones de molienda de minerales. 5. CONCLUSIONES Las conclusiones finales de este trabajo son las las siguientes: Las microestructuras de los hierros ADI son más uniformes para las bolas de molienda de minerales.

8 El desgaste de los hierros blancos en condiciones de molienda es menor que el del ADI, sin embargo su baja resistencia al impacto indican una fuerte tendencia a la fractura. El hierro vermicular con carburos presenta pérdidas de peso por desgaste muy bajas, condición que lo hace ideales para estas aplicaciones. Sin embargo una probable desventaja es el control de la calidad del hierro base (fracción controlada de carburos) que se utilizará para el tratamiento isotérmico correspondiente. Agradecimientos Se agradece el apoyo financiero otorgado por la DGAPA-UNAM para la realización de este trabajo, así como al IQM Ignacio Beltrán P, al IQM Cándido Atlatenco y al IQM E. Trejo E., por el invaluable apoyo brindado al desarrollo del mismo. Referencias 1. Keugh J.R., World Conference on ADI, (1991), pág Bex T., Modern Casting, V.98, (1990) 3. Kovacs J., V.99, (1991), pág Aranzabal J., Gutiérrez I., Rodríguez J.M., Urcola J.J., Metall. and Mat. Trans. A, V.28 A, (1997), pág Rousiere D., Aranzabal J., Metall. Sci. and Techn., V.18, No. 1, (june 2000), pág Putatunda S.K., Gadicherla P.K., J. of Mat. Eng. and Perf., V.9, no 2, (april 2000), pág Massone J.M. et al, AFS Transaction, V. 148, (1996), pág Crist R.J., World Conference on ADI (1991), pág Rohrig K., Giesserei-Praxis, V. 9, (sept. 1999), pág Arámburo G., García G. S., García H.J.A., Memorias Simposio Nacional de de Morelia, (1992), México. 11. Madhusudhanachar B., Yargol M., Udupa K.R., Bhat K.L, Recents Advances in Metallurgical Progress, V. II Pu. New Age International (1997), pág Keough J.R., Kathy L., Applied Process Inc., Technolies Div. Livonia Michigan, USA, DIS Meeting on Novemver 14, wwww. Appliedprocess.com 13. Hayrinen K.L., Brandenberg K.R., Keough J.R., AFS Transaction 084, Laino S, Dommarco R.C., Sokora J.A, Memorias SAM/CONAMET-MEMAT 2005, Mar del Plata Argentina, Octubre Mazaferro M.M., Froehlich A.R.,Strohaecker R.R., Memorias SAM/CONAMET-MEMAT 2005, Mar del Plata Argentina, Octubre ASTM G83-96 Standard Test Method for Wear Testing with a Crossed-Cylinder Apparatus.

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