El Acero y el Hidrógeno (Parte I. Fuentes de Ingreso del Hidrógeno en el acero)
El acero es una aleación básicamente compuesta por dos elementos químicos, el Hierro (Fe) y el Carbono (C), en la cual el primero (Fe), es el elemento que se encuentra en mayor proporción y el Carbono (C) en forma de carburo de hierro (Fe3C), es el que ejerce la mayor influencia en sus propiedades y características finales. El contenido de C en estas aleaciones puede variar entre 0.035% y 1.76%, llegando a alcanzar en algunos casos hasta 2.2%.
Durante su fabricación intervienen otros elementos que ejercen una influencia secundaria pero no menos importante, como el Manganeso (Mn), el Silicio (Si), el Fósforo (P), el Azufre (S), el Níquel (Ni), el Cromo (Cr), el Molibdeno (Mo), el Cobre (Cu), el Vanadio (V), el Niobio (Nb), y el Boro (B).
El Acero y el Hidrógeno
En esta parte hablaremos acerca de las principales fuentes de ingreso en el acero, de uno de los elementos más peligrosos para esta aleación.
El Hidrógeno (H)
El hidrógeno designado con la letra H en la tabla periódica, es considerado una impureza en el acero y fundiciones de hierro. Por su pequeño tamaño atómico y facilidad de difusión en soluciones sólidas, su presencia puede ser muy perjudicial en algunas aplicaciones de alta exigencia, siendo el causante en muchas ocasiones del colapso inesperado de estructuras metálicas, por fracturas frágiles, incluso luego de mucho tiempo de servicio. Por ello es necesario emplear procedimientos que permitan removerlo de manera eficiente, en cada una de las fases de aceración.
Fuentes de ingreso
Este elemento puede ingresar al acero por varias rutas.
Una de ellas ocurre durante el proceso de fusión de la materia prima, cuando el agua contenida en la carga, como chatarra húmeda, fundentes y ferroaleaciones, en los gases de los hornos o en los refractarios inadecuadamente secados, se disocia al contacto con el acero líquido, permitiendo que el hidrógeno sea absorbido por el baño metálico.
Disociación del agua durante fusión de patrón de carga en Horno de Arco eléctrico
Otra de las fuentes de ingreso de hidrógeno al baño metálico es la humedad contenida en el refractario del cucharón y/o en el aire. Este tipo de ingreso de hidrógeno es más difícil de controlar ya que no puede ser purgado por las reacciones del horno, y son requeridas técnicas especiales para removerlo.
Paul D. Deeley , Konrad J.A Kunding, Howard R. Spendelow Jr. Ferroalloys & Alloying Additives Handbook. Shielddalloy Corporation Newfield New Jersey 1981
Disociación del agua en Hidrógeno, durante el sangrado del acero en el cucharón
En algunos procesos como los de Oxigeno Básico, donde se emplean combustibles hidrocarburos el ingreso del hidrógeno al acero prevalece debido al vapor de agua contenido en estos.
Las unidades generalmente utilizadas para expresar las cantidades de hidrógeno, son las partes por millón (ppm) y milímetros o centímetros cúbicos de hidrógeno, corregido a la temperatura estándar y presión por 100 g de acero. La relación entre los dos es 1ppm = 1.11 ml/100g. Usualmente después del vaciado del acero líquido en el cucharón este suele contener entre 1 y 10 ppm, con valores que generalmente se ubican entre 4 y 6 ppm.
Inclusive después que el acero está solidificado, este puede absorber Hidrógeno a través de la acción de reacciones electroquímicas que tienen lugar sobre su superficie, como:
1. El decapado
2. El Galvanizado
3. La Protección catódica y
4. La Corrosión
El hidrógeno liberado durante estas reacciones, es en parte absorbido por el acero antes de que este tenga la oportunidad de recombinarse para formar burbujas de H2. La absorción es favorecida por la presencia en el electrolito de “venenos” como sulfuros, arsenuros, forfuros, y selenuros, los cuales inhiben la reacción de recombinación. El hidrógeno también puede ingresar al acero a través de su exposición al gas a altas temperaturas y presiones en condiciones no comunes de equipos de procesamiento químicos y petroquímicos. El vapor de agua y los hidrocarburos son factores muy perjudiciales a considerar. En cualquiera de los casos, el hidrógeno se disuelve intersticialmente en el acero como una especie monoatómica.
La solubilidad del hidrógeno en el acero depende fuertemente de la estructura cristalina, la temperatura y la composición química. Por ejemplo, el Hidrógeno es mucho más soluble en la austenita, que en la ferrita. En todos los casos la solubilidad incrementa con la temperatura, en un rango de menos de 1 ppm a temperatura ambiente hasta 8 ppm a 704 °C (1300 °F), y cada uno de los elementos presente en el baño líquido ejerce un papel en como incide este elemento durante el proceso de transformación del acero y su efecto sobre el desempeño del producto final .
En conclusión, el agua y los hidrocarburos presentes durante los procesos de fusión, afino, solidificación y tratamientos superficiales posteriores, suelen ser las principales fuentes de ingreso de este elemento en el acero, ya sea en estado líquido o sólido.
En el próximo post, estaremos hablando de como influyen: la estructura cristalina, la temperatura y cada uno de los elementos que intervienen en el proceso de fabricación del acero, sobre la calidad final del mismo.
Espero les haya sido de provecho. Nos vemos muy pronto, en el próximo capitulo .
Fuente e imágenes de mi autoría.
Referencia bibliográfica
Paul D. Deeley , Konrad J.A Kunding, Howard R. Spendelow Jr. Ferroalloys & Alloying Additives Handbook. Shielddalloy Corporation Newfield New Jersey 1981
URIBE PÉREZ, IVÁN, VELOSA PACHECO, ALDRIN BELISARIO, ZABALA CAPACHO, LUIS EDUARDO, Fundamentos del daño por hidrógeno en los aceros. El Hombre y la Máquina [en linea] 2011, (Enero-Junio) : [Fecha de consulta: 19 de mayo de 2019] Disponible en:http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=47821598012 ISSN 0121-0777
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Excelente aporte, muy buena las animaciones para explicar el proceso.