Mineral de piritas

Pirita en la fabricación de hierro

Pirita de hierro (hierro(ii) disulfuro, FeS2,aquí conocido como pirita) es un sulfuro natural de hierro, y es uno de los sulfuros más comunes. La pirita se encuentra en grandes cantidades en costuras de cuarzo, en rocas sedimentarias y metamórficas, y junto con depósitos de carbón. Además de su brillo metálico dándole un aspecto visualmente atractivo, encuentra uso en la industria en la fabricación de pastillas de freno y como aditivo en la producción de vidrio,entre otras áreas,muchas de las cuales dependen de su alta pureza natural y niveles impresionantes de dureza.

Pero un papel contemporáneo importante para la pirita es cuando se utiliza como material suplementario en la producción de hierro fundido. A menudo añadido en forma en polvo a aproximadamente 100 malla, pirita puede actuar como una fuente de azufre, como una ayuda a la maquinabilidad. Como fuente de azufre, es barato y no tóxico en comparación con otras fuentes notables.

La pirita no se considera una buena fuente de hierro en sí, especialmente en comparación con la magnetita y la hematita - a pesar de ser aproximadamente la mitad de hierro por peso - pero es una buena fuente de azufre(1). La adición de materiales como pirita a hierro fundido/fundido se conoce como inoculación, y es un tratamiento común de estado líquido del hierro(2).

productos de acero fabricados con moldes con arenas de relleno
pastilla de freno y disco de freno

Como fuente de azufre en hierros fundido grafáticos

El hierro grafático es un importante material de hierro fundido por derecho propio, las aplicaciones de este material son donde la rigidez del material es más importante que la resistencia a la tracción, por ejemplo, los bloques de motor de los automóviles y las carcasas de la bomba. El hierro grafático es, por su naturaleza, hierro que contiene grafito. Los materiales carbonáceos se añaden al hierro fundido, que se precipita en la refrigeración para proporcionar una red de grafito dispersa a través del hierro. Tales precipitaciones se ve reforzada por la presencia de pirita, que proporciona azufre en el derretimiento y por lo tanto produce muchos puntos de nucleación para la precipitación de grafito(3).

Las propiedades de tracción del hierro grafático se modulan por la presencia de azufre - experimentos que añaden entre 0,023 y 0,080% de peso de azufre (a partir de la adición de un máximo de 200 μm de polvo de pirita de diámetro) han causado una microestructura más uniforme y claramente definida, pero más allá de un cierto punto, la adición de pirita que causa un mayor contenido de azufre contribuye a una reducción en la resistencia a la tracción(4). En el otro extremo de la fabricación de hierro grafático es la formación de nódulos - donde el grafito formado es esférico en la naturaleza y ofrece un hierro fundido más dúctil. Del mismo estudio, se encontró que las adiciones más altas de azufre de la pirita proporcionan más puntos de nucleación y, por lo tanto, formas más compactas y similares a las escamas de grafito, es decir, menos nódulos. La inoculación para dar lugar a más puntos de nucleación se hace más eficiente mediante el aumento del contenido de azufre a través de pirita(5).

Los recuentos de nódulos tienden a ser mayores cuando se añaden granos de azufre/pirita al hierro fundido en etapas posteriores del proceso a través de una gama de composiciones de hierro(6). Hasta 0.55% por peso de azufre como inoculante es común. Las patentes para producir hierro fundido de grado automotriz sugieren contenidos comunes de azufre en la región de 0,2 a 0,3% en peso azufre(7).

En general, se dice que la adición de pirita a la producción de hierro grafático es especialmente beneficiosa para despliegues altamente compactados de hierro grafático, además de hierro donde se requiere un grado moderado de ductilidad. El hierro grafito compactado, producido con azufre añadido a partir de pirita, tiene propiedades de fuerza y dureza que se acercan a las observadas con hierro dúctil(8).

metal fundido que se vierte

Para mejorar la maquinabilidad en hierro gris fundido

El hierro fundido gris es un tipo de hierro grafático, llamado así por su coloración gris, sin embargo la maquinabilidad puede ser problemática debido a su dureza. La maquinabilidad es de suma preocupación en la producción de cualquier metal, pero especialmente uno tan importante a nivel mundial como el hierro. La maquinabilidad puede ser cualquier proceso desde la perforación, torneado, fresado y molienda.

Un método para garantizar un mecanizado más fácil es mediante la adición de las llamadas "inclusiones de ingeniería" que pueden causar reducciones en el desgaste a las herramientas y/o menos fuerzas de mecanizado necesarias para lograr el mismo resultado(9). El exceso de sulfuros (derivados de la pirita) se transforma en inclusiones de ingeniería utilizando manganeso, formando sulfuros de manganeso, que se consideran inclusiones óptimas. El aumento del contenido de azufre de la pirita aumenta el tamaño de las inclusiones. La investigación sugiere que la maquinabilidad no se ve afectada por la morfología de las inclusiones, sino por el área porcentual en su lugar(10). El contenido de azufre supera con creces el 0,2% de peso. La determinación adecuada y precisa de las inclusiones de ingeniería es imperativa, ya que las micro grietas pueden formarse en la interfaz de la matriz de inclusión, lo que resulta en reducciones de la fuerza de corte y el consumo de energía(11). El manganeso es una inclusión común en el hierro fundido.

Otros estudios han demostrado que la adición de azufre (a través de pirita u otros medios) en una etapa posterior, en cantidades tan bajas como el 0,06% de peso, resulta en una mejora considerable de la maquinabilidad(12), y que un nivel objetivo de inclusión de azufre debe ser superior al 0,12% para una mejora óptima de la maquinabilidad.

metal fundido que se vierte
juntas fundidas de moldes de arena de dlabal

Impacto de la adición de pirita en el proceso de fundición

Las inclusiones no metálicas como el grafito y el azufre pueden modular dramáticamente la solidificación, la estructura y la calidad global de fundición del hierro. El examen de la literatura sobre patentes revela que la producción de hierro mediante aglomeración se ve reforzada por la adición de polvos de sulfuro metálico (como la pirita) junto con óxidos metálicos -sin aglutinantes químicos- adecuados para su uso en laminación(13). Un estudio de Japón sugirió que el aumento del contenido de azufre en un derretimiento puede causar defectos superficiales cuando se emplea en una situación de fundición de arena verde, pero esto puede ser negado por el uso de niveles elevados de material carbonáceo en el molde(14).

En hierro fundido, los niveles de azufre inferiores al 0,04% en peso se asocian con mayores niveles de subcooling eutéctico, lo que puede conducir a la formación de grafito y/o carburos subenfriados(15); el subcooling eutéctico se puede controlar y ralentizar añadiendo la fuente de azufre en una etapa posterior en el tratamiento general de la etapa líquida del hierro fundido(16). El exceso de formación de carburo debe evitarse, ya que tales materiales reducen la maquinabilidad, y las concentraciones moderadas a altas de azufre/pirita pueden negar estos efectos. Esta noción está respaldada por una investigación china que afirma que la cantidad de grafito subenfriado en acero gris se elimina esencialmente cuando la inclusión de azufre se incrementa más allá del 0,143% en peso (17) y la microestructura óptima en el azufre del rango de pirita 0,078 al 0,121%.

Como fuente de azufre, la pirita es una de las tres principales fuentes junto con el sulfuro de hierro (FeS) y el azufre elemental (S8). FeS se destaca por su alto contenido de azufre, pero altos costos; El azufre elemental es sin duda la mejor fuente de azufre, pero se vaporiza fácil y rápidamente tras la adición a un derretimiento - tal azufre vaporizado hace que cualquier recuperación de ese azufre difícil e inestable. Los problemas no insuperables relacionados con la adición de pirita al hierro fundido son que la pirita puede flotar en escoria debido a su baja densidad - la corrección es a través de la adición lenta de la pirita de hierro en primera instancia. Se observa que la propensión a formar escoria en primer lugar está tan relacionada con el método de fundición y la maceta de fundición como con los propios materiales fundido(18).

En el hierro fundido gris, mientras que hay una amplia tolerancia a los niveles de azufre, la presencia de FeS causa cortodad caliente. La brevedad caliente es un proceso en el que a altas temperaturas de trabajo, los metales fundido exhiben una resistencia mecánica particularmente baja y tendencias a agrietarse en lugar de deformarse. Las citadas inclusiones de ingeniería que surgen de la presencia de azufre (de cualquier fuente) y manganeso las niegan un poco(19).

Piritas de hierro pepita tontos oro

Consultoría de óxido de manganeso

  • Pyrite (hierro(ii) disulfuro, FeS2), es una fuente ampliamente disponible y altamente pura de azufre utilizada en la industria de fundición de hierro
  • En la fabricación de hierro fundido grafático, la pirita/azufre es responsable de la provisión de sitios de nucleación, permitiendo la formación de grafito
  • Los hierros fundidos hechos con adiciones de pirita/azufre son conocidos por sus microestructuras claramente definidas y altamente regulares
  • Las inclusiones de pirita/azufre inhiben la formación de nódulos, lo que puede conducir a más hierro dúctil
  • En la fabricación de hierro gris, la maquinabilidad se mejora mediante el uso de pirita/azufre debido a la producción de sulfuros de manganeso como inclusiones de ingeniería - tales inclusiones facilitan varios procesos de mecanizado
  • En el hierro fundido en general, el uso de pirita como fuente de azufre modula la calidad de fundición del hierro, además de minimizar los efectos del subcoado eutéctico
  • En comparación con otras fuentes de azufre, la pirita es más barata y tiene menos problemas de vaporización
Polvo de piritas en una olla

Referencias

1 C. R. A. Wright, J. R. Soc. artes, 1873, 22, 536

2 I. Riposan y T. Skaland, Modificación e inoculación del hierro fundido,en: D.M. Stefanescu (ed.) Cast Iron Science and Technology, ASM International, Novelty, Ohio, Estados Unidos, 2017

3 I. Riposan et al., AFS Trans., 2003, 3, 93

4 H. R. Abbasi et al., J. Mater. Proc. Tecnología., 2009, 209, 1701

5 A. de A. Vicente et al., J. Alloys Compounds, 2018, 10.1016/j.jallcom.2018.10.136

6 O.M. Suárez et al., Int. J. Cast Metals Res., 2003,16, 1

7 Patente de los Estados Unidos US2887421A, 1955; Patente francesa FR2887421X, 1955

8 S. Dawson y T. Schroeder, AFS Trans., 2004, 2, 9

9 H. Opitz, Proc. Int. Prod. Eng. Res. Conf., 1963, 107

10 A.A. Pereira et al., J. Mater. Proc. Tecnología., 2006, 179, 165

11 B. Mills et al., Desgaste, 1997, 208, 61

12 R. Z. Wu, Siderurgia y siderurgia, 2008, 35, 638

13 Patente de los Estados Unidos US6866696B1, 2002

14 Y. Awano et al., J. JFS, 2011, 83, 20 (en japonés)

15 I. Riposan et al., Azufre - un elemento clave en la formación de grafito en hierros,en: UgalMet 2016: La 7ª Conferencia sobre Ciencia e Ingeniería de Materiales,Galati, Rumania, 2016

16 I. Riposan et al., Azufre en hierros fundidos - amigo o enemigo?, en: AFS International Ferrous Melting Conference, Nashville, EE.UU., 2015

17 W. Liu et al., Fundición, 2011, 1, 1

18 A. S. Zavertkin, Refractan. Ind. Ceram., 2013,54, 35

19 K. K. Saxena et al., Mater. Hoy: Proc., 2020, 10.1016/j.matpr.2020.02.577