UNEXPO. P. Quero, M. Romero, G. Lugo, G. Riquezes. CAUSA DE

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UNEXPO. P. Quero, M. Romero, G. Lugo, G. Riquezes. CAUSA DE FALLA EN
LA LANZA DE DESCARGA DE HORNO DE LECHO FLUIDIZADO.
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CAUSA DE FALLA EN LA LANZA DE DESCARGA DE HORNO DE LECHO
FLUIDIZADO
P. Quero, M. Romero, G. Lugo, G. Riquezes
Email: [email protected]
Resumen: Esta investigación se basó en la determinación de la causa de falla en una lanza de
descarga de un horno de lecho fluidizado compuesto por un acero inoxidable AISI 314. Esta
compone el sistema de descarga de alúmina en un calcinador, el cual presentaba fallas en
servicio; siendo la más común el agrietamiento a través de la sección radial del vástago. Para
lograr la identificación del mecanismo de falla se llevaron a cabo una serie de evaluaciones
mediante las siguientes técnicas: fractografía, análisis químico, análisis metalográfico, ensayo
de dureza y microscopia electrónica de barrido (MEB) a partir de los cuales se pudo observar
que la causa principal de la falla fue por el fenómeno de sensibilización.
Palabras clave: Sensibilización, lanza de descarga, AISI 314, calcinador, corrosión
intergranular.
CAUSE OF FAILURE TO DISCHARGE LAUNCHES FLUIDIZED BED FURNACE
Abstract: This study determined the cause of failure to discharge a spear of a fluidized bed
furnace consists of a stainless steel AISI 314. The discharge system consists of alumina in the
calciner, which had shortcomings in service, being the most common cracking through the radial
section of the stem, which is why this investigation took place. To achieve this objective is
required a series of tests among which are: fractography, chemical analysis, metallographic
analysis, hardness testing and scanning electron microscopy (SEM) from which it was
determined that the predominant failure mechanism the discharge nozzle was in the phenomenon
of sensitization.
Keywords: awareness, download spear, AISI 314, calciner, intergranular corrosion.
I.
INTRODUCCIÓN
Existen en la actualidad estructuras y piezas fabricadas de aceros inoxidable austenítico que
están sometidas a altas temperaturas , como es el caso de la lanza de descarga del horno de
lecho fluidizado, el cual presentaba fallas por agrietamiento durante servicio, para darle fin a
este problema se realizó un análisis de falla a la lanza, con la finalidad de estudiar el
mecanismo de falla y las causas que lo originan, de esta manera obtener soluciones que
permitan disminuir los costos de reparación, mantenimiento y paradas de los calcinadores que
generen perdidas de producción.
El objetivo del presente estudio se logró mediante la aplicación de técnicas metalúrgicas, tales
como: análisis químico, fractográfico y metalográfico, ensayo de dureza y la observación por
microscopia electrónica de barrido. Este estudio se fundamenta en el fenómeno de
sensibilización o corrosión intergranular en aceros inoxidables, la cual ocurre cuando aceros
austeníticos comunes son sometidos a ciertas temperaturas y tiempos, se producirá una
X Jornadas de Investigación 2012
314
precipitación de carburos de cromo en los límites de grano (figura 1), empobreciendo en
cromo sus alrededores, y dejándolos por lo tanto susceptibles a la corrosión. [6]
Las principales causas de la precipitación son: el tratamiento térmico y la soldadura ya que
estos procesos exponen al material a las temperaturas críticas.
Figura 1. Esquema de la precipitación intergranular.
Fuente: Mora, Álvaro
Un tratamiento térmico incorrecto en aceros inoxidables austeníticos puede ser
perjudicial; normalmente los aceros en cuestión son recocidos después de haber sido
deformados en frío para conferir máxima resistencia a la corrosión y restaurar mínima dureza
y alta ductilidad. La temperatura para este tratamiento se debe seleccionar muy
cuidadosamente, normalmente entre 900 y 1050ºC y luego enfriar rápidamente para que el
paso por las temperaturas críticas no tenga el tiempo para precipitar. Los aceros estabilizados
no necesitan el enfriamiento rápido y los de bajo carbono pueden ser recocidos a cualquier
temperatura. [5]
II. DESARROLLO
1. Métodos y Materiales
A continuación se describe brevemente las etapas necesarias en la realización de la
investigación según los objetivos específicos planteados:
1.1 Evaluación de la superficie de fractura, mediante inspección visual, análisis con lupa
estereoscópica, observación con microscopía óptica y electrónica de barrido.
Gracias a la inspección visual se logró detectar el estado en que llegan las lanzas nuevas a la
empresa y bajo que condición son almacenados. Así como la inspección de las lanzas que
presentaron fallas en servicio ubicados en el taller de la empresa, determinación de la
ubicación, morfología e inicio de las grietas.
Posteriormente se selecciono y corto la zona que presentó la fisura en el vástago, cabe
destacar que el corte de esta muestra se hizo refrigerado para cuidar la microestructura de la
muestra
315
Consecutivamente se observó la superficie de fractura sin ningún tipo de preparación
superficial, mediante la lupa estereoscópica, las imágenes se tomaron con un aumento de 40X.
Para la microscopía óptica y electrónica de barrido, primero se seleccionó y cortó las
muestras a un tamaño adecuado para su manipulación de aproximadamente 2x2 y 1x1cm
respectivamente. Seguidamente se prepararon los especímenes en el laboratorio
metalográfico, pasando por un pulido grueso y fino utilizando papel abrasivo 80, 100, 240,
320, 400, 600 y alúmina de 1 y 0,05 micrones. La muestra sin ataque químico se observan en
el microscopio óptico para determinar nivel de inclusiones y grado de severidad aplicando el
método “A” de la norma ASTM E45-05. Las muestras para ataque químico se sumergen en
vilela aproximadamente 8 segundos y luego se en agua y alcohol y por último se seca y se
observa en el microscopio óptico y electrónico de barrido, con la finalidad de evidenciar la
microestructura y compuestos presentes en el material.
1.2 Caracterización Química, Mecánica y Metalúrgica del material del vástago de la
lanza de descarga.
Para el análisis químico se cortó y preparó la superficie del espécimen metalograficamente,
sin ataque químico. La composición química se determinó por vía fluorescencia de rayos X.
El ensayo de dureza se realizó cerca de falla y lejos de falla, para ello se utilizó un durómetro
con un indentadorde esfera de acero y una carga de 100 Kg.
1.3 Establecer el mecanismo de falla, correlacionando las evidencias encontradas.
Basados en toda la información recopilada durante el desarrollo de la investigación.
2. Resultados y Discusión
2.1 Inspección Visual.
Durante la inspección visual realizada a las lanzas de descarga que presentaron fallas en
servicio, ubicadas en el taller, se observó que las grietas eran repetitivas y estaban ubicadas
en la zona afectada térmicamente por la alúmina a alta temperatura.
Figura 2. Incidencia de la alúmina calcinada en el sistema de descarga.
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Figura 3. Zonas afectadas. a) Zona afectada térmicamente. b) múltiples grietas radiales y
coloración marrón en la superficie del vástago.
En la zona afectada térmicamente se ubica la punta, el cabezote y parte del vástago de la
lanza de descarga (figura3.a). Las grietas se generan en la parte superior del vástago y luego
se propagan radialmente (figura 3.b), también se observó que en general las lanzas falladas
presentaban una zona afectada térmicamente, producto del contacto de la alúmina
incandescente (750 ºC) en su superficie, a una distancia de 400 mm a partir de la parte
posterior del cabezote (figura 3.a).
2.2 Inspección con Lupa Estereoscópica.
La muestra observada en la figura 4.a corresponde a la zona cerca de falla, la cual se
encuentra a una distancia de 200 mm a partir del extremo posterior del cabezote hacia el
vástago de la lanza de descarga. En la figura 4b,c, se observan imágenes de lazona afectada.
Figura 4. Fotografías a la superficie externa. a) Macrogrieta b) múltiples grietas y coloración
marrón en la superficie externa. c) oxido a nivel superficial.
La macrofractografía reveló que la grieta formada en la superficie del vástago tiene múltiples
inicios, esto evidentemente permite afirmar que el inicio y propagación de la grieta se
generaron desde la superficie externa hacia la interna del vástago de la lanza. El material no
presento deformación plástica en las zonas adyacentes a las fracturas, sin embargo presento
múltiples grietas en la superficie externa
317
Se observó oxido en las aproximaciones de las grietas formadas en la superficie externa, por
lo cual se considera la posibilidad de que el material se encuentre sensibilizado. El análisis
fractográfico de la superficie externa del vástago, no reveló la causa por la cual falló la lanza
de descarga, sin embargo se pudo detectar el inicio y la propagación de la grieta.
Figura 5. Fotografías a la muestra A-F-1, superficie de fractura a 40X. a) cambio de textura. b)
presencia de oxido. c) textura lisa. d) fisura en la superficie de fractura.
La figura 5, corresponde a la superficie de fractura, en ella se caracteriza el tipo de fractura,
la textura que presenta, el inicio y fin de la grieta creada en el vástago de la lanza. En la figura
5.d, se puede confirmar que la grieta se inicio en la superficie externa del vástago y se
propago hacia el interior del tubo. También se observa que la falla fue del tipo frágil ya que la
textura de la superficie de falla fue en su mayoría lisa y sin deformación aparente. Además se
puede estar a la mira la presencia de oxido en la superficie de falla (Figura 5.b),
probablemente a que el material se encuentra escaso de cromo en su matriz.
2.3 Inspección con Microscopio Óptico
La observación con microscopia óptica se realizó a las muestras correspondientes a la zona
cerca de falla.
Figura 6. Microfotografías, sin ataque a una magnificación de 100X.
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En las microfotografías mostradas en la figura 6, correspondiente a la zona cerca de falla, se
puede apreciar que a pesar que no se revela la microestructura se evidencian el avance de las
grietas en los bordes de grano, debido a que se encuentran totalmente segregados. Puesto que
el material se encontraba bajos condiciones de alta temperatura en tiempos prolongado y por
tratarse de un acero inoxidable austenitico, condiciones que favorecen a la sensibilización del
material, cabe la posibilidad de que esta segregación se deba a que en los límites de grano
existe un precipitado de carburos de cromo, lo cual significa que sus alrededores están
empobreciendo en cromo, por lo tanto se encuentran susceptible a la corrosión.
Figura 7. Microfotografías con ataque a una magnificación de: a) 100X, b) 100X, c) 1000X, d)
1000X.
En la figura 7.a y 7.b, se evidencia la propagación de una grieta a través de los limites de
grano, esto se debe principalmente a que el acero inoxidable se encuentra sensibilizado,
producto de permanecer durante largos periodo de tiempo en un rango de temperatura entre
700 a 800ºC. La sensibilización es producto de la presencia de carburos de cromo en los
bordes de grano.
En las microfotografías mostradas en la figura 7, se observa que la matriz de la estructura es
totalmente austenítica. Para una magnitud de 1000X como es el caso de la figura 7.c y 7.d, se
aprecia carburos precipitados en los borde de grano, además los granos se encentran
segregados y las grietas se propagan a través de ellos, es decir, interganularmente. Las áreas
cercanas a los límites de grano se pueden decir que son pobres en cromo, lo que significa que
pierden su capacidad para la pasivación y se vuelven anódicas con respecto al resto del grano.
Estas áreas anódicas resultan pequeñas con relación al área catódica, y por lo tanto la
densidad de corriente en las áreas anódicas es alta lo cual trae como consecuencia la corrosión
intergranular.
2.4 Inspección con Microscopia Electrónica de Barrido.
La caracterización por microscopia electrónica de barrido y análisis de composición puntual
(EDX), permitieron identificar tanto las fases presentes en la microestructura como el
porcentaje en peso de un punto en particular. A continuación se presenta las microfotografías
realizadas a la muestra y los gráficos correspondientes a los EDX realizados.
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Figura 8. Microfotografía de la superficie cerca de falla de la muestra A-Micro-1 a
magnificación de 1500X, y EDX a los bordes de grano, a) y c) propagación de grieta, b) y d)
grafica de composición química puntual.
La microscopía electrónica de barrido reveló la presencia de precipitados de carburos de
cromo en los bordes o limite de grano. La figura 8.a, muestra que la estructura austenítica se
encuentra totalmente sensibilizada, además se observa que la grieta se propaga por los bordes
de grano. Los análisis de composición puntual señalados en dicha figura, demuestran que los
precipitados presentes en los límites de grano son de carburos de cromo, ya que los EDX
obtenidos, arrojaron un porcentaje en peso de 15,67% de carbono y un 33,23% de cromo
para el EDX-2 y de 13,43% de carbono y un 27,56% de cromo correspondiente al EDX- 2.
Los valores que arrojo el EDX-1, demuestra la presencia de oxigeno, aluminio y cloro, debido
a que la grieta se inicio en la superficie externa del tubo y se propagaba hacia el interior del
mismo, por esta razón el porcentaje de carbono y de cromo para esta zona son tan bajos como
se visualiza en el grafico de la figura 8.b.
La figura 8.c muestra la segregación de los bordes de grano producto de la presencia de
precipitados, además se observa que el tamaño de grano varía en gran proporción en la
estructura. Los EDX realizados a tres puntos de los límites de grano corroboraran que se trata
de precipitados de carburos de cromo, ya que se encontraron valores de 6,46% de carbono,
22,35% de cromo para el EDX-1 y de 6,03% de carbono, 22,61% cromo para el EDX-2.
Cabe destacar que el acero inoxidable AISI 314 presenta grandes propiedades a altas
temperatura (hasta 1150ºC), pero en el rango de temperatura en el que se encuentra durante
servicio en los calcinadores, no es el adecuado para el buen desempeño durante su labor, ya
que a temperatura entre 700 a 800ºC el cromo se disocia de la solución solida tomando como
preferencia para la unión el carbono, dicha unión ocurre gracias a la difusión del cromo a los
limites de grano.
Lo anteriormente expuesto se refleja en las condiciones en la que operan las lanzas de
descarga de los calcinadores, debido a que cumple con los parámetros de composición
320
química, temperatura y tiempo necesario para que ocurra la precipitación de carburo de cromo
en los límites de granos. El vástago de las lanzas falladas se hallaba bajo estas condiciones,
razón por la cual se observaron las múltiples grietas en la zona afectada térmicamente por el
chorro de alúmina descargada.
2.5 Caracterización Química, Mecánica y Metalúrgica.
Análisis Químico.
El diseño de las lanzas de descarga establece que estos deben ser fabricados con un acero
inoxidable AISI 314, con el fin de corroborar si esto se cumple se le realizó análisis químico a
la lanza con la muestra cuyos resultados se presenta en la siguiente tabla comparativa:
Tabla 1. Comparación de la composición química según la norma AISI y la muestra A-Q1analizada.
Elemento
Composición
según norma
AISI 314. (%)
Muestra
Cr
Ni
Si
Mn
Fe
C
S
23 a 26
19 a 22
1,5 a 3 Máx
2 Máx
Balance
0,25
-
17,6
15,6
Mayor a 1,4
1,4
Balance
0,3
0,011
Desvió
5,9
3,4
0,2
0,6
Balance
0,01
0,011
El resultado del análisis químico de la muestra correspondiente al vástago de la lanza de
descarga, reveló una composición química por debajo de las especificaciones de la norma
AISI para un acero inoxidable de grado 314. Al comparar los valores se puede observar que el
contenido de cromo fue de 17,62% con un desvió del 5,38% por debajo del valor mínimo
establecido por la norma, el cual es de 23%, así mismo los resultados para el níquel y el
silicio fueron de 15,64% y 1,35%, con un diferencia del 3,36% y 0,15% respectivamente,
mientras que el porcentaje de carbono fue de 0,26% con un desvió de 0,01%. En las
especificaciones de la composición química según la norma no establece porcentaje de azufre,
sin embargo el resultado del análisis químico reveló la presencia de este elemento en la
muestra analizada con un 0,011%.
Los resultados de el análisis químico realizado a la muestra, demuestran que el material
suministrado por la empresa fabricante de las lanzas de descarga no cumple con las norma
establecida por AISI, ya que el desvió de las especificaciones químicas trae como
consecuencia la perdida de propiedades del material, es decir, el desvió del 5,38% del cromo
permite que el material disminuya su propiedad de resistencia a la corrosión, ya que parte de
este cromo se aloja en los bordes de grano dejando comprometida las zona adyacente. La
diferencia de 3,36% de níquel permite que la estructura austenítica se haga menos estable a
temperatura ambiente, sin embargo vemos que este desajuste del porcentaje de níquel no
permitió la presencia de otras fases dentro de la estructura, es decir, aun permanece la
estructura austenítica.
Por otra parte, el porcentaje de carbono tiene un aumento de 0,01% con respecto a lo
establecido por la norma, lo cual favorece la presencia de carburos en los bordes de grano.
Según la teoría, en aceros austeníticos es necesario tener 16% de cromo y 0,1% de carbono
321
mínimo para que ocurra la sensibilización, es decir, lo establecido por la norma ayuda a la
precipitación y si a eso le sumamos este aumento en el porcentaje de carbono se tendrá
permanentemente fallas en las lanzas de descarga, siempre y cuando se encuentre expuesto a
el rango de temperatura de 400 a 800ºC donde ocurre la mayor difusión de carbono hacia los
limites de grano. En la tabla 1, se observa también un contenido de azufre de 0,011% para la
muestra analizada, sin embargo la norma no establece porcentaje de este elemento para el
AISI 314, este porcentaje no tiene gran consecuencia en la causa de falla por tratarse de un
valor considerado traza.
Ensayo de Dureza.
Tabla 2. Resultados de ensayo de dureza.
Muestra
Valor promedio de
Dureza promedio de
dureza (Rockwell B)
AISI 314 (Rockwell B)
Cerca de falla
95
Lejos de falla
90
88
Los valores de dureza observados en la tabla 2, muestran que la dureza obtenida cerca de falla
fue de 95 Rockwell B, mientras que la muestras en la zona lejos de falla, arrojo un valor de 90
Rockwell B. Esta diferencia de dureza era de esperarse, ya que el material cercar de la grieta
no presentaba deformación aparente, es decir, la fractura fue frágil lo cual implica que en esa
zona hay mayor dureza, en efecto la presencia de precipitados de carburos de cromo hacen al
material más duro y por lo tanto frágil. En la tabla se aprecia también que la dureza
establecida por la norma AISI para este material es de 88 Rockwell B, se observa que el valor
de dureza para la muestra lejos de falla es muy cercana al valor establecido por la norma, esto
debido a que dicha muestra se encontraba fuera de la zona afectada térmicamente.
2.6 Análisis Metalográfico.
A continuación, se presenta el análisis metalográfico de la muestra, a la cual se le determina
el nivel de inclusiones y se le realiza el análisis microestructural.
Análisis de Inclusiones.
Figura 9. Microfotografías de la muestra Met-2 perteneciente a la zona lejos de falla.
322
En la figura 9.a y 9.b se observa el tipo de inclusiones que presentó la muestra, la cual
corresponde a óxidos globulares, cuyo grado deseveridad para laserie fina y la serie gruesa se
presenta en la tabla.
Tabla 3. Nivel de inclusiones del vástago de la lanza de descarga.
Muestra
Met-2
Grado de severidad
Serie fina
Serie gruesa
2,0
1,5
La tabla 3, muestra el grado de severidad para los campos seleccionados (figura 9.a y 9.b),
las cuales arrojaron un grado de severidad para la serie fina de 2,0 mientras que para la serie
gruesa fue de 1,5. En vista que el nivel de inclusiones para el acero de fabricación de las
lanzas de descarga no supera un grado de severidad de 2,5 para ninguna de las dos series, se
puede considerar que el acero de las lanzas es limpio, según lo establecido en la norma ASTM
E-45.
Análisis Microestructural.
Figura 10. Microfotografías de la muestras Met-1 y Met-2 correspondiente a la zonas cerca de
falla y lejos de falla respectivamente, con ataque. a) y b) Met-1 a 100X. c) y d) Met-2 a 100X.
En la metalografía realizada a la muestra Met-1 correspondiente a la zona cerca de falla, se
observó una microestructura con matriz austenítica conformada por granos equiaxiales de
diferentes tamaños (figura 10.a). Esta variación en el tamaño de grano, es producto de que la
muestra se encontraba en la zona afectada térmicamente, razón por la cual los granos
alcanzaban la temperatura de recristalización, dando paso a la nucleación de nuevos granos y
permitiendo el crecimiento excesivo de algunos de ellos. Esta anomalía de crecimiento es el
resultado de un proceso mediante el cual algunos de los granos en la matriz austenítica, con
una ventaja de tamaño sobre sus vecinos, se desestabilizan y crecen excesivamente a expensas
de granos de menor tamaño.
323
Por otra parte, en la figura 10.c y 10.d correspondiente a la zona lejos de falla, se observa una
matriz totalmente austenítica con granos equiaxiales, los cuales no varían significativamente
de tamaño. Evidentemente los granos presentan un promedio aproximadamente iguales en
tamaño, debido a que esta zona al momento de fallar no se encontraba afectada térmicamente.
De acuerdo con lo antes mencionado, la diversificación en el tamaño de grano trae como
consecuencia la variación de las propiedades mecánicas, es decir, debido a la heterogeneidad
en el tamaño de grano hace que el material se comporte de una manera anisotrópica, lo cual
significa que el material del vástago de la lanza de descarga al momento de fallar no
presentaba las propiedades mecánicas establecida por la norma AISI.
2.7 Mecanismo de falla, correlacionado las evidencias encontradas.
A partir de los datos recolectados durante la investigación se demostró que algunas causas,
actúan en sinergia y pueden generar la falla de las lanzas de descarga. El mecanismo de falla
de la lanza de descarga fue por corrosión intergranular según los resultados obtenidos durante
la microscopia electrónica de barrido.
III. CONCLUSIONES
1. El agrietamiento del vástago de las lanzas de descarga se inicia en la superficie externa.
La propagación de la grieta es intergranular hacia el interior del vastago,
2. El acero inoxidable con el que son fabricadas las lanzas de descarga (AISI 314), no
cumplen con las especificaciones establecidas, en cuanto a composición química y dureza.
Su microestructura presenta una matriz austenítica con granos equiaxiales de tamaños
desiguales en la zona afectada térmicamente por la alúmina calcinada.
3. El mecanismo por el cual falló la lanza de descarga seleccionada para el estudio fue por
corrosión intergranular.
IV. REFERENCIAS
1. ASKELAND, Donald, la ciencia e ingeniera de los materiales. Editorial Ibero
Americano.
2. Lurgi (1980), Manual de proceso del área 45 de CVG BAUXILUM.
3. AVNER-SIDNEY. Introducción a la metalurgia física. Mc Graw Hill.
4. SMITH, William. Fundamento de la ciencia e ingeniería de los materiales.
5. Gil, Linda (2002). Fundamentos de corrosión y protección de los materiales.
Ciudad Guayana. Venezuela.
6. Mora, Alvaro, corrosión intergranular en aceros inoxidables.
7. WET side: WWW.Bauxilum.Com.ve

UNEXPO. P. Quero, M. Romero, G. Lugo, G. Riquezes. CAUSA DE

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