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Proyecto de Materiales para Ing.:
“Laminado en Caliente”
Integrantes: Aldo Abarca O
Pedro Aranda A.
Gabriel Degeas M.
Rodrigo Fuentes S.
Agustín Muñoz G.
Héctor Saavedra P.
Profesor: Dr. Ing. Jorge Acevedo
Enero 2014
Universidad de Santiago de Chile
Facultad de Ingeniería
Departamento de Ingeniería Mecánica
Índice general
1. Introducción y resumen
a. Objetivos generales
b. Objetivos específicos
2. Proceso de laminado en caliente (Análisis técnico y metalúrgico)
a. Procesado de laminado
b. Proceso de laminado en caliente del acero (hierro – carbono)
i. Preparación del material para el laminado
ii. Desbaste o eliminación de asperezas
iii. Acabado
iv. Enfriamiento
v. Cizallado
c. Métodos utilizados para perfiles en laminado caliente
d. Tratamientos térmicos de los procesos de laminación del acero
i. Recocido
ii. Temple
3. Proceso de laminado en caliente (Análisis mecánico)
a. Análisis dinámico
b. Análisis de la velocidad
c. Potencia de los rodillos
d. Maleabilidad
e. Importancia de la temperatura
f. Dirección de la deformación
4. Maquinaria de laminación
a. Cilindros
i. Cojinetes
ii. Clasificación de cajas
b. Caja de laminación
c. Trenes de laminación
i. Partes Auxiliares del tren de laminación
ii. Clasificación de los trenes de laminación
5. Análisis microestructural del proceso de laminado en caliente
a. Tipos de análisis
i. Análisis microestructural (microanálisis)
ii. Análisis Roentgeno-estructural
b. Factores del procesado
i. Temperatura
ii. Tecnología aplicada
6. Análisis matemáticos de algunas fases del laminado caliente
a. Modelación del enfriamiento de cinta de acero de bajo carbono laminada en
caliente, por Carlos García.
b. Modelo bidimensional del enfriamiento de cinta de acero laminada en acero
caliente, por Luis Hernández.
7. Análisis de acero S275N según norma UNE-EN 10113-2
a. Aceros de baja aleación y alta resistencia, acero S275N
b. Análisis de datos de acero S275N
c. Resultados
8. Aplicaciones e innovaciones de aceros procesados por laminado en caliente
a. Introducción y ejemplos
b. Características técnicas de aceros en análisis
c. Resultados
9. Grandes empresas que trabajan con el laminado en caliente
a. ArcelorMittal
b. Consumo y producción del acero laminado en América latina
c. Grandes productores en Latinoamérica
d. Compañía de acero del pacífico
e. Villalba Aceros
10. Conclusión
Bibliografía
1
1. Introducción
Actualmente en el mundo la producción de ciertas materias primas, tales como el acero, hacen
mover a la economía de cada país, su sustentabilidad y desarrollo. La motivación que esto produce
ha llevado a la humanidad a buscar en cada momento mejores y más desarrolladas tecnologías de
producción, convirtiendo a la ciencia y la ingeniería en sus piezas clave. El laminado en caliente,
puesto en desarrollo como tal en el siglo XVIII, es una de las técnicas de procesado mejor y más
utilizadas en los aceros, siendo también una herramienta fundamental para la distribución de este
material.
a) Objetivos generales
La motivación de este proyecto es hacer una completa exposición del proceso de laminado en
caliente, teniendo en cuenta todos los factores que han influido a través de la historia y que han
modificado la tecnología actualmente.
b) Objetivos específicos
En este proyecto se entrará de lleno en éste proceso, esto teniendo como eje central la ingeniería
y las propiedades mecánicas involucradas, analizando sus estados más básicos, hasta fases de
deformación del acero; se definirá la metalurgia y los subprocesos involucrados en el laminado,
pasando por la maquinaria implicada. Para entender cómo se desarrolla el acero durante el
procesado, habrá un análisis microestructural, además de un estudio de los factores que conllevan
cambios en las estructuras internas del metal. Se entenderá lo que es un análisis matemático sobre el
laminado caliente, además de intentar crear y manejar un modelo sobre un acero mundialmente
utilizado. Por último se indagará en las actuales innovaciones y aplicaciones que se le dan a los
aceros procesados, como así también a las empresas que trabajan en base a éstos.
Nota: Cada dato entregado en este trabajo tiene su respectiva base concreta, ya sea experimental o
teórica.
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2. Proceso de laminado en caliente (Análisis técnico y metalúrgico)
a) Procesado de laminado
El laminado es un proceso mediante el cual se puede reducir el espesor de un material,
generalmente en láminas o lingotes. Específicamente en éste trabajo se detallará el laminado en
caliente, proceso que como su nombre lo indica se realiza a altas temperaturas, necesitando una
menor fuerza para lograr una reducción mayor de espesor, además a temperatura elevada es posible
que los átomos del metal se reacomoden, desapareciendo las dislocaciones y así modificando las
propiedades del material. Durante este proceso se realiza un tratamiento térmico, esto dependiendo
de las características que deba tener el producto final, por ejemplo, en el caso de necesitarse un
producto más resistente y menos dúctil se le aplicará presión durante el tratamiento térmico.
b) Proceso de laminado en caliente del acero (hierro – carbono)
Las propiedades del acero varían ampliamente dependiendo de los elementos con los que
esté aleado. Por ejemplo, la temperatura de austenización empieza para el hierro puro a los 900°C,
pero para aceros con un contenido de carbono de 2,1% aumenta hasta los 1130°C, igualmente el
punto de fusión cambia según él porcentaje de carbono.
Aceros de Construcción:
Los aceros de construcción generalmente se emplean para la fabricación de piezas,
elementos de máquinas y de construcción de instalaciones. En ellos son fundamentales ciertas
propiedades de orden mecánico, como la resistencia a la tracción, tenacidad, resistencia a la fatiga y
alargamiento
Se incluyen los aceros cuyas propiedades dependen principalmente del porcentaje de
carbono que contienen. Se emplean en grandes cantidades para la construcción de estructuras
metálicas de edificios, para elementos y piezas de maquinaria, motores, ferrocarriles, etc. Su
contenido de carbono varía desde 0.03 a 0.70%. Además siempre contienen pequeñas cantidades de
manganeso y silicio, que se emplean como elementos auxiliares en los procesos de fabricación; el
fósforo y azufre son impurezas perjudiciales que provienen de las materias primas (lingotes,
chatarra, combustibles y minerales).
Aceros de bajo contenido de carbono:
Estos aceros contienen menos del 0.25% C. Su resistencia media en estado normalizado varía de 35
a 53 Kg/mm2 y los alargamientos de 33 a 23%. s
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Los aceros ordinarios de contenido en carbono comprendidos entre 0.25 y 0.70% de C que se
emplean en estado bruto de forja o laminación, se suelen emplear para piezas de maquinaria en
general, como se puede observar en la tabla N°1.
% de carbono del acero
Aceros de 0,30% de C Ejes para vagones, ruedas, piezas de maquinaria, etc.
Aceros de 0,40% de C Elementos de máquinas y motores, alambres para cables,
ejes para locomotoras, etc.
Aceros de 0.50% de C Bandejas, alambres, flejes, herramientas agrícolas forjadas
etc.
Aceros de 0.60% de C. Para fleje duro, alambre, herramientas para agricultura, etc.
Aceros de 0,10 y 0,05% de C Cilindros delgados de aceros para cercos de seguridad.
(Alta dureza)
Aceros de 0,20 y 0,45% de C Barras redondas lisas (posterior conformado en tornillos,
pernos y piezas pequeñas de máquinas.
Para perfiles plegados: Muebles, rejas y
protecciones, Estructuras, piezas y partes automotrices,
Postes, señalética vial, etc.
Tabla N°1: Aplicacion de los aceros según su porcentaje de carbón.
Fuente: Guía de laboratorio “Aceros al Carbón”, Universidad tecnología de Pereira, Internet
(2010).
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El proceso de laminado en caliente tiene diversas etapas, estas son:
i) Preparación del material para el laminado
Antes del laminado el material a procesar puede tener distinta
procedencia, ya que podemos modificar las propiedades de un
material u obtener un material más elaborado en la fabricación
(colada).
a) Material al cual se le requiere mejorar sus características
Se realiza a materiales que ya han sido conformados, ya
sea para agregar nuevas capas con otro tipo de materiales que le
entreguen mejores propiedades (compuesto), o simplemente mejorar sus propiedades mediante un
tratamiento térmico adecuado.
El material (lingotes, láminas, piezas mecánicas, etc.) se calienta al rojo vivo en un horno
denominado foso de termo-difusión (ver fig. 1). Donde básicamente las palanquillas o tochos, se
elevan a una temperatura entre los 900°C y los 1.200°C. Estas se calientan con el fin de
proporcionar ductilidad y maleabilidad para que sea más fácil la reducción de área a la cual va a ser
sometido.
Al calentar el material hay que tener precaución, ya que a una temperatura demasiada alta puede
generar un excesivo crecimiento de los granos y hasta un “quemado”, el cual origina grietas que no
pueden ser eliminadas. Además si no se calienta lo suficiente, el material no puede adquirir la
suficiente maleabilidad para ser tratado sin formar grietas.
b) Después de la colada continua
La colada continua es un método en el cual un metal fundido es vaciado sobre un molde que
es refrigerado por agua (dosificado mediante una válvula), posteriormente este metal a elevada
temperatura es tratado por rodillos, es aquí donde entra en juego el proceso de laminado en caliente,
el cual podemos apreciar en la figura 2.
.
Fig. 1 - Foso de termo-difusión
Fig. 2 – Esquema de laminado en caliente
5
i) Desbaste o eliminación de asperezas Luego del calentamiento, el material posee asperezas las
cuales son eliminadas mediante rodillos de borde (Fig. 3), además,
para la eliminación de “costras” en la superficie se utiliza un
aparato de decapado. Cabe destacar que los rodillos de borde
también cumplen la función de mantener la forma del material, así
éste prácticamente no se deforma.
ii) Acabado Forma final del producto según las indicaciones requeridas. Esto se realiza mediante otros
conjuntos de pares de rodillos, los cuales darán el espesor deseado de la barra y continuarán
eliminando asperezas finas. Cabe destacar que estos rodillos pueden ser de diferentes clases, ya sea
para hacer perfiles o láminas. s
i) Enfriamiento Aquí se utilizan rodillos que son refrigerados mediante circulación de agua. Este
enfriamiento puede ser rápido o lento, dependerá de las propiedades que desee adquirir el
material.
.
v) Cizallado Finalmente el producto está listo para entrar en circulación
al mercado, pero antes de ello se debe tener en cuenta que el
material debe ser compacto y cómodo para su transporte, es por
esto que la técnica más utilizada para preparar el material para su
venta es el cizallado. Este proceso destaca principalmente porque es
rápido, preciso y además no produce cambios en la estructura del
material debido a que no genera calor. Hablando más técnicamente
el cizallado solo se refiere a cortes en línea recta, ya que el corte en
formas redondas u ovaladas se efectúa con punzo cortado y
perforación.
Por lo anterior, para el proceso de laminado es mucho más
eficiente ocupar el cizallado, ya que se trabaja en frío y además es
más rápido.
En las imágenes podemos observar vigas y rollos que han sido
fabricados mediante el laminado en caliente, listos para su
comercialización respectiva. (fig.4)
Fig. 3 – Tipos de rodillos
Fig. 4 – Producto final listo para
entrega.
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c) Métodos utilizados para perfiles en laminado caliente
Para conseguir perfiles de laminados en caliente, existen dos métodos tradicionales que se
ocupan con frecuencia:
1.-Rolado:
Se fabrica pasando el material a través de trenes de rodillos que generan presión sobre éste,
produciendo un alargamiento de en el mismo.
2.-Extrusión:
Consiste en forzar al metal a salir de una cámara de presión por moldes, así obteniendo
tubos, varillas, perfiles, etc.
d) Tratamientos térmicos de los procesos de laminación del acero s
i) Recocido F
El recocido es un tratamiento térmico utilizado para el ablandamiento y la eliminación de
tensiones internas de un metal. Éste proceso consiste en calentar el metal a una temperatura muy
elevada (dependerá del tipo de metal), para luego dejar enfriar lentamente. El proceso termina
cuando el material alcanza la temperatura ambiente. Además gracias a éste tratamiento el metal
puede aumentar su plasticidad, ductilidad y la tenacidad. Este tratamiento no es igual para todos los
metales, ya que posee diferentes tipos de recocido, cada uno con aplicación diferente.
1) Recocido de ablandamiento
Los materiales templados o ricos en carbono (sobre 0,9%) son difíciles de trabajar mediante
el arranque de viruta o deformación en frío. Por esto se puede utilizar el recocido para ablandar el
material, para eso se calienta en un intervalo de 650°C a 750°C durante 3-4 horas, para
posteriormente dejar enfriar lentamente.
Esto se hace con la finalidad de producir un estado lo más blando posible (facilita su mecanizado).
Además se tiene que mientras más contenido de carbono posea un metal, mayor será la temperatura
del recocido que debe aplicarse, por ejemplo:
0,9% de C => 730 º C
1,1 % de C => 740 º C
1,2 % de C => 750 º C
Nota: El arranque de viruta se realiza a materiales que han sido fabricados mediante procesos
mecánicos y que en su superficie se encuentran pequeños fragmentos o granos, los cuales mediante
un proceso de “arranque de viruta” son retirados así formando una superficie más lisa. Hay distintas
máquinas para sacar esta “viruta”, en el proceso de laminado en caliente los rodillos se encargan de
esto o en algunos casos, unas cizalladoras las cuales se encuentran en el tren de laminado.
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2) Recocido de alivio de tensiones - estabilizado
Debido a la deformación de los metales en frío se presentan tensiones, éstas pueden llegar a
provocar deformaciones en las piezas, pero se pueden eliminar utilizando el recocido.
Para aceros al carbono se recomienda una temperatura entre 550°C a 650°C, para aceros
rápidos entre 600°C a 700°C, y cuando factores externos impiden el uso de altas temperaturas, se
recomienda utilizar temperaturas tan bajas como 480°C. Este calentamiento se debe aplicar
alrededor de 2 horas, todo dependerá del tipo de metal.
El enfriamiento es lento con el fin de aliviar tensiones internas, aumentando la ductilidad
del material.
3) Recocido de recristalización
Este tratamiento tiene por finalidad recuperar los
granos deformados que se obtienen después de someter
una pieza a deformaciones que pueden ser en frio o
caliente. La temperatura aplicada fluctúa entre 550°C a
650°C, es aquí donde ocurre la recristalizacion de la
ferrita, es decir, se originan nuevos granos libres de
deformación.
El tiempo que debe ser aplicada la temperatura es
generalmente 30 min. A continuación una imagen en
donde se puede observar que los nuevos granos
generados poseen igual composición y estructura que los
ya existentes (no deformados), estos nuevos cristales
surgen en zonas con alta densidad de dislocaciones (fig.
5), esto es debido a que hay energía acumulada por las
deformaciones.
ii) Temple
Es un tratamiento térmico que consiste en Fortalecer y endurecer hierros fundidos y aceros.
Una de sus ventajas es la alta resistencia al desgaste, resistencia a la tracción, ductilidad y dureza;
mientras que una de sus desventajas es el cómo aumento de fragilidad (asociado a la aceleración de
enfriamiento).
En el temple se consigue al alcanzar la temperatura de austenización, logrando la transformación de
los cristales a cristales de austenita, siendo ésta, la única estructura constituyente del material, que al
ser enfriado con una rápida velocidad, se transforma en martensita, estructura que le da la máxima
dureza al acero; posterior a ésto, generalmente se somete a un revenido en cual se reduce la
fragilidad.
En el aspecto micro estructural, el temple implica una distorsión tetragonal de la matriz,
produciendo una celda unidad centrada en el cuerpo, debido a que la matriz es reducida mediante
las dislocaciones, esto se aprecia en su dureza.
Fig. 5 – Recristalización de los granos
a) Antes del recocido
b) Después del recocido
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Este tratamiento se divide en dos procesos:
1) Calentamiento entre 750°C y 1300 °C (temperaturas de austenización).
2) Enfriado rápido, para así lograr obtener una transformación a una estructura martensítica
dura y de alta resistencia.
Podemos señalar además, que varían mucho las características
logradas por método de enfriamiento a utilizar (referencia figura 6),
si se utiliza un enfriamiento por ventilador o a alta presión por solo
un lado del material, existe una rápida disipación de calor, sin
embargo forma mayores deformaciones en éste en lugar de si se
utiliza un método con una extracción de temperatura homogéneo en
los sectores de la pieza.
Como consecuencia de un mejoramiento en la dureza conlleva
también un aumento de la fragilidad debido a su proporcionalidad
inversa, por tanto se le somete a un tratamiento de recocido.
Observaciones:
- Los aceros inferiores a 0,3% de carbono no toman temple debido a que al ser enfriados
rápidamente de la temperatura de austenización fijan estructuras no martensíticas como la Perlita y
Ferrita.
-La temperatura de austenización es variable, dependiendo del porcentaje de carbono que contenga
el acero.
Problemas que se producen en el proceso de temple:
-Baja dureza (después del temple)
Posibles causas: Temperatura de Temple muy baja o muy alta, tiempo muy corto o muy alto de
mantenimiento en el horno, baja velocidad de enfriamiento, mala selección del acero
(templabilidad*).
- Deformación durante el temple
Posibles causas: Calentamiento discontinuo (no homogéneo en el material), diferencias de tamaño.
-Fragilidad excesiva:
Posibles causas: calentamiento irregular y calentamiento a temperatura muy alta.
Templabilidad de los aceros:
Propiedad que determina la profundidad y la dureza producida por el temple, por tanto, es la
facilidad para lograr formar martensita (factor de dureza) a mayor profundidad, esta depende de:
- Composición química:
La velocidad crítica de temple disminuye a medida que aumenta el carbono en la composición, esto
produce que se modifique de una manera más fácil la martensita.
Como ejemplo, el aluminio, el berilio, el niobio, el tántalo, el titanio y el circonio; los cuales forman
carburos y contribuyen al contenido de carbono eutectoide, desplazándolo a la derecha.
Fig. 6 – Enfriamiento por un sector,
provocando mayor deformación
9
En contraparte, el cobalto, el cobre y el silicio forman soluciones sólidas con el hierro, pero no dan
ningún carburo. Como consecuencia, baja el contenido de carbono del eutectoide, desplazándose
hacia la izquierda.
- Tamaño del grano austenítico.
El tamaño de estos granos influyen las velocidades críticas de temple de aceros, el aumento del
grano provoca la disminución de velocidades críticas de temple en los aceros.
Existen dos métodos que usualmente se utilizan para medir templabilidad, el Método Grossmann y
el Método Jominy. El método más empleado en la actualidad es el Método Jominy, debido a su
facilidad de ejecución y precisión de resultados.
Este último consiste en templar una probeta estandarizada, ésta se enfría por un chorro de agua
estandarizado que solo enfría en la base (de la probeta), obteniéndose así una variedad de
velocidades de enfriamiento, desde la máxima (extremo templado) a la mínima en la parte opuesta,
luego, con la probeta fría, se mide la dureza Rockwell C a lo largo de ella, de esto se genera una
gráfica de dureza vs distancia del extremo templado, y en el punto de inflexión de la curva se
considera un equivalente entre la distancia Jominy y el diámetro crítico del acero, y éste, a medida
que mayor sea, mayor será la templabilidad.
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3- Proceso de laminado en caliente (Análisis mecánico)
a) Análisis dinámico:
En esta sección se explica de forma general la dinámica
del proceso de laminado, desde el punto de vista de las
fuerzas involucradas en el proceso. La fuerza entre el
cilindro y el material es una fuerza de contacto distribuida
como se muestra en la figura 7. Es sabido que esta fuerza
de contacto se reduce a una sola fuerza que es denotada
por R.
La fuerza R se compone de dos fuerzas perpendiculares
conocidas como la componente de aplastamiento (N) y la
componente de estiramiento (S), de esta forma se explica
el procedimiento de
alargar el material gracias a la fuerza de estiramiento y el efecto
de reducir su espesor gracias a la fuerza de aplastamiento.
Para que la laminación sea posible, la fuerza de rozamiento entre
el cilindro y la lámina debe ser de tipo estático (la lámina no se
desliza por el cilindro, si no que se mueve con el) este fenómeno
es conocido en física como rodadura.
La fuerza de roce debe ser perpendicular a la fuerza de contacto
R (por lo cual tiene componentes verticales y horizontales a la
figura 8), pero en la gran mayoría de los casos el contacto entre el
cilindro y la lámina es pequeño y aproximable a una línea, por lo
cual el roce es casi horizontal. La fuerza de roce es mucho más
grande que la fuerza S debido al movimiento giratorio del
cilindro y al poco contacto horizontal entre el cilindro y la lámina
(casi todo el esfuerzo es de aplastamiento). Como la fuerza de
roce es más grande que S, la sumatoria de fuerzas resulta en una
fuerza la cual es como se indica en la figura 8. La fuerza T es la responsable del avance
de la lámina, así como la fuerza N es la responsable de disminuir el grosor de ésta.
En primer lugar, al analizar el propósito intrínseco del proceso que es reducir el grosor de una
lámina, descubrimos que debemos analizar la deformación de ésta. La deformación en si será
tratada al final de este análisis en donde veremos que sucede con el material al ser deformado, pero
por ahora solo veremos los efectos de deformar el material.
Poder deformar algo, requiere de un esfuerzo, el cual podemos definirlo en proporción de la
reducción del espesor. La reducción del espesor está relacionada directamente con el concepto de
deformación. De esta forma, a mayor reducción del grosor, hubo más deformación y se requirió más
esfuerzo para la reducción.
R
N
R S
f
N
T
Fig. 7 – Fuerza entre el cilindro y el material
Fig. 8 – Fuerza responsable del
avance de la lámina
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La deformación real es la diferencia entre un espesor inicial y el final en referencia del espesor
final. Este delta puede ser definido infinitesimalmente, con lo que se obtiene una deformación
instantánea. Al sumar todas estas deformaciones a lo largo del área de contacto se obtiene la
deformación total=
Así nos damos cuenta que a mayor reducción
la deformación es mayor y, por tanto, más
esfuerzo han hecho los rodillos. Esta
deformación es permanente, lo cual indica que el
esfuerzo realizado llevo al material desde su
estado elástico a su estado plástico. Sin
embargo, antes de entrar a este estado, debió
pasar por un estado llamado estado de fluencia.
La fluencia del material nos permite saber que
tanto esfuerzo se debe realizar para empezar a
deformar la placa de forma plástica. El estado de
fluencia es muy raro entre los materiales, sin
embargo los metales parecen comportarse de
forma semejante en este estado.
Es obvio que el estado de fluencia depende
mucho de la deformación que haya
experimentado el material, sin embargo, cuando
el material esta en este estado, empieza a experimentar deformaciones plásticas por primera vez, por
lo cual se recupera un poco luego de cada deformación. Por ello, en los gráficos de deformación-
tensión como el de la figura 9, la zona de fluencia es oscilatoria y poco clara. Para solucionar esto,
podemos definir una curva de fluencia promedio, la cual se relaciona directamente con la
deformación según la formula=
Con K como el coeficiente de resistencia, n como la constante de endurecimiento, con como la
deformación experimentada y con Y como el esfuerzo de fluencia promedio medida en unidades de
presión. El esfuerzo de fluencia promedio puede interpretarse como la presión promedio requerida
para poder deformar (reducir de espesor) la placa. Desde este punto de vista podemos calcular la
fuerza requerida para hacer lo descrito anteriormente, al multiplicar el esfuerzo de fluencia por el área
de contacto entre el rodillo y el cilindro. Esto es:
Fig. 9 – Análisis de tensión – deformación
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Con A como el área de contacto, L el largo del arco de contacto con el material, el ancho de la
lámina y F la fuerza. En el análisis no se considera el roce del sistema, el cual es muy importante. El
roce permite el movimiento del material y también permite la reducción del área de éste. Se concluye
que la fuerza obtenida es la fuerza de aplastamiento, fuerza responsable de la presión que reduce el
espesor del cuerpo.
Cabe destacar que cuando se lamina un metal, el área que entra a los rodillos debe ser la misma que
sale de estos, lo cual resulta en un aumento en el ancho de la lámina. Se ha demostrado que este
ensanchamiento suele ser el 0.4% del esfuerzo de aplastamiento, para las dimensiones de material que
por lo general se laminan y para la separación de cilindro usada, por lo cual en la mayoría de los
casos este ensanchamiento es despreciable. Además la deformación ocasionada por el
ensanchamiento en laminación caliente, por lo general se pierde en calor.
b) Análisis de la velocidad:
Como se explicó anteriormente, es muy importante que
no exista movimiento relativo entre los cilindros de
laminación y el material laminado o que este sea mínimo.
Una forma de evitar la fricción cinética del sistema es
hacer que el cilindro ruede a la misma velocidad a la que
pasa el material. Muchas veces esto no es problema,
debido a que el material se desplaza por una correa cuya
velocidad es controlada. Pero para los casos de
laminación continua, como el de la figura 10, es necesario
calcular bien el giro de los rodillos, pero ¿Por qué se debe
hacer esto?
El entendimiento del cambio de velocidad del material nos brinda esta respuesta, debido a que la
disminución del espesor va acompañada de un aumento de la velocidad axial del material. La
velocidad dependerá de factores como la temperatura, el material y el nivel de reducción de espesor,
sin embargo podemos dar una explicación concreta de por qué ocurre esto.
Esto se explica de dos formas, en primer lugar, cuando el material es aplastado en frio, se percibe
una disminución de los granos del material lo cual lo endurece. Sin embargo en caliente no es así,
debido a que la temperatura es suficiente para que los límites de grano se pierdan por difusión lo
que ocasiona una perdida en la resistencia del material (el material se vuelve más plástico), esto
permite el deslizamiento de los granos hacia adelante, lo que provoca la elongación del material y
se percibe como una mayor velocidad de salida del mismo.
Otra forma de verlo es pensando la conservación de la materia, lo cual nos hace concluir que la
cantidad de materia que entra debe ser la misma que sale lo cual nos dice que el volumen que entra
debe ser el mismo al inicio y al final. Esto es, que suponiendo que la deformación no produce
cambios significativos en la estructura molecular del material, este fenómeno puede ser descrito
como un flujo continuo de materia, el cual queda descrito así:
Fig. 10 – Línea de laminado
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Donde A es el área transversal y x largo de la placa, al derivar con respecto del tiempo tenemos:
Esta ecuación nos permite comparar las velocidades de dos puntos cualesquiera del sistema. En
puntos anteriores y posteriores a los rodillos, el área transversal del material es constante. Por lo
tanto, si aplicamos la formula en el punto de entrada y en el punto de salida del material, obtenemos
la formula:
La que nos permite calcular la velocidad de salida del material y calcular el giro correcto de la
siguiente caja de laminación o la velocidad de los rodillos de transporte.
Potencia de los rodillos:
Ahora sabemos cómo es la velocidad del material
y la fuerza de aplastamiento, por lo que podemos
hacer cálculo interesantes, por ejemplo, podemos
calcular la potencia de giro necesaria en los
rodillos para poder hacer que el rodillo se mueva
por tanto, poder aplastar el material. Para ello se
asume que la fuerza de aplastamiento flecta el
material. Esto quiere decir que existe un torque en
el material que impulsa al material a girar por
debajo del rodillo. Sin embargo, este torque se
repite en el rodillo, como se muestra en la figura
11. Este torque se opone al giro y debe ser vencido
por la máquina que hace girar el rodillo. Por
razones físicas, se puede aproximar que la fuerza
esta al centro del área de contacto con el material.
Luego el torque será=
Si F es la fuerza de aplastamiento y L el arco de contacto con el material. La potencia es calculada
como un torque por una velocidad angular, el torque debe ser como mínimo equivalente al que se
Fig. 11 – Esquema de fuerzas de rodillos sobre
lámina
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quiere vencer y la velocidad angular es la velocidad de giro, relacionada (a veces) con la velocidad
de entrada del material. Luego la potencia requerida, sabiendo que w es la velocidad angular, será=
Maleabilidad:
Lo que caracteriza a los materiales son sus propiedades mecánicas y tecnológicas, entre las cuales
se encuentra la dureza, resistencia, templabilidad, plasticidad, elasticidad y otras. Una propiedad
interesante es la plasticidad, la cual es medida como la facilidad de deformar algo. Sin embargo no
todos los cuerpos se deforman igual, por lo cual se necesitan ciertas explicaciones a estas
diferencias. Por ejemplo existen materiales que al deformarse favorecen la creación de hilos, lo cual
describe una propiedad llamada ductilidad. Hay otros que al deformarse favorecen la creación de
láminas, lo cual describe una propiedad llamada maleabilidad, lo cual nos resulta interesante. Un
material maleable es más fácil de laminar.
Importancia de la temperatura:
La laminación debe ocurrir a una temperatura favorable a lo que se quiere lograr. Si se quiere
obtener un material resistente es mejor trabajar en frio, pero si se quiere un material más elástico y
flexible, se debe recalentar el material y trabajarlo en caliente. A si mismo existen procesos que
combinan ambos tipos de laminación, los cuales nos permiten estudiar el comportamiento más
general de un material a los cambios de temperatura.
Cuando se trabaja a alta temperatura es muy influyente el efecto de la difusión. Esto significa que es
muy difícil para un material conservar una estructura de grano fija, debido a que los límites de
grano y dislocaciones desaparecen por difusión. Esto impide el endurecimiento del material, el cual
se conserva con suficiente plasticidad para deformarlo sin problemas. Otra forma de verlo es que el
aumento de temperatura hace que el límite elástico del material sea menor, por lo cual se requiere
de menos esfuerzo para alcanzar la zona plástica del mismo.
Si la temperatura baja nos encontramos con un proceso llamado recristalización. A estas
temperaturas el material no se conserva
del todo plástico. Esto significa que la
difusión no es suficiente para eliminar
las dislocaciones y el material
recristaliza formando nuevos granos
como se ve en la figura 12. La
recristalización se va haciendo cada vez
más presente en el proceso hasta que
llega un momento en que la difusión no
es posible y los granos quedan intactos.
Esto produce que la laminación aplaste
los granos, disminuyendo el diámetro de
éstos y aumentando la resistencia del material (laminación en frio).
Fig. 12 – Crecimiento del grano mediante el
laminado
15
Dirección de deformación:
La mayor utilidad de la laminación en caliente es poder dar forma fácilmente al material,
aprovechando la temperatura a la que viene o recalentando el material, lo cual se debe a que el
aumento de la temperatura aumenta la plasticidad del metal, lo que favorece su deformación. Por
esta razón en la gran mayoría de los modelos matemáticos creados para describir la laminación se
hacen tomando las siguientes consideraciones, las cuales son consecuencias de trabajar a altas
temperaturas:
La elasticidad es una propiedad que se pierde con el aumento de la temperatura, lo cual
significa que el límite elástico es superado con facilidad.
La etapa de fluencia es superada rápidamente. Si bien hemos explicado la importancia de
describir esta etapa, la mayoría de la deformación ocurre en la etapa plástica del material.
A mayor temperatura, el metal se expande más rápidamente, lo que aumenta su velocidad al
salir de los rodillos de laminación. Más velocidad implica menos contacto con el rodillo lo
que se traduce en una pérdida de fricción, lo cual debe ser controlado para tener resultados
satisfactorios.
Debido a la temperatura, no existe endurecimiento del material. Esto significa también que
los límites de grano son muy débiles y casi inexistentes, lo que deriva al deslizamiento de
los granos y no a la deformación de
éstos.
En esencia, la deformación depende de
la presión ejercida por los rodillos, del
material tratado, la velocidad y otras
cosas. La descripción matemática de la
deformación brinda una gran alternativa
para entender la situación. El modelo
matemático más trascendental acerca de
la laminación es el descrito por el
metalúrgico húngaro Egon Orowan,
cuya teoría explica que la deformación
transversal de compresión del material,
así como la deformación de elongación
axial del material dependen
fundamentalmente de las direcciones de los esfuerzos sobre el material. Orowan tuvo en cuenta
factores como la deformación de los cilindros. Además logro obtener un modelo de distribución de
la presión sobre la lámina, que es el que se muestra en la figura 13. Las ecuaciones de Orowan son:
dónde:
P: presión sobre la placa
Fig. 13 – Distribución de la presión sobre la lámina
16
t: tensión axial
T: esfuerzo de corte
x e y: ejes
L: largo de la placa bajo presión de los cilindros
h: espesor de la placa
La ecuación de T representa el esfuerzo de corte que se genera en las direcciones axiales
representadas por T en la imagen. Este esfuerzo de corte se fundamenta sobre el mismo argumento
que explica la tensión t (la cual puede ser entendida como una acción de tracción).
Como se explicó antes, la elongación del
ancho de la lámina (dirección paralela a los
rodillos) es despreciable. Cuando la presión
es ejercida como se muestra en la figura 13,
los granos del material deslizan entre ellos,
luego se pierden los límites de grano por
difusión y luego el metal vuelve a un estado
pseudo-cristalizado y desordenado. El
deslizamiento del grano ocasiona cierta
„‟presión‟‟ en las direcciones axiales lo que
ocasiona, en parte, la tensión y las fuerzas de
corte descritas en la figura 13.
Sin embargo en el análisis anterior, no se
considera la acción de la fricción o el efecto
rotatorio de los rodillos. A base del modelo de
Orowan se han descrito ciertas fluctuaciones
de material en el sentido mostrado en la
figura 15. Esto se explica por la fricción, la cual surte efecto empujando el material hacia abajo y
hacia adelante. Además, si suponemos que el material es un conjunto de láminas horizontales,
lo anterior describe como las láminas se flexionan en dirección de un punto (figura 14) debido a
que la presión descrita por Orowan y luego siguen su curso manteniendo un espesor menor al
inicial. De esta forma se logra entender que la lámina:
1. Se deforma siguiendo el sentido circular del rodillo. Esto es, el material pierde espesor y
rodea al cilindro.
2. Luego las zonas medias se ven presionadas por el material de arriba, los granos deslizan y
elongan hacia adelante la placa, mientras que las zonas inferiores y superiores siguen el
flujo diagonal gracias a que la presión desvía las láminas cambiando su dirección.
Fig. 14 – Las láminas se flexionan disminuyendo su espesor.
17
3. Luego la lámina se estabiliza, pero no se recupera, debido a que las deformaciones que
sufrió fueron plásticas.
|
Las flechas negras
representan la dirección y
sentido de avance del
material mientras se
deforma.
Presión
Presión
Fig. 15 – Esquema del proceso
18
4. Maquinaria de laminación
La laminación es un proceso que, básicamente, consiste en modificar las dimensiones de un
material que ha sido recientemente moldeado o tratado, y así obtener materiales con las formas
requeridas y adecuadas que se exigen. Estas modificaciones deben ser adecuadas al tipo de material
y al producto que se quiere obtener (ver fig. 16), por lo que son bastante precisas y requieren de
maquinaria adecuada para ello. En esta sección se describe esa maquinaria.
El proceso consiste en reducir el grosor de un material metálico (previamente calentado a la
temperatura adecuada), ejerciendo presión continua a través de cilindros que giran adecuadamente
para aplastar el material. El elemento básico de este proceso es la estructura en la que residen y
funcionan estos cilindros, que se denomina caja de laminación. El procedimiento de laminación en
función de lo que se quiere lograr depende del tipo de cilindros, la cantidad de cilindros y sus
velocidades de giro, la distribución de las cajas y otros procesos más específicos.
a) Cilindros:
Los cilindros se usan para darle la forma al material, su superficie no debe ser demasiado dura como
para que el material se desgaste y debe ser lo suficientemente blanda como para que el material se
deforme, para esto los cilindros pueden ser de distintas aleaciones dependiendo del material a
laminar.
Los cilindros pueden ser planos (para obtener la forma de lámina) o pueden tener surcos para
convertir tochos en barras cilíndricas.
Fig. 16 - Proceso de laminación en caliente, con distintos tipos de cajas para lograr un acabado
más especifico
19
b) Caja de Laminación:
Se conoce como caja al conjunto básico de piezas que conforman un tren, normalmente consiste en
una estructura que sirve de chasís y de los cilindros internos que moldean el material (ver fig. 18).
Las cajas se sitúan una después de la otra a muy poca distancia entre ellas, de esa manera, el
material es laminado simultáneamente por más de un par de cilindros.
i) Cojinetes .
Los cojinetes son unos rodamientos, que encajados entre las ampuesas sujetan el cuello de
cada cilindro respectivo para permitir su giro. Las ampuesas son unas piezas desmontables, con
huecos en los que se alojan los rodamientos del cilindro, y se encargan de mantener en posición los
cilindros en su chasís (o castillete). Además, permiten que los cilindros de apoyo de las “cajas
cuarto” y los “cilindros únicos” de las cajas dúo transmitan las fuerzas de laminación a los
rodamientos.
Fig. 17 - Distintos tipos de cilindros según la forma del resultado final
Fig. 18 - Caja de laminación con sus respectivas partes
20
ii) Clasificación de cajas .
Las cajas pueden clasificarse según el número de cilindros que posean, así sean dos (dúo),
tres (trío), cuatro (dos de apoyo y dos de trabajo), múltiples (casos con 12 o más cilindros) (ver fig.
19 y fig. 20), y cajas universales (con rodillos tanto horizontales como verticales, los rodillos
verticales o canteadores permiten modificar, aún más, la forma final del material, permitiendo así la
creación de figuras más complejas como las vigas). Las distintas cantidades de cilindros permiten
distintos procesos, por ejemplo, una caja dúo, puede laminar en 2 direcciones (adelante y atrás),
pero una caja trio podría laminar continuamente el material entre los 2 espacios que se forman
(superior e inferior), por arriba en una dirección y por debajo en la otra.
Las cajas de dos o tres rodillos se utilizan, principalmente, en la laminación en caliente en las fases
iniciales (molino de desbaste primario), se utilizan sobre los lingotes de material o sobre la colada
continua.
En los casos de más de tres cilindros, estos se dividen en cilindros de trabajo y de apoyo, esto
significa que solo dos rodillos trabajan en contacto con el material, mientras que los de apoyo están
en contacto con los rodillos de trabajo para así soportar más las presión del material, dar más
estabilidad a la caja y controlar mejor el proceso. Las cajas de cuatro rodillos y de tipo Sendzimir
(rodillo de racimo o de conjunto. fig. 20) son cajas centradas en el par de rodillos de trabajo, los
cuales tienen un diámetro inferior con respecto a los otros en los que se apoyan, dado la poca
superficie de contacto estos rodillos son ideales para las altas velocidades de laminación.
Fig. 19 - Distintos tipos de caja según su número de rodillos y el sentido de avance de estos
21
c) Trenes de Laminación: .
Los trenes de laminación son procesos continuos que permiten tratar un material desde que
sale del horno hasta antes de ser finalizado. Esto requiere, como se explicó anteriormente, que las
cajas de laminación sean de variados tipos y de diferente posición en el tren. Sin embargo hay otras
maquinarias auxiliares al laminado de piezas que permiten trabajar óptimamente la pieza,
mencionadas a continuación: s
i) Partes Auxiliares del tren de laminación .
Bobinadoras:
Están al final del tren de laminación, es un cilindro que gira y enrolla el material, está compuesta
por una guía de entrada que posiciona la banda al entrar, un rodillo que mantiene la tensión, rodillos
de arrastre que acercan la banda hasta el mandril, el cual, sirve de eje a la bobina mientras que
efectúa el bobinado y tensionado. F
Tijeras:
Van al final del tren de laminación, como su nombre lo indica es la parte donde se corta el material
sobrante en los extremos (cabeza y cola), ya que suele quedar de forma irregular debido a la
compresión de masa.
Carros extractores:
Recoge las bobinas del mandril para su posterior flejado, marcado y enviado.
Rociadores:
Pueden ir en diversos puntos del tren dependiendo del acabado que se quiera lograr, los rociadores
lanzan agua al material para reducir su temperatura.
Fig. 20 - Caja de laminación Sendzimir
22
Hornos de recalentado:
Es el comienzo del tren de laminado, en él se
calienta de nuevo el material para que su
laminación requiera un menor esfuerzo.
Y los trenes propiamente, los cuales pueden
clasificarse según: s
ii) Clasificación de los trenes de laminación
1) El número de cajas: El tipo más
simple de trenes solo posee una caja dúo, pero las
cajas pueden agruparse de cualquier modo para lograr el acabado deseado, para los trenes
demasiado largos donde la disminución de grosor es demasiado grande solo se ocupan cajas
unidireccionales ya que no tiene sentido volver a pasar el material por el mismo rodillo. Para estos
mismos casos la velocidad de salida del material va aumentando progresivamente, entonces es
necesario que la velocidad de los rodillos vaya aumentando.
2) Según producto final: Dependiendo de la disposición de los rodillos es posible convertir
placas, tochos u otros cuerpos en láminas muy delgadas o incluso en cuerpos cilíndricos (de poco y
mucho grosor). Como grandes divisiones de éste tipo se encuentran los trenes de desbaste, que
laminan lingotes de colada continua de gran grosor. Los trenes de planos son los que obtienen
acabados de gran superficie y poco grosor; los trenes largos, de una sola caja, son para generar
tubos y acabados largos; y los trenes especiales, son para otro tipo de figuras que requieren mayores
modificaciones al material de ingreso (Ej. Vigas, piezas de grosor variable, piezas cilíndricas, entre
otras) (ver fig. 21).
Es importante destacar que existen otros procesos y características ligados a la descripción de un
tren de laminación, por ejemplo, para la laminación de planos, es muy importante el desbaste
inicial, en donde un rociador, dispara agua a muy alta presión para eliminar residuos superficiales
(descascarillado). En muchos procesos es conveniente segmentar el material al final del proceso, lo
cual es realizado por maquinaria especial (cortado). Para la obtención de bandas en caliente, es
necesario bobinar el material. El proceso de bobinado es también realizado por un cilindro en
revolución al final del tren de laminación.
Fig. 21 – Conformado total
23
5. Análisis microestructural del proceso laminado en caliente
En cualquier proceso físico, mecánico, metalúrgico y químico de un material es necesario
analizar los cambios estructurales a niveles macro y micro que éste presentará, pues depende
directamente de estas transformaciones las aplicaciones y cualidades que el nuevo material tendrá.
Para determinar las características deseadas o analizables de un material, luego de cierto
cambio, primero debemos analizar su microestructura
original (antes del proceso) y el modo de procesado,
por esto es elemental definir ciertas características de
las superficies.
A simple vista, o incluso tocándolos, muchos
materiales o metales parecen de igual superficie, pero
al hacer un análisis microscópico se puede ver que
los procesos, y la cantidad de tiempo ocupados en
ellos, logran distintos acabados que a su vez marcan
diferencias estructurales, como en la figura 22. Los
análisis de superficies que se pueden hacer acerca de
un material son diversos y apuntan a diferentes
búsquedas de perfiles, siendo unos más sofisticados
que otros, entre ellos tenemos el perfilómetro de
aguja, la interferometría óptica, la microscopía de
fuerza atómica, etc. En éste ámbito, los siguientes análisis ayudarán a definir estructuras y
propiedades de los materiales:
a) Tipos de análisis: .
i) Análisis microestructural (microanálisis)
Este análisis consiste en investigar la estructura de los materiales con grandes aumentos mediante
microscopios ópticos o electrónicos. A la estructura observada se le denomina microestructura.
Dependiendo del aumento necesario para una observación exacta de todas las fases presentes, de su
cantidad, forma y distribución, es decir, de la estructura total, en los microscopios se emplean:
- La luz blanca y los sistemas ópticos ordinarios en combinación con lentes y prismas de vidrio
(el microscopio óptico).
- El flujo de electrones para la creación de los sistemas ópticos, para los cuales es necesario
utilizar lentes electromagnéticas o electrostáticas (la microscopía electrónica).
La investigación de la estructura por el método de la microscopía óptica tiene una amplia
aplicación en el estudio de la composición estructural de los metales y en el control técnico de su
calidad en la industria; eso se debe a que entre de los metales y muchas de sus propiedades existe
una relación cualitativa lo suficientemente determinada. El microanálisis permite en muchos casos
explicar la causa de los cambios de las propiedades de las aleaciones en dependencia de los cambios
en su composición química y de las condiciones bajo las cuales se efectúa su elaboración mecánica
y tratamientos de cualquier naturaleza.
Fig. 22- A simple vista, muchas
estructuras son lisas. El microscopio
revela lo contrario
24
ii) Análisis Roentgeno- estructural
El estudio de la estructura atómico-cristalina de los cuerpos sólidos tiene una amplia aplicación
los métodos Roentgeno-gráficos de la investigación, que permiten establecer la relación existente la
composición química de las sustancias, su estructura y propiedades.
Con el análisis Roentgeno-estructural es posible determinar el grado de perfeccionamiento de los
cristales, los tipos de soluciones sólidas, las tensiones residuales. Además, posibilita estudiar
detalladamente aquéllos cambios estructurales, que ocurren en las aleaciones durante su tratamiento
térmico, deformación plástica; así como determinar la concentración de defectos de empaquetadura,
la densidad de las dislocaciones, etc. La capacidad de resolución de las instalaciones es muy
elevada.
Luego, al analizar errores y tipos de microestructuras superficiales, la uniformidad de material
muchas veces se pierde y entraremos a discutir los tipos de acabados de proceso, a saber:
1.- Rugosidad: Irregularidades superficiales deformes no visibles a simple vista (ver fig. 23).
2.- Ondulación: Irregularidades superficiales que a nivel microscópico crean un efecto de
sinusoidal.
3.- Error de forma: Desviación muy grande sobre la forma esperada de un material.
Entre otros.
b) Factores del procesado
Los principales tipos de laminado
que existen se diferencian entre ellos por la
temperatura aplicada, lo que se busca
conseguir y como se quiere llegar a ese
resultado, en esta subsección veremos
algunos factores fundamentales que
afectan el procesado del acero en la
laminación caliente.
i) Temperatura
En secciones anteriores expusimos
y analizamos las fases del proceso de laminación en caliente y cómo estas interactúan con el
material. Durante cada etapa del procesado la temperatura de entrada y de salida de cierto material
determinará, en mayor parte, las características que este tendrá y sus posteriores aplicaciones; ésta
variará entre un cierto rango de temperaturas límites (entre 900°C y 1200°C), las cuales tienen
Fig. 23 - Perfil en dos dimensiones de un material rugoso
Fig. 24- Antiguo horno de arco voltaico, sistema
Héroult
25
ciertas consecuencias en el acero. La aplicación precisa de cada temperatura dependerá de la
tecnología disponible, en el tiempo y lugar, como los hornos de arco voltaico del siglo veinte (fig.
24). Por lo mismo un control absoluto de ésta para cada tipo de acero trabajado será fundamental.
La aplicación de temperaturas, en forma relativa, deber ser mayor a la temperatura de
recristalización del material, sin embargo, no debe ser lo suficientemente alta (superior a 1200°C)
para producir granos en exceso que no se puedan eliminar con futuros procesos de refinamiento. Por
otro lado, una temperatura muy baja, de calentamiento, origina diminución de la plasticidad del
metal, lo que puede incluso llegar a generar grietas durante la posterior laminación, lo que
desecharía el material.
ii) Tecnología aplicada
Una correcta aplicación de la tecnología implicará una correcta obtención de material.
Como presentamos en secciones anteriores, seguir una cierta secuencia de etapas en el proceso es
fundamental para trabajar un acero y su laminado. La tecnología que ocuparemos para cada fase
debe someterse constantemente a controles y mantenciones, y si es necesario, deberemos cambiar
una o más maquinas para salvaguardar la integridad física de los trabajadores y el entorno. La
vanguardia, en la maquinaria, en este sentido puede ser de gran ayuda.
26
6. Análisis matemático de distintas fases del laminado caliente
La evolución de la ingeniería en el mundo y las ciencias implican un conocimiento
matemático acerca de los procesos mecánicos y metalúrgicos que se desarrollan en todo aspecto,
con el fin de dar un aprovechamiento de los recursos, las soluciones, y la economía empleada. A su
vez el proceso de laminado ha sido muy estudiado por diferentes entidades que, bajo ciertas
condiciones, lograron simular y establecer relaciones entre ciertos aspectos que presentan los
materiales al pasar por este proceso.
Un modelo matemático consiste en una serie de ecuaciones algebraicas o ecuaciones
diferenciales que representen un proceso, un aspecto o una serie de ellos. Estos modelos deben ser
muy efectivos y precisos pues a través de ellos, en definitiva, se determinarán las cantidades
dispuestas a fabricación.
En este capítulo, para el proceso de laminado caliente, citaremos cuatro
trabajos, que a nuestro parecer muestran fidedignamente la formulación
de modelos matemáticos para ciertas fases. A saber:
- Modelación del enfriamiento de cinta de acero de bajo carbono
laminada en caliente – García Flores, Carlos – 1995- Nuevo León,
México. s
- Modelo bidimensional del enfriamiento de cinta de acero
laminada en caliente – Hernández Castillo, Luis – 2001 – Nuevo
León, México.
Agradecemos enormemente el aporte de los autores mencionados a la
contribución de las ciencias y la ingeniería, ambos relativos a la
Universidad autónoma de Nuevo León (fig. 25).
En detalle:
a) Modelación del enfriamiento de cinta de acero de bajo carbono laminada en caliente –
García (1995)
Este trabajo busca mostrar un modelo de transferencia de calor para predecir la evolución térmica
que se presenta en láminas de acero de bajo carbono durante el enfriamiento posterior a la reducción
de una línea de laminación en caliente industrial.
Fig. 25 – Universidad
autónoma de Nuevo
León
27
Aspecto de dureza
Uno de los puntos importantes en la industria del acero, a comparación de otros aleantes, es
la forma en que se puede endurecer.
Un tipo de relación de endurecimiento es el efecto de tamaño de grano, el cual a mayor diámetro de
grano, implica dificultar el movimiento de las dislocaciones, ésta relación está dada por una
ecuación llamada relación de Hall-Petch:
dónde:
: Tensión de fluencia en o Pascales
: Tensión interna
K: Resistencia al límite de grano
D: Tamaño de grano ferritico en
Si refinamos el tamaño de grano, aumentaremos su dureza, esto ocurre a través de la disminución de
la temperatura de transición dúctil-frágil.
En otras palabras, a medida que aumenta la temperatura, el material será menos duro y más
propenso a incrementar su ductilidad y fragilidad.
La temperatura de transición de impacto en la ferrita se describe por la ecuación de Petch, como a
continuación:
s
dónde:
son constantes
d: tamaño de grano
T: temperatura de transición dúctil-frágil
Generación de esfuerzos durante el enfriamiento
Un aspecto interesante es la posible consecuencia del enfriamiento de la lámina. Las deformaciones
plásticas producidas a los esfuerzos generados por los gradientes térmicos en láminas de bajo
espesor, entre 5 y 10,7 mm, la magnitud de los esfuerzos se modela a través de la ecuación:
s
dónde:
F: Esfuerzo térmico (Pa)
: Coeficiente de expansión lineal del acero
: Diferencia de temperatura
E: Modulo de elasticidad o módulo de Young
28
b) Modelo bidimensional del enfriamiento de cinta de acero laminada en caliente – Hernández
(2001)
Este trabajo, busca mostrar los resultados de un modelo bidimensional que predice la
evolución térmica de cinta de acero laminada en caliente durante un enfriamiento acelerado, dada
en la mesa de salida de la línea de laminado.
El sistema que se modeló no tiene presente aspectos técnicos de la estructura de modelación, es
decir, no tiene en cuenta, por ejemplo, el flujo de calor hacia los rodillos, ya que el proceso
laminado implica un contacto entre los aceros y éstos. Sin embargo, al tomar los datos, se requiere
una serie de información de variables que influyen en el proceso, en general luego de ser finalizado,
como el tipo de acero a laminar o laminado, el espesor de la cinta, el ancho de la cinta, la
temperatura de acabado, la temperatura de enrollado, la temperatura del agua de enfriamiento, el
estado de las zonas de enfriamiento, velocidad de la lámina, etc. Luego estos datos son almacenados
en bases de datos, creando un portafolio específico para cada acero laminado. Cabe destacar que
para cada variable se requiere un instrumento distinto de medición, implicando un costo adicional
para el proceso.
Luego de ser laminado un acero, la transferencia de calor tiene, en teoría, tres regímenes de
enfriamiento diferentes en el sistema, definidos por coeficientes peliculares en cada caso (es decir,
los coeficientes dependientes de la tensión superficial y la cohesión del líquido) determinándose el
flujo de calor para cada uno de ellos:
(1) Enfriamiento al aire, denotado por
En donde es la temperatura instantánea de la superficie en °C.
(2) Enfriamiento al agua bajo el ancho del impacto de la cortina, denotado po
En donde es la temperatura inicial del agua en °C, siendo esta cte. A base de esto podríamos
decir que el enfriamiento al agua bajo el ancho del impacto de la cortina, depende directamente de
las diferencias de temperaturas superficiales (de la superficie y del agua), o las temperaturas de
contacto. También notamos a como el coeficiente de transferencia de calor, siendo desconocido,
y K como un factor de eficiencia del enfriamiento del agua (medido experimentalmente).
29
(3) Enfriamiento bajo agua en reposo, denotado por
Esta ecuación es similar a la del punto (2) con la diferencia del coeficiente de transferencia de calor,
siendo este mucho menor que el anterior, dependiendo del límite de la zona de impacto (del agua)
hasta donde el agua es removida, es decir, la capa aislante de vapor (creada por el calor) entre el
agua y la lámina de acero.
A partir de (1), (2), y (3), se determinarán los regímenes o
secuencias que tomaran las caras de la placa de acero
(haciendo un análisis bidimensional). La cara superior
alternará entre (1) y (3), y la cara inferior entre (1) y (2),
siendo directamente dependiente de la geometría del
espaciado de la línea de laminado y enfriamiento, y la
aplicación de las diferentes temperaturas.
Si consideramos una placa de espesor unitario, y la
dividimos en m nodos o elementos de dimensiones de
volumen , como se muestra en la fig.
26, en un estado estacionario podemos definir la siguiente ecuación:
.
Luego, usando las dimensiones planteadas y haciendo el análisis bidimensional:
Lo que nos lleva a que el estado no estacionario, el cambio de la temperatura con respecto al tiempo
puede ser aproximado por:
“combinando” ambas ecuaciones podemos determinar la solución de un problema de transferencia
de calor por el método de diferencias finitas, es decir, calculando la temperatura futura de un nodo
en base a la de sus vecinos:
Fig. 26 - Discretización de la
dimensión para un trozo de acero
.
30
Donde es el coeficiente de volumen de la dilatación térmica. Esta ecuación, es mucho más
independiente que otras similares, ya que no influye el criterio de estabilidad para poder calcularla,
es decir, no se toman en cuenta las fuerzas externas que puedan afectar al trozo de acero. Esto
asegura un gradiente térmico no penetrante más allá de un nodo por intervalo, lo que puede
significar mayor cálculo computacional.
En definitiva, éste modelo matemático, nos plantea que el enfriamiento de una cinta de acero, luego
de un proceso de laminado en caliente depende de las temperaturas presentes en ciertas “celdillas”
del acero, denominadas nodos, antes y después del enfriamiento. A mayor cantidad de celdillas
analizadas en la ecuación, mayor grado de exactitud de un gradiente térmico, es decir, debemos
emplear tecnología de análisis de datos para poder realizar la ecuación real.
31
7. Análisis de acero S275N según norma UNE-EN 10113-2
a) Aceros de baja aleación y alta resistencia, acero S275N
Las construcciones metálicas, en general, necesitan ciertos atisbos mecánicos de resistencia,
elasticidad, resilencia, etc. Los aceros de baja aleación ultra resistentes vienen a constituir una parte
fundamental de estos, ya que su uso y fabricación va destinada en la resistencia de mucha carga,
vagones de trenes, vigas, contenedores industriales, etc. Esta familia de aceros es la que presenta
mayor resistencia a la deformación, siendo mucho más
baratos que los convencionales. Su composición
química es más simple que la de otros, siendo
constituidos por fierro, carbono (entre el 0,06-0,25%)
y muy poco nivel de aleación.
Entre los aceros laminados en caliente de baja
aleación y alta resistencia, uno de los más ocupados en
la fábrica de estructuras soldadas y maquinarias
pesadas, además de puentes y estructuras
metálicas, es el acero S275N según la norma UNE-
EN 10113-2 del año 1993, presentando determinaciones de acero soldable de grano fino
normalizado, con buenas características mecánicas a temperatura ambiente (ver fig. 27).
Su composición química presentará los siguientes datos, siendo tomados al análisis de colada
continua:
Cabe destacar, que para aplicaciones ferroviarias, se puede acordar un máximo de cobre (Cu) de
0,007% para todos los productos de espesor £ 16mm. Para las construcciones metálicas, las
distribuciones de elementos y aleaciones pueden tener ciertas desviaciones admisibles sobre el
análisis de la colada continua (tabla anterior), pero no superando el 0,1 en el mejor de los casos
(Manganeso).
% de elemento permitido
Máximo Mínimo Rango
Acero/Elemento C Si P S Nb V Ti Cr Ni Mo Cu N Al Mn
S275N 0,18 0,4 0,04 0,03 0,05 0,05 0,03 0,3 0,3 0,1 0,35 0,015 0,02 0,5 -1,40
Fig. 27 - Planchón de acero S275N
32
La “flexión” se refiere al tipo de deformación que presenta un elemento estructural alargado en una
dirección perpendicular a su eje longitudinal (lo que depende de donde señalemos el eje). Cuando
hablamos de “alargado” nos referimos a una dimensión del material dominante frente a las otras. Un
ensayo de flexión tiene como finalidad encontrar la energía mínima de rotura frente a una carga, lo
que determinará las aplicaciones finales tienen una adecuada flexión para ser utilizados en
construcciones metálicas, vigas, etc.
b) Análisis de datos de acero S275N
Al realizar una recopilación de datos, de distintas fuentes, principalmente de la página web
de la Asociación para la Promoción Técnica del Acero (APTA), para el acero S275N nos podemos
dar cuenta que existe una directa relación a la temperatura a la cual se hace la flexión (el ensayo)
del material y su energía mínima de rotura, obteniendo los siguientes datos:
1.- Valores mínimos de energía de rotura en el ensayo de flexión por choque con probetas
longitudinales con entalla en V para acero S275N:
2.- Valores mínimos de energía de rotura en el ensayo de flexión por choque en probetas
transversales con entalla en V para acero S275N:
Valores mínimos de energía de rotura en J a temperaturas de ensayo
en °C
Acero/ Temperatura 20°C 0°C -10°C -20°C
S275N 31 J 27 J 24 J 20 J
Valores mínimos de energía de rotura en J a temperaturas de ensayo
en °C
Acero/ Temperatura 20°C 0°C -10°C -20°C
S275N 55 J 47 J 43 J 40 J
33
c) Resultados
Si hacemos un análisis de datos ocupando el software Data-Studio, nos podemos dar cuenta
de la existencia de una función exponencial inversa que defina la rotura vs las temperaturas
aplicadas:
Para el primer punto consideramos la gráfica 1.
Esta gráfica la energía de rotura mínima en el ensayo de flexión por choque con probetas
longitudinales con entalla en V para acero S275N a diferentes temperaturas. Si hacemos un análisis
estadístico, podemos darnos cuenta que se ajusta, casi perfectamente, a una función exponencial
inversa, determinada por la gráfica 1.1.
Gráfica 1
Gráfica 1.1
34
La función exponencial representada será:
Con
Como podemos apreciar, la función tiene una dependencia de los datos tabulados en el eje X, en
este caso la temperatura de flexión medida en grados Celsius. Luego podemos entonces, formular
una ecuación correspondiente al acero S257N para la energía mínima de rotura, la que depende de
la temperatura a la cual se esté sometiendo el material:
Donde es la energía mínima de rotura en el ensayo de flexión para choques de probetas
longitudinales.
Para las tabulaciones del segundo punto, consideramos la gráfica 2:
Gráfica 2
35
En donde si hacemos un análisis paralelo al que hicimos a la flexión con probetas longitudinales,
vemos que la curva se ajusta a una función exponencial mostrada en la gráfica 2.1:
La función exponencial representada será:
Con
Como podemos apreciar, la función tiene una dependencia de los datos tabulados en el eje X, en
este caso la temperatura de flexión medida en grados Celsius. Cabe destacar el error estimado de
cada componente de la ecuación, éste se debe a la poca cantidad de datos sin embargo, cumpliría
con este intervalo. Entonces, se puede formular una ecuación correspondiente al acero S257N para
la energía mínima de rotura, la que depende de la temperatura a la cual está sometido el material:
Donde es la energía mínima de rotura en el ensayo de flexión para choques de probetas
transversales. Cabe destacar que ésta ecuación no es tan precisa como la anterior debido al tipo de
ajuste, buscando el paralelismo entre las dimensiones.
Gráfica 2.1
36
En conclusión, el acero S257N, presenta propiedades mecánicas que lo hacen muy
buen material para las construcciones metálicas y estructuras, además de mostrar energías de rotura
de flexión altas; sin embargo, éstas dependen de la temperatura a la cual están siendo sometidas, por
lo que mientras más alta sea, mayor será la energía necesaria para causar rotura. En lugares más
fríos del planeta, por ejemplo, en el invierno ruso o canadiense, es recomendable usar aceros con
mayor cantidad de carbono y silicio, como el acero S460NL, que presenta una mayor energía
mínima de flexión.
37
8. Aplicaciones e innovaciones de aceros procesados por
laminado en caliente
a) Introducción y ejemplos
Ahora que sabemos cómo funciona el laminado en caliente
y todos los procesos que éste conlleva, podemos adentrarnos en
saber para qué son todos los productos creados, en su mayoría lo
que se produce es materia prima. Este material es destinado a una
variedad de mercados que abarca la industria automotriz,
construcción, agrícola, entre otros.
El producto más tradicional creado mediante el laminado en
caliente es el planchón, ya que es simple realizarlo, porque solo se
debe hacer un trabajo con rodillos.
Pero a este producto se le pueden hacer variaciones, como por
ejemplo:
Cubiertas: Productos conformados por perfilado sinusoidales,
trapezoidales y estancos, a partir de aceros revestidos galvanizado.
Utilizados principalmente para techados y laterales de edificios en
todo tipo de construcciones.
Entrepiso metálico: Sistema de entrepisos acero estructural
galvanizado para edificaciones rápidas y modernas. Optimiza el
tiempo de construcción al eliminar el uso de estructuras auxiliares
para la construcción, ya que permite coladas simultáneas de
entrepiso y azoteas, con significativos ahorros de tiempo y dinero en
obra.
Otro producto común en los procesos de laminado son los
elementos estructurales como vigas y pilares. Estos pueden ser de
diversas formas dependiendo la función, como los perfiles IPN, IPE
y HE.
Sus usos mayoritarios se dan en puentes, estructuras de soporte,
torres de alta tensión, arquitectura y minería.
Fig. 28 – Algunos tipos de productos
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Los tratamientos térmicos juegan un rol importante en las propiedades y la microestructura
que puede poseer un material; es por esto que mediante el laminado en caliente se someten
productos ya hechos para mejorar sus prestaciones, a continuación se mostrará un ejemplo más
detallados de uno de ellos.
Como veremos más adelante, la empresa Arcelormittal ha desarrollado Aceros para estampado
en caliente.
Los aceros Usibor 1500 y 22MnB5 serán sometidos a tratamientos térmicos y al laminado en
caliente, en donde se mejoraran considerablemente sus características.
Estos aceros están especialmente enfocados a la industria automotriz, ya que los resultados
obtenidos ayudan a mejorar la resistencia y a aligerar entre un 30% a 50% el peso de las partes
automotrices en comparación con las convencionales del mercado.
b) Características técnicas de estos aceros:
Antes laminado Después laminado
Característica/ acero Usibor 1500 22MnB5 Usibor 1500 22MnB5
Resistencia (MPa) 350-550 320-550 1100 1100
Composición química (%)
0.25 C
1.4 Mn
0.35 Si
0.25 C
1.4 Mn
0.35 Si
0.25 C
1.4 Mn
0.35 Si
0.25 C
1.4 Mn
0.35 Si
Además se puede apreciar una micrografía antes y después del tratamiento térmico.
Acero 1500 antes del
tratamiento térmico de
laminado en caliente
(Matriz ferrito-perlítica)
Acero 1500 después del
tratamiento térmico es
100% martensitica
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El tratamiento térmico utilizado para la tabla y micrografías anteriores es
de 830°C-930°C durante un intervalo entre 5 a 10 minutos, seguido de un
temple entre matrices de estampación perfectamente enfriadas (velocidad
enfriamiento >50°C por segundo)
c) Resultados: Estos aceros obtenidos luego del correspondiente proceso
son para la industria automotriz. A continuación enunciaremos algunas
partes de los vehículos que son modificadas y mejoradas mediante este
proceso, todas estas partes tienen que ver esencialmente con la seguridad y
resistencia del automóvil (ver fig. 29 y 30), ya que como se mencionó
anteriormente estos nuevos materiales obtenidos son más resistentes y
también más livianos.
En chile la Compañía de Acero del Pacífico posee productos diseñados mediante el laminado en
caliente, y según las normas chilenas actuales.
Barras de refuerzo para hormigón
Se producen barras de acuerdo a lo especificado en la norma chilena NCh. 204 Of. 2006 en los
grados A440-280H y A630-420H.
Estas barras se obtienen de un proceso de laminación en caliente de palanquilla de colada continua,
producida a partir de mineral de hierro. Esto permite a las barras cumplir con las exigencias de
ductilidad requeridas en obras construidas en zonas de altas sismicidad.
Fig. 29 – Aceros en industria
automotriz
Fig. 30 – Refuerzo de puerta, refuerzo de techo y refuerzo parachoques
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Barra Helicoidal
La Barra Helicoidal (fig.31) ha sido diseñada para
reforzar y preservar la resistencia natural que presentan los
estratos rocosos, suelos o taludes. Consiste en una barra de acero
con resaltes en forma de hilo helicoidal de amplio paso que actúa
en colaboración con un sistema de fijación formado por una placa
perforada de acero y una tuerca. La inyección de concreto,
mortero o resina en la perforación del estrato en que se introduce
la barra sirve de anclaje, actuando el hilo como resalte para evitar
el deslizamiento de la barra. Ello da como resultado un conjunto
altamente resistente, sometido a esfuerzo de compresión.
Las barras helicoidales de CAP Acero poseen las mismas características mecánicas de las barras
formadas para refuerzo de hormigón. Se producen en los grados A440 y A630 de la norma chilena
Nch. 204 Of. 2006, y desde 2013 según norma ASTM A615M grado 75, como se muestra en la
siguiente tabla:
La composición química de estas barras es de aceros al carbono, pero a esta composición química
se pueden agregar microaleantes como por ejemplo niobio (Nb) y vanadio (V), los cuales aumentan
la dureza de las barras helicoidales, pero al aumentar esta dureza se sacrifica la ductilidad.
Nota: La norma chilena Nch 204 Of.2006 fue creada a partir de un estudio realizado por el instituto
nacional de normalización (INN) para actualizar la norma vigente Nch 204 Of.77. Esta norma se
encarga de establecer los requisitos correspondientes que deben poseer estas barras de acero
laminado en caliente para hormigón, para poseer un calidad que satisfaga las necesidades de
construcción, estas barras como se ha mencionado anteriormente son destinadas a soportes de
estructuras en rocas y es importante que posean las características requeridas por la norma para así
evitar malas edificaciones.
Actualmente las características (fluencia, rotura y alargamiento) se rigen según la norma ASTM
A615M grado 75 que establece nuevos parámetros, además el grado 75 indica la fluencia mínima,
en este caso 75.000 psi
Fig. 31 – Barra helicoidal
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8. Grandes empresas que trabajan con el laminado en
caliente
a) ArcelorMittal
Actualmente es la mayor compañía siderúrgica mundial, con una plantilla de 310.000
empleados en más de 60 países. Fue fundada en 2006 mediante la fusión entre mittal Steel y
Arcelor. Su sede está ubicada en la ciudad de Luxemburgo (ver fig. 32).
Esta empresa ocupa una posición de liderazgo en todos los principales mercados mundiales, que
abarcan la industria automotriz, construcción,
electrodomésticos y hasta envases. Además se destaca ya que
posee un fuerte enfoque en la investigación y desarrollo de
nuevas tecnologías.
Como por ejemplo, en una de sus empresas en España (Gijón)
se desarrolló una nueva producción de carril de grúa en el tren
de laminación de carril. Esta nueva adquisición es única
capacitada en Europa para producir carriles de cabeza
endurecida hasta 75 metros, teniendo la posibilidad de añadir
más calidad a su producción de carril de grúa. Esta técnica de
“cabeza endurecida” mejora la calidad y durabilidad de los
carriles de grúa, así aumentando la seguridad de éstas.
Mediante su presencia industrial en Europa, Asia, África y América, el grupo tiene acceso a los
principales mercados siderúrgicos, tanto en economías desarrolladas como en mercados emergentes.
En España posee plantas en Avilés, Gijón y Sagunto. En el futuro, ArcelorMittal concentrará sus
esfuerzos en el desarrollo de su posición en los mercados chino e indio, caracterizados por un fuerte
nivel de crecimiento.
Cifras de ArcelorMittal
Durante el año 2012 y 2013 esta enorme empresa no la ha pasado bien, debido a que el primer
trimestre del año recién pasado ha perdido 2.212 millones de euros, un 678,8% más que durante los
tres trimestres anteriores (2012). Estos son los peores resultados en la historia de ArcelorMittal, esto
es debido a la “importante depreciación y a la pérdida del valor de activos por el coste de la
reestructuración en factorías europeas”
Las cifras enviadas por esta compañía siderúrgica mundial a la CNMV (comisión nacional del
mercado de valores) indican que la producción de acero líquido no sufrió un descenso muy elevado
(bajo de 29 millones de toneladas a 27 millones) pero si lo hizo el precio del metal. "2012 fue un
año muy difícil para la industria del acero, particularmente en Europa, donde la demanda bajó un
8,8% adicional", señaló el presidente y consejero de la compañía, Lakshmi Mittal.
Fig. 32 – Sede de Luxemburgo de
ArcelorMittal
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b) Consumo y producción del acero laminado en américa latina
El consumo aparente de acero laminado en América Latina y el Caribe alcanzó en enero-agosto
de 2013 un volumen de 44,9 millones de toneladas, similar al mismo periodo 2012.
La producción de laminados aumentó 1%, alcanzando un volumen de 37,7 millones de toneladas,
según informó la Asociación Latinoamericana del Acero (Alacero). Entre enero-septiembre,
América Latina alcanzó una producción de laminados de 42,8 millones de toneladas, superior en
2% al mismo periodo de 2012.
c) Grandes productores en Latinoamérica
El principal productor de laminados es Brasil con 19,9 millones
de toneladas, representando el 46% del total latinoamericano. Lo
sigue México con 11,9 millones de toneladas (28%). Chile y
Colombia presentaron caídas en su producción de 16% y 12%
respectivamente en comparación con el mismo periodo de 2012
En septiembre de 2013, la producción regional de laminados fue
de 5,1 millones de toneladas, 9% más que en septiembre de
2012.
Entre los países que incrementaron su producción destacan
Argentina (17%) y México (11%). Colombia, en cambio,
presentó una caída de 4%.
Durante enero-septiembre de 2013, la producción de acero crudo
en América Latina fue de 49,7 millones de toneladas, similar al
volumen acumulado en enero-septiembre 2012.
Brasil sigue siendo el mayor productor regional con 25,9
millones de toneladas, aunque su volumen disminuyó 1% en relación a igual periodo 2012.
En septiembre 2013, la producción de acero crudo alcanzó un volumen de seis millones de
toneladas, 9% superior versus septiembre 2012. Este resultado se debe principalmente al incremento
de Perú (18%), Argentina (17%), México (13%), Venezuela (12%) y Brasil (6%).
Fig. 33 – Mercado siderúrgico
latinoamericano del 2013
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Ahora nos centraremos a nivel nacional, ya que como un país que posee grandes yacimientos de
minerales, también posee una industria de tratamiento de esta materia prima que va en aumento, es
así que presentamos algunas de las representantes de este avance:
d) Compañía de Acero del Pacífico
La mayor empresa de acero en Chile, es CAP acero. Empresa líder en calidad e innovación,
con una avanzada tecnología que le permite ser una industria siderúrgica integrada, en otras
palabras, esta elabora sus productos a partir de la misma materia prima, la cual conlleva a garantizar
acero de alta pureza.
La empresa es formada en 1950, donde hoy
en día la magnitud de producción es de
1.450.000 toneladas de acero líquido, con lo
cual consolida su liderazgo en el mercado
nacional. Actualmente se manifiesta en
Compañía Siderúrgica Huachipato S.A (fig.
34) ubicada al noroeste de la ciudad de
Concepción, capital de la Octava Región.
Esta cubre las necesidades chilenas de
minería, industria metalmecánica,
construcción y elaboración de envases de
hojalata, además de manifestarse
internacionalmente.
A continuación, se adjunta un extracto de noticia, para denotar la importancia de la siderúrgica.
Cierre de línea productiva de Huachipato reduce producción de acero laminado del país-
Noviembre de 2013
Según un informe de la Asociación Latinoamericana del Acero (Alacero) la producción de acero
laminado en Chile cayó un 16% durante el periodo comprendido entre enero y octubre del presente
año, y respecto a igual lapso de tiempo de 2012, mismo periodo de tiempo en el cual según la
Alacero la producción de Latinoamérica en conjunto creció un 1%, alcanzando las 47,5 millones de
toneladas de laminados.
En tanto que en octubre de este año, mientras la producción de la región alcanza las 5 millones de
toneladas, un 8% superior al año pasado, Chile nuevamente cae un 11%.
De acuerdo al estudio de Alacero, la caída de las cifras chilenas se explica en parte por el cierre de
la línea de planos de la siderúrgica Huachipato de CAP durante el presente año.
En relación a la balanza comercial, a septiembre del presente año la región experimentó un
déficit de 8,2 millones de toneladas, aunque de igual forma levemente inferior a los 9,2 millones
registrados durante 2012. Chile siguió esta línea y presentó un desbalance de -990 mil toneladas.
Fig. 34 – Siderúrgica de Huachipato
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d) Villalba Aceros
Villalba Aceros es una empresa de capitales chilenos que nace en 1949 con el fin de atender la
creciente demanda de acero del país.
A comienzos, la empresa abastecía acereros en minorías, luego esta se posiciona como una de las
principales barracas de fierro de Chile, Hoy se dedica a entregar soluciones integrales de acero para
proyectos de construcción.
A mediados de 1996 Villalba Aceros deja el rol de distribuidor y se dedica a la fabricación de sus
propios productos, en donde se incorporan nuevos materiales y tecnologías que posibilitan el
diseño, Actualmente la empresa se ha transformado en un reconocido centro de producción y
servicios especializado en los productos de acero recubiertos en zinc alum, galvanizado y
prepintado de color. De esta manera ha logrado ofrecer las mejores y más competitivas soluciones
para construcciones de carácter industrial, habitacional y masivas. Villalba Aceros ha establecido
una fiel clientela desde Arica a Punta Arenas.
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10. Conclusión
El análisis del proceso de laminado caliente implica un estudio de la historia de la
ingeniería moderna. De ésta forma, las técnicas de laminación, como los procedimientos utilizados
para realizar éste proceso, han ido evolucionando con el tiempo hasta llegar a lo que son ahora; esto
significa que el proceso, en su totalidad, fue mejorado gracias al avance de tecnologías y de las
ciencias involucradas en la laminación, tales como la mecánica.
La utilidad del proceso de laminación radica, principalmente, en la relativa facilidad de uso
que ésta presenta, sobresaliendo, en ciertas áreas, por sobre otras técnicas, como el forjado y el
trefilado. Sin embargo, la calidad de los objetos resultantes del procesado depende directamente de
los tratamientos a los que son sometidos. Los tratamientos térmicos pueden ser aplicados al material
antes o después del laminado, como por ejemplo, puede ser antes del laminado para facilitar el
mecanizado; además se pueden aplicar una combinación de éstos para obtener las prestaciones
requeridas (tipos de recocido o temple). Pero la mejora de las propiedades de un determinado
material conlleva a debilitar otras, es por esto que cada proceso de tratamientos térmicos es distinto
uno del otro y dependerán netamente de las cualidades que se requieran para el producto. También
mediante tratamientos térmicos se pueden recuperar materiales que han sido sometidos a grandes
deformaciones plásticas, preservando así su durabilidad en el tiempo mediante la reutilización de
éste; lo anterior representa una importante cualidad de estos tratamientos, ya que ayuda a utilizar los
recursos de manera eficiente.
Las aplicaciones del laminado en caliente son diversas, pertenecen a numerosos mercados,
pero se destaca que en cada una de ellas se ha progresado constantemente para obtener mejores
productos; es así como un simple planchón actualmente puede ser una cubierta de techo o cobertor
de piso, los cuales poseen formas geométricas más complejas, pero, a través de estos cambios de
geometría es posible, con el mismo material, darle otra función. También se está dando mucha
relevancia a los materiales que pueden mezclarse con otros mediante un proceso de laminado,
mejorando así sus características, es aquí en donde intervienen tanto los tipos de rodillos como los
tratamientos térmicos relacionados.
Las grandes empresas a nivel mundial que trabajan con aceros y específicamente con el
proceso de laminado en caliente, han destinado equipos a distintas áreas de la industria como la
automotriz y la construcción para estudiar qué tipos de materiales se requieren en estas zonas, es así
como generan nuevos aceros y procesos para potenciar sus productos, como se observó
anteriormente con el acero Usibor 1500 y 22MnB5, y su correspondiente tratamiento aplicación.
La industria nacional ha tenido un constante crecimiento en la producción de laminados en caliente,
mejorando su maquinaria y por ende su producción. Por lo tanto, éstas consideran normas más
estrictas para así generar productos de excelencia que cumplan los requerimientos exigidos por el
mercado actual. Las empresas nacionales también han incursionado en el área de materiales
renovables al nivel de reutilizar en su producción un 20% de materiales ya utilizados. Cabe destacar
que la industria chilena de siderurgia se dedica, casi en su totalidad, a la elaboración de aceros en
fase prima, como láminas, barras, planchas, etc, que luego serán exportados y utilizados en la
fabricación de productos específicos.
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La microestructura de un acero se puede analizar bajo distintos experimentos, diferenciando
las superficies visibles sobre la parte interior del material. Para esto, se consideran los factores que
influyen sobre el laminado, como la temperatura y la tecnología aplicada.
El proceso de laminado en caliente resulta muy útil en lo que se refiere a la fabricación de
perfiles y láminas metálicas, así como otros productos. La ventaja de trabajar en caliente radica en
que la aplicación de calor a un material metálico aumenta su plasticidad, y por tanto resulta fácil
dar forma al material en proceso. El buen funcionamiento del procedimiento depende de muchos
factores que deben ser controlados para obtener resultados óptimos.
El proceso consiste, básicamente, en que los rodillos ejercen presión transversal sobre el material
previamente calentado, lo cual significa que se ejerce una fuerza normal a los rodillos, cuya
componente horizontal es la responsable de estirar el material, mientras que la componente vertical
de aplastarlo. Los rodillos tienen la rugosidad suficiente para asegurar el movimiento axial de la
lámina. La velocidad juega un papel fundamental; cuando los rodillos de laminación aplastan el
material caliente, la deformación es considerable. La conservación de la materia asegura que el
material que entra a los rodillos debe ser el mismo que el que sale. La reducción del área transversal
provoca un aumento en la velocidad del material.
La deformación, del rango de temperatura en el que se trabaja, es plástica. Es sabido que un
estado plástico es precedido por un estado de fluencia, definido como un estado de transición, en el
que el material experimenta las primeras deformaciones plásticas. El esfuerzo de fluencia está
relacionado directamente con ésta alteración. Estos tres parámetros permiten calcular la potencia y
forma de los rodillos, la velocidad del tren y en qué secciones de éste realizar procesos como
punzonado, desbaste o corte.
El avance de las ciencias implica desarrollo de modelos que definan situaciones cada vez más
específicas y precisas, esto dentro de un cierto espectro. Modelos de enfriamiento de cintas de
acero, como el de García o Hernández, definen fórmulas que indican claramente los factores que
afectan ésta fase en el procesado de los aceros. Gracias a esto se consiguen ventajas sustanciales en
la industria acerera, disminuyendo costos y aumentando utilidades (producción), ya que se reduce la
ineficiencia de gran forma. Para un acero obtenido por laminación en caliente, como el S275N, se
pueden formular distintos modelos matemáticos que determinan factores relevantes al tiempo de
saber cuándo ocupar éste metal o no. Así es como funciones exponenciales muestran roturas bajo
temperaturas aplicadas, llevando a determinar incluso temperaturas de superficies.
De ésta forma, luego del previo análisis, el laminado en caliente ha demostrado ser una
herramienta que apunta hacia el futuro de la ingeniería, innovando en sus diversas facetas de
producción.
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