Cilindros de laminacinIntroduccinEn la produccin de aceros laminados, tanto planos como largos y tubos, se uti-lizan cilindros de laminacin que pesan desde algunos kilogramos hasta dece-nas de toneladas. Estos cilindros se pro-ducen con diversas tecnologas, en una gran variedad de materiales, con una me-talurgia compleja. Su funcin es impor-tante no slo desde el punto de vista de la productividad sino tambin desde su gran influencia sobre la calidad superfi-cial y otros rasgos de los productos side-rrgicos. En algunos casos, la incidencia en el costo de laminacin es importante, si se tiene en cuenta no slo el precio de los cilindros, ms sus costos de compra, almacenamiento y mantenimiento, sino tambin las prdidas ocasionadas por las paradas para cambiarlos.

Entre los procesos cabe mencionar el co-lado esttico, el colado centrifugado, la doble colada, el forjado de lingotes, la re-fusin bajo electroescoria, los procesos de cladding y el sinterizado.

Entre los materiales, se destacan las fun-diciones de grafito laminar y nodular, de baja aleacin y al cromo, con carburos mejorados, los aceros al cromo y los ace-ros semirrpidos y rpidos y el carburo de tungstenongulos estructurales LEs el producto de acero laminado que se realiza en iguales que se ubican equidistantemente en la seccin transversal con la finalidad de mantener una armona de simetra, en ngulo recto. Su uso est basado en la fabricacin de estructuras para techados de grandes luces, industria naval, plantas industriales, almacenes, torres de transmisin, carroceras, tambin para la construccin de puertas y dems accesorios en la edificacin de casas..Vigas HArtculo principal:Perfil doble TProducto de acero laminado que se crea en caliente, cuya seccin tiene la forma de H. Existen diversas variantes como elperfil IPN, elperfil IPEo elperfil HE, todas ellas con forma regular y prismtica. Se usa en la fabricacin de elementos estructurales comovigas,pilares,cimbrasmetlicas, etc, sometidas predominantemente aflexinocompresiny contorsindespreciable. Su uso es frecuente en la construccin de grandes edificios y sistemas estructurales de gran envergadura, as como en la fabricacin de estructuras metlicas parapuentes, almacenes, edificaciones,barcos, etc...

Canales UAcero realizado en caliente mediante lminas, cuya seccin tiene la forma de U. Son conocidas comoperfil UPN. Sus usos incluyen la fabricacin de estructuras metlicas como vigas, viguetas, carroceras, cerchas, canales, etc. etcPerfiles TAl igual que el anterior su construccin es en caliente producto de la unin de lminas. Estructuras metlicas para construccin civil, torres de transmisin, carpintera metlica.Barras redondas lisas y pulidasProducto laminado en caliente, de seccin circular y superficie lisa, de conocimiento muy frecuente en el campo de la venta de varillas. Sus usos incluyen estructuras metlicas como lo pueden ser puertas, ventanas, rejas, cercos, elementos de mquinas, ejes, pernos y tuercas por recalcado en caliente o mecanizado; pines, pasadores, etc.PlatinasArtculo principal:Platina (perfil metlico)Producto de acero laminado en caliente, de seccin rectangular. Entre sus usos est la fabricacin de estructuras metlicas, puertas, ventanas, rejas, piezas forjadas, etc.Barras cuadradasProducto realizado en caliente por lminas, su uso es muy frecuente y muy conocido. Se usan en la fabricacin de estructuras metlicas, puertas, ventanas, rejas, piezas forjadas, etc.Barras hexagonales[De igual manera que en los anteriores su composicin es de laminas producidas en caliente, de seccin hexagonal, y superficie lisa. Generalmente se observa en la fabricacin de elementos de ensamblaje para, pernos, tuercas, ejes, pines, chavetas, herramientas manuales como barretas, cinceles, puntas, etc. Los cuales pueden ser sometidos a revenido y a temple segn sea el caso.Perfiles generados por soldadura o unin de sus elementosEstos son elementos ensamblados de estructuras generalmente de forma rectangular, la composicin de las barras y diferentes elementos est generado porsoldadurade las mismas, la ventaja que tiene este tipo de perfil es que se adeca perfectamente a los requerimientos de diseo de acuerdo al anlisis estructural que se realiza. Las relaciones de las dimensiones en perfiles tpicos H, I. CS, tienen la forma de H y su altura es igual al ancho del ala, h=b. CVS, tienen forma de H y la proporcin entre la altura y el ancho es de 1.5:1 VS, son de seccin tipo I y la proporcin entre la altura y el ancho del ala es de 2:1 y 3:1ChapaSe lamina el acero hasta conseguir rollos de diferentes grosores de chapa. La chapa se utiliza en calderera, y en la fabricacin de carroceras de automviles. Se pueden emplear tambin aleaciones especiales con silicio y obteneracero magntico; la chapa as resultante se utiliza extensivamente en la industria elctrica, especialmente en la fabricacin detransformadoresy derotoresyestatoresdemquinas elctricas.Acero corrugado para hormign armadoArtculo principal:Acero corrugadoLas aceras que reciclan chatarra, son en su mayora productoras del acero corrugado que se utiliza para formar estructuras de hormign armado y cimentaciones.

Cilindros para laminacin en caliente de planosLos trenes de laminacin de chapa en caliente convencionales tienen para la operacin de desbastado (seccin ini-cial) una caja reversible o varias cajas en continuo y para el terminado (seccin final) varias cajas en continuo. Los trenes cuentan con cilindros de trabajo que es-tn en contacto directo y aplican las fuer-zas sobre el material a laminar y cilin-dros de respaldo, que proveen un soporte rgido a los cilindros de trabajo para evi-tar su flexin bajo las cargas en juego en la laminacin. La discusin se centra en los cilindros de trabajo, que son los que se consumen ms rpidamente y tienen mayor incidencia en la productividad y la calidad. Las exigencias de choque trmi-co y mecnico y de abrasin a que se ven sometidos estos cilindros son diferentes en la operacin de desbastado, en las primeras cajas terminadoras y en las lti-mas cajas terminadoras. Esto ha llevado al predominio de diferentes materiales en cada uso.

El proceso utilizado para estos cilindros es el de centrifugado vertical u horizon-tal de la cscara, con posterior armado del molde con la cscara en su interior y colado esttico del ncleo (Figura 1).El centrifugado con doble colada plantea muchos desafos (Figura 3):

los cilindros son piezas de gran tama-o y complejas; cuanto mayor es la pieza, hay ms probabilidad de que hayan defectos internos;

la cscara y el ncleo tienen composi-cin qumica, temperaturas de trans-formacin y expansin trmica dife-rentes, con altas tensiones residuales como consecuencia;

las altas tensiones residuales y los de-fectos internos o en la transicin entre cscara y ncleo pueden aumentar el riesgo de fallas.

Los parmetros de proceso ms impor-tantes son la temperatura del ncleo l-quido y la temperatura en el lado interno de la cscara. El ncleo lquido debe re-fundir la parte en contacto de la cscara solidificada. Si esto no es hecho adecua-damente, inclusiones de escoria u otras partculas no metlicas pueden debilitar la unin ente ambos. Se han desarro-llado recientemente herramientas de control no destructivo ms sofisticadas, tanto en la fabricacin como en el uso de los cilindros [1] y se ha modelado lo que ocurre en la interface durante la opera-cin para investigar fallas

Figura 1

Produccin de cilindros con cscara centrifugada y ncleo colado en forma esttica

Centrifugado de la cscara

Debastadores y cajas iniciales del terminador

La expansin ha sido mucho ms rpida en Japn que en Europa. El desarrollo co-menz en laminadores de barras. Luego se intent en las cajas finales de los ter-minadores de planos, con malos resulta-dos. Mucho mejor fue la introduccin en las cajas iniciales, al punto que hoy en Japn el 95% de los laminadores los utili-zan all. A mediados de la dcada del 90 se introdujeron en los desbastadoresFigura 3

Principios de los cilindros compuestos

figura 4

Tipo de cilindro de trabajo en cajas F1-F3/4 de 26 laminadores de chapa en caliente europeos, segn datos del ao 2010

19%

42%< 10% uso de cilindros de acero rpido

> 50% uso de cilindros de acero rpido;

resto fudicin de alto horno

39%100% uso de cilindros de acero rpido

La utilizacin exitosa de cilindros de ace-ro rpido depende de la superacin de al-gunos problemas que se han encontrado en su implementacin [1]. Uno de ellos es el hecho de que el coeficiente de fric-cin con la chapa es mayor, lo que impli-ca la necesidad de una mayor fuerza de laminacin. Otros problemas que se han relacionado con la introduccin de estos cilindros son:

ocurrencia de xidos laminados;

deterioro inaceptable de la superficie;

baja resistencia al agrietamiento y al desprendimiento (spalling);

baja calidad del rodillo (interface cas-cara-ncleo, segregacin o porosidad en la cscara, altas tensiones residua-les);

vibraciones;

problemas de control de perfil y plani-tud debido a la corona trmica.

Algunos de estos aspectos han sido abordados por los fabricantes de cilin-dros. Por ejemplo, uno de ellos desarro-ll un grado de acero rpido con menor coeficiente de friccin y mejor tolerancia al dao. En la Figura 5 se presenta el as-pecto de la superficie de los cilindros de alto cromo y del acero rpido que produ-ca antes de ese desarrollo, luego de una campaa normal.

El nuevo grado tena trazas de carburos eutcticos, que eran tiles para frenar el desarrollo de las grietas y evitar porosi-dad de rechupe durante la solidificacin de la cscara. En la Figura 6 se compa-ran las microestructuras de los tres ma-teriales.

Existen en la literatura pblica numero-sos ejemplos de las mejoras en la perfor-mance de los cilindros con los cambios de material. En la Figura 7 se presentan a ttulo de ejemplo los casos de un desbas-tador reversible y las cajas iniciales de un terminador.

Figura 5

Aspecto de la zona superficial de cilindros de acero forjado al cromo (izquierda) y de acero rpido inicial (derecha) luego de una campaa normal [4]. Observacin en microscopio electrnico de barrido

Cajas terminadoras finales

En las ltimas cajas terminadoras est generalizado el uso de cilindros de tem-ple indefinido (ICDP, Indefinite Chill Do-uble Pouring) que mejor su performance con modificaciones en la composicin qumica que resultaron en la introduc-cin en su estructura de carburos de alta dureza (EC-ICDP, Enhanced Carbide).

Figura 6

Microestructura de la cscara en tres materiales para cilindros de trabajo de laminacin en fro: arriba a la izquierda: acero al cromo forjado; abajo a la izquierda: acero rpido centrifugado inicial,

con carburos aislados; derecha, acero rpido centrifugado final, con trazas de carburos eutcticos

50m

Clindros para laminacin en fro de planos

Los laminadores de chapa en fro de gran capacidad suelen ser varias cajas conti-nuas de cuatro cilindros en alto. Para los cilindros de trabajo se utilizan general-mente cilindros de acero forjado aleado con cromo y sometidos a un cromado superficial. El cromado fue desarrollado inicialmente para los laminadores tem-per 2; luego se extendi a los laminadores de reduccin.

Hay requisitos contrapuestos en la se-leccin de la temperatura de revenido destos cilindros, que obligan a la adopcin de una solucin de compromiso, que puede variar en funcin de las particu-laridades de cada laminador (Figura 9).

Como para otros tipos de laminadores, tambin aqu han desembarcado los aceros rpidos, aleados por ejemplo con cromo, molibdeno, vanadio y tungsteno (Cuadro 1). La temperatura de reveni-do de los cilindros es elevada (450C a 550C, en lugar de 150C a 250C). Esto es posible por el alto pico de endureci-miento secundario que presentan estos aceros (Figura 10). Dependiendo del te-nor de vanadio, la dureza est entre 740 y 820 HV para este rango de temperatura.

Cuadro 1

Rango de composicin qumica de aceros semirrpido y rpido para cilindros de trabajo de laminadores de chapa en fro

ElementoAcero forjado al CrAcero rpido forjado

C (%)0,75 a 1,50,8 a 1,5

Cr (%)1 a 68 a 13

Mo (%)0,1 a 0,60,5 a 3

V (%)0,1 a 0,30,5 a 3

W (%)0,1 a 0,20,2 a 2

Figura 9

Antagonismo entre la aplicacin y las propiedades deseadas, para los cilindros estndar de acero forjado al cromo [9]

900

Mayor retencin

850de la dureza (abrasin)

- DPH800

Dureza750

700Mayor resistencia a

incidentes de laminacin

650

100150200250300350

Temperatura de revenido (C)Cilindros para laminacin de chapa gruesa

En este campo un desafo particular ha sido planteado en forma reciente por la construccin de varios laminadores de este tipo, particularmente en China, con rodillos cuyo dimetro de tabla es de hasta 2,2 m y longitud de tabla de has-ta 5 m. Estos rodillos se construyen ba-sados en lingotes forjados de aceros al cromo. Aqu los problemas planteados son, en primer lugar, logsticos y tam-bin de proceso. Hay rodillos de 180 t de peso terminado, lo que implica un peso de colado de unas 300 t, lo que plantea las consiguientes necesidades en lo que hace a gras, transporte interno y exter-no, moldes para el colado, hornos para tratamiento trmico y mquinas herra-mientas [11].

En segundo lugar es clave minimizar los problemas que ocurren durante la soli-dificacin de los lingotes, tales como el rechupe primario, el rechupe secunda-rio, la segregacin en V y en A, etc. Estos problemas no se resuelven en los pasos posteriores, ya que para lingotes de es-tos tamaos, la relacin de reduccin es muy baja. Para predecir las situaciones que pueden ocurrir durante la solidifica-cin del lingote se utilizan herramientas de modelado (Figura 11).

Figura 11

Modelado de solidificacin de lingote. Izquierda: Prediccin de porosidad. Derecha: Porcentaje de fraccin solidificada para un tiempo determinado

0,1000

0,0933

0,0867

0,0800

0,0733

0,0667

0,0600

0,0533

0,0467

0,0400

0,0333

0,0267

0,0200

0,0133

0,0067

0,0000

Referencias

[1] Mario, S.; HSS work rolls for hot mill finis-hing stands: Keys to success. AISTech 2010 Proceedings - Volume II pp. 279-292. [2] Brandner, M.; van Kollenburg, R.J.W.M.; In-terpretation of UT and EC Results in Roll Tes-ting. AISTech 2010 Proceedings - Volume II pp. 771-779.

[3] Hashimoto, M.; Continuous Pouring Pro-cess for Cladding (CPC process) of Rolls, in Rolls for the Metalworking Industry, Editor Gene E. Lee, ISS 2002, pp.

[4] Ziehenberger, K.H.; Windhager, M.; State-of-the art work rolls for hot rolling flat pro-ducts. CONAC 2007 - 3rd Steel Industry Conference and Exposition, November 2007, Monterrey, Mxico, pp. 1-12.