Materiales metálicos

Ingeniería mecánica. Tecnología. Fundición. Colada y lingotes de acero. Tipos. Escoria

  • Enviado por: Dante Kisser
  • Idioma: castellano
  • País: Argentina Argentina
  • 13 páginas
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Trabajo Práctico de

Materiales Metálicos

Tema: Colada de aceros y lingoteras. Defectos en los lingotes de acero.

Materia: Materiales Metálicos

Ingeniería Mecánica

Facultad Regional Santa Fe

Universidad Tecnológica Nacional

Índice:

Introducción..................................................................................................................................5

Desarrollo:

Colada

  • ¿Qué es la colada?...........................................................................................................6

  • Proceso de colada.............................................................................................................6

  • Colada contínua...............................................................................................................7

  • Colada para fabricación de productos por rolado.......................................................7

  • Cucharas de colada.........................................................................................................7

  • Proceso de vaciado en lingotes.......................................................................................8

Lingoteras

  • Lingoteras.........................................................................................................................9

  • Clasificación de los defectos............................................................................................9

  • Principales defectos en los lingotes..............................................................................10

Conclusión...................................................................................................................................14

Bibliografía..................................................................................................................................15

Introducción:

El presente trabajo practico fija su estudio en los procesos que preceden en la fundición y preparación del acero, es decir, el sacado del acero del horno, ya sea para formar bloques de acero sólido llamados lingotes, o bien sacándolo de una manera distinta y en forma continua por una especia de tubería especial, para formar barras o productos mas elaborados, con una sección transversal.

Además se hará un estudio sobre todos los problemas que se pueden presentar en el proceso mas difícil, que es la formación de un lingote de calidad, analizando el por que se causan los defectos en estos, si son perjudiciales o problemáticos o no, y como se pueden solucionar estos problemas o reducirlos lo máximo posible. Evaluando también la forma de las lingoteras, y el por qué de su estructura.

Desarrollo:

Colada de aceros

¿Qué es la colada?

La colada es el proceso posterior al fundido y preparado del acero, el cual consiste en el sacado del acero del horno y transportado mediante recipientes especiales, llamados cucharas, a las lingoteras, para formar bloques de acero sólido de formas y tamaños que se deseen, o bien se pueden transportar mediante las cucharas a otros tipos de recipientes del cual se dejará caer el acero liquido por una tubería, del que se obtendrán lingotes largos de una forma contínua, como son las vigas, barras, etc. Estas largas barras luego se cortarán en la medida que se necesite, ya sea para su transporte o por el largo que se va a usar. Los productos obtenidos de una misma colada poseen las mismas propiedades químicas. Según el producto que se vaya a fabricar, una colada tendra las propiedades necesarias. Por ejemplo las coladas destinadas para la fabricación de barras corrugadas son muy diferentes de las coladas para la fabricación de perfiles así como de las destinadas a la fabricación de alambre o barras para herramientas, etc.

Según el producto a laminarse, el acero fabricado en acería tendrá mas o menos carbono equivalente, es por eso de la diferenciación de las coladas. Cada colada se registra con un número único que servirá para acceder a los registros de las propiedades obtenidas.

Proceso de colada

La solidificación de los materiales metálicos del estado liquido se lleva a cabo en recipientes adecuados que reciben el nombre genérico de moldes. El conjunto de las operaciones destinadas a provocar esta solidificación pertenece a lo que se denomina proceso de colada.

El tipo de molde que se va a usar determina la forma del material a obtener al completarse la solidificación.

Según la forma obtenida, los materiales se denominan lingotes, productos semielaborados o piezas.

Estas ultimas pueden clasificarse en piezas en bruto y piezas terminadas, según se requieran o no operaciones posteriores de elaboración. Difícilmente las piezas definitivas puedan ser obtenidas en forma directa, mediante procesos de colada.

Las piezas en bruto no solo pueden fabricarse mediante procesos de colada, sino también por deformación plástica, a partir de lingotes o de productos semielaborados.

La obtención de piezas , en bruto o definitivas, por proceso de colada, se conoce con el nombre poco correcto de fundición.

Cuando se habla de fundición no solo se hace referencia a las operaciones de solidificación en el molde, sino también a las operaciones de fusión del material usado en dichos procesos, la preparación, etc.

Mediante un proceso llamado colada continua se pueden obtener, como ya dijimos, productos semielaborados, como barras, perfiles, alambres, etc. Los cuales tienen un eje longitudinal y una sección transversal constante. Estos materiales se obtienen por lo general mediante procesos de deformación plástica aplicados por presiones, al material casi-sólido, cuando se encuentra en un estado entre el sólido y el liquido.

Colada contínua

Cuando se requiere un material de sección constante y en grandes cantidades se puede utilizas el método de colada continua, el cual consiste en colocar un molde con la forma que se requiera debajo de una cuchara con el acero liquido, el que con una válvula puede ir dosificando material liquido dentro de este molde. Por gravedad el material fundido pasa por el molde, que esta enfriado por un sistema de agua, al pasar el material fundido por el molde frío se convierte en pastoso y adquiere la forma del molde. Este molde tiene un fondo móvil, por lo que una vez que se llena el molde, el fondo va bajando permitiendo el ingreso de mas acero al molde y así permitir que vaya descendiendo al agregar metal liquido.

En este proceso se trata de que el material se mantenga líquido en el centro del mismo(interior) y se forme una capa sólida en contacto con las paredes de la lingotera, de esta manera va descendiendo el producto mientras se agrega material liquido en forma continua. Se logra así que el material sólido exteriormente y liquido interiormente tome contacto con el aire para recibir chorros de agua que completarán la solidificación del núcleo, mientras el material desciende.

Una vez sólido el núcleo, se retira el fondo y el proceso prosigue hasta q se termina el acero liquido en el recipiente de arriba.

A una distancia conveniente desde la lingotera se produce el corte del material(cuando se encuentre sólido interiormente) en trozos de longitud adecuada para los procesos posteriores.

Colada para la fabricación de productos por rolado

Para fabricar los diferentes objetos útiles en la industria metálica, es necesario que el acero se presenten barras, láminas, alambres, placas, tubos, o perfiles estructurales, los que se obtienen de los procesos de rolado. El proceso de rolado consiste en hacer pasar al acero en estado pastoso por unos rodillos ubicados de tal forma que por deformación le den al material la forma deseada. El material con el que se alimentará a los rodillos deberá tener una forma mas o menos determinada, esta forma se obtiene al colar el metal en moldes, que luego será procesado, a estos productos se los denomina lingotes o lupias y pueden ser secciones rectangulares, cuadradas o redondas. Los lingotes(cilindros con un extremo menor que el otro) o lupias(lingotes de gran tamaño con secciones rectangulares) pueden tener desde 25kg hasta varias toneladas, todo dependerá del uso que se le va a dar, y por que tipo de rodillos se va a procesar.

Para esta ocasión el metal debe estar en estado pastoso, de lo contrario se necesitaría de gran esfuerzo y seria difícil su procesado, por esto el metal se recalienta hasta alcanzar el estado necesario.

Cucharas de colada

Las cucharas de colada son recipientes construidos de chapa de acero, a los que se le da una forma troncocónica cuyo fondo constituye su base menor. El espesor de la chapa con que se construye varia según la capacidad y a la resistencia necesaria para soportar la carga, y a la temperatura elevada que le comunica el metal liquido.

Este recipiente se reviste interiormente con ladrillos refractarios de silicio-aluminio, colocado de manera de reducir al mínimo las juntas y evitar las filtraciones de acero líquido.

La cuchara tiene un centro de rotación ubicado de cierta manera de hacer mas fácil su vaciado, también posee un par de muñones(uno de cada lado) para que pueda ser elevado y haga de eje de rotación. También esta puede poseer un orificio en su parte inferior para la colada, con un tapón de manera que no tenga perdidas, por si se necesita mantener el metal liquido dentro de la cuchara.

'Materiales metálicos'
Cuchara de colada con tapón de colada por abajo.

Proceso de vaciado en lingotes:

El vaciado del metal en las lingoteras se puede hacer de dos maneras diferentes:

  • Colada directa o en caída: este proceso se usa para obtener grandes lingotes, y consiste en ir llenando cada lingotera individualmente, ya se haciendo pasar las lingoteras(unidas una detrás de la otra, guiadas por rieles y pidiéndose moverse los carros que llevan las lingoteras solamente cuando estas estén llenas) por debajo de la cuchara que vuelca el acero fundido, y de esta manera ir llenando cada lingotera. O bien dejando las lingoteras fijas e ir moviendo la cuchara mediante un carro por rieles, volcando el acero fundido dentro de cada recipiente.

  • Colada fuente: Consiste en alimentar los moldes por el fondo, valiéndose de un canal común y un caño único de colada. Los canales por los que circula el acero están recubiertos con refractarios que están unidos de extremo a extremo cerrando cuidadosamente las juntas con arcilla. El diámetro de los canales y el tubo de ingreso de acero depende del tamaño de los lingotes a obtener.

  • Por este sistema se pueden llenar muchas lingoteras a la vez. Este proceso no es muy rápido, lo cual permite que las impurezas suban a la parte superior del lingote y puedan ser eliminadas, evitando defectos. Por este proceso se tienen mas probabilidades de obtener un lingote de calidad.

    Defectos en los lingotes de acero

    Lingoteras

    Las lingoteras son recipientes de fundición dentro de las cuales se vuelca el acero líquido con el objeto de producir su solidificación bajo una forma determinada.

    Las lingoteras pueden ser cerradas o abiertas. En el primer caso es necesario preparar un fondo especial o común, y en el segundo caso, como uno de los extremos debe hacer de fondo, debe ser de menor dimensión, las cuales llevan en su fondo un agujero con tapón extraíble para facilitar el sacado del lingote sólido. Este tipo de moldes por lo general viene provisto de un colar refractario removible o “mazarota caliente” que se coloca en la parte superior del molde. La función de este collar refractario es la de hacer mas lento el enfriamiento en la parte superior del lingote, suministrando así una reserva de metal fundido que pueda alimentar al cuerpo principal del lingote al solidificarse éste y en consecuencia contraerse. La mazarota caliente, reduce así al mínimo al rechupe.

    Por lo general las lingoteras poseen una forma trapezoidal, con el objetivo de que sea mas fácil su vaciado una vez que el metal está sólido.

    Las lingoteras poseen orejas a los costados que le permitirán levantarla para desmoldar, o gorrones, y según su capacidad el espesor de sus paredes puede ser de entre 4 y 15 centímetros. Son muy comunes las lingoteras octogonales o hexagonales.

    También se pueden usar lingoteras cilíndricas si el peso es de unos pocos centenares de kilos, estas lingoteras se usan cuando el producto final se va a usar para torneado.

    Existen muchos tipos de lingoteras según el uso que se le va a dar al producto, como por ejemplo cilindros huecos para la producción de caños sin costuras, haciendo girar el cilindro a gran velocidad.

    Clasificación de los defectos:

    La formación de lingotes es una de las etapas mas difíciles e importantes de las etapas de la fabricación del acero, y con frecuencia los errores que surjan serán defectos dentro del lingote, que no podrán eliminarse con las operaciones que le siguen aunque sean trabajos en caliente como laminado o forjado.

    Sobre muestras de semiproductos de colada contínua, se estudian defectos superficiales o internos en productos largos o planos, del tipo grietas, poros, escamas, pliegues, inclusiones, gotas frías, atrapes, etc.

    Se toman las muestras, se caracterizan los defectos por su apariencia a simple vista, se realizan los estudios metalográficos con uso de reactivos especiales para la determinación del origen de defectos, haciendo uso de una lupa estereoscópica, microscopio óptico y electrónico. Se analiza la información del proceso y se utiliza la bibliografía propia o correspondiente sobre el problema que se esté estudiando.

    Los defectos que comúnmente se encuentran en los lingotes de acero se pueden clasificar en dos grupos principales: a)- los que ocurren internamente; y b)- los que se manifiestan sobre o muy cerca de la superficie. Algunos de estos defectos, como por ejemplo el rechupe son inherentes en cualquier tipo de estructura vaciada, y pueden reducirse al mínimo solo si se ejerce un estricto control de los factores que afectan su formación.

    Otras fallas son resultado de una mala operación y pueden ser eliminadas corrigiendo errores en los procesos de fundido o de vaciado.

    Los principales defectos que surgen en los lingotes se dan por la presencia de alguno de estos casos:

  • Rechupes.

  • Diferentes estructuras del lingote.

  • Sopladuras.

  • Segregación.

  • Inclusión de escoria.

  • Grietas o fisuras.

  • Rechupes: Es una cavidad o hueco que se produce en el interior del lingote, debido a que cuando se vierte el metal fundido en el molde, este comienza a solidificarse desde el exterior hacia el interior del lingote, y como el volumen del metal fundido es mayor que el del metal sólido, el metal se contrae exteriormente y su interior cuando empieza a contraerse comienza a formarse un hueco o una cavidad en el centro del lingote, debido a esta contracción. Generalmente ocurre en la porción del lingote superior y central. Para evitar los rechupes internos la lingotera debe poseer la boca superior de mayor tamaño que la boca inferior, así el rechupe se forma en la parte superior del lingote, o comprimiendo el lingote cuando se esta solidificando con grandes prensas hidráulicas.

  • El volumen del rechupe es mayor cuanto mayor es el volumen del lingote, aunque no tiene una relación constante.

    Las partes que tienen este rechupe son inutilizables, pues las superficies no son soldables y por lo tanto las piezas construidas por esa parte del acero resultan quebradizas y aún peligrosas.

  • Sopladuras: Son defectos que se producen en el interior del lingote debido a que se desprenden gases durante la solidificación del lingote. Estos gases pueden salir despedidos en forma de burbujas o pueden quedar atrapados en el interior del lingote por la solidificación. Las sopladuras situadas en las cercanías al núcleo del lingote son menos perjudiciales que las situadas en las cercanías de la superficie, porque estas se alargan durante el laminado en caliente y producen costuras en el acero acabado. Para eliminar estas sopladuras conviene ir vertiendo el acero de forma lenta en la lingotera, de esta forma permitir que estos gases escapen o queden atrapados en la parte superior del lingote que luego conviene cortar. Cuando el acero contiene muchos gases conviene que el enfriamiento sea lento así tienen mas tiempo de escapar las burbujas o sopladuras.

  • Diferentes estructuras del lingote: El efecto enfriador del molde de hierro frío es también una causa de que la cristalización del material fundido ocurra en forma anormal, esto es, los cristales primero se forman sobre las superficies del molde y crecen hacia adentro para formar una estructura débil, debido a los planos de debilitación así formados. Afortunadamente, en la mayoría de los casos, el enfriamiento no se extiende hasta el núcleo del lingote, y la porción central de este tiene los cristales al azar, así como una estructura resistente. Pero las aristas de este lingote pueden ser débiles, presentándose tres casos:

    • Estructura dendrítica: Está formada por individuos cristalizados semejantes a los que se encuentran en las mazarotas; ellos poseen un eje principal, y ejes secundarios perpendiculares a los primeros.

    Se observa generalmente en todos los lingotes de acero y puede ponérselas en evidencia mediante un examen macrográfico.

    • Estructura reticular: Está formada por células alargadas, se las obtiene por enfriamiento de los lingotes al aire libre.

    • Estructura granular: Está caracterizada por individuos de caras mas o menos regulares, pudiendo reflejar la luz. Se obtienen por enfriamiento rápido.

    El numero de cristales y por consiguiente su grosor dependen de la velocidad de enfriamiento y de la composición del acero.

    Un enfriamiento rápido da cristales numerosos y, en consecuencia, poco voluminosos; un enfriamiento lento produce fenómenos inversos.

  • Segregación: Durante la solidificación la primera porción que se solidifica es relativamente pura en comparación con la ultima que lo hace. Esta solidificación selectiva se traduce en una concentración desigual de los elementos hallados en la aleación. En la fabricación de lingotes, la segregación viene agravada por la acción enfriadora del molde. Las primeras porciones en contacto con el molde se solidifican relativamente puras, mientras que las porciones centrales, las cuales son las ultimas en solidificarse, son mas ricas en los constituyentes de punto de solidificación mas bajos del acero. Ésta es la razón para segar la porción mas alta del lingote, puesto que cortando para quitar el rechupe también se quita parte de las porciones del lingote donde es peor la segregación.

  • Esto crea dificultades de mecanización en ciertas aplicaciones, y desigualdad en las propiedades mecánicas.

  • Inclusiones de escoria: Se dan de los productos de la desoxidación, siendo las partículas de Al2O3 y SiO2 las mas numerosas. Ambos óxidos son insolubles en el acero fundido y se elevan a la superficie muy lentamente, después de su formación.

  • También se da por la presencia en menor medida de fósforo, azufre, nitrógeno, oxigeno e hidrógeno, y también de sus óxidos.

    Puesto que la desoxidación se lleva a cabo hacia el final del proceso de fabricación del acero existe un período limitado de tiempo para que lleguen a la superficie. Esto es perjudicialmente cierto cuando se usa aluminio para calmar un acero efervescente que se encuentra ya en la lingotera.

    Algunos de estos óxidos flotan a la superficie cuando el acero se encuentra en el molde y son finalmente cortados junto con el rechupe; pero aquellos que permanecen como inclusiones, tienden a segregarse(con frecuencia en los planos débiles) dando lugar a grietas internas en el lingote. La incidencia de las inclusiones se reduce desoxidando la carga lo mas pronto posible antes de vaciar, de manera que los óxidos tengan mayor oportunidad de flotar a la superficie.

    Pueden presentarse también dificultades debido a partículas de escoria, así como fragmentos de revestimiento refractario ya sea del horno o de la cuchara.

    Algunos elementos de estos pueden favoreces a las propiedades del acero, por ejemplo la presencia de azufre facilita el mecanizado(en porcentajes adecuados), sobre todo la resistencia al choque transversal.

    Estas impurezas son mas peligrosas cuando se encuentran como inclusiones que cuando se encuentran formando una solución. Siempre y cuando la distribución de estas impurezas sea la adecuada, no podrán perjudicar las propiedades. Cuando decimos adecuada nos referimos al tamaño, distribución y concentración.

    Para determinar la presencia de inclusiones se usa el método magnético, el de fractura y el de ataque químico; para determinar el grado de impurezas de los aceros(frecuencia y severidad de las inclusiones, su forma, dureza, plasticidad), Para esto existen valores prefijados, según el uso que se le va a dar al acero, se da el porcentaje de existencia de inclusiones.

  • Grietas o fisuras: Las grietas aparecen en las superficies laterales de los lingotes, causadas por la contracción del metal al solidificar debido a una superficie del molde rugosa que evita la contracción uniforme del lingote.

  • Cuando los lingotes se cuelan por arriba, puede salpicarse metal a los lados del molde, en donde se solidifica y oxida rápidamente. El metal que se eleva cubre finalmente estas salpicaduras, que forman “costras” sobre la superficie del lingote. Estas se pueden cortar antes de laminar el lingote; pero ocasionalmente, las salpicaduras se encuentran totalmente envueltas por el metal ascendente que las retira de la superficie del molde. Ahí forman discontinuidades subcutáneas que dan lugar a un defecto del metal laminado final.

    Se las elimina por burilado o cortafrío neumático para poner al descubierto las superficies oxidadas, que perteneciendo de esa manera, no soldarán por la acción del laminado.

    Estas grietas que se hacen se abren durante el laminado y se convierten eventualmente en surcos alargados en el material acabado.

    Conclusión:

    Sabidos ya los conocimientos sobre el tema, podemos arribar a la conclusión que se debe poner mucha atención a esta parte del proceso de obtención de aceros, ya que un defecto en esta parte del proceso puede ser irreversible, y para solucionar el problema quizás convenga volver a fundir el metal, lo que generaría grandes perdidas de tiempo y dinero. O bien si se nos pasa por alto o no realizamos los estudios debidos, podríamos estar entregando al cliente un lingote de baja calidad, o inservible. Este proceso requiere de que se actúe en forma rápida debido al relativamente poco tiempo que tarda el metal en solidificar, para que se reduzcan al mínimo los defectos en los lingotes.

    A su vez se requiere de grandes maquinarias, con cuidados muy especiales, para evitar accidentes, como podría llevar a causarse si una cuchara no tiene el revestimiento en buenas condiciones.

    Bibliografía:

    • Introducción a la metalurgia-Eduardo R. Abril-Edición Marymar(páginas 111- 112).

    • Ingeniería Metalúrgica Tomos I y II- Raymond A. Higgins- Editorial Continental S.A.(páginas 85-92, tomo I y páginas 57-67, tomo II).

    • Metalurgia-Johnson-Weeks-Editorial Reverté (páginas 126-127).

    • Siderurgia-Pascual A. Pezzano- Editorial Alsina(páginas 262-276).

    • www.acerosarequipa.com/certirapidfaqs.asp

    • www.indatubo.com.ar/laminados_trefilados.htm

    • www.siderurgia.org.ar/esp/aceria