Colada Continua: Proceso entre Fabricación y Laminación

La colada continua es un proceso que se sitúa entre la fabricación del acero y su posterior laminación. En este proceso, la cuchara vierte el acero fundido en un recipiente llamado artesa, que a su vez llena las lingoteras (con un fondo de aproximadamente 20 cm). El fondo de las lingoteras es móvil, lo que permite ir extrayendo el acero a medida que se solidifica, dando continuidad al proceso. El acero se enfría superficialmente, formando una costra de unos 5 mm, pero manteniendo el interior fundido. Mediante los procesos de laminación posteriores, se logra una homogeneización del material.

La base de la lingotera se desplaza, se desmonta y se realiza un oxicorte, obteniendo así un objeto prismático de gran longitud que pasará a laminación u otro proceso. Posteriormente, se produce una refrigeración secundaria con agua fría, aumentando el espesor de la costra hasta aproximadamente 12 mm. El lingote continúa estando al rojo vivo y fundido en su interior. Se va cortando mediante un soplete (oxicorte) y, finalmente, se almacena o pasa al tren de laminación (lo más habitual en la actualidad).

Ventajas de la Colada Continua

• Ahorro económico al evitar el uso de hornos de conservación.
• Mayor rendimiento y producción.
• Ahorro de energía.
• Ahorro de mano de obra.

Conformación del Acero

La conformación del acero tiene como objetivo dar forma al acero para obtener el acabado deseado. Los principales procesos de conformación son:

1. Trefilado
2. Laminación
3. Forja
4. Estampación
5. Moldeo

Los procesos de trefilado y laminación son los más utilizados para la obtención de elementos de construcción y serán estudiados con mayor profundidad. Los procesos de forja, estampación y moldeo se orientan principalmente a la obtención de piezas de maquinaria.

Laminación: Proceso Clave en la Conformación del Acero

La laminación consiste en hacer pasar un elemento de acero (generalmente lingotes) entre dos rodillos que giran a la misma velocidad en sentido contrario. Esto ejerce una presión que reduce su sección transversal, aprovechando la maleabilidad del material.

El conjunto de cilindros, junto con un armazón, forma la caja de laminación. Varias cajas de laminación forman un tren de laminación.

Se distingue entre la laminación en caliente (T > 850ºC, normalmente entre 850ºC y 1250ºC) y la laminación en frío, que se puede realizar a temperatura ambiente (aunque normalmente se realiza entre 700-800ºC). La maleabilidad del material aumenta con la temperatura. En frío, al ser menos maleable, aumenta la fragilidad. Las tensiones residuales provocan fragilidad. Para liberar tensiones, se puede aplicar un tratamiento térmico.

Laminación en Caliente

A mayor temperatura, mayor maleabilidad. Este proceso se produce después de la colada continua. Si proviene de una laminación discontinua, se debe realizar un tren de desbaste, que puede ser de Blooming o de Slabbing, dependiendo de si está destinado a productos largos o planos.

Lo que se obtiene después es el palancón o la palanquilla. La denominación depende de las dimensiones:

• Palancón: 15-25 cm.
• Palanquilla: menos de 15 cm.

Del slabbing sale el planchón (e > 80 mm) y la planchilla (e < 80 mm).

Para los elementos estructurales se utilizan el palancón y la palanquilla, de los cuales salen los alambres de pretensado.

Si la colada es continua, después del palancón y la palanquilla se usa el tren de desbaste.

En el tren de productos se obtienen carriles, vigas de doble T, barras corrugadas y alambres (como los alambres de pretensado, que necesitan un segundo proceso).

¿Cómo se consiguen las barras corrugadas o accesibles?

1. Barras corrugadas: laminación en caliente.
2. Barras accesibles: laminación en caliente y trefilado del alambrón.

El Tren de Productos Largos (T.P.L.) es el que más nos interesa.

El Tren de Productos Planos (T.P. Planos) sirve para la formación de chapas (e > 6 mm) y flejes (e < 6 mm).

Laminación en Frío

Se realiza a temperaturas de entre 700ºC y 800ºC. A menor temperatura, menor maleabilidad y, en consecuencia, aumenta la fragilización.

Va dirigida a la obtención de elementos planos, reduciendo su espesor de 1,5-8 mm a 0,1-3 mm.

Primero se elimina la capa de óxido con HCl y H₂SO₄. Después, se eliminan los restos de ácidos con agua y se introduce en el tren de laminación en frío. Debido a la acritud, se suele dar un tratamiento térmico para eliminar tensiones.

No se usa para productos largos ni para elementos de hormigón armado o pretensado.

Trefilado: Proceso de Reducción de Sección

El trefilado consiste en hacer pasar un alambre de acero (alambrón), que ha pasado por laminación en caliente, por una boquilla troncocónica. De este modo, se reduce su sección, produciendo una elongación longitudinal y una forja transversal. Así se consigue un aumento del límite elástico y de la resistencia. Se buscan resistencias y módulos de elasticidad altos.

Para la conformación de alambres de pretensado se usa el alambrón, con un tratamiento térmico (patentado) y posteriormente el trefilado. De esta manera se obtiene el alambre que se usa para pretensado.

Tratamientos del Acero: Mejora de Propiedades

Recordatorio:

• Acero: Fe + C (0.05-2%) + Otros
• Fundición: Fe + C (2-5%) + Otros

Formas Alotrópicas del Hierro

• Ferrita: Hierro alfa y hierro beta. Se obtiene a una temperatura superior a 910ºC. Es el componente más blando y menos resistente, pero también el más dúctil, con una deformación en ruptura del 35%. La ferrita alfa es magnética.

• Austenita: Hierro gamma. Se obtiene a una temperatura entre 900ºC y 1400ºC (1390ºC). No aparece en el diagrama de equilibrio Fe-C a temperatura ambiente. Es raro que se vea a temperatura ambiente, pero si la velocidad de enfriamiento es rápida, se puede obtener. Es blanda, dúctil y muy tenaz. Es densa y resistente al desgaste.

• Hierro Delta

Aleaciones de Fe-C sin Tratamientos Térmicos

• Cementita (Fe₃C): Es el componente más duro, más resistente y más frágil (1% de deformación en ruptura). Es el que más contenido en carbono tiene.

• Perlita: Ferrita + cementita intercaladas. Sus características son intermedias, con una deformación en rotura de un 15%. Es más dura cuanto más rápido sea el enfriamiento.

Aleaciones de Fe-C con Tratamientos Térmicos

• Martensita: Austenita + templado. Es muy dura y muy resistente (aunque menos que la cementita), pero con elevada resistencia. De los constituyentes obtenidos por tratamientos térmicos, es el más duro y resistente. Tiene baja ductilidad. Se obtiene mediante templado. En realidad, si se observa con un microscopio, se aprecia su constitución en forma de agujas. Es una solución sólida de carbono en hierro alfa.

• Bainita: Austenita → Martensita + procedimiento isotermo. Necesita un tratamiento isotérmico. Se mantiene la temperatura durante un tiempo y luego se baja. Similar a la martensita, pero reduce su resistencia. Los tratamientos isotérmicos hacen que los materiales liberen tensiones, aumentando así su tenacidad.

• Ledeburita: Eutéctico con 4,3% de C.

• Troostita: Ferrita + cementita + tratamiento térmico. La velocidad de enfriamiento es menor que la de la martensita. Tiene propiedades inferiores en cuanto a dureza y resistencia, pero mayor durabilidad.

• Sorbita: Similar a la perlita, pero con láminas más finas. Un tratamiento térmico consiste en someter a un material a una determinada temperatura y luego enfriarlo según una ley determinada. La velocidad de enfriamiento de la sorbita es menor que la de la troostita. Es más blanda y un poco más resistente, con mayor deformación antes de rotura. También se la llama martensita revenida.

Tratamientos Térmicos: Fundamentos y Tipos

Los tratamientos térmicos consisten en someter al acero a una determinada temperatura, mantenerlo durante un tiempo y luego bajar esa temperatura a mayor o menor velocidad hasta la temperatura ambiente para modificar su microestructura y obtener los componentes deseados. Se utilizan las curvas TTT (Temperatura, Tiempo y Transformación) o curvas S.

Estas curvas se han utilizado desde la Edad Media.

Se modifica la microestructura, obteniendo componentes que no se producen sin estos tratamientos. Factores que influyen:

• Temperatura
• Tiempo al que está a esa temperatura
• Cómo se realiza el enfriamiento

Las transformaciones que sufre la austenita a una temperatura constante (transformaciones isotermas) se expresan en las curvas S.

Bain y Davenport estudiaron estas transformaciones: subían la temperatura hasta la austenización completa y luego la bajaban para observar cómo iban apareciendo los diferentes componentes.

Encontraron el lugar geométrico de los puntos A, donde empieza la transformación de la austenita en otro constituyente, y de los puntos B, donde toda la austenita se ha convertido en el nuevo componente, dando lugar a las curvas S.

Las curvas S dependen de la composición de carbono del acero, de la presencia de impurezas y del tamaño del grano. Todas estas dependencias hacen que la curva se desplace hacia la derecha.

Un desplazamiento hacia la derecha permite obtener componentes con un enfriamiento más lento.

Cuando, en vez de tratamientos isotermos, se mantiene constante la velocidad de enfriamiento, se producen pequeños cambios en los límites de formación de los elementos.

Tratamientos No Isotermos

1. Normalizado

Los aceros normalizados han pasado por este tratamiento. Pasos:

1. Se aumenta la temperatura hasta la austenización total.
2. Se enfría al aire libre, lo que implica un enfriamiento lento.

Se liberan tensiones internas. El producto final será blando y dúctil. Se aplica a aceros de construcción con un menor porcentaje de carbono.

2. Temple

Consiste en un enfriamiento rápido. La velocidad crítica (mínima para obtener 100% de martensita) es la tangente a la curva S.

Se obtiene martensita.

En los aceros hipereutectoides, no siempre interesa que la temperatura sea superior a la temperatura crítica, ya que por debajo se tiene austenita y cementita, y esta última aporta resistencia al material.

Es el segundo elemento más duro después de la cementita.

Se produce:

• Aumento de F_y: aumento del límite elástico.
• Aumento de la dureza.
• Aumento de F_t: aumento de la resistencia a tracción.
• Disminución de la tenacidad.
• Disminución de la tensión de rotura.

3. Recocido

El objetivo es ablandar el acero y eliminar tensiones residuales. Se suele realizar, por ejemplo, después de una laminación en frío.

Hay dos tipos en función de la temperatura:

• Temperatura > temperatura crítica: consigue el 100% de regeneración.
• Temperatura < temperatura crítica: no consigue el 100% de regeneración.

Hay tres tipos de recocido:

1. Recocido de Regeneración (Completa): La temperatura es mayor que la temperatura crítica, obteniendo perlita.
2. Recocido de Ablandamiento: La temperatura es menor o igual que la temperatura crítica.
3. Recocido contra Acritud: La temperatura es menor que la temperatura crítica y el enfriamiento se produce al aire libre.

4. Revenido

Tratamiento que se da después del temple para mejorar las propiedades del acero. Produce cambios en la austenita y la martensita según la temperatura:

• Martensita beta
• Troostita a 400ºC
• Bainita a 600ºC

Los tratamientos isotermos dan lugar a una uniformidad en toda la pieza. De esta manera, se reducen las tensiones internas y se evita la aparición de deformaciones desiguales y agrietamientos. Se realiza un control de la transformación y se ahorra tiempo.

Recorrido isotermo (perlita).

Austempering: Se obtiene bainita a 250-600ºC. Gran velocidad de enfriamiento.

Patenting o Patentado: Contra acritud. Normalmente isotermo, pero hay pocos datos sobre él.

Martempering: “Temple isotermo”.

Tratamientos Termoquímicos

Se pueden realizar tratamientos térmicos y químicos que consigan transformar la composición de la capa superficial.

Temple Superficial: Consigue templar la superficie, normalmente mediante calor (soplete), obteniendo una capa de poco espesor donde el acero está templado (mayor dureza y mayor resistencia), mientras que la capa interior mantiene sus características.

Cementación o Cianuración: Producen el mismo efecto, pero son distintos. Cambian la composición de la superficie aumentando la proporción de carbono. La cementación se puede hacer con carbono en estado líquido, sólido o gaseoso, y la cianuración con carbono y nitrógeno.

Nitruración: Enriquece con nitrógeno la superficie, aumentando así su dureza en la corteza. Se realiza mediante el contacto con amoníaco a una temperatura determinada.

4. Metalurgia Secundaria: Refinamiento del Acero

La metalurgia secundaria es un segundo afino al acero líquido para eliminar elementos perjudiciales y ajustar su composición química.

Objetivos

• Desgasificación: Eliminación de O, H y N. Las sopladuras son gases del acero que no se han eliminado y forman huecos.
• Desoxidación y desulfuración: Eliminan los elementos perjudiciales que puedan desequilibrar la composición.
• Eliminar inclusiones no metálicas que puedan quedar, procedentes de las impurezas del mineral.
• Añadir elementos químicos que mejoran las propiedades y ajustan la composición.

Procesos

• Trasvasar de una cuchara a otra, haciendo vacío, eliminando los posibles gases que haya.
• Insuflar un gas inerte (argón) por la base de la cuchara. A veces también se añade polvo desoxidante o desulfurante.

Impurezas

• Inclusiones de compuestos: Pueden producir heterogeneidades, que son faltas de continuidad donde se pueden producir fisuraciones.
• En solución sólida con hierro: Sobre todo con el fósforo, aumenta la fragilidad en frío.
• Formando aleaciones eutécticas: Aleación que funde a menor temperatura de todas las posibles. Por ejemplo, el sulfuro de hierro y manganeso. Es por esto que el azufre produce fragilidad en caliente.