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.

2

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

3

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).

4

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.

6

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

8

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

11

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

12

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

13

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

14

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

38

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

39

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

40

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

41

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

42

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

43

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

44

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.

45

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.

46

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.

47

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