Fabricación de Rodillos de Laminación

FABRICACIÓN DE RODILLOS DE LAMINACIÓN Que es el proceso de laminación. El proceso de laminación consiste en hacer pasar

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FABRICACIÓN DE RODILLOS DE LAMINACIÓN Que es el proceso de laminación. El proceso de laminación consiste en hacer pasar un material entre 2 cilindros (rodillos) que giran a la misma velocidad pero en sentido contrario, con el fin de conseguir una reducción en la sección de dicho material (Fig.1).

Fig.1.Esquema de laminación.

Que es un rodillo de laminación Los rodillos de laminación son las matrices o herramientas destinadas a reducir las secciones de metales plásticos, cambiando su forma o ambas cosas al mismo tiempo. Las propiedades de plasticidad del metal en algunos casos son incrementadas mediante el calentamiento del metal que va a ser deformado. Los rodillos de laminación son los elementos principales de los trenes de laminación, cuya misión es deformar plásticamente a compresión los materiales a laminar consiguiendo con ello una reducción de la sección de dichos productos. La forma general de esos cilindros de muestra en la figura 2.

Fig.2.Esquema de un cilindro de laminación.

Se denomina “tabla” a la parte central superficial del rodillo. Dicha zona es la que establece contacto con el material a laminar. A ambos lados extremos dela tabla e encuentran los cuellos, que se apoyan en los cojinetes, y a continuación de estos, las partes extremas del rodillo denominadas trefles, que sirven para conectar en ellas los acoplamientos y alargaderas para su accionamiento, que pueden presentar diferentes formas ( trébol, planas, cilíndricas…). Propiedades de los rodillos de laminación Mientras cumplen sus funciones, los cilindros están expuestos a variados esfuerzos de flexión, desgaste y dilatación por efecto de la temperatura, etc. Estas solicitaciones serán distintas según la función a cumplir y en algunos casos unas tomarán más importancia que las otras, factores que se deberán tener en cuenta en la fabricación del cilindro adecuado para cada trabajo. Los cilindros de laminación deben cumplir con condiciones especialmente rigurosas. Las propiedades más importantes son: -

Resistencia a la rotura. Resistencia al desgaste. Buen acabado superficial. Resistencia a la formación de grietas de calor. Resistencia a la formación de cascarilla (óxidos).

Tipos o clases de rodillos. Los rodillos de laminación se clasifican por el tipo de material y microestructura, como se muestra en la Tabla 1, la cual se divide en rodillos vaciados de acero y rodillos vaciados de fierro. El contenido de carbono en los rodillos vaciados de acero varía desde 0.40 a 2.50%, los rodillos

forjados pueden variar entre 0.50 y 1.50 %C y los aceros grafitados varían entre 1.50 y 2.50 %C. Los contenidos en los rodillos vaciados de hierro varían entre 2.50 y 3.60 %C. Aceros

Fundición Forjado Normalizado y revenido Templado y revenido Grafitados Hierro fundido Blanco (sin grafito) Granular o de temple indefinido (Algo de grafito) Gris (Hojuelas de grafito) Tratado (Inoculación) Nodular (Esferoidal, Dúctil) Compacto

Carburo (Carburo de tungsteno) Tabla.1: Clasificación de rodillos por el tipo de material y microestructura.(Según; Robert B. Corbett; Roll for the Metalworking Industries; Iron & Steel Society).

MÉTODOS DE FABRICACIÓN DE LOS RODILLOS DE LAMINACIÓN. Antiguamente, los rodillos de laminación se fabricaban de un único material, principalmente fundiciones o aceros. Actualmente, la mayoría de los rodillos fundidos utilizados en la laminación son de tipo compuesto, constituidos por un material exterior, mas aleado, que es el que soporta las mayores tensiones y esfuerzos, y otro interior al que simplemente se le exige una buena tenacidad y resistencia mecánica. Tradicionalmente se utilizaban dos métodos principales para la fabricación de los rodillos fundidos: la fundición estática con un solo material y la fundición centrifugada con dos materiales (horizontal y vertical). Además de estas, existen otras técnicas, algunas de las cuales se detallaran más adelante. 1. FABRICACIÓN DE RODILLOS SIMPLES. En función del tipo de material y de la dureza exigida al cilindro existen distintas formas de fabricación de los rodillos de laminación. Los rodillos blandos de fundición gris se cuelan en cajas de moldeo en contacto con la arena. Los rodillos semiduros se cuelan en moldes metálicos o coquillas de hierro que se recubren con una capa de arena de 15 mm de espesor aproximadamente (Fig.3). Debido a este recubrimiento el

hierro, que está solidificando, no toca la superficie metálica de la coquilla y, en consecuencia, no se enfría tan rápidamente. Los cuellos y las extremidades de los rodillos no se cuelan en coquillas sino en moldes de arena para asegurar una tenacidad suficiente.

Fig.3.Molde para colar rodillos de fundición con superficie semiendurecida. (Tselikov, 1965).

Los cilindros duros se cuelan en moldes metálicos, cuya superficie no está revestida (Fig.4). Tras la colada, el hierro líquido está en contacto con las paredes metálicas del molde y se enfría rápidamente, produciéndose una capa dura sobre la tabla completa del rodillo. La profundidad de esta capa depende del espesor de la coquilla y de la composición de la fundición.

Fig.4.Molde para colar rodillos de fundición con superficie endurecida. (Tselikov, 1965).

En los trenes laminadores de carriles y perfiles, debido a la profundidad de canales, la capa de trabajo debe ser relativamente profunda y al mismo tiempo poseer una gran dureza, distribuida uniformemente. Estos rodillos de fundición aleada se cuelan en coquillas con un revestimiento de 6 a 16 mm de espesor, dependiendo de la composición química del hierro. Los rodillos con canales, especialmente aquellos con canales profundas, se fabrican mejor realizando la colada en moldes de forma apropiada (Fig.5). Lo mismo que los rodillos fundidos en molde liso, la profundidad y dureza necesarias de la capa de trabajo se obtienen seleccionando la composición química del hierro y el espesor del revestimiento.

Fig.5.Molde para colar un rodillo con canales con superficie de trabajo endurecida. (Tselikov, 1965).

Por otro lado, los rodillos de acero para laminación en caliente se fabrican por moldeo seguido de forja y se emplean cuando la resistencia delos rodillos de hierro es insuficiente. En el caso de la laminación en frio, se emplean generalmente rodillos forjados de acero, pero se exigen aceros aleados, que aseguran una elevada dureza de la superficie de trabajo. Preparación de moldes para rodillos de acero Vaciado.

Existen dos tipos diferentes de rodillos de acero vaciado, la preparación del molde varía para cada uno de ellos. Si la pieza que se va a vaciar se trata de un rodillo con pases se utiliza una sola caja de moldeo (templadera) dividida en dos partes, el canal de alimentación se instala en una de las mitades dentro de la misma caja de moldeo, la tolva de alimentación se coloca en la parte superior fuera del molde (Fig. 6). En el contorno de los pases se colocan enfriadores de hierro sujetados con la arena apisonada. La unión de las dos mitades se asegura con grapas a presión. Si la pieza que se va a vaciar se trata de un rodillo plano se utilizan tres o más cajas de moldeo colocadas una sobre el otro completando la longitud del rodillo estando el alimentador fuera de las cajas de moldeo. En los dos casos con la ayuda del molde se forma el contorno del modelo apisonando la arena con martillos neumáticos, los cuales golpetean la arena hasta darle su forma compacta y dureza. El alimentador llega al molde por el fondo y en sentido tangencial al cuello inferior, ya que el molde se vacía estando en forma vertical. El lado motriz se coloca en el molde inferior para asegurar la homogeneidad adecuada debido a la presión ferrostática que se tiene en la parte

inferior del molde. En el contorno del cuello se colocan enfriadores para acelerar la solidificación del metal además de obtener mejores propiedades mecánicas (Fig.7). Las cajas de moldeo son de acero fundido, pudiendo ser también de acero estructural soldado, es recomendable vaciar acero de medio carbono dependiendo de las necesidades y recursos. Cuando se ha llevado a cabo la preparación del molde, éste es cerrado con grapas, con objeto de que no se vayan a separar las cajas con la presión ferrostática, después de selladas las uniones se aplica una capa de pintura a base de óxido de zirconio, para después proceder al secado. Para llevar a cabo este proceso se colocan las cajas de moldeo en el interior de un horno de secado en donde se eleva la temperatura a valores que varían de 425 a 315 °C; con esta temperatura se asegura la evaporación del agua la cual provocaría una explosión en el molde al recibir el metal en caso de que ésta existiera. Estos hornos de secado de moldes son diseñados según sus capacidades por operar; los quemadores son de aire-gas con sopladores, los cuales homogeneizan las temperaturas en todas las zonas de la cámara del horno. Una vez seco el molde se dispone en forma vertical en las fosas de vaciado hasta donde se lleva la plataforma de vaciado. Como operación adecuada se debe decir que en ocasiones es conveniente tapar el molde después de vaciar el rodillo con una capa de polvos exotérmicos o introducir pequeños electrodos de grafito alta pureza, prensados fuertemente y de alta conductividad térmica, los cuales concentran calor por radiación de los arcos y la resistencia de la carga manteniendo fundida la mazarota, evitando la contracción del exterior al cambiar de estado líquido a sólido. El uso de estos electrodos proporciona un mejor control en el enfriamiento del rodillo.

Fig.6.Preparación de moldes para rodillos de acero vaciado, con pases. (Según; Robert B. Corbett; Roll for the Metalworking Industries; Iron & Steel Socíety) (12).

Fig.7.Preparación de moldes para rodillos vaciados, sin pases. (Según; Robert B. Corbett; Roll for the Metalworking Industries; Iron & Steel Society) (12). Preparación de moldes para rodillos vaciados de hierro. El colado en moldes de metal se destina prácticamente a metales con temperatura de fusión baja y moderada. Las piezas que pueden colarse en moldes de metal son más fuertes, tienen mejor apariencia en la superficie, pueden mantenerse a tolerancias más estrechas, pueden hacerse con secciones más delgadas y requieren menos maquinado que los colados equivalentes en arena. En el proceso de fabricación de rodillos vaciados de hierro se utilizan moldes de arena y permanentes, los cuellos son fabricados en cajas de moldeo utilizando el procedimiento descrito en el moldeo de rodillos vaciados de acero. El cuerpo de los rodillos de hierro está compuesto por un molde permanente de acero fundido, el interior se maquina dejando acabado burdo para aplicar la capa de pintura a base de óxido de zirconio, la unión de las cajas moldeadas se realiza con grapas para asegurarse que no se abrirá con la presión ferrostática. La alimentación llega al molde por el fondo en sentido tangencial al cuello inferior, ya que el molde se vacía estando colocado en forma vertical. Los procesos de secado de molde y el vaciado del rodillo son los mismos descritos en la sección anterior.

Rodillos forjados. Uno de los procesos primarios más comunes en el trabajado de metales, y el más antiguo es el proceso de forja. Los metales se trabajan a presión en este proceso por dos razones: (1) para desarrollar formas deseadas y (2) para mejorar las propiedades físicas. El proceso de fabricación de rodillos forjados parte con el vaciado de metal líquido en un lingote, para después forjar en caliente. Es importante que el lingote se caliente de manera uniforme por completo a la temperatura apropiada para la forja. El calentamiento se hace en hornos, de tamaño adecuados a las necesidades específicas, generalmente son hornos revestidos con refractario. Los rodillos son preformados en forja de dado abierto, las operaciones se llevan a cabo en dados planos o dados que tienen una geometría muy simple como puede ser forma de V, semirredondos o semiovales. El proceso de forja puede trabajar metal comprimiendo su sección transversal y haciéndolo más largo, para ello requiere una prensa hidráulica vertical. En el forjado en prensa, la presión se sostiene en forma momentánea para penetrar plenamente el metal, los golpes deben de ser pesados para penetrar y amasar profundamente el metal, de manera uniforme y por completo. Los golpes ligeros afectan únicamente el metal cercano a la superficie. Con este proceso se preforma el rodillo lo más cercano posible a su geometría final. Para asegurar que no se obtuvieron defectos en el proceso de forjado, se máquina ligeramente el cuerpo para inspeccionar por ultrasonido y partículas magnéticas. 2. FABRICACIÓN DE RODILLOS COMPUESTOS. Con el fin de obtener mejores propiedades mecánicas (mayor dureza superficial y resistencia) y mayores periodos de vida delos rodillos de laminación, se desarrollaron los rodillos compuestos, es decir, rodillos formados por dos capas de distintos materiales. Para la capa exterior se elige un material (ya sea acero o fundición) más aleado, mientras que el nucleó del rodillo será un producto más convencional, ya que solo se le exige una cierta resistencia mecánica y tenacidad. Este tipo de rodillos con distinto material en el exterior que en el núcleo, se fabricó por primera vez en Alemania durante los años 60 (Haper). Existen varios métodos para la fabricación de este tipo de rodillos. El método dela colada centrifuga (horizontal o vertical) fue muy utilizado durante los últimos 30 años para producir rodillos para los trenes de bandas en caliente de laminación de acero. Además de esta técnica, también fueron investigadas otras como la doble colada, el proceso de colada continua del revestimiento (CPC; Continuos Pouring for Cladding), el revestimiento con el sistema ESR (ESR; Bmetal Electroslag Remelting), la presión isostática en caliente (HIP; Hot Isostatic Pressing), y la pulverización de acero líquido (Gaspard, 2000). Colada centrifuga. El método de la colada centrifugada, es uno delos procedimientos más eficaces a la hora de fabricar rodillos compuestos. Se utilizan un molde rotativo, en el que se cuela en primer lugar el caldo del material que va a formar la tabla del rodillo y, aprovechando la fuerza centrífuga, el

material se adapta a las paredes del molde solidificando en la forma deseada. Una vez solidificada la capa externa, se vierte un segundo caldo del material que va a formar el núcleo y los cuellos del cilindro y se deja solidificar ya estáticamente. Es necesario realizar un buen control de las condiciones del proceso en el momento de verter el segundo caldo, con el fin de lograr la fusión completa de la intercara capa-núcleo, evitando al mismo tiempo una mezcla excesiva de ambos productos, para asegurar la formación de una intercara delgada, sana y sin defectos. Desde su introducción a finales de los años 60, el método de la doble colada centrifuga sigue siendo el sistema de fabricación más competitivo para la producción de rodillos compuestos para los trenes de banda en caliente (Lowe, 1996). Se puede establecer una diferencia dentro del método de la colada centrifuga, en función dela posición longitudinal del eje del cilindro en el momento de la fabricación. Si esta es vertical, el proceso se conoce como colada centrifugada vertical, mientras que si por el contrario es idéntico en los dos casos, variando únicamente la posición longitudinal del eje del cilindro. El método de la colada centrifugada horizontal es menos utilizado que el vertical, porque es más fácil que se produzcan segregaciones al utilizar ciertas aleaciones. La figura 8 muestra un esquema del método de colada centrifugada horizontal (Takigawa, 1997).

Fig.8.Esquema proceso de doble colada centrifugada horizontal (Takigawa, 1997). Proceso de doble colada. En las últimas décadas se han producido numerosos adelantos en la tecnología de la fabricación de los cilindros de laminación con miras a satisfacer las exigencias de los usuarios con cilindros de excelente calidad. En este aspecto se han desarrollado técnicas tales como:  Doble colada para cilindro de fierro y acero fundido.  Tratamiento térmico diferencial para cilindros de acero fundido.  Tratamiento térmico diferencial para camisas de acero forjado.

 Endurecimiento progresivo por inducción para cilindros forjados.  Moldeo por rotación para cilindros de fierro fundido y camisas de acero fundido.  Procedimiento de electroescoria. La tecnología de doble colada es una de las que más se han desarrollado, ya que dos microestructuras son mejor que una. En el cilindro de doble colada se consigue una interior dúctil de núcleo resistente a la fatiga y una exterior con una superficie excepcionalmente resistente al desgaste con una microestructura diferente de la interior. La fabricación de estos tipos de cilindros se efectúa en moldes que tienen coquillas (molde de hierro) en todo el largo de la superficie de trabajo del cilindro (tabla). El resto del molde es de arena. En las figuras 9 y 10 se puede ver la forma del molde de colada y el procedimiento para la llamada "doble colada", que es el método utilizado para la fabricación de cilindros que tienen una capa superficial dura y resistente al desgaste (70/90 shore "C"). Mientras que el núcleo, los cuellos y tréboles son de material tenaz (40/50 shore "C"). Los moldes se colocan verticalmente en fosas de colada abiertas en el suelo del taller de fundición. El metal que se cuela primero por el bebedero es el resistente al desgaste, que desemboca por la parte inferior del molde hasta inmediatamente por encima del borde superior de la tabla del cilindro. El metal se solidifica rápidamente en contacto con las superficies frías de la coquilla, pero permanece en estado fluido en el núcleo y en los cuellos del cilindro (Fig. 9).

Figura 9.

Después de un cierto lapso se vierte en el molde el metal dúctil que ya ha sido elaborado previamente, que expulsa al primer metal y se mezcla. El metal resistente al desgaste sale por el orificio de rebose, por encima del cilindro. El primer metal (resistente al desgaste), que ya se ha solidificado junto a las coquillas, permanece sin moverse, en estado sólido (Fig. 10).

Figura 10. Proceso de colada continua del revestimiento (CPC). Este método fue desarrollado en Japón para la producción de los rodillos de acero rápido. El 6070% de dichos rodillos se fabrican actualmente por este método (Collins, 1996). En la figura 11 se ve el diseño general de una instalación de CPC. Es este proceso se utiliza un eje de acero macizo que ha de revestirse superficialmente. Se recalienta la superficie del eje con una bobina de inducción y se vierte el metal fundido entre el eje y el molde de cobre. Hay una segunda bobina de inducción que agita el metal y consigue la unión. A fin de realizar la unión, se funde una pequeña cantidad de material del eje. Es necesario controlar este proceso para evitar la contaminación de la camisa. Este factor también determina la rapidez con la cual se puede retirar el eje, es decir, la productividad del sistema CPC. Dicha productividad es relativamente baja (Collins, 1996). El proceso CPC permite sacar la máxima ventaja delas prestaciones dela aleación de la capa y es uno de los procesos principales para la fabricación rodillos para cajas acabadoras, las cuales han de asegura unas prestaciones excelentes (Hashimoto, 1996).

Fig.11.Diseño general de una instalación CPC (Collins, 1996). Revestimiento con el sistema ESR (ESR-Bimetal Electroslag Remelting) El proceso de revestimiento por ESR consiste en fundir un material de aporte mediante una escoria caliente, de manera que el metal fundido va solidificando continuamente entre un molde exterior refrigerado con agua y un cilindro de acero central. El calor es generado en la escoria utilizando el efecto Joule de una corriente alterna que fluye entre un electrodo (parte de arriba) y el metal solidificado (abajo). Esta escoria tiene también un propósito metalúrgico en el proceso. Las gotitas metálicas que pasan a través de la escoria son desulfuradas y las grandes inclusiones son fragmentadas. La tecnología ESR da lugar a aceros con pocas impurezas, y con una fina y homogénea microestructura. Durante el revestimiento, la escoria está rotando alrededor del eje. Esto aumenta la homogeneidad del proceso en términos de mapa térmico y composición química, reduciendo la segregación. Otra importante acción de la escoria es limpiar el eje antes de que el metal fundido entre en contacto con él, lo cual mejora las propiedades metalúrgicas de la zona de unión, figura 12 (Gaspard, 2000).

Fig.12.Esquema del proceso de revestimiento con el sistema ESR (Gaspard, 2000).

Presión isostática en caliente (HIP-Hot Isostatic Pressing). La pulvimetalurgia y se utilizaba para fabricar pequeños rodillos monobloque para aplicaciones concretas. Es posible fabricar rodillos compuestos mayores con esta tecnología. Este proceso consiste en compactar una masa de polvo sobre un eje de acero macizo, para formar una camisa exterior. Para ello se aplica al conjunto una alta temperatura y presión isostática. De esta forma, se consigue una unión excelente entre ambos materiales y el polvo que había en el recipiente se comprime hasta alcanzar aproximadamente el 70% de su volumen original, lo que produce un rodillo de alta integridad y también con una granulometría fina. El problema de este método es el tamaño de la pieza que se puede fabricar. No existe ninguna instalación HIP en el mundo que tenga capacidad para producir un cilindro de trabajo de TBC cuyas dimensiones típicas son, 780 mm de diámetro, 2 m de tabla y 5 m de longitud total. También es una operación muy costosa. Cualquier fabricante de rodillos que desee utilizar este método para producir sus cilindros tendría que construir la mayor instalación HIP del mundo sin ninguna seguridad de que las empresas siderúrgicas comprases este tipo de rodillo de manera continua (Hashimoto, 1996). Revestimiento pulverizado con el proceso Osprey. Con el sistema Osprey se impulsa un chorro del metal líquido pulverizado por una tobera. Las minúsculas gotas del líquido (parcialmente solidificadas) se depositan sobre un eje de acero macizo.

En un principio, con este método no se lograron resultados del todo satisfactorios puesto que los rodillos obtenidos presentaban cierta porosidad, más acusada en la intercara entre la camisa y el eje, que también aparecía, aunque de manera más fina, en el depósito pulverizado. Se recurrió entonces al proceso HIP o a la forja a fin de eliminar dicha porosidad, incurriendo en un coste mayor. Actualmente en el desarrollo del proceso Osprey se están consiguiendo progresos importantes hacia la eliminación de la porosidad. Ahora el sistema incluye una bobina de inducción para precalentar el eje (de manera parecida al sistema CPC) y un mayor control del proceso de pulverización. Babcock & Wilcox ha montado una maquina Osprey de un tamaño que le permite fabricar rodillos de trabajo para los TBC en E.E.U.U. L a figura 13 representa un esquema de la planta (Hashimoto, 1996) (Collins, 2000).

Fig.13.Esquema del proceso Osprey de la instalación B.& W. (Collins, 2000).

TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LOS RODILLOS DE LAMINACIÓN. Una vez los rodillos de laminación son extraídos del molde, deben ser sometidos a un tratamiento térmico, previamente a su puesta en servicio. El tratamiento térmico tiene por objeto mejorar las propiedades y características del acero, y consiste en calentar y mantener las piezas a temperaturas adecuadas durante cierto tiempo, enfilándolas después en condiciones convenientes. De esta forma se modifica su estructura del acero, se verifican transformaciones físicas. En todo tratamiento térmico hay que distinguir tres periodos fundamentales que son:

a) Velocidad de calentamiento. b) Permanencia a temperatura. c) Velocidad de enfriamiento.

Cuando ya ha sido expulsada la cantidad conveniente del primer metal, se taponea el orificio de rebose y se termina de llenar el molde, por su parte superior, con el segundo tipo de metal. La mayoría de los fabricantes de cilindros de doble colada han encontrado que los costos de fundición en la producción de estos cilindros son más elevados. Por esta razón, el precio de los cilindros de doble colada es más alto que el de los mismos cilindros elaborados por vaciado simple. Desde el punto de vista de la calidad, los cilindros de doble colada dan resultados de un rendimiento mejor, por lo menos en un 50%, que los cilindros del tipo convencional.