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LA COLADA CONTINUA EN MINIACERIAS
Álvarez Tohalino, VíctorIng. Químico, profesor principal de la Universidad Nacional de San Agustín. Arequipa.
Perú[email protected].
Mendoza Mora, RamónIng. Metalurgista, profesor auxiliar de la Universidad Nacional San Antonio Abad.
Cusco. Perú[email protected]
Flores Chávez, PedroIng. Metalurgista, jefe de planta Empresa Minera El Puma, Arequipa. Perú
Resúmen
La colada continua es una tecnología en la que el metal al estado líquido estransformado en una banda continua en estado sólido sin interrumpir el proceso. Suintroducción ha representado grandes ahorros en costo de capital y de operación. Estatecnología se ha beneficiado de los avances en automatización y materiales paraestablecerse y las mismas le permiten apuntar a posteriores desarrollos.
IntroducciónLas plantas siderúrgicas integradas antes de los años 50 del siglo XX producían lingotesde mas de 30 TM de peso con espesores de hasta 600 mm como primera etapa en lafabricación de planchas (productos planos) y lingotes de menores dimensiones (tochos ypalanquilla) como primera etapa en la fabricación de varillas y alambres (productoslargos). Después de la operación de lingoteamiento, los lingotes eran dejados a enfriar.
La siguiente etapa consistía en el calentamiento de los lingotes. Esta operación podíadurar varios días en el caso de los lingotes de más de 30 TM de peso. Una vez que ellingote alcanzaba la temperatura óptima para la laminación (por encima de 1200 oC)este era introducido a una serie de trenes de laminación alternados con hornos derecalentamiento con la finalidad de obtener productos del espesor o diámetrossolicitados.
La operación de mantener la temperatura del acero en proceso de laminación porencima de 1200 oC por medio de hornos de retención así como el costo de los trenes delaminación hacían de la laminación en caliente un proceso con altos consumos deenergía y elevados costos de producción. En muchos casos, los estados son propietariosde las plantas de laminación debido a los altos costos de inversión que implican suconstrucción y operación.
En los primeros años de la década de los 50 del siglo XX se introduce la coladacontinua de tochos y palanquilla. Posteriormente se introduce la colada continua deplanchones y bandas gruesas. La introducción de estas tecnologías significó un granavance en el proceso de laminación en caliente. Los enormes y costosos trenes delaminación desbastadores fueron suprimidos así como casi todas las etapas de hornosde recalentamiento y retención.
Pero mucho más importante que la reducción de costos y el aumento de laproductividad, la colada continua permitió el desarrollo del concepto de la miniacería(minimill). La miniacería es una instalación pequeña con capacidad de producción dehasta 2.5 millones de TM de acero al año que, a diferencia del enorme complejosiderúrgico integrado, se caracteriza por su gran flexibilidad para adaptarse a lasnecesidades del mercado.
La estructura de la miniacería le permite fabricar pedidos de tonelajes pequeños asícomo pedidos que exijan toda su capacidad. Está en capacidad variar lasespecificaciones de un lote de producción sin detener el proceso e introducir nuevasvariables inmediatamente. La miniacería puede operar con rentabilidad en tiempos derecesión produciendo tonelajes limitados, es capaz de suspender las operaciones en casode no haber órdenes de compra y arrancar nuevamente la producción inmediatamente, ysin sobrecostos, cuando las condiciones del mercado sean más favorables.
Desde su introducción, la colada continua ha sido mejorada notablemente gracias a laintroducción de las computadoras y los dispositivos de automatización. El objetivo desu desarrollo ha sido el de obtener productos cada vez con menores espesores. Losmetalurgistas que trabajan en el desarrollo de sistemas de colada continua pronosticanque en un futuro próximo será posible producir espesores delgados sin necesidad delaminación en caliente.
La Colada ContinuaLos sistemas de colada continua se clasifican según la estabilidad de las paredes delmolde o lingotera:
a) Molde o lingotera con paredes fijasb) Molde o lingotera con paredes móviles
Esta última se subdivide molde con solidificación en paredes planas y molde consolidificación en paredes cilíndricas.
La Figura 1 muestra los esquemas básicos de colada continua que se usan en lametalurgia ferrosa y no ferrosa. En la colada continua, el proceso se inicia vertiendometal líquido en un recipiente con paredes refractarias llamado tundish. De aquí el metales vertido al molde o lingotera donde tiene lugar la solidificación.
Figura 1: Esquemas básicos de la colada continua en la metalurgia.Cortesía La Recherche
El molde con paredes fijas (A) es el esquema adoptado de colada continua por laindustria del hierro y acero desde los años 1960-1970. La figura 2 ilustra el principio delmolde con paredes fijas concebido por la firma SMS (Alemania). El molde cumplefunciones de evacuador térmico, lingotera de solidificación y dispositivo para dar formay dimensiones a la banda solidificada.
Figura 2. Esquema de un molde de colada continua de paredes fijas diseñada porla firma SMS (Alemania). Cortesía La Recherche.
Como la solidificación es un proceso da liberación de calor, la capacidad del moldedepende de la cantidad de calor que pueda evacuar del metal líquido. Las paredes delmolde son hechas de cobre y refrigeradas por agua. El acero líquido (acier liquide) esintroducido al molde por un tubo refractario (tube réfractaire) por medio de un agujero(arrivée de l’acier) que se encuentra sumergido en el metal líquido.
La solidificación comienza con la formación de una costra en las zonas pegadas a lasparedes del molde. Para hacer circular la costra sólida, el molde tiene un movimientooscilatorio vertical de 5 a 20 mm de amplitud con una frecuencia de 50 a 500oscilaciones por minuto.
Para evitar que la costra solidificada se pegue en las paredes del molde, estas sonlubricadas con productos minerales fundidos especiales. Con la finalidad de impedir eldesgarro de la banda metálica por rozamiento con las paredes del molde, estos no debentener más de 1 m de longitud y las velocidades de colada deben ser bajas. Para la coladacontinua de planchas (150-300 mm de espesor) la velocidad de colada es de 1-2,5m/min. y para planchas delgadas (60-40 mm de espesor) la velocidad de colada es de 4-6 m/min.
Este sistema de colada continua permite la obtención de productos largos (Figuras 3 y4) en forma de barras, tochos y palanquilla en configuraciones de hasta 6 hileras deproducción al mismo tiempo.
Figura 3: Torre para cucharas de metal líquido y colada continua para 6 hileras enBGH Edehlstahl Siegen Gmbh (Alemania). Cortesía MPT International
Figura 4: Colada continua de tochos de 120 mm. Cortesía MPT International.
La colada continua de bandas de acero es realizada íntegramente por moldes conparedes fijas. La figura 5 nos muestra un esquema de colada continua de planchasdelgadas en dos hileras desarrollada por la firma italiana Danieli United. La evacuaciónde calor es auxiliada con sistemas especiales (air mist secondary cooling). Los sistemasde alimentación de metal líquido desde el tundish, la oscilación del molde, sistemas deenfriamiento y el sistema de reducción de espesor de la banda son controlados pordispositivos de automatización especiales.
Figura 5: Colada continua de planchas delgadas en dos hileras propuesta por DanieliUnited. Cortesia MPT International.
La colada continua en bandas (B, Figura 1) es una técnica ampliamente usada en lametalurgia no ferrosa desde hace más de 60 años. Sus características más notables sonlas altas velocidades de colada que se pueden alcanzar (hasta 100 m/min) y laeliminación de las fuerzas de rozamiento con el molde debido a que la corteza de metalsolidificado y la pared del molde se desplazan juntos.
No obstante, debido a que las temperaturas usuales del acero son de 500 a 1000 oCmayores a las usadas en la metalurgia no ferrosa, no es posible crear un espaciohermético, entre las bandas, que impida fugas de acero líquido. Por otro lado, las bandasson difíciles de enfriar y la presión que el acero líquido ejerce sobre estas no les permitelargos tiempos de servicio antes de rajarse. Las investigaciones están centradas endesarrollar un material para las bandas que permita la aplicación de esta tecnología a lasiderurgia.
La colada continua en bandas tiene variantes tales como la máquina de colada Properzi,la Southwire y la Hazelett las que son usadas para fabricar barras y varillas de cobre.
La colada continua en moldes de oruga (C, Fig 1) soluciona el problema de la presiónejercida por el acero líquido sobre las paredes del molde. La firma Investmetal (Austria)y la Montanuniversitat de Leoben (Austria) han desarrollado tecnologías de coladacontinua en este esquema a los que han denominado RTSC (Rapid Thick Strip Casting)y RBC (Rapid Billet Casting).
La colada continua RTSC (Figura 6) se caracteriza por alcanzar velocidades de coladade hasta 30 m/min. La banda de moldes en oruga (caterpillar mould) tiene una longitudde 2-3.5 m. El metal es vertido en los moldes por medio de una boquilla sumergida(submerged nozzle). Los moldes tienen sección transversal en forma de unparalelogramo ( mould cross section ). Los bordes del paralelogramo miden 20 mm y lasección gruesa mide 150 mm. Este diseño permite una rápida solidificación de losbordes.
Figura 6: Planta de colada continua RTSC con laminado en caliente. Cortesía MPTInternational
Después de salir del molde en oruga, el metal ingresa a una máquina deformadora(shaping machine) en donde la sección transversal en forma de paralelogramo del metales transformada a forma rectangular. Finalmente, para unir las costras solidificadas labanda de metal pasa por un equipo de soldadura por presión (pressure weldingequipment) de donde sale una banda solidificada de 18 mm de espesor.
La alta velocidad de colada permite que la banda sólida obtenida retenga una buenacantidad de calor tal que es posible que sea enviada directamente, sin recalentamiento, aun tren laminador desbastador de 4 rodillos (4-high mill stand) para ser transformadaen bobinas. Las bobinas se envían a un horno de retención para un posterior laminadoen caliente (hot rolling stands).
El proceso de colada continua RBC (Figura 7) se aplica en la fabricación de barras ypalanquilla, presenta aspectos similares al proceso RTSC y presenta configuración tantovertical como horizontal. Mientras que en la colada continua con moldes estacionarioslas velocidades de colada están en el rango de 1.5-5 m/min, el proceso RBC (RapidBillet Casting) alcanza velocidades de colada de 15 m/min.
La presión entre los moldes y el metal puede ser graduado mediante guías especiales(top and bottom guideway). En vez de operar con la práctica de producir varias hileras ala vez, en el proceso RBC es suficiente usar una sola hilera de producción. Esta formade trabajar evita dividir la hilera y esta puede ser enviada directamente al laminador devarillas y alambre o a la máquina para fabricar tubos
Figura 7: Máquina de colada continua RBC en configuración horizontal y vertical.Cortesía MPT International.
La colada continua de bandas entre cilindros (E, Figura1) es la configuración de coladacontinua más antigua. Fue propuesta por el metalurgista inglés Henry Bessemer en1890. En 1986 este concepto fue retomado pero con la finalidad de producir bandas conun espesor de 2-4 mm. Esto ha sido solo posible gracias a los siguientes factores:
a) Desarrollo de nuevas tecnologías de control y medición.b) Progresos en computación que ha permitido la manipulación de complejos
modelos matemáticos para flujo de calor.c) Desarrollo de rodillos enfriadores adecuados.d) Desarrollo de materiales cerámicos especiales.e) Sistemas de inertización y alimentación de metal líquido.
La figura 8 muestra el principio de la colada continua de bandas (strip) en rodillos. Elmetal es vertido por medio de una boquilla sumergida (submerged nozzle) en un pozo(liquid pool) formado por las superficies de los rodillos y las placas laterales (sideplates). Para asegurar una buena evacuación de calor los rodillos están cubiertos concobre.
Figura 8: Principio de la colada continua de bandas en rodillos. Cortesía MPTInternational.
Las firmas Usinor-Sacilor e Irsid (Francia) y Thyssen Stahl AG (Alemania) handesarrollado esta tecnología y la han denominado Proyecto Myosotis. Con numerososproblemas al principio, los factores arriba mencionados han permitido enfrentarlos, conéxito, en su mayor parte. El estado de esta tecnología ha permitido la construcción deuna planta semi-industrial en Isbergues, Ugine (Francia).
La colada continua de bandas en rodillos está siendo usada para producir bandas deaceros inoxidables y puede realizar coladas de hasta 92 TM. Los rodillos de colada sondiseñados para permitir la evacuación de grandes flujos de calor (8-10 MW/m2), teneruna rotación concéntrica exacta y para producir una banda con la geometría requerida.
Los rodillos tienen un revestimiento interno de níquel, la dureza y resistencia adhesivade este debe ser la suficiente como para permitir altas densidades de flujo de calor concargas térmicas cíclicas.
No obstante los progresos realizados, existen aspectos que deben ser optimizados talescomo la alimentación de acero líquido y las paredes laterales. Una distribución uniformedel acero líquido a lo largo de los rodillos es muy importante para evitar que losreducidos tiempos de solidificación afecten la continuidad de la operación y se evitenlas zonas vacias.
Las paredes laterales del pozo del metal líquido formado por los rodillos presentan altasexigencias al material cerámico particularmente en lo referente a las propiedadestermomecánicas, aislamiento térmico, resistencia química y friccional. La construccióny funcionamiento de las paredes laterales son aspectos en los que se trabaja para suoptimización. Por otro lado, se debe asegurar una hermeticidad que impida la fuga demetal líquido por las paredes laterales asi como asegurar una buena formación de losextremos de las bandas sin que esta dañe las paredes laterales.
La importancia del desarrollo de esta tecnología se puede apreciar en las Figuras 9 y10. La Figura 9 muestra las configuraciones convencionales de plantas de coladacontinua de bandas con sus trenes de laminado en caliente. La figura 10 muestra unaplanta de colada continua de bandas con rodillos. La longitud de la segunda es bastanteinferior a las primeras al mismo tiempo que se suprime casi toda la etapa de laminaciónen caliente.
Figura 9: Plantas de Colada continua y laminación de bandas convencionales.Cortesia MPT International
Figura 10: Sección longitudinal de la Planta Myosotis de colada continua de bandasEn Isbergues (Francia). Cortesia MPT International.
Las posibilidades que abre esta tecnología ha animado a otras empresas. Nippon SteelCorporation (Japón) desarrolla una planta para la fabricación de bandas de aceroinoxidable austenítico. BHP (Australia) trabaja en el concepto de la micro-planta paratratar chatarra conectada a una planta de colada continua de rodillos para aceros alcarbono.
La colada continua de bandas con un solo rodillo (F, Figura1) tambien es objeto deinvestigación. Este proceso se deriva directamente de las técnicas de solidificaciónrápidas usadas para producir cintas de metal amorfo. Esta tecnología está siendoconcebida para la producción de bandas metálicas con espesores menores a 2 mm.
Nota Final
La colada continua es una tecnología que los metalurgistas mejoran constantemente. Sudesarrollo va a proporcionar, en los próximos años, una alta flexibilidad a la industriasiderúrgica, que le va permitir enfrentar con éxito las épocas de recesión y a la vezatender pedidos de todo tipo de tonelaje.
Las nuevas tecnologías de colada continua junto con la aparición de procesossiderúrgicos que usan reductores distintos al coque van a proporcionar al aceroventajas comparativas y competitivas de costo y abastecimiento para que este sea elmaterial industrial primario por excelencia durante el siglo XXI y tal vez muchodespués.
Fuentes de Información
1) Birat , Jean Pierre; Les aciers en bandes minces . Pag 151-155. La Recherche240 . Fevrier 1992.
2) Revistas MPT International3) Boletines Técnicos de Voest Alpine Industrieanlagenbau (Austria)4) Informativo Técnico de Danieli United (Italia)5) Boletines Técnicos de Thyssen Stahl (Alemania)6) Boletines Técnicos de Nippon Steel
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