Consideraciones esenciales para el laminado de alambrón en la producción de acero

El alambrón es un producto siderúrgico normalmente de sección transversal redonda que se produce mediante laminado en caliente de palanquillas de acero. Se caracteriza por los largos procesos posteriores a los que se somete en unidades de procesamiento secundario y terciario hasta obtener los productos finales, que en muchos casos se utilizan como partes vitales en diversos campos industriales.

Demandas de calidad y aplicaciones

En los últimos años, los desarrollos tecnológicos para la producción de alambrón han sido impulsados por la creciente demanda de calidad por parte de los usuarios para sus múltiples aplicaciones: producción de cordones de acero para neumáticos de automóvil (alambrón para cordón y alambre de talón recubiertos de latón/bronce), cables de alta resistencia, alambre galvanizado para puentes colgantes y carreteras, agujas de ferrocarril, alambre para muelles, torones de armadura, elementos de fijación, varillas de soldadura, varillas para armadura de hormigón pretensado (PC-wire), hilo de sierra para cortar obleas de silicio en la industria fotovoltaica, alambre para instrumentos musicales, etc.

Aspectos clave en el tren de laminado de alambrón

En un tren de laminado de alambrón (Fig. 1), para cumplir los requisitos de las unidades de procesamiento posterior, se han abordado diversos aspectos mediante la introducción de instalaciones de tratamiento térmico en línea, desarrollo de alambrón de pequeño diámetro, laminado controlado con el objetivo de omitir ciertos pasos de procesamiento secundario, mejora de la productividad y ahorro energético. Recientemente, debido a la competencia cada vez más intensa y con el fin de establecer una mayor competitividad en calidad de producto, aspectos como la mejora de la precisión dimensional y la calidad metalúrgica, así como la eficiencia de equipos y operaciones, se han vuelto muy importantes.

Palanquilla y preparación de la palanquilla

Inclusiones no metálicas

En la mayoría de los grados de alambrón, la presencia de inclusiones no metálicas es extremadamente perjudicial por la posible promoción de cavidades microscópicas o discontinuidades en la matriz metálica que pueden causar rotura del alambrón durante su laminado o procesamiento posterior. Estas inclusiones (principalmente óxidos, silicatos, sulfuros y nitruros) pueden originarse en distintas etapas de la producción del acero (aleación, desulfuración, desfosforación) o tener origen exógeno, por ejemplo, el desgaste por contacto directo del acero líquido con el revestimiento refractario. Además de la cantidad y distribución globales, los índices más importantes para determinar el peligro son su forma y deformabilidad. Los aluminatos son los más dañinos por su alto punto de fusión e indeformabilidad, mientras que los sulfuros de manganeso globulares (producidos mayormente durante la colada) se fragmentan fácilmente en hilos dúctiles finos durante el laminado y pueden deformarse aún más en el procesamiento posterior.

Composición química

La composición química es fundamental, ya que determina las propiedades mecánicas del alambrón y su idoneidad para una aplicación. Además, garantizar una variación estrecha de la composición dentro de una misma colada y entre coladas diferentes para un grado específico es esencial para asegurar la fiabilidad durante el laminado y procesamiento posterior. Se desea un bajo nivel de impurezas perjudiciales como fósforo y azufre, ya que pueden afectar profundamente la ductilidad durante las operaciones de estirado posteriores.

Control del nivel de segregación

El control de los niveles de segregación en la palanquilla inicial es uno de los aspectos más importantes para garantizar rendimientos fiables en el alambre final estirado. Para asegurar un nivel adecuado, la etapa de colada continua de la palanquilla es crucial para producir palanquillas con mínima presencia de cristal columnar y máxima incidencia de zonas con cristales equiaxiales. Cualquier segregación dendrítica puede llevar a la formación de bandas de segregación que persisten incluso tras laminado y estirado, limitando la fiabilidad. Además, incluso microsegregación en alambrón de alto carbono puede llevar a formación de estructuras martensíticas en la zona central, aumentando el riesgo de rotura.

Ductilidad

La ductilidad del alambrón y su comportamiento durante el estirado posterior dependen estrictamente del contenido de hidrógeno y nitrógeno. Por ello, es muy importante controlar estos elementos dentro de límites aceptables.

Tamaño y acondicionamiento de la palanquilla

La definición del tamaño de palanquilla más apropiado y la calidad superficial requerida es un tema muy debatido. El acondicionamiento es crucial porque representa el enlace entre las tecnologías de colada y laminado. Deben especificarse normas de inspección de calidad para definir si la palanquilla colada puede transferirse directamente al tren de laminado o si se requiere acondicionamiento para controlar el riesgo de rechazo. El objetivo de las líneas de acondicionamiento es asegurar un acabado superficial alto sin laps ni sangrados, control de la profundidad de descarburación, y minimizar el rechazo del producto final.

Recalentamiento de palanquillas

El control estricto del calentamiento es necesario para la calidad del alambrón. El horno de recalentamiento debe asegurar la calidad superficial de la palanquilla, uniformidad de temperatura, evitar remojo excesivo y evitar el aumento del tamaño de grano austenítico. La calidad superficial depende de la formación de cascarilla en el horno. Los grados de alto carbono son susceptibles a descarburación, que debe controlarse mediante el control de quemadores durante el calentamiento.

Uno de los aspectos más críticos para el recalentamiento de algunos grados (ej. cordón de neumático) es limitar la caída de temperatura cabeza-cola debido al tiempo de laminado. Al laminar diámetros pequeños, el tiempo necesario es mayor, incluso a máximas velocidades. Esto significa que la caída de temperatura cabeza-cola a la entrada del tren continuo es máxima para diámetros bajos (ej. 5 mm). Este problema puede limitarse con un control adecuado en el horno, ajustando el patrón de calentamiento en las distintas zonas para compensar parcialmente la pérdida natural de temperatura en la cola.

Equipamiento del tren de laminado

El equipamiento juega un papel fundamental. La optimización del tren, la flexibilidad operativa y la fiabilidad del proceso son claves. Para mejorar la calidad del producto terminado (tolerancias dimensionales, propiedades mecánicas y acabado superficial), se necesita un sistema de automatización fiable y dedicado. En trenes modernos se implementan diferentes sistemas de automatización para controlar espesor/sección, velocidad angular de los cilindros, tensión entre jaulas y temperaturas. Se han desarrollado procesos termomecánicos específicos y sistemas de control automatizados para mejorar propiedades tecnológicas, tolerancias y calidad superficial.

Descascarillador

Para alimentar el tren con palanquilla de calidad superficial adecuada, además del acondicionamiento y prácticas de recalentamiento, se necesita desecascarillar. Es un requisito muy importante. Debe asegurarse una superficie perfectamente limpia para evitar defectos superficiales irreversibles en las etapas posteriores (cascarilla laminada). La eliminación primaria de cascarilla se realiza a la salida del horno mediante desecascarillador de agua a alta presión en tiempos muy cortos (velocidades elevadas de palanquilla), para evitar sobreenfriamiento superficial perjudicial.

Jaulas de laminado y cizallas

Las jaulas representan el núcleo del proceso y su configuración debe ser adecuada para los parámetros tecnológicos: gama de grados de acero, tamaños laminados, productividad mínima/máxima, tiempo de laminado mínimo/máximo, velocidad de mordida requerida, configuración de cizallas requerida, instalaciones aguas arriba/abajo y disponibilidad de medios. Una configuración inadecuada puede afectar todo el proceso. En el entorno actual, para trenes de alambrón en general y especialmente para aquellos con capacidad de laminar aceros especiales, se necesita cada vez más flexibilidad en términos de grados de acero, estrategia de laminado y rapidez de cambio de tamaño. En trenes modernos no es inusual tener más de 250 cambios de tamaño en un tren multi-hilo. Reducir el tiempo de cambio y simplificar el diseño de pases es prioritario.

La cizalla tras el desecascarillador debe tener fuerza de corte, especialmente cuando se adopta laminado a baja temperatura. Las jaulas deben asegurar rigidez adecuada, con alta rigidez axial y radial, para soportar las altas cargas de laminado. Deben permitir cambio rápido y reducir el riesgo de dañar mangueras en caso de atasco.

Bloques de acabado y tren reductor-dimensionador

Los bloques necesitan diseño robusto y construcción pesada para soportar altas cargas y transmitir altos pares de laminado. Ciertos grados son muy sensibles a temperaturas de laminado inadecuadas forzadas por limitaciones de los bloques. Además, como la obtención de tolerancias dimensionales ajustadas es fundamental para diámetros grandes y pequeños, se necesita un tren reductor-dimensionador tras el bloque de laminado.

Además de los beneficios en costes operativos, eficiencia y rendimiento de material, y la aplicación del concepto «familia de pase único» (todos los productos se acaban en el tren reductor-dimensionador), las mejoras resultantes se reflejan principalmente en la calidad del alambrón: (i) tolerancias de tamaño ajustadas en valores absolutos y fiabilidad/repetibilidad a lo largo de la bobina y entre bobinas, (ii) diámetros pequeños a velocidades superiores, reduciendo tiempos puros de laminado y caída de temperatura cabeza-cola, (iii) grandes diámetros con mejor forma de cola de bobina, (iv) menor longitud de barra sin tratar (sin enfriamiento por agua), (v) calidad interna asegurada por reducción de área adecuada, (vi) tratamientos termomecánicos para control de tamaño de grano, (vii) reducción tecnológica en sección de rotura aumentada, (viii) perfil térmico más fácilmente controlado por secuencia multi-etapa de laminado y enfriamiento, evitando aumento excesivo de temperatura en bloques de acabado, (ix) menor dispersión de propiedades tecnológicas finales, (x) apariencia de cascarilla drásticamente mejorada por enfriamiento reducido tras la última secuencia, (xi) capa de descarburación más fina y uniforme en el perímetro para grados de alto carbono.

Cizallas de alta velocidad

Los trenes de alambrón suelen equiparse con cizallas de alta velocidad en varias ubicaciones. Diseñadas para recorte de cabeza y cola a las velocidades máximas del tren (hasta 130 m/s en trenes modernos para alambrón liso y para armadura templada/auto-revenida). Características avanzadas: (i) compacidad, (ii) diseño de porta-cuchillas de un solo par/accionamiento único que permite operaciones de recorte y troceado con el mismo par, (iii) sistema avanzado de bloqueo/centrado de cuchillas con cambio rápido, (iv) desviador de carrera corta accionado eléctricamente, (v) reducción de amplitud del ángulo de desviación (reduciendo fricción y desgaste en desviador y transportadores), (vi) ciclo de desviación más corto, mejorando sincronismo y eficiencia más allá de la velocidad de diseño, (vii) reducción significativa del ancho de cuchilla, (viii) porta-cuchillas más estrecho para mejor eficiencia, (ix) menor fricción en elementos guía con menor desgaste y menos ruido a máximas velocidades.

Inspección en línea

La práctica estándar es inspeccionar el alambrón en frío tras finalizar el laminado. Esta práctica ya no cumple los requisitos debido al aumento de velocidades y demandas de mayor calidad. Ha surgido la necesidad de nuevas técnicas de control de proceso y calidad durante la producción en el propio tren. La tendencia actual es realizar ensayos también en el producto caliente en el tren. La inspección en línea tiene dos ventajas: (i) identifica problemas de producción tempranamente para que los operarios intervengan antes de que se produzca más daño, y (ii) evita producir material defectuoso y evita gastar tiempo y energía en productos defectuosos en etapas posteriores. La inspección en línea se basa normalmente en corrientes de Foucault.

Cabezal formador de bucles (loop laying head)

Una tarea normal es asegurar un buen patrón de bobina y larga vida del tubo. Con el aumento de velocidades de laminado de acabado (durante laminado de tamaños pequeños), esta necesidad se vuelve más estricta, requiriendo nuevas soluciones tecnológicas y materiales alternativos.

Las velocidades muy altas (más de 100 m/s a 130 m/s) implican problemas de formación de cabezas y especialmente colas, si no se controlan adecuadamente por sistemas mecánicos y de automatización. Además, con estas velocidades, el centrado de bucles en el transportador de enfriamiento se vuelve más difícil, aspecto fundamental para algunos grados por la finalización de tratamientos termomecánicos.

La nueva generación de rotor de cabezal formador, además del conocido «cojinete de película de aceite» para soporte del rotor para operación sin vibraciones, tiene diseño avanzado estudiado mediante simulación cinético-dinámica 3D para estabilidad operativa y optimización de tasa de desgaste a altas velocidades. El nuevo diseño y elección de materiales para la forma progresivamente curvada del tubo dan al alambrón una trayectoria ideal, asegurando contacto constante con la pared interior a lo largo de todo el tubo y resultando en distribución uniforme del desgaste.

Sistema de transportador de enfriamiento controlado

Actualmente, uno de los más comunes en la práctica metalúrgica en trenes de alambrón es el sistema de transportador de enfriamiento controlado. La sección tecnológica de enfriamiento se denomina línea de enfriamiento agua-aire de dos etapas (Fig. 3). Tras salir de la jaula de acabado, el alambrón laminado se enfría primero con agua mediante dispositivos de boquillas especiales, y tras ser dispuesto en anillos de bobina por el cabezal formador en el transportador, por flujos de aire soplados por sopladores desde abajo hacia arriba sobre el transportador.

Para crear condiciones efectivas de enfriamiento del metal, las características de diseño del equipo se mejoran constantemente. Por ejemplo, en producción de alambrón de grados de carbono medio y alto, se usa una línea «corta» estándar; para aceros de bajo carbono aleados, incluyendo aceros complejos para soldadura, se necesita enfriamiento lento o retardado, para lo cual una línea «larga» predeterminada es más efectiva y universal.

Las características de diseño permiten implementar diversos regímenes de enfriamiento. El enfriamiento acelerado ocurre por suministro de aire al transportador mediante sopladores. Si las tasas de enfriamiento son al menos 15 °C/s, la microestructura consiste mayormente en perlita. La distribución uniforme de componentes estructurales en sección transversal de aceros perlíticos es particularmente importante cuando el alambrón se somete a alto grado de deformación plástica en frío en procesamiento posterior. La estructura perlítica es la más favorable para producir productos de alta resistencia trabajados en frío con alto grado de deformación.

En alambrón de alto carbono, el objetivo metalúrgico es obtener la mayor estructura perlítica irresoluble posible, minimizando perlita resoluble y estructura con cementita o ferrita libre. La presencia de ferrita proeutectoide determina reducción de ductilidad frente a microestructura totalmente perlítica, por mayor posibilidad de sitios de iniciación de grietas en la interfaz ferrita-perlita. Por ello, la cantidad de ferrita proeutectoide debe ser lo más limitada posible (1-2 %), para que las propiedades mecánicas se describan generalmente por una «relación de Hall-Petch» definiendo dependencia de la tracción respecto al espaciamiento interlamelar.

En la zona del tren, el núcleo de la producción es el control de temperatura del alambrón en el transportador. Aquí ocurren las transformaciones de fase del acero. Según tamaño y grado, los primeros 30-50 segundos de tratamiento en el transportador son de importancia estratégica para obtener las mejores propiedades tecnológicas.

El transportador, mediante selección adecuada del régimen de enfriamiento, permite producir todos los grados convencionales y grados especiales con modos alternativos. También optimiza el procesamiento de grados de carbono y aleados cuando se usa junto con el tren reductor-dimensionador para laminado a baja temperatura y enfriamiento controlado, produciendo una muy buena combinación de propiedades y control dimensional.

Facilita procesamiento en amplia gama de condiciones, incluyendo modos de enfriamiento rápido y lento en un solo sistema. Esto permite producir un amplio espectro de aceros al carbono, aleados, inoxidables y otros grados especiales. Resulta en propiedades mejoradas en estado laminado, permitiendo producir más grados en condición directamente usable, y reducir o eliminar procesos posteriores como recocido esferoidizante.

Tratamientos termomecánicos en línea

En los entornos actuales, los usuarios de alambrón son cada vez más exigentes en calidad global y, para aplicaciones específicas (ej. cordón de neumático), se necesitan rutas de proceso dedicadas para asegurar los rendimientos requeridos. La aplicación de tratamientos térmicos en línea ha modificado profundamente el enfoque de dimensionamiento del proceso para laminado de alambrón de aceros especiales. Combinan flexibilidad de proceso para aumentar el valor añadido del producto final, y alta productividad y rendimiento de material para minimizar costes de producción e impacto ambiental.

El tratamiento termomecánico en el tren refina el tamaño de grano final como resultado de recristalización dinámica. Combinado con enfriamiento final por agua en línea y el enfriamiento controlado superior en el transportador, juega un papel significativo en la determinación de propiedades finales. Es particularmente beneficioso para productos de aceros baja y medianamente aleados que se recocen esferoidizantemente en procesamiento posterior. La capacidad de controlar fuertemente el tamaño de grano también influye en la transformación posterior a productos duros como bainita y martensita al desplazar el tiempo y temperatura de inicio de transformación. Así, puede minimizar el trabajo en frío posterior directo y reducir tiempos de recocido.

La combinación de procesamiento en el transportador y bajas temperaturas de laminado permite reducir la templabilidad en algunos grados críticos. Esto promueve la formación de ferrita y retrasa la evolución a bainita y martensita. El tamaño de grano refinado mejora la difusión durante el tratamiento térmico y puede resultar en tiempos y temperaturas reducidos. Para barras que no se tratan térmicamente, las estructuras refinadas y complejas aumentan la captación de tracción durante la deformación en frío, produciendo ventajas: (i) menor resistencia a la tracción en estado laminado, (ii) mejor respuesta posterior, (iii) mayor capacidad de endurecimiento por trabajo. Las mejoras provienen del refinamiento de grano y control microestructural. El buen control del enfriamiento en el transportador combinado con la templabilidad reducida hace el proceso muy estable y reduce la posibilidad de formar fases duras no deseadas.

Sistema de control para propiedades tecnológicas y optimización de cascarilla

El control de la temperatura de laminado es clave para lograr cargas de deformación constantes, tolerancias dimensionales óptimas, características metalúrgicas elevadas, homogeneidad del producto mejorada y propiedades adecuadas de la cascarilla, tanto en calidad como cantidad.

En trenes de alambrón, el enfriamiento por agua se realiza en posiciones estratégicas para gestionar temperaturas de laminado y bobinado, permitiendo tiempo adecuado para el auto-revenido de la barra, asegurando diferencia mínima de temperatura entre superficie y núcleo a la entrada de los bloques. Para algunos grados, las condiciones óptimas se representan por lo que se llama rango de temperatura de «laminado normalizador», controlado finamente por sistema de lazo cerrado de temperatura que gestiona boquillas de enfriamiento por agua a alta presión.

Grados muy sensibles a cualquier control inadecuado de condiciones de laminado y bobinado pueden llevar a problemas sustanciales (afectando propiedades tecnológicas finales y operaciones de estirado posteriores, ej. densidad de colonias perlíticas) o meramente estéticos, como el aspecto «óxido rojo».

Se forman dos tipos de óxido de hierro durante la producción. Uno es la cascarilla primaria, formada en el horno de recalentamiento antes del laminado sobre la superficie de las palanquillas y eliminada en el desecascarillador. La otra es la cascarilla secundaria, formada durante el laminado y tras la disposición en el transportador. La estructura de la cascarilla secundaria se compone de tres capas: wüstita (FeO), magnetita (Fe₃O₄) y hematita (Fe₂O₃) de interior a exterior. Sin embargo, para algunos grados solo hay dos capas sustanciales por la baja cantidad de hematita. El espesor no es linealmente proporcional a temperatura y tiempo de oxidación: sobre 900 °C y especialmente en los primeros 20 segundos el crecimiento de FeO es rápido, luego más lineal, mientras el espesor de Fe₃O₄ permanece aproximadamente constante. Además, el engrosamiento tiene alta tasa a todas las temperaturas excepto cuando se alcanza 650 °C; tras este punto la velocidad de oxidación se ralentiza y el espesor permanece casi constante o crece muy lentamente. Por tanto, el espesor de la cascarilla secundaria depende mucho del modo de enfriamiento en el transportador.

Según necesidades de la industria de elementos de fijación, la calidad y cantidad de cascarilla es importante para controlar mediante tratamiento térmico adecuado. En el procesamiento posterior, se usa desecascarillado mecánico o químico. Para asegurar cascarilla de wüstita óptima y facilitar eliminación mecánica antes del estirado, temperaturas de bobinado altas (superiores a 900 °C) son adecuadas, mientras que temperaturas más bajas (alrededor de 850 °C) facilitan el desecascarillado químico, ya que se forma cascarilla fina y densa para reducir pérdida de metal y tiempo de decapado. En cualquier caso, las mejores propiedades tecnológicas globales de las dos etapas de enfriamiento (enfriamiento forzado por agua durante/tras laminado y enfriamiento acelerado en transportador) deben controlarse.

En años recientes, por razones de productividad, económicas y ambientales, los requisitos de alambrón apto para desecascarillado mecánico han aumentado, debido a tecnologías mejoradas para eliminación mecánica. Para algunas aplicaciones se requiere superficie perfectamente libre de cascarilla, por lo que se usa desecascarillado químico.

Manipulación de bobinas de alambrón

Dado que las bobinas se transportan normalmente sin embalaje, se ven afectadas por óxido. A veces se almacenan al aire libre antes del transporte, por lo que no es raro observar agua goteando de los paquetes durante el transporte. Es un producto de laminado en caliente sometido a procesamiento posterior para dirigirse a una amplia gama de usos finales: fabricación de clavos, alambre galvanizado para vallas (incluyendo alambre de espino), malla para carreteras, alambre para hormigón pretensado, por citar algunos.

Muchos envíos terminan destinados a estirado en frío. En este proceso, el alambre se fuerza a través de fileras que reducen su calibre y aumentan su longitud. Por ello, torceduras y muescas son inadmisibles, ya que al pasar por las fileras el alambre puede romperse. Incluso si no es para re-estirado, tales defectos son indeseables, ej. en fabricación de malla para carreteras, ya que imperfecciones aparecen en el producto final. La desintegración de paquetes durante el transporte, causada por mala estiba, aplastamiento y rotura de cinchas, debe evitarse ya que genera vueltas sueltas que se enredan, entrelazan y tuercen. Como resultado, partes de las bobinas pueden tener que cortarse y desecharse. Si no es la solución final, según el uso previsto, el enredo y torsión resulta en pérdida de tiempo en la línea de producción.

Cuando la bobina va embalada, indica que el alambrón va destinado a fabricación de naturaleza más delicada, ej. alambre para instrumentos musicales. Bobinas de alambrón de aceros especiales suelen protegerse de corrosión y tensiones mecánicas (rayado, abolladuras) y generalmente se proveen con embalaje multicapa usando protección anticorrosión (ej. papel aceitado o «inhibidor de corrosión por vapor») o papel y films plásticos recubiertos.

Las bobinas deben manipularse cuidadosamente por su sensibilidad a daño mecánico. El daño puede prevenirse con manipulación correcta y equipos adecuados (ej. travesaños, ganchos C, mandriles, eslingas de cinta, eslingas de cadena). Elevar o depositar con fuerza excesiva resulta en distorsión, perjudicial para procesamiento posterior, ya que las bobinas ya no pueden desenrollarse y procesarse correctamente.

Deben transportarse en vehículos o vagones con testera y paredes laterales (estacas) con resistencia y capacidad de carga suficientes. Materiales antideslizantes deben colocarse bajo la carga y entre capas. Huecos en la carga son a menudo inevitables por métodos de manipulación y características del vehículo (distribución de carga), por lo que la carga debe asegurarse según aceleraciones previstas mediante aseguramiento directo (ej. ajuste apretado, lashing de bucle) y/o por fricción (ej. lashing de sujeción).