métodos de vaciado defectos

Mtodos de vaciado Procesos de conformado de materiales

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3.5. Generalidades

Todo el acero que se fabrica en la actualidad se obtiene, en la ltima fase de

fabricacin, en estado lquido. Antiguamente, el hierro se obtena en estado pastoso

y el acero se fabricaba por cementacin de barras de hierro.

A partir del ao 1740, en que Huntsman descubri la fabricacin de acero al crisol,

los aceros de herramientas se fabrican fundidos. Todos los dems aceros se

fabrican en estado lquido y se cuelan en forma de lingotes desde el descubrimiento

de Bessemer en el ao de 1856.

El acero fundido no pasa directamente del horno a las lingoteras, sino que junto con

una parte de la escoria va primero a la cuchara olla de colada. En ella, el acero

suele permanecer unos minutos, que son suficientes para que la escoria que sale

del horno mezclada con el acero pueda separarse por su menor densidad y flote

sobre el bao metlico. De esta forma, al cabo de un cierto tiempo, se puede colar

el acero por l fondo de la cuchara sin peligro de que se entremezclen ambos.

Ese tiempo de espera con el acero en la cuchara es tambin necesario cuando el

acero est demasiado caliente e interesa que descienda la temperatura la

temperatura para tener ms conveniente en el momento de colar el acero a las

lingoteras.

El acero que est en la cuchara se emplea para uno de los tres procesos siguientes:

1. Fabricacin de lingotes

2. Colada continua

3. Fundicin de piezas de acero moldeado

La mayor parte del acero se transforma en lingotes, al ser colado en unos moldes

de fundicin de seccin cuadrada, rectangular, hexagonal u ortogonal, que se

llaman lingoteras y que tienen forma apropiada para obtener acero de buena

calidad y facilitar su posterior forja o laminacin.

Para la colada continua y acero moldeado se dedican cantidades de acero mucho

menores que para la fabricacin de lingotes de acero, aunque en los ltimos aos la

colada continua ha adquirido una importancia verdaderamente extraordinaria.


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3.5.1. METODO TRADICIONAL.

El acero se vaca generalmente en cucharas, que son recipientes de acero y con un

revestimiento interiormente de ladrillos refractarios silicoaluminosos, provisto de un

orificio en el fondo con un tapn y accionado por una palanca. Su capacidad debe

ser algo mayor que la del horno, ya que adems el acero contiene escoria. Debe

evitarse que, por una mala maniobra o por exceso de carga en el horno, escape

algo de acero o de escoria durante la colada.

El tamao y forma de las cucharas y su manipulacin influyen en la calidad del

acero. Los ladrillos silicoaluminosos que constituyen el revestimiento deben ser de

elevado contenido en almina (36 a 42%) y de la mejor calidad posible para que

puedan resistir la accin del acero y el ataque de las escorias sin que experimenten

un gran desgaste Figura 79.

Figura 79. Olla o cuchara de colada

Antes de ser llenada por el lquido la cuchara debe ser calentada, para evitar el

deterioro del revestimiento que producira una brusca elevacin de temperatura. El

calentamiento se hace por medio de quemadores de gas natural.


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El metal permanece poco tiempo dentro de la cuchara unos minutos desde que sale

del horno, para dar tiempo a que se decante la escoria. Si se aaden desoxidantes

en la cuchara, el tiempo de permanencia es mayor. A continuacin se llenan las

lingoteras moldes preparados, abriendo el fondo de la cuchara, Figura 80.

Figura 80. Olla de colada directa

3.5.2. LINGOTERAS.

Las lingoteras son moldes de fusin en forma de tronco de pirmide y generalmente

de seccin cuadrada aunque las hay tambin en forma rectangular y octogonal.

Estas ltimas a veces tienen las paredes curvas para evitar grietas superficiales en

las de los lingotes, ver la siguiente Figura 81.


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Figura 81. Lingoteras a) de seccin cuadrada; b) de seccin rectangular

c) de seccin octagonal

Las piezas de metal o aleacin obtenidas o moldeadas en las lingoteras se

denominan lingotes y constituyen la forma comercial con que se vende el metal o

aleacin en bruto para la fabricacin posterior de productos o semiproductos, para

el moldeo de piezas en segunda fusin, es decir, por fundicin bien para

laminacin, forja, extrusin, etc.

El peso de los lingotes depende de la capacidad de los trenes de laminacin de la

factora, variando de 50 kg a 250 toneladas o ms.

3.5.3. COLADA EN LAS LINGOTERAS.

Las lingoteras que van ha ser vaciadas se alinean sobre una plataforma de

Ferrocarril o en el suelo de la nave o en una fosa. El llenado se hace por dos

procedimientos: Por colada directa y colada en sifn.

COLADA DIRECTA.

Tambin denominada colada en cada o descenso, y se efecta llenando las

lingoteras por su parte superior y rellenndose cuidadosamente cada una de ellas

por su parte superior. Siendo esta las ms usadas, segn la Figura 82.

(a) (b) (c)


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Figura 82. Vaciado de metal directo

COLADA EN SIFON.

Denominada tambin como colada en fuente. Se disponen las lingoteras unidas por

su parte inferior con conductos de tierra refractaria a una lingotera principal o

lingotera madre, recubierta interiormente de refractario. La colada se realiza por la

lingotera madre llenndose las dems lingoteras a travs de los conductos de abajo

hacia arriba.

Este procedimiento resulta muy caro, por la prdida del metal que tiene que

volverse a fundirse de la lingotera madre y los conductos, Figura 83.


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Figura 83. Olla de colada directa

La colada en sifn es utilizada generalmente en calidades ms corrientes, porque

tiene el inconveniente de que es relativamente fcil que el acero arrastre partculas

de refractario, arenas y arcillas que encuentra en su camino en los conductos de

material refractario. En cambio, colocando en sifn las superficies de los lingotes,

son ms limpias que colando a fondo, porque se evitan las salpicaduras y la subida

tumultuosa del acero en las lingoteras.


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Uno de los detalles que debe atenderse con ms cuidado y que ms influencia tiene

en la calidad del acero, es la temperatura de colada, cuya medicin se ha venido

haciendo durante muchos aos y sigue hacindose todava algunas veces, guiadas

por el calor o aspecto del acero y por la prctica de los maestros o encargadas del

taller. A partir de los aos 1935 a 1940, se utilizan los pirmetros pticos y luego, a

partir de 1950, son empleados en todas las aceras los pirmetros de inmersin,

que son de una gran precisin, Figura 84.

Figura 84. Traslado de metal por olla


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3.5.4. DIFERENTES CLASES DE ACEROS

Aceros calmados

Son aceros que al solidificar en las lingoteras, no desprenden gases ni chispas.

Debido a que tienen mazarotas en la parte superior Figura 85, ah se produce la

segregacin de la mayor parte de las impurezas y se forma el rechupe. Esa parte

del lingote (la mazarota) es de baja calidad y luego se corta y se enva a la cuchara.

La masa del lingote de acero queda sin sopladuras y con menos segregacin de

fsforo y azufre que la mazarota.

Figura 85. Principales tipos de lingotes de acero

Se fabrican de esta forma una parte muy importante de los aceros que se producen

en las fbricas siderrgicas. Se fabrican aceros calmados que suelen contener

0.25%C y parte de los aceros de contenido inferior a 0.25%. As se fabrican,

tambin los aceros aleados y todos los aceros los aceros de herramientas.

Todos los aceros de alta calidad se fabrican calmados. Al final del proceso de

fabricacin son desoxidados completamente con adiciones de ferromanganeso,

ferrosilicio y frecuentemente tambin con un poco de aluminio, que se aaden al

bao metlico en el horno o en la cuchara. En ocasiones, se aade tambin

silicomanganeso, silicocalcio, carburo de calcio y algunos otros desoxidantes menos

clsicos, segn sea la preferencia de los aceras. De esa forma, se consigue que el

porcentaje de oxgeno con que queda el acero al final del proceso de fabricacin,

antes de su solidificacin, sea muy bajo. As, se impide la efervescencia del metal y

la aparicin de porosidades en el cuerpo del lingote.


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Los aceros calmados suelen tener 0.60%Mn, 0.20%Si y 0.025%Al. En los lingotes

de acero calmado, hay necesidad de eliminar o cortar la mazarota de los lingotes,

porque en ella existe una gran parte oquedad llamada rechupe. La zona ms

impura, ya que contiene mayores porcentajes de fsforo y azufre que el resto del

lingote. Al cortar la mazarota se suele perder del 6 al 15% en peso del material.

Aceros efervescentes

Son aceros a los que no se les adiciona silicio como desoxidante. Durante su

solidificacin en las lingoteras, se produce una fuerte efervescencia y un gran

desprendimiento de chispas y gases. Se fabrican realizando una desoxidacin

incompleta y controlada por medio de la adicin de ferromanganeso. A estos aceros

se les suele aadir, en ocasiones, una pequea cantidad de aluminio a la cuchara o

a las lingoteras para regular ms exactamente su grado de desoxidacin.

Estos aceros suelen contener 0.35%Mn y nada de silicio, Figura 86. En su interior

tienen sopladuras importantes, que suelen contener CO, dispuestas adecuadamente

para que luego, en la laminacin, se obtenga un producto sin defectos. Siempre se

cuida que las sopladuras estn a ms de 10 mm de la superficie, para que el

oxgeno atmosfrico no penetre en ellas a travs de pequeas fisuras que se

puedan producir. En ese caso, se oxidaran sus superficies y luego al estar oxidadas

sus caras internas, no llegaran nunca a soldar, apareciendo finalmente en las

barras defectos o grietas superficies.

Figura 86. Aspecto de las secciones longitudinales de una serie de lingotes de acero del

mismo contenido aproximado de carbono (0.10%C). De izquierda a derecha tienen un

contenido en oxgeno creciente, desde el lingote de acero calmado (0.0080%oxgeno) hasta

el lingote de acero sobre -oxidado (0.00800%oxgeno)


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Aceros semicalmados

Son un grupo de aceros de 0.05% a 0.20%C, en los que el grado de oxidacin

alcanza un valor intermedio entre el correspondiente a los aceros calmados y el de

los aceros efervescentes. En general, los aceros semicalmados son difciles de

fabricar y son poco utilizados. Cuando se fabrican bien, tienen la ventaja de que el

rendimiento en perfil laminado es muy elevado, Figura 87.

Figura 87. Comparacin de lingotes de distintos tipos de aceros

3.5.5. SOLIDIFICACION DEL ACERO

Una vez vaciado el metal lquido en las lingoteras, como zona de ms rpido

enfriamiento es la del conducto del metal son las paredes de la lingotera, en esa

zona comienza la solidificacin y cristalizacin. Primero se forma una capa de

granos equiaxiales, pero heterogneos, orientados arbitrariamente, y cuyo tamao

depende de la velocidad de enfriamiento, A continuacin se inicia la formacin de

grandes granos columnares, que crecen perpendicularmente a las paredes del

molde. Aproximadamente entre dos y cuatro minutos despus de haber colado, el

metal al contraerse, se separa de la pared del molde para dejar espacio entre el

metal y la lingotera. Es importante para la recristalizacin del lingote, la

temperatura del metal al colar, de la que depende en gran parte el tamao de los

granos y la velocidad de vertido en la lingotera.


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DESMOLDEO

El acero se deja enfriar en las lingoteras de una a diez horas, segn el tamao del

lingote. A continuacin y con ayuda de un desmoldeador (stripper), se efecta el

desmoldeo levantando la lingotera y empujando el lingote con un pistn

desmoldeador, Figura 88.

Figura 88. Stripper (Desmoldeador)

3.5.5. DEFECTOS DE LOS LINGOTES.

Los principales defectos que presentan los lingotes se deben a las heterogeneidades

de su masa de carcter qumico, estructural y fsico.

HETEROGENEIDAD DE CARCTER QUIMICO. Se debe a la acumulacin de

algunos elementos en determinadas zonas del lingote. A estos defectos de

uniformidad de la composicin qumica se les conoce con el nombre de

segregaciones.

HETEROGENEIDAD DE CARCTER ESTRUCTURAL. Se debe a la diferente

velocidad de enfriamiento de la masa del metal segn las zonas del lingote, en las

que se producen cristales de distintas clases.


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HETEROGENEIDAD DE CARCTER FISICO. Este se produce por varios defectos,

de los cuales los ms principales son: Rechupes, Sopladuras, Grietas, Salpicaduras,

Rebabas y las Inclusiones.

a). Heterogeneidad Qumica Segregaciones.

Se denominan segregaciones, las desviaciones de la composicin qumica media

de los lingotes. Hay dos clases de segregaciones:

b). Segregacin dendrtica.

Es la diferencia de composicin qumica dentro de cada grano. Se debe

principalmente a las diferencias entre las temperaturas de solidificacin de los

componentes de la aleacin.

c). Segregacin principal.

Es la ms importante, est constituida por las diferencias de composicin qumica

entre las diversas zonas de los lingotes. Esta se produce, no solo por las

diferencias entre las temperaturas de solidificacin de los componentes de la

aleacin, sino tambin por la accin de agentes perturbadores de la

solidificacin, como el desprendimiento de gases que producen turbulencias en

la masa del metal y a veces por la accin de la gravedad sobre los elementos

ms pesados.

La segregacin se denomina normal o positiva, cuando las zonas superficiales del

lingote o pieza fundida estn enriquecidas de componentes de elevado punto de

fusin. Y segregacin inversa o negativa, cuando los componentes de ms

elevado punto de fusin estn en el centro y los de bajo punto de fusin en las

superficies. Figuras 89 y 90.

En los aceros al carbono tienen tendencia a segregarse los elementos que se

combinan qumicamente con el hierro, como el carbono, fsforo y azufre. En los

aceros aleados segregan, adems de los elementos citados, el cromo y el

molibdeno y en menor grado el nquel.


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Figura 89. Acero efervescente Figura 90. Acero calmado

La heterogeneidad qumica producida por las segregaciones se atena en la forja y

laminacin de los lingotes y an ms si se les somete a un recocido de

homogeneizacin.

Heterogeneidad estructural. La cristalizacin del lingote al enfriarse no es

uniforme, pudiendo distinguirse cuatro zonas bastante bien definidas, Figura 91.

1. Zona superficial. Est formada por cristales muy menudos, producidos por el

enfriamiento relativamente rpido del metal al contacto con las paredes fras de

las lingoteras. Su espesor es de un centmetro, aproximadamente para un

lingote de 4 toneladas.

2. Zona de dendritas orientadas. Est formada por cristales ms gruesos que los

anteriores alargados por ser de formacin dendrtica (arborescente), cuyos ejes

son normales a las paredes de la lingotera. El espesor de esta capa es de unos 4

cm. Para un lingote de 4 toneladas.

3. Zona central de cristalizacin globular. El metal en la zona central, se enfra

lentamente, tiempo a engrosarse los cristales que se distribuyen traccin del

metal, que se denomina rechupe.


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4. Zona de sedimentacin. En el fondo del lingote que es donde se acumula la

mayor cantidad de impurezas, la cristalizacin es muy confusa.

Figura 91. Heterogeneidad estructural de un lingote de acero calmado:

1) zona superficial; 2) zona de dendritas orientadas; 3) zona central de

cristalizacin globular; 4) zona de sedimentacin y 5) rechupe

Rechupes

Los rechupes son cavidades que se producen en el centro y parte superior del

lingote. La solidificacin empieza por la zona superficial y va aumentando de

espesor gradualmente a costa del metal que permanece lquido en el centro, y

como el volumen del metal slido es inferior al lquido, queda en el centro una

cavidad que se localiza en la parte superior del lingote en forma de cono. La

contraccin aproximada es de un 8 % del volumen del lingote. Las paredes del

rechupe estn y no se sueldan por forja o laminacin en caliente, debiendo a veces

desechar por su causa un tercio o ms del lingote. El rechupe puede eliminarse o

disminuirse por tres procedimientos:

a). Colando con la base grande del lingote arriba, Figura 92.


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Figura 92. Lingotera con mazarota

b). Disminuyendo la velocidad de enfriamiento del lingote por recalentamiento de su parte

superior por medio de arco elctrico, carbn o polvo aluminotrmico (Al + Fe2O3); por

calor de la parte superior del lingote o empleando mazarota, Figura 93.

Figura 93. Tipos de rechupes: A) lingote colado por su base pequea; B) lingote colado por su base grande; C) lingote colado con mazarota

La mazarota es un molde de seccin similar a la de parte superior del lingote,

Figura 94, y revestido de una gruesa pared refractaria que disminuye la velocidad

de enfriamiento del metal contenido en l y por tanto, el tamao del rechupe.


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Figura 94. Influencia de la forma de la solidificacin en el tamao del rechupe

c). Tambin puede disminuirse y aun suprimirse el rechupe comprimiendo el

lingote durante el enfriamiento con una prensa hidrulica con una presin de

600 a 2000 kg /centmetro cuadrado.

Sopladuras

Las sopladuras son pequeas cavidades producidas por los gases desprendidos en

el enfriamiento del lingote, que no pueden llegar a la superficie. Generalmente las

sopladuras contienen xido de carbono (CO) y anhdrido carbnico (CO2)

desprendidos en la reduccin por el carbono de los xidos de hierro y manganeso.

Las sopladuras tienen forma de ampolleta alargadas con los ejes perpendiculares a

las paredes de la lingotera. Las sopladuras de los aceros ordinarios se sueldan en

forja y laminacin en caliente; pero en general no se sueldan las de aceros

aleados.

El mejor procedimiento para eliminar las sopladuras es desoxidar bien el acero con

ferromanganeso, ferrosilicio o aluminio, para que al solidificarse no se desprenden

gases. El acero bien de oxidado se denomina acero calmado, Figura 95a.


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Figura 95. Sopladuras: a) Lingote de acero calmado sin sopladuras; b) Lingote de

acero semicalmado con sopladuras localizadas en la parte alta, ocupando el lugar del

rechupe; c) Lingote de acero efervescente con muchas sopladuras.

Si el proceso de desoxidacin ha sido incompleto, el acero obtenido se denomina

semicalmado y contendr sopladuras, Figura 95b.

Sin embargo, se emplean cantidades limitadas de desoxidante, con objeto de

obtener un acero que se denomina efervescente por la agitacin que producen en

su masa los gases que se desprenden al solidificarse.

El acero efervescente est caracterizado por la inclusin en su masa de numerosas

sopladuras, hasta el punto de que su volumen compensa la contraccin del lingote

y no se produce rechupe, por lo que no es preciso despuntarlo, Figura 95c.

El acero efervescente suelda bien con la forja y tiene cualidades muy apreciadas

para ser trabajado por embutido. Gracias a la pureza de su capa exterior, de bajo

contenido de carbono y libre de inclusiones, se obtiene despus del laminado una

superficie muy lisa, por lo que se utiliza mucho para la fabricacin de chapa de

carroceras, alambre, etc.

La fabricacin de aceros efervescentes es muy delicada y se hace partiendo de

aceros de menos de 0.20% de carbono y 0.60% de manganeso.

Grietas.

Se producen al solidificarse en los lingotes, dos tipos de clases de grietas: Grietas

superficiales y grietas internas. Las primeras se originan al final de la solidificacin,

por la desigualdad de enfriamiento de las diversas partes del lingote, Figura 96B.


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En la fabricacin de aceros aleados se localizan estas grietas con ensayos

magnticos, y despus se somete la superficie del lingote a un escarpado con

buriles neumticos o un torneado en tornos especiales para eliminar las zonas

afectadas por las grietas.

Se evitan las grietas superficiales disminuyendo la velocidad de enfriamiento,

aumentando el espesor de las paredes de la lingotera.

Las segundas se producen al final del enfriamiento y son debidas a tensiones

internas producidas por un reparto desigual de las temperaturas en la masa del

lingote, Figura 96A, B y C. Se localizan, en general, en las esquinas del lingote. Se

evitan bastante redondeado los ngulos de las lingoteras y colando a temperaturas

menos elevadas.

Figura 96. Grietas en los lingotes

Salpicaduras (gotas fras)

Se producen cuando se cuela directamente y salpican gotas de metal a las paredes

de la lingotera, que se solidifican y sueldan imperfectamente al cuerpo del lingote

cuando llega a su nivel el acero fundido.

Se evitan las gotas fras colando lentamente desde la menor altura posible y

llevando el chorro bien centrado, Figura 97 D y E.


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Figura 97. Salpicaduras de metal en el vaciado

Rebabas

Se producen tres clases de rebabas:

En la parte superior del lingote, por rebose del metal al llenar la lingotera, o por

desprendimiento de los gases.

En la parte inferior, si no ajusta la lingotera con la base. Y, por fin, si se utiliza

mazarota, pueden producirse rebabas entre ellas y la lingotera, Figura 98A, B, C.

Las rebabas son perjudiciales, pues adems de la prdida de metal que suponen,

impiden la libre contraccin del lingote y pueden producirse grietas.

Figura 98. Rebabas en los lingotes


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Inclusiones

Se encuentran tambin en la masa de los lingotes inclusiones de escorias, trozos de

revestimiento refractarios, xido y sulfuro de hierro, manganeso, etc.

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