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Avances recientes en cilindros de laminación
Article · October 2010
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Jorge Madias
Metallon
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actualización tecnológica
Tecnología:
Avances recientes
en cilindros de laminación
Por Jorge Madías*
En este trabajo se revisa el
estado actual de la tecnología
de producción y utilización de
los cilindros, con énfasis en
los aspectos de mayor interés
para la siderurgia, y los avances
producidos en los años recientes.
Introducción
En la producción de aceros laminados,
tanto planos como largos y tubos, se utilizan cilindros de laminación que pesan
desde algunos kilogramos hasta decenas de toneladas. Estos cilindros se producen con diversas tecnologías, en una
gran variedad de materiales, con una metalurgia compleja. Su función es importante no sólo desde el punto de vista de
la productividad sino también desde su
gran influencia sobre la calidad superficial y otros rasgos de los productos siderúrgicos. En algunos casos, la incidencia
en el costo de laminación es importante,
si se tiene en cuenta no sólo el precio de
los cilindros, más sus costos de compra,
almacenamiento y mantenimiento, sino
también las pérdidas ocasionadas por
las paradas para cambiarlos.
Entre los procesos cabe mencionar el colado estático, el colado centrifugado, la
doble colada, el forjado de lingotes, la refusión bajo electroescoria, los procesos
de cladding y el sinterizado.
Entre los materiales, se destacan las fundiciones de grafito laminar y nodular, de
baja aleación y al cromo, con carburos
mejorados, los aceros al cromo y los aceros semirrápidos y rápidos y el carburo
de tungsteno.
* Gerente de la empresa Metallon, Argentina.
42
Cilindros para laminación
en caliente de planos
Los trenes de laminación de chapa en
caliente convencionales tienen para la
operación de desbastado (sección inicial) una caja reversible o varias cajas
en continuo y para el terminado (sección
final) varias cajas en continuo. Los trenes
cuentan con cilindros de trabajo –que están en contacto directo y aplican las fuerzas sobre el material a laminar– y cilindros de respaldo, que proveen un soporte
rígido a los cilindros de trabajo para evitar su flexión bajo las cargas en juego en
la laminación. La discusión se centra en
los cilindros de trabajo, que son los que
se consumen más rápidamente y tienen
mayor incidencia en la productividad y la
calidad. Las exigencias de choque térmico y mecánico y de abrasión a que se ven
sometidos estos cilindros son diferentes
en la operación de desbastado, en las
primeras cajas terminadoras y en las últimas cajas terminadoras. Esto ha llevado
al predominio de diferentes materiales
en cada uso.
El proceso utilizado para estos cilindros
es el de centrifugado vertical u horizontal de la cáscara, con posterior armado
del molde con la cáscara en su interior
y colado estático del núcleo (Figura 1).
En Japón, en particular para la introduc-
ción de los cilindros de acero rápido, se
utilizó inicialmente el proceso de colado
continuo para revestimiento, o CPC (Continuous Pouring for Cladding) (Figura 2);
sin embargo, en la última década, por su
menor costo, está habiendo una tendencia hacia el colado centrifugado horizontal, según el primer método descrito [1].
Figura 1
Producción de cilindros con cáscara centrifugada
y núcleo colado en forma estática [2]
Centrifugado de la cáscara
El centrifugado con doble colada plantea
muchos desafíos [4] (Figura 3):
• los cilindros son piezas de gran tamaño y complejas; cuanto mayor es la
pieza, hay más probabilidad de que
hayan defectos internos;
• la cáscara y el núcleo tienen composición química, temperaturas de transformación y expansión térmica diferentes, con altas tensiones residuales
como consecuencia;
• las altas tensiones residuales y los defectos internos o en la transición entre
cáscara y núcleo pueden aumentar el
riesgo de fallas.
Los parámetros de proceso más importantes son la temperatura del núcleo líquido y la temperatura en el lado interno
de la cáscara. El núcleo líquido debe refundir la parte en contacto de la cáscara
solidificada. Si esto no es hecho adecuadamente, inclusiones de escoria u otras
partículas no metálicas pueden debilitar
la unión ente ambos. Se han desarrollado recientemente herramientas de
control no destructivo más sofisticadas,
tanto en la fabricación como en el uso de
los cilindros [1] y se ha modelado lo que
ocurre en la interface durante la operación para investigar fallas [5].
Figura 2
Producción de cilindros con cáscara colada alrededor
de un núcleo sólido (CPC) [3]
Material para el núcleo
Bobina inductora
Metal
líquido
Horno de fusión
Repartidor
Bobina inductora
Horno de colado
Molde refrigerado por agua
Material de la cáscara
Dirección de extracción
Debastadores y cajas
iniciales del terminador
En los desbastadores se han utilizado los
aceros de alto cromo y en las primeras
cajas del terminador la fundición de alto
cromo; la tendencia actual es su reemplazo por los cilindros de acero semirrápido o rápido, con mejor performance
[6]. Este reemplazo ha sido lento, ya que
el desarrollo inicial se realizó en Japón a
fines de los años ’80 y sólo en la última
década su uso se ha expandido [7].
La expansión ha sido mucho más rápida
en Japón que en Europa. El desarrollo comenzó en laminadores de barras. Luego
se intentó en las cajas finales de los terminadores de planos, con malos resultados. Mucho mejor fue la introducción en
las cajas iniciales, al punto que hoy en
Japón el 95% de los laminadores los utilizan allí. A mediados de la década del ’90
se introdujeron en los desbastadores [1].
Figura 3
Principios de los cilindros compuestos [4]
Cáscara
Unión
Núcleo
Cuello
Tabla
Simulación por elementos finitos del
campo de tensiones en rodillo de
trabajo ∅ 1.200 mm
Cáscara
Cuello
Unión
Núcleo
−σ
+σ
43
actualización tecnológica
Figura 4
Tipo de cilindro de trabajo en cajas F1-F3/4 de 26 laminadores
de chapa en caliente europeos, según datos del año 2010 [1]
En Europa, en cambio, a la fecha todavía
los cilindros de fundición de alto cromo
compiten con los cilindros de acero rápido en las cajas iniciales del terminador
(Figura 4).
19%
< 10% uso de cilindros de acero rápido
42%
> 50% uso de cilindros de acero rápido;
resto fudición de alto horno
39%
100% uso de cilindros de acero rápido
La utilización exitosa de cilindros de acero rápido depende de la superación de algunos problemas que se han encontrado
en su implementación [1]. Uno de ellos
es el hecho de que el coeficiente de fricción con la chapa es mayor, lo que implica la necesidad de una mayor fuerza de
laminación. Otros problemas que se han
relacionado con la introducción de estos
cilindros son:
• ocurrencia de óxidos laminados;
• deterioro inaceptable de la superficie;
• baja resistencia al agrietamiento y al
desprendimiento (spalling);
Figura 5
Aspecto de la zona superficial de cilindros de acero forjado al cromo
(izquierda) y de acero rápido inicial (derecha) luego de una campaña
normal [4]. Observación en microscopio electrónico de barrido
• baja calidad del rodillo (interface cascara-núcleo, segregación o porosidad
en la cáscara, altas tensiones residuales);
• vibraciones;
• problemas de control de perfil y planitud debido a la corona térmica.
Figura 6
Microestructura de la cáscara en tres materiales para cilindros de trabajo
de laminación en frío: arriba a la izquierda: acero al cromo forjado;
abajo a la izquierda: acero rápido centrifugado inicial,
con carburos aislados; derecha, acero rápido centrifugado final,
con trazas de carburos eutécticos [4]
Algunos de estos aspectos han sido
abordados por los fabricantes de cilindros. Por ejemplo, uno de ellos desarrolló un grado de acero rápido con menor
coeficiente de fricción y mejor tolerancia
al daño. En la Figura 5 se presenta el aspecto de la superficie de los cilindros de
alto cromo y del acero rápido que producía antes de ese desarrollo, luego de una
campaña normal.
El nuevo grado tenía trazas de carburos
eutécticos, que eran útiles para frenar el
desarrollo de las grietas y evitar porosidad de rechupe durante la solidificación
de la cáscara. En la Figura 6 se comparan las microestructuras de los tres materiales.
Existen en la literatura pública numerosos ejemplos de las mejoras en la performance de los cilindros con los cambios
de material. En la Figura 7 se presentan a
título de ejemplo los casos de un desbastador reversible y las cajas iniciales de un
terminador.
50
µm
Cajas terminadoras finales
50
µm
50
µm
44
En las últimas cajas terminadoras está
generalizado el uso de cilindros de temple indefinido (ICDP, Indefinite Chill Double Pouring) que mejoró su performance
con modificaciones en la composición
química que resultaron en la introducción en su estructura de carburos de
alta dureza (EC-ICDP, Enhanced Carbide).
Figura 7
Mejoras en la performance de cilindros con el cambio de material.
Derecha: caja desbastadora reversible; Izquierda: cajas iniciales de un terminador [4]
30.000
Debastador reversible - Ø1.250 x 2.050 mm
65.000
+25%
0
HiCr
CE HiCr
42.000
+15%
10.000
5.000
HSS-Cr
0
HSS-Mo
HiCr
CE HiCr
HSS-Cr
En la Figura 8 se presentan los distintos tipos de materiales utilizados en la
cáscara de los cilindros, sus diferentes
durezas y su contenido en carburos. Llama la atención que el contenido total en
carburos va disminuyendo drásticamente, en tanto que la dureza se incrementa,
aunque no en forma tan marcada. Obviamente, va cambiando el tipo de carburos.
1
2
Contenido de carburos (%), dureza de la tabla (ShC)
Los cilindros con carburos mejorados
son actualmente los que determinan la
duración de la campaña. Mejorar su performance es una tarea compleja. El uso
de carburos de mayor dureza y en mayor
cantidad que en los diseños actuales está
limitado por las condiciones reales vigentes en la mayor parte de los laminadores.
Hay desarrollos en curso para introducir
en las cajas terminadoras nuevos materiales. Por ejemplo, CSN y Villares Rolls
están ensayando actualmente en el laminador de Volta Redonda la denominada
tecnología Equalizer, procurando igualar
la vida de los cilindros en todas las cajas
del laminador [8].
hasta 10000
t/campaña
Figura 8
Evolución de los tipos de material para la cáscara de cilindros
de trabajo de laminadores de chapa en caliente [4]
Este desarrollo comenzó a mediados de
la década del ’90, con posterioridad al del
acero rápido, pero se impuso con mayor
rapidez [6].
En la etapa inicial del desarrollo, el foco
estaba en determinar la cantidad de carburos MC1 que se podía usar. Esto debía
ser realizado sin modificar sensiblemente el balance entre grafito y carburos y la
composición de la matriz. La introducción del nuevo material fue simple porque no exigió modificaciones en el proceso, como por ejemplo en la refrigeración
de los rodillos o en la lubricación [6]. La
performance superó a la de los cilindros
de temple indefinido tradicionales en el
15% al 20%, en promedio.
HSS-Mo
~5000
t/campaña
~2500
t/campaña
3.000
100
90
80 65/78
65/82 75/85 70/80 75/85
50
MC
ShC
70
60
80/90
M=(V, Nb)
SiC
WC
Al203
40/50
40
M2C
25/40
8/18
20
<5%
0
Temple
definido
ICDP
Fundición
de alto
Cr
Acero
de alto
Cr
M=(W, Mo)
M7C3 M=(Cr, Fe)
M23C6 (Cr, Fe)
5/15
10
2.000
M=(W, Mo, V)
M 6C
18/28
30
Dureza
10.000
30.000
30.000
15.000
Vickers
40.000
+85%
+45%
22.800
+40%
x 3,0
20.000
12.360
50.000
Performance (t/mm)
+63%
8.500
x 2,7
24.000
Laminado por campaña (t)
25.000
60.000
20.000
Cajas FO y F1 de laminador de 7 cajas - Ø740 x 1.800 mm
7.400
80.000
70.000
HSS
M3C (M=Fe)
1.000
Martensita
ULC
Perlita
Austenita
Ferrita
0
Cilindros para laminación
en frío de planos
Los laminadores de chapa en frío de gran
capacidad suelen ser varias cajas continuas de cuatro cilindros en alto. Para los
cilindros de trabajo se utilizan generalmente cilindros de acero forjado aleado
con cromo y sometidos a un cromado
superficial. El cromado fue desarrollado
inicialmente para los laminadores temper 2; luego se extendió a los laminadores
de reducción.
Hay requisitos contrapuestos en la selección de la temperatura de revenido de
estos cilindros, que obligan a la adopción
de una solución de compromiso, que
puede variar en función de las particularidades de cada laminador (Figura 9).
Como para otros tipos de laminadores,
también aquí han desembarcado los
aceros rápidos, aleados por ejemplo con
cromo, molibdeno, vanadio y tungsteno
(Cuadro 1). La temperatura de revenido de los cilindros es elevada (450°C a
550°C, en lugar de 150°C a 250°C). Esto
es posible por el alto pico de endurecimiento secundario que presentan estos
aceros (Figura 10). Dependiendo del tenor de vanadio, la dureza está entre 740
y 820 HV para este rango de temperatu-
Los carburos (C) se suelen denominar por la forma en que se combinan con los metales (M): MC, MC2, MC3, MC4).
También llamados laminadores de endurecimiento o acritud.
45
actualización tecnológica
Cuadro 1
Rango de composición química de aceros semirrápido y rápido
para cilindros de trabajo de laminadores de chapa en frío [9]
Elemento
Acero forjado al Cr
Acero rápido forjado
C (%)
0,75 a 1,5
0,8 a 1,5
Cr (%)
1a6
8 a 13
Mo (%)
0,1 a 0,6
0,5 a 3
V (%)
0,1 a 0,3
0,5 a 3
W (%)
0,1 a 0,2
0,2 a 2
ras. La alta temperatura de revenido es
favorable para la resistencia a incidentes
de laminación (problemas operativos
que pueden aparejar la salida de servicio
del cilindro). A su vez, la resistencia a la
abrasión aumenta por el contenido de
elementos de aleación.
No se requiere el cromado usual en los
cilindros de acero forjado. La limpieza de
la chapa no es un problema con los grados de bajo vanadio; con los grados de
alto vanadio, puede haber alguna formación de polvo que se adhiere a la chapa.
Los rodillos de acero rápido, en particular
los de alto vanadio en las cajas finales,
han requerido el desarrollo de nuevas
piedras para el rectificado.
Figura 9
Antagonismo entre la aplicación y las propiedades deseadas,
para los cilindros estándar de acero forjado al cromo [9]
En este caso el proceso de fabricación
es el de colado en lingote, eventualmente refusión bajo electroescoria y forjado
en un solo bloque, como los aceros al
cromo, pero también se han probado
variantes como el colado bajo electroescoria alrededor de un núcleo sólido (ESR
Cladding).
900
Mayor retención
de la dureza (abrasión)
Dureza - DPH
850
800
Cilindros para laminación
de chapa gruesa
750
700
Mayor resistencia a
incidentes de laminación
650
100
150
200
250
300
350
Temperatura de revenido (°C)
Figura 10
Dureza en función de la temperatura de revenido, para el acero estándar
con 5% Cr, dos variantes de acero semirrápido y acero rápido [10]
880
5% Cr estándar
860
5% Cr “s”
Semi HSS
840
En segundo lugar es clave minimizar los
problemas que ocurren durante la solidificación de los lingotes, tales como el
rechupe primario, el rechupe secundario, la segregación en V y en A, etc. Estos
problemas no se resuelven en los pasos
posteriores, ya que para lingotes de estos tamaños, la relación de reducción es
muy baja. Para predecir las situaciones
que pueden ocurrir durante la solidificación del lingote se utilizan herramientas
de modelado (Figura 11).
Semi HSS bajo V
820
HSS alto V
HV 30
800
780
760
740
720
700
680
660
100
150
200
250
300
350
°C
46
400
En este campo un desafío particular ha
sido planteado en forma reciente por la
construcción de varios laminadores de
este tipo, particularmente en China, con
rodillos cuyo diámetro de tabla es de
hasta 2,2 m y longitud de tabla de hasta 5 m. Estos rodillos se construyen basados en lingotes forjados de aceros al
cromo. Aquí los problemas planteados
son, en primer lugar, logísticos y también de proceso. Hay rodillos de 180 t de
peso terminado, lo que implica un peso
de colado de unas 300 t, lo que plantea
las consiguientes necesidades en lo que
hace a grúas, transporte interno y externo, moldes para el colado, hornos para
tratamiento térmico y máquinas herramientas [11].
450
500
550
En una planta en particular, para estos
casos se realizan tres coladas sucesivas
en un horno eléctrico de arco de 90 t,
que se afinan en un equipo de desgasificación en vacío con calentamiento por
arco. Se mantienen en calentamiento en
un horno cuchara; luego cuando están
las tres cucharas listas se realiza el colado en vacío. El lingote obtenido sufre
el corte de la mazarota (parte superior
que cumple la función de aportar metal
líquido para compensar la contracción
que ocurre durante la solidificación); se
somete a un precalentamiento y es forjado. Se le hacen ensayos primarios; se
realiza el desbastado inicial; luego pasa
por un normalizado al aire forzado y finalmente pasa por el mecanizado final
(Figura 12).
Figura 11
Modelado de solidificación de lingote. Izquierda: Predicción
de porosidad. Derecha: Porcentaje de fracción solidificada
para un tiempo determinado [11]
0,1000
0,0933
0,0867
0,0800
0,0733
0,0667
0,0600
0,0533
0,0467
0,0400
0,0333
La forja se realiza en una prensa de
10.000 t con un esquema que privilegia la
consolidación axial (Figura 13) [11].
0,0267
0,0200
0,0133
0,0067
0,0000
Figura 12
Ruta de proceso para la producción de grandes cilindros de trabajo en acero forjado
para laminadores de chapa gruesa [11]
Colado bajo
vacío
HEA 90 t
VAD
Precalentamiento
Forja
Tratamienrto térmico primario
Desbastado
Normalizado
Terminado
Cilindros para laminación
de productos largos
Esta sección trata de los cilindros, rodajas y anillos utilizados en la laminación
de barras, alambrón y perfiles livianos y
medianos. Las rodajas se utilizan en las
cajas en voladizo, y suelen producirse a
partir de un cilindro fundido, del cual se
cortan varias rodajas; a diferencia de los
cilindros, generalmente tienen tallado un
solo canal. Los anillos de material sinterizado se montan en cilindros.
Los cilindros y rodajas pueden ser de
fundición nodular perlítica o bainítica
y, en algunas aplicaciones, de temple
indefinido, temple definido3 o acero fundido. Por otra parte, sobre todo para los
3
Figura 13
Procedimiento de forja para cilindros de trabajo de laminadores
de chapa gruesa [11]
Lingote
Terminado
Las denominaciones «temple definido» y «temple indefinido» aluden al aspecto de la fractura, que depende del carbono en forma de grafito y de
carburo de hierro.
47
actualización tecnológica
Figura 14
Costo de manufactura y precio de venta de los cilindros,
en función de su peso [12]
5
Costo relativo
4
3
2
1
0,8
1
3
0,4
2
31
62
125
kg
1. Precio de venta
250 500
1000
1
2
4
8
16
Peso del cilindro
2. Costo de la materia prima
32
64
124
t
3. Costo total de manufactura
tramos terminadores, se utilizan los ya
mencionados anillos, básicamente carburo de tungsteno [12]. En el primer caso
hay muchos productores, sobre todo en
países emergentes; en el segundo caso,
la oferta está restringida a unos pocos
proveedores.
otras zonas, son Fundición San Cayetano
y Titania. Varias empresas latinoamericanas producen parcialmente sus propios
cilindros.
Los cilindros fundidos de acero rápido
ocupan un espacio superpuesto, compitiendo en los tramos terminadores con
otros materiales fundidos y con los mencionados anillos [13].
Es un campo que va siendo dejado de
lado por los grandes productores de cilindros de los países desarrollados, debido
a que los cilindros son de poco peso y los
márgenes son mayores para los cilindros
utilizados en la laminación de planos (Figura 14).
La necesidad de incrementar la capacidad de producción de las instalaciones
existentes, las demandas de calidad y
el desarrollo de nuevas calidades de
acero plantean nuevos desafíos a los
productores de cilindros. Éstos han respondido procurando mejorar procesos y
materiales. En muchos casos, el aprovechamiento de las mejores cualidades de
estos materiales hace necesario realizar
modificaciones en equipamientos relacionados y cambiar prácticas operativas.
Esto explica también por qué la investigación y el desarrollo se han concentrado
en los grandes cilindros y los avances en
los cilindros para productos largos han
sido menores.
Los avances han sido importantes en los
cilindros de mayor valor, en tanto que en
áreas que utilizan cilindros pequeños la
inversión en investigación y desarrollo ha
sido menor.
América Latina
Referencias
La contribución latinoamericana a los
avances tecnológicos en los rodillos es
interesante, tanto en lo que respecta a
los productores de cilindros como a los
usuarios y al apoyo técnico de universidades y centros de investigación. Hay
desarrollos, introducción de nuevos materiales y mejora continua [14-20].
Uno de los productores líderes en el
mundo, Villares Rolls, está localizado en
la región. Otros productores de América
Latina, que también exportan cilindros a
48
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Conclusiones
[1] Mario, S.; «HSS work rolls for hot mill finishing stands: Keys to success». AISTech 2010
Proceedings - Volume II pp. 279-292.
[2] Brandner, M.; van Kollenburg, R.J.W.M.; «Interpretation of UT and EC Results in Roll Testing». AISTech 2010 Proceedings - Volume II
pp. 771-779.
[3] Hashimoto, M.; «Continuous Pouring Process for Cladding (CPC process) of Rolls»,
in Rolls for the Metalworking Industry, Editor
Gene E. Lee, ISS 2002, pp.
[4] Ziehenberger, K.H.; Windhager, M.; «Stateof-the art work rolls for hot rolling flat products». CONAC 2007 - 3rd Steel Industry
Conference and Exposition, November 2007,
Monterrey, México, pp. 1-12.
[5] Liu, Y.; Fan, J.; Levick, M.; «Mechanical Study
for Reducing Shell-Core Bond Separation of
Duplex Cast Work Rolls for a Hot Strip Mill».
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[6] Andersson, M.; Finnström, R.; Nylén, T.; «Introduction of enhanced indefinite chill and
high speed steel rolls in European hot strip
mills». Ironmaking and Steelmaking 2004
Vol. 31 No. 5, pp. 383-387.
[7] Windhager, M.; Ziehenberger, K.H.; «High
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[8] Pereira Campbell, L.A.; Furtado de Azevedo,
S.J.; Guelli Gonçalves de Oliveira, D.; Farias
Nicodemos, L.J.; Bernardes, F.G.; Serantoni, C.R.; Rosso Santana Mendes, M.A.; Vilela Melo, M.; «Desempenho dos cilindros
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[9] Gaspard, C.; Vergne, C.; Batazzi, D.; Nylen,
T.; Bolt, P.H.; Mul, S.; Reuver, K.M.; «Implementation of in-service key parameters of
HSS work roll grade dedicated to advanced
cold rolling». AISTech 2010 Proceedings, pp.
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[10] Gaspard, C.; Bataille, S.; Batazzi, D.; Thonus,
P. «Current trends for cold rolling applications with HSS rolls». Iron & Steelmaker February 2003 pp. 29-33.
[11] Kearney, M.; Crabbe, M.; Talamantes-Silva,
J.; «Developments and manufacture of large
plate mill rolls». Ironmaking and Steelmaking 2007 Vol. 34 No. 5 pp. 380-383.
[12] Schröder, K.H.; «Are small rolls to be considered as commodities?». CONAC 2003,
Noviembre 2003, Monterrey, México.
[13] Rufino Xavier, R.; de Carvalho, M.A.; Cannizza, E.; White, T.H.; Rivaroli Jr., A.; Sinatora,
A.; «Development and application of high
speed steel rolls for long products». 45th
MWSP Conference Proceedings, Vol. XLI,
2003, pp. 113-121.
[14] Leite, M.V.; Braatz Krueger, W.; Teixeira
Cornélio, G.; Aparecido da Silva, R.L.; Santos Silva Junior, J.A.; Tatsuo Kawasaki, M.;
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barra e fio máquina». 46° Seminário de Laminação da ABM, Santos, Brasil, Novembro
2009.
[15] Ortiz, L.; Mestorino, E.; Acosta, R.; de la
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un laminador de barras». Congreso SAM/
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[18] Ramírez-Cuéllar, J.; LeDuc-Lezama, L.A.;
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tensões e deformações em cilindros de laminadores quádruos». 46° Seminário de Laminação da ABM, Santos, Brasil, Novembro
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[20] Hajduk, D.; Teixeira Cornelio, G.; Bernardes,
F.G.; «Computer modelling for better BUR
performance». 46° Seminário de Laminação
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