LAMINADO EN FRIO PROCESO DE PRODUCCION A continuación, continuación, se presentarán en términos generales, los principales procesos de producción utilizados en la actividad industrial LAMINACION DE ACERO EN FRIO, junto con los productos allí elaborados. Se incluyen los aspectos abajo citados para posibilitar el análisis ambiental propio de la actividad industrial mencionada con el objeto de plantear alternativas tecnológicas ambientalmente sanas.
Descripción Global Entradas al proceso Etapas y Equipos del Proceso Balance de Masa y Energía
DESCRIPCION GLOBAL DEL PROCESO
Se puede encontrar en esta sección información referente a los procesos y productos propios de la actividad industrial LAMINACION DE ACERO EN FRIO. El Proceso de Laminación en Frío consiste en tomar la Lámina de Acero obtenida en Caliente y reducirle su espesor a 2 mm o menos, proporcionándole mejores propiedades físicas y excelente acabado superficial que la hace utilizable en otras actividades industriales como son la Industria Automotriz, la Producción Producción de Electrodomésticos Electrodomésticos y la Construcción. Construcción. El proceso se inicia una vez la lámina obtenida en caliente ha sido desoxidada y aceitada, haciéndola pasar continuamente por unos tanques de agua que realizan la limpieza previa antes de llevarla a los tanques con HCl a una temperatura de 15° C y una concentración concentración aproximada de 15-18%, en donde se eliminan las capas de óxido que trae consigo la lámina, dejando la superficie limpia, pero con algunos residuos ácidos, los cuales se eliminan en cubas de enjuague con sprays de agua caliente. Adicionalmente, Adicionalmente, se cortan los bordes laterales laterales los cuales presentan presentan grietas y fallas en su uniformidad. uniformidad. Por último, previo al rebobinado, se aplica una fina capa de aceite para la protección del material ya decapado, durante el almacenamiento temporal, antes de seguir al proceso de laminación propiamente dicha. Una vez ha sido desoxidado y aceitado el acero laminado en caliente, pasa a un proceso de reducción de espesor en frío a temperatura ambiente; para lograrlo, el material se somete a una tensión longitudinal entre dos desbobinadoras, desbobinadoras, obligándolo a fluir a través del par de cilindros de laminación, que aplican una fuerza de compresión reduciendo el espesor y aumentando su longitud. Como resultado de la laminación en frío, la microestructura del acero se distorsiona volviéndose volviéndose muy frágil y dura. Por este motivo el material debe ser sometido a un proceso de tratamiento térmico denominado denominado recocido, el cual regenera la microestructura y restablece la ductilidad del acero. Una vez finalizado el recocido, es necesario devolver el material al Laminador, para darle a la bobina una pasada de acondicionamiento superficial, proceso llamado temple.
El acero laminado en frío recocido y templado, se traslada a las líneas de rebobinado, corte e inspección, donde el material procesado se corta o se rebobina de acuerdo a las especificaciones de peso y dimensiones exigidas por cada cliente. Durante la realización del proceso, es posible que sea necesario enderezar la lámina en cualquier etapa. Si esto sucede, la lámina se hace pasar a través de una serie de rodillos niveladores que la enderezan tirando de sus extremos entre dos mordazas para inducir un esfuerzo de tensión a través de todo el material. Parte de las bobinas laminadas en frío, son llevada al proceso de Galvanización mediante proceso continuo de inmersión en baño de Zinc fundido (HOT DIP). Este proceso de Galvanización entrega Acero Galvanizado en presentaciones de bobinas y láminas cortadas en las dimensiones solicitadas por los respectivos clientes. Luego de obtener la Lámina Galvanizada en bobinas, se destina el 4% del total para el proceso de pintura y el 35% para el proceso de formación. En el proceso de formación , la Lámina Galvanizada es sometida a corrugación y formación en máquinas formadoras, obteniendo teja de zinc ondulada, teja de zinc cubierta, teja de zinc canaleta, perfiles estructurales y flejes de acero galvanizado. En el proceso de pintura, la Lámina Galvanizada se hace pasar por una serie de etapas consecutivas que permiten la limpieza, preparación para la fijación de la pintura, sellado, aplicación y curado del primer, aplicación y curado de la pintura de acabado y por último el corte y despacho del producto obtenido en presentaciones de lámina, canaleta, cubierta o bobina según el cliente lo requiera. TECNOLOGIAS
Tecnología para la fabricación de acero, laminado en frío, decapado químico, recocido discontinuo por inmersión.
PRODUCTOS ELABORADOS
Los productos del Proceso de Laminación en Frío son láminas y bobinas de acero, cada una de las cuales provienen de las etapas de Laminación, Galvanizado y Pintura. En general, los productos obtenidos tienen un espesor entre 0.20 y 2.5 mm y un ancho de 1-1.5m.
Láminas y bobinas en frío. Son laminas lisas producto de las operaciones que realiza el tren laminador cuarto reversible y posterior recocido, templado. Utilizadas en la industria automotriz y electrodoméstica. Láminas y bobinas galvanizadas. Láminas y bobinas que han sido expuestas a un baño de zinc fundido en la etapa de galvanizado. Pueden obtenerse láminas lisas o corrugadas, dependiendo esto si el material se ha sometido o no al proceso de formación, se obtienen tejas de zinc onduladas, tejas de zinc cubierta, tejas de zinc canaleta. Usadas principalmente en la industria de la construcción, piezas pequeñas para carros y electrodomésticos.
Láminas y bobinas pintadas. Son láminas galvanizadas y pintadas con esmalte poliester libre de aceite. Pueden ser lisas o corrugadas de acuerdo al proceso final de formación.
ENTRADAS AL PROCESO
Las entradas al proceso se clasifican en
MATERIAS PRIMAS INSUMOS RECURSOS NATURALES
MATERIAS PRIMAS
Para realizar el proceso de Laminación en Frío se tiene como materia prima, las láminas bobinadas de acero laminado en caliente, que es producto de la laminación de planchones, información al respecto se encuentra en la Etapa de Laminación de Planchones y Descripción de Productos.
Las bobinas laminadas en caliente, por su proceso de producción traen una capa de óxido superficial que debe ser removida antes de iniciar el proceso. INSUMOS
Los insumos mostrados a continuación son los más utilizados tanto en el proceso de Laminación en Frío como en el de Galvanización por inmersión.
Emulsiones. Debido a que en este proceso el acero está frío, es difícil de trabajar para obtener grandes reducciones, por lo el laminado en frío requiere de una emulsión de aguaaceite que actúa como lubricante controlando la fricción entre los cilindros y la lámina, también sirve para enfriar los cilindros laminadores debido a las altas temperaturas generadas por el alargamiento del material; finalmente le da a la lámina un buen acabado. Las más utilizadas son de aceite de palma, aceite mineral o animal en concentraciones del 5 al 20%. Estas emulsiones actúan en circuito cerrado donde es recuperada nuevamente. Acido Clorhídrico. Utilizado para eliminar los óxidos de la superficie de la lámina en la etapa de decapado químico, mediante la inmersión del material en tanques con este ácido del 15 al 20% de concentración en volumen, a una temperatura de 80° C.
Detergentes. Utilizados en la limpieza de las láminas al iniciarse el proceso de galvanización en la etapa de desengrase, donde se eliminan la grasa y suciedad superficial . Inhibidores. Retardan el ataque del ácido al metal creando una capa protectora sobre él sin interferir en la eliminación de la cascarilla durante el decapado químico. Los más usados son sustancias coloidales como la gelatina, agar-agar y tanino. Químicos rompedores de emulsiones. Necesarios en el sistema de tratamiento de aguas de desecho que contienen aceites utilizados como lubricantes en el proceso de laminación. Permiten un tratamiento eficiente a estos desechos. Zinc. Se utiliza para recubrir la superficie del acero, mediante inmersión de este en un baño de zinc durante la etapa de galvanizado. Acido Crómico. Previene la corrosión del acero mediante tratamiento superficial por pasivado. Sales de Fosfato de Zinc. Permiten una mayor adhesión de la pintura a la lámina, este tratamiento químico es efectuado en la etapa de Fosfatado. Sales de Cromo. Cubren los poros dejados durante la etapa de fosfatado, este tratamiento se realiza en la etapa de Sellado. Pintura. Aplicada a la lámina para darle resistencia química a la corrosión, esta pintura es de base epóxica amarilla. Pintura de Acabado. Utilizada en el acabado final de la lámina, se emplea esmalte poliéster libre de aceite.
RECURSOS NATURALES
Los recursos naturales necesarios para la producción de la lámina en frío, son: recursos renovables como el agua y el aire y recursos no renovables como el gas natural. RECURSO NATURAL
Agua
USOS
En la generación de vapor. En la limpieza de la lámina en caliente que va a laminación en frío En la limpieza de la lámina en frío antes de la galvanización. En el enfriamiento de la lámina galvanizada. En el enfriamiento de cilindros.
Aire
Gas natural
En la campana de enfriamiento del horno de recocido en campana. En el enfriamiento de la lámina después de la Galvanización. En el secado de la lámina en proceso. Como combustible.
ETAPAS Y EQUIPOS DEL PROCESO
El Proceso de Laminación en Frío consta de las siguientes etapas:
Decapado Laminación Recocido Temple Corte e inspección Galvanizado Formación
Etapa de decapado. El proceso de decapado es la eliminación de las capas de óxido que traen consigo los productos laminados en caliente y es absolutamente necesaria antes de aplicar un recubrimiento de cualquier clase.
Generalmente el proceso de decapado se realiza por medios químicos, pero existen otras formas de realizarlo como son el decapado mecánico y el decapado electrolítico:
Decapado Químico: es el tratamiento del acero que se realiza sumergiendo la lámina en un baño ácido para quitar el óxido de la superficie metálica y producir un acero brillante reducido a metal puro y adecuado para las operaciones de acabado, como enchapado, galvanizado o recubrimiento. Se usan tanto el ácido sulfúrico como el clorhídrico, aunque este último está creciendo en popularidad porque se dispone de más ácido clorhídrico subproducto en la industria química. Decapado Mecánico: la limpieza de la superficie de las piezas puede realizarse con cepillos de alambre, que limpian bastante bien la cascarilla de óxido, aunque algunas veces esta se oculta pues queda brillante por el frotamiento del cepillo, lo que da apariencia de que el metal ha quedado completamente limpio. Decapado Electrolítico: el decapado electrolítico puede realizarse haciendo actuar los productos de acero como ánodos en una solución de ácido sulfúrico al 30% que contiene dicromato potásico. La densidad utilizada es de unos 10 amperios por dm 2.
El decapado químico se realiza generalmente, sumergiendo la pieza en cubas con ácido clorhídrico al 15 o 20% a 80° C, y algunas veces con ácido sulfúrico diluido al 10% a 80° C, durante un tiempo previamente determinado que puede variar según el material que se vaya a procesar y el tipo de ácido que se vaya a usar, ayudando alguna vez, aunque no es frecuente, a levantar la cascarilla raspando la superficie de la pieza. Para evitar que resulte excesivamente atacado el metal, se añaden a la solución del ácido, inhibidores que retardan el ataque del metal sin interferir la eliminación de la cascarilla. Se emplean como inhibidores sustancias coloidales como la gelatina, agar-agar y tanino. Sin embargo, se suelen emplear corrientemente inhibidores más complejos, como el di-orto-tolil-tiourea o el dihidro-diorto-toloudina. La eficacia de los inhibidores disminuye a medida que se eleva la temperatura. El limpiado ácido puede hacerse en forma intermitente o continua. Conforme va trabajando el ácido sobre la superficie del óxido, hay un aumento gradual de la concentración de hierro en la solución limpiadora y una disminución de ácido. Cuando el contenido de hierro alcanza un nivel tal que frena la operación de limpiado, el baño puede tirarse o puede ser reprocesado. Especificaciones básicas del equipo de decapado
Proceso
Línea semicontinua de empuje con cuba plana y sistemas de aspersión
Longitud total
130 m
Longitud cubas de desengrase
9m
Longitud cubas de decapado
36 m
Longitud cubas de Enjuague
16 m
Velocidad máxima del proceso
90 m/min
Espesores de entrada
2-6 mm
Ancho máximo
1250 mm
Peso máximo de bobinas
25 T/M
Capacidad de producción inicial
280.000 T/M año
Capacidad de producción final
500.000 T/M año
Etapa de Laminación. El proceso de laminación consiste en deformar los metales, haciéndolos pasar entre dos cilindros que giran en sentido inverso, de tal manera que se produce por esta acción un alargamiento en el sentido longitudinal y un ensanchamiento de la sección transversal del mismo; el estirado del metal es producido por las fuerzas de fricción existentes entre los cilindros y el metal que se está laminando.
Partiendo de bobinas de lámina obtenida en caliente de 1.25 a 5 mm, se obtienen espesores hasta de 0.40 mm en trenes de laminación continua en frío de tres cajas y hasta de 0.20 mm en trenes de cinco cajas.
Para controlar la fricción entre los cilindros y la lámina y las altas temperaturas generadas por el alargamiento del material se utilizan emulsiones refrigerantes de aceite de palma o una emulsión del 5 al 25% de aceite mineral o animal en circuito cerrado, que es recuperado posteriormente. Equipos de Laminación en Frío
En el proceso de Laminación en Frío se usan generalmente cajas de laminación reversibles y algunas veces trenes continuos, aunque en menor proporción. Los trenes continuos para laminación en frío están compuestos de tres a cinco cajas de cuatro cilindros cada una, dos de pequeño diámetro que son los de reducción de espesor y otros dos de gran diámetro que sirven de apoyo a los anteriores. Los cilindros de trabajo o de reducción están hechos de acero forjado y los cilindros de apoyo de acero moldeado. La Caja de Laminación Reversible usada generalmente es un Laminador Cuarto Reversible (four high) que está compuesto por un bastidor único y un juego de dos cilindros de apoyo y dos de reducción. Su característica principal consiste en someter el material a un determinado número de pasadas en un proceso reversible para obtener los espesores finales. Los cilindros de apoyo y de reducción deben ser rectificados permanentemente para garantizar la calidad superficial de la lámina. Para realizar esta rectificación se utiliza una máquina rectificadora de cilindros con ruedas abrasivas, equipada con control numérico y detectores de grietas superficiales. Especificaciones básicas del laminador
Laminador Cuarto Reversible
Dos cilindros de apoyo y dos de trabajo
Capacidad reducción
de
producción
en 250.000T/M
Capacidad temple
de
producción
en 100.000 T/M año
Potencia en el bastidor
3.600 KW
Potencia en las desbobinadoras
1.800 KW c/uno
Espesores de Salida
0.2-2.0 mm
Velocidad máxima del proceso
900 m/min
Etapa de Recocido. El proceso de laminación en frío distorsiona la microestructura del acero haciéndola muy frágil y dura, de manera que el material se debe someter a un tratamiento térmico de recocido que la regenere y restablezca la ductilidad del acero para hacerlo trabajable en las siguientes etapas.
El proceso de recocido puede realizarse en hornos en continuo o en hornos de campana o en hornos de cámara abierta que se diferencian en la temperatura máxima a que debe calentarse el acero y en las condiciones o velocidades de enfriamiento del proceso. El material entra a estos hornos a temperatura ambiente y es calentado lentamente aproximadamente a 700-750° C. Hornos de campana. Los hornos de campana usados generalmente en el recocido de la Lámina en Frío son hornos que están compuestos de una base sobre la que se coloca el material, una cubierta metálica de protección y otra cubierta móvil o campana, provista de los elementos calefactores que cubre todo el conjunto. El cierre de esta cubierta con la base es hermético pues el recocido debe hacerse en atmósfera controlada, introduciendo un gas inerte como el hidrógeno en la campana por un dispositivo adecuado que generalmente traen estos hornos. El calentamiento puede hacerse por medio de tubos radiantes colocados en la pared interior de la campana o por fuego directo de quemadores situados sobre la base.
Específicamente en esta etapa de recocido en campana se utilizan bases de recocido de alta convección térmica. Los rollos de acero se apilan con el eje vertical sobre esta base y se confinan en una atmósfera reductora con un contenido 100% hidrógeno dentro de una campana protectora con sellado hermético. Posteriormente se coloca una campana de calentamiento a gas durante aproximadamente 17 horas; una vez se ha cumplido el tiempo necesario sosteniendo la temperatura de recocido (650-700° C) se retira la campana de calentamiento y se coloca la de enfriamiento por aire y agua durante un período aproximado de 17 horas. Terminado el ciclo de enfriamiento, se retiran las campanas de enfriamiento y de protección y se trasladan los rollos de acero ya recocidos a la línea de laminación para realizar un acondicionamiento superficial. Especificaciones básicas de los hornos de recocido en campana
Número de bases de alta 6 convección térmica Número de campanas de 6 protección Número de campanas de 3 enfriamiento Capacidad de producción 120.000 T/M año Capacidad máxima de 105 T/M cada base Altura máxima de carga 5.4 m Gas protector
Hidrógeno
Gas de seguridad
Nitrógeno
Diámetro bobina
máximo
de 1.800mm
Velocidad calentamiento
de 20-200° ° C/h
Temperatura de recocido 650-700° ° C Tiempo mantenimiento
de 2-20h
Quemadores de llama ________ plana con bajo NOx Hornos continuos. El recocido continuo se utiliza de forma industrial desde fechas muy recientes y se aplica generalmente en combinación con la colada continua.
Los hornos en continuo se colocan al final de la última caja de laminación, antes de la sección de bobinado o corte de hojas. El recocido se efectúa de una manera continua al pasar la banda por el horno, siendo éste de la longitud y temperatura adecuada para que a la velocidad normal del avance de la banda por el tren de laminación se realice el recocido. En realidad, la banda atraviesa tres zonas en su paso por el horno:
Zona de precalentamiento donde se eleva la temperatura de la banda hasta 400° C en atmósfera oxidante. Zona de recocido a temperaturas de 850° C a 950° C en atmósfera ligeramente reductora para reducir el óxido formado en la primera zona. Zona de enfriamiento hasta la temperatura ambiente. En general, el calor desprendido por la lámina en esta última zona se aprovecha y recupera para precalentarla en la primera zona.
Desde el punto de vista metalúrgico, se pueden aprovechar ventajas del propio proceso de recocido continuo, como son un menor tamaño de grano y una distribución fina de carburos para aumentar el límite elástico en aceros para los que se requiera elevada resistencia mecánica. Por otra parte, el recocido continuo es capaz de reproducir ventajosamente propiedades mecánicas, en las chapas de acero deformadas en frío, similares a las producidas en el recocido en campana, en el rango de resistencias mecánicas por encima de aproximadamente 300MPa. Si se requieren niveles de resistencia por debajo de aproximadamente 225Mpa, el recocido continuo precisa un acero de partida extremadamente limpio, lo que encarece el producto final. En estos casos el acero que vaya a ser recocido en continuo debe proceder de colada en vacío o debe haber sido sometido a refino en cuchara, de forma que presente niveles de carbono y de nitrógeno muy bajos. Además, la adición de titanio o de Niobio por encima de la proporción estequiométrica deben asegurar la eliminación prácticamente total del carbono y del nitrógeno libres. Esto hace que este tipo de producto sea del orden de entre un 10% y un 15% más caro que el procesado por recocido continuo que de forma convencional.
Etapa de temple. Una vez finalizado el recocido, es necesario devolver el material al Laminador Cuarto Reversible para una pasada de acondicionamiento superficial efectuando una pequeña reducción que mejora las propiedades mecánicas de la lámina .
Etapa de corte e inspección y de rebobinado. El acero laminado en frío recocido y templado, se traslada a estas líneas donde el material procesado se corta o se rebobina de acuerdo a las especificaciones de peso y dimensiones exigidas por cada cliente. Así mismo se hacen inspecciones de calidad al material que así lo requiera. Etapa de galvanización. Para realizar el proceso de galvanización, las bobinas de acero luego de ser montadas en rodillos desenrolladores, se alimentan en forma continua a esta línea Galvanización donde va pasando por las siguientes secciones:
Desengrase. Esta etapa se realiza para eliminar la suciedad y la grasa superficial que trae la lámina de su proceso anterior. Decapado. Es un proceso químico de inmersión de la lámina en ácido clorhídrico a 15° C y 15-18%, con el fin de eliminarle la cascarilla y el óxido superficial. Precalentamiento. Se realiza en un horno de tubos radiantes antes de ser sumergidas en el baño de zinc fundido. Galvanización. El proceso de galvanizado en caliente consiste en la deposición de un recubrimiento adherente y protector de zinc y aleaciones de zinc sobre una superficie de hierro o acero, por inmersión de éste en un baño de zinc fundido. El recubrimiento se une metalúrgicamente al metal base a través de una serie de capas de aleaciones Fe-Zn, seguidas por una capa de zinc casi puro.
Durante la inmersión en el baño de zinc fundido, la superficie del hierro o el acero reacciona con el zinc y forma distintas aleaciones de zinc-hierro. Para facilitar esta reacción, los objetos a galvanizar se mantienen sumergidos (galvanización discontinua), o se introducen precalentados hasta que su temperatura alcance la del zinc fundido, entre 445° C y° 465° C.° El tiempo de inmersión puede oscilar desde unos pocos segundos para chapa fina, hasta varios minutos para las piezas estructurales de gran tamaño y espesor. Los objetos (chapas) se extraen del baño a una velocidad controlada, arrastrando consigo una película de zinc fundido, que al solidificar, constituye la capa externa de zinc prácticamente puro. El resultado es un recubrimiento tenaz, formado por una capa externa de zinc y varias capas de aleaciones zinc-hierro. Se emplea en las láminas un acabado con ácido fosfórico, que les da una protección adicional, formada por una película gris de fosfato de hierro y sobre la que se aplica en muy buenas condiciones la pintura. Puede seguirse el procedimiento siguiente: se sumergen las piezas, primero, en una solución de ácido sulfúrico al 5%, a 60° C, durante quince a veinte minutos ; se lavan después con agua a 60° C, y se sumergen finalmente de dos a tres minutos en ácido fosfórico al 2%, a 85° C. Esta solución ha de tener además 0.3-0.5% de hierro al iniciar el tratamiento. La proporción de ácido fosfórico debe mantenerse añadiendo más a medida que se consuma.
Enfriamiento. Se realiza soplando aire y sumergiendo la banda en agua fría. Pasivado. Tratamiento superficial con ácido crómico para prevenir la corrosión de la lámina durante el almacenamiento.
Corte y despacho. Es la última etapa del proceso efectuada a la Lámina Galvanizada; aquí la lámina se corta de acuerdo a las especificaciones de cada cliente o se envía a la línea de formación o a la línea de pintura.
Diagrama de bloques del proceso de Galvanización.
Etapa de Formación. La Lámina Galvanizada es sometida a corrugación y formación en máquinas formadoras, obteniendo productos como:
Teja de zinc ondulada. Teja de zinc cubierta. Teja de zinc canaleta. Perfiles estructurales y flejes de acero galvanizado.
Las máquinas formadoras son cajas cuarto, que difieren en la forma de los cilindros dependiendo del producto a obtener. Aproximadamente un 35% de lo producido en la línea de galvanización es sometido a la línea de formación.
BALANCE DE MASA Y ENERGIA. Balance de Masa
Balance de Energía
