Instituto Tecnológico de Santo Domingo
Ciencia de los materiales
Selección de Materiales y Procesos
Jasson A. Cordones Manzueta 09-0277
Harold Williams De Jesús 09-3031
Prof.: Vesselina Radeva
Los Rieles de ferrocarril Que es un riel? Se denomina riel, carril, raíl o trillo a cada una de las barras metálicas sobre las que se desplazan las ruedas de los trenes y tranvías. Los rieles se disponen como una de las partes fundamentales de las vías férreas y actúan como soporte, dispositivo de guiado y elemento conductor de la corriente eléctrica. La característica técnica más importante del ferrocarril es el contacto entre el riel y la rueda con pestaña, siendo sus principales cualidades su material, forma y peso. Historia Los primeros rieles que se conocen datan de la Edad de Piedra y del Bronce, apareciendo nuevamente como rieles de madera para facilitar el transporte en las minas. La mejora de éstos en el sector minero fue lo que llevó a la aparición de los primeros carriles de hierro en el siglo XVIII, para convertirse en los carriles de acero en el siglo XIX. Los primeros carriles fueron pequeños rieles de fundición, que no aguantaban el paso de las ruedas por su fragilidad, con lo que se pasó al acero laminado, a la vez que se le añadía el patín plano después de estudios sobre el perfil, y llegando a durar hasta 16 años.
Requisitos que debe cumplir el carril Resistir directamente las tensiones que recibe del material rodante y transmitirlas, a su vez, a los otros elementos que componen la estructura de la vía. Realizar el guiado de las ruedas en su movimiento. Servir de conductor de la corriente eléctrica para la señalización y la tracción en las líneas electrificadas
Cualidades buscadas en los rieles La superficie de rodadura debe ser lo más lisa posible para reducir la fricción, pero a la vez, posea rugosidad para mejorar la adherencia rueda carril. Características geométricas deben encontrarse dentro del intervalo que delimita una calzada de buena calidad, con elevada rigidez, pero debe absorber la energía en forma de deformación elástica. Su peso es deseable para tener elevadas cargas por eje, velocidades y para mantener la seguridad, pero el coste aumenta, aunque también se reducen costes de mantenimiento, mayor duración y menor resistencia al avance de las ruedas.
Perfiles utilizados En el comienzo del transporte por ferrocarril se utilizaron rieles con dos cabezas, con la intención de que fueran usados nuevamente una vez que la cabeza en servicio llegara a su límite de desgaste. Posteriormente se vio que tal operación no era posible, dado que, al invertir su posición, no resultaban aptos para el tráfico debido al desgaste ocasionado por los durmientes en la superficie de apoyo, y se adoptó el perfil actual, denominado Vignole, el cual consta de una cara inferior ancha, destinada al apoyo sobre los durmientes, y una cara superior, más angosta y de mayor altura, destinada a guiar y sostener las ruedas.
Características necesarias del perfil La cabeza del raíl debe tener un ancho y altura suficiente según las cargas y la pestaña. El contacto en la rodadura no debe ser puntual, repartiendo los esfuerzos para evitar desgastes, para lo que la inclinación de la cabeza es de 1/20, compromiso entre la circulación en recta y en curva. El espesor del alma del raíl debe transmitir las solicitaciones de la cabeza hacia el
patín, teniendo en cuenta la corrosión y las solicitaciones transversales. La anchura del patín da la rigidez para una repartición correcta de la carga sin volteo del raíl, siendo la relación altura-anchura óptima entre 1,1 y 1,2. La relación espesor/ancho del patín debe ser inferior a 0,075 y el espesor exterior superior a 11 mm para evitar enfriamientos irregulares en caso de soldadura.
American Railway Engineering and Maintenance-of-Way Association Esta es la entidad que se encarga de regular la calidad y el mantenimiento de la vías ferroviarias. Esta se encarga de establecer los limites mecánico que deben tener los rieles, y publica las practicas recomendadas para el diseño y construcción de la infraestructura de los rieles.
Eleccion el material La elección de un material para la fabricación de un riel de ferrocarril no es fácil ya que el vehículo que transita encima de las mismas muchas veces va cargado con una gran cantidad de materias primas o personas, por lo que un error que luego se convierta en una falla significaría un riesgo enorme. Para la selección del material debemos tener en cuenta ciertos límites como son: Precio Dureza Resistencia a la fatiga Resistencia a la tensión Resistencia a la compresión Esfuerzo de cedencia Composición química Amistoso con el medio ambiente Durabilidad Para elegir nuestro material se deben hacer comparaciones muy minuciosas entre las propiedades de los materiales. Las líneas de ferrocarril son bastante caras por lo que podemos escoger el precio como una característica de importancia prioritaria y esta la podemos comparar con otras de sus propiedades.
En este grafico podemos observar que en CES Edupack 2011 hay una gran variedad de materiales de donde elegir el grafico es un poco confuso por lo que pasaremos a agregar uno cuantos limitantes para eliminar los materiales que no cumplen con nuestros requerimientos.
aquí tenemos un grafico de tenacidad a la fractura contra esfuerzo de fatiga y consideramos este grafico importante para nuestro proyecto ya que los rieles son partes que están sometidos a muchas cargas de impacto cíclicamente por lo cual esto nos ayuda a seleccionar materiales que posean gran resistencia al crecimiento de grietas. Como podemos ver los materiales que poseen mayor tenacidad a la fractura y resistencia a las cargas cíclicas son los metales y aleaciones un gran parámetro a tomar en cuenta en la fabricación de rieles.
Las grietas en la cabeza de los rieles no es una sorpresa la mayoría de los rieles son remplazados por esta razón. Estas aparecen a casusa de contacto extremo de hasta 1 GPa en el punto de contacto entre el riel y la rueda. Esto deforma la superficie del riel, las ruedas también ejercen un esfuerzo cortante, el acero se junta en una dirección opuesta al movimiento del tren una capa duramente cortada. Las grietas nuclean después de aproximadamente 60 000 ciclos de carga y a causa de del cortante estas quedan casi paralelas a la superficie. Estas grietas siguen creciendo debido a que, aunque las cargas en su mayoría son de compresión en la superficie del riel, las grietas se propagan mas rápidamente curándolos rieles se mojan que cuando están secos. Asi aunque la cabeza del riel este a compresión la punta e la grietas esta a tensión lo que permite que la grita se propague. Los rieles deben poseer excelentes propiedades mecánicas ya que estos son los que sostienen sobre si lo que es el sistema ferroviario donde una falla representaría una gran cantidad en perdidas ya sea de materias primas o de vidas humanas. El material
que se utiliza para la fabricación de un riel de ferrocarril debe tener una dureza bastante alta ya que a este se le aplican bastantes esfuerzos de tensión, compresión y cortante que podrían provocar una perdida de su integridad si estos no son lo bastante fuertes. La siguiente tabla muestra una de las propiedades mecánicas mas importantes en la fabricación de rieles que es la dureza aplicaremos un limite con la dureza mínima que puede tener un tipo de riel normal.
Dureza Vickers (Pa) Tipo
mínimo
máximo
Rieles normales
3e9
3.40e9
Rieles de alta resistencia
3.41e9
3.88e9
Grafica Precio vs Dureza
Como podemos ver aun queda una gran cantidad de materiales que cumple con el límite establecido por lo que aplicaremos otros limites sobre las propiedades mecánicas que también son de importancia y nos ayudaran a hacer una selección mas precisa de nuestro material.
Propiedad
Normal
Alta resistencia
Limite elástico mínimo, Pa 48,265,200
75,831,300
Esfuerzo de tensión mínimo, Pa
96,530,400
117,229,500
Elongación mínima, %
9
10
Luego de aplicar los límites de las propiedades mecánicas podemos observar que solamente nos quedan metales y aleaciones como posibles materiales que podemos utilizar para la fabricación de rieles. Los materiales que quedan poseen propiedades mecánicas similares por lo que es un poco mas difícil descártalos mediante las mismas, en el grafico también podemos observar que algunos metales se diferencian mucho en el precio pero esto tampoco es suficiente para descartar a la gran mayoría, por lo que recurriéremos a otras propiedades para poder seguir con nuestra selección. Los rieles de ferrocarril son bastante caros y además la mayoría están a la intemperie expuesto a todo tipo de agentes corrosivos que se encargan de deteriorarlos es por esto que los diseñadores deben tener en cuenta lo que es la durabilidad del material que van a elegir para la fabricación de los mismos. Algunas de las características de durabilidad que se deben tener en cuenta están presentadas en la siguiente tabla. Flamabilidad
No flamable
Exposición al agua
Aceptable
Exposición al agua Salada
Uso limitado
Exposición a ácidos débiles
Uso limitado
Exposición a ácidos Fuertes
Inaceptable
Exposición a radiación ultravioleta
Excelente
Exposición a solventes orgánicos
Excelente
Oxidación a 500 0C
Aceptable
Además también es preferible que el material que seleccionemos se a reciclable, así se le puede dar uso aun después de su vida útil y también ayudamos a preservar el medioambiente aspecto de gran importancia en esto últimos años.
Los aceros que se utilizan en la fabricación de ferrocarriles son aceros de alta calidad que contienen bajos contenidos de aleaciones. Como los rieles de hoy en día se tratan de hacer lo mas largo posibles y su peso esta dado en kg/m no podemos elegir materiales muy caros por lo utilizaremos un limite máximo de precio de 100 DOP/kg. Además agregaremos un intervalo limite de 0.55% - 0.82% de Carbono para limitar a los metales muy aleados ya también porque como sabemos un mayor contenido de carbono provoca que el material se vuelva muy duro lo que haría que se incrementaran los costos de proceso.
Aceros seleccionados
Carbon steel, AISI 1050, tempered at 205°C & H2O quenched Carbon steel, AISI 1050, tempered at 315°C & H2O quenched Carbon steel, AISI 1050, tempered at 315°C & oil quenched Carbon steel, AISI 1050, tempered at 425°C & H2O quenched Carbon steel, AISI 1050, tempered at 425°C & oil quenched Carbon steel, AISI 1050, tempered at 540°C & H2O quenched Carbon steel, AISI 1060, tempered at 205°C & oil quenched
Carbon steel, AISI 1060, tempered at 315°C & oil quenched Carbon steel, AISI 1060, tempered at 425°C & oil quenched Carbon steel, AISI 1060, tempered at 540°C & oil quenched Carbon steel, AISI 1080, as rolled Carbon steel, AISI 1080, normalized Carbon steel, AISI 1080, tempered at 205°C & oil quenched Carbon steel, AISI 1080, tempered at 315°C & oil quenched Carbon steel, AISI 1080, tempered at 425°C & oil quenched
Cualquiera de los aceros que se encuentran en la tabla cumple con las propiedades mecánicas y de durabilidad adecuada para fabricar rieles de ferrocarril, pero de entre todos estos hemos preferido utilizar el acero de alto carbono 1080 normalizado ya que es uno de los pocos que no requieren ser templados con aceite lo que incrementa los gastos, además de que como este es normalizado sabemos que en su estructura final encontraremos perlita fina que le da una mayor resistencia necesaria para la fabricación de este producto.
Seleccion del proceso La selección del proceso que se utilizara para fabricar los rieles de ferrocarril debe hacerse tomando en cuenta las características que queremos que tenga la pieza, por ejemplo la pieza debe se larga y continua una rugosidad mínima pero esto no necesariamente se debe obtener el proceso primario ya que esto supondría un incremento de precio. También hay otros aspectos como el rango de masa con el que la maquinaria debe trabajar y la intensidad de trabajo que se debe llevar.
Esta es una grafica que muestra todos los procesos de formado que existen para los metales antes mencionados comprando, el costo capital del proceso contra el rango de masa que se puede trabajar en este. Esto nos ayuda a saber cual proceso funciona para trabajar productos tan pesados como son los rieles de tren y que costo tiene el proceso.
A continuación los parámetros que utilizamos a la hora de seleccionar el proceso para hacer el producto: Forma: prismática no circular Rango de masa con la que trabaja la maquinaria: 400-2000 kg Proceso: primario y continuo. Intensidad del trabajo: baja. La forma la seleccionamos debido a que esta es la forma que queremos que tenga nuestro producto al final del proceso. El rango de masa es relativamente amplio ya que los rieles son largos y pesados por lo que se requieren proceso que manejen mucha materia prima a la vez. El tipo de proceso se seleccionó primario ya que no queremos que el producto final salga del proceso que seleccionemos y es continuo ya que no queremos que el producto se a cortado en partes durante el mismo. La intensidad de trabajo debe ser baja ya que este es un producto donde la calidad vale mas que la cantidad se producen en masa pero no se lleva un ritmo de trabajo intenso para poder tener un mayor control de calidad por pieza individual. Al final los procesos que pasaron el la selección fueron rodado en caliente, rodado en frio y extrusión en caliente.
En la grafica podemos ver que el rodado en caliente puede trabajar con un mayor peso al mismo costo capital por esta razón hemos escogido este como nuestro proceso primario.
El rodado en caliente involucra pasar el material por una serie de rodillos formados. Para lograr la deformación el material se calienta a 0.8 Tm (Por encima de la temperatura de recristalización).Aproximadamente el 90% de todo el acero es rodado en caliente.
La siguiente tabla es resultado del diseno de un proceso de colada continua El diámetro fue seleccionado por nosotros para comprar diferentes tamaños de rodillo.
Adicion de capa de polímero Luego del proceso de colada el riel permanece caliente y blando por lo que se debe aumentar su densidad. Esto se debe hacer mediante la adición de una capa de polímero que se encarga de enfriar la superficie a la ves que se adhiere y crea una protección contra efectos corrosivos de agentes externos. Los análisis de caracterización ultra estructural muestran que el colaminado PET tiene en general una superficie continua, con tres capas en el espesor: una delgada capa amorfa en contacto con la superficie metálica, una capa de transición amorfocristalina y, una capa de mayor tamaño biaxialmente orientada, asociándose multifuncionalidad al recubrimiento en cuanto a adherencia, buena propiedades mecánicas y a la degradación.
EL MEDIO AMBIENTE Y EL FERROCARRIL Estudios efectuados por la Junta de Recursos del Aire (California - CARB), en junio de 1990, revelaron que los ferrocarriles producen menos del uno por ciento de toda la contaminación del aire. Esto se debe a mejoras en la tecnología de las locomotoras, cambios en la operación ferroviaria y significativas mejoras de eficiencia en el consumo de combustible. "Mas trafico en los ferrocarriles, menos contaminación en el aire". "Mayor capacidad de transporte sin utilizar mas suelo". "Menos combustible por tonelada / kilómetro de carga transportada".
Viabilidad La fabricación de rieles es de vital importancia últimamente ya que es un sector que ha estado en crecimiento debido a la creciente demanda de transporte en las ultimas décadas. La mayoría de los países del mundo y distintas empresas del sector buscan potenciar la integración entre los servicios ferroviarios continentales, incrementando la interoperabilidad tanto en el área de los viajes de pasajeros tradicionales y de alta velocidad como en el terreno del transporte de mercancías. Algunos estudios y experiencias confirman la necesidad de avanzar en este sentido.
En una sociedad que demanda una mayor calidad de vida y se muestra cada vez más sensible con la protección de la naturaleza, el ferrocarril, como sistema de transporte, comienza a recuperar el terreno perdido frente al automóvil. La contaminación atmosférica y acústica que sufren las grandes ciudades, la congestión de las vías urbanas e interurbanas o el elevado número de accidentes que originan los vehículos a motor, son factores que juegan a favor del tren.
Como podemos ver en la grafica el viaje en tren es una de las alternativas de transporte más efectivas a la hora de pensar en el medio ambiente. El numero de fabricantes de rieles a nivel mundial es muy limitado, y estos son productores de gran calidad ya que están consientes de la responsabilidad que implica la fabricación de tan importante producto para la infraestructura ferroviaria por lo que adentrarse en este mercado implica la utilización de los procesos con mayor calidad posible que permitan la fabricación de productos que cumplan con los requerimientos de esta industria.
Bibliografía CIENCIA E INGENIERÍA DE LOS MATERIALES; Askeland- Phule; 4ta Edición; Thomson 2011 Reveron Larre, Andrés. (1982). Tratado del transporte ferroviario y su economía. http://www.slideshare.net/wlopezalmarza/ferrocarriles-calculo-del-riel-parte-i. Lopez A. Willian J. http://www.umss.edu.bo/epubs/etexts/downloads/26/plantemas.htm . Vias Ferreas;l León Clavij, Guido. Arquitectura ferroviaria. (2005). Tartarini D., Jorge; 1ra edición ; Editorial arco iris, Buenos aires. ¿En que circusntacias esta justificado invertir en líneas de alta velocidad ferroviaria ?. (2009). Menzdoza, Ginés de Rús, Nash, Chris; Fundacion BBVA. Materials Engineering, Science, Processing and Design;( 2007) Michael Ashby, Hugh Shercliff , David Cebon. Elsevier Ltd. Oxford, UK:
