La colada continua , también llamada colada de hebras , es el proceso mediante el cual el metal fundido se solidifica en una palanquilla , flor o planchón "semiacabado" para su posterior laminación en los laminadores de acabado. Antes de la introducción de la colada continua en la década de 1950, el acero se vertía en moldes estacionarios para formar lingotes . Desde entonces, la "fundición continua" ha evolucionado para lograr mejores rendimientos, calidad, productividad y rentabilidad. Permite una producción a menor costo de secciones metálicas con mejor calidad, debido a los costos inherentemente más bajos de la producción continua y estandarizada de un producto, además de proporcionar un mayor control sobre el proceso a través de la automatización. Este proceso se utiliza con mayor frecuencia para fundir acero (en términos de tonelaje fundido). El aluminio y el cobre también se funden de forma continua.
Sir Henry Bessemer , famoso por los convertidores Bessemer , recibió una patente en 1857 para fundir metal entre dos rodillos contrarrotativos. El esquema básico de este sistema se ha implementado recientemente en la actualidad en la fundición de flejes de acero.
El metal fundido se introduce en la cuchara desde los hornos. Después de someterse a todos los tratamientos de la cuchara, como aleación y desgasificación, y de llegar a la temperatura correcta, la cuchara se transporta a la parte superior de la máquina de fundición. Normalmente, la cuchara se encuentra en una ranura de una torreta giratoria en la máquina de fundición. Una cuchara está en la posición "en lanzamiento" (alimentando la máquina de fundición), mientras que la otra está lista en la posición "fuera de lanzamiento", y se cambia a la posición de lanzamiento cuando la primera cuchara está vacía.
Desde la cuchara, el metal caliente se transfiere a través de una cubierta refractaria (tubo) a un baño de retención llamado artesa . La artesa permite que un depósito de metal alimente la máquina de fundición mientras se cambian las cucharas, actuando así como un amortiguador del metal caliente, además de suavizar el flujo, regular la alimentación de metal a los moldes y limpiar el metal (ver más abajo).
Por lo general, el revestimiento de trabajo refractario desechable que se utiliza se denomina " tableros de artesa ".
El metal se drena de la artesa a través de otra cubierta hacia la parte superior de un molde de cobre de base abierta . La profundidad del molde puede oscilar entre 0,5 y 2 metros (20 a 79 pulgadas), dependiendo de la velocidad de fundición y el tamaño de la sección. El molde se enfría con agua para solidificar el metal caliente directamente en contacto con él; este es el proceso de enfriamiento principal . También oscila verticalmente (o en una trayectoria curva casi vertical) para evitar que el metal se pegue a las paredes del molde. Se agrega un lubricante (ya sea polvos que se derriten al contacto con el metal o líquidos) al metal en el molde para evitar que se pegue y para atrapar cualquier partícula de escoria, incluidas partículas de óxido o incrustaciones, que puedan estar presentes en el metal y traer a la parte superior de la piscina para formar una capa flotante de escoria. La cubierta se coloca de manera que el metal caliente salga por debajo de la superficie de la capa de escoria en el molde y, por lo tanto, se denomina boquilla de entrada sumergida (SEN). En algunos casos, no se pueden utilizar protectores entre la artesa y el molde (fundición de vertido abierto); en este caso, boquillas dosificadoras intercambiables en la base de la artesa dirigen el metal hacia los moldes. Algunos diseños de colada continua alimentan varios moldes desde la misma artesa.
En el molde, una fina capa de metal situada junto a las paredes del molde se solidifica antes del centro y luego el metal moldeado, ahora llamado hebra, sale de la base del molde hacia una cámara de pulverización. La mayor parte del metal dentro de las paredes de la hebra todavía está fundido. El cordón se sostiene inmediatamente mediante rodillos enfriados por agua, muy próximos entre sí, que sostienen las paredes del cordón contra la presión ferrostática (compárese con la presión hidrostática ) del líquido aún en solidificación dentro del cordón. Para aumentar la velocidad de solidificación, la hebra se pulveriza con grandes cantidades de agua a medida que pasa a través de la cámara de pulverización; este es el proceso de enfriamiento secundario . La solidificación final de la hebra puede tener lugar después de que la hebra haya salido de la cámara de pulverización.
Es aquí donde el diseño de las máquinas de colada continua puede variar. Esto describe una máquina de fundición de "plataforma curva"; También se utilizan configuraciones verticales. En una máquina de fundición de plataforma curva, el cordón sale del molde verticalmente (o en una trayectoria curva casi vertical) y, a medida que viaja a través de la cámara de pulverización, los rodillos curvan gradualmente el cordón hacia la horizontal. En una máquina de colada vertical, el cordón permanece vertical a medida que pasa a través de la cámara de pulverización. Los moldes en una máquina de fundición de plataforma curva pueden ser rectos o curvos, según el diseño básico de la máquina.
En una verdadera máquina de fundición horizontal, el eje del molde es horizontal y el flujo de acero es horizontal desde el líquido hasta la capa delgada y luego el sólido (sin doblarse). En este tipo de máquina, se utiliza la oscilación de la hebra o del molde para evitar que se pegue al molde.
Después de salir de la cámara de pulverización, la hebra pasa a través de rodillos enderezadores (si se moldea en una máquina que no sea vertical) y rodillos de extracción. Puede haber una plataforma de laminación en caliente después de la retirada para aprovechar el estado caliente del metal para dar forma previa a la hebra final. Finalmente, el cordón se corta en longitudes predeterminadas mediante cizallas mecánicas o con sopletes de oxiacetileno móviles, se marca para su identificación y se lleva a una pila de almacenamiento o al siguiente proceso de formación.
En muchos casos, el cordón puede continuar a través de rodillos adicionales y otros mecanismos que pueden aplanar, enrollar o extruir el metal hasta darle su forma final.
Los desarrollos desde mediados de la década de 1980 redujeron los espesores que se pueden fundir, inicialmente para transferir barras de ~50 mm de espesor, también llamadas losas delgadas, [1] y luego, más recientemente, hasta tiras delgadas de fundición de 2 mm de espesor. [2]
El aluminio y el cobre se pueden fundir horizontalmente y se pueden fundir más fácilmente en una forma casi neta , especialmente en tiras, debido a sus temperaturas de fusión más bajas.
Poner en marcha una máquina de colada continua implica colocar una barra falsa (esencialmente una viga metálica curva) a través de la cámara de pulverización para cerrar la base del molde. El metal se vierte en el molde y se retira con la barra falsa una vez que solidifica. Es extremadamente importante garantizar posteriormente el suministro de metal para evitar paradas y reinicios innecesarios, conocidos como "turnarounds". Cada vez que el lanzador se detiene y reinicia, se requiere una nueva artesa, ya que el metal no fundido en la artesa no se puede drenar y, en cambio, se congela formando una "calavera". Para evitar paradas es necesario que el taller de fundición, incluidos los hornos de cuchara (si los hay), mantengan un estricto control de la temperatura del metal, que puede variar drásticamente con las adiciones de aleación, la cubierta de escoria y el desescoriado, y el precalentamiento de la cuchara antes de que acepte el metal, entre otros. otros parámetros. Sin embargo, la velocidad de colada se puede reducir reduciendo la cantidad de metal en la artesa (aunque esto puede aumentar el desgaste de la artesa), o si la colada tiene múltiples hebras, se pueden cerrar una o más hebras para adaptarse a los retrasos aguas arriba. Se pueden programar cambios en una secuencia de producción si la temperatura de la artesa sube demasiado después de un cierto número de calentamientos o si la vida útil de un componente no reemplazable (es decir, la boquilla de entrada sumergida (SEN) en una máquina de fundición de losas delgadas) es alcanzó.
Muchas operaciones de colada continua están ahora totalmente controladas por ordenador. Varios sensores electromagnéticos, térmicos o de radiación en la cubierta de la cuchara, la artesa y el molde detectan el nivel o peso del metal, el caudal y la temperatura del metal caliente, y el controlador lógico programable (PLC) puede establecer la velocidad de extracción de hebra mediante el control de velocidad. de las tiradas de retirada. El flujo de metal hacia los moldes se puede controlar mediante tres métodos:
La velocidad general de fundición se puede ajustar modificando la cantidad de metal en la artesa, a través de la compuerta deslizante de la cuchara. El PLC también puede establecer la tasa de oscilación del molde y la tasa de alimentación de polvo del molde, así como el flujo de agua en los aerosoles de enfriamiento dentro de la hebra. El control por computadora también permite que se transmitan datos vitales de fundición a otros centros de fabricación (particularmente a los hornos de fabricación de acero), lo que permite ajustar sus ritmos de trabajo para evitar el "desbordamiento" o la "insuficiencia" del producto.
Si bien la gran cantidad de automatización ayuda a producir piezas fundidas sin contracción y con poca segregación, la colada continua no sirve de nada si el metal no está limpio de antemano o se "ensucia" durante el proceso de fundición. Uno de los principales métodos mediante los cuales el metal caliente puede ensuciarse es la oxidación, que ocurre rápidamente a temperaturas del metal fundido (hasta 1700 °C para el acero); También pueden estar presentes inclusiones de gas, escoria o aleaciones no disueltas. Para evitar la oxidación, el metal se aísla lo más posible de la atmósfera. Para lograrlo, las superficies de metal líquido expuestas se cubren con los escudos o, en el caso de la cuchara, la artesa y el molde, con escoria sintética . En la artesa, cualquier inclusión que sea menos densa que el metal líquido (burbujas de gas, otras escorias u óxidos, o aleaciones no disueltas) también puede flotar hacia la superficie y quedar atrapada en la capa de escoria. Mientras que la artesa y el molde se llenan por primera vez al inicio de una fundición, el líquido está muy contaminado con oxígeno y los primeros artículos producidos generalmente se ponen en cuarentena o se desvían a clientes que no requieren material de alta calidad.
El upcasting resuelve este problema formando un producto continuo a partir de una semilla de metal (por ejemplo, cobre o plata) (por ejemplo, una varilla de metal). [4] [5]
Un problema importante que puede ocurrir en la colada continua es la ruptura del metal líquido: por cualquier motivo, la capa sólida de la hebra se rompe y permite que el metal aún fundido contenido en su interior se derrame y ensucie la máquina. En la mayoría de los entornos industriales, este evento es muy costoso ya que conduce a una parada del cordón y normalmente requiere una parada prolongada que implica la eliminación del material derramado desde dentro del equipo del cordón y/o el reemplazo de la maquinaria dañada. Una ruptura generalmente se debe a que la pared de la carcasa es demasiado delgada para soportar la columna de líquido que está encima, una condición que tiene varias causas fundamentales, a menudo relacionadas con la gestión del calor. [6] Un flujo inadecuado de agua de refrigeración hacia el molde o los aerosoles de refrigeración de la hebra pueden provocar una eliminación inadecuada del calor del metal solidificado, lo que hace que la capa sólida se espese demasiado lentamente. Si la velocidad de extracción del metal es demasiado rápida, es posible que la carcasa no tenga tiempo de solidificarse hasta alcanzar el espesor requerido, incluso con rociadores de enfriamiento mejorados. De manera similar, el metal líquido entrante puede estar demasiado caliente y la solidificación final puede ocurrir más abajo en la hebra en un punto posterior al esperado; Si este punto está debajo de los rodillos enderezadores, la carcasa puede romperse debido a las tensiones aplicadas durante el enderezamiento. También puede ocurrir una ruptura como resultado de irregularidades físicas o daños a la carcasa que ocurren dentro del molde durante los primeros segundos de solidificación. La turbulencia excesiva dentro del molde puede causar un patrón de cáscara irregular que crece de manera anormal o puede atrapar gotas de escoria dentro de la cáscara, lo que reduce la resistencia de la pared. [7] Una ocurrencia común es que la cáscara se adhiera a la superficie del molde y se rompa; Los moldes instrumentados modernos y los sistemas de control por computadora generalmente detectan esto y reducen la velocidad del lanzador temporalmente para permitir que la pared se vuelva a congelar y sane mientras todavía está apoyada en el molde. [8] Si el desgarro ocurre cerca de la salida del molde o es de gravedad inesperada, la carcasa aún puede fallar y romperse una vez que emerge de la pared del molde. Si el metal entrante está muy sobrecalentado, puede ser preferible detener la rodaja que correr el riesgo de romperse. Además, la contaminación del metal con plomo (causada por contrapesos o baterías de plomo-ácido en la carga inicial de acero) puede formar una película delgada entre la pared del molde y el acero, inhibiendo la eliminación de calor y el crecimiento de la carcasa y aumentando el riesgo de roturas.
Otro problema que puede ocurrir es la ebullición del carbono : el oxígeno disuelto en el acero reacciona con el carbono también presente para generar burbujas de monóxido de carbono . Como sugiere el término ebullición , esta reacción es extremadamente rápida y violenta, genera grandes cantidades de gas caliente y es especialmente peligrosa si ocurre en los espacios reducidos de una máquina de fundición. El oxígeno se puede eliminar "matándolo" mediante la adición de silicio o aluminio al acero, que reacciona para formar óxido de silicio (sílice) u óxido de aluminio (alúmina). Sin embargo, demasiada alúmina en el acero obstruirá las boquillas de fundición y provocará que el acero se "asfixie".
La dinámica de fluidos computacional y otras técnicas de flujo de fluidos se están utilizando ampliamente en el diseño de nuevas operaciones de fundición continua, especialmente en la artesa, para garantizar que las inclusiones y turbulencias se eliminen del metal caliente y, al mismo tiempo, garantizar que todo el metal llegue al molde antes de que llegue. enfría demasiado. Pequeños ajustes a las condiciones de flujo dentro de la artesa o del molde pueden significar la diferencia entre tasas de rechazo altas y bajas del producto.
La barra inicial, también llamada barra ficticia, tiene una porción extrema libre que es flexible para el almacenamiento y una porción sustancialmente rígida en el extremo que tapa el molde. La barra inicial está construida en bloques discretos asegurados a un lado de una columna plana proporcionada en segmentos y dispuesta de extremo a extremo. Se disponen espaciadores ajustables en forma de bloques cónicos entre los bloques de la barra para permitir que la barra inicial sea autoportante en una configuración curva correspondiente al recorrido de fundición. Una columna más flexible en la porción final de la barra de inicio permite que la barra de inicio se curve a un radio más estrecho que el del recorrido de lanzamiento mientras los bloques se abren en abanico en una configuración sin soporte. Se proporciona una rampa de almacenamiento para soportar el extremo flexible en la posición de almacenamiento. Antes de comenzar un molde, las barras iniciales se alimentan a través de la rueda (en dirección inversa al molde) usando actuadores hidráulicos. Una vez alimentado hasta el fondo del molde, el proceso de empaquetamiento del molde puede continuar para garantizar un inicio sin problemas.
La fundición directa en tiras es un proceso de fundición continua para producir láminas metálicas directamente desde el estado fundido que minimiza la necesidad de un procesamiento secundario sustancial. Para las chapas de acero con bajo contenido de carbono, se trata de un proceso relativamente nuevo que sólo ha logrado éxito comercial desde principios de la década de 2000. [9] [10]
La colada continua de doble correa es un proceso de colada continua que produce barras o tiras metálicas continuas de gran volumen de sección transversal rectangular constante. La colada continua de doble correa emplea un molde móvil que consta de correas paralelas de acero al carbono mantenidas en tensión como superficies de fundición superior e inferior. Cadenas de bloques rectangulares de acero o cobre que se mueven con las correas y espaciadas según el ancho de fundición deseado forman los lados del molde.
El metal fundido se introduce en la máquina de colada continua de doble cinta desde una artesa a través de una boquilla situada entre las cintas de colada. El metal se enfría por contacto directo con las correas que a su vez se enfrían mediante agua recirculante a alta presión. Se pueden aplicar varios recubrimientos a las superficies de fundición de la correa para proporcionar las características requeridas de la interfaz del molde y evitar la adhesión.
El metal fundido de la máquina de colada continua de doble correa se sincroniza con un laminador en caliente y se alimenta directamente a él . La combinación de las operaciones de fundición y laminación puede generar importantes ahorros de energía y costos en comparación con otros procesos de fundición que incorporan pasos intermedios de fundición y recalentamiento.
Metales colados en máquinas de colada continua de doble cinta: cobre (barra, tira, ánodo ), aluminio (tira), zinc (tira), plomo (tira)
Tasas y velocidades de producción: Las tasas de colada continua de doble correa varían hasta 60 toneladas por hora a velocidades de hasta 14 metros por minuto.
La colada continua de doble correa es un proceso de fundición con forma casi neta , que reduce significativamente la necesidad de operaciones secundarias de laminado o conformado. Por ejemplo, cuando se funde una placa de ánodo de cobre, la losa fundida no se lamina sino que se corta directamente en distintas placas de ánodo.
Las correas de enfriamiento generalmente están hechas de acero con bajo contenido de carbono y se mantienen bajo tensión dentro de la máquina de fundición para garantizar la planitud y precisión. Cuando una correa "fría" ingresa a la región del molde, se calienta en la zona de fundición y está sujeta a poderosas fuerzas causadas por la expansión térmica . Al fundir tiras anchas, estas fuerzas deben controlarse para eliminar el pandeo y reducir la distorsión térmica de la correa en la entrada del molde. Estas fuerzas pueden controlarse precalentando las correas antes de entrar en el molde o estabilizándolas magnéticamente una vez que hayan entrado en el molde.
Precalentamiento de la correa : para la fundición de tiras anchas, se puede utilizar un sistema de precalentamiento de la correa para llevar la correa a 150 °C o más inmediatamente antes de ingresar al molde de fundición, lo que reduce los efectos del bastidor en frío. Se pueden utilizar bobinas de calentamiento por inducción a lo ancho para precalentar cada correa. Además de evitar la distorsión térmica, la alta temperatura de precalentamiento sirve para eliminar la humedad presente en la superficie de la correa.
Estabilización magnética: Al fundir tiras anchas, la tendencia a la distorsión térmica localizada se puede resistir mediante el uso de rodillos de soporte de respaldo de correa magnética de alta resistencia dentro de la región del molde. La correa en movimiento se mantiene contra los rodillos de soporte mediante aletas giratorias magnetizadas que mantienen la correa en un plano.
Dentro de la máquina de colada continua de doble correa, el metal fundido se solidifica progresivamente sobre las superficies del molde a medida que se mueve a través de la región del molde, con un sumidero de metal fundido presente entre las superficies exteriores que se solidifican. Los recubrimientos de la correa, la textura y las modificaciones de la capa de gas se utilizan para ajustar la tasa de transferencia de calor desde el metal fundido a la correa. La solidificación del espesor total puede ocurrir tan pronto como el 30% del recorrido a través del molde para tiras delgadas, o hasta 2 m más allá de la salida del molde para barras grandes donde se requiere enfriamiento por aspersión de agua de salida y soporte de rodillo.
Alimentación en piscina cerrada: al fundir ciertos metales, como el aluminio, se puede emplear un sistema de alimentación de metal de “inyección” en piscina completamente cerrada. En este caso, el metal se introduce bajo una ligera presión en la cavidad cerrada del molde. El flujo de metal se controla manteniendo un nivel preestablecido en la artesa. La boquilla o boquilla de alimentación está hecha típicamente de un material cerámico que es térmicamente estable y permeable a los gases que se liberan desde el metal que fluye.
Alimentación en piscina abierta: cuando se funden otros metales, como cobre, zinc y plomo, se suele utilizar un sistema de alimentación en piscina abierta. En este caso, la polea superior está desplazada detrás de la polea inferior. El metal fluye a través de un canal abierto o artesa hacia un charco estancado de metal fundido formado en la convergencia de las correas. Se pueden emplear gases envolventes para proteger contra la oxidación.
Ahusamiento del molde: La máquina de fundición de doble correa se diferencia de otras máquinas de fundición con molde móvil en que las cuatro superficies del molde son independientes. Esto permite que las superficies del molde ahusadas permanezcan en contacto con el producto fundido a medida que se contrae. El agua de refrigeración a alta velocidad, que se aplica continuamente a la parte posterior de la correa, incide sobre la correa y crea una fuerza sobre la misma. Esta fuerza actúa para presionar la correa contra la superficie de la tira o losa a medida que se contrae, manteniendo la correa en estrecho contacto con el producto fundido en todo el molde. Cada lado del molde está formado por una cadena interminable de bloques de presa, que se mantienen contra la tira fundida mediante guías ajustables con resorte.
Control del nivel de metal fundido: para adaptarse a altas velocidades de fundición y mantener el nivel de la piscina lo más alto posible, se pueden usar indicadores de nivel de metal electromagnéticos sin contacto para detectar el nivel de la piscina en la máquina de fundición.
Fundición de tiras de aluminio o cobre: Las máquinas comerciales de fundición continua de tiras de doble correa son capaces de producir dimensiones de fundición de 10 a 35 mm de espesor y hasta 2035 mm de ancho. Después de ser alimentada directamente a un laminador en caliente, la banda fundida generalmente se lamina hasta obtener una banda de 1 a 3 mm de espesor.
Fundición de barras de cobre: las dimensiones de la fundición varían entre 35 y 75 mm de espesor y entre 50 y 150 mm de ancho. Después de ser alimentada directamente a un laminador en caliente, la barra fundida generalmente se lamina para formar una varilla de 8 mm de diámetro que se utilizará para trefilado.
Fundición de ánodos de cobre: a la máquina de fundición de doble correa se añaden bloques de presa especiales que contienen moldes de orejetas de ánodo y una cizalla hidráulica móvil para fundir continuamente ánodos de cobre con forma neta. Ancho de ánodo de aproximadamente 1 metro (excluyendo orejetas) y espesores de 16 mm a 45 mm. La principal ventaja de este proceso es la uniformidad del ánodo fundido en términos de tamaño y calidad de la superficie. Los ánodos moldeados mediante este proceso no requieren preparación adicional después de la fundición.
Longitud del molde : La longitud del molde varía desde aproximadamente 2000 mm para máquinas de fundición de tiras y hasta 3700 mm para máquinas de fundición de barras de cobre.
