La colada continua , también llamada colada continua , es el proceso mediante el cual el metal fundido se solidifica en un tocho , desbaste o planchón "semiacabado" para su posterior laminado 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 "colada continua" ha evolucionado para lograr un mejor rendimiento, calidad, productividad y rentabilidad. Permite la 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 cuelan de forma continua.
Sir Henry Bessemer , famoso por su convertidor Bessemer , recibió una patente en 1857 para fundir metal entre dos rodillos que giraban en sentido contrario. El esquema básico de este sistema se ha implementado recientemente en la fundición de flejes de acero.
El metal fundido se vierte en la cuchara desde los hornos. Después de someterse a los tratamientos de la cuchara, como la aleación y la desgasificación, y de llegar a la temperatura correcta, la cuchara se transporta a la parte superior de la máquina de fundición. Por lo general, la cuchara se encuentra en una ranura en una torreta giratoria en la máquina de fundición. Una cuchara está en la posición "en colada" (alimentando a la máquina de fundición) mientras que la otra se prepara en la posición "fuera de colada" y se cambia a la posición de colada cuando la primera cuchara está vacía.
Desde la cuchara, el metal caliente se transfiere a través de una cubierta refractaria (tubería) 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 a continuación).
Generalmente se utiliza un revestimiento de trabajo desechable refractario conocido como " tablas de colada ".
El metal se drena desde la artesa a través de otra cubierta hacia la parte superior de un molde de cobre de base abierta . La profundidad del molde puede variar de 0,5 a 2 metros (20 a 79 pulgadas), dependiendo de la velocidad de colada 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 primario . También oscila verticalmente (o en una trayectoria curva casi vertical) para evitar que el metal se adhiera a las paredes del molde. Se agrega un lubricante (ya sea polvos que se derriten al entrar en contacto con el metal o líquidos) al metal en el molde para evitar que se adhiera y para atrapar cualquier partícula de escoria, incluidas partículas de óxido o sarro, que pueda estar presente en el metal y llevarlas a la parte superior del baño para formar una capa flotante de escoria. La cubierta se coloca de modo 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 cubiertas entre la artesa y el molde (colada de "vertido abierto"); en este caso, las 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 junto a las paredes del molde se solidifica antes que el 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. La hebra es sostenida inmediatamente por rodillos enfriados por agua, muy espaciados entre sí, que sostienen las paredes de la hebra contra la presión ferrostática (compara la presión hidrostática ) del líquido que todavía se está solidificando dentro de la hebra. Para aumentar la velocidad de solidificación, la hebra se rocía 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.
Aquí es donde el diseño de las máquinas de colada continua puede variar. Esto describe una máquina de colada de "plataforma curva"; también se utilizan configuraciones verticales. En una máquina de colada de plataforma curva, la hebra 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 la hebra hacia la horizontal. En una máquina de colada vertical, la hebra permanece vertical a medida que pasa a través de la cámara de pulverización. Los moldes en una máquina de colada de plataforma curva pueden ser rectos o curvos, según el diseño básico de la máquina.
En una verdadera máquina de colada horizontal, el eje del molde es horizontal y el flujo del acero es horizontal, desde el estado líquido a la capa fina y luego al sólido (sin flexión). En este tipo de máquina, se utiliza la oscilación del molde o de la hebra para evitar que se pegue en el molde.
Después de salir de la cámara de pulverización, el cordón pasa por rodillos enderezadores (si se funde en una máquina que no sea vertical) y rodillos de extracción. Puede haber una caja de laminación en caliente después de la extracción para aprovechar la condición caliente del metal para preformar el cordón final. Finalmente, el cordón se corta en longitudes predeterminadas mediante cizallas mecánicas o mediante sopletes de oxiacetileno móviles, se marca para su identificación y se lleva a un depósito o al siguiente proceso de formación.
En muchos casos, la hebra puede continuar a través de rodillos adicionales y otros mecanismos que pueden aplanar, laminar o extrudir el metal hasta alcanzar su forma final.
Los avances realizados desde mediados de los años 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, para fundir tiras delgadas de 2 mm de espesor. [2]
El aluminio y el cobre se pueden fundir horizontalmente y se pueden fundir más fácilmente en formas casi netas , especialmente en tiras, debido a sus temperaturas de fusión más bajas.
Para poner en marcha una máquina de colada continua, hay que colocar una barra falsa (esencialmente, una viga metálica curvada) 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 se solidifica. Es muy importante garantizar el suministro de metal posteriormente para evitar paradas y reinicios innecesarios, conocidos como "paradas de servicio". Cada vez que la máquina de colada se detiene y se reinicia, se necesita una nueva artesa, ya que el metal que no se ha fundido en la artesa no se puede drenar y, en su lugar, se congela formando una "calavera". Para evitar paradas de servicio, el taller de fundición, incluidos los hornos de cuchara (si los hay), deben mantener un control estricto de la temperatura del metal, que puede variar drásticamente con las adiciones de aleación, la cobertura de escoria y el desescoriado, y el precalentamiento de la cuchara antes de que acepte el metal, entre 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 máquina de colada tiene múltiples líneas, una o más líneas pueden cerrarse para adaptarse a los retrasos anteriores. Se pueden programar paradas en una secuencia de producción si la temperatura de la artesa se vuelve demasiado alta después de una cierta cantidad de calentamientos o se alcanza la vida útil de un componente no reemplazable (es decir, la boquilla de entrada sumergida [SEN] en una máquina de colada de losas delgadas).
En la actualidad, muchas operaciones de colada continua están 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 el peso del metal, el caudal y la temperatura del metal caliente, y el controlador lógico programable (PLC) puede establecer la velocidad de extracción de las hebras mediante el control de velocidad de los rodillos de extracción. El flujo de metal hacia los moldes se puede controlar mediante tres métodos:
La velocidad general de colada 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 velocidad de oscilación del molde y la velocidad de alimentación del polvo de moldeo, así como el flujo de agua en los rociadores de enfriamiento dentro de la barra. El control por computadora también permite transmitir datos vitales de colada a otros centros de fabricación (en particular, los hornos de fabricación de acero), lo que permite ajustar sus velocidades de trabajo para evitar el "desbordamiento" o la "falta de producto".
Aunque 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 colada. Uno de los principales métodos por los que el metal caliente puede ensuciarse es por oxidación, que se produce 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 de la atmósfera tanto como sea posible. Para lograrlo, las superficies expuestas del metal líquido se cubren con las cubiertas 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 a 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 colada, el líquido está muy contaminado con oxígeno y los primeros artículos producidos normalmente se ponen en cuarentena o se desvían a clientes que no requieren material de primera calidad.
La fundición ascendente resuelve este problema al formar 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 rotura del metal líquido: por cualquier razón, 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 de la hebra y, por lo general, requiere un tiempo de inactividad prolongado que implica la eliminación del material derramado del interior del equipo de la hebra y/o el reemplazo de la maquinaria dañada. Una rotura generalmente se debe a que la pared de la capa es demasiado delgada para soportar la columna de líquido sobre ella, una condición que tiene varias causas fundamentales a menudo relacionadas con la gestión del calor. [6] El flujo inadecuado de agua de enfriamiento al molde o los aerosoles de enfriamiento de la hebra pueden provocar una eliminación inadecuada del calor del metal que se solidifica, lo que hace que la capa sólida se espese demasiado lentamente. Si la tasa de extracción de metal es demasiado rápida, la capa puede no tener tiempo para solidificarse hasta el espesor requerido incluso con aerosoles 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 más tarde de lo esperado; Si este punto está por debajo de los rodillos de enderezamiento, la carcasa puede romperse debido a las tensiones aplicadas durante el enderezamiento. También puede producirse una ruptura como resultado de irregularidades físicas o daños en la carcasa que se producen dentro del molde durante los segundos iniciales de solidificación. Una turbulencia excesiva dentro del molde puede provocar un patrón irregular de la carcasa que crece de forma anormal o puede atrapar gotas de escoria dentro de la carcasa, lo que reduce la resistencia de la pared. [7] Una ocurrencia común es que la carcasa se adhiera a la superficie del molde y se rompa; los moldes instrumentados modernos y los sistemas de control por ordenador suelen detectar esto y ralentizan la máquina de colada temporalmente para dejar que la pared se vuelva a congelar y curar mientras sigue sostenida en el molde. [8] Si el desgarro se produce cerca de la salida del molde o es de una gravedad inesperada, la carcasa 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 máquina de colada que correr el riesgo de una ruptura. 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, lo que inhibe la eliminación de calor y el crecimiento de la carcasa y aumenta 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 hará que el acero se "ahogue".
La dinámica de fluidos computacional y otras técnicas de flujo de fluidos se están utilizando ampliamente en el diseño de nuevas operaciones de colada continua, especialmente en la artesa de colada, para garantizar que se eliminen las inclusiones y la turbulencia del metal caliente, pero que todo el metal llegue al molde antes de que se enfríe demasiado. Pequeños ajustes en las condiciones de flujo dentro de la artesa de colada o del molde pueden significar la diferencia entre tasas altas y bajas de rechazo del producto.
La barra de arranque, también llamada barra ficticia, tiene una parte final libre que es flexible para el almacenamiento y una parte sustancialmente rígida en el extremo que tapona el molde. La barra de arranque está construida en bloques discretos fijados a un lado de una columna plana provista 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 de arranque se auto-soporte en una configuración curva correspondiente a la trayectoria de colada. Una columna más flexible en la parte final de la barra de arranque permite que la barra de arranque se curve a un radio más estrecho que el de la trayectoria de colada mientras que 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 una colada, las barras de arranque se introducen a través de la máquina de colada (en dirección inversa a la colada) utilizando actuadores hidráulicos. Una vez que se introducen hasta el fondo del molde, el proceso de llenado del molde puede continuar para garantizar un arranque suave.
La colada directa de láminas es un proceso de colada continua para producir láminas metálicas directamente a partir del estado fundido que minimiza la necesidad de un procesamiento secundario sustancial. Para las láminas de acero con bajo contenido de carbono, este es un proceso relativamente nuevo que solo ha logrado éxito comercial desde principios de la década de 2000. [9] [10]
La colada continua de doble banda es un proceso de colada continua que produce barras o tiras metálicas continuas de gran volumen con una sección transversal rectangular constante. La colada continua de doble banda emplea un molde móvil que consta de bandas de acero al carbono paralelas que se mantienen en tensión como superficies de colada superior e inferior. Cadenas de bloques rectangulares de acero o cobre que se mueven con las bandas y están espaciadas de acuerdo con el ancho de colada deseado forman los lados del molde.
El metal fundido se introduce en la máquina de colada continua de doble banda desde una artesa a través de una boquilla colocada entre las bandas de colada. El metal se enfría por contacto directo con las bandas, que a su vez se enfrían mediante agua recirculada a alta presión. Se pueden aplicar diversos revestimientos a las superficies de colada de las bandas para proporcionar las características de interfaz de molde requeridas y evitar la adhesión.
El metal fundido de la máquina de colada continua de doble cinta se sincroniza con un laminador en caliente y se alimenta directamente a él . La combinación de las operaciones de colada y laminación puede generar importantes ahorros de energía y costos en comparación con otros procesos de colada que incorporan etapas intermedias de colada y recalentamiento.
Metales fundidos en máquinas de colada continua de doble cinta: cobre (barra, tira, ánodo ), aluminio (tira), zinc (tira), plomo (tira)
Velocidades y tasas de producción: Las tasas de colada continua de doble cinta alcanzan hasta 60 toneladas por hora a velocidades de hasta 14 metros por minuto.
La colada continua de doble banda es un proceso de colada de forma casi neta , que reduce significativamente la necesidad de operaciones secundarias de laminado o conformado. Por ejemplo, al colar una placa de ánodo de cobre, la placa colada no se lamina, sino que se corta directamente en placas de ánodo distintas.
Las correas de enfriamiento suelen estar hechas de acero con bajo contenido de carbono y se mantienen bajo tensión dentro de la máquina de fundición para garantizar la planitud y la precisión. A medida que una correa "fría" ingresa a la región del molde, se calienta en la zona de fundición y está sujeta a fuerzas potentes causadas por la expansión térmica . Al fundir una tira ancha, estas fuerzas deben controlarse para eliminar el pandeo y reducir la distorsión térmica de la correa en la entrada del molde. Estas fuerzas se pueden controlar precalentando las correas antes de la entrada al molde o estabilizándolas magnéticamente una vez que han ingresado al molde.
Precalentamiento de la banda : para la colada de bandas anchas, se puede utilizar un sistema de precalentamiento de la banda para llevarla a 150 °C o más inmediatamente antes de entrar en el molde de colada, lo que reduce los efectos del enmarcado en frío. Se pueden utilizar bobinas de calentamiento por inducción en todo el ancho para precalentar cada banda. Además de evitar la distorsión térmica, la alta temperatura de precalentamiento sirve para eliminar cualquier humedad presente en la superficie de la banda.
Estabilización magnética: al fundir una tira ancha, se puede evitar la tendencia a la distorsión térmica localizada mediante el uso de rodillos de soporte de respaldo de correa magnética de alta resistencia dentro de la región del molde. La correa móvil se mantiene contra los rodillos de soporte mediante aletas giratorias magnetizadas que mantienen la correa en un plano.
En la máquina de colada continua de doble banda, el metal fundido se solidifica progresivamente en 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 externas que se solidifican. Los revestimientos de la banda, la textura y las modificaciones de la capa de gas se utilizan para ajustar con precisión la tasa de transferencia de calor del metal fundido a la banda. La solidificación de espesor completo puede ocurrir tan pronto como en el 30% del camino 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 rodillos.
Alimentación en baño cerrado: al fundir ciertos metales, como el aluminio, se puede emplear un sistema de alimentación de metal por “inyección” en baño completamente cerrado. En este caso, el metal se introduce bajo una ligera presión en la cavidad del molde cerrado. El flujo de metal se controla manteniendo un nivel preestablecido en la artesa. La boquilla de alimentación, o tobera, suele estar hecha de un material cerámico que es térmicamente estable y permeable a los gases que se liberan del 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 de la correa superior se desplaza aguas abajo de la polea inferior. El metal fluye a través de una artesa o canal abierto hacia una piscina estancada de metal fundido que se forma en la convergencia de las correas. Se pueden utilizar gases de protección para proteger contra la oxidación.
Conicidad del molde: La máquina de colada de doble banda se diferencia de otras máquinas de colada con molde móvil en que las cuatro superficies del molde son independientes. Esto permite que las superficies del molde se conicidaden para permanecer en contacto con el producto fundido a medida que se encoge. El agua de refrigeración a alta velocidad, que se aplica continuamente a la parte posterior de la banda, incide sobre la banda y crea una fuerza sobre ella. Esta fuerza actúa para presionar la banda contra la superficie de la tira o losa a medida que se encoge, manteniendo la banda 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 sostienen contra la tira fundida mediante guías ajustables accionadas por 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 utilizar indicadores de nivel de metal electromagnéticos sin contacto para detectar el nivel de la piscina en la máquina de fundición.
Fundición de flejes de aluminio o cobre: las máquinas comerciales de colada continua de flejes de doble cinta son capaces de producir dimensiones de flejes en bruto de entre 10 y 35 mm de espesor y hasta 2035 mm de ancho. Después de ser introducida directamente en un laminador en caliente, el fleje en bruto se lamina normalmente hasta obtener un fleje de entre 1 y 3 mm de espesor.
Fundición de barras de cobre: las dimensiones de las barras recién fundidas varían de 35 a 75 mm de espesor y de 50 a 150 mm de ancho. Después de ser introducidas directamente en un laminador en caliente, las barras recién fundidas se laminan normalmente en varillas de 8 mm de diámetro para su uso en trefilado.
Fundición de ánodos de cobre: Se añaden a la máquina de fundición de doble cinta bloques de dique especiales que contienen moldes de orejetas de ánodo y una cizalla hidráulica móvil para fundir de forma continua ánodos de cobre con forma neta. El ancho del ánodo es de aproximadamente 1 metro (sin orejetas) y los espesores van desde 16 mm hasta 45 mm. La principal ventaja de este proceso es la uniformidad del ánodo recién fundido en términos de tamaño y calidad de la superficie. Los ánodos fundidos 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.
