Colada Continua

COLADA CONTINUA INDICE 1.-Introducción…………………………………………………………………..……..….…3 1.-Introducción…………………………………………………………………..……..….…3 1.1.-Colada Continua ……………………………………………………… ...…………….. ...……………...4 .4 1.2Descripción del proceso……….. 1.2Descripción proceso………..…………………………...………….……… …………………………...………….……… .…...…5 1.3.-Comparación 1.3.-Comparación con colada en lingotera……………………………………… ...……7 1.4.-Ventajas 1.4.-Ventajas de la colada continua………………………………………………. continua……………………………………………… ..….….7 1.5 Elementos principales………………………………………………………….. .…….9 1.6 Descripción detallada del equipo…………………………………………………….9 1.6.1 Torreta portacucharas………………………… portacucharas………………………………………… …………………… ……..…………. ………….…...9 1.6.2 Cuchara de colada…………………………………………………………………… 10 1.6.3 Artesa distribuidora de colada c olada (“tundish”)………………………………… (“tundish”)……………………………………… ……11 11 1.6.4 Lingotera………………………………………………………….………………….. ..13 1.6.5 Sistema de refrigeración secundaria…………….………………… secundaria…………….……………………………….. ……………..14 14 1.6.6 Rodillos de arrastre………………………………………………………………..….14 1.6.7 Mecanismo de corte de barras…………………………………………………….. 14 1.6.8 Mesas de enfriamiento……………………………………………………………… ..14 1.7 Tipos de colada continua ……………………………………………………………. .15 2. METAURGIA DEL MOLDE..……………………………………….……………………………………………… MOLDE..……………………………………….……………………………………………… .18 2.1. Arena y mezcla para moldeo………………………………………………………... .18 2Moldeo para fundición…………………………………………………………………… .19 2.2.1. Tipos y clasificación de los modelos…modelos…-…………………………………………. ………………………………………….19 19 2.2.2. Maquina centrifugadoras de arena…………………………………………….….19 arena …………………………………………….….19 2.3.1 PARAMETROS IMPORTANTES ………………………………………………….…21 2.4. Parámetros de oscilación del molde molde ………………………………… …………………………………………….….24 ………….….24 2.4.1 PARAMETROS …………………………………………………………………………24 2.4.2 marcas de oscilación ………………………………………………………………….25 3.-Transmisión 3.-Transmisión del calor por convección en el acero líquido…………………………26 líquido…………………………26 3.1.-Conducción del calor en la capa de acero solidificada………….………….…….27 solidificada………….………….…….27 3.2.-ENFRIAMIENTO 3.2.-ENFRIAMIENTO SECUNDARIO…………………………………………………….… 28 3.2.1.-MECANISMOS 3.2.1.-MECANISMOS DE EXTRACCIÓN DE CALOR………………………………..…..29 3.3.-INFLUENCIA DEL ENFRIAMIENTO SECUNDARIO EN LA CALIDAD DE LOS PRODUCTOS……………………………………………………………………………….….33 4.- CONCLUSIONES…………………………………………………………….…………….34

Colada continua 2013 5.-Bibliografía 5.-Bibliografía …………………………………………………………………………...…… ..34

INTRODUCCION La industria siderúrgica mundial esta siendo sometida, en los últimos años, a una transformación radical, proceso éste que ha de verse acrecentado en las próximas décadas. En efecto, el proceso de globalización y transformación del mercado; con mayores exigencias de calidad, mucho más flexible y en constante evolución, debido a la aparición de nuevos e importantes países productores. La competencia de otros materiales como los plásticos, cerámicos y composites, así como la obligación de disminuir el consumo energético y las emisiones contaminantes, derivado esto último del protocolo de Kyoto, están haciendo desaparecer las reglas convencionales ó clásicas de competitividad y de mercado a las que estábamos acostumbrados .

1.COLADA CONTINÚA Este sistema es el más nuevo de los tres disponibles y fuente de la inmensa mayoría del tonelaje de acero fabricado en el mundo. El acero líquido se vierte en un molde sin fondo, cuya sección transversal es la misma que la del semiproducto que se desea fabricar: Desbastes y palanquillas de sección cuadrada, redondos y secciones especiales, planchas y chapas de pequeño espesor. Se llama continua porque el producto sale sin interrupción de la máquina hasta que la cuchara (o cucharas en caso de coladas secuenciales) ha vaciado todo el acero líquido que contiene. En la laminación las palanquillas son la base de partida para obtención de productos largos, mientras que los planchones originan los productos planos. Un porcentaje pequeño de las palanquillas obtenidas en colada continua (o de las barras obtenidas por laminación de ellas) constituye la materia prima para la fabricación de piezas estampadas. Así se obtiene piñonería de cajas de cambio para automoción, cubos de rueda de automóvil, manguetas de suspensión delantera, bielas, cigüeñales, árboles de levas y válvulas de motor de explosión, herramientas manuales de ferretería y agricultura, etc.

Introducción: Este sistema es responsable de casi todo el acero fabricado en la actualidad. Se basa en dos operaciones unitarias simultáneas: 1. Llenado ininterrumpido de caldo en una lingotera abierta por sus extremos superior  e inferior, construida en cobre y fuertemente refrigerada. Se genera una palanquilla o un llantón de acero que por contacto con las paredes de la lingotera da lugar a una superficie solidificada. Ésta es lo suficientemente resistente como para contener en su interior el metal líquido recién vertido. La sección recta del hueco de la lingotera tiene forma y dimensiones casi iguales que las que se desean para el perfil emergente. 2. Descenso paulatino y controlado de esta barra así formada que al solidificar  solidifica r  contrae y se separa de la lingotera, saliendo y continuando la solidificación en 1

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Colada continua 2013 contacto con el aire. La solidificación se acelera sometiéndole a chorros de agua enérgicos. La colada continua es un procedimiento siderúrgico en el que el acero líquido se vierte directamente en un molde de fondo abierto cuya sección transversal tiene la forma geométrica del semiproducto que se desea fabricar, a saber, desbastes y palanquillas de sección cuadrada (para obtención de “largos”), planchones de gran sección (para obtención de “planos”), redondos y secciones especiales, etc…Se llama “continua” porque el sem iproducto sale sin interrupción de la máquina hasta

que la cuchara ha vaciado todo el acero líquido que contiene. En el caso de “colada secuencial”, y como se verá más adelante, no hay una sola cuchara sino muchas, una a continuación de otra. Una instalación de colada continua puede ser  de una o varias “líneas”, tantas como lingoteras.

Haciendo un poco de historia, hay que remontarse a una patente invocada por Sir  Henry Bessemer en el año 1865. En aquellos tiempos los hornos altos, ya muy mejorados y potenciados, comenzaban a fabricar cantidades masivas de arrabio. El problema inmediato a resolver era la transformación, de todo ese arrabio en acero. Su genial convertidor de soplado de aire por el fondo resolvió el problema. El paso final lo constituía necesariamente llegar a un método rápido y eficiente de colada de las grandes cantidades de acero que se producían en los convertidores recién desarrollados. Ideó un dispositivo (figura 20) en el que se colaba el acero entre dos rodillos, refrigerados exteriormente por agua, que giraban en sentido contrario entre sí. Curiosamente, esta máquina constituye el fundamento de las más modernas de la actualidad, algunas aún en fase de desarrollo, enfocadas a la colada de slabs delgados para chapa. Encontró múltiples dificultades operativas que, unidas al atraso de la industria auxiliar y al escaso desarrollo de los métodos de refrigeración disponibles, hicieron fracasar el intento sin obtener un resultado industrial positivo.

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Figura 20 Esquema de la máquina de colada continua de Bessemer  Después de la Primera Guerra Mundial el ex-marino alemán Junghans comenzó sus experimentos, llevados a escala industrial con metales ligeros, hasta que en el período 1942-1947 se puso a estudiarlo para aplicarlo al acero, esta vez en colaboración con el italiano Rossi. A partir de 1950 y hasta 1954, Junghans en la República Federal Alemana y Rossi en Gran Bretaña, llevaron a escala industrial el proceso de colada continua vertical. A partir de ahí DEMAG construyó las instalaciones tipo Junghans y SCHLOEMANN - CONCAST las de tipo Rossi.

1.2Descripción del proceso: Las condiciones previas que debe cumplir el acero líquido para correcta colada son: Control de la temperatura que es más alta que la empleada para colada convencional en lingotera con objeto de compensar las pérdidas térmicas. En algunas instalaciones modernas se está homogeneizando esa temperatura mediante agitado inductivo o por argón. Desoxidación completa para evita defectos que afecten a la correcta solidificación del acero. Habitualmente hace uso del calmado al silicio en el caso de aceros de tamaño grueso de grano, mientras que con el calmado al aluminio se obtienen aceros de grano fino. Completa desulfuración del acero hasta quedar con bajos niveles de azufre, a fin de evitar la acumulación de obstrucciones en la buza así como la formación de grietas y defectos internos o superficiales en los semiproductos emergentes de la lingotera. La operación se inicia cerrando el fondo abierto de la lingotera por medio de un cabezal metálico que tiene la misma sección transversal que la lingotera. 3

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Colada continua 2013 Este cabezal, unido a una barra metálica larga (“falsa barra”) o un cable potente o cadena tapona el fondo de la lingotera y evita que el acero caiga en el vacío. La falsa barra se sujeta en toda su longitud por los rodillos de arrastre. A continuación se cuela el metal líquido de la cuchara a la artesa distribuidora (“tundish”). Cuando la cantidad de acero contenido en la artesa es suficiente para mantener  después la regularidad de la alimentación, se abren los orificios de colada y se deja que el chorro caiga en las lingoteras, las cuales van llenándose progresivamente gracias al taponamiento provocado por la falsa barra. Los chorros de colada de cuchara a artesa y de artesa a molde están protegidos con argón de la oxidación o mediante tubo de protección o buza sumergida. La lingotera está sometida a un rápido movimiento oscilante vertical que facilita el despegue y deslizamiento del acero solidificado. La solidificación del semiproducto en la lingotera refrigerada con agua comienza por el exterior y no es completa en la zona interna hasta después de un cierto tiempo. Cuando la barra en vías de solidificación sale del molde contiene metal fundido en su interior y entonces está constituída por una costra o piel exterior, ya solidificada, y por  una zona central donde el acero se encuentra todavía en estado líquido. La solidificación de la parte interna de la palanquilla o llantón se completa fuera del molde por la acción de gran cantidad de agua pulverizada a presión. Esta fase de la operación recibe el nombre de “refrigeración secundaria”. Se realiza con chorros de agua y suele terminar poco antes que todo el acero del interior de la barra se haya solidificado. En este momento, comienza el enfriamiento al aire. La barra no se pone en contacto con el mecanismo de arrastre constituido por rodillos comandados hasta que la solidificación en el interior es completa. En las coladas continuas curvas los rodillos de arrastre son a la vez rodillos enderezadores. Después de abandonar esta zona, el semiproducto se corta a la longitud prevista y se traslada a los lugares de almacenamiento o a los hornos de recalentamiento para su laminación posterior hasta producto terminado. Los mejores resultados de las máquinas de colada continua se obtienen con palanquillas o slabs de 150 a 250 mm de espesor, aunque también se trabaja con medidas mayores o más pequeñas. La producción de una línea de colada continua está en el rango de 10 / 20 toneladas a la hora en las máquinas de alta velocidad y 100 / 200 toneladas a la hora en las máquinas de desbastes planos de gran sección. Para conocer las características y posibilidades de producción de máquinas de colada continua o para proyectar el tipo de máquina que hay que instalar para una determinada producción y perfil, es interesante el ábaco de la figura 21. Conociendo la sección de las barras que se desea fabricar se pueden hallar en este gráfico las soluciones más convenientes.

1.3.-Comparación con colada en lingotera: El antiguo método consistente en la colada de los aceros en lingoteras y laminación posterior de los lingotes ha sido el sistema tradicional empleado para la fabricación de palanquillas durante los 100 años transcurridos aproximadamente desde el descubrimiento del convertidor Bessemer hasta mediados del siglo XX. Consta de las siguientes fases: 4

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1) Colada del acero desde la cuchara a las lingoteras, desmoldeo, obtención de los lingotes de acero y reposición de las lingoteras. 2) Transformación de esos lingotes por laminación en grandes trenes denominados “trenes blooming” o “trenes slabing” en productos o perfiles intermedios. Estos perfiles se llaman, según su forma, “palanquillas” (“blooms”) cuando son de sección aproximadamente cuadrada de 50 a 300 mm de lado y “llantones” (“slabs”) cuando son de sección rectangular variable en los rangos de 50 x 200 y 300 x 1000 mm o mayores. 3) Laminación de las palanquillas o llantones (planchones) en trenes comerciales para obtener las barras, perfiles, alambres, chapas o flejes de las medidas deseadas. Una instalación de colada tradicional en lingoteras exige, aparte de equipos pesados y caros, el trabajo de 100 operarios. En cambio, una máquina de colada continua de la misma producción demanda sólo 30, aproximadamente.

1.4.-Ventajas de la colada continua:

La calidad del acero de colada continua correctamente procesado satisface los requisitos exigibles a un material de calidad homogénea, libre de defectos internos y con buen acabado superficial. Presenta las siguientes ventajas en comparación con la colada tradicional en lingoteras: -Eliminación del proceso intermedio de laminación de lingotes hasta desbastes o productos intermedios, evitando así las operaciones y costes derivados de este proceso. Disminución sensible de la cantidad de mano de obra necesaria en comparación con la empleada en la colada convencional en lingoteras. Mayor productividad. Eliminación de factores de coste tan importantes como son los fosos para lingoteras, su preparación y las operaciones de desmoldeo y limpieza, así como los costosos trenes blooming - slabbing y equipos auxiliares. Importante reducción del consumo de energía al no ser necesaria la operación de recalentamiento de lingotes en los hornos “pit” o de fosa. Mayor rendimiento metálico del acero líquido, expresado como la relación existente entre el peso del semiproducto útil obtenido y el total del acero líquido colado en la máquina. Supresión del rechupe, que solamente se producirá en el extremo final de la barra. El trabajo en secuencia, en el que cada cuchara entra cuando se vacía la anterior, aumenta el rendimiento y productividad a la vez que reduce los costos de refractario y consumibles. Reducción del tiempo transcurrido entre la elaboración del acero líquido y la obtención del semiproducto que se va a laminar en caliente. Mejor calidad superficial de los productos, con supresión de los costes ocasionados por los esmerilados y escarpados. Producto uniforme, libre de segregaciones y con mejor calidad interna. La rapidez del enfriamiento no deja tiempo suficiente para que se segreguen los elementos aleados. De esta manera se obtienen productos de una gran homogeneidad, que lleva consigo mayor uniformidad en las propiedades físicas, químicas y mecánicas, tanto longitudinal como transversal. 5

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Colada continua 2013 La aplicación de la informática al control del proceso garantiza una gran regularidad de los productos y permite cumplir de forma eficaz con los patrones modernos de calidad. En resumen, el proceso de colada continua implica menores costes de fabricación por cada tonelada de producto fabricado y una calidad normalmente superior a la obtenida con los procesos convencionales en lingotera. Estas ventajas técnicas y económicas explican el crecimiento permanente de este proceso. Se ha pasado de un 3 % del total de acero fabricado al final de la década de los sesenta hasta un valor próximo al 100 % al final del siglo XX. Hay excepciones: La fabricación de productos de gran tamaño para forja, cuyas dimensiones impiden fabricarlos por colada continua.  Algunos aceros especiales de alta aleación. Las piezas moldeadas de acero. colada continua comenzó a funcionar en España en el año 1960 con 3000 toneladas anuales, lo que suponía un 0,2 % anual. En el año 1996 el porcentaje de acero colado en continuo alcanzó el 96 %.

1.5 Elementos principales: Desde la zona superior de una máquina de colada continua, en la que se emplaza la cuchara de acero, hasta la zona inferior por la cual se extraen los semiproductos, la instalación consta de: 1- Cuchara de colada que contiene el acero y que se encuentra posicionada en un asentamiento adecuado, que es móvil cuando se trabaja en secuencia.

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Colada continua 2013 2-  Artesa (“tundish”) distribuidora, recipiente intermedio que recibe el chorro de acero de la cuchara, lo mantiene durante cierto tiempo y lo distribuye entre las distintas líneas, regulando su caudal. 3- Lingotera, generalmente de cobre, con circulación interna de agua de refrigeración, que sirve para crear la primera capa solidificada y a partir de ahí dar  forma externa al producto final. Es la refrigeración primaria. 4- Oscilador, que durante el proceso de colada obliga a la lingotera a moverse alternativamente hacia arriba y hacia abajo, según un ciclo determinado, con el fin de que se despegue de la pared la costra cristalizada que se ha formado como consecuencia de la refrigeración primaria. 5- Sistema de refrigeración secundaria, constituido por enérgicas duchas de agua que al impactar contra la superficie exterior del acero la enfrían y continúan evacuando el calor necesario para la solidificación total del semiproducto. 6- Zona de enfriamiento por aire. 7- Los rodillos de arrastre, que conducen y guían el semiproducto. Están accionados automáticamente. Además, estos rodillos efectúan el curvado y posterior  enderezado de la barra solidificada. 8- Mecanismos de corte (sopletes o cizallas) que trocean el producto a las longitudes deseadas. 9- Sistemas de manipulación de los semiproductos producidos. En resumen puede decirse que el funcionamiento de la colada continua se basa en la obtención en la lingotera oscilante, por medio de una refrigeración muy rápida, de una piel de acero sólida y resisten te. Este “tubo” ha de ser capaz de contener en su interior el acero líquido hasta su solidificación total sin romperse o agrietarse. El conjunto de todos estos componentes forma lo que se llama una línea de colada continua, pero lo usual es que estas instalaciones estén formadas por varias de estas líneas. 1.6 Descripción detallada del equipo:  A continuación se revisan con más detenimiento los elementos principales que componen una instalación de colada continua, comenzando por la parte superior, inicial del proceso, y terminando por la inferior o de salida. 1.6.1 Torreta portacucharas Se ha progresado mucho en los últimos tiempos al adoptar la colada ininterrumpida del metal (“sequence casting” o “colada secuencial”), descargando sucesivamente las cucharas de tal manera que la colada puede continuar sin que se vacíe la artesa. De esta forma se evita la necesidad de parar la máquina cuando se agota el contenido de cada cuchara. La torreta portacucharas es una estructura giratoria emplazada sobre la vertical de la artesa. En ella hay dos cucharas; una de ellas, cuchara 1, está alimentando de caldo a la artesa de colada y la otra, cuchara 2, está llena y en espera. Cuando se agota la 1, la torreta gira 180º alrededor de su eje vertical, quedando la 2 sobre la artesa y alimentándola de acero líquido. La 1 pasa a colocarse en la zona activa bajo puente grúa. Éste se la lleva a la zona de reparación de cucharas. La 1 es sustituída por otra llena y en reserva (figuras 26). 7

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Figura 25 Torreta giratoria de dos brazos

1.6.2 Cuchara de colada Es el recipiente que recibe el acero procedente del horno fusor o de la Metalurgia Secundaria y lo vacía en la artesa de la máquina de colada continua. Está revestida de material refractario (preferentemente magnésico) y aislante térmico. La salida de caldo es a través de la buza situada en la parte inferior de la cuchara; se utilizan buzas de corredera o revólver, en preferencia a las de vástago (figuras 3, 4, 5 y 6). En los primeros tiempos de la colada continua, sobre todo en el caso de colada de metales no férreos, se emplearon las mismas cucharas de teterasifón (figura 2) que las utilizadas en fundición de moldeo. Estas cucharas separan la escoria y permiten controlar el caudal de caldo que cae a la artesa; sin embargo, en las actuales cucharas de gran capacidad, mayor de 100 t, este sistema no es practicable. En algunas máquinas se emplearon hornos de inducción para alimentar a la artesa. Las cucharas han de precalentarse eficientemente antes de utilizarse, tal como se indicó en capítulo anterior. En la actualidad, y para evitar reoxidación, el chorro de acero que sale de la cuchara lo hace protegido del contacto con el aire mediante el sistema de buza sumergida. Esta buza está fabricada con un refractario cerámico (figura 27).

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1.6.3 Artesa distribuidora de colada (“tundish”) Es uno de los elementos fundamentales de la colada continua y sirve para suministrar  a las lingoteras un chorro continuo y homogéneo de acero a una velocidad constante. La artesa recibe el chorro de acero de la cuchara de colada, lo acumula durante un corto período de tiempo y lo distribuye con gran uniformidad en las lingoteras de las respectivas líneas de colada En la figura 28 se tiene la imagen fotográfica del conjunto. Las artesas tienen uno, dos, tres, cuatro o más orificios de salida, según sea el número de ramas que tiene la colada. Hay grandes instalaciones que llegan a tener 8 líneas. La artesa sirve para conseguir la eliminación de la pequeña cantidad de escoria que siempre cubre el acero líquido. La regulación de salida del acero de la artesa a la lingotera debe hacerse con extraordinaria precisión. Hay sistemas bastante diferentes. Las artesas tienen generalmente buzas y tapones, que se mueven a mano o por mando a distancia, y cuyo objeto es conseguir un nivel de acero constante y adecuado en la lingotera. En las figuras 29 y 30 se muestran esquemas de artesas con las distintas posibilidades de salida: tapón o guillotina y buza atmosférica o sumergida. Las artesas de coladas para palanquillas pequeñas no tienen tapón. En este caso, el mantenimiento del nivel de acero en la artesa se asegura regulando la salida del acero de la cuchara a la artesa por accionamiento del tapón de la cuchara. En estas coladas la regulación adecuada del nivel de acero en las lingoteras se asegura también aumentando o disminuyendo la velocidad de salida de la barra de acero solidificado, lo que se consigue modificando la frecuencia de las oscilaciones de la lingotera metálica refrigerada.

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Figura 29 Colada continua. Buza sumergida

Figura 30 Sistema Didier-Werke de buzas en colada continua En las artesas de colada para grandes palanquillas se emplea el clásico sistema de cierre de tapón y buza para abrir o cerrar el paso del acero. Recientemente se han comenzado a emplear en algunos talleres buzas deslizantes, así  como sistema de protección antioxidante con tubos telescópicos o fuelles, con protección de argón, así como buzas sumergidas.

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1.6.4 Lingotera. Las lingoteras, siempre refrigeradas por agua, son de cobre, bien pulidas en su interior, y adoptan la forma de un tubo sin fondo. Su longitud o altura varía de 500 a 800 mm. Para las primeras máquinas, las lingoteras se fabricaron utilizando bloques de cobre, forjados o moldeados, que se mecanizaban totalmente, dejando un hueco central para la colada y posterior solidificación del acero. Las paredes resultantes son relativamente gruesas, con una red de orificios perforados por los que circula el agua de refrigeración. Se perforan longitudinalmente, quedando una serie de agujeros con canales de comunicación que luego se taponan en los extremos y sirven para el paso del agua de refrigeración del molde (figura 33).

Figura 33 Lingotera monolítica para colada continua Estas lingoteras macizas tienen el defecto de ser muy pesadas y caras. Son adecuadas para la colada de secciones medianas y grandes aunque para estas últimas resultan demasiado pesadas y, por otra parte, la deformación de sus paredes tiende a ser grande. Después se han fabricado lingoteras compuestas. Se utiliza tubo de cobre de 5 a 12 mm de espesor cuyo interior tiene la forma y medidas del perfil que se desea obtener. Hay una serie de chapas de acero que forman los cámaras de refrigeración alrededor  del tubo. Las lingoteras tubulares son las preferidas para la colada de secciones 11

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Colada continua 2013 pequeñas, especialmente palanquillas, a elevadas velocidades. Son menos pesadas y menos caras que las macizas, y en la actualidad son las más usadas.

1.6.5 Sistema de refrigeración secundaria En la zona de enfriamiento secundario se completa la solidificación interna de la barra y, por tanto, las condiciones de enfriamiento que determinan la calidad metalúrgica interna. Sirve para que se complete, en un tiempo prudencial, la solidificación del acero de la zona central de la barra que sale del molde metálico. Su funcionamiento tiene una influencia considerable sobre la calidad interna del acero. La calidad superficial depende, en cambio, del primer enfriamiento del acero en la lingotera. Para evitar que el agua produzca una refrigeración demasiado enérgica de la barra, se proyecta en forma pulverizada. El reglaje de esta refrigeración exige un cuidado muy particular, y el control de la misma es importantísimo en la colada continua. Se emplean boquillas rociadoras de agua de muchos tipos y capacidades diferentes. Principalmente se prefieren las de cono hueco, cono macizo o chorro en abanico. La mayoría de las instalaciones llevan incorporados rodillos-guía o rodillos-soporte para sujeción, en especial para las secciones más grandes, y para facilitar la colocación de las boquillas citadas. 1.6.6 Rodillos de arrastre Tienen por objeto conducir y guiar la barra, asegurando el descenso a la velocidad deseada. Consta de una serie de rodillos accionados automáticamente que ejercen sobre el perfil una cierta presión y facilitan su descenso en la dirección adecuada. Las coladas curvas tienen, además, unos rodillos dispuestos en lugar adecuado para doblar la barra 90º cuando se encuentra ya el acero completamente solidificado, haciendo avanzar a la barra horizontalmente (figuras 22, 23 y 36). El perfil se curva y pasa después por cilindros enderezadores en sentido horizontal, o a lo largo de una caída inclinada en el caso de que la máquina haya sido instalada en parte por debajo del nivel del suelo. Se han construido máquinas que incorporan la descarga en curva para la colada de perfiles bastante grandes, siendo los tamaños mayores recomendados los cuadrados de hasta unas 9 pulgadas cuadradas y los desbastes (llantones) de hasta aproximadamente 10 ó 12 pulgadas de espesor. 1.6.7 Mecanismo de corte de barras  Actúa sobre la barra que de una forma continua avanza en la instalación. El dispositivo de corte se desplaza en azimut con relación a la dirección de movimiento del conjunto con el objeto de que el corte sea perfectamente perpendicular a la línea longitudinal del semiproducto y no haya necesidad de hacer despunte del extremo cortado de cada elemento de barra. El método más utilizado consiste en el corte oxiacetilénico; hoy día el acetileno ha sido sustituído por el propano o gas natural (oxigás); también se emplean discos de corte o cuchillas móviles especiales. En la actualidad comienza a ensayarse el plasma, especialmente en aceros muy aleados. En aceros inoxidables, resistentes al soplete, se emplea polvo de hierro que se inyecta con oxígeno; la oxicombustión del hierro pirofórico genera el calor concentrado necesario para el corte de la barra o slab. 1.6.8 Mesas de enfriamiento

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Colada continua 2013 Son sistemas combinados que recogen los perfiles cortados, efectúan su enfriamiento sin que haya deformación y los almacenan. Una vez clasificados y controlados los envían a los trenes de laminación. Están formados por mesas de rodillos movidos por  motores eléctricos. 1.7 Tipos de colada continua Las máquinas de colada continua han ido evolucionando en su construcción (figura 36), pasando de las primeras completamente verticales hasta máquinas que han disminuido notablemente su altura. En estas últimas el semiproducto se cuela en una lingotera curva y solidifica con un radio determinado de curvatura, volviendo después de su solidificación total a enderezarse para el corte final.  Algunas máquinas modernas para aceros especiales de alta calidad mantienen el concepto de verticalidad en su totalidad para alcanzar la calidad metalúrgica durante la solidificación del producto.

a) Colada continua vertical: Es el primer sistema que se utilizó, especialmente para aleaciones no férreas (figuras 36 y 37). En ella, al final del recorrido vertical se cortan las palanquillas, todavía muy calientes, por medio de un soplete y luego se voltean, son puestas en posición horizontal y arrastradas con un juego de rodillos hasta la zona de almacenaje. Tiene la desventaja que exige naves de gran altura, unos 30 m.

b) Vertical, con curvado y enderezado posteriores: Con objeto de evitar la extraordinaria altura que debían tener los edificios para alojar a las primeras máquinas de colada continua, se ha desarrollado este sistema, en el que doblando las palanquillas cuando ya está bien solidificado el acero, se obtienen buenos resultados y se consigue reducir la altura total de la instalación (figura 36). c) Vertical, con curvado a la salida del molde: Se caracteriza porque el doblado de la palanquilla comienza a la salida del molde, en la zona de refrigeración secundaria, mientras el corazón está todavía en estado líquido (figura 36). Se diferencia del modelo anterior en que en aquél el enfriamiento secundario se hace en una zona recta y en este caso es en la curva. d) Molde curvo y enderezado posterior: Esta instalación es la de menor altura de las convencionales y que se ha desarrollado más recientemente. En este sistema el molde metálico es curvo y la fase de enfriamiento secundario se realiza sobre palanquilla curva que luego, por medio de los rodillos enderezadores, se transforma en barras rectas (figuras 23, 36, 38 y 39). e) Colada continua horizontal: Ya a mediados del siglo XIX Sellers y Bessemer  intentaron desarrollar una máquina de colada continua horizontal, y desde entonces los metalúrgicos de todo el mundo han trabajado en este proceso. Las primeras máquinas (año 1930) se diseñaron para colada continua de metales no férreos o fundiciones grises laminares o nodulares . Cuando se intentaron utilizar  para colada de acero surgió el problema de la disolución del grafito que se empleaba como material del molde. Son equipos dúplex con un horno de inducción de crisol o canal para fusión primaria que alimenta a un horno de canal en cuya pared vertical se encuentra incrustada la lingotera refrigerada de salida

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Figura 40 Hornos de inducción para dúplex de colada continua  Actualmente están, en desarrollo o en producción, máquinas para colada horizontal de acero. En una de ellas la artesa tiene calentamiento por inducción y agitación por  argón. En la otra (figura 42) el calentamiento es por electrodo bajo electro escoria, con agitación por gas argón, y molde con agitación homogeneizadora inductiva. Con esta solución se ha llegado a un gran abaratamiento de las naves de colada y sus sistemas de transportes y manipulación. Entre otras, este sistema presenta las siguientes ventajas: En artesas grandes, posibilidad de tratamiento metalúrgico antes del comienzo de la colada. Colada isotérmica durante largo período de tiempo. Posibilidad de colar casi en transición líquido-sólido. Estructura constante de principio a fin. En artesas grandes, número de palanquillas independiente del volumen de baño. Componentes y características principales del equipo: El empleo de tundish, agitadores electromagnéticos, cizallas o torchos de polvo exotérmico para corte, así como las mesas de enfriamiento, son similares a los de las máquinas de colada vertical, aunque la cizalla es de construcción especial. Sin embargo, las diferencias incluyen la adición de cierre de corredera, tipo especial de molde y extractor de la palanquilla. a) Cierre de corredera. Es necesario instalar un cierre de corredera en una máquina de varias líneas y resulta ventajoso instalarlo en una de una sola línea. Al principio aparecieron diversos problemas: El posicionamiento vertical de la corredera originaba dificultades

b) Molde. En las máquinas horizontales de colada continua se emplean dos tipos de molde, como son el largo y el corto. Molde largo, de 400  – 1000 mm de longitud, puede hacerse de sólo cobre o de una combinación de cobre y grafito. Este tipo de molde tiene conicidad pero no lleva partes móviles. Como los aceros de baja y alta aleación necesitan grados diferentes de conicidad, es necesario mantener un stock apreciable de moldes para tener condiciones específicas adecuadas de transferencia térmica durante la colada. Con el molde corto se consigue 14

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Colada continua 2013 enfriamiento más eficiente. El molde se construye con cobre y tiene varios postenfriadores. Éstos se aprietan con muelles o hidráulicamente, con lo que se consigue mejor contacto con la línea que con molde largo. Se alcanza una mejor y más uniforme transferencia térmica alrededor de toda la superficie de la línea. La superficie de enfriamiento de los post-enfriadores puede fabricarse de cobre, grafito o combinación de ambos con otros materiales de buena conductividad térmica. c) Extracto. Los ciclos de movimiento y pausa requieren un dispositivo extractor  especial para obtener superficie óptima de la palanquilla. El mecanismo de movimiento desarrollado por Steel Casting Engineering emplea un motor de par de corriente continua montado en el eje del rodillo de arrastre. Todo el conjunto está controlado por osciloscopio y microprocesador. d) Calidad superficial. La superficie de la barra colada tiene una importancia decisiva en el procesado siguiente. Una superficie típica de línea tiene marcas de oscilación / cristalización en ángulos rectos a la dirección de colada. En aceros de alta aleación estas marcas de cristalización son claramente visibles; en los de baja aleación son menos aparentes debido al efecto enmascarador del óxido superficial. e) Limpieza. El material obtenido en estas máquinas tiene una limpieza muy superior  al obtenido en lingotera antigua convencional. f) Colada continua precisa: Con objeto de reducir las transformaciones en caliente de los productos se están colando en la máquina de colada continua formas cada vez más ajustadas al producto final, mediante la aplicación de las tecnologías denominadas Near Net Shape Casting Process (NNSC) o Compact Strip Production (CSP). Especial mención de esta tendencia tecnológica es la fabricación de productos con sección en forma de “hueso de perro” (“beam blank”) para la fabricación de grandes perfiles estructurales, como dobles “T”, o la fabricación en colada-laminación directa de bobinas en caliente. El cuadro sinóptico de la figura 44 muestra las alternativas modernas que se ofrecen para la fabricación de semiproductos destinados a laminación de planos. En la figura 45 se ve en esquema el tundish, buza sumergida y lingotera de una máquina para slab fino.

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2. METAURGIA DEL MOLDE En la metalurgia del molde, se utilizan diferentes tipos de arena para fabricar moldes para la fundición, a continuación se presenta algunas formas de moldeo. 2.1. Arena y mezcla para moldeo La arena es el material básico que emplea el moldeador para confeccionar sus moldes, para los diversos tipos de metales y aleaciones que usualmente se producen en los talleres y fabricas de producción. La planta centralizadora de arena ubicada en un taller o fabrica suministra arenas ya preparadas mediante un sistema de cintas transportadoras a las distintas secciones del moldeo, a través de los depósitos y tolvas de almacenaje, situados en mayor altura y que reciben continuamente la arena usada para acondicionarla nuevamente. Distintos tipos de arenas para moldeo:  Arena Verde: es una arena húmeda, es decir, que se ha secado.  Arena seca: es aquella a la que se le ha eliminado toda la humedad antes de efectuar la colada, mediante el secado de enfurtas.  Arenas de revestimiento o de contacto: es la que se apisona contra la cara del moldeo y una vez extraído este, formará la capa interna del molde.  Arena de relleno: procede de los moldes ya colados y vuelve nuevamente a utilizarse después de preparada para rellenar el molde durante el moldeado. Otros tipos de arena son:     

Arena negra Arena sintética Arena naturales Arena para machos Arena al aceite.

2.- Moldeo para fundición Materiales para moldeo: Para la confección de modelos se emplean materiales muy variados como son:       

Maderas los metales blandos las aleaciones de aluminio el hierro el latón el yeyo los plásticos, la goma y otros compuestos.

Cada material tiene características especiales que deben tenerse en cuenta al emplearse en un modelo. 16

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Colada continua 2013 2.2.1. Tipos y clasificación de los modelos: Los modelos como su nombre lo indica son la representación genérica de las piezas y están destinados a reproducir en negativo su forma en el molde de arena, para luego ser llenado con aleación liquida y obtener la representación real de una pieza o perfil deseado.     

Modelos enterizos sencillos. Modelos enterizos complejos. Modelos divididos o partidos. Modelos divididos complejos. Modelos internos o caja de macho.

2.2.2. Maquina centrifugadoras de arena: Se basan todas en el mismo principio; lanzar al espacio por un mecanismo cualquiera la arena que se quiera desmenuzar, de modo que tal partes gruesas se desintegran por la acción de la resistencia. Tipos: -

Desintegrado centrifugo.

-

Centrifugador de cinta.

2.3. Polvo colador  El polvo colador es una escoria sintética continuamente alimentada a la superficie del baño líquido durante la colada. El polvo se funde y fluye hacia abajo entre las paredes del molde y la cáscara de la barra. Elegir el polvo colador correcto para el molde es una elección crítica para garantizar una calidad superficial lo suficientemente buena del material de colada. El polvo elegido influencia principalmente la profundidad de la marca de oscilación y el consumo de polvo colador. La función de los polvos de colada es la siguiente:  Actuar como lubricante entre la barra y el molde Mejorar la transferencia de calor desde la barra hasta el molde Brindar aislación térmica de la capa superficial del baño líquido Proteger el acero líquido de la re-oxidación  Absorber las inclusiones que se eleven a la superficie del metal

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Colada continua 2013 Gráfico 6-5 muestra la disposición general del polvo colador de colada continua. El polvo colador es agregado encima del acero líquido en el molde. El polvo se funde e infiltra en el espacio entre molde/barra del menisco. Esta infiltración es el proceso clave de la colada continua ya que es necesario para garantizar tanto una buena lubricación como una transferencia uniforme de calor entre la barra y el molde.

2.3.1 PARAMETROS IMPORTANTES El consumo del polvo colador no sólo depende del tipo de polvo elegido sino también de los parámetros de oscilación y de la velocidad de colada. Este consumo se mide en masa por unidad de área de la superficie de la barra, por ejemplo kg m-2. Teniendo en cuenta que el polvo fundido en el molde es bombeado por el movimiento oscilante del molde dentro de la separación del molde/ barra, los parámetros de oscilación tienen una influencia esencial en el consumo de polvo colador.

Existe gran diversidad de opiniones en la literatura disponible acerca de las 18

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Colada continua 2013 relaciones adecuadas para el consumo de polvo colador. Entre otras, Steinrück et al demostraron que el consumo de polvo colador aumenta cuando mayor es la oscilación:

     √    

Donde: Q = consumo de polvo colador por unidad de área,  tN = tiempo de desmolde negativo, s η = viscosidad del polvo colador, Pa.s

vC = velocidad de colada,   Un valor de consumo de polvo del molde demasiado bajo provocará el pegado de la pieza en el molde, resultando en una rotura. A fin de evitar esto, el valor de consumo de polvo debería ser superior a 0.30 kg.m-2 excepto en el caso del acero para construcción mecánica donde 0.15 kg m-2 es adecuado. Una de las propiedades más importantes del polvo colador es la temperatura de incremento de viscosidad. La misma se define como la temperatura crítica a partir de la cual la viscosidad del polvo aumenta drásticamente, es decir, el punto donde la lubricación del líquido comienza a ceder. Gráfico 6-6 muestra como el aumento de viscosidad varía de acuerdo a las diferentes velocidades de colada. Un grado sensible a la fisura debería colarse utilizando polvo de colada A o B para proporcionar las mejores condiciones posibles mientras que los grados susceptibles al pegado deberían colarse utilizando polvo de tipo C o D. La Tabla 6 6 contiene información sobre materiales y costos para los cinco tip0s diferentes de polvos coladores en el molde que pueden ser utilizados

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Colada continua 2013 2.4. Parámetros de oscilación del molde Se utiliza un molde oscilante principalmente para reducir la fricción entre la pared del molde y la cáscara de la barra. Esto se hace más fácil por el flujo inducido de polvo en el molde desde el menisco, en forma descendente por la separación entre la cáscara de la barra y las placas del molde.

2.4.1 PARAMETROS Carrera del molde, S [mm]: Normalmente, la carrera del molde varía entre 3 y 10 mm. Si se incrementa la carrera del molde, el tiempo de desmolde (ver abajo) aumenta proporcionalmente. Por lo tanto, la profundidad de las marcas de oscilación y el consumo de polvo colador también aumentan. Frecuencia, f [min-1]: Los osciladores de molde hidráulicos estándar realizan frecuencias de entre 100 y 250 ciclos por minuto. Si se incrementa la frecuencia, el tiempo de desmolde negativo disminuye, por lo tanto, la profundidad de las marcas de oscilación y el consumo de polvo colador disminuyen también. Tiempo de desmolde negativo, tN [s]: El tiempo de desmolde negativo es el período donde la velocidad descendente del molde es mayor que la velocidad de colada, dado por:

 

    

donde: f = frecuencia, min-1 S = carrera del molde, mm Vcast = velocidad de colada, m.min -1 Profundidad de la marca de oscilación, d [mm]: Profundidad de la marca de oscilación, d [mm]: Si bien la oscilación del molde es una necesidad para la colada continua también disminuye la calidad superficial debido a las conocidas marcas de oscilación. La superficie de las coladas en continuo está caracterizada por la presencia de marcas de oscilación que se forman periódicamente en el menisco debido a la oscilación del molde. Tienen una influencia importante en la calidad superficial ya que frecuentemente son el origen de las fisuras transversales.

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Colada continua 2013 La profundidad de la marca de oscilación depende del polvo colador, la carrera del molde, la frecuencia de oscilación y la velocidad de colada elegidos:

           donde: tN = tiempo de desmolde negativo, s 2.4.2 marcas de oscilación Gráfico 6-4 muestra el mecanismo de formación de las marcas de oscilación. La parte superior del gráfico muestra la posición del molde que varía con el tiempo. El mecanismo de formación de las marcas de oscilación está explicado en la parte inferior del gráfico. El tiempo de desmolde (áreas sombreadas) es el principal factor  de influencia para la formación de marcas de oscilación. El incremento de tiempo de desmolde está acompañado por mayor profundidad de las marcas de oscilación.

 A fin de minimizar la profundidad de las marcas de oscilación es esencial optimizar  correctamente los parámetros de oscilación. El tiempo de desmolde debería estar lo más cerca posible a los 0.11 s junto con una oscilación del molde que resulte en la menor profundidad posible de marcas de oscilación.

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Colada continua 2013 Nótese que la profundidad de la marca de oscilación es de 0.25 mm para el acero de ultra-bajo carbono, mientras que una profundidad de 0.60 mm es aceptable para los demás grados de acero.

3.-Transmisión del calor por convección en el acero líquido. La transferencia de calor por convección en el frente de solidificación se puede calcular si se conoce el coeficiente de transferencia correspondiente. Una forma sugerida (3 y 4) para estimar este coeficiente consiste en aplicar la correlación derivada (5) para flujos de fluidos paralelos a una placa plana (ver  Notación al final del trabajo):

 Aplicando esta ecuación y suponiendo una velocidad del fluido de 0,3 m/s, Alberny obtuvo un valor del coeficiente de transferencia del orden Sin embargo, esta expresión es válida para valores del número de Prandtl comprendidos entre 0,6 y 50. Normalmente, los metales líquidos caen fuera de este rango de validez, por lo que se puede lograr una aproximación mejor utilizando correlaciones derivadas para intervalos de número de Prandtl más amplios. En este sentido, Etienne y Birat y col. utilizaron la ecuación de Seban y Shimazaki para estimar el coeficiente de transferencia en el caso de metales líquidos que circulan por el interior de tuberías: Nakato y col. emplearon una expresión diferente para estimar el coeficiente de transferencia, suponiendo el caso de una corriente de líquido impactando sobre una superficie vertical. Larrecq y col. estimaron el coeficiente de convección en el frente de solidificación combinando experiencias con radios trazadores para determinar el espesor  solidificado y un modelo matemático del proceso. Los resultados muestran que el coeficiente de transferencia depende, entre otros factores, de la posición considerada y de la velocidad de colada. En todos los casos, y cualquiera que sea la correlación empleada para determinar el coeficiente de transferencia, es necesario conocer la distribución de velocidades en la pileta líquida. Por lo tanto, una descripción rigurosa del problema requiere el acoplamiento de las ecuaciones de movimiento de fluidos (ecuaciones de NavierStokes) con las de transmisión de calor. Szekely y cois. Propusieron una aproximación para el caso de la colada continua. Recientemente, se han empleado modelos más sofisticados que permiten conocer la distribución de velocidades y temperaturas en el acero líquido.

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Colada continua 2013 Sin embargo, la aplicación de estos modelos, que incluyen la descripción del movimiento de fluidos, presenta gran complejidad y requiere bastante tiempo para su informatización. Una forma de simplificar el problema, adoptada por diversos investigadores, es la de tratar el acero líquido como un sólido con una conductividad térmica efectiva varias veces superior al valor real. Si bien este método ha sido cuestionado (15 y 16), se ha empleado con buenos resultados en numerosas oportunidades. La conductividad efectiva en el acero líquido se puede estimar, entonces, según: donde ks es la conductividad del acero a la temperatura de solidus. El valor  adoptado para el factor de incremento (£5ef) es normalmente 7, aunque también se han utilizado otros valores

3.1.-Conducción del calor en la capa de acero solidificada. En la capa solidificada, la transmisión de calor depende de la conductividad térmica del acero, que es función de la temperatura. En la literatura se presentan distintas compilaciones de propiedades físicas de los aceros, con su dependencia con respecto a la temperatura. conductividad térmica en la zona pastosa es una combinación de las conductividades del acero sólido y líquido. Como se indicó en el punto anterior, el valor de la conductividad en el metal líquido se suele considerar incrementado para tener en cuenta el efecto de la convección. Sin embargo, la forma de combinar la contribución de ambas conductividades varía según los diferentes autores. Por ejemplo, en algunos casos (29), se ha supuesto directamente que la conductividad en la zona pastosa varía de forma lineal con la temperatura. En cambio, en otros trabajos (22), se ha considerado que la conductividad térmica varía linealmente con la fracción solidificada en lugar de con la temperatura. Para esta situación, la conductividad vale:

Se ha señalado (18) que esta aproximación sobreestima el valor real de la conductividad, por lo que en algunos trabajos (18 y 19) se ha preferido una variación cuadrática con la temperatura.

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Colada continua 2013 En otros casos (18 y 32), se ha supuesto también una variación cuadrática pero con la fracción líquida, fundamentado en que el flujo de metal líquido en la región inter  dendrítica varía según esta ley. Esta aproximación ha sido empleada en muchos trabajos y se puede expresar así:

Finalmente, Harste y col. (34) consideran que los efectos del movimiento convectivo del acero líquido sólo afectan en la zona pastosa cuando la fracción líquida es superior a 0,9. La expresión adoptada para modelar este comportamiento es:

CONCLUSIONES La transferencia de calor en el molde está gobernada, principalmente, por la resistencia térmica presente entre la superficie del acero y el molde. Los mecanismos de transferencia de calor que se producen en esta zona son complejos y una evaluación cuantitativa requiere, para el caso de lubricación con polvo colador, mediciones precisas de los espesores y de las propiedades de la escoria en los distintos estados en que se encuentra (líquida, cristalina y vitrea). Una forma sencilla de evaluar el calor total extraído por el molde es hacer un balance térmico del agua de refrigeración, utilizando los datos de caudal y elevación de temperatura que normalmente se registran en las máquinas industriales de colada continua. Sin embargo, si se quiere conocer la distribución de flujo a lo largo del molde, se debe recurrir a una instrumentación adicional del mismo. Comúnmente, se insertan termopares en distintas posiciones del molde y se determina, por medio de modelado matemático, la distribución de flujo que hace coincidir las temperaturas medidas y calculadas. No obstante, esta técnica requiere un trabajo complejo de instrumentación del molde, así como de adquisición e interpretación de los datos obtenidos. Una forma más sencilla, aunque menos precisa, de estimar la distribución del flujo, consiste en adoptar  algunas de las expresiones sugeridas en la bibliografía y ajustar los parámetros de modo que el calor total obtenido integrando esta expresión coincida con el balance global de calor medido en el sistema de refrigeración del molde. De las distintas variables operativas, las que más afectan a la extracción de calor  en el molde son: la velocidad de colada, el tipo de lubricación empleado y la composición química del acero. Sin embargo, otras variables relativas al diseño del molde, como puede ser el espesor del mismo, la conicidad empleada, el caudal y presión de agua usados, también tienen relevancia. 3.2.-ENFRIAMIENTO SECUNDARIO Resumen. La solidificación del acero iniciada en el molde continúa en la zona de enfriamiento secundario de la máquina donde el calor es extraído, principalmente por  la incidencia del agua de los rociadores, la radiación al medio ambiente, el contacto con los rodillos y el agua acumulada en ellos. En este trabajo se revisa cada uno de estos mecanismos determinando, en los casos en que es posible, valores 25

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Colada continua 2013 cuantitativos de los mismos. Además, se analizan los distintos métodos empleados para medir el avance del espesor solidificado en la máquina de colada continua. Por  último, se discute la incidencia del enfriamiento secundario en la calidad final de los productos colados. 3.2.1.-MECANISMOS DE EXTRACCIÓN DE CALOR Enfriamiento por la acción directa del agua.-Este mecanismo es el principal del enfriamiento secundario, no sólo porque es el que permite extraer la mayor cantidad de calor sino porque variando el caudal de agua es posible regular la intensidad del enfriamiento. De hecho, una forma de caracterizar la magnitud del enfriamiento secundario es relacionando el caudal total de agua empleado por kg de acero colado, según la siguiente expresión: La figura 1 muestra, esquemáticamente, la disposición de rodillos y rociadores que se hallan en la zona de enfriamiento secundario de una máquina de colada continua de planchones. La extracción de calor se produce, principalmente, por los siguientes mecanismos: Evaporación parcial del agua que incide sobre el producto. por contacto rodillo-línea. Conducción de calor al agua que escurre y se acumula entre rodillo y acero. Radiación desde la superficie del acero. De acuerdo a Alberny, cada uno de estos mecanismos representa, respectivamente, el 33, 17, 25 y 25 % del calor total extraído. Sin embargo, estos valores son estimativos ya que otros investigadores han citado distribuciones diferentes. En el caso de máquinas para palanquillas, donde la cantidad de rodillos empleados para guiar la línea es sensiblemente menor, el enfriamiento se produce, principalmente, por el agua rociada y por la radiación al medio ambiente. En los puntos siguientes se analiza en detalle cada uno de los cuatro mecanismos de extracción de calor mencionados.

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Colada continua 2013 Enfriamiento por la acción directa del agua Este mecanismo es el principal del enfriamiento secundario, no sólo porque es el que permite extraer la mayor cantidad de calor sino porque variando el caudal de agua es posible regular la intensidad del enfriamiento. De hecho, una forma de caracterizar la magnitud del enfriamiento secundario es relacionando el caudal total de agua empleado por kg de acero colado, según la siguiente expresión: Los valores usuales de la intensidad de enfriamiento oscilan entre 0,5 y 2 L/kg, dependiendo del producto colado, del tipo de acero y de la estrategia adoptada en cada planta. A modo de guía, se puede consultar en la bibliografía una estadística internacional con las intensidades de enfriamiento utilizadas en diferentes plantas. Los rociadores empleados para impulsar el agua son muy variados, pudiendo ser de chorro plano o cónico, con ángulos de barrido que varían entre 45 y 120° y secciones llenas o huecas. Además, pueden impulsar exclusivamente agua o agua atomizada con aire a presión. El calor extraído se puede calcular mediante la siguiente expresión:

donde hw  es el coeficiente local de transferencia de calor. Este coeficiente depende, principalmente, del caudal específico de agua, es decir, de la cantidad de agua impulsada por unidad de tiempo y superficie. Sin embargo, otros factores, tales como la temperatura superficial del acero y la del agua de refrigeración, también afectan al valor de este coeficiente. El caudal específico de agua debajo de los rociadores no es uniforme, sino que presenta una distribución que depende, entre otras cosas, del tipo de tobera, de la presión de alimentación de agua y de la distancia del rociador a la superficie. En un trabajo pionero sobre la caracterización de rociadores para colada continua, Mizikar  estudió la influencia de las variables mencionadas en el caudal específico de agua. Para ello empleó un dispositivo consistente en una placa con pequeños orificios donde recogía el agua impulsada por los picos bajo estudio. Midiendo el volumen de agua acumulado a lo largo de un cierto tiempo en cada orificio pudo construir las curvas de caudal específico de cada pico. Luego, en las mismas posiciones en que se encontraban los orificios, realizó determinaciones del coeficiente de transferencia térmica, logrando, de esta manera, vincularlo con los datos de caudal específico de agua. Extracción de calor por contacto con los rodillos La extracción de calor producida por efecto de los rodillos depende, principalmente, del diseño del sistema interno de refrigeración de los mismos, de su diámetro, de la ubicación en la máquina y del tipo de rociador de agua empleado. Con respecto al sistema interno de refrigeración, se ha mostrado que el enfriamiento producido en la superficie del acero es más intenso cuando se emplean rodillos con canales de refrigeración periféricos axiales o helicoidales que cuando se utiliza refrigeración central. Por otro lado, el uso de rodillos de menor diámetro implica menores tiempos y fuerzas de contacto y, por lo tanto, una menor disipación de calor. 27

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Colada continua 2013 El flujo de calor extraído por los rodillos se incrementa al aumentar la presión ferrostática ejercida por el acero líquido. En consecuencia, a igualdad de las otras variables, el calor extraído es mayor en los rodillos ubicados a distancias más alejadas del menisco de acero. Finalmente, la capacidad de extracción de calor de los rodillos varía si son refrigerados sólo internamente o si reciben la acción de rociadores externos. En el primer caso, el calor extraído por los mismos se puede evaluar midiendo el caudal y la elevación de temperatura del agua de refrigeración. Planteando un balance térmico de los rodillos se puede observar que el calor recibido por los mismos proviene, básicamente, de dos fuentes: del contacto directo con el producto y de la radiación desde la superficie del acero. La proporción estimada de estos dos aportes varía según los autores (32 y 34), siendo, por término medio, del orden del 50 % cada uno. El enfriamiento de los rodillos se produce por la refrigeración interna, por el agua de los rociadores que lo bañan parcialmente y por la radiación y convección al medio ambiente. Diener (34) evaluó el calor total absorbido por los rodillos midiendo la distribución radial de temperaturas en función del ángulo de giro y ajustando a estas mediciones un modelo matemático. Los resultados encontrados se muestran en la tabla II

Junto con mediciones realizadas por otros investigadoresen diferentes circunstancias. La longitud de contacto rodillo-acero se puede suponer, según algunos autores, de aproximadamente 5 mm, mientras que otros estiman una región de contacto equivalente a un ángulo de 4º del rodillo. De acuerdo con Thompson y col., la extracción de calor por el contacto con los rodillos se puede calcular empleando un coeficiente de transferencia que varía entre 350 y 1.745 W/m2-K, según la posición del rodillo con respecto al menisco de acero.

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Colada continua 2013 Extracción de calor por efecto del agua que escurre y se acumula entre rodillos y línea. Debido a que sólo una parte del agua impulsada por los rociadores se evapora al entrar en contacto con el acero, el resto escurre y se acumula, parcialmente, entre los rodillos y la superficie del producto. La cantidad de calor eliminada por este mecanismo es de difícil evaluación. En la tabla III se presentan valores estimativos, medidos por Etienne y col., del flujo de calor extraído por acción conjunta del agua acumulada y del contacto rodillos-acero. Estos valores se utilizaron posteriormente en distintos modelos matemáticos para predecir la distribución de temperaturas en la superficie del producto. Recientemente, Heidt y col. analizaron, en ensayos de laboratorio, la influencia de una corriente adicional de agua que escurre sobre la superficie del acero en la eficiencia de la extracción de calor de los rociadores. Los resultados de los ensayos mostraron que el agregado de esta corriente de agua incrementa la transferencia de calor, especialmente cuando se emplean bajos caudales específicos de agua en los rociadores.

Enfriamiento por radiación. La cantidad de calor perdida por radiación se puede estimar aplicando la ley de Stefan-Boltzman

donde los valores de emisividad normalmente empleados oscilan entre 0,7 y 0,9, siendo 0,8 el más utilizado. También se han propuesto expresiones que permiten calcular la emisividad en función de la temperatura superficial del acero.

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Colada continua 2013 3.3.-INFLUENCIA DEL ENFRIAMIENTO SECUNDARIO EN LA CALIDAD DE LOS PRODUCTOS Para obtener un producto libre de defectos, junto con una productividad elevada, es importante mantener una distribución adecuada del agua de refrigeración en las distintas zonas en que se divide el enfriamiento secundario. Existe una extensa bibliografía que muestra la incidencia del enfriamiento secundario en la calidad final de los productos colados.  A continuación, se describen los principales resultados referenciados. Se ha mostrado que el recalentamiento superficial producido al pasar de una zona a otra con menor intensidad de enfriamiento origina tensiones de tracción en el frente de solidificación. Debido a que el material es frágil en este intervalo de temperaturas, dichas tensiones térmicas pueden originar la iniciación de grietas internas en el producto. Inversamente, un enfriamiento excesivo del producto también puede originar  tensiones de tracción en la superficie que provoquen grietas o propaguen algunas ya existentes. Por este motivo, tanto el recalentamiento como el enfriamiento de la superficie se debe mantener dentro de niveles adecuados para reducir el porcentaje de defectos. La contracción producida al terminar la solidificación provoca también tensiones térmicas que pueden generar grietas en el centro del producto. Grill propuso un sistema de enfriamiento para que la superficie del material acompañe la contracción en el momento final de la solidificación y así reducir las tensiones generadas. Más recientemente, fue propuesto un concepto similar para reducir la porosidad y la segregación central en palanquillas. Sivesson y col. extendieron esta idea al caso de planchones como un método alternativo a la reducción suave impuesta de forma mecánica para reducir la segregación central.  Ameling y col. mostraron que la utilización de un enfriamiento intenso en la colada continua de aceros con elevado contenido de carbono favorece el desarrollo de una estructura columnar, reduciendo la segregación central observada. Depierreux y col. también referenciaron una menor segregación central en este tipo de aceros cuando se aplican mayores caudales de agua. Sin embargo, Álvarez Toledo y col. encontraron que la menor segregación central se producía para un enfriamiento intermedio. De acuerdo con estos autores, un enfriamiento excesivo podría provocar  que la zona central del producto entre en tracción cuando la fracción solidificada es baja, favoreciendo la formación de grietas y el consecuente llenado con líquido segregado. Se ha mostrado también que un enfriamiento intenso puede contribuir a afinar la estructura de solidificación, reduciendo los espaciados dendríticos y dando lugar a un menor tamaño de las inclusiones. En otros casos, se ha señalado que la utilización de un enfriamiento suave reduce las tensiones térmicas generadas en la superficie, disminuyendo la cantidad de defectos. Sin embargo, un enfriamiento insuficiente del producto provoca un retraso en el crecimiento de la piel solidificada, facilitando la deformación de la misma por efecto de la presión ferrostática. Este fenómeno de abarrilamiento (bulging) de la línea también genera tensiones en el frente de solidificación que pueden provocar grietas internas en el producto. Se ha mostrado que un incremento de la intensidad del enfriamiento aumenta la resistencia de la capa solidificada, reduciendo la deformación de la misma y, consecuentemente, disminuyendo la aparición de este tipo de defectos. 30

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