Tecnología térmica: de importancia atemporal para los procesos metalúrgicos

Transcripción

1 Artículo especializado n.º 1: THERMPROCESS Tecnología térmica Tecnología térmica: de importancia atemporal para los procesos metalúrgicos THERMPROCESS 2015 Feria internacional especializada de tecnología de procesos térmicos La tecnología de materiales y la tecnología térmica están estrechamente relacionadas. La energía, generalmente en forma de calor, se necesita para fundir minerales, refinar el metal obtenido en este proceso y colarlo. Durante la conformación y posteriormente a esta, los elementos metálicos se tienen que someter normalmente a un tratamiento térmico para conseguir determinadas características mecánicas. Pero también se necesita calor para la producción y transformación de materiales no metálicos, tales como vidrio, cerámica y polímeros, así como materiales de construcción como cemento. En consecuencia, los procesos térmicos y los hornos e instalaciones necesarios para su ejecución son muy variados. Con la optimización de estas instalaciones y de las cadenas de procesos térmicos hasta el aprovechamiento del calor perdido, tanto los fabricantes de plantas como los usuarios disponen de múltiples posibilidades de reducir los gastos de explotación. Nuevos materiales y nuevos procedimientos térmicos y termomecánicos permiten realizar aplicaciones prometedoras. El siguiente artículo trata de algunas particularidades técnicas en el uso del calor en la industria metalúrgica. La feria técnica THERMPROCESS 2015 que tendrá lugar del 16 al 20 de junio de 2015 en Düsseldorf ofrece una visión del estado actual de la tecnología de procesos térmicos, la gran variedad de aplicaciones y la evolución futura. Fundición y colada /2

2 Los materiales de hierro son los materiales metálicos más utilizados. El mayor grupo está formado por los aceros, aleaciones de hierro y carbono con un contenido de carbono de entre un 0,01 % y un 2,06 % y metales añadidos, tales como cromo, níquel o manganeso. El hierro bruto, la materia prima, se produce en altos hornos, donde se procesan mineral de hierro, aditivos y coque. En este proceso se forma hierro bruto líquido que abandona el alto horno en la "sangría" a una temperatura de aproximadamente 1500 C. En el año 2013 se produjeron en el mundo entero 1600 millones de toneladas de acero bruto. El acero bruto líquido, así como la chatarra de acero y los metales de aleación, se refinan en convertidores u hornos eléctricos de arco para producir acero. Los aceros consumidos en grandes cantidades reciben su forma en procesos de colada continua y, posteriormente, mientras se vaya solidificando la barra, de laminación en caliente. Según la composición del acero, la colada continua tiene lugar a unas temperaturas que pueden superar los 1600 C; por su parte, la laminación en caliente se realiza a temperaturas de hasta 1250 C. Si la conformación tiene lugar mediante colada, se necesitan unas temperaturas de colada de 1500 a 1700 C para acero fundido y de 1340 a 1480 C para hierro fundido y aleaciones de hierro y carbono con una proporción de carbono de más del 2,06 %. Los principales metales no férricos tienen las siguientes temperaturas de colada: aleaciones fundidas a presión de zinc: 420 a 580 C, aleaciones fundidas de aluminio y magnesio: 620 a 730 C, aleaciones de cobre y zinc ("latón"): 960 a 1160 C y aleaciones fundidas de titanio: 1700 a 1800 C. Conformación Además de ser utilizado para fundir y colar metales, el calor también se necesita para influir en el interior del material de productos semiacabados y acabados, ya que permite generar determinadas propiedades de resistencia. Una característica habitual de los metales /3

3 es la disposición de sus átomos en forma de retícula. En algunos metales y aleaciones, es decir, compuestos de al menos dos metales, se forman en función de la temperatura diferentes rejillas espaciales. Un ejemplo destacado es el hierro, cuyos átomos forman, según la temperatura, dos tipos de rejillas espaciales: una rejilla cúbica y centrada en el espacio y, a temperaturas más altas, una cúbica de caras centradas. Un modelo de una célula elemental de hierro, cúbica y centrada en el espacio, ampliada millones de veces, es el monumento "Atomium" en la capital belga, Bruselas. Las esferas, ocho de ellas en las esquinas y una en el centro de un cubo, representan los átomos del hierro. La fase, es decir, el margen en el cual los átomos de hierro en el acero muestran una disposición cúbica y centrada en el espacio, se denomina como hierro α o ferrita; la otra fase recibe el nombre de hierro γ o austenita. En el margen de la austenita, es decir, a temperaturas más altas, resulta más fácil conformar los aceros que en el margen de ferrita. Dado que las rejillas espaciales en el hierro γ tienen más espacio para alojar los átomos de carbono, comparativamente pequeños, que las rejillas espaciales cúbicas y centradas en el espacio del hierro α, es posible crear determinados estados de resistencia por medio de procesos térmicos. Si, por ejemplo, un trozo de acero del margen austenítico se enfría muy rápidamente al margen ferrítico, los átomos de carbono no tienen la posibilidad de abandonar las rejillas espaciales durante el "vuelco" y quedan encerrados, lo cual produce elevadas tensiones. Así, el trozo de acero tiene una dureza y resistencia muy elevadas, pero resulta al mismo tiempo muy quebradizo. Mediante una operación de recocido se consigue que una parte de los átomos de carbono pueda abandonar la rejilla de átomos de hierro, lo cual produce una atenuación de las tensiones. En determinados aceros es posible calentar unas zonas localmente limitadas mediante un tratamiento térmico como recocido por inducción o calentamiento por rayo láser y enfriarlas posteriormente de manera controlada, lo cual permite crear, por ejemplo, una superficie dura y resistente al desgaste mientras el interior de la pieza se mantiene dúctil (tenaz). Este tipo de propiedades se exige para ruedas dentadas y otros elementos de engranaje. Además de los procedimientos puramente térmicos también existen /4

4 procedimientos termoquímicos y termomecánicos para conferir propiedades de resistencia definidas a determinados aceros. El calor también permite disminuir tensiones en la estructura producidas por la conformación en frío. La diferencia entre la conformación en frío y en caliente es que, por debajo de un determinado umbral de temperatura, tan solo se distorsiona la estructura, con lo cual aumentan la dureza y la resistencia; por encima de dicho umbral de temperatura, en cambio, la estructura se reordena continuamente. Como ejemplo se podría citar la laminación de material en flejes de aluminio. La materia prima en forma de barras se precalienta primero a una temperatura de 500 a 600 C, tras lo cual se transforma, mediante laminación en caliente, en flejes con un grosor de pocos milímetros. El procesamiento posterior se realiza mediante laminación en frío. Dado que, durante este proceso, el material incrementa continuamente su firmeza, se necesita "reblandecer" por medio de un recocido intermedio a C. Finalmente, aún se necesita dar al fleje acabado de laminar las propiedades exigidas para su procesamiento posterior. El fleje, que se calienta en la laminación en frío como consecuencia de la energía aplicada a una temperatura de 150 C o más, se enfría después de la laminación a menos de 60 C. En base a un determinado programa de tiempo y temperatura, se somete a un recocido a 480 C y se vuelve a enfriar seguidamente a temperatura ambiente. Entonces tiene las propiedades necesarias para la producción de artículos como capós de motor, planchas offset, latas para bebidas o tapas para tarros de yogur. Tendencias técnicas Los fabricantes de materiales trabajan, junto con centros de investigación, en el desarrollo y perfeccionamiento de materiales metálicos cuyas propiedades se pueden aumentar por medio de procesos térmicos o termomecánicos. En colaboración con los fabricantes de instalaciones también se desarrollan procedimientos de producción nuevos y se perfeccionan los convencionales. En la /5

5 fabricación de piezas individuales, por ejemplo componentes de cajas de cambio de vehículos, el tratamiento térmico se va integrando en las cadenas de producción. Un resultado de la exitosa colaboración entre expertos de diferentes campos son los "aceros templados en prensa", que se utilizan, por ejemplo en forma de chapas, en la industria del automóvil. Para la transformación se calientan y se colocan en este estado en la prensa de conformación. Durante la conformación reciben su forma y sus propiedades de resistencia. Según las declaraciones de la Worldsteel Association, la federación internacional de la industria del acero, si la torre Eiffel de País se hubiera construido con aceros modernos, solo se habría necesitado un tercio de la cantidad de acero empleada en su momento. También se encuentran grandes potenciales para reducir los gastos de explotación en la optimización de los hornos industriales y otras instalaciones de tratamiento térmico, así como de las cadenas de procesos térmicos, hasta el aprovechamiento del calor perdido. La feria técnica THERMPROCESS 2015 Las empresas que realizan procesos térmicos necesitan prestar atención a la eficiencia en el uso de la energía y las materias primas. En este contexto corresponde una función importante a las modernas instalaciones de tratamiento térmico. Sobre esta temática y los últimos desarrollos pioneros informa la feria técnica internacional THERMPROCESS, que tendrá lugar paralelamente a las ferias técnicas vecinas GIFA, METEC y NEWCAST bajo el lema común The Bright World of Metals del 16 al 20 de junio 2015 en Düsseldorf. The Bright World of Metals Las cuatro ferias tecnológicas internacionales GIFA (Feria Internacional de Fundición), METEC (Feria Internacional Metalúrgica), THERMPROCESS (Feria Internacional de Tecnología de procesos térmicos) y NEWCAST (Feria Internacional de Productos de fundición) se presentarán del 16 al 20 de junio de 2015 en Düsseldorf. Entonces, en la metrópolis del Rin, los temas de productos de fundición, tecnología de fundición, metalurgia y tecnología de procesos térmicos se encontrarán durante cinco días en el foco del público mundial. Las ferias estarán acompañadas una vez más por un programa de alto /6

6 nivel con seminarios, congresos internacionales y series de conferencias. En el centro de las cuatro ferias técnicas y los programas correspondientes se encuentra el tema de la eficiencia energética y de recursos. En los eventos anteriores del año 2011, un total de profesionales de 83 países visitaron los stands de los 1958 expositores. Encontrará más información en Internet en y Bajo el lema The Bright World of Metals, Messe Düsseldorf organiza las ferias GIFA, METEC, THERMPROCESS y NEWCAST, además de ferias técnicas de alto nivel para la industria metalúrgica y de fundición en todo el mundo. Entre ellas se encuentran las ferias FOND-EX (International Foundry Fair) y Stainless en la República Checa, Metallurgy India, Metallurgy-Litmash (International Trade Fair for Metallurgy Machinery, Plant Technology & Products) y Aluminium Non- Ferrous en Rusia, indometal en Indonesia, metals middle east en Dubái, ITPS (International Thermprocess Summit) América y Asia, así como las Ferias del Aluminio en China, India, los Emiratos Árabes Unidos y Brasil. En la ubicación de Düsseldorf, las ferias: Valve World Expo (Feria Internacional y Congreso de Válvulas Industriales) e ITPS Düsseldorf, así como la feria mundial ALUMINIUM organizada por Reed Exhibitions y Composites Europe completan la oferta para los sectores del metal. Más información y fotografías en THERMPROCESS 2015 Feria internacional especializada de tecnología de procesos térmicos Departamento de prensa GIFA, METEC; THERMPROCESS, NEWCAST 2015 Tania Vellen / vellent@messe-duesseldorf.de Brigitte Küppers / kueppersb@messe-duesseldorf.de