Primeros resultados del colado y laminado sin fin de planchones delgados con la tecnología Arvedi

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1 actualización tecnológica Integración de procesos: Primeros resultados del colado y laminado sin fin de planchones delgados con la tecnología Arvedi Por G. Arvedi *, F. Mazzolari **, A. Jungbauerl ***, G. Hohenbichler **** y G. Holleis ***** Resumen El fabricante italiano de acero Acciaieria Arvedi ha operado una acería de productos planos laminados con una sola línea de colada (ancho máximo de mm) en Cremona, Italia, con una producción anual de 1,3 millones de toneladas por año de productos planos utilizando la tecnología de ISP (en inglés: In-line Strip Production), equivalente en español a «Producción de Chapas en Línea» patentada por Arvedi. Tras esta positiva experiencia con su colada continua de planchones y proceso de laminado, mejorada en varias etapas a través de los años y resultando en una unidad de producción estable de chapas laminadas en caliente de alta calidad, se decidió invertir en una nueva línea adoptando la tecnología de ESP (en inglés: Endless Strip Production) equivalente en español a «Producción Sin Fin de Chapas» (ESP) también patentada por Arvedi, una evolución directa de la Producción de Chapas en Línea (ISP). Debido a su distribución muy compacta, con una longitud total de unos 180 m, los costos de inversión efectuados por una línea de ESP son menores en comparación con las plantas convencionales de colada continua de planchones y de laminación. Asimismo, los costos de producción también son notablemente inferiores no sólo a los de otras plantas de planchones sino también a los de la planta de Producción de Chapas en Línea (ISP) que ya se encuentra operando en Cremona. La productividad de la ESP, basada en una única línea de colada, será de aproximadamente 2 millones de toneladas por año para la primera fase y un posible aumento en el flujo másico de la máquina de colada puede llevar la capacidad hasta 3 millones de toneladas por año. El consumo total de agua y energía del proceso es muy bajo comparado con el proceso convencional de colada continua y laminado: dependiendo del producto final, el consumo energético será el 50% al 70% inferior. Debido a las innumerables operaciones de laminado, será posible la producción de Chapas con propiedades mecánicas uniformes y repetibles a lo largo de todo el ancho y el largo de la chapa y con la capacidad de la línea de producir chapas laminadas en caliente ultradelgadas con un espesor de 0,8 mm (o inferior). En consecuencia, un proceso posterior de laminación en frío ya no será necesario. Esta planta es el primer ejemplo de producción continua que va desde el acero crudo hasta la bobina laminada en caliente en la bobinadora final en 4 minutos y medio, y la planta de Cremona es la referencia (planta maestra) para las ventas de las futuras líneas de ESP. El objetivo de esta presentación es ofrecer información correspondiente a la nueva planta y a los primeros resultados de producción de la línea continua de colada continua y laminación. En el año 2006, se firmó un contrato con Siemens VAI como proveedor principal de la nueva planta cuya construcción se completó en Cremona en el otoño de La puesta en marcha se completó en el primer semestre del año * Presidente, Finarvedi, Piazza Lodi, 7, Cremona, Italia (finarvedi@arvedi.it). ** Asesor Senior, Finarvedi, Cremona, Italia (marketing@arvedi.it). *** Gerente General de Ventas, Siemens VAI, Linz, Austria (johann.siegl@siemens.com). **** Jefe de I+DT, Siemens VAI, Linz, Austria (gerald.hohenbichler@siemens.com). ***** Asesor Senior, Siemens VAI, Linz, Austria (guenter.holleis.ext@siemens.com). 46

2 Antecedentes tecnológicos Alrededor del año 1990 se introdujo la producción directa de chapas laminadas en caliente mediante la conexión entre los procesos de colada de planchones delgados y de laminación en caliente. Los logros tecnológicos más importantes que hicieron esto posible fueron los avances en la colada continua de planchones y los procesamientos directos en el laminador en caliente utilizando una mayor velocidad de colada, materiales refractarios recientemente desarrollados y un mejor control de proceso a través de la automatización. El valor de la tecnología de ISP La tecnología de Producción de Chapas en Línea (ISP) es una tecnología adecuada para el procesamiento de chapas laminadas en caliente delgadas y de alta calidad. Las soluciones desarrolladas por Arvedi con su Producción de Chapas en Línea original (ISP) y la tecnología de coladolaminado se basan en su mayor parte en los conceptos de producción limpia de acero crudo a través de tecnología basada en la simetría, homogeneidad y constancia de los parámetros del proceso de transformación del acero hasta llegar al producto final en la bobinadora. La ISP posee siete beneficios, los cuales se detallan a continuación: 1. El sistema de molde y la reducción del núcleo líquido, creando una zona central del planchón con un tamaño de grano pequeño y una distribución uniforme de temperatura. Figura 1 Potencia de laminación en función de la temperatura para la Producción de Chapas en Línea (ISP) y otras Tecnologías de Planchones (OTP) para la chapa de 1,5 mm Potencia del laminado en MW ISP ISP Distribución de la temperatura de espesor con el perfil de la temperatura inversa en todo el espesor del planchón con una temperatura en la parte interior > C y una temperatura en la superficie > C. 3. Colado-laminado (o laminado en línea) de planchones delgados a una velocidad lenta en el laminador reductor creando una barra intermedia con una corona muy baja < 2%, después de entrar a la línea de acabado. 4. Horno de Inducción para aumentar la temperatura y asegurar la distribución de la temperatura deseada, permitiendo establecer la temperatura de la barra intermedia de bobina a bobina de acuerdo a los requerimientos óptimos de procesamiento. Temperatura del laminado en C Σ ISP = 20 MW Σ OTP = 28 MW OTP Horno de calentamiento para estabilizar la temperatura (Horno Cremona). 6. Operación altamente flexible del proceso de laminación en el tren de acabado. 7. Planificación y control automatizado para la optimización de todos los parámetros de proceso y productos. Las ventajas de la ISP La Producción de Chapas en Línea (ISP) presenta ventajas desde el punto de vista del proceso: Bajas fuerzas de laminación, debido a la reducción de espesor de la barra en la zona de alta temperatura mediante la reducción del núcleo líquido y el laminador de alta reducción con la consiguiente disminución del consumo de energía en el laminado. Figura 2 Líneas ISP y ESP Configuración Configuración colado-laminación Horno Cremona ISP 1 mm Molde Reducción de núcleo líquido de alta reducción Horno de inducción terminador ESP 0,8 mm (0,6) Configuración integrada de automatización 47

3 actualización tecnológica Proceso estable y altamente flexible debido a la configuración de los parámetros del proceso de colado y laminado. Asimismo, presenta ventajas desde el punto de vista del producto: Una amplia variedad de parámetros de proceso que pueden regularse para cada chapa. Una amplia gama de productos de calidad media-alta. Excelente homogeneidad de microestructura y de propiedades en toda la chapa, es decir, a lo largo y a lo ancho de la misma. Las principales ventajas desde el punto de vista de la inversión son: Bajos costos de inversión, debido a su compacto esquema y distribución. Bajos costos de procesamiento a causa de la excelente utilización de calor y del procesamiento estable. La tecnología ISP con sus parámetros de proceso altamente flexibles continua el desarrollo natural de temperatura del acero caliente, lo que representa la base de los bajos costos de inversión y de producción de esta línea, así como también la alta calidad de sus productos. La tecnología ISP comprende 20 familias de patentes en todo el mundo para la completa protección de la tecnología de proceso, sus principales componentes técnicos y especiales líneas de productos. La nueva línea de ESP es la primera planta de la próxima generación de las líneas de colado y laminado directo de planchones delgados y se caracteriza por: Producción continua de chapas. Excelente capacidad de producción con una única línea de colado. Alto volumen de producción de chapas ultradelgadas; así como de alta calidad. Costos mínimos de conversión de acero líquido a la bobina laminada en caliente. Esquema de línea más compacto. Estas características que permiten la producción continua de chapas laminadas en caliente, se describen con más detalle a continuación. Mayores velocidades de colada La producción continua de bobina laminada en caliente a partir de acero crudo sólo es posible si se logra una constante y alta velocidad de colada o caudal másico. Actualmente, esto se obtiene con una configuración optimizada de la máquina de colada continua, flexible no sólo en el espesor sino también en el rango de velocidad de colado superior al convencional de última generación. El diseño incluye un mayor desarrollo de la forma de la buza sumergida junto con la especial geometría de molde de Arvedi. Las simulaciones matemáticas de cálculos fluidodinámicos y los ensayos físicos de modelo de agua demostraron que la velocidad actual de colado de 5 a 6 m/min puede ser ampliamente superada, y también se puede utilizar para espesores de 70 mm y 80 mm, asegurando el flujo másico necesario para la producción continua. Los resultados teóricos fueron confirmados por la operación. Una velocidad de colada de 6 a 7 m/min se aplica regularmente siempre que sea posible en el funcionamiento de la planta ISP (Figura 3). Para velocidades de estabilización de más de 6 m/min del patrón de flujo y del menisco, es sumamente necesario utilizar un freno electromagnético. Éste ha estado operando en la planta de ISP desde el año 2005, mostrando potencial para un mayor aumento de velocidad de colada y flujo másico. Control del proceso durante el colado Figura 3 Incremento de 7 m/min de la velocidad de colado, a energía reducida de solidificación del molde 19/01/2007 Heat Number ,50 5,75 6,00 6,25 6,50 6,75 7,00 5, :36:00 El control eficaz de la solidificación inicial del planchón y de la formación de costra de colada en la zona alta de la máquina Velocidad actual de colado Energía específica de la cara ancha trasera del molde (kj/m 2 ) Energía específica de la cara ancha frontal del molde (kj/m 2 ) Energía específica de la cara angosta izquierda del molde (kj/m 2 ) Energía específica de la cara angosta derecha del molde (kj/m 2 ) 13:40:00 13:44:00 13:48:00 13:52:00 13:56:00 14:00:00 14:04:00 de colada es la mejora más importante de la última década, requiriendo también la optimización de los polvos coladores para los diferentes tipos de acero. Se ha logrado una alta estabilidad de operación a altas velocidades de colada mediante el control de la fricción y la distribución de temperatura en el molde. Automatización Las mejoras en el control tecnológico de procesos, técnicas de detección, gestión de datos y modelo de proceso son clave para el éxito. Los modelos de proceso mejorados por la utilización de redes neuronales son altamente flexibles [1] para el control de espesor, temperatura, el perfil y el control de planicidad. Otro ejemplo es el paquete del «enfriamiento objetivo de la microestructura» (en inglés: Micro Structure Target Cooling) que controla los parámetros metalúrgicos de la chapa. En una línea ESP, la automatización integra todas las etapas del proceso desde el colado hasta el enfriamiento. La experiencia de la empresa de ingeniería en esta área está confirmada por la instalación de coladas automatizadas, laminado en caliente y enfriamiento en más de veinte plantas en todo el mundo productoras de chapas delgadas laminadas en caliente durante los últimos quince años. [1] Estándar en la familia de productos de Siemens VAI SIROLL. 48

4 Figura 4 Esquema de control de procesos Monitor del proceso Térmico Monitoreo de temperatura Advertencia de derrame Fundente térmico Oscilación Monitoreo de oscilación Fricción FUNCIONALIDAD Oscilador y molde hidráulico Servidor experto de molde HMI REALIZACIÓN Señales de presión Señales de termocupla PC Industrial para Adquisición de datos Procesamiento de datos Comunicación Ethernet LAN Impresora Información L1/L2 Figura 5 La línea ESP de Arvedi en Cremona Horno de inducción de alta reducción Tijera para despuntes Descascarillador de alta presión Bobinadoras Plataforma de colado Máquina de colado de planchones delgados Empujador y apilador de placas Tijera oscilante terminador Tijera para despuntes Línea de enfriamiento Tijera volante de alta velocidad 180 m La tecnología detrás de la línea ESP La nueva línea continua de colado-laminado de Arvedi está compuesta por cuatro secciones principales. La primera sección consiste en una máquina de colada de planchones delgados seguidos por el laminador reductor de 3 cajas con cuatro rodillos en alto ubicado al final de la máquina de colada continua. Como un factor importante para la calidad interna de los planchones colados, la reducción del corazón de acero líquido se lleva a cabo con segmentos tipo Smart antes del laminador reductor. El laminador reductor lamina el planchón con una distribución de espesor térmico especial - perfil térmico inverso, no sólo en la zona de subsuperficie, sino también en el núcleo. Esta baja resistencia específica a la deformación en el centro conlleva a: Mejora de la estructura del material. Excelentes propiedades isotrópicas de los materiales. Reducción de consumo de energía. Una corona altamente mejorada. Después del laminador reductor, la barra cuyo espesor es de 8 a 20 mm ya tiene un perfil de planicidad y parámetros de calidad que satisfacen plenamente las normas de bobina laminada en caliente. Otras líneas de colado de planchones delgados y laminado directo que utilizan una máquina de colada vertical y el horno túnel, habitualmente poseen una entrada de planchón mucho más gruesa, normalmente de 55 a 65 mm. Para alcanzar el mismo espesor de salida se requiere una fuerza de laminado por caja mu- 49

5 actualización tecnológica cho mayor resultando en mayor potencia de motor, desgaste de laminado y más dificultades en el logro de resultados del perfil y la planicidad, especialmente con los espesores más delgados. En la segunda sección, la temperatura de la chapa intermedia se regula en un horno de inducción, según los requisitos del laminador terminador. La temperatura de la chapa es la clave para el rendimiento del proceso. El control preciso y flexible de temperatura de la chapa se logra a través de la capacidad de carga térmica y el control de densidad de potencia, resultando en un ajuste preciso de temperatura para cada tipo de acero con el propósito de obtener la mejor calidad con un bajo consumo de energía. La potencia de calentamiento del horno de inducción es proporcionada por un máximo de doce inductores de 3 MW ubicados a una corta distancia, a menos de 12 metros. El proceso de colado-laminado presenta un diagrama de temperatura particularmente favorable para la fabricación de grados de acero tales como los aceros alto en silicio, con análisis críticos. Durante el proceso, la temperatura puede mantenerse por encima de los C, evitando así la formación de precipitados y elevando el rendimiento de los aleantes. Este fenómeno se encuentra estrechamente vinculado no sólo a la temperatura sino también al factor tiempo el cual es extremadamente corto. La ESP garantiza mejores rendimientos para los aleantes que las plantas convencionales de planchones delgados. La tercera sección está compuesta por un descascarillador de alta presión para eliminar con precisión las cascarillas, mientras la pérdida de temperatura se minimiza así como también por un laminador acabador de 5 cajas equipado con el paquete de la tecnología de Siemens VAI SmartCrown. Este diseño permite el laminado de Chapas con un espesor entre 12,0 mm y 0,8 mm (o inferior) y un ancho de chapa de hasta un máximo de mm. La instalación de un sistema avanzado de enfriamiento al final del laminador terminador es la base para la producción de una amplia gama de grados de acero, inclusive aceros de alta resistencia y baja aleación (en inglés: HSLA) y aceros multifase. La cuarta sección consiste en una tijera volante de alta velocidad que corta el material justo antes de la bobinadora donde la chapa se enrolla en pesos de hasta un máximo de 32 toneladas. La integración de los sistemas de automatización y de los paquetes tecnológicos es un factor decisivo que permite a la ESP lograr parámetros estables de producción así como también calidad de producto. Alcance de producción La planta de Arvedi cubre toda la gama de productos desde aceros blandos de bajo carbono hasta aceros aleados y con alto carbono. La gama de productos incluye aceros de alta calidad tales como los de uso eléctrico (granos orientados y no orientados) y aceros IF para paneles expuestos de automóviles. En la planta es posible la producción de productos laminados en caliente de calidad, permitiendo la transformación en productos laminados en frío de calidad de superficie (grado A) que pueden ser utilizados en paneles expuestos de automóviles, utilizando también acero crudo del convertidor al oxígeno y con características de un acero tipo IF (libre de intersticios). Rango de espesores alcanzados Grandes cantidades de chapas de espesores delgados (0,8 a 1 mm) que pueden sustituir productos laminados en frío para muchas aplicaciones, pueden producirse mediante este proceso ESP ya que se evitan los problemas relacionados con el enhebrado del material en la caja final del laminado a través de la laminación continua. 1 mm para los aceros con un límite de fluencia de hasta 315 Mpa. 1,2 mm para los aceros con un límite de fluencia de hasta 420 Mpa. 2 mm para los aceros de alta resistencia de hasta 700/800 Mpa. 1,2/1,5 mm para DP 600/ Primeros resultados de producción Una vez terminada la puesta en marcha en junio de 2009, toda la planta comenzó a producir para el mercado. Durante 3 meses se trabajó con dos turnos y en el 4 to trimestre de 2009 se trasladó a 3 turnos, teniendo una producción de toneladas a finales del año. A comienzos de 2010 se trasladó a 4 turnos, con una producción promedio de 300 t/hora. En la actualidad se producen grandes cantidades de aceros estructurales y de alta resistencia, aceros blandos para el relaminado y galvanizados. Se han llevado a cabo pruebas de producción de aceros de alta resistencia y baja aleación (en inglés: HSLA) con resultados positivos. El espesor mínimo obtenido hasta el momento es de 1,2 mm y fue producido con excelentes resultados en términos de calidad de superficie, estructura y tolerancias dimensionales. Se espera el desarrollo de un espesor de 0,8 mm para junio de 2010 así como también una ampliación del surtido de grados de aceros producidos industrial y comercialmente para fin de año. Récord mundial de ahorro energético Estrictamente ligado al bajo consumo de energía se encuentran las bajas emisiones directas e indirectas de efecto invernadero y de gases nocivos (NOx y CO), que ascienden al 40% al 50% en espesores normales y al 65% al 70% en espesores delgados. El concepto de la nueva línea permitirá alcanzar el mejor equilibrio energético del mundo para la producción de bobina laminada en caliente a partir de acero crudo reduciendo la demanda de energía al mínimo, ya que la chapa se lamina mientras el centro aún está blando. La ESP de Arvedi requiere menos energía al aumentar la capacidad de la línea y la productividad, a diferencia de otras tecnologías de proceso de planchones delgados. El calor del planchón se utiliza directamente para la primera etapa de reducción en el laminador reductor ofreciendo así las ventajas del perfil de temperatura inversa y el recalentamiento de la barra de transferencia se realiza mediante un horno de inducción con la cantidad mínima necesaria y estrictamente justo a tiempo. Durante los tiempos muertos (tiempo en espera entre las diferentes secuencias de producción, los cambios de turnos de mantenimiento, etc.), el horno de inducción es simplemente desactivado, lo que consume cero energía. Se han registrado mediciones durante varios ciclos de producción y se han comparado con las simulaciones fuera de línea para el grado de acero S235JR. Después de algunos ajustes de los modelos, se pueden realizar predicciones confiables para diferentes espesores y velocidades de colado. La Figura 6 muestra cómo los espesores más delgados determinan un aumento de consumo de energía del 20% debido a la mayor energía de deformación necesaria si el espesor final se reduce a la mitad, mientras que las mayores velocidades de colado conducen a una reducción del consumo de energía de aproximadamente el 20% al 25% por cada m/min de aumento de velocidad de colado. 50

6 Además, es muy prometedor la utilización de chapas laminadas en caliente de espesor delgado en lugar de chapas laminadas en frío, ahorrando la energía necesaria para la laminación en frío, recocido y temperado. Los espesores delgados de alta calidad proporcionados por el proceso continuo traerán como consecuencia una aceptación cada vez mayor de bobina laminada en caliente de espesores delgados. A partir de productos delgados laminados en caliente con una excelente precisión y características dimensionales y de planicidad, la ESP ofrece la ventaja de obtener espesores tales como 0,3 y 0,2 mm, con un número limitado de pasos para la laminación en frío (menores costos de inversión y de procesamiento). Conclusiones Consumo normalizado de energía S235JR (%) ,5 Figura 6 Consumo normalizado de energía del acero S235JR dependiendo de la velocidad de colado y del espesor de chapas Cálculos y mediciones en la planta maestra Cremona de producción continua de planchones Material AR 37T; ancho de banda mm 5,0 5,5 6,0 Velocidad de colado (m/min) Cálc. 3 mm continuo Med. 3 mm continuo Cálc. 1 mm continuo Med. 7,40 mm Med. 3,35 mm Med. 3,30 mm Cálc. 7,4 mm continuo 6,5 7,0 7,5 Las ventajas del proceso ESP que han convencido a Arvedi para invertir en la construcción de la primera planta utilizando esta tecnología pueden condensarse en un sola frase de autoría de la empresa: «Es el proceso más compacto respetando el principio de transformación metalúrgica basada en el modelo de coladolaminado»; o de la siguiente manera: Nuevos productos en una nueva línea de producción con distribución en planta adecuada para la fabricación de bobinas de espesores delgados. Menor consumo de energía y amigable al medio ambiente debido al menor número de emisiones. Producción económica de chapas delgadas laminadas en caliente, sustituyendo muchas aplicaciones de las chapas laminadas en frío. Ahorro elevado de costos debido a la corta longitud de línea ( 180 m) y la vinculación directa de los procesos de colado y laminado. Producción de bobinas de alta calidad con propiedades mecánicas uniforme (alto valor agregado). Instalación de una producción totalmente integrada que incorpora avanzados paquetes tecnológicos para la confiabilidad de la planta en general, productos de alta calidad y una producción de la línea. Mezcla de productos comprendiendo todos los grados de acero, inclusive la alta calidad de paneles expuestos de automóviles. Tiempo muy corto de llegada al mercado. Bajos costos de conversión y muy costos bajos de inversión que permiten una rápida recuperación de la inversión. Figura 7 Productos laminados en caliente y frío LÍNEA DE ESP CON DECAPADO Y LAMINACIÓN EN FRÍO de alta reducción en alto terminador Laminación en frío 0,8-1,0 mm ± 0,04 mm Decapado 0,2 mm 180 m 310 m Grado de acero DD12 S235 JR S315 MC S355 MC S420 MC S700 MC DP 600 DP Rango de espesor 0,80 10,00 mm 0,85 12,00 mm 1,00 12,00 mm 1,20 12,00 mm 1,20 10,00 mm 1,80 8,00 mm 1,20 5,00 mm 1,50 5,00 mm Grado de acero DD12 S235 JR S315 MC S355 MC S420 MC S700 MC DP 600 DP Rango de espesor 0,15 2,00 mm 0,25 2,00 mm 0,30 2,00 mm 0,35 2,00 mm 0,35 2,00 mm 0,60 2,00 mm 0,35 2,00 mm 0,45 2,00 mm 51