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Metalurgía

Temple superior

Una sociedad entre la Unicamp y una siderúrgica crea una antorcha de plasma destinada a mejorar la calidad del acero

Aruy MarottaLa línea de producción de Villares Metals, con sede en la localidad de Sumaré, en la Región Metropolitana de Campinas, fue el escenario de un test, realizado el año pasado, que coronó un proyecto de investigación iniciado al final de los años 1990, destinado a perfeccionar la calidad del acero producido en Brasil. Una antorcha de plasma, capaz de generar temperaturas elevadísimas transformando energía eléctrica en calor transportado por un gas, se probó en la acería de la empresa para retardar el proceso de enfriamiento del acero durante la fase en que el metal, recién fundido, se convierte en lingotes continuos.

La experiencia en otros países muestra que la antorcha de plasma puede ser usada en una máquina de colada continua para mejorar la calidad del acero. Permite mantener la temperatura estable en el reservorio intermedio, o distribuidor de la máquina. La temperatura estable en este proceso, que dura alrededor de dos horas, garantiza la producción de acero con menor riesgo de formación de fragmentos cerámicos, que pueden surgir cuando el metal se enfría. También previene la segregación de mezclas que sucede cuando el metal está supercalentado. Sin el uso del plasma, el supercalentamiento es necesario para evitar la solidificación del acero en el distribuidor.

Este tipo de tecnología se utiliza en siderúrgicas de países desarrollados, pero  los que pretenden emplearla aquí necesitan comprarla en el exterior. El éxito de la experiencia mostró que es posible instalar una antorcha de plasma en una línea de producción siderúrgica sin necesidad de contratar a una empresa internacional especializada en esa tecnología, lo que debe baratear costos, dice Aruy Marotta, coordinador del proyecto e investigador del Grupo de Física y Tecnología de Plasma (GFTP) del Instituto de Física Gleb Wataghin (IFGW) de la Unicamp. Celso Barbosa, gerente de Tecnología, Investigación y Desarrollo de la Villares Metals, destaca las mejoras que la antorcha de plasma puede generar. Esa tecnología nos interesa porque permitirá perfeccionar la producción de aceros especiales de alta mezcla, como los usados en válvulas de motores y en la industria aeronáutica, afirma. Tenemos la expectativa de que, con las mejoras de resistencia mecánica, sea posible, por ejemplo, disminuir el grado de laminación del acero (más fino y con la misma dureza), afirma.

Las antorchas de plasma funcionan como una especie de resistencia capaz de producir temperaturas elevadísimas, de hasta 70 mil grados Celsius. En la antorcha, el plasma es generado por la formación de un arco eléctrico, como una especie de relámpago continuo, a través del paso de la corriente por un gas ionizado formado por iones (átomos con pérdida o ganancia de electrones). Entre las ventajas de la antorcha de plasma se destacan la alta eficiencia en la conversión de energía eléctrica en térmica, que puede llegar hasta un 95%, y la posibilidad de uso de cualquier tipo de gas. Al contrario de la combustión, la energía térmica independe del flujo de gas, hay rapidez de respuesta y altísima densidad de potencia, resultando en equipamientos más eficientes, dice Marotta. Las antorchas de plasma son utilizadas desde la década de 1960 en la metalurgia, para cortar, soldar o fundir. También son fundamentales para promover la deposición de capas metálicas y cerámicas las turbinas de aviación son revestidas con superficies cerámicas con la ayuda de esa tecnología. En los últimos tiempos, ganaron importancia en procesos de destrucción de residuos tóxicos y en la síntesis de nuevos materiales nanométricos.

El proyecto de investigación se originó en una necesidad de la industria. Una carta enviada en 1997 por la Asociación Brasileña de Metalurgia y Materiales (ABM) a la profesora Cecília Zavaglia, de la Facultad de Ingeniería Mecánica de la Unicamp, hacía una especie de llamada a investigadores de la institución cuyas investigaciones pudiesen resultar en ganancias de competitividad para la industria. El profesor Marotta presentó un conjunto de tres proyectos sobre el uso de plasma térmico, pero el interés inicial de la ABM acabó no materializándose. Convencido de que su proyecto podría tener interés en la industria, Marotta presentó a la Villares Metals una versión más específica de su proyecto e indagó si no había interés en que participasen del programa Investigación en Asociación para la Innovación Tecnológica (Pite) de la FAPESP. La alianza, celebrada en 1998, dependía de la construcción del Laboratorio de Plasma Industrial (LPI) de la Unicamp, que sólo quedó listo en 2001, gracias a recursos de la Finep, CNPq, Unicamp y principalmente de la FAPESP. ?En un esfuerzo de una década fue construida una estructura única para investigación y desarrollo de tecnologías a plasma de interés de la industria brasileña, área en la que el país tiene gran carencia, dice Marotta.

Aruy MarottaBelarús
La fase inicial de la investigación, entre 1999 y 2001, se apoyó en Belarús, país de Europa Oriental y ex república soviética, en laboratorios del Instituto de Transporte de Masa y Calor de la Academia de Ciencias (HMTI, en la sigla en inglés). Marotta, pionero en esa línea de investigación en el país, mantenía desde mediados de los años 1980 una productiva colaboración con investigadores de la antigua Unión Soviética, donde estudió. Esa proximidad impulsó la sociedad brasileña con varios investigadores soviéticos, que rindió  intenso intercambio científico y tecnológico.

La segunda fase del proyecto, ya en la Unicamp, transcurrió entre 2001 y 2003, con el desarrollo en el LPI de una fuente de plasma con 500 kilovoltios-amperes (kVA) de potencia, antorchas de plasma y equipamientos correlativos tallados para el proyecto Pite con Villares. La última fase preveía el montaje y test de todo el sistema industrial la plasma en la línea de producción de la Villares Metals. Sucede que, cuando el proyecto estaba próximo de su conclusión, la empresa decidió aplazar su implantación, pues eso requeriría inversiones elevadas en la alteración de la configuración de la planta industrial. Tenemos la expectativa de realizar esa etapa a partir de 2010, dice Celso Barbosa, de la Villares Metals. Mientras que el proyecto era desarrollado, la empresa brasileña, que pertenecía a la familia Villares, fue vendida al grupo español Sidenor. Actualmente pertenece a la multinacional austriaca Böhler-Uddeholn. La empresa dispone de solamente una máquina de colada continua de aceros en producción industrial. Por eso, el sistema fue instalado y testado en condiciones reales de operación, pero fuera de la línea de producción, usando el mismo distribuidor de tres toneladas de acero líquido.

A pesar del aplazamiento en la implantación, Villares evalúa que el proyecto fue concluido con éxito tecnológico. Se trata de un proyecto tecnológico industrial de gran porte. Fue un gran desafío desarrollarlo y transferirlo de la bancada de los laboratorios de la Unicamp a una planta piloto, dice Barbosa. La instalación y operación de una antorcha de plasma, desarrollada por un equipo brasileño, en una industria de gran porte es un hecho inédito en el país, dice Aruy Marotta.

Marotta y su equipo trabajan actualmente en el LPI en un proyecto del programa Pesquisa Innovativa en la Pequeña y Micro Empresa (Pipe) con la empresa Siderol, en reciclaje de acero rápido contenido en residuos de llama oriunda de la industria de herramientas. Ese acero, que posee un alto valor agregado debido a los elementos de mezcla, es actualmente descartado como rechazo. En un horno el plasma, el acero es separado del lodo que contiene aceite y cerámica abrasiva. Ese proyecto es un desdoblamiento de la tecnología generada en el proyecto Pite. Es de vital importancia a continuación y el crecimiento de las actividades del LPI, con creación de recursos humanos y nuevas tecnologías para la industria brasileña, afirma el investigador.

El proyecto
Aplicación de las antorchas de plasma en procesos siderúrgicos (nº 98/03353-0); Modalidad Investigación en Sociedad para la Innovación Tecnológica (Pite); Coordinador Aruy Marotta – Instituto de Física – Unicamp; Inversión 371.403,00 reales (Villares) y 310.500,00 reales y 305.000,00 dólares (FAPESP)