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Ingeniería siderúrgica

Una nueva generación de cilindros de acero

La USP, el IPT y la empresa Aços Villares construyen piezas más resistentes y eficaces

Facsímil de la edición nº 49

Imperceptibles, pero presentes en el cotidiano de la mayoría de las personas, las chapas de acero se encuentran por todos lados: desde las carrocerías de los automóviles hasta dentro de casa, en las puertas de la heladera y en otros productos. Las chapas constituyen un insumo esencial en las ensambladoras de vehículos y de electrodomésticos, y son producidas por la industria siderúrgica, un sector que experimenta una severa competitividad en el mercado brasileño, como consecuencia del período de privatizaciones, y que necesita modernizarse para afrontar el mercado externo.

La ventaja de Brasil reside en ser uno de los pocos países que fabrican, para consumo propio y para exportación, cilindros de laminación, que son las herramientas de conformación de las chapas. No obstante, en los últimos diez años, la competencia en países como Japón, Estados Unidos, Canadá y en Europa ha llevado a la producción de esos cilindros hacia una reconversión tecnológica que torna a dichas piezas más resistentes y eficaces.

Para acompañar dicho avance, Aços Villares, la mayor fabrica nacional de cilindros de laminación, se alió a la Escuela Politécnica (Poli) de la Universidad de São Paulo (USP), y al Instituto de Investigaciones Tecnológicas (IPT) para desarrollar una nueva serie de estos productos. La empresa, que produjo 23 mil toneladas de cilindros en 1998, exporta el 50% de su producción a Argentina, Chile, Venezuela, México, Estados Unidos, Canadá, Sudáfrica, Alemania, Holanda, Hungría, Taiwán, Singapur y Malasia, por ejemplo. Dicha unión cuenta con el apoyo de la FAPESP, en el marco del programa Asociación para la Innovación Tecnológica (PITE, sigla en portugués), que financia proyectos de investigación entre una empresa e instituciones académicas. El proyecto, intitulado Desarrollo de la Producción de Cilindros de Acero Rápido para la Laminación de Tiras en Caliente, cuenta con recursos por 145 mil reales y 30 mil dólares provenientes de la Fundación, en tanto que Aços Villares aportó 467 mil reales.

El test en la producción
Este proyecto, iniciado en diciembre de 1997, tiene fecha de finalización prevista para el final del año 2000. Para ese momento, los investigadores tienen previsto contar con indicativos seguros surgidos de los tests de campo. “Estos tests son lentos, porque son realizados con la utilización de los cilindros en los laminadores de las industrias siderúrgicas, es decir, es una prueba real, en producción”, explica el ingeniero metalúrgico Mário Boccalini Júnior, investigador del Laboratorio de Fundición del IPT.

De acuerdo con el coordinador general del proyecto, el ingeniero metalúrgico Amilton Sinatora, de la Poli, se está arribando a una sumatoria de capacidades, tanto del IPT como de la USP, para el aprovechamiento de la infraestructura existente en el Laboratorio de Fundición del IPT y en el Laboratorio de Fenómenos de Superficie de la Poli-USP. “Trabajamos en pie de igualdad, y la interacción entre nuestros laboratorios permite que el proyecto salga por un costo mucho menor al que tendría si fuera realizado enteramente en la USP o en el IPT”, afirma Sinatora.

El gerente de ingeniería y desarrollo de cilindros de Aços Villares de Pindamonhangaba (interior de São Paulo), Miguel Angelo de Carvalho, explica que estos cilindros reciben a las chapas a temperaturas superiores a los 1000°C, deformándolas de acuerdo con las necesidades de espesor. Son varios tipos de cilindros de laminación, y los implicados en este proyecto son los chamados cilindros de trabajo para laminadores de tiras (de acero) en caliente. Éstos representan más de un 25% de los ingresos por ventas de todo los tipos de cilindros fabricados para la industria siderúrgica a nivel mundial. “Más allá de estos cilindros, existen aquellos usados en la laminación de tiras en frío, para la fabricación de barras y también los de sostén, en los cuales los laminadores de trabajo se apoyan”, explica Carvalho.

Como fideos
Para se hacerse una idea acerca de cómo están montados los cilindros de trabajo en el laminador de tiras en caliente, Boccalini sugiere la imagen de aquellas máquinas caseras de hacer fideos. “La pasta que pasa entre los dos rodillos de metal, instalados en una posición igual a la de los cilindros de la siderúrgica, sale del otro lado en forma de fideos, y puede ser comparada a las chapas de acero. El laminador está formado por varios conjuntos –llamados jaulas– de esos dos cilindros de trabajo, que son apoyados en los cilindros de apoyo y van diminuyendo la espesura de la chapa, progresivamente.”

Este sistema es una forma de transferir la carga de laminación, impidiendo la flexión y evitando la producción de chapas deformadas. La permanencia de la calidad de la chapa en niveles adecuados por un mayor espacio de tiempo es una de las ventajas de la nueva serie de cilindros de trabajo producidos con acero del tipo rápido, una categoría más resistente, por ejemplo, que la del acero al carbono y el acero inoxidable.

Todos los aceros tienen como base hierro y carbono, a los cuales se les adicionan elementos químicos tales como cromo y manganeso, de acuerdo a las necesidades del producto final. El acero rápido posee carburos –compuestos de carbono con otros elementos químicos– finamente dispersos en la aleación, lo que imprime una mayor resistencia al desgaste abrasivo que se produce durante la laminación. Los cilindros de la generación anterior, producidos con hierro fundido blanco de alto índice de cromo, tienen carburos menos duros, mayores y más concentrados en determinadas regiones del material.

Durabilidad
La oxidación de la superficie de los cilindros de acero rápido también es menor a la que sufren los cilindros de hierro fundido y, en su conjunto, las propiedades de la nueva generación permiten que éstos permanezcan en actividad hasta tres veces más tiempo que sus antecesores, explica Miguel Carvalho. Esta diferencia es muy importante para la industria siderúrgica, puesto que cualquier parada para la sustitución de los cilindros –paradas realizadas periódicamente, para rectificar la superficie– representa pérdidas de producción de toneladas de acero.

Existen laminadores de tiras en caliente que llegan a producir 400 mil toneladas de acero por mes, lo que representa cerca de 500 toneladas por hora. “La industria siderúrgica gana en volumen y cualquier accidente con el laminador representa una falla gravísima”, dice Carvalho. Por tal motivo, los investigadores trabajan buscando el mejor proceso de fabricación del cilindro, que depende tanto del proyecto y de los componentes de la aleación metálica como del modo de construcción –a temperatura mayor o menor, enfriamiento más o menos rápido. Todo eso influirá en la microestructura del material, que es el punto que comanda todo el proceso de desgaste.

En la producción del acero rápido, los metales utilizados reciben la adición de sustancias químicas y son derretidos. El material resultante es colocado en un molde centrífugo que gira a altas revoluciones. Con ello el acero rápido se adhiere al molde, formando un cilindro hueco, como una especie de tubo. Internamente, aloja un núcleo de material menos noble, cuya principal característica es resistir a los esfuerzos sin quebrarse.

El desarrollo del nuevo cilindro generó resultados positivos, tanto en conocimientos para los ingenieros de la USP y del IPT como para la empresa, que invierte en la formación de sus empleados. En el año 2000, Villares pretende exportar un 60% de la producción de cilindros de acero, y en 2002, espera producir un total de 30 mil toneladas de cilindros por año. Un aumento del 30% en la producción en cuatro años, lo que muestra la disposición de la empresa para continuar siendo competitiva y ganar nuevos mercados productores de chapas de acero.

El Proyecto: Desarrollo de la Producción de Cilindros de Acero Rápido para la Laminación de Tiras en Caliente
Inversión: R$ 145 mil y US$ 30 mil de la Fapesp, y R$ 467 mil de Villares

Amilton Sinatora es profesor del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Poli-USP desde 1986, en donde coordina el Laboratorio de Fenómenos de Superficie. Se recibió en la Poli en 1975, hizo su maestría en 1986 y se doctoró en 1990 en la Unicamp.

Mário Boccalini Júnior es investigador del Laboratorio de Fundición del IPT desde 1989. Se graduó en la Poli en 1981, en la cual concluyó su maestría en 1990, y su doctorado en 1996.

Miguel Angelo de Carvalho es gerente de ingeniería y desarrollo de cilindros de Aços Villares S/A desde hace dos años. Está en la empresa desde 1987, año de su graduación en la Universidad Federal de São Carlos. En 1995 concluyó su maestría en la Poli.