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Caracterización de las propiedades en caliente de aceros para la

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Caracterización de las propiedades en caliente de aceros para la
Caracterización de las propiedades en caliente de aceros para la
fabricación de tubos
J* Tormo*, A* Hey* y E. Brandaleze*
Resumen
Resulta relevante comprender el comportamiento mecánico en caliente de los aceros
utilizados en la fabricación de tubos sin costura mediante laminadores perforadores. Dicho
proceso contempla la perforación de tochos cilindricos, a través de una reducción diametral
crítica, que genera una fractura en el núcleo y facilita la perforación por efecto
Mannesmann junto a la laminación transversal. Se presentan resultados de ductilidad en
caliente obtenidos mediante ensayos de torsión en el rango de temperatura de interés
industrial y se relacionan con la susceptibilidad a la rotura axial y el análisis de la fractura
asociada. Las curvas de ductilidad permiten determinar la variación de ductilidad desde la
periferia hacia el centro de la barra y el rango de temperatura a la cual disminuye la
ductilidad del material.
Palabras clave
Tubos. Efecto Mannesmann. Ductilidad. Torsión en caliente.
Hot mechanical behaviour of steels for seamless pipes
Abstract
It is necessary to understand the mechanical behaviour of the steels used in the rotary
piercing mill process, for the manufacture of seamless pipes. This process involves a critic
reduction in diameter of the cylindrical solid billet through a crack caused in the centre by
Mannesmann and cross roll mill effects. Hot ductility results obtained by torsion tests at
industrial interest temperature range are presented in relation with the axial break
susceptibility and the associated fracture. The ductility curves let us determine the ductility
variation from the periphery toward the centre of the billet and also the range of
temperature at which the ductility of the material diminishes.
Keywords
Tubes. Mannesmann effect. Ductility. Hot torsion.
1. INTRODUCCIÓN
Los procesos más modernos de la fabricación de tubos sin costura incluyen, en las primeras etapas de
la deformación, la perforación de tochos cilindricos provenientes de la colada continua. Este proceso se lleva a cabo mediante laminadores perforadores que trabajan sobre la base del principio de la
laminación transversal.
Al producirse durante el proceso, la reducción
diametral crítica del tocho, se inicia una fractura
en el núcleo que permite el proceso de perforación.
Esto ocurre por el conocido efecto Mannesmann,
que es independiente de la presencia de la punta.
En las figuras 1 y 2, se detallan los efectos de la
operación de perforado y el estado de tensiones en
el centro del tocho.
(*)
Resulta conveniente que la cavidad no se forme
delante del mandril, ya que la superficie rugosa
propia de la fractura al ser laminada puede dar
lugar a la formación de defectos. Por esta razón,
el mandril se ubica con cierto avance en relación a
la garganta que forman los cilindros, de modo que
ésta genere la perforación del tocho mientras es
Tensión equivalente
Figura 1. Efectos de la operación de perforado.
Figure 1. Drilling operation effects.
Instituto Argentino de Siderurgia, Avda. Central y 19 Oeste, Barrio Somisa, San Nicolás, Prov. de Buenos Aires, Argentina. Gerencia de
Desarrollo - CNEA - Argentina.
Rev. Metal Madrid Vol Extn (2005) 127-130
(c) Consejo Superior de Investigaciones Científicas
Licencia Creative Commons 3.0 España (by-nc)
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]. T O R M O , A. HEY Y E.
BRANDALEZE
-
Figura 2. Estado de tensiones en el centro del tocho.
Figure 2. Stress state in the centre of the round billet.
asistida por el proceso de laminación transversal
que ocurre en la zona de alimentación (Fig. 3).
Sin embargo, aun bajo estas consideraciones
pueden generarse defectos asociados a la aparición
prematura de la cavidad central. Esto, en general,
es causa de rechazo de productos.
Es relevante considerar que tanto la cavitación en el proceso de laminación transversal como
la aparición de la fractura central representan
fenómenos no muy bien comprendidos hasta el
momento. No obstante, se asume que tiene lugar
en la zona de alimentación que conforman los cilindros, como consecuencia de la intensa deformación generada en dicha región durante la laminación transversal del tocho.
Existen, básicamente, dos tipos de fracturas
centrales:
-
Las que tienen lugar antes de que una sección
transversal dada del tocho alcance la punta de
perforación y que producirán defectos.
Región de
Región de
•alimentación . trabajo
Piel
Aquellas que tienen lugar en la nariz de la punta de perforación y que, como consecuencia de
su presencia, pueden resultar en tubos sanos.
La aparición de uno u otro tipo de rotura axial
no es de simple predicción, no obstante lo cual es
fácil de imaginar que todos aquellos factores tanto
mecánicos como metalúrgicos que alteren las condiciones de perforado tendrán fuerte influencia sobre los mismos.
En este trabajo se propone estudiar las características de la deformación en caliente de algunos
aceros producidos mediante la combinación de
procesos de colada continua - laminador perforador. En particular, en lo referido a la ductilidad en
caliente y su relación con la susceptibilidad a la rotura axial. Se parte del empleo del ensayo de torsión en caliente, frecuentemente propuesto como
una herramienta experimental válida para evaluar
este tipo de propiedades en relación con los procesos de fabricación de tubos sin costura^ \
En particular, se presentan los resultados obtenidos al ensayar por torsión en caliente probetas
extraídas de distintas zonas de una barra de colada
continua, a fin de evaluar su comportamiento en el
ámbito de temperaturas y velocidades de deformación típicas de las operaciones de perforado.
2. MATERIALES Y PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
Con el fin de caracterizar la ductilidad en caliente
de las distintas zonas que componen la sección
transversal de una barra de colada continua, se han
llevado a cabo ensayos de torsión en caliente sobre
probetas extraídas de distintas regiones de la misma, según lo esquematizado en la figura 4. Cabe
mencionar que se consideran temperaturas en el
rango entre 900 °C y 1200 "^C y una velocidad de
deformación de 4 s" .
En la tabla I, se presenta la composición química del material en estudio.
Cabe mencionar que, previamente al ensayo,
las probetas fueron sometidas a un tratamiento de
precalentamiento a L250 °C durante 5 min. con el
fin de lograr la homogeneización de la estructura.
Tabla 1. Composición química del acero
Figura 3. Avance helicoidal del tocho a través de los cilindros.
Figure 3. Screw movement of the billet through the rolling
rolls.
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Licencia Creative Commons 3.0 España (by-nc)
Table I. Chemical composition of the steel
%C % M n %S %P %Si % N i %Cr % Mo %Cu
%AI
0,04
0,019
0,19
0,54 0,0130,014 0,23 0,01
0,03
0,01
Rev. Uetd. MadridVol. Extr. (2005) 127-130
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7 5
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6
4
3
3
4
6
8
7 7
5 5
3 3
12 12
12 12
3 3
5 5
7 7
8
6
4
3
3
4
6
8
7
6
5
5
6
7
8|
7
7
8
Figura 4 . Esquema de las zonas de extracción de las probetas en el tocho.
so de altas velocidades de ensayos utilizadas, no
puede ser totalmente disipada. En la figura 6 se
puede observar el aumento de temperatura a causa
de la deformación en el material. Los datos corregidos surgen de sumar a la temperatura de inicio
del ensayo, el aumento registrado. La figura 7 permite notar el desplazamiento que sufren las curvas
de ductilidad después de efectuada la corrección.
No obstante, tal como se ha observado en la
figura 5, se pueden apreciar las diferencias de
comportamiento asociadas a las distintas zonas de
la barra.
Se desprende de los resultados obtenidos, que la
máxima ductilidad parece asociada con la región
más próxima a la zona acoquinada, en tanto que la
zona 12 presenta menor ductilidad. Entre estas dos
Figure 4. Scheme of the locations for sample extraction in the
round billet.
Las curvas de ductilidad han sido determinadas
para cada una de las zonas previamente definidas.
3.
RESULTADOS
En la figura 5 se presentan los resultados sobre de
la caracterización de cada una de las zonas de la
barra considerada. Cabe aclarar que cada una de
estas zonas corresponde a la sección transversal de
la misma- Es relevante mencionar que los datos de
ductilidad consignados corresponden a valores corregidos por aumento de la temperatura, a causa de
la deformación en el material.
Durante el ensayo se produce un paulatino aumento de la temperatura como consecuencia de la
energía entregada por deformación y que, en el ca-
N° vuelt.|
rotura
0.25
0.50
0.75
e [vueltas]
Figura 6. Curva de ensayo de torsión a rotura con velocidad de deformación 1 s" ' y a 900 °C.
Figure 6. Torsion test curve using a 7 s"' strain rate at 900
H°v
Posición 8
4340 ®
30-
C = 1 S-^
• Valor original
0 Valor corregido
25-
Posición 7
Posición 6,5,3
20-
Posición 4
3--
15-
^----'^I^^^^^^''^^^'^ ^ \
^ — " " ^
\ \
'—""--"i^
\
\
Posición 12
ID-
1
S'
8Ó0
1000
1100
1200
1300
1400
Rev. Metal. Madrid Vol. Extr. (2005) ¡27^130
(c) Consejo Superior de Investigaciones Científicas
Licencia Creative Commons 3.0 España (by-nc)
850 9Ó0 950 lO'oO 1050 liO01150 12*00 12*5013'0013£io T rci
T [°C]
Figura 5. Curvas de ductilidad en caliente con velocidad de
deformación de 4 s ^
Figure 5. Hot ductility curves at 4 s'^ strain rate.
\
H
718
5 6 7 \
3 4 6
'\
121 3 5 7
\
Figura 7. Curvas de ductilidad obtenidas a temperatura de
base y por corrección con aumento de temperatura.
Figure 7. Ductility curves obtained
considering temperature correction.
at base
temperature
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regiones límite, respecto a la ductilidad, se ubican
las restantes zonas con ductilidad decreciente desde la periferia hacia el centro de la barra^ \
En la zona 4, no sucede el mismo comportamiento, hecho posiblemente asociado a que la estructura es de transición de granos columnares a
equiaxiados^ \
La temperatura de máxima ductilidad, tiende a
ubicarse en el entorno de L250 °C a 1.315 °C, si
se consideran las zonas 12 y 6, excepto en las zonas
7 y 8.
Parece interesante resaltar aquí la importancia
que puede asumir la forma de la curva de ductilidad por cuanto, si bien es cierto que la zona 4, por
ejemplo, presenta una temperatura de ductilidad
máxima superior a la de las zonas 3 , 5 y 7 a L 3 1 5
°C vs 1.250 °C, esta última región muestra un
comportamiento mucho menos dependiente de la
temperatura que la zona 4, para temperaturas descendentes.
Con relación a este tema, podría definirse, además, una zona de sensible disminución de la ductilidad, en el rango de temperaturas entre 1.350 ''C y
1.375 °C, para lo cual es fácil apreciar el marcado
descenso del número de vueltas a la rotura que experimentan las muestras, incluida la acoquillada.
Así, también podría definirse una temperatura de
ductilidad nula para un número de vueltas a la rotura igual a cero , que en este caso sería de 1.400 °C.
De acuerdo a la literatura, la correcta elección
de la temperatura óptima de perforado ejerce una
importante influencia, frecuentemente coincidente con la máxima ductilidad obtenida por torsión
en caliente^"^^ \ Experiencias llevadas a cabo sobre
barras de colada continua pertenecientes a un mismo grado de acero y laminadas transversalmente a
tres niveles de temperaturas diferentes, entre 30 y
35 *^C por encima de la temperatura normal de
procesado, 30 y 35 °C por debajo y, finalmente, a
la citada temperatura, muestran, en el primer grupo, un creciente número de tubos con defectos intemosP^'°l.
En estos casos, han sido asociados determinados defectos con el hecho de que antes que el tocho alcance la punta de perforación, su temperatura promedio no es sólo función del ciclo de
calentamiento a que ha sido sometido en el horno.
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(c) Consejo Superior de Investigaciones Científicas
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sino que ésta se verá fuertemente alterada por el
recalentamiento causado por el trabajo redundante
más la fricción que tiene lugar en la zona de alimentación. De esta manera la temperatura podría
superar incluso los 1.370 °C, de manera tal que la
aparición de defectos podría ser directamente atribuida a la pérdida de ductilidad^^^^
De este modo, queda expuesta la idea central del
trabajo, que manifiesta la importancia que reviste
no sólo conocer la curva de ductilidad máxima
sino, además, la forma que adopta la misma.
5. CONCLUSIONES
A partir de los resultados obtenidos se puede decir
que:
-
En base a la curva de ductilidad en caliente,
obtenida sobre las distintas zonas de la barra de
colada continua, se pudo comprobar que el empobrecimiento de la ductilidad ocurre desde la
periferia hacia el centro de la barra.
- Se pudo determinar, en cada caso, la temperatura de máxima ductilidad de cada zona de la
barra, las mismas se hallan comprendidas entre
1.250 °C y 1.315 °C.
- La zona de pérdida brusca de ductilidad está
comprendida en el rango de temperaturas entre
1.350 "C y 1.375 °C.
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