Pase: Operación crítica de laminación en la fabricación y procesamiento de acero

Definición y concepto básico

En la industria siderúrgica, una "pasada" se refiere a un único movimiento del metal a través de un laminador o una matriz de embutición que resulta en una reducción del área de la sección transversal y un aumento de la longitud. Esta operación fundamental representa uno de los pasos más críticos en el procesamiento del acero, transformando el material fundido en productos útiles con dimensiones específicas y propiedades mecánicas mejoradas.

El concepto de pasadas es fundamental en las operaciones de conformado de metales, especialmente en los laminadores, donde el acero se deforma progresivamente mediante múltiples pasadas para lograr las formas y propiedades deseadas. Cada pasada contribuye a la relación de reducción general, el endurecimiento por deformación y la evolución microestructural del material.

En el campo más amplio de la metalurgia, el concepto de pasadas conecta las operaciones de fundición y acabado, representando el principal medio por el cual los metalúrgicos controlan la microestructura y las propiedades finales de los productos de acero. La secuencia, el número y el diseño de las pasadas determinan fundamentalmente la calidad del producto, la eficiencia de la producción y el consumo energético en la fabricación de acero.

Naturaleza física y fundamento teórico

Mecanismo físico

A nivel microestructural, una pasada de laminación induce deformación plástica mediante el movimiento y la multiplicación de dislocaciones dentro de la red cristalina del acero. Estas dislocaciones interactúan entre sí y con obstáculos como los límites de grano, los precipitados y otros defectos de la red, lo que provoca endurecimiento por deformación.

Durante cada pasada, los granos se alargan en la dirección de laminación y se aplanan en la dirección normal, creando una orientación o textura cristalográfica preferida. Esta estructura de grano anisotrópica influye significativamente en las propiedades mecánicas del producto laminado, en particular en sus características de resistencia y conformabilidad.

La zona de deformación, donde el material entra en contacto con los rodillos, experimenta estados de tensión complejos, que incluyen compresión en la dirección normal y tensión en la dirección de laminación. El calor generado durante la deformación plástica puede provocar recuperación dinámica o recristalización, dependiendo de las condiciones de temperatura y velocidad de deformación.

Modelos teóricos

La teoría de laminación de Sims representa el principal modelo teórico para la laminación plana, y describe la relación entre la fuerza de laminación, el par motor y las variables del proceso. Este modelo, desarrollado a mediados del siglo XX, trata la zona de deformación como un problema de compresión por deformación plana con fricción en la interfaz entre el rodillo y el material.

La comprensión histórica evolucionó desde las observaciones empíricas de los primeros metalúrgicos hasta los sofisticados modelos computacionales. Los primeros trabajos de von Kármán (1925) y Orowan (1943) sentaron las bases de la teoría moderna de laminación mediante el análisis de campo de líneas de deslizamiento.

Los enfoques alternativos incluyen métodos de límite superior que estiman los requisitos de potencia, modelos de elementos finitos que capturan patrones complejos de deformación y modelos de inteligencia artificial que predicen resultados de rodadura basados ​​en datos históricos. Cada enfoque ofrece diferentes ventajas en cuanto a precisión, eficiencia computacional y aplicabilidad a condiciones de rodadura específicas.

Fundamentos de la ciencia de los materiales

La deformación por paso afecta directamente la estructura cristalina al aumentar la densidad de dislocaciones y crear texturas cristalográficas. En los límites de grano, la deformación provoca rotación, deslizamiento y, en algunos casos, la formación de nuevos límites mediante recristalización dinámica.

La microestructura evoluciona progresivamente a través de múltiples pasadas, y el refinamiento del grano se produce mediante la recristalización entre pasadas (en laminación en caliente) o por la acumulación de deformación (en laminación en frío). Esta evolución determina el tamaño final del grano, la distribución de fases y la morfología de las inclusiones.

Los principios fundamentales de la ciencia de los materiales que rigen las operaciones de pasada incluyen el endurecimiento por acritud, la recuperación, la recristalización y la transformación de fase. Estos mecanismos determinan cómo responde el material a la deformación y cómo evolucionan sus propiedades a través de pasadas sucesivas.

Métodos de expresión y cálculo matemático

Fórmula de definición básica

El calado o reducción de espesor por pasada se define como:

$$r = \frac{h_0 - h_1}{h_0} \veces 100\%$$

Dónde:
- $r$ es el porcentaje de reducción por pasada
- $h_0$ es el espesor de entrada
- $h_1$ es el espesor de salida

Fórmulas de cálculo relacionadas

La fuerza de rodadura necesaria para una pasada se puede calcular utilizando:

$$F = w \cdot L \cdot Y_{avg} \cdot Q$$

Dónde:
- $F$ es la fuerza de balanceo
- $w$ es el ancho de la tira
- $L$ es la longitud proyectada del contacto
- $Y_{avg}$ es la tensión de flujo promedio del material
- $Q$ es un factor que explica la fricción y la deformación no homogénea.

El par de giro se puede determinar mediante:

$$T = F \cdot a \cdot 2$$

Dónde:
- $T$ es el torque por rollo
- $F$ es la fuerza de balanceo
- $a$ es el brazo de palanca (normalmente 0,4-0,5 veces la longitud de contacto)

Condiciones y limitaciones aplicables

Estas fórmulas se aplican en condiciones de deformación por deformación plana, lo cual es válido cuando el ancho del material es al menos 10 veces mayor que su espesor. Para tiras estrechas o perfiles especiales, los efectos de borde se vuelven significativos y requieren modelos más complejos.

Los modelos asumen propiedades homogéneas del material y condiciones isotérmicas, lo cual podría no ser válido para laminado a alta velocidad o materiales con gradientes de temperatura significativos. Además, estas fórmulas pierden precisión con reducciones muy altas (>50 % por pasada), donde se produce una deformación severa.

La mayoría de las teorías de laminación asumen rodillos rígidos, pero en la práctica, se produce aplanamiento y flexión de los rodillos, especialmente en el laminado de flejes anchos. Los modelos avanzados incorporan la deformación de los rodillos mediante coeficientes de influencia o análisis de elementos finitos.

Métodos de medición y caracterización

Especificaciones de pruebas estándar

ASTM A1030: Práctica estándar para medir las características de planitud de productos de chapa de acero.

ISO 6892: Materiales metálicos. Ensayos de tracción, utilizados para evaluar las propiedades mecánicas después de pasadas de laminación.

ASTM E112: Métodos de prueba estándar para determinar el tamaño promedio de grano, crítico para evaluar cambios microestructurales después de las pasadas.

Equipos y principios de prueba

Las células de carga y los transductores de presión miden las fuerzas de laminación durante las operaciones industriales de laminación. Estos dispositivos convierten la presión mecánica en señales eléctricas proporcionales a la fuerza aplicada.

Los medidores de espesor ópticos y láser monitorean continuamente el espesor antes y después de las pasadas. Estos sistemas sin contacto utilizan principios de reflexión o transmisión de luz para medir dimensiones con alta precisión.

La caracterización avanzada incluye trenes de laminación equipados con medidores de torsión, acelerómetros y cámaras térmicas para proporcionar datos completos sobre el comportamiento de deformación, las características de vibración y la evolución de la temperatura durante las pasadas.

Requisitos de muestra

Las muestras estándar para pruebas mecánicas posteriores al laminado generalmente siguen las dimensiones ASTM E8, con longitudes de calibre de 50 mm y secciones transversales rectangulares proporcionales en función del espesor del material.

La preparación de la superficie para el análisis microestructural requiere un esmerilado progresivo, pulido hasta obtener un acabado de espejo (normalmente una suspensión de diamante de 1 μm) y un grabado adecuado (por ejemplo, Nital al 2 % para aceros al carbono) para revelar los límites y las fases del grano.

Las muestras deben tomarse con una orientación consistente en relación con la dirección de laminado, normalmente designada como dirección longitudinal (L), transversal (T) y normal (N), ya que las propiedades varían significativamente con la dirección después del laminado.

Parámetros de prueba

Las pruebas estándar suelen realizarse a temperatura ambiente (20 ± 5 °C), a menos que se evalúen específicamente propiedades calientes. La humedad ambiental debe mantenerse por debajo del 60 % para evitar la oxidación de la superficie durante las pruebas.

Las tasas de carga para pruebas de tracción de productos laminados generalmente varían de 0,001 a 0,1 s⁻¹ de velocidad de deformación; las tasas más lentas proporcionan una determinación más precisa del punto de rendimiento y las tasas más rápidas simulan operaciones de conformado industrial.

Para monitorear el proceso de laminación, las frecuencias de muestreo deben ser suficientes para capturar eventos transitorios, típicamente 100-1000 Hz para mediciones de fuerza y ​​10-100 Hz para mediciones dimensionales.

Proceso de datos

La recopilación de datos primarios implica la adquisición sincronizada de series de tiempo de mediciones de fuerza, torsión, velocidad y dimensiones durante las pasadas, con filtrado aplicado para eliminar el ruido eléctrico y las vibraciones mecánicas.

El análisis estadístico generalmente incluye el cálculo de valores medios, desviaciones estándar e intervalos de confianza para parámetros clave en múltiples bobinas o lotes para establecer índices de capacidad del proceso.

Los valores de propiedad finales se calculan correlacionando los parámetros del proceso (reducción por pasada, temperatura, velocidad) con las propiedades mecánicas medidas y las características microestructurales utilizando análisis de regresión o técnicas de aprendizaje automático más avanzadas.

Rangos de valores típicos

Clasificación del acero	Reducción típica por pasada	Condiciones de prueba	Estándar de referencia
Laminador de bandas en caliente - Desbaste	25-45%	1000-1200 °C	ISO 15765
Laminador de bandas en caliente - Acabado	15-30%	800-950 °C	ISO 15765
Laminador en frío de una sola caja	10-30%	Temperatura ambiente	ASTM A568
Laminador en frío - Tándem	15-40%	Temperatura ambiente	ASTM A568

Las variaciones dentro de cada clasificación dependen principalmente del grado del material; los aceros de mayor resistencia generalmente requieren menores reducciones por pasada para evitar fuerzas excesivas en los rodillos y una posible sobrecarga del molino.

En aplicaciones prácticas, los ingenieros deben equilibrar la máxima reducción posible (para la productividad) con parámetros de calidad como la planitud, el acabado superficial y la tolerancia dimensional. Reducciones mayores generalmente aumentan la productividad, pero pueden comprometer la calidad.

Una tendencia notable entre los tipos de acero es que los aceros de mayor aleación generalmente requieren más pasadas con menor reducción por pasada en comparación con los aceros al carbono simples debido a su mayor resistencia a la deformación y ventanas de procesamiento más estrechas.

Análisis de aplicaciones de ingeniería

Consideraciones de diseño

Los ingenieros calculan los requisitos de reducción total según el espesor de la pieza inicial y las especificaciones del producto final, y luego distribuyen esta reducción en múltiples pasadas para optimizar la carga del molino y la calidad del producto.

Los factores de seguridad en los cálculos de fuerza de laminación generalmente varían entre 1,2 y 1,5 para tener en cuenta las variaciones de las propiedades del material, las fluctuaciones de temperatura y el comportamiento de endurecimiento inesperado durante el procesamiento.

La selección del material para los rodillos debe equilibrar la resistencia al desgaste, la resistencia a la fatiga térmica y la resistencia mecánica; se utilizan rodillos de acero o carburo de alta velocidad para pasadas de acabado donde la calidad de la superficie es fundamental, y rodillos de acero forjado más duraderos para pasadas de desbaste.

Áreas de aplicación clave

En la producción de láminas para automóviles, los programas de pasadas cuidadosamente diseñados garantizan propiedades mecánicas consistentes y la calidad de superficie requerida para los paneles expuestos, con especial atención a la uniformidad del límite elástico y las características de formabilidad.

El laminado de acero para la construcción requiere diferentes diseños de pasadas centrados en la precisión dimensional y la rectitud para aplicaciones estructurales, empleando a menudo diseños de calibre especializados para vigas, canales y otras formas complejas.

En la producción de acero para tuberías, los programas de pasadas deben desarrollar combinaciones específicas de resistencia y tenacidad a través del laminado y enfriamiento controlados, con especial atención a las pasadas finales que determinan el refinamiento del grano, crítico para la tenacidad a baja temperatura.

Compensaciones en el rendimiento

Una mayor reducción por pasada aumenta la productividad, pero a menudo entra en conflicto con los requisitos de calidad de la superficie, ya que una reducción excesiva puede provocar defectos en la superficie, como impresiones de escamas o grietas, en particular en aleaciones de alta resistencia o baja ductilidad.

Las velocidades de laminación más rápidas mejoran el rendimiento, pero sacrifican la precisión dimensional y la planitud, ya que las velocidades más altas aumentan la vibración del molino, la desviación del rodillo y los gradientes térmicos que pueden generar defectos de forma.

Los ingenieros deben equilibrar el refinamiento del grano (que requiere temperaturas de acabado más bajas y una reducción total mayor) frente al consumo de energía y las consideraciones de desgaste de los rodillos, en particular en la producción avanzada de acero de alta resistencia.

Análisis de fallos

Las marcas o hendiduras del rodillo representan una falla de calidad común relacionada con el diseño del paso, generalmente causada por daño en la superficie del rodillo, reducción excesiva o lubricación inadecuada en operaciones de laminado en frío.

Estos defectos superficiales se inician en la interfaz entre el rollo y el material, donde la presión localizada excede la tensión del flujo del material y se propagan a través de pasadas posteriores si no se detectan y corrigen en forma temprana en el proceso.

Las estrategias de mitigación incluyen la inspección y el rectificado regulares de los rodillos, sistemas de lubricación optimizados y modificaciones del cronograma de pasadas que distribuyen la reducción de manera más uniforme entre los soportes disponibles.

Factores influyentes y métodos de control

Influencia de la composición química

El contenido de carbono afecta significativamente el comportamiento de laminación; cada aumento del 0,1 % generalmente requiere entre un 10 y un 15 % más de fuerza de laminación debido al aumento de la tensión de flujo y la reducción de la ductilidad en caliente.

Los oligoelementos como el nitrógeno y el boro pueden afectar drásticamente la ductilidad en caliente durante las pasadas de laminación; tan solo un 0,005 % de nitrógeno puede causar grietas en los bordes durante reducciones intensas.

La optimización de la composición a menudo implica la microaleación con elementos como niobio, titanio o vanadio para controlar el comportamiento de recristalización entre pasadas, lo que permite el refinamiento del grano a través de prácticas de laminación controladas.

Influencia microestructural

Los tamaños de grano iniciales más finos generalmente permiten mayores reducciones por pasada debido a una ductilidad mejorada, pero requieren mayores fuerzas de laminación debido al efecto de fortalecimiento de Hall-Petch.

La distribución de fases afecta críticamente el comportamiento del laminado, y los aceros de doble fase o multifase requieren programas de pasadas cuidadosamente diseñados que tengan en cuenta la diferente resistencia a la deformación de las fases constituyentes.

Las inclusiones y los defectos actúan como concentradores de tensión durante las pasadas de laminación, pudiendo causar grietas internas o defectos superficiales, especialmente cuando están alineados perpendicularmente a la dirección de laminación.

Influencia del procesamiento

El tratamiento térmico entre pasadas, particularmente el normalizado o recocido, restablece el endurecimiento por deformación acumulado durante las pasadas anteriores, lo que permite una mayor deformación sin fuerzas excesivas ni agrietamiento.

El historial de trabajo mecánico afecta el comportamiento de las pasadas posteriores, y la reducción previa influye en el desarrollo de la textura, la anisotropía y la respuesta de endurecimiento por deformación en pasadas posteriores.

Las velocidades de enfriamiento entre pasadas de laminado en caliente determinan si se produce una recristalización estática; un enfriamiento más rápido (pulverizaciones de agua) preserva la tensión y un enfriamiento más lento permite la recuperación y la recristalización que reduce la fuerza requerida en pasadas posteriores.

Factores ambientales

Las variaciones de temperatura de ±50 °C pueden cambiar las fuerzas de laminación en un 15-25 % durante las pasadas de laminación en caliente, lo que hace que el control de la temperatura sea fundamental para un funcionamiento y una calidad constantes.

La humedad afecta las pasadas de laminado en frío a través de su impacto en la efectividad de la lubricación, y una humedad más alta puede causar comportamiento de adherencias y deslizamientos y defectos en la superficie.

La exposición ambiental a largo plazo entre pasadas (en el procesamiento de múltiples etapas) puede crear óxidos superficiales que afectan las condiciones de fricción y la calidad final de la superficie si no se eliminan adecuadamente.

Métodos de mejora

Las mejoras metalúrgicas incluyen estrategias de microaleación que precipitan partículas finas entre pasadas, fijando los límites de grano y controlando la recristalización para optimizar la estructura del grano.

Las mejoras basadas en procesos incluyen sistemas de enfriamiento de rodillos de trabajo que mantienen perfiles térmicos consistentes en todo el cilindro del rodillo, lo que reduce las variaciones de la corona y mejora el control de planitud durante las pasadas.

Las optimizaciones de diseño incluyen sistemas de programación de pasadas controlados por computadora que adaptan las distribuciones de reducción en tiempo real según las propiedades del material medido, la temperatura y las condiciones de carga del molino.

Términos y normas relacionados

Términos relacionados

La distancia entre rodillos se refiere al espacio controlado entre los rodillos de trabajo que determina el espesor de salida del material en una pasada determinada, ajustado a través de sistemas de posicionamiento hidráulico o mecánico.

El borrador del cronograma describe la secuencia planificada de reducciones de espesor en múltiples pasadas, optimizada para equilibrar las capacidades del molino, las propiedades del material y los requisitos del producto final.

El perfil de fuerza del rodillo representa la distribución de la presión a lo ancho del material durante una pasada, algo de vital importancia para el control de la planitud y la deformación uniforme.

Estos términos están interconectados en el sentido de que los ajustes de la separación entre rodillos determinan las reducciones de pasadas individuales dentro del programa de diseño general, mientras que los perfiles de fuerza de rodillos resultan de la interacción de las propiedades del material y los parámetros de diseño de pasadas.

Normas principales

La norma ISO 16124 establece métodos para determinar la capacidad de laminación de los trenes de laminación en frío, incluidos los parámetros de diseño de pasadas, los cálculos de fuerza y ​​las consideraciones de rigidez del tren de laminación.

ASTM A1030 proporciona prácticas estandarizadas para medir las características de planitud de los productos de chapa de acero después de las pasadas de laminado, con tolerancias específicas para diferentes grados de calidad y aplicaciones.

La norma europea EN 10163 se diferencia de los enfoques ASTM al categorizar los requisitos de calidad de la superficie en clases con tolerancias específicas para imperfecciones resultantes de pasadas de laminación, lo que proporciona especificaciones de calidad más graduadas.

Tendencias de desarrollo

La investigación actual se centra en el modelado de procesos que vincula la evolución microestructural a lo largo de múltiples pasadas con las propiedades mecánicas finales, lo que permite un control más preciso de las características del producto.

Las tecnologías emergentes incluyen la programación de pases adaptativa en tiempo real utilizando inteligencia artificial para optimizar la distribución de la reducción en función de las propiedades del material medido y las condiciones del molino.

Es probable que los desarrollos futuros integren conceptos de fabricación aditiva con el laminado tradicional, creando procesos híbridos donde la adición selectiva de material complementa las pasadas de deformación para producir componentes con propiedades y geometrías optimizadas localmente.